Paul op den Brouw, NOST Tokyo
Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Chemische behandeling van biomassa vindt vaak niet onder voldoende milde omstandigheden plaats om de structuur van lignine volledig intact te laten en gebruik te maken van polymeer eigenschappen van lignine.
In deze artikel wordt beschreven hoe Professor Funaoka en zijn onderzoekgroep de afgelopen jaren lignofenol hebben ontwikkeld.
Samenvatting
Lignine vormt een forse uitdaging voor biorefineries. Chemische behandeling van biomassa vindt vaak niet onder voldoende milde omstandigheden plaats om de structuur van lignine volledig intact te laten en gebruik te maken van zijn polymeer eigenschappen. Professor Funaoka en zijn onderzoekgroep hebben de afgelopen jaren lignofenol ontwikkeld, waarvan met afvalpapier een houtachtige composiet te maken is. Dit composiet is zo sterk dat het als bouwmateriaal te gebruiken is.
Inleiding
Hout bestaat voor zeventig procent uit cellulose en hemicellulose. Deze plantenvezels hebben niet alleen hun weg gevonden naar de papierindustrie, maar ook naar biorefineries voor de productie van hoogwaardige biobased chemicaliën. Tot nu toe wordt lignine, de resterende dertig procent van hout, nog vaak alleen geschikt geacht om te verbranden en als energiebron te dienen.
In hout is lignine deels covalent gebonden aan hemicellulose. Hemicellulose is gespreid over het lignine netwerk aanwezig. Hemicellulose vormt een verbinding tussen het cellulosenetwerk en de lignine matrix die zich in de structuur van de celwand bevindt. De complexe structuur van lignine en de sterke band met hemicellulose maakt het niet eenvoudig de polymeer eigenschappen van lignine te gebruiken. Veel chemische ontsluitingsmethoden beschadigen de polymeer structuur en daarmee de eigenschappen van lignine. Daarom liggen tot nu toe de belangrijkste toepassingen van lignine voornamelijk in productie van lignosulfonaten als dispersie- of bindmiddelen en in lijmen.
Lignofenol
Aan de Mie University hebben professor Masamitsu Funaoka en zijn onderzoekers de afgelopen twintig jaar uitvoerig onderzoek gedaan naar scheidingmethoden die zoveel mogelijk de polymeerstructuur intact laten. (1) Hij gebruikte de affiniteit van fenolderivaten voor lignine om de cellulose van lignine te scheiden in verdund zuur. De fenolderivaten beschermen de lignine waardoor de structuur in verdund zuur niet beschadigd, maar wel te scheiden valt van cellulose. De binding tussen fenolderivaat en lignine is reversibel, waardoor de lignine in rechte ketens of kleinere andere structuren te combineren is. (2) De moleculen die kunnen worden geïsoleerd behoren tot een groep van natuurlijke polyethers van alcoholen, zoals coumaryl-, coniferyl- en sinapylalcohol. Deze ethers lijken qua eigenschappen het meest op het oorspronkelijke lignine. De extractie van deze ethers vindt plaats door solvatatie met cresol-achtige derivaten en hydrolyse in verdunde minerale zuren. (3) De structuur van lignofenol wordt bepaald door een band tussen een lineaire aryl-ether en lignine eenheden (zie fig. 1 Lignocresol).
Fig. 1 Lignocresol (Bron: Funaoka).
De lignofenolen worden gebruikt bij de bewerking van afvalpapier en papierpulp. De sterkte van het eindmaterialen, die in allerlei vormen gegoten kunnen worden, kan zodoende fors worden opgevoerd waardoor zij geschikt zijn als bouwmaterialen,. Het eindmateriaal kan ook weer opgelost worden, waardoor zij volledig recyclebaar zijn. Dit lignofenol-papierpulp composiet heeft de naam LIGPUL gekregen.
De Mie University beschikt sinds 2001 over een productieplant. In 2003 werd in Kitakyushu een tweede productiefabriek gebouwd, waar bedrijven hun eigen testen kunnen uitvoeren. In 2007 werd een derde generatie plant gebouwd (zie fig. 2) (4).
In dit laboratorium worden nu ook andere toepassingen ontwikkeld. Tadamasa Nemoto werkt aan transparante films van lignofenol voor optische systemen. (4)
Ook is de universiteit actief in het opzetten van een netwerk dat de bosbouw- en chemische industrie met elkaar verbindt. Lignine wordt nu ook toegepast in de ontwikkeling van bio-composieten voor de transportsector. (5)
Fig. 2 Derde generatie lignofenol plant, prof. Masamitsu Funaoka, Mie University (Bron: zie ref. 4)
Bronnen
- Functionality control of phytomaterials Laboratory, Department of Environmental Science and Technology, Faculty of Bioresources, Mie University, 1577 Kurimamachiya-cho, Tsu-city, Pie Prefecture 514-8507, Japan.
- Masamitsu Funaoka, Lignophenol, The Ultimate Eco-Friendly, Multi-Functional Material, Highlighting Japan November 2010.
- Tekla tammelin, e.a. Method to prepare smooth and even cellulose-lignophenol films, Bioresources, 2011.
- From forest to chemical industry, 13 July 2007.
- T. Nemoto, e.a. Development of lignin as a transparent resin: evaluation of thermal and optical properties of alkoxylated lignophemols, Polym. J. (Tokyo), 42 (11), 896-900.
