Extraktion av hemicellulosa från rapshalm Serwan Salim

Transkript

1 EXAMENSARBETE INOM KEMITEKNIK, GRUNDNIVÅ STOCKHOLM, 2016 Extraktion av hemicellulosa från rapshalm Serwan Salim KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY KTH KEMIVETENSKAP

2 EXAMENSARBETE Högskoleingenjörsexamen Kemiteknik Titel: Engelsk titel: Sökord: Arbetsplats: Handledare på arbetsplatsen: Handledare på KTH: Extraktion av Hemicellulosa från Rapshalm Extraction of Hemicellulose from Rapseed Straw Hemicellulosa, Rapshalm, Extraktion KTH Fiber- och Polymerteknologi Elisabet Brännvall, Ulrica Edlund, Antonia Svärd Elisabet Brännvall, Ulrica Edlund, Antonia Svärd Student: Serwan Salim Datum: Examinator: Ulrica Edlund 2

3 Sammanfattning Raps har odlats traditionellt i stor omfattning för att utvinna vegetabiliska oljor samt i form av biobränsle. Intresset har även ökat för rapshalmen då biopolymerer kan komma till nytta för produktion av material. Målet med projektet var att undersöka vilka parametrar som är signifikanta för att erhålla av ett högt utbyte av hemicellulosan glukomannan från rapshalm. Metoden som tillämpades under projektet var hydrotermisk extraktion med avseende på parametrarna temperatur, tid och närvaro av buffertlösningen natriumvätekarbonat. Det erhållna materialet, det vill säga hemicellulosaextraktet isolerades med hjälp av frystorkning. Materialet undersöktes med en rad analysmetoder. Detta bestod av kolhydratanalys, bestämning av molekylvikter, askhalt, och funktionella grupper. Ur hemicellulosamaterialet framställdes plastfilmer genom gjutning, där de mekaniska egenskaperna undersöktes genom dragprovning. De hydrotermiska extraktionsförsöken resulterade i ett högre utbyte vid 170 o C med lägre ph-värde samt höga halter av xylos. Extraktionsförsöken som utförde vid 150 o C gav extrakt med högre halter glukomannan, arabinos och rhamnos där de även hade större molekylvikt. Detta resulterade även i bättre mekaniska egenskaper hos plastfilmerna. Inverkan av buffertlösningen var så liten att den är försumbar. 3

4 Summary Rapeseed has traditionally been grown extensively to extract vegetable oils as well as biofuels. There is an increased interest for the rapeseed straw as the biopolymers components can be useful in the production of materials. The aim of this project was to investigate parameters that were significant for obtaining a high yield of hemicellulose glucomannan. The used method in the project was a hydrothermal extraction in terms of parameters such as temperature, time and the presence of a sodium bicarbonate buffer solution. The obtained material, hemicellulose extract, was isolated by freeze-drying. The dry hemicellulose sample was analyzed with several analytical methods such as carbohydrate analysis, size-exclusion chromatography, thermogravimetric analysis and fourier-transform IR. Plastic films were produced with the yielded hemicellulose by casting, in which the mechanical properties were investigated by tensile testing. The hydrothermal extraction experiments resulted in a higher yield at 170 C, with lower ph and a higher amount of xylose. Extraction experiments performed at 150 C showed higher amounts of glucomannan, arabinose and rhamnose where they also had higher molecular weight. This resulted in better mechanical properties of the plastic films. The buffer solution made a negligible impact on the extraction. 4

5 Innehållsförteckning 1. Inledning Syfte & Mål Avgränsningar Teoretisk bakgrund Biopolymerer Hemicellulosa Xylan Mannan Hydrotermiskextraktion Extraktionsparametrar Experiment & Analysmetoder Hemicellulosa extraktion Kolhydratsanalys & Klason lignin Sur hydrolys Jonbyteskromatografi Framställning av plastfilmer Dragprovning Fourier transform infrared spectroscopy Termogravimetrisk analys Size-exclusion Chromatography Resultat & Diskussion Slutsats Litteraturförteckning

