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Lignin separation from lignocellulose by applying high shear forces above the glass transition temperature

English title Lignin separation from lignocellulose by applying high shear forces above the glass transition temperature
Applicant Studer Michael Hans-Peter
Number 190906
Funding scheme Spark
Research institution Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL Berner Fachhochschule BFH
Institution of higher education Berne University of Applied Sciences - BFH
Main discipline Chemical Engineering
Start/End 01.03.2020 - 28.02.2021
Approved amount 99'600.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Chemical Engineering
Botany
Mechanical Engineering

Keywords (6)

lignin; lignocellulose; hydrothermal; melting; shear-force; fractionation

Lay Summary (German)

Lead
Lignocellulosehaltige Biomasse wie zum Beispiel Stroh oder Holz kann als erneuerbarer Rohstoff für die Produktion von verschiedenen Chemikalien und Materialien verwendet werden. In den heutigen Prozessen in einer Bioraffinerie wird hauptsächlich die Kohlenhydratfraktion der Lignocellulose in höherwertige Produkte umgewandelt, während das übrigbleibende Lignin verbrannt wird und somit kaum zur Wertschöpfung beiträgt. Eine stoffliche Nutzung des Lignins in Form z.B. von aromatischen Chemikalien, würde die Nachhaltigkeit und die Wirtschaftlichkeit einer solchen Bioraffinerie verbessern. Dieser Schritt wird erheblich erleichtert, wenn sauberes und reaktives Lignin bereits vor der Umwandlung der Kohlenhydrate aus der Biomasse isoliert werden könnte.
Lay summary

Ziele des Projekts:

Im Rahmen dieses Projektes soll eine Technologie zur Abtrennung der Ligninfraktion aus Holz entwickelt werden. Die Technologie beruht auf der bekannten Eigenschaft von Lignin, bei erhöhten Temperaturen von einem festen in einen zähflüssigen, viskosen Zustand überzugehen. Durch die Anlegung von Scherkräften bei solch erhöhten Temperaturen wird versucht, das Lignin thermomechanisch abzutrennen. Neben der Zusammensetzung und den chemischen Eigenschaften der abgetrennten Ligninfraktion wird auch untersucht, ob die verbleibende polymere Kohlenhydratfraktion mittels Enzymen effizient zu löslichen Zuckern hydrolysiert werden kann.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext:

Die Erkenntnisse aus diesem Projekt ermöglichen ein besseres Verständnis und langfristig auch die umfassendere Nutzung von Lignocellulose als Rohstoff in der chemischen Industrie und tragen somit zu der Etablierung einer nachhaltigen und klimaschonenden Kreislaufwirtschaft bei.

Direct link to Lay Summary Last update: 14.02.2020

Responsible applicant and co-applicants

Abstract

Lignocellulosic biomass such as wood or straw is the most abundant source of fixed carbon, that can be used a renewable feedstock to produce a wide variety of chemicals and materials while not competing with feed or food applications. Current biorefinery concepts mainly valorize the carbohydrate fraction of lignocellulose, while the non-utilized lignin is incinerated. The economic viability and the environmental sustainability of such a biorefinery could be improved, if lignin could be valorized e.g. by conversion to aromatic chemicals. This requires amongst others an efficient technology to isolate of a clean and reactive lignin stream. In this project, we are proposing a new method to separate lignin from lignocellulosic biomass by applying high shear forces at a temperature above the glass transition point of lignin. It is known that lignin transforms into a rubbery or viscous state upon heating to the glass transition temperature and thus wood is softening at elevated temperatures leading e.g. to a decrease of energy consumption during disc refining. Furthermore, it has been shown that at elevated temperatures, lignin is coalescing in molten bodies inside the plant cells and can also migrate out of the cells leading to the formation of spherical lignin droplets on the surface of the biomass after cooling. In flow through pretreatments, were molten or solubilized lignin is removed with the liquid phase, no such lignin droplets were observed on the biomass surface and the delignification was significantly higher than in a batch process resulting in a highly reactive remaining solid fraction that could almost quantitatively be hydrolyzed to glucose by cellulolytic enzymes. The aim of the proposed project is to investigate the central research hypothesis that lignin can be separated from the cellulose fraction by applying high shear forces at temperatures above the glass transition zone. To this end, an experimental set-up will be engineered and applied for the treatment of hard- and softwood samples under dry heat conditions as well as under hydrothermal conditions. The compositions of the resulting fractions will be quantified, and preliminary investigations will determine the quality of the isolated lignin by thioacidolysis as well as the reactivity of the delignified solids towards enzymatic hydrolysis.
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