Lignin processing by deep eutectic solvents : from structural chemistry to its advanced valorization
Yue, Xin (2024-10-11)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202408205499
Kuvaus
Tiivistelmä
First‐generation biomass fraction technologies have primarily focused on cellulose‐first concepts, particularly chemical pulping processes. In these processes, cellulose fibers and some hemicelluloses are isolated for paper and paperboard production, whereas lignin is utilized primarily as a low‐cost thermal energy source or discarded as a byproduct. However, lignin serves as a building block for creating a wide array of chemicals and materials, offering significant practical value in enhancing environmental sustainability and economic profitability of biorefineries. However, efficient lignin exploitation is challenging owing to its structural complexity and heterogeneity. This doctoral thesis investigates the effects of green solvent systems, specifically acidic and alkaline deep eutectic solvents (DESs), on lignin dissolution and extraction, structural chemistry, pyrolysis chemistry, and the formation of lignin nanoparticles (LNPs).
Lignin extracted from wheat straw was highly effective using DES pretreatment. Moreover, the purity and chemical activity of acidic DES‐lignin were superior to those of alkaline DES‐lignin. Through sequential acid precipitation, alkaline DES‐lignin was purified to yield high‐quality lignin fractions rich in hydrophilic groups. In addition, technical hydrolysis lignin with high molar mass, pretreated with DESs at varying temperatures, selectively produced monophenolic compounds via fast pyrolysis. A computational simulation study offered the key to interpreting lignin dissolution and its self‐assembly behavior triggered by DES, focusing on solvent‐lignin molecular interactions. In summary, the findings on DES‐based processing and DES‐lignin characteristics contribute to substantial theoretical groundwork and experimental knowledge for the sustainable valorization of lignin, thereby promoting its utilization in advanced applications.
Ensimmäisen sukupolven biomassanjalostusteknologiat keskittyvät selluloosan hyödyntämiseen, erityisesti kemiallisiin massanvalmistusprosesseihin, joissa selluloosakuidut ja osa hemiselluloosista hyödynnetään paperin ja kartongin valmistuksessa, kun taas ligniini liuotetaan ja poltetaan prosesseissa. Ligniiniä onkin käytetty pääasiassa edullisena lämpöenergian lähteenä. Ligniini on kuitenkin potentiaalinen raaka‐aine monien erilaisten kemikaalien ja materiaalien valmistuksessa, ja sen hyödyntämisellä on mahdollisesti suurta käytännön arvoa biojalostamoiden ympäristövaikutuksiin ja taloudelliseen kannattavuuteen. Ligniinin rakenteen monimutkaisuus ja heterogeenisyys tekevät sen hyödyntämisestä kuitenkin vaikeaa. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia vihreiden liuotinsysteemien eli happamien ja emäksisten syväeutektisten liuottimien (DES) vaikutuksia ligniinin liukenemiseen ja fraktiointiin, rakenne‐ ja pyrolyysikemiaan sekä ligniininanopartikkeleiden valmistukseen.
Ligniiniä pystyttiin uuttamaan tehokkaasti vehnän oljesta käyttämällä DES‐esikäsittelyjä, ja happaman DES‐ligniinin puhtaus ja kemiallinen aktiivisuus havaittiin olevan korkeampia kuin alkalisen DES‐ligniinin. Peräkkäisellä happosaostuksella alkalista DES‐ligniinin voitiin edelleen puhdistaa korkealaatuisiksi ligniinifraktioiksi, joissa oli runsaasti hydrofiilisiä ryhmiä. Lisäksi tekninen hydrolyysiligniini, jolla on korkea moolimassa ja joka esikäsiteltiin DES‐liuottimilla eri lämpötiloissa, tuotti selektiivisesti monofenoliyhdisteitä nopeassa pyrolyysiprosessissa. Mallinnuksen avulla tarkasteltiin DES‐liuottimen ja ligniinin välisiä vuorovaikutuksia ja ligniinin itsejärjestäytymistä nanopartikkeleiksi. Nämä tulokset DES‐liuotinkäsittelyistä ja ligniinin ominaisuuksista tarjoavat tärkeää teoreettista tietoa ligniinin jatkojalostamiselle ja edistävät sen käyttöä uusissa sovelluksissa.