6 1. Inledning I det rådande klimathotet som kopplas till överexploatering av råolja för bränsle och plast, har lett till ett ökat intresse för förnyelsebara naturresurser för ett hållbart och kostnadseffektivt alternativ [1]. Ett möjligt alternativ till fossila råvaror för material och produkttillverkning är biobaserade råvaror [2]. För närvarande odlas raps världen över och är den tredje mest odlade grödan efter sojabönor och palm [13]. Raps har framförallt odlats i stor omfattning för att utvinna vegetabiliska oljor för matlagning. Under de senaste decennierna har rapsfröna även utnyttjats för framställning av biobränsle i from av rapsmetyleter, REM. I takt med ökad användning har både intresset och efterfrågan ökat. År 2007 användes hela 30 miljoner hektar area för rapsodling världen över, konstaterade FAO 2008 [14]. Den totala mängden biomassa som producerades av raps uppskattades mellan 5 till 10 ton per hektar och andelen stjälk (halm) av biomassan uppgår till 20 %. Efter att de oljerika fröna skördas återstår en stor mängd halm kvar i åkermarkerna som avfallsprodukt. Det har visat sig att även halmen innehåller värdefulla substanser, till exempel rapshalm består av en rad olika biopolymerer som skulle kunna utvinnas för att omvandla till olika typer av material [15]. De vanligaste biopolymererna i växtriket som återfinns i växtens cellväggar är cellulosa, hemicellulosa, lignin och pektiner [3]. Hemicellulosan står för en fjärdedel till en tredjedel av biomassan beroende på växtart, därmed är hemicellulosa en av de vanligaste förekommande biopolymererna [4]. Potentiella användningsområden för hemicellulosa är många, dock har det ännu inte tillämpats i industriell skala. Hemicellulosa omfattar bland annat polysackariderna xylan och glukomannan [5,6]. Det har visat sig att hemicellulosa har användbara plastegenskaper inom barriärfilm i förpackningar med avseende på låg syrepermeabilitet. Andra intressanta användningsområden med lovande kvaliteter är beläggning, bindemedel [7], mikroinkapsling och superabsorberande hydrogeler [8]. Hemicellulosa och dess beståndsdelar skulle kunna extraheras från växtcellväggar med olika metoder på olika sätt. Utvinning av hemicellulosa beror på växtart, växtens karakteristiska sammansättning samt i vilken ändamål. Svårighet ligger i att kunna extrahera hemicellulosa utan att påverka de andra befintliga produkternas kvalitét och kvantitet i cellväggen [9, 10]. Temperatur, ph-värde och tid är parametrar av stor betydelse för isoleringen av hemicellulosa. Genom extraktion med hög koncentration alkali har ett högt utbyte av xylan, med högt molekylvikt erhållits [6, 11]. I sin tur har stora mängder glukomannan utvunnits vid höga vatten temperaturer under pappersmassa processen [12]. 7

7 2. Syfte & Mål Syftet med detta projekt var att framställa plastfilmer ur det utvunna hemicellulosamaterialet från rapshalm. Projektmålet var att undersöka vilka parametrar som är signifikanta för att utvinna ett högt utbyte av glukomannan. Den erhållna hemicellulosa extrakten analyserades både kvalitativt och kvantitativt. Därefter skulle plastfilmer framställas, där deras mekaniska egenskaper skulle undersökas. 3. Avgränsningar Huvudråvaran som användes var rapshalm från lokala åkerbruk. I detta examensarbete tillämpades en hydrotermisk extraktionsmetod som varierades med avseende på parametrarna tid, temperatur och ph. Mängden halm, tid och temperatur var förutbestämda. PH-värdet under den hydrotermiska extraktionen reglerades med hjälp av buffertlösningen natriumvätekarbonat, NaHCO 3. Kemiska analyser utfördes på det erhållna materialet och plastfilmer framställdes genom gjutning. Plastfilmernas mekaniska egenskaper undersöktes med avseende på styrka, styvhet och slagseghet. 8

8 4. Teoretisk bakgrund 4.1 Biopolymerer Polymerer är makromolekyler med högt molekylvikt, som är uppbyggda av en eller flera identiska upprepande underenheter monomerer med kovalenta bindningar. Den kemiska processen där monomerna konverterar till polymerer kallas polymerisation [16]. I växtriket förekommer biopolymerer främst i form av cellulosa, hemicellulosa, lignin, proteiner och nukleinsyror. Det förekommer även andra ämnen i små mängder såsom fettsyror, pektiner, hartssyror och oorganiska ämnen. Deras relativa sammansättning i cellväggen är i högsta grad beroende av växtart, typ av vävnad, utvecklingsstadier, avsedda vägglagret samt i viss utsträckning under vilka förhållandet växten befinner sig [17, 18]. Polysackarider är makromolekylära kolhydrater som bildas av en sammansättning av monosackarider, vilket antingen är linjära, grenade eller tvärbundna. Polysackaridernas främsta uppgift i växter är energibevaring och strukturgivning [16, 19]. 4.2 Hemicellulosa Hemicellulosa är en av de vanligaste förekommande biopolymererna i växternas cellvägg och utgör omkring %. Tillsammans med cellulosa och lignin har hemicellulosa i uppgift att fastställa och upprätthålla cellväggen. Hemicellulosa består av en grupp varierande heterogena och amorfa polysackarider med en polymerisation, DP, upp till 200 monomerenheter, där polymerkedjorna är förgrenade och har en relativ låg molekylvikt i jämförelse med cellulosa [20]. Den amorfa strukturen och låga polymerisationsgraden bidrar till lägre kemisk och termisk stabilitet än cellulosa. Hemicellulosa är lätt hydrolyserat [21, 23] samt bildar vätebindningar med cellulosa, kovalenta bindningar med lignin och esterbindningar med acetylgrupper [22]. De förekommande sockermonomerenheterna i hemicellulosa (förutom rhamnos i mindre utsträckning) består av hexoser som utgörs av D-glukos, D-galaktos, D-mannos, D-glukuronsyra, D-galakturonsyra och 4-O-metyl-D-glukuronsyra. Pentoser är också sockermonomerenheter som i sin tur omfattar arabinos och xylos (figur 1). Hemicellulosa delas vanligen in i fyra övergripande huvudkategorier; xylaner, mannaner, β-glukaner och xyloglukaner. Dessa grupper skiljer sig åt genom socker komposition, sidokedjorna de har och hur ofta dessa förekommer [20]. 9

