Strategies and process development for particle formation from aquasolv lignin and innovative applications into consumer goods
Creators: name: Gil Chavez, Gilda
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2022
Subjects: classificationCode: 500
subject: Naturwissenschaften
classificationCode: 570
subject: Biowissenschaften, Biologie
classificationCode: 660
subject: Technische Chemie

description: Aquasolv-Lignin ist ein hochmolekulares Biopolymer, welches nach der Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse mit flüssigem Heißwasser (LHW) unter erhöhtem Druck und anschließender enzymatischer Hydrolyse gewonnen wird. Da Lignin lösungsmittelfrei ist und aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnen wird, kann es für hochwertige Produkte verwendet werden, wie z. B. in der Kosmetik-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Das derzeitige Verfahren führt jedoch zu einem heterogenen Material und ermöglicht keine Kontrolle über Merkmale wie Partikelgröße und -morphologie, die aufgrund ihres direkten Einflusses auf das biologische Verhalten und die technischen Eigenschaften wichtig sind, z. B. die Bioverfügbarkeit, Fließfähigkeit und Löslichkeit in pharmazeutischen Hilfsstoffen. Die Auswahl einer geeigneten Methode zur Gewinnung von Partikeln mit kontrollierter mittlerer Größe scheint für die weitere Produktentwicklung und -formulierung entscheidend zu sein. In diesem Zusammenhang wurde eine ganze Prozesslinie von roher Biomasse zu Ligninpulvern für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie entwickelt. In der vorliegenden Arbeit lag der Schwerpunkt auf der Anpassung der Endqualität des Ligninproduktes in Bezug auf die Partikelgröße und den Wassergehalt durch den Einsatz der Sprühtrocknungstechnologie. Es wurde ein dreifaktorieller zentraler Rotationsplan verwendet; als unabhängige Variablen für die Versuchsreihe wurden die Einlasstemperatur, der Düsendruck und die Zufuhrrate ausgewählt. Die Auswirkungen dieser Faktoren und ihre Wechselwirkung wurden untersucht und zur Modellierung der Partikelbildung und der Eigenschaften von Lignin verwendet. Eine umfassende Bewertung der bioaktiven Eigenschaften und der Zytotoxizität der erhaltenen AS-Ligninpartikel wurde in vitro vorgenommen, und zum ersten Mal wurde die nicht zytotoxische und hypocholesterinämische Wirkung von AS-Lignin in vivo in einem Rattenmodell nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Grundlage für die weitere Validierung von Lignin aus Bioraffinerien der zweiten Generation und die Verwendung des Materials in wertvollen Produktformulierungen unter Anwendung der Prinzipien des Partikeldesigns.
description: Aquasolv lignin is a high-molecular weight biopolymer obtained after the pre-treatment of lignocellulosic biomass with liquid hot water (LHW) under elevated pressure followed by enzymatic hydrolysis. Due to its free-of-solvent nature and vegetal primary source, lignin applicability opens to high value products as the case for cosmetic, food and pharmaceutical industries. However, current process yields a heterogeneous material and does not control characteristics such as particle size and morphology, such features being important due to their direct impact in biological behaviour and technical properties; for instance, bioavailability, flowability and solubility in pharmaceutical excipients. The selection of an appropriate method to obtain particles with controlled mean size appears crucial to further product development and formulation. In this regard; a whole process line from crude biomass to lignin powders for the food and pharmaceutical industries has been developed. In the present study, the focus was to tailor the final quality of the lignin in terms of particle size and water content by using spray drying technology. A three-factor central composite rotatory design was used, and the independent variables selected for the set of experiments were inlet temperature, nozzle pressure and feeding rate. The effect of these factors and their interaction was studied and used to model the particle formation and properties of lignin. A thorough evaluation of the bioactive properties and cytototoxicity of the obtained AS lignin particles was assessed in vitro, and for the first time, the non cytotoxicity and hypocholesterolemic effect of AS lignin was demonstrated in vivo in a rat model. The results of this thesis are the basis for further valorizing lignin from second generation biorefineries and apply the material into valuable product formulation by using the principles of particle engineering design.