A larch biorefinery producing pulp and lactic acid

Abstract

In a forest based biorefinery pulp and paper are the main products, while side-streams are utilized for value-added products. Hemicelluloses can be removed from wood by extraction prior to pulping and converted into biofuels or chemicals. In this thesis a proof of concept for a process utilizing larch for production of papermaking pulp and biochemically obtained lactic acid was determined. Larch is a softwood species, which has a high content of water-soluble arabinogalactan. Therefore, water extraction suits especially larch wood. By removing the water-soluble carbohydrates with pre-extraction (PE) prior pulping, an additional sugar stream is formed. In this study wood chips of Siberian larch (Larix sibirica Lebed.) were pre-extracted with water prior pulping. The optimal PE conditions were determined. Both the sugar-rich extract and the pre-extracted wood chips were analyzed in detail. PE at 150 °C for 90 min dissolved about 11% sugars on wood. A mild wash was needed to wash out the dissolved carbohydrates from the wood chips. The pre-extracted and washed wood chips were used for pulping, while the extract was fermented into lactic acid. Polysulfide (PS) and anthraquinone (AQ) were used as pulping additives to compensate for the yield loss caused by the PE. Without PS and AQ addition the pulp yield loss after PE was 5% relative to conventional kraft pulp. At a PS charge of 2% and 0.1% AQ on wood the pulp yield loss was reduced to 2%. PE allows less alkali and lower H-factor. The larch pulp was then bleached, and paper sheets were made. The unbleached PE-PSAQ larch pulp had lower tear strength and optical properties compared to kraft larch pulp. The PE-PSAQ pulp was easier to bleach, and therefore reached higher brightness. The bleached PE-PSAQ pulp had lower sheet density, poorer tensile strength, better tear strength, higher opacity, higher light scattering, and higher air permeability. PE-PSAQ pulps could be used in similar applications as other softwoods. The hydrolyzed extract was fermented with different bacteria strains. Fermentation with Bacillus coagulans MXL-9 gave the most attractive results. Larch extract containing 36 g/L sugars was fermented into 28 g/L lactic acid. The lactic acid yield for 97 h cultivation time was 78.5% on initial sugar and 5.8% on wood. A process flowchart for a larch biorefinery was constructed, mass and energy balances were obtained through simulation, and the process was economically evaluated. An existing kraft pulp mill could relatively easy be converted into a larch biorefinery. The cash flow analysis showed that an additional lactic acid production for a kraft pulp mill would be profitable. The investment costs could be paid back within 16 months, when the lactic acid production was added to an existing kraft pulp mill.

I ett skogsbaserat bioraffinaderi utgörs huvudprodukterna av massa och papper, medan sidoströmmarna utnyttjas till produkter med högre förädlingsvärde. Hemicellulosa kan avlägsnas från träflisen genom extraktion före massatillverkning och att därefter omvandlas till biobränsle eller kemikalier. I den här avhandlingen presenteras en process där siberisk lärk används till produktion av pappersmassa och där en biprodukt är biokemiskt framställd mjölksyra. Lärk är ett barrträd med högt innehåll av vattenlösligt arabinogalaktan. Därför lämpar sig extraktion med vatten speciellt för lärk. Genom att avlägsna de vattenlösliga kolhydraterna med förextraktion (PE) före massakok, formas ett extra sockerflöde. I den här studien användes träflis av sibirisk lärk (Larix sibirica Lebed.). Flisen extraherades med vatten före sulfatkoket. De ideala förhållandena för extraktionen bestämdes. Både det sockerrika extraktet och de extraherade träflisen analyserades detaljerat. Extraktion vid 150 °C under 90 minuter upplöser socker motsvarande 11% av veden. En mild tvätt var nödvändig för att avlägsna de upplösta kolhydraterna från träflisen. De extraherade och tvättade träflisen användes i sulfatkok, medan extraktet fermenterades till mjölksyra. Polysulfid (PS) och antrakinon (AQ) användes som tillsatsämnen i det efterföljande sulfatkoket, för att kompensera det lägre massautbytet förorsakat av förextraktionen. Utan tillsats av PS och AQ var utbytet efter extraktion 5% lägre jämfört med ett traditionellt sulfatkok. Med PS- och AQ-doserna 2% respektive 0,1% av veden minskades utbytets bortfall till 2%. Förextraktionen tillåter mindre mängder alkali och lägre H-faktor. Lärkmassan blektes och pappersark framställdes. Den oblekta PE-PSAQ-lärkmassan hade något lägre rivstyrka och sämre optiska egenskaper jämfört med sulfatmassa. PE-PSAQ-massan var enklare att bleka och därför uppnåddes högre ljushet. Den blekta PE-PSAQ-massan hade lägre arkdensitet, sämre dragstyrka, bättre rivstyrka, högre opacitet, högre ljusspridning och högre permeabilitet. PE-PSAQ-lärkmassan kunde ha motsvarande användingsmöjligheter som sulfatmassor av andra barrträd. Det hydrolyserade extraktet fermenterades med olika bakteriestammar. Fermentering med Bacillus coagulans MXL-9 gav de mest attraktiva resultaten. Extrakt innehållande 36 g/l socker fermenterades till 28 g/l mjölksyra. Mjölksyreutbytet för en fermenteringstid på 97 h var 78,5% av ursprungligt socker. Ett flödesschema för bioraffinaderiet konstruerades, mass- och energibalanser erhölls via simulering, och processen evaluerades ekonomiskt. En befintlig massafabrik kunde relativt enkelt omvandlas till ett lärkbioraffinaderi. Kassaflödet visade att en extra mjölksyreproduktion vid en massafabrik skulle vara lönsam. Investeringskostnaderna kunde betalas tillbaka inom 16 månader, ifall mjölksyreproduktionen lades till en befintlig massafabrik.