I traditionell massaframställning söker man erhålla en så ren cellulosabaserad massa som möjligt. Samtidigt skiljer man ut en mängd övriga komponenter som snarast betraktas som oanvändbara restprodukter. Där ingår allt från de högmolekylära vedkomponenterna lignin och hemicellulosa till olika lågmolekylära sockerarter, extraktivämnen och terpener i ved och bark.
Mycket pekar på att även dessa i framtiden kommer att betraktas som värdefulla råvaror. Man talar allt oftare om skogen som ett bioraffinaderi, där råvaran ved ska separeras i olika beståndsdelar i olika fraktioner och under olika stadier i förädlingsprocessen generera mer eller mindre renade och isolerade ämnen. Dessa kan sedan utgöra reaktanter i kemiska processer eller användas för materialframställning.
Överflöd av förpackningar
Intresset för så kallade gröna material har ökat under de senaste åren, i takt med samhällets allt ökande oro för den globala uppvärmningen och människans påverkan på jordens ekosystem. En tydlig global samhällstrend är strävan efter att nyttja mindre av fossila bränslen och material baserade på förnyelsebar råvara.
Det moderna överflödet av förpackningar och engångsdetaljer ger stora avfallsvolymer och aktualiserar en efterfrågan på nedbrytbara material. Skogen ter sig i detta perspektiv som en alltmer intressant råvarukälla för kemikalieframställning, med potential att generera såväl förnyelsebara som nedbrytbara och billiga råvaror som inte konkurrerar med livsmedelsproduktion.
Kulor som sväller. Hemicellulosan galactoglucomannan avskiljs från procesströmmen vid framställning av massa från granved. Här har det använts som råvara för en hydrogel och formulerats som mikrosfärer. Dessa kulor har en genomsnittlig diameter på ett par mikrometer och sväller till minst sin dubbla volym i vatten, och det läkemedel som deponerats inuti kulorna kan då sippra ut. Foto: Ulrica Edlund
Polysackarider
Vi arbetar tillsammans med skogskoncernen Södra i ett forskningsprojekt, som drivs på KTH under ledning av Ann-Christine Albertsson. Vår forskning är koncentrerad på att i vätskeströmmarna i befintliga massaprocesser kunna utvinna de fraktioner som är rika på polysackarider och omvandla dessa till funktionella polymera material.
De medel- och högmolekylära råvaror som kan utvinnas ur veden består till stor del av hemicellulosor. Hemicellulosa är ett samlingsnamn för en grupp polysackarider som finns i matrisen runt cellulosafibrillerna i veden. Dessa har en betydligt lägre molekylvikt än cellulosafibrerna, och flera av dem är vattenlösliga. Därför är de extra attraktiva för att framställa material, som av miljöskäl inte bör innehålla organiska lösningsmedel. Mängden och sammansättningen av hemicellulosa varierar kraftigt mellan olika träslag, men de förekommer i allmänhet i signifikanta mängder i ved och räknas som jordens näst vanligaste naturliga polymer.
Nyttigt avlopp
Mycket av hemicellulosorna frisätts under massaprocessen och avleds med avloppsströmmar, och det är just här vårt forskningsprojekt kommer in i bilden. Under massakoket sker kemiska processer i vätskefasen.
Då genereras katalysatströmmar som innehåller en mix av hög-, mellan-, och lågmolekylära ämnen som lösts ut ur träråvaran. De högmolekylära fraktionerna från hydrolysatströmmarna uppgraderas, torkas och används sedan för design av nya material. En tidigare outnyttjad resurs tas tillvara!
Beroende på vilken typ av ved som använts i processen och under vilka betingelser som massan produceras, kommer den kemiska sammansättningen hos hydrolysatet att variera. Det ger oss möjlighet att skapa en bredd av olika hydrolysatbaserade material, där deras variation i egenskaperna kan komma till nytta i olika tillämpningar.
Oanade resurser. Att få cellulosa från skogen är välkänt. Men i skogens ”bioraffinaderi” kan råvaran ved spjälkas upp och under olika stadier i förädlingsprocessen generera mer eller mindre isolerade ämnen, som sedan kan användas i kemiska processer eller för att framställa material. Foto: Mikael Röhr
Läkemedel och jordbruk
När vi formulerar olika tillämpningar, utnyttjar vi vår mångåriga erfarenhet av materialdesign från en ren hemicellulosa som heter galactoglukomannan. Från denna granvedsbaserade råvara har vi tidigare framställt hydrogeler, som kan finna användning inom läkemedelsindustrin, till exempel som kontrollerade frisättningssystem som under en tidsperiod kontrollerat ger ifrån sig små doser av en inkapslad substans.
Tillsammans med VL-stiftelsen, som är forskningsstiftelse som främjar forskning inom växtodling och bioteknik, har vi även tagit fram liknande system för lantbrukssektorn. Även syrgasbarriärfilm har framställts från glukomannan i processvatten. Liknande material, men också nya formuleringar för nya tillämpningar, växer nu fram i vårt laboratorium på KTH utifrån den hydrolysatbaserade råvaran.
Arbetet från idé till verkliga recept och produkter omfattar materialutvinning, karakterisering, formulering, vidareutveckling, optimering. På sikt kan arbetet bedrivas i en större skala för att anpassas till industriella format.
Författare
:
Ann-Christine Albertsson
är professor i polymerteknologi, Fiber- och Polymerteknologi, Skolan för kemivetenskap vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.
Ulrica Edlund
är docent och universitetslektor i polymerteknologi vid Fiber- och Polymerteknologi, Skolan för kemivetenskap vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.
Litteratur:
Voepel J, Edlund U, Albertsson AC, 2009. Alkenyl-functionalized precursors for renewable hydrogels design. Journal of Polymer Science Part A Polymer Chemistry 47: 3595-3606.
Voepel J, Sjöberg J, Rief M, Albertsson AC, Hultin UK, Gasslander U, 2009. Drug diffusion in neutral and ionic hydrogels assembled from acetylated galactoglucomannan. Journal of Applied Polymer Science. 112(4): 2401-2412.
Edlund U, Albertsson AC, 2008. A Microspheric system: Hemicellulose-based hydrogels. Journal of Bioactive and Compatible Polymers 23: 171-186.
Hartman J, Albertsson AC, Sjöberg J, 2006. Surface- and bulk-modified galactoglucomannan hemicellulose films and film laminates for versatile oxygen barriers. Biomacromolecules 7(6). 1983-1989.
Lindblad MS, Ranucci E, Albertsson AC, 2001. Biodegradable polymers from renewable sources. New hemicellulose- based hydrogels. Macromolecular Rapid Communications 22 (12): 962-967.