Väitös, biotuotetekniikka, DI Saija Rantanen

Väitöskirjan nimi: Cellulose reactivity: Assessment and applications

Väittelijä: Saija Rantanen 
Vastaväittäjä: Prof. Monica Ek, KTH Royal Institute of Technology, Ruotsi
Kustos: Prof. Tapani Vuorinen, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu

Nykyisin tuotteita valmistetaan enemmän kuin koskaan aiemmin. Samalla syntyvän jätteen määrä sekä rajallisten fossiilisten luonnonvarojen käytön vaikutukset herättävät huolta. Tarvitaan resurssitehokkaita prosesseja, jotka perustuvat kestävän kehityksen mukaisiin raaka-aineisiin ja vähentävät jätteen syntyä. Selluloosa tarjoaa uusiutuvan, kierrätettävän, bioyhteensopivan, myrkyttömän ja runsaasti saatavilla olevan vaihtoehdon fossiilisille raaka-aineille. Selluloosapohjaisten lisäarvotuotteiden valmistus edellyttää kuitenkin yleensä selluloosan kemiallista tai entsymaattista muokkausta tai liuotusta. Siksi selluloosan tehokkaaseen hyödyntämiseen tarvitaan parempaa ymmärrystä sen saavutettavuudesta ja reaktiivisuudesta. Lisäksi sen vaikeasti muokattavan luonteen vuoksi tarvitaan usein esikäsittelyä saavutettavuuden ja reaktiivisuuden parantamiseksi.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten selluloosan rakenne ja esikäsittelyt vaikuttavat sen saavutettavuuteen, reaktiivisuuteen ja liukenemiseen. Ensiksi kehitettiin DVS (dynamic vapour sorption) -prosessiin ja deuteriumvaihtoon perustuva menetelmä selluloosan saavutettavuuden arvioimiseksi kvantitatiivisesti. Selluloosan saavutettavuuden havaittiin korreloivan selluloosan kiteisyyden ja massan huokoisuuden, hemiselluloosapitoisuuden, ja prosessointihistorian kanssa.

Toiseksi väitöskirjassa tarkastellaan selluloosan liukenemista NaOH/ZnO-vesiliuoksessa. Liukenemisen havaittiin lisäävän selluloosan reaktiivisuutta huomattavasti, mikä osoittaa selluloosan reaktiivisten kohtien olevan saavutettavissa molekyylitasolla. Lisäksi osoitettiin, että NaOH/ZnO-vesiliuokseen liuennut selluloosa ei ole enää rakenteeltaan kiteinen, vaikka selluloosaketjut pysyvätkin rakenteellisesti rajoittuneessa muodossa. Näiden tulosten perusteella ehdotetaan metastabiilin selluloosa–sinkkikompleksin muodostumista, mikä tarjoaa uutta tietoa ZnO:n roolista selluloosan liukenemisessa.

Kolmanneksi tutkitaan hydrotermisten esikäsittelyjen vaikutusta massan reaktiivisuuteen ja liukenemiseen NaOH/ZnO-vesiliuoksessa. Keskisakeuskäsittelyt (10 %) paransivat liukenemista, kun taas korkean sakeuden käsittelyt (50 %) ankarammissa olosuhteissa johtivat kuitujen sarveistumiseen ja heikompaan liukenemiseen. Rajaviskositeetilla oli suuri vaikutus massan liukenemiseen. Kuidut alkoivat liueta, kun niiden polymeroitumisaste laski alle noin 550:n, mikä viittaa siihen, että selluloosaketjujen on oltava riittävän lyhyitä irrotakseen fibrillirakenteesta ja liuetakseen.

Kokonaisuutena väitöskirjan tulokset tuovat lisätietoa siihen, miten selluloosan rakenne ja esikäsittelyt vaikuttavat selluloosan saavutettavuuteen, reaktiivisuuteen ja liukenemiseen, ja tukevat näin selluloosan tehokkaampaa hyödyntämistä kestävän kehityksen mukaisena raaka-aineena.

Avainsanat: Massan esikäsittely, massan liuotus, reaktiivisuus, saavutettavuus, selluloosa

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.

Yhteystiedot: 
saija.rantanen@aalto.fi 
https://www.linkedin.com/in/saija-rantanen-34998196/