L'objectif de la thèse est d'étudier la transformation de la fraction cellulosique de la biomasse en acide lévulinique. Cet acide est une molécule plateforme permettant un accès à de multiples produits, tels que des solvants, des monomères ou encore des molécules à plus forte valeur ajoutée.Nous proposons d'étudier la transformation de la cellulose en acide lévulinique catalysée par des solutions aqueuses concentrées en acides de Brønsted. La forte acidité de ces milieux et leur capacité à rompre les liaisons hydrogène de la cellulose rendent possible des réactions à température modérée (80°C), ce qui laisse espérer la production sélective d'acide lévulinique.L'état de l'art concernant la production d'acide lévulinique à partir de glucose ou de cellulose est d’abord présenté, ainsi qu’une étude bibliographique sur les techniques permettant la mesure d’acidité de milieux concentrés.La caractérisation de l’acidité des milieux semblant être un point clé pour contrôler la réaction, la seconde partie concernera les mesures d’acidité des milieux concentrés utilisés. La méthodologie expérimentale pour identifier et quantifier les produits de réaction de la cellulose ainsi que les paramètres critiques qui la régissent sont ensuite détaillés.Enfin l’étude s’achèvera par deux chapitres traitant de la transformation du glucose ou la cellulose en acide lévulinique dans des milieux comportant une forte acidité de Brønsted combinée, ou non, avec des sels métalliques. La transformation du glucose conduit à des sélectivités en acide lévulinique de 50 mol% dans l’acide sulfurique 65 % et supérieures à 70 mol% dans l'acide sulfurique 48 % en présence de chlorure d'aluminium hydraté. La transformation de la cellulose conduit à des sélectivités en acide lévulinique d'environ 43 mol% dans les milieux acides de Brønsted concentrés et 60 mol% lorsque des sels métalliques sont ajoutés. De telles sélectivités en acide lévulinique n'ont jamais été décrites dans les milieux concentrés. / The thesis presented in this document aims at converting lignocellulosic biomass into levulinic acid. This target is a valuable building block which can lead to various products.This platform intermediate can be obtained by acid-catalyzed conversion of cellulose contained in raw biomass. However, the state of the art concerning this acid-catalyzed reaction revealed that the current conditions (diluted acids in harsh temperature conditions) result in numerous by-products formation. The selectivity issue often deals with process control, in particular with reaction time optimization.Our approach lies in using concentrated Brønsted acids as alternative media to catalyze cellulose conversion. Indeed, the high acidity level allow the interaction with hydrogen bonds in cellulose fibrils and favor cellulose decristallization. This property should promote the transformation of cellulose into levulinic acid at lower temperature thus limiting the formation of by-products. Therefore, acidity measurements in such media have been developed and performed. An extensive study on glucose and Avicel cellulose conversion in concentrated aqueous solutions of sulfuric acid was performed at 80°C. Levulinic acid yields, up to 50 mol%, were determined by HPLC analysis and a special attention was dedicated to the identification and quantification of soluble or insoluble by-products, allowing the characterization of new species never described in aqueous solutions. Referring to the acidity levels previously determined, a comparison between acidity and catalytic results will be setted.Finally, the effect of metallic chloride addition on the transformation of glucose and cellulose in sulphuric acid solutions has been investigated, revealing improvements yielding up to 70 mol% levulinic acid. This range of selectivity is unprecedented at such a low temperature.

Cirkulär ekonomi bygger på principerna om att designa bort avfall, där avfall ses som en råvaruresurs. För att övergå till ett fossilfritt samhälle kommer material från förnyelsebara råvaror att behövas. Biobaserade material har oftast inte samma tekniska egenskaper och estetiska uttryck som befintliga material, biobaserade DIY-material utvecklade från okonventionell råvaruresurs kan väcka starka positiva och negativa reaktioner hos användarna. Studien har undersökt hur man i en Material driven designprocess genom form och kultur kan skapa acceptans för ett biobaserat DIY material från en okonventionell råvaruresurs. Studiens huvudsyfte har varit att bidra med ny kunskap för att underlätta för designers i en Material Driven Designprocess, att identifiera användningsområden och produktform som kan stärka materialacceptans hos användare. Fördjupningsområden i studien är teorier för Hållbar utveckling, Cirkulär ekonomi, Bioekonomi, Material Driven Design for Sustainability och Culture Sensitive Design. Huvudmetoden i studien har varit Material Driven design, vilket innefattas av ett flertal designmetoder. Studien visar på att den kulturella koppling mellan användarna och råvarans ursprung har i denna studie haft en signifikant betydelse för material acceptansen genom att skapa mening för användaren och att materialet primärt behöver applicerat i en produkt på ett sådant sätt att användaren känner tillit till dess prestanda. Resultatet presenteras i form av ett förslag på en användare studie och en produktprototyp. / A circular economy is based on the principles of designing away waste, where waste is seen as a raw material resource. To move to a fossil-free society, materials from renewable raw materials will be needed. Bio-based materials usually do not have the same technical characteristics and aesthetic expressions as existing materials, bio-based DIY materials developed from unconventional raw material resources can provoke strong positive and negative reactions among users. This study has investigated how a Material-driven design process through form and culture can create acceptance for a bio-based DIY material from an unconventional raw material resource. The study's main purpose has been to contribute with new knowledge to make it easier for designers in a Material Driven Design process to identify uses and product forms that can strengthen material acceptance among users. In-depth areas in the study are theories for Sustainable Development, Circular Economy, Bioeconomy, Material Driven Design for Sustainability and Culture Sensitive Design. The main method of the study has been Material Driven Design, which is covered by several design methods. The study shows that the cultural link between the users and the origin of the raw material has had a significant impact on material acceptance by creating meaning for the user and that the material primarily needs to be applied in a product in such a way that the user has confidence in its performance. The results are presented in the form of a proposal for a user study and a product concept.

