Development of analytical methods for lignin fractions

Abstract

Lignin is a biopolymer found in plants and it is the second most common natural polymer in the world after cellulose. It is rich in phenolic and aromatic groups which makes it a promising raw material for replacing fossil-based chemicals. As a raw material, its varied functionality, renewability, nontoxicity and low cost are an advantage. The main obstacle of lignin valorization is its diverse structure, low reactivity and poor solubility. To achieve desirable properties for industrial application, lignin usually needs to be fragmented to a lower molecular weight and often chemically modified as well.

MetGen Oy has developed METNINTM technology which combines a high solubility of lignin in a high pH and enzymatic treatment with a genetically engineered laccase of bacterial origin, designed to specifically modify and activate lignin. This technology was put into practice at an industrial scale at a third party company. Crude Kraft softwood lignin was treated with an enzyme to obtain different depolymerized fractions which were separated using membrane ultrafiltration and further spray dried into powders. The thesis project aimed to perform and develop analytical methods for lignin powders. The comprehensive analysis of each spray dried fraction will guide the selection of types of industrial application.

In this study methods like size-exclusion chromatography, titration of hydroxyl groups, ultraviolet spectroscopy, zeta potential/particle size measurements and sodium selective probe measurements were used for routine analysis. New methods for measuring the antimicrobial, chelating and antioxidant activity of lignin were developed to suit lignin powders. The resulting data was collected and assembled in a technical data sheet to guide the selection of an application. Clear differences were found between the powder properties. These differences will affect the selection of an application, applications include polyurethane foams, thermoplastics, adhesives, resins coatings, biomedicine, cosmetics, packing materials, paints, and surfactants.

Ligniini on kasveissa esiintyvä biopolymeeri, ja se on maailman toiseksi yleisin luonnollinen polymeeri selluloosan jälkeen. Se sisältää runsaasti fenolisia ja aromaattisia yhdisteitä, joka tekee siitä potentiaalisen raaka-aineen fossiilipohjaisten kemikaalien korvaamiseksi. Sen vaihteleva funktionaalisuus, uusiutuvuus, myrkyttömyys ja edullisuus ovat huomattavia etuja. Ligniinin monimutkainen rakenne, alhainen reaktiivisuus ja liukoisuus kuitenkin hankaloittavat sen käyttöä teollisissa sovelluksissa. Jotta ligniini soveltuisi käytettäväksi on se fragmentoitava pienempään molekyylipainoon ja usein myös kemiallisesti modifioitava.

MetGen Oy on kehittänyt METNINTM -teknologian, joka yhdistää ligniinin korkean liukoisuuden korkeassa pH-arvossa ja entsymaattisen käsittelyn geneettisesti muunnetulla bakteeriperäisellä lakkaasilla, joka on suunniteltu modifioimaan ja aktivoimaan ligniiniä. Tämä tekniikka otettiin käyttöön teollisessa mittakaavassa ostopalveluna sopimuspalveluyrityksen pilottilaitoksella. Raaka-aineena käytettiin Kraft havupuuligniiniä, joka depolymerisoitiin pienemmiksi fraktioiksi, jotka erotettiin membraani ultrasuodatuksella ja myöhemmin sumukuivattiin pulvereiksi. Diplomityön tavoitteena oli analysoida ligniinipulvereiden ominaisuuksia ja kehittää uusia analyyttisiä menetelmiä eri ominaisuuksien mittaamiseen. Tämän kokonaisvaltaisen analyysin tarkoituksena on ohjata eri fraktioiden käyttöä eri teollisiin sovelluksiin

Tässä tutkimuksessa rutiinianalyysiin käytettiin menetelmiä, kuten kokoerottelukromatogragiaa, hydroksyyliryhmien titrausta, ultraviolettispektroskopiaa, zeta-potentiaalin / hiukkaskoon mittausta ja natrium konsentraation mittausta. Pulverien antimikrobiaalisen, antioksidanttisen ja kelaattiaktiivisuuden mittaamiseksi kehitettiin uusia menetelmiä. Mitatut ominaisuudet koottiin yhteen tekniseen tietolomakkeeseen. Pulverien ominaisuuksien välillä havaittiin selkeitä eroja, vaikuttavat teollisen sovelluksen valintaan. Sovelluksia ovat: polyuretaanivaahdot, kestomuovit, liimat, hartsipinnoitteet, biolääketieteelliset applikaatiot, kosmetiikka, pakkausmateriaalit, maalit ja pinta-aktiiviset aineet.