Towards optimal fractionation of lignocellulosic biomass using switchable ionic liquids

En ny familj av reversibla (switchable) joniska vätskor (SIL) innehållande 1,8-diazobicyklo-[5.4.0]-undek-7-en (DBU), en molekyl innehållande en eller flera hydroxyl- grupper (t.ex. glycerol) och en sur gas (CO2, SO2) syntetiserades via en enkel procedur samt karakteriserades. [DBU][karbonat] eller [sulfonat] bildades ur en respektive icke-jonisk blandning av en molekylär, organisk polyol (eller ennan molekyl innehållande en OH-grupp) och en amidinbas under bubblandet av en sur gas. Därtill kunde den joniska vätskan omvandlas tillbaka till sina beståndsdelar med hjälp av att upphetta och/eller bubbla en inert gas såsom kväve genom vätskan. SIL- strukturerna kartlades med bl.a. NMR- och FTIR- spektroskopi. Omvandlingen från lågpolära (molekylära) vätskor till högpolära joniska vätskor (SIL) bekräftades även genom att observera förändringar i deras fysikaliska egenskaper, såsom viskositet och färg. Nedbrytningstemperaturerna hos SILs bestämdes med hjälp av termogravimetrisk analys (TGA) som antydde att nedbrytningstemperaturen hos de syntetiserade föreningarna log mellan 50 och 200oC. De nya joniska vätskorna uppvisade högre nedbrytningstemperaturer jämfört med i litteraturen tidigare förekommande exempel och kunde därför tillämpas på flera ändamål. Därtill, reversibla (switchable) joniska vätskor uppbyggda av bl.a. alkoholer, antingen hexanol eller butanol, och CO2 samt en amidin (DBU) användes vid upplösning och fraktionering av ved. Joniska vätskor syntetiserade ur glycerol och sura gaser tillsammans med amidiner användes även för fraktionering av andra lignocellulosor såsom färsk björk (Betula pendula). Björkflis utsattes för behandling, för en period på en till fem dagar vid 100oC och under atmosfäriskt tryck. Alla syntetiserade joniska vätskor visade sig vara relativt neutrala i avseende på upplösning och avlägsnandet av lignin. Slutligen, optimala fraktioneringprocessbetingelser för ved med reversibla joniska vätskor kartlades. Fraktionering av vedbiomassa med dessa joniska vätskor uppvisade sig att vara en selektiv och effektiv metod för extraktion av olika komponenter från lignocellulosa. Den olösta fraktionen hos en vedflis, närmast cellulosa, fibrillerades. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Tässä työssä kehitettiin perhe uuden tyyppisiä, reversiibeleitä (switchable) ioninesteitä ( SIL ) joka koostuvat orgaanisesta super-emäksestä kuten 1,8- diatsabisyklo [ 5.4.0] undek- 7-eeni (DBU ) ja yhden tai useampia hydroksyyliryhmiä sisältältävästä molekyylistä (esim. glyseroli) ja happamasta kaasusta (CO2 , SO2) yksinkertaisen menetelmän avulla. [DBU] [ karbonaatti] tai [sulfonaatti] syntetisoitiin kunkin lähtöaineen seoksista kuplittamalla seosta happamalla kaasulla jolloin eksoterminen reaktio tapahtui ja ioninen neste syntyi. Ioniset nesteet voitiin palauttaa takaisin lähtöaineseokseksi kuumentamalla ja/tai kuplittamalla neutraalia kaasua (esim. typpi) seoksen läpi. SIL rakenteet määritettiin ja niiden ominaisuudet kartoitettiin eri menetelmillä, mukaan lukien NMR- ja FTIR -spektroskopia. Ionisen, korkeapoläärisen nesteen syntyminen todennettiin myös viskositeettimittauksilla ja värinmuutoksilla käyttäen hyväksi polariteetti-indikaattoria (Nile red). Myös hajoamislämpötilat määritettiin termogravimetrisellä analyysillä (TGA) ja todettiin että syntetisoitujen yhdisteiden hajoamislämpötila oli välillä 50 ja 200oC . Näiden uusien reversiibeleiden ioninesteiden hajoamisämpötilat olivat korkeammat verrattuna kirjallisuudessa aikaisemmin mainittuihin esimerkkeihin joten niitä voidaan soveltaa useisiin tarkoituksiin. Myös ioninesteitä jotka sisälsivät primäärejä alkoholeja rakennusaineina syntetisoitiin ja hyödynnettiin puun fraktioinnissa. Männyn ja kuusen lisäksi tuoreita koivulastuja onnistuttiin fraktioimaan miedoissa olosuhteissa. Kaikkien syntetisoitujen ioninesteiden todettiin olevan suhteellisen neutraaleja ligniinin liuotuksen suhteen. Vielä, optimaaliset fraktiointiolosuhteet määritettiin ryhmälle reversiibeleitä ioninesteitä ja näiden uudenlaisten ioninesteiden todettiin olevan tehokkaita puun ja muiden lignoselluloosien eri fraktioiden liuotuksessa. Liukenematon osa puulastua joka oli lähinnä selluloosaa fibrilloitui.