9 Figur 1: De mest förekommande sockerenheterna i hemicellulosa [39] Xylan Xylaner är en blandad grupp av polysackarider av typen hemicellulosa och kännetecknas av att de har en linjär huvudkedja uppbyggd av endast xylopyranosrester sammanbunden med β-(1-4) glukosbindningar, där xylosrester i regel är substituerade av sidogrupper på kolatom 2 och/eller kolatom 3. Dessa substitutenter innehåller L-arabinofuranos och glukuronsyra och härrör främst från α(1-2) 4-O-D-glukuronsyra, därav namnet arabinoxylan respektive glukuronoxylan [24, 25]. Xylaner är associerade med cellulosa i cellväggen och bildar ligninkolhydratkomplex med lignin [26]. Xylan är den dominerande polysackariden i lövträ, annueller och sädesslag samt står för 30 % av cellväggmaterialet [25]. Ettåriga växter, annueller, domineras av xylaner, där det mesta av xylaner består av α-larabinofuranos och 4-O-metyl-α-D-glukuronsyra grupper (figur 2). Dessa sidogrupper binder genom O-glukosbindningar till xylanets linjära huvudkedja. På xylans huvudkedja kan det även förekomma andra sackarider i form av 2-O-D-xylopyranosyl-α-L-arabinofuranos eller andra mängder av enhetrester, såsom galaktos eller glukos bundna till sidogruppen arabinofuranos [20, 27]. Arabinoxylan har en kedjeenhet på monomerer, med en molekylvikt mellan 20-60kDa. Under isoleringen av hemicellulosa sker viss nedbrytning och det gör att molekylvikten minskar [28]. Figur 2 Struktur av Arabinoglukuronxylan [28]. 10

10 4.2.2 Mannan I mannerna är polysackariderna uppbyggda av sockerarterna mannos och glukos. Det finns två typer av mannaner, galaktomannan och glukomannan. Galaktomannan består uteslutande av sammanbundna β-(1-4)-d-mannopyranosyl-enheter med korta grenar av D- galaktopyranosyl enheter som sidogrupp bunden till mannos huvudkedja vid C-6 positionen, det vill säga α-(1-6) bindningar. Galaktomanner tenderar att självassociera, är olösliga och har en ordnad struktur. Glukomannan har däremot en huvudkedja bestående av D- mannopyranosyl och D-glukopyranosyl, där β-d-glukopyranosyl enheter är slumpvis fördelade i huvudkedjan och är bundna via β -(1-4) bindningar. Vissa glukomannaner är dessutom substiuerade med D-galktopyranosyl enheter, precis som galaktomanner och fått namnet galaktoglukomannan. Strukturegenskapen hos mannaner är att hydroxylgrupperna är slutna till huvudkedjan vid positionerna C-2 och C-3 och är delvis substituerade med O- acetylgrupper. Galaktoglukomanner depolymeriseras lätt i sura lösningar, särskilt mellan glukosbindningar i huvudkedjan. Spjälkning av acetylgrupperna sker lättare vid närvaro av alkali än med syra [28, 29]. Figur 3 Struktur av Galaktoglukomannan [31]. 11

11 5. Hydrotermiskextraktion Det finns olika metoder att utvinna hemicellulosa ur växtcellväggen. Det har använts metoder med närvaro av kemiska reagenser samt fysikaliska metoder, till exempel hydrotermisk med endast vatten som lösningsmedel vilket betraktas som miljövänligt [6]. Dessa nuvarande och tillgängliga metoder kan inte säkerställa ett 100 % utbyte av hemicellulosa utan att upplösa andra komponenter ur cellväggen [9]. Hemicellulosans beståndsdelar behöver separeras från ett antal komponenter, de befintliga fetterna behövs lösas upp och, dessutom behöver hemicellulosa avlägsnas från lignin [30]. Hydrotermisk behandling avser huvudsakligen bland annat varmt vatten (autohydrolys) och fysikalisk explosion[10]. Extraktionsprocessen kan enkelt delas upp i tre olika steg (figur 4). Det första steget är att materialet (i detta fall rapshalm) luckras upp så att lösningsmedlet, vatten, diffunderar in i halmen och når hemicellulosamolekylerna. Nästa steg är att vatten binder till hemicellulosa genom så kallad hydratisering/solvatisering. Sista steget är då den upplösa hemicellulosan diffunderar ut från halmmatrisen in i vattenfasen. De flesta hemicellulosor är extraherbara mellan överhettat vatten och den kritisk temperatur (374 o C), då skillnaden mellan vätska och gas upphör [31]. En gynnsam temperatur för hemicellulosa utvinning är mellan o C, detta beroende på sorten biomassa och vad för sorts slutprodukt som önskas. Temperaturer över 200 o C leder till en viss nedbrytning av cellulosa, medan temperaturer under 100 o C inte kommer ha någon hydrolytisk effekt på materialet [10, 31]. Figur 4 Skiss över Hydrotermisk Extraktion [31]. 5.1 Extraktionsparametrar Temperatur, tid och ph kommer att vara avgörande för högt utbyte av hemicellulosa. Temperaturen är en av de viktigaste faktorerna under hydrotermisk extraktion, då det är ett mått på mängden termisk energi i processen som i sin tur sätter igång kemiska reaktioner. Ju högre temperatur desto mer energi, vilket resulterar fler reaktioner och upphov till oönskade reaktioner, till exempel depolymeriserings- och nedbrytnings reaktioner. Precis som temperaturen är tiden lika viktig, därför att tiden kommer påverka den totala energin som överförs till processen. ph är en annan parameter av stor betydelse, speciellt under hydrolysen, vatten som lösningsmedel i hydrotermisk extraktion tenderar att ge ett lågt ph. Detta orsakas genom vattenjonisering under höga temperaturer och bildning av ättiksyra som härrör från spjälkning av acetylgrupper från hemicellulosa kedjeenheter. Lågt ph i extraktet kommer framkalla reaktionskatalys mellan (1-4)-glykosidbindningar mellan sockerenheterna i hemicellulosa och resulterar i lägre molekylvikt [31]. 12

