A review of lignin solubility in different solvents

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | 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

2024-05-26

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

24

Series

Abstract

Complex modifications of lignin derived during the bioconversion of lignocellulosic biomass (LCB) has made lignin merely a waste-suitable component, and it is yet mostly burnt in biorefineries. Lignin, however, is an aromatic and carbon rich polymer that can be valorised into high value chemicals and fuels. The aromaticity makes lignin especially an attractive alternative for petroleum-based products. Enzymatic hydrolysis lignin (EHL) is the major residue generated from the 2nd generation bioethanol production. EHL represents a new source of sulfur-free technical lignins (i.e. lignin waste from industrial processes). For the economic and environmental viability of biorefineries, it is crucial to find valorisation routes for EHL. Lignin can be depolymerised into monomers, which can be further upgraded to e.g. aromatics and biofuels. Depolymerising a heterogeneous and incalcitrant polymer is, however, not straightforward. Lignin is composed of ether and carbon-carbon linkages, and breaking the bonds usually requires severe conditions. The C-C bonds in particular cause challenges to lignin processing due to their high dissociation energy. Solvolysis is one of the common methods for lignin depolymerisation. Lignin is first dissolved, after which catalysts can be introduced for full depolymerisation. This literature review focuses on EHL dissolution and how reaction conditions (temperature) affect solvolysis. The research on EHL conversion is still in its infancy, and many studies focus on the valorisation of Kraft lignin (a product from the wood pulping industry), for instance. It was found that alcohols dissolve lignin with good capacity, but full dissolution often requires a catalyst. Ethylene glycol on the other hand is able to fully dissolve lignin, and cycloalkanes e.g. cyclohexane are another common solvent. Solvolysis temperatures range from 200-400°C, and higher temperatures generally promote solubility and depolymerisation. Nevertheless, it is hard to find a single solvent for lignin dissolution since there is no fixed structure. Thus, a mix of solvents (e.g. ethanol with water) with a catalyst is usually considered the best option.

Ligniini on aromaattinen ja hiilirikas polymeeri, mutta lignoselluloosan jalostuksesta syntyvät monimutkaiset rakenteelliset muutokset ovat tehneet ligniinistä lähinnä jätteeksi soveltuvan aineen, ja ligniinijäte suurelta osin poltetaan edelleen biojalostamoissa. Ligniini voidaan kuitenkin jalostaa arvokkaiksi kemikaaleiksi sekä polttoaineiksi, ja erityisesti ligniinin aromaattisuus tekee siitä kiinnostavan vaihtoehdon raakaöljypohjaisille tuotteille. Toisen sukupolven bioetanolin tuotannosta suurin jäte on entsymaattisesta hydrolyysistä syntyvä ligniinipitoinen jäte (EHL). EHL on rikitön tekninen ligniini (eli teollisuuden prosesseista peräisin oleva ligniinijäte). Taloudellisen hyödyn ja ympäristön kannalta on tärkeää löytää hyödyntämiskeinoja biojalostamoiden ligniinijätteelle. Ligniinijäte voidaan depolymerisoida monomeereiksi, jotka voidaan jalostaa esimerkiksi aromaattisiksi kemikaaleiksi ja biopolttoaineiksi. Heterogeenisen ja kompleksisen polymeerin hajottaminen ei ole kuitenkaan suoraviivaista. Ligniinipolymeerit koostuvat eetteri- ja hiili-hiilisidoksista, joiden katkaiseminen vaatii usein korkean paineen ja lämpötilan. Erityisesti hiilisidokset aiheuttavat haasteita ligniinin jalostuksessa niiden korkean sidosenergian takia. Solvolyysi on yksi monista tekniikoista hajottaa ligniini monomeereiksi. Ligniini liuotetaan ensin liuottimeen, jonka jälkeen mahdollinen katalyytti voidaan lisätä prosessiin täydellisen depolymerisaation saavuttamiseksi. Tämä krijallisuuskatsaus tarkastelee EHL:n liukenemista eri liuottimissa ja sitä, miten reaktio-olosuhteet (lämpötila) vaikuttavat prosessiin. Suurin osa kirjallisuudesta keskittyy esimerkiksi Kraft ligniinin (jäte puu- ja paperiteollisuudesta) jalostukseen, jonka takia EHL:n hyödyntäminen vaatii lisätutkimuksia. Tarkasteltujen tutkimusten perusteella havaittiin, että alkoholit ovat hyviä liuottimia ligniinille, mutta täydellinen liukeneminen ja depolymerisaatio tarvitsee usein katalyytin. Etyleeniglykoli puolestaan pystyy liuottamaan ligniinin täysin, ja muita yleisiä liuottimia ovat esimerkiksi sykloalkaanit. Tyypilliset solvolyysilämpötilat ligniinille ovat 200–400 °C:n välillä ja korkeammat lämpötilat yleisesti edistävät liukenemista. Ligniinille on kuitenkin vaikeaa löytää yhtä ainutta liuotinta sen rakenteen vaihtelevuuden takia. Siksi useamman liuottimen yhdistelmä (esim. etanoli ja vesi) mahdollisen katalyytin kanssa katsotaan yleensä parhaimmaksi vaihtoehdoksi.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Li, Gen

Keywords

enzymatic hydrolysis lignin, lignin dissolution, lignin, lignin valorisation, biorefinery, lignin solvolysis

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406254947

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM