Förbehandling av lignocellulosa genom ångexplosion är en förbehandling av biomassa som förändrar strukturen i fibrernas cellväggar. Vid förbehandlingen värms biomassa med mättad ånga under tryck till minst 140 ˚C, detta leder till att flyktiga ämnen avgår från biomassan. När den uppvärmda biomassan är färdigbehandlad utsätts den för en kraftig trycksänkning vilket leder till att fukten i biomassan övergår till ånga och bidrar till ökad porositet, minskad materialstorlek och förändrad struktur i cellväggarna. Genom kartläggning av ett befintligt kokkärl på SCA R&D Centre och litteraturstudier inom området utforskas möjligheten att bygga om kokkärlet till ångexplosionsreaktor för laborativt bruk. Ett utformningsförslag togs fram varpå en termodynamisk modell över reaktionen skapades i Excel med hjälp av makrot Xsteam. Dimensionering av blåstank till förslaget gjordes baserat på ångexplosion av två kg tallflis med två fukthalter, 40 och 60%. Resultaten visar att en ombyggnation är möjlig, ångpannan begränsar dock ångtrycket till 10 bar. Vid behandling av två kg tallflis med en fukthalt om 40 respektive 60% dimensionerades anläggningens blåstank till 376 respektive 493 liter. Den nya reaktorn designades som skild från atmosfären. En sådan reaktor möjliggör framtida analys av bland annat flyktiga ämnen vilket kan bidra till effektivare tillvaratagande av restströmmar. / Pretreatment of lignocellulose by steam explosion is an energy efficient method that alters the structure of the fiber cell walls. Biomass is heated with pressurized saturated steam during the pretreatment to at least 140˚C, causing the release of volatile substances. Once the heated biomass is treated to desired severity, it undergoes a significant pressure reduction, causing the moisture in the biomass to turn into steam and contribute to increased porosity, reduced particle size and altered structure in the fiber cell walls. By examining an existing digester at the SCA R&D Centre and conducting literature studies in the field, the possibility of converting the digester into a steam explosion reactor for laboratory use is explored. A design proposal was developed, upon which a thermodynamic model of the reaction was created in Excel using the Xsteam macro. Dimensioning of the blow tank for the proposal was based on steam explosion of two kg pine chips with two moisture levels, 40% and 60%. The results indicate that such a conversion is possible, however, the steam pressure is limited to 10 bar overpressure due to the existing steam boiler. When treating two kg of pine chips with moisture content of 40% and 60% respectively, the sizing of the blow tank for the facility was determined to be 376 liters and 493 liters respectively. The new reactor was designed to be isolated from the atmosphere, enabling future analysis of volatile substances, which can contribute to a more efficient utilization of residual streams.

Syftet med detta examensarbete var att utveckla ett hållbart ersättningsmaterial till akrylnitrilbutadienstyren plast (ABS), genom att applicera principerna för grön kemi och teknik. ABS är en icke-nedbrytbar plast som till exempel används i slagtåliga produkter för hyttinteriörer. Att utveckla ett nytt material baserat på en kravspecifikation med en specifik produkt i åtanke är av stor betydelse då en initial teoretiska utvärdering kan ge resultat som driver ytterligare innovation och säkerställer en god överensstämmelse med förväntningarna på produkten. Baserat på den genomförda litteraturutvärderingen och kravspecifikationen för produkten valdes polylaktid (PLA) som matrismaterial och blandades med nanofibrer av lignocellulosa (LCNF) och naturgummi (NR), där maleinsyraanhydrid (MA) användes som kompatibilisator. Denna modifieringsstrategi syftade till att förbättra PLAs styrka och minska dess sprödhet. Flera olika parametrar undersöktes, vilka inkluderar olika torkningsmetoder för LCNF:en och olika metoder för MA tillsats före bearbetningen av blandningen. Termisk analys av blandningarna visade att tillsatsen av LCHF och NR inte påverkar nedbrytningstemperaturen för PLA-matrisen i någon större utsträckning, men att kristalliniteten påverkades av dem och de olika behandlingsmetoderna. Styvheten hos de PLA-baserade materialen var likvärdig ABS, medan elasticitet var generellt likvärdig PLA och där tillsatsen av naturgummi förbättrade materialens deformationskapacitet. SEM bilder indikerade att de tre komponenterna var kompatibiliserade, då fibrösa strukturer och sammanflätade nätverk av LCNF och NR i PLA-matrisen kunde observeras. SEM bilderna visade också att NR agglomererade då stora agglomerat och porösa strukturer uppstod, vilket understryker vikten av att optimera framtida blandningsstrategier. En livscykelbedömning (LCA), enligt en vagga-till-graven metod, förväntas visa lägre koldioxidutsläpp för det föreslagna alternativet jämfört med ABS tack vare tillämpningen av principerna för grön kemi vid produktutformningen. Detta bekräftar den ursprungliga hypotesen om en ökad miljövänligheten hos PLA-baserade ersättningsmaterial jämfört med ABS. / This thesis aims to develop sustainable replacement for Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) in high-impact applications within construction equipment’s Cab interior. Adhering to the principles of Green Chemistry and Engineering, the study focused on developing and accessing an environmentally friendly substitute for ABS, a commonly used non-biodegradable plastic. Investigating novel materials with a tailored requirements list is vital in materials science and engineering. Theoretical approaches can yield results which drive further innovation, ensuring comprehensive alignment with application expectations through a holistic approach to address critical factors. Following this guideline, the chosen alternative was Polylactide (PLA), fortified with a blend of lignocellulose nanofibers (LCNFs) and natural rubber (NR) at a 10 wt.% concentration, with the addition of Maleic Anhydride (MA) as a compatibilizer. This modification strategy aimed to enhance PLA's strength and reduce its brittleness. The investigation encompassed various parameters, including different LCNF drying methods and variations in additive treatment before melt-mixing with PLA. The outcomes from thermal analysis indicated that the inclusion of reinforcements does not significantly affect the degradation temperature of the PLA matrix. Crystallinity, on the other hand, was found to be influenced by the presence of lignocellulose reinforcements and natural rubber, with intriguing nuances emerging from the interplay of these components and different treatment methods. PLA-based alternatives performed similarly to low grade ABS and had similar stiffness levels. In terms of elasticity, most materials behaved similarly to neat PLA, but the addition of natural rubber enhanced their deformation capacity. Successful compatibilization between lignocellulose reinforcements, natural rubber, and PLA was assumed from the observed fibrous structures and interwoven networks within the PLA matrix. Additionally, the presence of aggregates and porous structures highlighted the challenges posed by rubber agglomeration. Finally, the observation of larger agglomerates beyond typical interphase sizes raised concerns about brittle behavior, emphasizing the need for optimizing blend toughening strategies. The input for a Life Cycle Assessment (LCA), following a cradle-to-gate approach, is anticipated to show lower carbon emissions for the proposed alternative in comparison to ABS due to the principles of Green Engineering applied in the product design, denoting the environmental viability of the PLA-based substitute.

