Karakterisering av dampeksplodert norsk gran (Picea abies) med flashpyrolyse-GC-MS

Abstract

Økt utnyttelse av biomasse kan gi store miljøgevinster i fremtiden, da det kan erstatte deler av olje- og gassindustrien. For å oppnå dette må forbehandlingen av biomassen optimaliseres, slik at biopolymerene cellulose, hemicellulose og lignin effektivt separeres og klargjøres for videre bruk. Målet med denne oppgaven var å undersøke effekten av dampeksplosjon, som er en av de mest brukte forbehandlingene.

Det ble undersøkt åtte ulike dampeksploderte prøver av norsk gran (Picea abies), samt en kontroll, bestående av ubehandlet gran. De forskjellige dampeksplosjonsbetingelsene var fire ulike temperaturer 180, 190, 200 og 210 °C med to ulike oppholdstider, 5 og 10 minutter. Alle prøvene ble analysert med fraksjonert flashpyrolyse-GC-MS med pyrolysetemperaturene 350, 600 og 900 °C. I tillegg til dette, ble innholdet Klason-lignin bestemt.

Det ble observert en økning av Klason-lignin etter dampeksplosjon som skyldes dannelse av pseudo-lignin og tap av hemicellulose. Av fenolkomponenter ble det observert 22 G-derivater. Dette bekrefter et høyt innhold av G-lignin. Det var en økt forekomst av 4-hydroksy-3-metoksybenzen (vanillin), 2-metoksy-4-propylfenol (dihydroeugenol), 2-metoksyfenol (guaiacol) og 4-hydroksy-3-metoksyfenyl-2-propanon. Den økende forekomsten av disse forbindelsene er en indikasjon på at β-O-4 bindingen brytes under dampeksplosjon.

Resultatene viser også en økt forekomst av furankomponenter, spesielt 5-hydroksymetylfurfural (5-HMF). Denne økningen, sammen med den tilnærmede uendrede sammensetningen av fenolkomponenter tyder på at pseudo-lignin egentlig består av furankomponenter, og ikke kondensert lignin som tidligere antatt. Det er i tillegg observert likheter mellom kompleksene pseudo-lignin, kald-indusert pseudo-lignin og humin.

More extensive use of biomass as a resource can give great environmental advantages in the future, as it can replace some of the oil and gas-industry. To accomplish this the pretreatment of lignocellulosic biomass must be optimized to get the most efficient separation and preparation of the biopolymers cellulose, hemicellulose and lignin. Steam explosion is one of the most used pretreatments, and the main goal of this thesis is to investigate the effects of this pretreatment.

In this study, eight samples of steam exploded Norway spruce (Picea abies) were investigated, together with one untreated sample. The conditions used during steam explosion were temperatures at 180, 190, 200 and 210 °C with two different residence times at 5 and 10 minutes. All samples were analyzed with fractionated flashpyrolysis-GC-MS at the pyrolysis temperatures 350, 600 and 900 °C. The amount of Klason-lignin was also measured for all samples.

It was observed an increase of Klason-lignin due to formation of pseudo-lignin and loss of hemicellulose. It was also observed 22 G-derivatives in the samples which confirms a high content of G-lignin. Among the phenols 4-hydroxy-methoxybenzen (vanillin), 2-methoxy-4-propylphenol (dihydroeugenol), 2-metoksyfenol (guaiacol) and 4-hydroxy-3-methoxyphenyl-2-propanone had an increase after steam explosion. This increase indicates cleavage of the β-O-4 bond during steam explosion.

It was also observed an increase of furans, especially 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF). This increase, together with stable amount of phenols, indicates that pseudo-lignin consists of furans, and not condensated lignin as previously assumed. Pseudo-lignin is also compared to other complexes humin and CIPL.