12 6. Experiment & Analysmetoder 6.1 Hemicellulosa extraktion Metoden för den hydrotermiska extraktionen konstruerades med hjälp av parametrarna temperatur, tid och ph-reglering. ph regleras med hjälp av buffertlösningen natriumvätekarbonat som har en koncentration på 3mM. Fyra extraktioner (A, B, C och D) utfördes, där A och B extraherades vid 150 o C medan C och D extraherades vid 170 o C (tabell 1). Vidare extraherades prov A och C i närvaro av buffert. Mängden lösningsmedel, destillerat vatten, i samband med extraktionen förbestämdes genom ett förhållande vätska till rapshalm till 10:1. Extraktionsprover Temperatur [ o C] Buffert Tid [minuter] A B C D Tabell 1 Visar den hydrotermiska extraktionsparametrar. Extraktionerna utfördes genom att väga upp 80 g torr rapshalm i fyra satser som överfördes till 2,5 liter autoklavar i stål. Autoklavarna fick stå förslutna 30 min under vakuum för tömning av luft, under tiden förbereddes buffertlösningen av natriumvätekarbonat (NaHCO 3 ) för proverna A och C. Efter lufttömningen tillsattes lösningsmedlet, endast destillerat vatten för proverna B och D samt utspädd 3mM NaHCO 3 för proverna A och C till vardera autoklav genom vakuumsugning. Därefter placerades autoklavarna tillhörande prover A och B som körning 1 i ett ånguppvärmt etylenglykolbad där autoklavarna är något lutade för att åstadkomma blandning genom rotation. För att kompensera för värmeförluster under placering av autoklavarna i badet lades ytterligare 10 min till extraktionstiden för att nå extraktionstemperaturen. Körning 2 som avser proverna C och D utfördes stegvis på samma sätt som körning 1. Då extraktionerna avslutades avlägsnades autoklavarna från etylenglykolbadet och placerades i ett kallt vattenbad för kylning i 20 min. Efter kylningen separerades vätskefasen från halmresterna genom vakuumsugfiltrering, varpå ph-värdet på provernas vätskefaser uppmättes. För att frigöra det erhållna materialet från vätskeblandningen frystes vätskefasen i flytande kväve och genom rotation bilades en jämnt fördelad yta runt rundkolven. Därefter kopplades kolvarna till frystorkningsmaskinen där den bildande isen avlägsnades genom sublimering i högt vakuum. 13

13 6.2 Kolhydratsanalys & Klason lignin För att kunna analysera hemicellulosans beståndsdelar i proverna A, B, C och D kemiskt behöver polysackariderna depolymeriseras till monosackarider och detta kan åstadkommas med hjälp av sur hydrolys. Proverna innehåller en del lignin som är svårlöslig både i sura och i alkaliska lösningar. Mängden lignin kan isoleras från proverna samt halt bestämmas genom Klason ligninmetoden Sur hydrolys Av proverna A, B, C och D vägdes cirka 200 mg upp i 100 ml glasburkar och 3 ml 72 % svavelsyra (H 2 SO 4 ) som katalysator sattes till vardera burkar. Blandningen rördes om med glasstavar så att det blev homogent och sedan fick proverna stå i vakuumexickatorn för att både få bort fukt och skydda från kontaminering i 1 h, varpå proverna späddes till 84 ml med destillerat vatten innan proverna placerades i en autoklav för uppvärmning i en vattenugn med en temperatur på 125 o C i 2,5 h så att proverna hydrolyserades. Efter hydrolysprocessen separerades ligninet från proverna genom sugfiltrering med glasfilter som sedan torkades i 100 o C i en luftugn i ett dygn. Glasfilternas viktskillnad efter filtreringen beräknades som Klasonlignin. 6.3 Jonbyteskromatografi Provfiltraterna A, B, C och D späddes upp till 100 ml med destillerat vatten, på så sätt preparerades provstandard lösningar. Standardlösningar bereddes på samma sätt också för sockerreferenserna, arabinos, galaktos, glukos, xylos, mannos och rhamnos. Dessa vägdes upp till 20, 20, 150, 30, 30 samt 10 mg. 10 ml av varje provstandard överfördes till rundkolvar som sedan späddes upp till 100 ml med destillerat vatten. För socker referenser preparerades lösningar med olika koncentrationer, där 0,25;0,5;1,0;2,0;4,0;8,0 respektive 12,0 ml överfördes till 100 ml rundkolvar och späddes med destillerat vatten upp till märket. 1,5 till 2 ml av lösningarna överfördes till små vialer med hjälp av ett filter för att kunna genomföra jonbyteskromatografi. Anjonsbytar kromatografi High preformance Dionex användes för att kunna utföra kolhydratanalysen. 14

