aalto1 untyped-item.component.html
Effects of hydrolysis and bleaching conditions on the efficiency of cellulose micro-fibrils extraction from spent coffee grounds
Loading...
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
22
Series
Abstract
This literature review focuses on cellulose extraction as a method to valorize food waste, especially spent coffee grounds. Coffee is one of the most consumed beverages worldwide, and its brewing generates annually almost six million tons of spent coffee grounds (SCG). Typically, cellulose is extracted from biowaste utilizing a multi-step process, which includes acid hydrolysis, alkaline hydrolysis and bleaching. These steps are required to isolate cellulose from tightly bonded hemicellulose and lignin. In previously published studies cellulose has been extracted from various waste sources. However, little studies have been published about cellulose extraction from spent coffee grounds. Different types of biomasses contain cellulose, lignin and hemicellulose in varying proportions, which affect the reaction condition in the extraction process. For example, the concentration, time, and temperature can affect the purity and crystallinity of cellulose.
In addition to the literature review, this thesis contains an experimental part where cellulose is extracted and characterized. Cellulose was extracted from the SCGs with a three-step process: first acid hydrolysis with nitric acid (HNO_3), followed by alkaline hydrolysis with sodium hydroxide (NaOH) and bleaching with sodium hypochlorite (NaClO). After the first cellulose extraction, temperatures and concentrations were modified to optimize the extraction from spent coffee grounds. Altogether, the extraction process was repeated three times.
The extracted cellulose was characterized with a Fourier transform infrared (FTIR) spectra, an x-ray diffraction (XRD) and a scanning electron microscope (SEM). The results from characterization indicate that cellulose was successfully extracted from the SGCs. The extracted cellulose fibers contain both crystalline and amorphous regions and some residual lignin was present in the samples.
Tämä kirjallisuuskatsaus keskittyy ruokajätteen arvon lisäämiseen, erityisesti selluloosan erottamiseen käytetyistä kahvinpuruista. Kahvi on yksi maailman suosituimmista juomista, minkä seurauksena sen valmistus tuottaa vuosittain lähes kuusi miljoonaa tonnia käytettyjä kahvinpuruja. Tyypillisesti selluloosaa erotetaan biojätteestä monivaiheisella menetelmällä, johon voi sisältyä happohydrolyysi, emäshydrolyysi ja vaalennus. Monivaiheista erotusprosessia tarvitaan tiukasti sitoutuneiden ligniinin ja hemiselluloosan erottamiseksi selluloosakuiduista. Aiemmin julkaistuissa tutkimuksissa selluloosaa on erotettu moninaisista ruokajätteistä, mutta käytettyjen kahvipurujen käytöstä selluloosan lähteenä on julkaistu rajallisesti tutkimuksia. Erilaiset ruokajätteet sisältävät erilaisissa suhteissa selluloosaa, ligniiniä ja hemiselluloosaa, mikä vaikuttaa erotusprosessin parametreihin. Esimerkiksi reagenssien konsentraatio, reaktioaika ja lämpötila voivat vaikuttaa selluloosan puhtauteen ja ominaisuuksiin. Raaka-aineiden erilaisuuden vuoksi reaktio-olosuhteiden tutkiminen käytetyille kahvinpuruille on tärkeää optimaalisen saannon saavuttamiseksi.
Kirjallisuuskatsauksen lisäksi tutkielmassa on kokeellinen osio, jossa kuvataan selluloosan erotusprosessi ja karakterisoidaan erotettu tuote. Tutkielman kokeellisessa osiossa erotettiin selluloosaa käytetyistä kahvipuruista kolmivaiheissa menetelmällä. Ensin typpihapolla (HNO3) happohydrolyysillä, sitten natrium hydroksidilla (NaOH) emäshydrolyysillä ja lopuksi vaalennettiin natriumhypokloriitilla (NaClO). Ensimmäisen selluloosan erottamisen jälkeen menetelmän parametreja, kuten lämpötilaa ja reagenssien konsentraatiota, mukautettiin sopivammaksi käytetyille kahvinpuruille. Yhteensä selluloosan erotusprosessi toistettiin erilaisissa olosuhteissa kolme kertaa.
Erotettua selluloosaa tutkittiin useilla erilaisilla menetelmillä. Näytteen puhtautta selvitettiin FTIR-spektroskopialla (FTIR) tutkimalla näytteen sisältämiä funktionaalisia ryhmiä. Röntgendiffraktiolla (x-ray diffraction, XRD) tutkittiin näytteiden kiteisyyttä. Lisäksi näytteiden pinnanmuotoja ja erotusvaiheiden vaikutusta rakenteeseen tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (Scanning electron microscope, SEM). Kokeellisessa osiossa pystyttiin analysointimenetelmien perusteella erottamaan selluloosaa käytetyistä kahvinpuruista. Erotetut selluloosakuidut sisältävät amorfisia ja kiteisiä alueita, sekä niissä on pieniä jäämiä ligniinistä ja hemiselluloosasta.