Analysing lignin content from black liquor

Abstract

With an estimated 158 million tons of chemical wood pulp produced globally in 2023, containing approximately 30% lignin, the underutilization of this widespread biopolymer represents a significant missed opportunity in sustainable resource development. Lignin is widely considered as the most promising renewable alternative to crude oil, yet its industrial potential remains largely untapped due to analytical challenges.

This bachelor's thesis investigates various methods for determining lignin content in black liquor, focusing on identifying time-efficient and reliable approaches for research applications in the forest industry. Traditional methods like Klason and Van Soest, while accurate, require 1-2 days for analysis, creating a critical bottleneck for high-throughput research and process optimization.

The study examines several novel techniques including SEC-HPLC, HPTLC-densitometry with multivariate calibration, thermal analysis (TGA/DSC), TD-NMR, and various spectroscopic methods. The most promising approaches include HPTLC, which requires only 2 minutes per sample (99% time reduction compared to traditional methods), and SEC-HPLC, with a 30-minute analysis time (96% time reduction). These methods enable direct analysis of wet black liquor samples, eliminating the time-consuming drying process of black liquor.

Rapid analytical methods are crucial for transforming lignin from a by-product into a valuable resource. Time-efficient analysis enables real-time process monitoring, supports quality control for consistent commercial applications, and facilitates the development of a more circular and environmentally friendly forest industry.

Vuonna 2023 tuotettiin arviolta 158 miljoonaa tonnia kemiallista puumassaa maailmanlaajuisesti, josta arviolta noin 30 % on ligniiniä. Tämä runsaasti saatavilla oleva biopolymeeri on kuitenkin jäänyt pitkälti hyödyntämättömäksi, vaikka sen potentiaali erilaisissa materiaalisovelluksissa on huomattava. Ligniiniä pidetään yhtenä lupaavimmista uusiutuvista vaihtoehdoista raakaöljylle, mutta sen hyödyntäminen tehokkaasti on toistaiseksi ollut vähäistä erityisesti analyyttisten haasteiden vuoksi.

Tämä kandidaatintyö tarkastelee ligniinipitoisuuden määritysmenetelmiä mustalipeästä, keskittyen tunnistamaan ajallisesti tehokkaita ja luotettavia ratkaisuja metsäteollisuuden tutkimussovelluksiin. Perinteiset analyysimenetelmät, kuten Klason- ja Van Soest -menetelmät, tarjoavat luotettavia tuloksia, mutta vaativat 1–2 päivää analyysin suorittamiseen. Tämä aikaansaa kriittisen pullonkaulan tehokkaalle tutkimukselle ja prosessien optimoinnille, joka vaikeuttaa mustalipeän ja ligniinin kanssa toimimista.

Tutkimuksessa arvioidaan useita lupaavia tekniikoita, kuten SEC-HPLC, HPTLC-densitometriaa yhdistettynä useita muuttujia omaavaan kalibrointiin, lämpöanalyyttisiä menetelmiä (TGA/DSC), ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa (TD-NMR) sekä muita erilaisia spektroskooppisia menetelmiä.

Erityisen lupaavia näistä ovat HPTLC, joka mahdollistaa analyysin vain 2 minuutissa näytettä kohden ja SEC-HPLC, jolla analyysi vie vain 30 minuuttia. Nämä molemmat menetelmät mahdollistavat märkien mustalipeänäytteiden suoran analyysin, joka eliminoi runsaasti aikaa vievän mustalipeän kuivauksen.

Nopeat analyyttiset menetelmät ovat avainasemassa ligniinin muuttamisessa sivutuotteesta arvokkaaksi raaka-aineeksi. Nopeat menetelmät mahdollistavat reaaliaikaisen prosessinvalvonnan, parantavat laadunvalvontaa kaupallisien tuotteiden tuotannossa ja mahdollistavat ympäristöystävällisempää ja kiertotaloudellisempaa metsäteollisuutta.