Recovery of cellulose from green algae for textile manufacture

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2017-12-12
Department
Major/Subject
Biomass refining
Mcode
CHEM3021
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
70
Series
Abstract
This thesis investigated if the cellulose from algal species Cladophora glomerata could be used as a feedstock for manufacturing textile fibers using the Ioncell-F process in a sustainable way. To achieve sustainability, it was investigated if the current methods for isolating algal cellulose could be replaced with more environmentally benign processes. The current literature available on the biorefining and fractionation of algal biomass was reviewed, and it was concluded that a major issue in the field is that most of the studies cannot readily be compared with each other, making it difficult to review and compare different fractionation options. To address this issue this thesis suggests that existing knowledge on the biological categorization of algae could be used as a basis for producing more systematic information on algal fractionation. The fractionation of the green algae, Cladophora glomerata, biomass was investigated by a two-stage fractionation process, and the composition of the original feedstock and the fractionation products were characterized in detail. Three different fractionation schemes were tested: 1) autohydrolysis + low-concentration alkali treatment 2) low-concentration acid treatment + low-concentration alkali treatment 3) acid treatment + alkali treatment. It was found that these treatments were not as effective as existing methods in isolating algal cellulose as the literature methods. Ultimate cellulose purity of 63 % was achieved using the methods tested in this thesis. The cellulose produced by the fractionation study was subjected to an acid degradation to decrease its degree of polymerization (DP) to make it more suitable for textile production. It was observed to be much more resistant towards acid degradation than terrestrial celluloses, and to have leveling-off degree of polymerization of 940, which is approximately 3 times higher than that of terrestrial cellulose sources. A small amount of textile fibers was produced from this DP-adjusted material and their properties were compared with Ioncell-F fibers made from more conventional feedstocks. The produced algal fibers were observed to have slightly worse technical properties than the more conventional prehydrolysis kraft pulp-based fibers. This thesis demonstrated the first ever production of cellulosic textile fibers made purely out of algal raw material. This result was achieved with relatively impure cellulose and it is clear that there is still much that can be done for improving this process. However, as a proof-of-concept demonstration, this thesis implies that green algae, a highly abundant and an under-utilized natural resource, can be used as a raw material for high-value cellulosic products.

Tämä diplomityö tutki voitaisiinko Cladophora glomerata – viherlevän selluloosasta valmistaa tekstiilikuituja käyttämällä Ioncell-F teknologiaa. Lisäksi diplomityössä pyrittiin korvaamaan nykyisiä leväselluloosan talteenottometodeja ympäristöystävällisemmillä prosesseilla. Työssä arvioitiin leväbiomassan biojalostamiseen ja fraktiointiin liittyvän tieteellisen kirjallisuuden nykytilaa ja todettiin että kyseisen alan keskeisenä ongelmana on, ettei suurin osa tehdystä tutkimuksesta ole vertailukelpoista muiden alan tutkimusten kanssa. Ratkaisuna tähän ongelmaan tämä työ ehdottaa, että olemassa olevaa tietoa levien biologisesta luokittelusta voitaisiin käyttää pohjana levien fraktiointiin liittyvän tiedon uudelleenjärjestämiseen systemaattisemmaksi kokonaisuudeksi. Cladophora glomerata – viherlevän fraktiontia tutkittiin käyttämällä kaksivaiheista fraktiontiprosessia. Sekä Leväbiomassan alkuperäinen, että fraktionaatiotuotteiden kemiallinen koostumus selvitettiin yksityiskohtaisesti. Työssä testattiin kolmea erilaista fraktionaatioskeemaa: 1) Autohydrolyysi + Keitto laimeassa emäksessä 2) Keitto laimeassa hapossa + Keitto laimeassa emäksessä 3) Keitto hapossa + Keitto emäksessä. Työssä todettiin etteivät nämä käsittelyt olleet yhtä tehokkaita kuin olemassaolevat kirjallisuudessa esitetyt metodit leväselluloosan talteenottamiseksi. Työn fraktiontimetodeilla tuotettua selluloosaa käsiteltiin edelleen, jotta se soveltuisi paremmin tekstiilituotantoon Ioncell-F menetelmällä. Leväselluloosan polymerisaatioastetta pienennettiin happohydrolyysillä, mutta sen huomattiin olevan huomattavasti vastustuskykyisempi happohydrolyysiä vastaan kuin maa-kasveista peräisin oleva selluloosa. Lisäksi leväselluloosan polymerisaatioasteen tasaantuminen tapahtui 940 yksikön polymerisaatioasteessa, mikä on noin 3 kertaa korkeampi arvo kuin maa-kasveista peräisin olevalla selluloosalla. Työssä tuotettiin pieni määrä tekstiilikuituja tästä polymerisaatio-aste säädetystä materiaalista, ja tuotettujen tekstiilikuitujen ominaisuuksia verrattiin liukosellusta valmistettuihin Ioncell-F kuituihin. Tuotettujen levätekstiili-kuitujen tekniset ominaisuudet olivat hieman heikompia kuin konventionaalisten liukosellusta valmistettujen Ioncell-F kuitujen. Tässä diplomityössä valmistettiin ensimmäistä kertaa koskaan selluloosapohjaisia tekstiilikuituja puhtaasti leväpohjaisesta raaka-aineesta. Nämä kuidut kyettiin valmistamaan verrattain epäpuhtaasta selluloosasta, ja on selvää, että valmistustekniikkaa kyettäisiin vielä kehittämään. Tämä työ kuitenkin kykeni osoittamaan demonstraatioluonteisesti, että viherlevät, jotka ovat erittäin yleinen, mutta alikäytetty luonnonvara, soveltuvat arvokkaiden selluloosatuotteiden raaka-aineeksi.
Description
Supervisor
Sixta, Herbert
Thesis advisor
Hummel, Michael
Blomster, Jaanika
Keywords
algae, Ioncell-F, textile fibers, fractionation
Other note
Citation