Cellulosananofibriller (CNFs) hör till naturens mest fundamentala byggstenar och förser naturliga material, såsom den yttre cellväggen i trä, med en otrolig styrka och styvhet. Genom att imitera träets arkitektur öppnas möjligheter upp för tillverkning av nya, biobaserade och lättviktiga strukturella material med mekaniska egenskaper som överskrider de för glasfiber, metaller och legeringar. Den ingenjörsmässiga utmaningen ligger i att framgångsrikt lyckas överföra de önskade mekaniska egenskaperna hos CNFs till filament som kan användas i material för dagligt bruk. Vid flödesfokuserad spinning av extraherade CNFs påverkar många parametrar den slutgiltiga funktionaliteten och kvaliteten hos de resulterande filamenten. För att optimera dessa processparametrar är mätning av de spunna filamentens dimensioner ett viktigt moment. Av särskilt intresse är filamentbredden, eftersom den är avgörande för de mekaniska egenskaperna. Karakterisering av filamentbredden är i dagsläget en mycket tidskrävande process där varje filament mäts manuellt i optiskt mikroskop. Det huvudsakliga målet med detta projekt är att effektivisera den nuvarande mätprocessen med avseende på både hastighet och noggrannhet med hjälp av laserspridning. I denna rapport visar vi på minst en halvering av nuvarande mättid vid användandet av en 3D-printad laseruppställning istället för ett optiskt mikroskop vid mätning av filamentbredd. Våra resultat indikerar att mätsäkerheten generellt är högre för lasermetoden jämfört med mikroskopin. Genomsnittliga standardavvikelser för mätvärden på tunnaste bredden från mikroskopi samt de två olika kurvanpassningsmetoderna vid lasermätning rapporteras vara 1.62, 0.85 (Curve fit) respektive 1.59 (Minima matching). Standardavvikelserna för tunnaste bredd korrelerar dock inte direkt mot metodernas noggrannhet eftersom de spunna filamenten uppvisar en stor variation i bredd längs med längden. En närmare jämförelse mellan mätvärden för matchade punkter på ideala och defekta filament demonstrerar att icke-uniforma och defekta filament påverkar mätnoggrannheten för laserspridningen negativt. Sammantaget stödjer våra resultat det faktum att ett tunnare filament resulterar i bättre upplösning och mindre mätfel vid mätning med laserspridning. Våra resultat visar på den stora potentialen för laserspridning som en mer effektiv mätmetod vid karakterisering av cellulosafilamentbredd. / Cellulose nanofibrils (CNFs) are one of nature’s most fundamental building blocks, providing incredible strength and stiffness to natural materials, such as the outer cell wall layer in wood. By mimicking the architecture of wood, possibilities opens up for the fabrication of new, biobased, light-weight structural materials with mechanical properties exceeding that of glassfibers, metals and alloys. However, the engineering challenge lies in successfully managing to translate the desirable mechanical properties of the CNFs into filaments that can be used in everyday life materials. Throughout the process of spinning the extracted CNFs into filaments, many factors and parameters affect the ultimate functionality and performance of the resulting filaments. Measuring the dimensions of the spun filaments is a crucial step in further optimizing process parameters. The width of the filament especially, impacts its mechanical performance. The characterization of the cellulose filament width is currently very time-consuming as each filament is manually measured using optical microscopy. The primary goal of this project is to make the current characterization process more effective, with respect to both accuracy and speed of measurement, by using laser scattering. In this report, we demonstrate a reduction by more than a half in measurement time using a 3D-printed laser scattering setup instead of an optical microscope when measuring filament width. Our results indicate that the certainty in measurement is generally higher for lase rscattering compared to optical microscopy. The mean standard deviations (SD) for the smallest widths estimated with optical microscopy and the two curve fitting methods used for the laser measurements are reported to be 1.62, 0.85 (Curve fit) and 1.59 (Minima matching) respectively. However, standard deviations for the thinnest width does not correlate directly to the accuracy of the methods since the spun filaments show a large variation in width along the length. A closer comparison between measurement values for matched points at ideal and non-uniform filaments demonstrate that the accuracy of the laser measurements are dependent on the uniformity of the filaments, with non-uniform filaments negatively impacting the accuracy. Our overall results supports the fact that a thinner filament gives a better resolution and smaller error when measuring with laser. Our results provide evidence for the great potential of laser scattering as a more efficient method for cellulose filament width determination.