Catalytic upgrading of biomass extractives to fine chemicals over supported ionic liquid catalysts (SILCAs)

Behovet av förnyelsebar energi ökar ständigt eftersom det finns en strävan att minska beroendet av fossila bränslen. Dessutom är tillgångar av fossila bränslen begränsade. Miljövänliga processer för bioraffinaderier erbjuder en stor möjlighet för produktion av energi, bränslen och kemikalier. Den finska och svenska skogsindustrin har en lång tradition i utnyttjandet av skogsbiomassor. Bioraffinaderier som integreras med pappers- och cellulosaindustrin kan frambringa både ekonomiska och ekologiska fördelar i framställning av traditionella och biobaserade produkter. I doktorsarbetet studerades omvandling av extraktivämnen till finkemikalier som kan användas t.ex. av läkemedelsindustrin. Extraktivämnen fås ur biomassa. I forskningsarbetet framställdes biobaserade finkemikalier med hjälp av katalysatorer som baserar sig på joniska vätskor. Biomassan består av cellulosa, hemicellulosa, lignin och extraktivämnen, vilka huvudsakligen är terpener, vaxer och fettsyror. Extraktivämen är vedens komponenter, som kan separeras ur vedmaterialet med hjälp av neutrala lösningsmedel. Joniska vätskekatalysatorer som var immobiliserade på fasta bärare utnyttjades för isomerisering av α,β-pinenoxider samt hydrogenering citral. Inverkan av joniska vätskor på katalysatorns aktivitet och reaktionernas produktfördelning undersöktes under varierande reaktionsbetingelser. Kinetiska modeller för pinenoxidens isomeriseringsreaktioner beskrev väl experimentellt upptäckta skillnader mellan olika katalysatorer. --------------------------------------------------- Uusiutuvan energian tarve on kasvussa, koska riippuvuutta fossiilisista polttoaineista pyritään vähentämään. Tämän lisäksi fossiilisten polttoaineiden varannot ovat rajalliset. Ympäristöystävälliset biojalostusprosessit ovat näin ollen suuri mahdollisuus energian, polttoaineiden ja kemikaalien tuotannossa. Suomen ja Ruotsin metsäteollisuudella on pitkät perinteet metsäbiomassojen hyödyntämisessä. Paperi- ja selluteollisuuden yhteyteen integroiduilla biojalostamoilla voidaan luoda taloudellisia ja ympäristöllisiä etuja sekä perinteisten että biopohjaisten tuotteiden valmistuksessa. Väitöstyössä on tutkittu biomassan uuteaineiden kemiallista muuntamista hienokemikaaleiksi, joita voidaan käyttää esimerkiksi lääkeaineteollisuudessa. Biopohjaisia hienokemikaaleja on valmistettu biomassan uuteaineista ionisiin nesteisiin perustuvilla katalyyteillä. Biomassa koostuu selluloosasta, hemiselluloosasta, ligniinistä sekä uuteaineista, jotka ovat pääosin terpeenejä, vahoja tai rasvahappoja. Uuteaineet ovat puun komponentteja, jotka voidaan erottaa puusta neutraalien liuottimien avulla. Kiinteän kantajan päälle immobilisoituja ionisia nestekatalyyttejä (Supported Ionic Liquid Catalyst) hyödynnettiin α,β-pineenioksidien isomerisointireaktioissa sekä sitraalin vedytysreaktioissa. Ionisten nesteiden vaikutusta katalyyttien aktiivisuuteen sekä reaktioiden tuotejakaumaan tutkittiin erilaisissa reaktio-olosuhteissa. Pineenioksidien isomerisointireaktioiden kineettiset mallit kuvasivat hyvin kokeellisesti todettuja katalyyttien eroavaisuuksia.

