Abstract

Forest-based sectors such as sawmills and pulp and paper play an important role in Finnish industry. Lignocellulosic side stream fractions from these activities, such as wood sawdust and lignin, are primarily used for energy. However, these fractions could be used more efficiently in biorefinery concepts like the production of value-added bio-based materials and chemicals instead of energy production. In biorefinery concepts, catalysis is an important tool for creating more sustainable processes. Efforts to develop novel catalytic systems for biomass valorization to obtain platform chemicals from biomass feedstock are worth pursuing. In catalytic applications, novel bio-based activated carbon catalysts could be used to replace the non-renewable catalytic materials currently used.

In this thesis, the application of lignocellulose-based side stream materials as a raw material for activated carbon catalysts and their use in catalytic applications are studied, and the physical and chemical characteristics of the activated carbon catalysts prepared using various methods are examined. Catalysts prepared for catalytic conversion reactions to produce value-added chemicals for biorefinery applications are investigated: specifically, the conversion of the biomass-based molecules furfural and glucose into 2-methylfuran, 5-hydroxymethylfurfural, lactic acid and its ester, ethyl lactate. This research provides new insights into the preparation of lignocellulose-based activated carbon catalysts and their suitability for catalytic conversion reactions to produce important value-added chemicals for industrial applications. The present study found that lignocellulosic side stream materials can be used in preparing high-quality activated carbon catalysts or supported catalysts. Prepared carbon-based catalysts showed promising results in the conversion reactions studied, indicating that tailored catalyst supports for specific applications are needed.

Tiivistelmä

Suomessa metsä- ja sahateollisuus sekä paperi- ja selluteollisuus ovat keskeisiä teollisen tuotannon toimialoja. Tuotannossa syntyvät arvokkaat sivuvirrat, kuten sahanpuru- sekä ligniinifraktiot hyödynnetään tänä päivänä suurelta osin energiantuotannossa polttamalla. Nämä arvokkaat sivuvirrat voidaan hyödyntää energiatuotannon sijaan biojalostamokonsepteissa korkeamman lisäarvon tuotteiksi, kuten uusiksi biomassapohjaisiksi biomateriaaleiksi ja -kemikaaleiksi. Biojalostamokonsepteissa katalyyttiset menetelmät ovat tärkeässä roolissa mahdollistaen energiatehokkaammat prosessit. Uusien katalyyttisten menetelmien kehittäminen biomassan konvertoimiseksi biokemikaaleiksi ja -materiaaleiksi on tavoiteltavaa. Biopohjaisilla aktiivihiilikatalyyteillä voidaan myös korvata nykyisiä ei-uusiutuvia katalyyttejä.

Tässä väitöskirjatutkimuksessa on tutkittu lignoselluloosapohjaisten sivuvirtamateriaalien soveltuvuutta aktiivihiilipohjaisten katalyyttimateriaalien valmistukseen sekä näiden katalyyttien käyttöä sovelluksissa. Aktiivihiilten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien vaikutusta katalyyttimateriaaleihin ja sovelluksiin on tutkittu. Valmistettujen katalyyttien soveltuvuutta konversioreaktioissa korkean lisäarvon tuotteiksi biojalostamosovelluksiin on tutkittu: erityisesti biomassapohjaisten molekyylien kuten furfuraalin ja glukoosin konversiota 2-metyylifuraaniksi, 5-hydroksimetyylifurfuraaliksi, maitohapoksi sekä maitohapon esteriksi etyylilaktaatiksi. Tutkimus tuo uutta tietoa lignoselluloosapohjaisten sivuvirtamateriaalien hyödyntämisestä ja soveltuvuudesta biopohjaisten aktiivihiilikatalyyttien valmistuksessa sekä käytöstä katalyyttisissä sovelluksissa korkean lisäarvon kemikaalien tuotannossa. Tutkimuksessa havaittiin, että lignoselluloosapohjaisia sivuvirtoja voidaan hyödyntää korkealaatuisten aktiivihiilikatalyyttimateriaalien valmistuksessa. Valmistetut hiilipohjaiset katalyytit osoittivat potentiaalia tutkituissa sovelluksissa ja tutkimus viittasi siihen, että hiilipohjaiset katalyyttitukiaineet tulee räätälöidä eri sovelluksiin.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Lahti, R., Bergna, D., Romar, H., Hu, T., Comazzi, A., Pirola, C., Bianchi, C. L., & Lassi, U. (2017). Characterization of cobalt catalysts on biomass-derived carbon supports. Topics in Catalysis, 60(17–18), 1415–1428. https://doi.org/10.1007/s11244-017-0823-z

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Mäkelä, E., Lahti, R., Jaatinen, S., Romar, H., Hu, T., Puurunen, R. L., Lassi, U., & Karinen, R. (2018). Study of Ni, Pt, and Ru catalysts on wood-based activated carbon supports and their activity in furfural conversion to 2-methylfuran. ChemCatChem, 10(15), 3269–3283. https://doi.org/10.1002/cctc.201800263

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Rusanen, A., Lahti, R., Lappalainen, K., Kärkkäinen, J., Hu, T., Romar, H., & Lassi, U. (2020). Catalytic conversion of glucose to 5-hydroxymethylfurfural over biomass-based activated carbon catalyst. Catalysis Today, 357, 94–101. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2019.02.040

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Kupila, R., Lappalainen, K., Hu, T., Romar, H., & Lassi, U. (2021). Lignin-based activated carbon-supported metal oxide catalysts in lactic acid production from glucose. Applied Catalysis A: General, 612, 118011. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2021.118011

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Kupila, R., Lappalainen, K., Hu, T., Heponiemi, A., Bergna, D., & Lassi, U. (2021). Production of ethyl lactate by activated carbon-supported Sn and Zn oxide catalysts utilizing lignocellulosic side streams. Applied Catalysis A: General, 624, 118327. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2021.118327

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version