No description available.

Zahlreiche Hoffnungen sind mit einer auf Pflanzen basierenden Wirtschaft, einer Bioökonomie, verbunden. Ob deren Weiterentwicklung den Zustand der Umwelt und die Wohlfahrt eines Landes verbessern kann, bleibt jedoch fraglich. Sich im Aufbau befindliche Bioökonomie-Monitoring-Systeme haben die Aufgabe, Informationen über Zielkonflikte zu liefern und somit eine erkenntnisgestützte Politikgestaltung zu ermöglichen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, Erkenntnisse für die Weiterentwicklung solcher Systeme zu gewinnen. Bisher entwickelte Bioökonomie-Indikatoren sind ungeeignet, den Übergang von einer fossil-basierten zu einer bio-basierten Wirtschaft korrekt abzubilden. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb entsprechende Indikatoren entwickelt und am Beispiel der Biokunststoffproduktion in Deutschland gemessen. Damit leiste ich einen Beitrag zur systematischen Indikatorenentwicklung, zur Charakterisierung einer bestimmten Bioökonomie-Transformation und zur quantitativen Modellierung der Indikatoren. Zukünftige Bioökonomie-Monitoring-Systeme könnten davon profitieren, wenn die Indikatorenentwicklung noch stärker als Prozess verstanden wird, der eine Auseinandersetzung mit den Zielen und deren Messbarkeit umfasst, sich so lange wiederholt bis zufriedenstellende Indikatoren verfügbar sind und die wichtigsten Akteure einbezieht. Zudem ist ein stärkerer Fokus auf nachhaltige Bioökonomie-Transformationen erforderlich, die sich an einem kreislauf- und suffizienzbasierten Wirtschaften orientieren und den Substitutionsbegriff weiter fassen als bisher. Das hier entwickelte Biokunststoff-Modell könnte in Monitoring-Systeme integriert werden, wenn es um Kohlenstoffflüsse und Post-Produktionsprozesse ergänzt wird. Forschungsbedarf besteht beim Aufbau eines auf gesellschaftliche Bedürfnisse fokussierten Monitoring-Systems und bei der Wirksamkeit von Monitoring-Systemen in der politischen Entscheidungsfindung. / The relationship between bioeconomy transitions and sustainable development is not straightforward. For policymakers it is often difficult to keep track of bioeconomy developments and formulate appropriate bioeconomy-related policies that are also conducive towards sustainable development. Consequently, bioeconomy monitoring systems have recently been initiated to provide more reliable sources of information. There is a clear mismatch between the vision of a transition from fossil-based to bio-based economies and available indicators. I aim here to enhance current bioeconomy monitoring systems by developing and applying a set of appropriate indicators and providing insight into three key issues: 1) how indicators can be systematically developed, 2) what dimensions of an economy need to receive attention while monitoring transition from a fossil-based to a bio-based one, and 3) what kinds of quantitative models are suitable for this purpose. This study shows that it is possible to quantify the bioeconomy transition and measure it with systematically developed indicators, applied to plastics substitution. I conclude that, 1) developing bioeconomy indicators should be a process that is goal-oriented, iterative, and inclusive, 2) bioeconomy transition indicators need to exhibit advancement in the circular use of biomass and in sufficient consumption behavior, and 3) the model developed here can be integrated into bioeconomy monitoring systems but requires advances regarding carbon flows and post-production processes. Developers of bioeconomy monitoring systems should develop new indicators through stronger involvement of carefully selected stakeholders. Policymakers need to participate more actively in designing such systems and provide greater and more stable funding. Research could explore sectoral strategies to reduce environmental impacts while fulfilling societal needs, design related indicator sets, and assess their relevance for political decision-making.