Razvoj procesov valorizacije lignina kot vira aromatskih gradnikov za proizvodnjo bio-osnovanih polimerov

Predlagani projekt zajema temo valorizacije lignina v aromatične gradnike in nadaljnjo proizvodnjo bioosnovanih polimerov. Lignin je kompleksen razvejen polimer p-kumarilnega alkohola, koniferilnega alkohola in sinapilnega alkohola. Različni gradniki in njihova naključna povezanost so razlog, da je lignin daleč najkompleksnejši biopolimer lignocelulozne biomase. Kljub temu je lignin edini obnovljivi vir pomembne skupine kemijskih spojin - aromatov. Kompleksnost ligninske strukture je eden glavnih razlogov, da poteka njegova valorizacija v kemikalije z dodano vrednostjo zgolj v majhnem ali demonstracijskem obsegu. Proizvodnja ciljanih kemikalij iz lignina, zlasti z visoko selektivnostjo, je zelo zahtevna naloga, ki ji sledijo zapleteni postopki izolacije in čiščenja. Zato cilj tega projekta ne bo pretvoriti lignina v diskretno kemično spojino, ampak pokazati, da primerna izbira surovin in prilagojena izolacija lignina, ter eventuelna frakcionacija in depolimerizacija lahko vodijo v mešanico bio-osnovanih aromatov z jasno določenimi kemijskimi lastnostmi (tj. porazdelitvijo molekulske mase, koncentracijo prostih OH skupin). Te bomo preizkusili v končnih formulacijah fenol-formaldehida in epoksi smol. Frakcije lignina bodo v tem primeru služile kot funkcionalni nadomestek okoljsko problematičnega fenola ali bisfenola A. Obsežna, dobro strukturirana, sistematična in integrirana eksperimentalna in simulacijsko-podprta študija, ki bo zajela celotno vrednostno verigo, začenši z izolacijo različnih tipov lignina in zaključena s preskušanjem novih kemikalij v končnih polimernih formulacijah, bo zagotovilo prinesla bistvene informacije za proces razumevanja, optimizacije in proizvodnje novih bio-osnovanih kemikalij ter vzpostavilo korelacijo med strukturo surovin in kakovostjo proizvoda. Zaradi tega bo lignin izoliran iz različnih virov (iglavcev, listavcev, slame, alg) z različnimi strukturnimi lastnostmi in funkcionalnostmi. Proces organosolv se bo uporabil za izolacijo lignina, saj je prepoznan kot učinkovita in industrijsko uporabna metoda, ki omogoča izolacijo lignina v svoji naravni, skoraj nedenaturirani strukturi. Izolirani lignin bo ločen na posamezne frakcije z različnimi porazdelitvami molekulske mase (Mw), te frakcije pa bodo v nadaljnjem postopku podvržene katalitski depolimerizaciji. Depolimerizacija bo po pričakovanjih prinesla različne zmesi monomerov/oligomerov z različno selektivnostjo, odvisno od izbranih reakcijskih parametrov. Izbrani produkti depolimerizacije in lahke (nizke Mw) ligninske frakcije izolirane zgolj s frakcionacijo, bodo testirani v različnih polimernih formulacijah. Primernost uporabe funkcionalnih nadomestkov pridobljenih iz lignina bo določena s primerjavo mehanskih in termoanalitičnih lastnosti polimerov pripravljenih iz bioosnovanih in konvencionalnih surovin (ki izvirajo iz surove nafte). V zaključnem delu projekta bo vsak korak v proizvodnji aromatičnih funkcionalnih analogov iz lignina matematično opisan s pomočjo kinetičnega modela na osnovi združkov (lumps) in statističnih korelacij, kar bo omogočilo optimizacijo delovnih pogojev in izbiro vrste lignina za doseganje ciljne kakovosti izdelka oziroma formulacije.