Reductive catalytic depolymerization of industrial lignin and hemicellulose – process development and intensification
Lu, Xiaojia (2021-10-01)
Lu, Xiaojia
Åbo Akademi University & Institut National des Sciences Appliquées de Rouen
01.10.2021
Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.
Publikationens permanenta adress är
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4097-3
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4097-3
Abstrakt
----------
Moderna bioraffinaderier syftar på att använda förnybara råvaror för att producera ett brett sortiment av produkter så som kemikalier, biobränslen och biomaterial så att möjligast litet avfall uppstår. Lignosellulosa är ett lovande råmaterial på grund av stort utbud, förnybarhet, mångsidiga tillämpningsområden och för att den inte konkurrerar med livsmedelsproduktion. Nedbrytning av lignosellulosa till tre polymera huvudkomponenter och depolymerisering av speciellt lignin och hemicellulosa fraktionerna till monomerer och oligomerer före omvandling till värdeökade produkter är ett nyckelsteg i bioraffinaderier. Trots en stor potential förbränns en stor del av lignin och hemicellulosa inom den kemiska skogsindustrin för att producera värme och elektricitet, vilket inte stöder utveckling av hållbar bioekonomi. Denna avhandling syftar på kontrollerad och effektiv depolymerisering av lignin och hemicellulosa från finsk björk erhållen från en ny halvindustriell process genom att tillämpa processintensifiering.
Lignin depolymeriserades i olika organiska lösningsmedel under väteatmosfär i närvaro av heterogen katalysator. Målet var att erhålla monomerer eller små oligomerer för vidare uppgradering. Inverkan av olika processparametrar så som löslighet, tid, vätetryck, temperatur, pH, katalysatortyp samt mängd och sammansättning av lösningsmedel på reaktionskinetiken undersöktes. Hög omsättningsgrad och selektivitet till monomerer och dimerer erhölls med hjälp av processintensifiering.
Forskningen i depolymerisering och valorisering av semi-industriell hemicellulosa genomfördes i två steg. Hydrolys av xylan till xylos i närvaro av syrakatalysator studerades i satsvisa och kontinuerliga reaktorer. Flera kommersiella heterogena katalysatorer undersöktes och processoptimering utfördes för att nå bästa möjliga balans mellan hydrolys och sönderfall av sockermonomererna för att uppnå en hög omsättning till xylos. Modellering av reaktionskinetiken utfördes med god framgång.
Konsekutiv hydrolys och hydrogenering av xylan till xylitol i en kontinuerlig reaktor utfördes i två seriekopplade katalysatorbäddar. Xylosen som producerades i första bädden blev direkt hydrogenerad till xylitol i den andra bädden. Temperaturen, vätetrycket samt uppehållstiden varierades för att optimera processen. Ett högt utbyte (c. 90%) till xylitol uppnåddes och kinetiken modellerades med framgång.
Valorisering av biomassa är typiskt mycket temperaturkänslig och det är inte självklart att isotermiska betingelser är de optimala. Värmekapaciteten av systemet är avgörande då processen utförs under dynamiska betingelser och värmekapaciteten av katalysatorns bärarmaterial är väldigt dåligt känd och detta studerades för att möjliggöra simuleringar och utförande av experiment på ett säkert sätt i framtiden. En Tian-Calvet-mikrokalorimeter användes för att systematiskt bestämma värmekapaciteten av vanliga bärarmaterial i olika temperaturer och polynomuttryck utvecklades för att simulera beteendet. Betydande skillnader upptäcktes och resultaten bidrar avsevärt till framtida utveckling av uppgradering av biomassa under dynamsika betingelser.
Denna avhandling bidrar till utveckling och intensifiering av nya hållbara processer för att valorisera skogsbiomassa enligt principerna för grön kemi och grön processteknik.
Moderna bioraffinaderier syftar på att använda förnybara råvaror för att producera ett brett sortiment av produkter så som kemikalier, biobränslen och biomaterial så att möjligast litet avfall uppstår. Lignosellulosa är ett lovande råmaterial på grund av stort utbud, förnybarhet, mångsidiga tillämpningsområden och för att den inte konkurrerar med livsmedelsproduktion. Nedbrytning av lignosellulosa till tre polymera huvudkomponenter och depolymerisering av speciellt lignin och hemicellulosa fraktionerna till monomerer och oligomerer före omvandling till värdeökade produkter är ett nyckelsteg i bioraffinaderier. Trots en stor potential förbränns en stor del av lignin och hemicellulosa inom den kemiska skogsindustrin för att producera värme och elektricitet, vilket inte stöder utveckling av hållbar bioekonomi. Denna avhandling syftar på kontrollerad och effektiv depolymerisering av lignin och hemicellulosa från finsk björk erhållen från en ny halvindustriell process genom att tillämpa processintensifiering.
Lignin depolymeriserades i olika organiska lösningsmedel under väteatmosfär i närvaro av heterogen katalysator. Målet var att erhålla monomerer eller små oligomerer för vidare uppgradering. Inverkan av olika processparametrar så som löslighet, tid, vätetryck, temperatur, pH, katalysatortyp samt mängd och sammansättning av lösningsmedel på reaktionskinetiken undersöktes. Hög omsättningsgrad och selektivitet till monomerer och dimerer erhölls med hjälp av processintensifiering.
Forskningen i depolymerisering och valorisering av semi-industriell hemicellulosa genomfördes i två steg. Hydrolys av xylan till xylos i närvaro av syrakatalysator studerades i satsvisa och kontinuerliga reaktorer. Flera kommersiella heterogena katalysatorer undersöktes och processoptimering utfördes för att nå bästa möjliga balans mellan hydrolys och sönderfall av sockermonomererna för att uppnå en hög omsättning till xylos. Modellering av reaktionskinetiken utfördes med god framgång.
Konsekutiv hydrolys och hydrogenering av xylan till xylitol i en kontinuerlig reaktor utfördes i två seriekopplade katalysatorbäddar. Xylosen som producerades i första bädden blev direkt hydrogenerad till xylitol i den andra bädden. Temperaturen, vätetrycket samt uppehållstiden varierades för att optimera processen. Ett högt utbyte (c. 90%) till xylitol uppnåddes och kinetiken modellerades med framgång.
Valorisering av biomassa är typiskt mycket temperaturkänslig och det är inte självklart att isotermiska betingelser är de optimala. Värmekapaciteten av systemet är avgörande då processen utförs under dynamiska betingelser och värmekapaciteten av katalysatorns bärarmaterial är väldigt dåligt känd och detta studerades för att möjliggöra simuleringar och utförande av experiment på ett säkert sätt i framtiden. En Tian-Calvet-mikrokalorimeter användes för att systematiskt bestämma värmekapaciteten av vanliga bärarmaterial i olika temperaturer och polynomuttryck utvecklades för att simulera beteendet. Betydande skillnader upptäcktes och resultaten bidrar avsevärt till framtida utveckling av uppgradering av biomassa under dynamsika betingelser.
Denna avhandling bidrar till utveckling och intensifiering av nya hållbara processer för att valorisera skogsbiomassa enligt principerna för grön kemi och grön processteknik.