14 6.4 Framställning av plastfilmer För att kunna framställa plastfilmer genom gjutning framställdes en 4x4 matris för att preparera filmlösningar av den frystorkade hemicellulosan från proverna A, B, C och D. Till filmlösningar användes 15 ml destillerat vatten och ett förhållande mellan hemicellulosa/karboxylmetylcellulosa (CMC)/sorbitol på 1:0.5:0.1. Proverna A och B hade en hemicellulosavikt på 0,5 g medan C och D var på 1.0 g. Symbolerna plus och minus i tabell 2 utgör närvaro av CMC och Sorbitol i plastfilmerna. Plastfilm Prov CMC Sorbitol A1 - - A2 A + - A3 150 o C (+) - + A4 + + B1 - - B2 B + - B3 150 o C (-) - + B4 + + C1 - - C2 C + - C3 170 o C (+) - + C4 + + D1 - - D2 D + - D3 170 o C (-) - + D4 + + Tabell 2 Matris över plastfilmer. Filmlösningarna placerades på ett skakbord för att framkalla homogenitet. Därefter gjöts lösningarna i petriskålar och lämnades att torka i ett torkskåp vid 30 o C i 3 dygn. Filmerna fick sedan torkar ytterligare 3 dygn i ett konditionerat rum vid rumstemperatur och 50 % relativ fuktighet. 6.5 Dragprovning Dragprovning innebär att ett material dras isär med en konstant draghastighet. Den mekaniska spänningen beräknas som funktion av töjningen [35]. Ett dragprov genomfördes för de gjutna plastfilmerna för proverna A, B, C och D. Inför testet skars 3 stycken remsor ut av varje film med en genomsnittlig bredd på 5 mm och en längd på 40 mm. En markering på 20 mm gjordes i mitten av remsan som testområde. Inom testområdet beräknades tjockleken och bredden som ett medelvärde på fem olika mätningar. Testet utfördes i ett konditionerat rum vid rumstemperatur och 50 % relativ fuktighet. Instrumentet var Instron 5566 och programvaran Bluehill användes för beräkna analysresultatet. 15

15 6.6 Fourier transform infrared spectroscopy Infrarödspektroskopi är en analytisk mätmetod används främst för att identifiera organiska molekyler och dess funktionella grupper. Metoden baseras på infrarött ljus, där ljuset tillåts passera genom materialet och reflekterar sedan till en detektor som registrerar mängden absorberat ljus. I en molekyl är atomerna bundna till varandra genom olika bindningar, där varje bindning ger upphov till en specifik vibration, stretchning eller böjningsfrekvens som absorberar infrarött-ljus vid olika vågtal [32]. Dessa vibrationer är i högsta grad beroende av molekylvikten samt deformationen hos molekylen. En molekyl med lägre molekylvikt och stela bindningar har högre vibration och därmed absorbansen sker vid en högre energi (vågtal) i jämförelse med en molekyl med högre molekylvikt och styvare bindningar [28, 33, 34]. Cirka 40 mg av varje prov A, B, C och D analyserades med instrumentet Perklin Elmer FTIR-spectrometer Spectrum I tabellen 3 nedan finns några funktionella grupper och bindningar som förväntas ge utslag i ett infrarött-spektrum av de analyserade proverna. Vågtal cm -1 Bindning Intensitet Funktionella grupper O-H M OH-grupper, Alkoholer, vatten O-H M Fri OH, Karboxylsyror O-H S, B, Sh OH bundna C-H S Aromater C-H M Kolvätebindningar C=O S Karboxylsyror C-O S Ester, Eter Tabell 3 Vågtal hos några av de bindningar och funktionella grupper som återfinns i hemicellulosa. S=strong, M=medium, B=broad, sh=sharp [37]. 16

16 6.7 Termogravimetrisk analys TGA är en termisk analysmetod som mäter viktförändring hos organiska materialet till följd av uppvärmning under konstant temperaturökning. Faktum är att allt organiska material avdunstar eller förbränns vid olika temperaturer. TGA bygger på processen pyrolys vid vilken organiskt material hettas upp till 1000 o C. Materialet värms upp först i syrefattig miljö i närvaro av kvävgas, då sönderfaller vissa organiska ämnen, det vill säga termisk nedbrytning sker utan att det förbränns och flyktiga ämnen avgår i gasform. Då processen förses med syre och temperaturen ökas ytterligare, förbränns organiska komponenter, resterande bedöms som aska, det vill säga oorganiskt material. De kvarvarande komponenter beräknas som viktminskning i askhalt eller oönskade ämnen. Processen bearbetades av instrumentet Mettler Toledo TGA under ett dygn. Mellan 3-10 mg av hemicellulosaproverna A, B, C och D värmdes upp till 800 o C i små TGA-koppar av porslin. Under början av processen värmdes proverna upp till 500 o C i närvaro av kvävgas. Därefter ökades temperaturen ytterligare till 800 o C innan processen försåg med syrgas för att låta organiskt material förbrännas. 6.8 Size-exclusion Chromatography Polymerer omfattar en blandning av molekyler med olika storlek, detta kallas även för polydispersitet. Det flesta polymerisationsreaktioner som sker både naturligt och vid laboration ger upphov till olika storlek hos polymerkedjor. Smältviskositet, draghållfasthet, slagseghet och värmekänslighet är några egenskaper hos polymerer som är beroende av molekylvikten. En minimal molekylvikt på ca 1000 behövs för att få ett mätbart mekaniskt hållfasthetsvärde. Den kritiska hållfasthetspunkten nås i takt med molekylviktsökningen, därefter blir ökningen mindre eller upphör helt. Då en polymer är funktionsduglig måste den lägsta molekylvikten uppfylla den kritiska punktens kriterier [36]. Hemicellulosaproverna vägdes upp till ca 40 mg där de sedan löstes upp i 10mM NaOH. Instrumentet som användes för att analysera proverna var Dionex Ultimate-3000 HPLC system. 17

