Hydrotropic process for green biorefinery applications

Abstract

Biorefinery is a concept of sustainable biomass processing into several useful products, such as fuels, materials, power and chemicals. The necessity of more extensive biomass utilization is governed nowadays by the intensively growing population and the increased pollution caused by the usage of oilbased products, which lead, among other things, to the global climate change. However, successful implementation of the biorefinery concept requires efficient fractionation technologies. Therefore, the aim of the present study was the investigation of a hydrotropic process as a method for biomass fractionation. The hydrotropic method is an environmentally friendly waterbased process that possesses several attractive features, such as simple recovery of the hydrotropic solution and possibility to obtain, besides fibers, several by-products.

In the scope of the study, two raw materials, namely birch wood chips from Finland and sugarcane bagasse from Brazil, were treated with the hydrotropic method, and the obtained fractions were characterized employing different techniques. In addition, lignin hydrotropically extracted from birch wood was utilized for the preparation of lignin-cellulose particles.

The result of the fractionation of the birch wood chips showed that this raw material could be efficiently delignified with the process under the conditions employed. The modification of the solutions with formic acid, or hydrogen peroxide, or both improved considerably the delignification efficiency. Generally, the produced pulps were enriched in cellulose. Subsequent bleaching further increased the cellulose content. Therefore, the obtained cellulose fractions could potentially be used as dissolving grade pulps. Lignins extracted from the wood by the unmodified and modified (formic acid and hydrogen peroxide) hydrotropic solutions were isolated by dilution of the spent solutions with water and filtration and had low contents of non-lignin compounds.

Sugarcane bagasse was fractionated with a hydrotropic process at different treatment temperatures and times. Generally, two fractions, namely cellulose and lignin, were obtained. The purity of both fractions and the yield of lignin were higher at more severe treatment conditions. The spent solutions from the treatments contained, besides lignin, also dissolved hemicelluloses, sugar monomers, furfural, acetic and formic acids. The content of the dissolved components varied depending on the treatment conditions.

Lignin extracted from birch wood with a conventional hydrotropic method was mixed with cellulose and shaped into beads employing 7% NaOH/12% urea aqueous solution as a solvent. The beads in the never-dried state were highly porous particles, and the lignin was evenly distributed in them. Antibacterial studies against the common pathogens Staphylococcus aureus and Escherichia coli revealed that the beads could inhibit the growth of S. aureus, and the extent of the inhibition correlated with the lignin content in the beads.

The results summarized in the thesis showed a great potential of the hydrotropic treatment for fractionation of hardwood and non-wood raw materials into valuable products, such as cellulose and lignin. Positive aspects of the hydrotropic treatment with the respect to the recovery of the named fractions are simple isolation of the extracted lignin from the solution and minimal losses of cellulose over the course of the treatment. In addition, both fractions can be produced with a high degree of purity, and they present excellent raw materials for further conversion. As was shown with sugarcane bagasse, besides the main streams, several other products (furfural and acetic acid) can be obtained as well. Overall, the results of the thesis can serve as a basis for further development of hydrotropic process-based biorefinery technology.

Bioraffinaderi är ett koncept som innefattar hållbar förädling av biomassa till flera nyttiga produkter såsom bränsle, material, energi och kemikalier. Behovet av en bredare användning av råvaror från biomassa har sin grund i jordens befolkningsökning och förorening med olja-baserade produkter, vilka bland annat bidrar till klimatförändringen. En framgångsrik implementering av bioraffinaderier behöver effektiva fraktioneringsmetoder och därför är syftet av den här forskningen att undersöka en hydrotropisk process som kan användas som metod för fraktionering av biomassa. Den undersökta hydrotropiska metoden är en miljövänlig vatten-baserad process med enkel återvinning av hydrotropen och en möjlighet att erhålla olika biprodukter.

Två typer av råvaror användes i studierna, nämligen flis av nordisk björk och sockerrörsblast (bagass) från Brasilien. De här råvarorna behandlades med den hydrotropiska metoden och erhållna fraktioner analyserades med olika tekniker. Dessutom användes lignin, som var extraherad med den hydrotropiska metoden, för tillverkning av lignin-cellulosa partiklar (pärlor).

Experiment med björkflis visade att under de förhållanden som användes kunde den hydrotropiska metoden effektivt delignifiera den här råvaran. Tillsats av myrsyra, väteperoxid eller de båda i kombination till den hydrotropiska lösningen hjälpte att avsevärt förbättra delignifieringen. De producerade massorna hade en hög cellulosahalt, som ytterligare ökade efter blekning. Därför är dissolvingmassa ett möjligt användningsområde för de här massorna. Lignin som extraherats med den omodifierade och den modifierade (myrsyra och väteperoxid) processen isolerades genom tillsats av vatten till restlutarna och därpå följande filtrering. Ligninet hade låga halter av icke-lignin komponenter.

Sökerrörsblast (bagass) fraktionerades med den hydrotropiska metoden vid olika temperaturer och tider. Vanligen erhölls två fraktioner, nämligen cellulosa och lignin. Renheten av de båda fraktionerna och utbytet av lignin var högre vid de hårdare processförhållandena. Förutom utlöst lignin fanns det i restlutarna också hemicellulosor, monosackarider, furfural, ättik- och myrsyra. Halten av de utlösta komponenterna varierade med processförhållandena.

Lignin som extraherats från björkved med den konventionella hydrotropiska metoden blandades med cellulosa i en vattenlösning innehållande 7 % NaOH/12 % urea och den här lignin-cellulosa lösningen användes för att framställa partiklar som kallas pärlor. Icke-torkade pärlor hade en hög porositet och ligninet var jämnt utspritt i pärlorna. Antibakteriologiska prov mot vanliga patogener Staphylococcus aureus och Escherichia coli visade att lignin-cellulosa pärlorna förhindrade tillväxten av S. aureus och inhibitionen var högre när ligninhalten steg.

Resultaten av den har undersökningen visade att den hydrotropiska metoden har en stor potential för fraktionering av lövved och icke-ved råvaror till värdefulla produkter såsom cellulosa och lignin. De positiva sidorna av processen när det gäller återvinning av de nämnda fraktionerna är en enkel isolering av extraherat lignin från restluten och små förluster av cellulosa under processen. Dessutom kan de båda fraktionerna produceras med hög renhet och därför är de utmärkta råvaror för vidare förädlingar. Som det visades med sökerrörsblast kan förutom huvudprodukterna cellulosa och lignin också flera andra produkter erhållas såsom furfural och ättiksyra. På det hela taget, resultaten av denna avhandling kan stå som grund för ytterligare utvecklingar av ett bioraffinaderi baserat på hydrotropiska processer.