Utilizing hemicelluloses – the first step : controlled extraction with hot water

Människor utnyttjar ofta kemi mångsidigt i sitt vardagliga liv utan att närmare tänka på detaljerna. Nuförtiden kan man framställa en ökande mängd av produkter ur förnybara råmaterial och en av de mest mångsidiga nybara råmaterialet i Norden är barrträd. Den lyriska lägerelden eller spiselden och möbler av ved samt papper är en väsentlig del av vardagen. Också livsmedel och läkemedel kan innehålla föreningar ur ved. Ved som råmaterial består av tre huvudkomponenten: cellulosa, som är uppbyggd av druvsockermolekyler är en långkedjad, oförgrenad polymer; lignin, som sammanhåller fibrerna i vedmaterialet som lim samt hemicellulosor, som ofta är uppbyggda av olika sockerarter och är en förgrenad polymer. Följaktligen består vedmaterialet av 70 % socker. I detta arbete har vi koncentrerat på i hemicellulosa och dess extraktion ur gran, samt bestämning av hemicellulosans egenskaper. Den slutliga målsättningen i forskningen var att skapa nya produkter ur gran. Forskning i extraktionens hemligheter eller hur hemicellulosa kan effektivt extraheras i den önskade formen kräver nya typers experimentellasanläggningar och experiment samt matematisk modellering. Den långkedjade hemicellulosan är lämplig för att användas t.ex. i skyddshinnor eller i livsmedel. Medel- och småmolekylär hemicellulosa kan användas som utgångsämne för framställning av bränslen, smörjmedel, sockersyror och alkoholer, av vilka xylitol är mest känd för alla pga hälsobefrämjande effekter. Det är utomordentligt viktigt ur miljöns och energiekonomins synvinkel att sträva efter effektivering av utnyttjandet av den värdefullaste och största naturtillgången, skogen i vårt land, med alla möjliga sätt. Resultaten av denna forskning utnyttjar avsevärt den växande, nya, på skogen baserande biobaseradeindustrin, som framställer nya spetsprodukter samt skapar nya arbetsplatser. ----------------------------------------------------- Ihmiset hyödyntävät usein huomaamattaan kemiaa monipuolisesti jokapäiväisessä elämässä. Nykyään kasvava määrä tuotteista kyetään valmistamaan uusiutuvista raaka-aineista ja yksi monipuolisimmista uusiutuvista luonnonvaroistamme pohjolassa ovat havupuut. Tunnelmallinen nuotio tai takkatuli ja puiset huonekalut sekä paperi ovat olennainen osa arkea. Myös elintarvikkeet ja lääkkeet voivat sisältää puusta peräisin olevia yhdisteitä. Puu materiaalina koostuu rakenteeltaan pääosin kolmesta osasta; selluloosasta, joka on rypälesokerista koostuva pitkäketjuinen haaroittumaton polymeeri, ligniinistä, joka toimii puun koossa pitävänä liima-aineena ja hemiselluloosasta, joka on useista eri sokereista rakentunut haaroittunut polymeeri. Näin ollen puusta 70 % on sokeria. Tässä työssä olemme keskittyneet hemiselluloosaan ja sen uuttamiseen kuusesta, sekä ominaisuuksien kartoittamiseen. Tutkimusaiheen lopullinen tavoite on luoda uusia tuotteita kuusesta. Uuton salojen tutkiminen eli miten hemiselluloosa saadaan tehokkaasti uutettua halutunlaisena vaatii uudenlaisia koelaitteistoja ja kokeita, sekä matemaattista mallintamista. Suurikokoinen hemiselluloosa on sopivaa käytettäväksi esimerkiksi suojakalvoissa tai elintarvikkeissa. Keskikokoista ja pienimolekyylistä hemiselluloosaa voidaan käyttää lähtöaineena valmistettaessa polttoaineita, voiteluaineita, sokerihappoja ja sokerialkoholeja, joista xylitoli on terveysvaikutustensa vuoksi kaikille tuttu. Niin ympäristömme kuin myös energiataloutemme kannalta on ensiarvoisen tärkeää pyrkiä kaikin keinoin tehostamaan maallemme arvokkaan, sekä luonnonvaroistamme yhden suurimman, metsän, vastuullista hyödyntämistä. Tämän tutkimuksen tulokset hyödyntävät merkittävästi maahamme nousevaa uutta metsään pohjautuvaa biojalostusteollisuutta, joka valmistaa uusia huipputuotteita sekä luo työpaikkoja.