17 7. Resultat & Diskussion Tabell 4 visar den erhållna mängden frystorkade hemicellulosa från samtliga proverna A, B, C och D efter den hydrotermiska extraktionen. Hemicellulosa mängden presenteras som den totalmassan och angiven i gram. Det angivna utbytet baseras på kvoten mellan den extraherade hemicellulosa och den ursprungliga hemicellulosamassan i rapshalm i torrvikt, vilket är beräknat till 25 % enligt Nilsson B [38]. Det framgår även provernas ph-värden, då hemicellulosa var i vätskefas. Prov Faktor Extraherad Hemicellulosa [g] Utbyte [%] ph (Efter extraktion) A 150 o C (+) ,7 B 150 o C (-) C 170 o C (+) D 170 o C (-) Tabell 4 Resultat från extraktionsprover. Från tabell 4 framgår att den hydrotermiska extraktionen vid 170 o C har ett högre massutbyte än extraktionen vid 150 o C. Anledningen till det höga utbytet vid 170 o C, är att den höga temperaturen ökat hydratiseringsreaktionen samt bidragit till att mer av det upplösta materialet diffunderar ut i vätskefasen. Allmänt var ph-värdet i hemicelluosaextrakten relativt låga. Vatten som lösningsmedel vid höga temperaturer bidrar till lägre ph under hydrolys, då genom spjälkning av acetylgrupper som bildar ättiksyra. Anledningen till att hemicellulosaextrakten C och D har signifikant lägre ph-värden än A och B är på grund av att det har bildats mer ättiksyra vid 170 o C. Figurerna 10 och 11 visar FTIR-spektra för de analyserade hemicellulosa proverna A, B, C, D, där absorbansen plottas mot vågtal. De olika molekyler och funktionella grupper i hemicellulosa proverna absorberar ljus vid ett specifikt vågtal. Genom att läsa av vågtalen ur diagrammen nedan och jämför det med IR-spektrum databas, möjliggör det att identifiera vilka molekyler eller funktionella grupper som finns i hemicellulosa materialet. 18

18 Absorbans A 150 C (+) B 150 C (-) Vågtal [1/cm] Figur 5 IR-spektrum över prov A och B. Absorbans C 170 C (+) D 170 C (-) Vågtal [1/cm] Figur 6 IR-spektrum över prov C och D. IR-spektra från figur 5 och 6 visar identiska toppar. Bandet vid området 3600 till 3100 som har något bredda toppar indikerar en blandning av O-H bindningar, det vill säga funktionella grupper såsom alkoholer och karboxyler. Toppar mellan 3000 och 2800 påvisar förekomst av C-H bindningar vilket är uppenbart då sackariderna har ett fåtal kolväte bindningar. Även lignin har C-H bindningar. IR-spektrum i graferna från vågtalen 1780 och nedåt visades större skarpa toppar. Topparna som befinner sig vid vågtalen mellan 1780 och 1500 visar förekomster av dubbelbindningar mellan kol och syre, vilket indikerar funktionella grupper som karbonyler, estrar, karboxylsyror, ketoner och aldehyder. Dessa funktionella grupper är typiska för sackarider i hemicellulosor. Topparna som befinner sig runt vågtalen 1400 visar förekomsten av aromater. Hemicellulosorna har inga aromatiska föreningar, däremot har lignin det. 19

19 Tabell 5 illustrerar kolhydratanalysen, där kemiska sammansättningen i hemicellulosa materialet fastställts utifrån de sockerarter som återfinns i hemicellulosa. Värden i tabellen nedan visar medelvärdet av två identiska analysresultat som framställdes från samma prov. Halterna har angetts i procent och representerar den totala halten av varje enskild sockerart i varje prov A, B, C och D. Ligninhalten i proverna har tagits fram från Klason lignin. Figur 9 visar rapshalmens sammansättning före den hydrotermiska extraktionen. Halt [%] Produkt Faktor Arabinos Galaktos Glukos Xylos Rhamnos Mannos Lignin A 150 o C (+) B 150 o C (-) C 170 o C (+) D 170 o C (-) Rapshalm Tabell 5 Kemisk sammansättning och Klason lignin efter kolhydratanalysen. Utifrån de kemiska sammansättningarna som kolhydratanalysen har tillfört var halten monosackariderna arabinos, rhamnos, galaktos och glukos högre i A och B som extraherades vid 150 o C. Mannos och glukos enheterna bildar huvudkedjan i glukomannan samt förekommer det även galaktos dock som sidogrupp. De höga halterna av dessa tre monosackarider vid extraktionen 150 o C, visade det sig att glukomannan löste upp sig mest. Detta beror på spjälkning av acetylgrupper då ättiksyra bildas som i sin tur ökar lösligheten hos glukomannaner. Eftersom glukomannaner depolymeriseras lätt i sura lösningar. Arabinos och rhamnos finns både i xylaner och glukomannaner samt i pektiner. Att även halten arabinos och rhamnos var högre under extraktionssteget vid 150 o C, tyder på att hemicellulosa materialet innehöll pektiner också. Proverna C och D som extraherades vid 170 o C fick höga halter xylos. Förklaringen till detta är både att huvudkedjan i xylan som består endast av xylosenheter frigjordes samt att xylan är den dominerande hemicellulosan i rapshalmen. Halten lignin i proverna beror dels på den höga temperaturen under den hydrotermiska extraktionen, dels lignin bildar kovalenta bindningar med hemicellulosa. Tabell 6 visar provernas askhalt i procent, det vill säga den återstående mängd som inte har förbränts efter den termogravimetriska analysen, i det här fallet beräknas askhalten som andelen oorganisk material. Prov A B C D Askhalt [%] 14,8 15,9 22,8 21,6 Tabell 6 Mängden oorganiskt material i hemicellulosa. 20

