Advanced

Membrane Filtration for Fractionation of Biomass Compounds - Process Design for the Separation of Hemicelluloses and Lignin from Alkaline Solutions

Arkell, Anders LU (2015)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ny innovativ processdesign har resulterat i två processer som kan göra tillverkningen av förnyelsebara plaster och bränslen konkurrenskraftiga mot dagens fossila alternativ. Den nya designen har gjort vissa processteg upp mot 40 gånger så effektiva som med dagens teknik.



Vikten av att ställa om dagens samhälle, som till stor del är beroende av fossila resurser, till en grön ekonomi diskuteras mycket inom forskningsvärlden, bland politiker och i medier. Fokus ligger ofta på att byta ut fossila råvaror mot förnyelsebara alternativ. Emellertid är det lika viktigt att studera tillverkningsprocessen för att minska energiåtgången, men också för att få ett så effektivt utnyttjande av... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ny innovativ processdesign har resulterat i två processer som kan göra tillverkningen av förnyelsebara plaster och bränslen konkurrenskraftiga mot dagens fossila alternativ. Den nya designen har gjort vissa processteg upp mot 40 gånger så effektiva som med dagens teknik.



Vikten av att ställa om dagens samhälle, som till stor del är beroende av fossila resurser, till en grön ekonomi diskuteras mycket inom forskningsvärlden, bland politiker och i medier. Fokus ligger ofta på att byta ut fossila råvaror mot förnyelsebara alternativ. Emellertid är det lika viktigt att studera tillverkningsprocessen för att minska energiåtgången, men också för att få ett så effektivt utnyttjande av råmaterialen som möjligt. Effektiv processdesign för att förädla biomassa till nya produkter är inte bara önskvärt ur ett resursperspektiv utan också ett måste för att göra de förnyelsebara produkterna så billiga att de kan konkurera med dagens fossila alternativ.



I det arbete som presenters här har två olika processer utvecklats. Den första är en process för att producera plaster till barriärfilmer i livsmedelsförpackningar, exempelvis mjölkpaket. Den andra är en process för rening av ett ämne som kan användas som bränsle eller för produktion av lättviktskompositer. Dessa lättviktskompositer kan bland annat användas som material i karosser till fordon. De nya processerna som presenteras i denna avhandling innebär stora förbättringar i vissa processteg jämfört med de processer som används idag. Förutom minskad användning av kemikalier och minskat behov av färskvatten så har kapaciteten i vissa steg blivit nästan 40 gånger högre. Detta påverkar självfallet tillverkningskostnaderna och därmed konkurrenskraften för dessa förnyelsebara alternativ. Även processer för att på ett effektivare sätt utnyttja resterna från tillverkningen och producera exempelvis biobränslen av dessa föreslås.



Det är av stor vikt att välja ”rätt” förnyelsebara råmaterial så att konkurrens med till exempel livsmedelsproduktion inte uppstår. I de två processer som presenteras här har rester från dels spannmålsodling, dels pappersproduktion använts. Vid tillverkning av vitt vetemjöl avlägsnas kliet från vetet. Detta kli innehåller en speciell hemicellulosa som kan användas för produktion av plaster som kan användas till barriärfilmer för förpackningar. Vid papperstillverkningen vill man få fram ren cellulosa från trä för att göra papper av denna. En beståndsdel i trä som inte är önskvärt i det producerade pappret är lignin. Lignin är mycket energirikt och passar därför som bränsle, men kan också användas för tillverkning av lättviktskompositer. Genom att dels utnyttja dessa råvaror som är restprodukter med lågt eller inget värde, dels designa processer som är både resurs- och kostandseffektiva kan förnyelsebara produkter som är konkurrenskraftiga med dagens fossila alternativ tillverkas. (Less)
Abstract
It is important to replace fossil resources such as oil, coal and natural gas with renewable raw materials for the production of materials and fuels in order to reduce environmental impact. Furthermore, these raw materials should preferably be residues, e.g. agricultural or forest residues, in order not to compete with the production of human food and animal feed. High molecular weight arabinoxylan extracted from wheat bran has shown good potential for the production of barrier films for packaging, while lignin extracted from the kraft pulping process can be used to produce fuels and carbon fibres. However, efficient and sustainable processes are required for the separation and purification of these components for the production of... (More)
It is important to replace fossil resources such as oil, coal and natural gas with renewable raw materials for the production of materials and fuels in order to reduce environmental impact. Furthermore, these raw materials should preferably be residues, e.g. agricultural or forest residues, in order not to compete with the production of human food and animal feed. High molecular weight arabinoxylan extracted from wheat bran has shown good potential for the production of barrier films for packaging, while lignin extracted from the kraft pulping process can be used to produce fuels and carbon fibres. However, efficient and sustainable processes are required for the separation and purification of these components for the production of renewable materials and fuels. The use of membrane filtration in combination with other separation processes for the separation and purification of these substances has been studied in the work presented in this thesis.