Original papers
-
Yue, X., Suopajärvi, T., Mankinen, O., Mikola, M., Mikkelson, A., Ahola, J., Hiltunen, S., Komulainen, S., Kantola, A. M., Telkki, V.-V., & Liimatainen, H. (2020). Comparison of lignin fractions isolated from wheat straw using alkaline and acidic deep eutectic solvents. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 68(51), 15074–15084. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c04981 https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c04981
-
Yue, X., Suopajärvi, T., Sun, S., Mankinen, O., Mikkelson, A., Huttunen, H., Komulainen, S., Romakkaniemi, I., Ahola, J., Telkki, V.-V., & Liimatainen, H. (2022). High-purity lignin fractions and nanospheres rich in phenolic hydroxyl and carboxyl groups isolated with alkaline deep eutectic solvent from wheat straw. Bioresource Technology, 360, 127570. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127570 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127570
-
Yue, X., Lin, J., Suopajärvi, T., Mankinen, O., Mikkelson, A., Liu, R., Huttunen, H., Chen, L., Xu, C., Telkki, V.-V., Sun, S., & Liimatainen, H. (2023). Conversion of highly polymerized lignin into monophenolic products via pyrolysis: A comparative study of acidic and alkaline depolymerization pretreatments using deep eutectic solvents. Chemical Engineering Journal, 478, 147368. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147368 https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147368
-
Yue, X., Lin, J., Suopajärvi, T., Mankinen, O., Mikola, M., Mikkelson, A., Huttunen, H., Chen L., Ahola, J., Telkki, V.‐V., Sun, S., & Liimatainen, H. (2023). Lignin dissolution and direct formation of ultrasmall lignin nanoparticles in acidic and alkaline deep eutectic solvents. Manuscript in preparation.
Osajulkaisut
-
Yue, X., Suopajärvi, T., Mankinen, O., Mikola, M., Mikkelson, A., Ahola, J., Hiltunen, S., Komulainen, S., Kantola, A. M., Telkki, V.-V., & Liimatainen, H. (2020). Comparison of lignin fractions isolated from wheat straw using alkaline and acidic deep eutectic solvents. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 68(51), 15074–15084. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c04981 https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c04981
-
Yue, X., Suopajärvi, T., Sun, S., Mankinen, O., Mikkelson, A., Huttunen, H., Komulainen, S., Romakkaniemi, I., Ahola, J., Telkki, V.-V., & Liimatainen, H. (2022). High-purity lignin fractions and nanospheres rich in phenolic hydroxyl and carboxyl groups isolated with alkaline deep eutectic solvent from wheat straw. Bioresource Technology, 360, 127570. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127570 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127570
-
Yue, X., Lin, J., Suopajärvi, T., Mankinen, O., Mikkelson, A., Liu, R., Huttunen, H., Chen, L., Xu, C., Telkki, V.-V., Sun, S., & Liimatainen, H. (2023). Conversion of highly polymerized lignin into monophenolic products via pyrolysis: A comparative study of acidic and alkaline depolymerization pretreatments using deep eutectic solvents. Chemical Engineering Journal, 478, 147368. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147368 https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147368
-
Yue, X., Lin, J., Suopajärvi, T., Mankinen, O., Mikola, M., Mikkelson, A., Huttunen, H., Chen L., Ahola, J., Telkki, V.‐V., Sun, S., & Liimatainen, H. (2023). Lignin dissolution and direct formation of ultrasmall lignin nanoparticles in acidic and alkaline deep eutectic solvents. Manuscript in preparation.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [37744]