20 Andelen oorganiskt material I proverna var relativt högt. Anledningen till den höga upplösningen av oorganiskt material främst salter i hemicellulosa materialet beror huvudsakligen på hydratiseringsreaktionen under extraktionssteget, då lösningsmedlet var vatten. En del av oorganiskt material härstammade från buffertlösningen som innehöll natriumvätekarbonat. Tabell 7 summerar dragtestsresultat av de gjutna plastfilmerna som var användbara att utföra mekaniska egenskaperna på. Värden i tabellen visar resultat av töjning, dragpåkänning och E-modul. Töjning [%] Brottgräns [GPa] E-modul [GPa] A2 22 ± 0,11 18,48±2,86 0,21±0,09 A4 33±0,15 13,27±10,09 0,10±0,01 B3 23±0,08 (-)0,16±0,24 0,05±0,02 B4 18±0,05 12,45±1,61 0,21±0,07 C2 2±0,00 8,95±2,57 1,25±0,54 C4 2±0,01 21,92±5,58 1,32±0,08 D4 3±0,01 9,62±7,70 1,22±0,15 Tabell 7 Resultat från dragprovning för plastfilmer. Samtliga prover visade plastfilmliknande tendenser. Enligt dragprovningen visade plastfilmer med prover A och B bättre mekaniska egenskaper än C och D. Plastfilmerna var mer flexibla och tålde större deformation samt hade bättre motstånd mot sprickor. De bättre mekaniska egenskaperna hos proverna A och B utifrån tabell 7, beror både på provernas höga molekylvikter och polydispersitet. Polydispersitet är ett mått på homogenitet av storleksfördelningen hos hemicellulosa polymerer i en blandning. Det ska också beaktas att mängden hemicellulosa, CMC och sorbitol var dubbelt så mycket i C och D, däremot hade de samma volym destillerat vatten som i A och B. CMC:s funktion i lösningen är bland annat bindande-och stabiliserings effekt samt hög viskositet i låga koncentrationer. För lite vatten bidrar till mindre homogenitet i lösningen, dock krävs det en liten mängd sorbitol för att få hemicellulosafibrerna att bli mjuka. Sorbitol ser även till att fibrerna upptar plats i lösningen. Molekylvikterna för hemicellulosas beståndsdelar bestämdes genom SEC och visar i tabell 8. Molekylviktsmedelvärde angiven i kda. Prov A B C D Molekylviktsmedelvärde (M w ) Talmedelvärde (M n ) Polydispersitet 1,37 1,38 1,15 1,15 Tabell 8 Molekylviktsbestämning av proverna. Sec-resultaten visar att proverna A och B har högre molekylvikter än C och D. Detta beror på att polymererna i C och D genomgick en depolymeriseringsreaktion under högre temperatur (170 o C) än proverna A och B. Det framgår även i tabell 5 att monosackariderna i hemicellulosan alla förutom xylos har minskat rejält i halterna under extraktionssteget vid högre temperatur. 21

21 8. Slutsats I detta examensarbete har extraktion av hemicellulosa från rapshalm undersökts. Syftet med denna undersökning var att framställa plastfilmer ur det utvunna hemicellulosa materialet samt undersöka vilka parametrar är signifikanta med utvinning av ett högt utbyte av glukomannan. Följande slutsatser kan dras från denna studie att samtliga hydrotermiska extraktionsförsök av rapshalm resulterade i olika massutbyten. Där den utförda extraktionen vid 170 o C gav ett allmänt högre utbyte av hemicellulosa. Samtidigt erhölls högre halter av glukomannan under extraktionsförsöket vid 150 o C. Syftet med buffertlösningen natriumvätebikarbonat var att isolera glukomannan med högre molekylvikt. Enligt phmätningar efter extraktionsförsöken var ph aningen högre vid närvaro av buffertlösningen, däremot ingen signifikant skillnad i ph-värdet. Vad gäller massutbytet var proverna A och C, 1-2 procent mer än proverna utan buffert. Buffertlösningen bikarbonat har gett en liten inverkan på extraktionsförsöken, vilket kan ses som försumbar. Högre molekylvikter av hemicellulosa har erhållits i hydrotermisk extraktion vid 150 o C. Detta visade också bättre mekaniska egenskaper hos plastfilmerna från proverna A och B, då plastfilmerna var mer töjbara, lägre E-modul och högre slagseghet. 22

