Lignoselülozik biyokütlenin organosolv yöntemiyle fraksinasyonu: Selüloz ve lignin fraksiyonlarının valorizasyonu
Fractionation of lignocellulosic biomass via organosolv pretreatment: Valorization of cellulose and lignin fractions
Yazar: KÜBRA AL
Danışman: PROF. DR. SİBEL BAŞAKÇILARDAN KABAKCI
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Nüfusun hızla artması ve sürekli gelişen sanayi nedeniyle dünyada sürdürülebilirlik talebi hızla artmaktadır. Sürdürülebilir kaynakları yaşam döngüsüne kazandırmak, sürdürülebilirliği sağlamak adına önemli bir rol taşımaktadır. Bu kaynaklar içerisinde farklı dönüşüm yöntemleri kullanılarak yakıt, enerji, malzeme ve kimyasal madde üretimine imkân sağlayan yegâne kaynak biyokütledir. Çeşitli biyokütle türleri arasında, lignoselülozik biyokütle doğa da bol miktarda bulunması, kolayca temin edilebilir olması ve düşük maliyetli olması nedeniyle en umut verici hammaddedir. Lignoselülozik biyokütlenin yapısal bileşenlerinden maksimum fayda sağlayabilmek için lignoselülozik biyokütleye mutlaka ön işlem uygulanması gerekmektedir. Ön işlem seçiminde biyokütlenin türü, istenilen nihai ürün ve maliyeti önemlidir. Ön işlemler arasından organosolv yöntemi yüksek saflıkta lignin geri kazanılmasını sağlarken selülozda çok az bozulma meydana gelir ve çok düşük miktarda kül ortaya çıkarmaktadır. 
Organosolv işlemiyle yapılan literatürdeki çalışmalar genellikle basınçlı koşullar altında gerçekleştirilmiştir. Fakat yüksek basınçlı sistemlerin maliyeti ve yüksek basınç riski düşük kaynama noktalı çözücülerin kullanımını sınırlamaktadır. Etilen glikol (EG) ve γ-valerolakton (GVL) gibi yüksek kaynama noktasına sahip çözücüler daha hafif koşullarda, basınçlı reaktörlere ihtiyaç duyulmadan kullanılabilmektedir. Ayrıca literatürde yüksek kaynama noktasına sahip çözücülerle delignifikasyon incelense de ligninin çöktürülmesi ve geri kazanılması nadiren araştırılmıştır. EG ve GVL çözücülerinin yüksek kaynama noktasına sahip oldukları için atmosferik koşullarda çalışmaya uygundur. Ayrıca hem EG hem de GVL yeşil çözücü oldukları için sürdürülebilir ekonomiye katkı sağlayacaktır. Literatürde katalizör olarak fosforik asit (FA), asetik asit (AA) ve sodyum hidroksit (NaOH) atmosferik koşullarda hiç denenmemiştir. Bu nedenle elde edilen sonuçlar organosolv çalışmalarına, biyorafinasyon yöntemlerine ve biyoekonomiye önemli katkı sağlayacaktır. 
Bu tez üç aşamadan oluşmuştur. İlk olarak ön işlemlerden bahsedilmiştir, ikinci kısımda organosolv işlemi deneyleri hakkında bilgi verilmiştir ve deneysel bulgular tartışılmıştır, son olarak elde edilen lignin ve selülozların kullanım alanları hakkında bilgi verilmiştir. Çalışmada iki farklı lignoselülozik biyokütle olan fındık kabuğu ve ladin odun talaşı ayrı ayrı olarak farklı şartlarda organosolv ön işlemiyle incelenmiştir. Elde edilen ligninler ve selülozca zengin küspenin analizleri yapılmıştır ve elde edilen bulgular tartışılmıştır. Hem fındık kabuğu hem de ladin odun talaşında delignifikasyon verimi en yüksek EG-FA çözücü-katalizör sistemi olmuştur. AA sistemi FA ve NaOH katalizörleriyle karşılaştırıldığında etkin bir katalizör olmadığı görülmüştür. GVL ile yapılan işlemde delignifikasyon verimi fındık kabuğunda (<%26) ve ladin talaşında (%39) olduğu görülmüştür ve fındık kabuğunda GVLAA çözücü-katalizör sisteminde lignin çöktürülememiştir. EG ve GVL çözücüsü farklı koşullarda kullanılmasıyla etkin bir çözücü olarak umut vadetmektedir.

Abstract:
The demand for sustainability is rapidly increasing in the world due to the rapid increase in population and constantly developing industry. Incorporating sustainable resources into the life cycle plays an important role in ensuring sustainability. Among these resources, biomass is the only resource that allows the production of fuel, energy, materials, and chemicals by using different conversion methods. Among various types of biomasses, lignocellulosic biomass is the most promising raw material because it is abundant in nature, easily available and low cost. In order to obtain maximum benefit from the structural components of lignocellulosic biomass, pre-treatment must be applied to lignocellulosic biomass. The type of biomass, the desired final product and its cost are important in the selection of pretreatment. Among the pre-treatments, the organosolv method provides the recovery of high purity lignin, minimal degradation of cellulose and a very low amount of ash.
Studies on the organosolv process in the literature were generally carried out under pressurized conditions. However, the cost of high-pressure systems and the risk of high pressure limit the use of low-boiling point solvents. Solvents with high boiling points, such as ethylene glycol (EG) and γ-valerolactone (GVL), can be used under milder conditions without the need for pressurized reactors. Additionally, although delignification with high-boiling point solvents has been studied in the literature, the precipitation and recovery of lignin has rarely been investigated. Since EG and GVL solvents have high boiling points, they are suitable for operation in atmospheric conditions. Additionally, since both EG and GVL are green solvents, they will contribute to a sustainable economy. In the literature, phosphoric acid (FA), acetic acid (AA) and sodium hydroxide (NaOH) as catalysts have never been tested under atmospheric conditions. Therefore, the results obtained will make a significant contribution to organosolv studies, biorefining methods and bioeconomy.
This thesis consists of three stages. Firstly, pre-treatments are mentioned, in the second part, information about organosolv process experiments is given and experimental findings are discussed, and finally, information is given about the usage areas of the lignin and celluloses obtained. In the study, two different lignocellulosic biomass, hazelnut shells and spruce wood sawdust, were examined separately under different conditions with organosolv pretreatment. The obtained lignin and cellulose-rich bagasse were analyzed and the findings were discussed. The EG-FA solvent-catalyst system had the highest delignification efficiency in both hazelnut shells and spruce wood sawdust. It was observed that the AA system was not an effective catalyst when compared to FA and NaOH catalysts. In the process performed with GVL, delignification efficiency was observed to be in hazelnut shells (<26%) and spruce sawdust (~39%), and lignin could not be precipitated in hazelnut shells in the GVLAA solvent-catalyst system. EG and GVL solvents are promising as an effective solvent when used under different conditions.