Konstgjort lignin upptäckt när massaprocessen närstuderas

Tillverkning av pappersmassa från ved går ut på att bryta ned och avskilja det lignin som håller ihop träets cellulosafibrer. Men nu visar ny forskning att denna process också bygger upp helt nya typer av lignin, som inte fanns i det levande trädet från början. Det är nödvändig kunskap om en större andel av veden ska kunna tas tillvara som råvara.

Nicola Giummarella.

Nicoa Giummarella, KTH. Foto: Johan Olsson.

Trots att det producerats pappersmassa med hjälp av sulfatprocessen (eller kraftprocessen som den också kallas) i långt över 100 år, finns det fortfarande stora kunskapsluckor kring de kemiska processer som pågår i massakoket. Det gäller inte minst för ligninet, som länge betraktades som en ren restprodukt, enbart lämpad som bränsle i kraftprocessen.

På senare år har industrin börjat intressera sig för att försöka göra något mer värdeskapande med delar av ligninet. Samtidigt har det blivit uppenbart att man inte vet särskilt mycket om sammansättningen av denna produkt, som globalt tillverkas i miljontals ton varje år.

Detta är bakgrunden till den industrinära grundforskning som bedrivs av bland andra Nicola Giummarella, post doc i forskargruppen som leds av universitetslektor Martin Lawoko på avdelningen för träkemi och massateknologi på KTH i Stockholm.

Ny pusselbit

Han senaste arbete innebär ytterligare en pusselbit i kartläggningen av det lignin som uppstår vid massatillverkning enligt Kraftprocessen, den idag helt dominerande tillverkningstekniken världen över.

– Grovt sett kan man säga att jag fått fram en tiondel av strukturen. Innan jag började var omkring 40 procent av ligninet redan karaktäriserat, nu har vi lagt ungefär halva ligninpusslet, förklarar Nicola Giummarella.

Att det bildas nya typer av lignin i massakoket kom inte som något total överraskning – det har tidigare spekulerats om detta på teoretiska grunder. Tack vare hans forskning är det nu fastslaget att detta sker också i verkligheten.

Hans analyser utgår från lignin som framställts med hjälp av den så kallades LignoBoost-processen, en svenskutvecklad teknik för att framställa ett renare och mer förädlingsbart lignin ur den svartlut, som är massaprocessens normala restprodukt.

Funktionella grupper

Om det är en fördel eller en nackdel att vissa delar av ligninet återpolymeriseras till nya ligninvarianter återstår att se.

– Det beror helt på vad man ska använda det till. Klart så här långt är att lignin innehåller många intressanta ”funktionella grupper” – exempelvis fenoler och alifater – som skulle kunna utnyttjas i olika sammanhang.

– Men i vilken utsträckning vet vi inte förrän mer av ligninstrukturen blivit kartlagd. Det behövs mer grundforskning på lignin, säger Nicola Giummarella.

Han får medhåll av Dimitri Areskogh på divisionen för biomaterial på Stora Enso, som är industriell partner i forskningsprojektet.

– För att öka våra möjligheter att ta ut ett högre värde ur ligninet behöver vi förstå processen bättre. I ett senare skede kan vi förhoppningsvis också styra processen något, för att få fram ligninstrukturer som lämpar sig för olika applikationer, säger Dimitri Areskogh.

På sikt tänker han sig att man ur ligninet skulle kunna ta fram ett ”bibliotek” av lagom stora och standardiserade byggblock – ett slags halvfabrikat som kan användas för att sätta samman polymersystem för olika ändamål.

Lär av petrokemin

– Vi i skogsindustrin har en del att lära av petrokemin, när det gäller att ta vara på råvaran. Hittills har vi varit ganska nöjda med att förädla cirka 25 – 30 procent av vår biomassa, i form av cellulosa. Det vore ett enormt steg om vi kunde komma upp i 50 eller kanske 65 procent. Där tror jag att ligninet kan vara en språngbräda.

Dimitri Areskogh påpekar att den grundforskning som Nicola Giummarella och andra ägnar sig åt ligger tidigt i den kedja av kunskapsgenerering som måste till för att visionen ska bli verklighet.

– Men vi arbetar på många fronter samtidigt, exempelvis genom att identifiera olika polymersystem där lignin skulle kunna passa in som ersättning för fossil råvara, säger Dimitri Areskogh.

Olika hartser och limmer är de tillämpningar som ligger närmast till hands, på sikt kan även bioplaster tillverkade av lignin vara en möjlighet.

– Det är mycket viktigt att skapa en bro mellan akademin och industrin. På så sätt kan grundforskningens nytta identifieras och styras av behov, menar forskarledaren Martin Lawoko och avslutar;

– Här har synergieffekter identifierats, vilket är bra och drivande.

Fakta

Nicola Giummarellas analyser av strukturen hos lignin från massakok med gran- och eucalyptusved bygger bland annat på fraktionering med olika lösningsmedel. Karaktäriseringen av de funna molekylerna har skett med hjälp av magnetresonans, så kallad NMR-spektroskopi. Projektet är ett av de projekt som beviljades finansiering i Treesearchs och BioInnovations utlysning från 2017 och leds av universitetslektor Martin Lawoko vid Avdelningen för träkemi och massateknologi på KTH och Wallenberg Wood Science Center. Plattformen Treesearch är ett samverkansprojekt inom BioInnovation som finansieras av Vinnova via samverkansprogrammen.

Läs mer om Treesearch.

Text: Björn Forsman