22 9. Litteraturförteckning [1] Rojan P J, Anisha GS, Nampoothiri K M, Pandey A. (2010). Micro and macroalgal biomass: A renewable source for bioethanol. Bioresource Technology Vol. 102: [2] Sjöström E, Alén R. (1999). Analytical Metods in Wood Chemistry, Pulping, and Papermaking. Springer-Verlag Berlin Heidelberg [3] Stepan A M. (2013). Bioplastics from Biomass -Acetylation of Xylans with Green Chemistry. Biopolymer Technology [4] Saha B C. (2003). Hemicellilose bioconversion. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. Vol 30: [5] Höije A, Gröndahl M., Tömmeraas P. (2005). Isolation and Characterization of physiochemical and material properties of arabinoxylans from barley husk. Carbohydrate Polymers: [6] Ren J L, Sun R-C. (2010). Straw as a Resource for Sustainable Biomaterials and Biofuels: Hemicelluloses: [7] Edlund U, Ryberg Y Z, Albertsson A-C. (2010). Barrier Films from Renewable Forestry Waste. Fibre and Polymer Technology. Vol 11: [8] Da Silva A E, Marcelino H R, Gomes M C S, Oliveira E E, Nagashima Jr T, Egito E S T. (2012). Xylan, a Promising Hemicellulose for Pharmaceutical Use In. Products and Applications of Biopolymers [9] Svärd A, Brännvall E, Edlund U. (2015). Rapeseed straw as a renewable source of hemicelluloses: Extraction, characterization and film formation. Carbohydrate Polymers. Vol 133: [10] Carvalheiro F, Duarte L C, Gírio F M. (2008). Hemicellulose biorefineries: A review on biomass pretreatments. Journal of Scientific & Industrial Research. Vol 67: [11] Parajó J C, Garrote G, Cruz J M, Dominguez H. (2004). Production of xylooligo-saccharides by autohydrolysis of lignocellulosic materials. Trends in Food Science & Technology. Vol 15: [12] Willför S, Sjöholm R, Laine C, Roslund M, Hemming J, Holmbom B. (2003). Characterization of water-soluble galactoglucomannans from Norway spruce wood and thermomechanical pulp. Carbohydrate Polymers. Vol 52: [13]Potucek F, Gurung B, Hajkova K. (2014). Cellulosa Chemistry and Technology. Soda Pulping of Rapeseed Straw. Vol. 48:

23 [14]Food and Agriculture Organization of the United Nation, FAO. (2008) [15]Enayati A A, Hamzeh Y, Mirshokraie S A, Molaii M. (2009). BioResources. Papermaking of Canola Stalks. Vol. 4: [16] Hart H, Craine L E, Hart D J, Hadad C M. (2007). Organic Chemistry: A Short Course. Houghton Mifflin [17] Pauly M, Gille S, Liu L, Mansoori N, Souza A, Schultink A, Xiong G. (2013). Planta. Hemicellulose biosynthesis. Vol. 238: [18] Mansoor Z A. (2012). Xylan as Strength Enhacing Additve. Fiber and polymer Technology Department. [19] Cunha A G, Gandini A. (2010). Turning polysaccharides into hydrophobic materials: a critical review. Cellulose. Vol. 17: [20] Albertsson A-C, Edlund U. (2011). Biopolymers - New Materials for Sustainable Films and Coatings: Synthesis, Chemistry and Properties of Hemicelluloses: pp [21] Seifert G J. (2004). Nucleotide sugar interconversions and cell wall biosynthesis: How to bring the inside to the outside. Plant Biol. Vol. 7: [22] Cai Z S, Paszner L. (1988) Salt catalyzed wood bonding with hemicellulose. Holzforschung. Vol. 42: [23] Spiridon I, Popa V I. (2008). Hemicelluloses: Major Sources, Properties and Applications. Elsevier s Science & Technology: [24] Bochicchio R, Reicher F. (2003). Carbohydrate Polymers. Are hermicelluloses from Podocarpus lambertii of gymnosperms? Vol. 53: [25] Ebringerová A, Heinze T. (2000). Macromolecular Rapid Communications. Naturally occurring xylans structures, isolation procedures and properties. Vol. 21: [26] Björkman A.(1956). Studies on finely divided wood. Extraction of lignin with neutral solvents. Vol. 59: [27] Roos A A, Persson T, Holger K, Guido Z, Stålbrand H. (2008). Bioresource Technology Extraction of water-soluble hemicelluloses from barley husks. Vol. 100: [28] Sjöström E. (2013) Wood Chemistry II, Fundamentals and Applications. Wood Polysaccharides [29] Timell T. (1967). Wood Science and Technology. Recent progress in the chemistry of wood hemicelluloses. Vol.1:

24 [30] Prado H J, Matulewicz M C. (2014). Cationization of polysaccharides. A path to greener derivatives with many industrial applications. Vol. 52: [31] Krogell J. (2015). Intensification of hemicellulose hot-water extraction from spruce wood by parameter tuning [32] Anderson D, Schön M. (2006). Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectral interpretation of industrial polymer compositions [33] Atkins P, Jones L. (2010). Chemical Principles. The Quest for Insight VI. New York: 90-91, 791 [34] Clayden J, Greeves N, Warren S. (2001). Organic Chemistry. New York. Oxford University Press: 65-72, 251 [35] Kakani S L, Kakani A(2004). Material Science. Michanical Properties of Mterials and Mechanical Tests. New Delhi [36] Kompendium för kurs i teknisk polymerkemi. (2009). Teknoligateollisuuden 100- Vuotissäätiö [37] University of Colorado. Boulder. Chemistry and Biochemistry Department. (2011). [38] Nilsson B. (1994). Sveriges Lantbruksuniversitet. Kolets sammansättning och energiinnehåll i växt- och avfallsmaterial [39] Gröndahl M. (2005). Effects of molecular architecture of xylans on material properties; Thesis for the degree of doctor of philosophy, Chalmers University of Technology 25