Separation of Biomass Components by Membrane Filtration - Process Development for Hemicellulose Recovery
Abstract: Popular Abstract in Swedish De flesta produkter som vi dagligen använder tillverkas genom att utnyttja fossila råvaror som olja, kol och naturgas. Ett stort problem är att dessa råvaror bara finns i begränsade mängder i naturen, vilket medför att de förr eller senare tar slut. Dessutom medför förbränning av fossila råvaror att det bildas miljöskadande gaser (t.ex. koldioxid) som ansamlas i atmosfären och bidrar till den globala uppvärmningen. För att begränsa miljöbelastningen är det därför viktigt att vi minskar användningen av fossila råvaror i framtiden genom att istället använda förnyelsebara material som biomassa i större utsträckning. Biomassa (t.ex. skogs- och jordbruksprodukter) innefattar allt organiskt material som bildas i naturen och består huvudsakligen av tre komponenter: cellulosa, hemicellulosa och lignin. Under de senaste åren har man gjort stora framsteg för att ta fram tekniker för tillverkning av värdefulla produkter ur biomassas olika komponenter. Till exempel är det idag möjligt att tillverka bioetanol från cellulosa, vilket är ett miljövänligt bränsle för våra bilar. Hemicellulosa kan användas som utgångsmaterial till barriärfilmer som kan ersätta plast och aluminium i livsmedelsförpackningar. Även för lignin har forskare hittat mycket intressanta tillämpningar. Lignin har visat sig att vara ett utmärkt fast biobränsle och kan också användas för att tillverka kompositmaterial och kemikalier. Även om det finns flera alternativa möjligheter att använda biomassa, så är detta tyvärr inte alldeles enkelt. Cellulosa, hemicellulosa och lignin är i biomassa bundna till varandra och bildar där ett stabilt nätverk. Man måste därför behandla biomassan på något sätt för att bryta upp nätverket och göra komponenterna tillgängliga. I många industriella processer uppnås detta genom att behandla biomassan vid hög temperatur och högt tryck, eller genom att använda starka kemikalier. Då bildas vätskor som å ena sidan innehåller relativt stora mängder värdefulla biopolymerer, men å andra sidan också en hel del oönskade föroreningar. Förutsättningen för att kunna använda de tillgängliga biopolymererna till nya produkter är att man kan rena upp dem genom att skilja dem från varandra och från föroreningarna. Men än så länge saknas det bra processer för detta ändamål. Målsättningen med mitt projekt var därför att utveckla lämpliga separationsmetoder som gör det möjligt att utvinna biomassas komponenter från industriella vätskor på ett kostnads- och energieffektivt sätt. Jag har i mitt arbete huvudsakligen använt en separationsteknik som kallas för membranfiltrering. I denna teknik använder man ett tätt filter i vilket det finns hål (porer) som är så små att de inte ens kan ses med blotta ögat. Genom att man väljer membran med lagom stora hål, kan man samla de olika biopolymererna i separata fraktioner och dessutom plocka bort föroreningarna. Men att skilja många substanser i en vätska från varandra är komplicerat. Det kan behövas flera på varandra följande steg, med olika membran i de olika stegen. Dessutom är det mycket viktigt att man väljer rätt driftsbetingelser när man använder sig av membranfiltrering. Till exempel är membranets prestanda beroende av vätskans temperatur, tryckskillnaden mellan membranets båda sidor (transmembrantryck) och vätskans hastighet vid membranytan (tvärströmshastighet). För att försvåra det ytterligare kan man inte använda samma parametrar för alla vätskor, utan de måste anpassas specifikt för varje enskild tillämpning. Jag har i mitt doktorandarbete i detalj studerat vilka steg som behövs och vid vilka driftsbetingelser det går bäst att utvinna biopolymererna (framför allt hemicellulosa) från olika industriella vätskor. Tre olika företag har försett mig med processvätskor och i avhandlingen diskuterar jag upparbetningsstrategier för dessa vätskor baserade på membranfiltrering. Från min synpunkt var det viktigast att få ett så högt utbyte som möjligt av de värdefulla biopolymererna, att göra processen kostnads- och energieffektiv samt att processen kan tillämpas i industriell fullskala.
CLICK HERE TO DOWNLOAD THE WHOLE DISSERTATION. (in PDF format)