Conversion of cellulose and disaccharides to hydroxy carboxylic acids with high temperature alkali treatment

Abstract

Cellulose alkali degradation is a viable method to produce organic acids from waste cellulosic raw material. These organic acids, where the most abundant is GISA, have many applications as adhesives, coatings and in polymer production. In this study, microcrystalline cellulose and toilet paper in different forms were subjected to alkali degradation under nitrogen atmosphere to study the effects of reaction temperature, time and alkali concentration on the degradation. The reaction mechanism was discussed based on the knowledge in the literature.

Microcrystalline cellulose was degraded to organic carboxylic acid with 66% mass yield at 200 °C temperature. In the same temperature, toilet paper was degraded to organic carboxylic acid with 50 % mass yield.

For efficient cellulose degradation the use high enough temperature >160°C is required as the crystalline region becomes unstable. The effect of NaOH concentration on the peeling off reaction is neglectable but the rate of alkali hydrolysis (scission) increases when alkali concentration is increased.

Also, degradation of disaccharides lactose and cellobiose in presence of alkali were studied. Lactose degradation seems to obey the proposed peeling off mechanism where the glucose unit is directly converted to a hydroxy acid while the galactose unit first forms a free monosaccharide that is then converted to mainly lactic acid. Cellobiose was fully degraded at temperatures < 100°C with 70% yield.

Selluloosan emäksinen hajoaminen on potentiaalinen tapa tuottaa orgaanisia happoja jäteselluloosasta. Näitä happoja, joista suurin osa on GISA:aa voidaan käyttää eri käyttökohteissa kuten sidosaineena, päällysteenä sekä polymeereissä. Tässä työssä mikrokiteinen selluloosan sekä vessapaperi altistettiin alkaalille typpi ilmakehässä ja tutkittiin lämpötilan, ajan sekä alkaalikonsentraation vaikutusta hajoamiseen. Lisäksi reaktiomekaniikka esitettiin kirjallisuuden pohjalta.

Mikrokiteinen selluloosa saatiin hajotettua antaen 66% massasaannon 200°C lämpötilassa. Samoissa olosuhteissa kyettiin myös hajottamaan vessapaperia orgaanisiksi karboksyylihapoiksi 50% saannolla.

Selluloosan tehokkaaseen hajoamiseen tarvitaan riittäväni korkea lämpötila >160°C, jotta sen kristallirakenne muuttuu epästabiiliksi. NaOH-konsentraation vaikutus peeling-off reaktioon on mitätön mutta sillä on suoraan verrannollinen vaikutusta alkaali hydrolyysiin (scission). Laktoosin sekä sellobioosin alkaalihajoamista tutkittiin myös.

Laktoosin hajoaminen seuraa esitettyä peeling off mekanismiä missä glukoosi muuntuu hapoksi jättäen samalla galaktoosin liuokseen, joka lopuksi muuttuu maitohapoksi. Sellobiosi saatiin täysin hajotettua alle 100°C lämpötiloissa antaen 70% saannon.