Different pretreatment methods in combination with ultrafiltration were investigated for the separation of arabinoxylan from wheat bran extract. It was shown that the use of dead-end filtration with kieselguhr as a filtration aid was the most promising pretreatment method of those investigated, as it removed some high molecular weight compounds from the solution. The introduction of a preseparation step increased the ultrafiltration flux by 230 %, without significantly decreasing the retention of the product. The final design of the separation process also includes ultrafiltration for the separation and concentration of arabinoxylan, diafiltration for the removal of alkali, and finally evaporation to reduce the energy demand in the subsequent spray-drying step. The introduction of a nanofiltration step to purify the ultrafiltration permeate so that it can be reused in the extraction solution was also shown to be promising. The average flux was above 200 l/m2h and the retention of the impurities was high.



It was found that a membrane with a cut-off of 1 kDa was appropriate for the separation of lignin from black liquor, combining high lignin retention (>80 %) with a sufficiently high flux. It was also shown that the introduction of a preseparation step with a 20 kDa membrane before lignin separation resulted in a lignin-rich retentate with a lower content of hemicelluloses and multivalent ions, e.g. calcium, iron and magnesium. Precipitation of the lignin-rich retentate from filtration of the black liquor was performed at 80 °C by adding sulphuric acid to obtain a pH between 4 and 1.5. The resulting lignin slurry showed good filtration properties and had a total dry substance content above 60 %. It was also demonstrated that this process design has a lower acid requirement than the industrial process used today. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr Lake, Michael, Liquid Lignin Company, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
pages
170 pages
publisher
Department of Chemical Engineering, Lund University
defense location
Lecture hall K:B at Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund University, Faculty of Engineering LTH, Lund
defense date
2015-10-23 13:15
ISBN
978-91-7422-407-8
language
English
LU publication?
yes
id
a560c870-4289-4e9e-8a29-74cb40b381b6 (old id 7869050)
date added to LUP
2015-09-25 11:34:48
date last changed
2016-09-19 08:45:02
@misc{a560c870-4289-4e9e-8a29-74cb40b381b6,
  abstract     = {It is important to replace fossil resources such as oil, coal and natural gas with renewable raw materials for the production of materials and fuels in order to reduce environmental impact. Furthermore, these raw materials should preferably be residues, e.g. agricultural or forest residues, in order not to compete with the production of human food and animal feed. High molecular weight arabinoxylan extracted from wheat bran has shown good potential for the production of barrier films for packaging, while lignin extracted from the kraft pulping process can be used to produce fuels and carbon fibres. However, efficient and sustainable processes are required for the separation and purification of these components for the production of renewable materials and fuels. The use of membrane filtration in combination with other separation processes for the separation and purification of these substances has been studied in the work presented in this thesis.<br/><br>
<br/><br>
Different pretreatment methods in combination with ultrafiltration were investigated for the separation of arabinoxylan from wheat bran extract. It was shown that the use of dead-end filtration with kieselguhr as a filtration aid was the most promising pretreatment method of those investigated, as it removed some high molecular weight compounds from the solution. The introduction of a preseparation step increased the ultrafiltration flux by 230 %, without significantly decreasing the retention of the product. The final design of the separation process also includes ultrafiltration for the separation and concentration of arabinoxylan, diafiltration for the removal of alkali, and finally evaporation to reduce the energy demand in the subsequent spray-drying step. The introduction of a nanofiltration step to purify the ultrafiltration permeate so that it can be reused in the extraction solution was also shown to be promising. The average flux was above 200 l/m2h and the retention of the impurities was high. <br/><br>
<br/><br>
It was found that a membrane with a cut-off of 1 kDa was appropriate for the separation of lignin from black liquor, combining high lignin retention (&gt;80 %) with a sufficiently high flux. It was also shown that the introduction of a preseparation step with a 20 kDa membrane before lignin separation resulted in a lignin-rich retentate with a lower content of hemicelluloses and multivalent ions, e.g. calcium, iron and magnesium. Precipitation of the lignin-rich retentate from filtration of the black liquor was performed at 80 °C by adding sulphuric acid to obtain a pH between 4 and 1.5. The resulting lignin slurry showed good filtration properties and had a total dry substance content above 60 %. It was also demonstrated that this process design has a lower acid requirement than the industrial process used today.},
  author       = {Arkell, Anders},
  isbn         = {978-91-7422-407-8},
  language     = {eng},
  pages        = {170},
  publisher    = {ARRAY(0xadb1c38)},
  title        = {Membrane Filtration for Fractionation of Biomass Compounds - Process Design for the Separation of Hemicelluloses and Lignin from Alkaline Solutions},
  year         = {2015},
}