När befolkningsmängden ökar och teknisk och ekonomisk utveckling sker så påverkas även energianvändningen. Detta ställer krav på att energitillförseln är säker, stabil och hållbar. I dag är det fossila bränslen som dominerar globalt sett vilket får konsekvenser för den miljö vi lever i, och dessutom är det en ändlig, ohållbar resurs. Därför behöver dessa ersättas av hållbara alternativa energikällor, vilket också är centralt för miljömål i både Sverige och i den Europeiska Unionen. Förhoppningar finns om att processer som omvandlar lignocellulosa till fasta, flytande och gasformiga drivmedel och bränslen kan bidra till omställningen från fossilt till förnybart. I detta examensarbete som utförts i samarbete med KTH och IVL Svenska Miljöinstitutet har främst en av dessa omvandlingsprocesser undersökts närmare – pyrolys. Pyrolys är en termisk process som omvandlar lignocellulosa under temperaturer mellan cirka 300-650 °C under syrefria förhållanden. Tre faser kan erhållas. En gasfas som kan kondenseras till pyrolysolja, en fast fas som benämns biokol eller kol (beroende på slutanvändning) och en okondenserbar gasfas. Utbytet av produkter och kvalitet på dessa styrs främst av: typ av råvara, typ av reaktor och av vilka processförhållanden som råder. En undersökning av olika pyrolysprocessers status på marknaden har gjorts. Graden av kommersialisering och status i nuläget och hur framtiden kan se ut för både tekniken och produkterna har uppskattats genom litteraturstudier, internetsökningar och intervjuer med utvalda företag och personer med kunskaper inom pyrolys. Rapporten visar att pyrolys inte ännu är en helt kommersiell process, men att den har möjlighet att bli det med rätt förutsättningar. Det är svårt att säga när det sker, då det förutom fortsatt teknisk utveckling, ökad kunskap kring pyrolysprocessen och resultat av demonstrationer beror på olika externa faktorer. Yttre faktorer för kommersialisering av pyrolys i Sverige har identifierats som ökad säkerhet kring politiska styrmedel och beslut kring långsiktiga sådana (osäkerhet och kortsiktiga beslut skrämmer bort investerare), vikten av att etablera en värdekedja för att säkra investeringen, och priser på fossila drivmedel och biomassa som råvara. Processer för produktion av biokol verkar dock ha hunnit längre än de för pyrolysolja och är i ett tidigt stadium av kommersialisering.  Den enda tillämpningen som är fullt kommersiell idag är produktion av träkol och för detta tillämpas ofta traditionella satsvisa processer. Många möjliga användningsområden för produkterna finns där de har potential att reducera koldioxidutsläpp och bidra till en mer hållbar framtid. Standardisering och certifiering av produkter är då viktigt, samt demonstration av användning. Stabilisering och vidare förädling av pyrolysoljan är en annan viktig faktor för kommersialisering. Ännu verkar processer för katalytisk uppgradering inte vara tillräckligt tekniskt eller ekonomiskt utvecklade för att ge en konkurrenskraftig produkt, men forskning pågår kring detta. Integrering av processen ser ut att kunna öka energieffektiviteten, samt bidra till minskade produktionskostnader. / The population growth as well as a rapid technical and economic development globally affects the energy consumption. This requires a secure, stable and sustainable supply of energy. Today fossil fuels dominate globally and this results in environmental problems. Fossil fuels are also a finite, unsustainable resource. Thus, there is a need to replace fossil fuels with sustainable alternative sources of energy. This is also central for environmental goals both in Sweden and in the European Union. There are expectations that processes for the conversion of lignocellulosic biomass to solid, liquid and gaseous fuels can contribute to a transition from fossil to renewable fuels. In this thesis, carried out in collaboration between KTH and IVL Swedish Environmental Research Institute, one of the conversion processes is investigated in detail – pyrolysis. Pyrolysis is a thermal process that converts lignocellulose under anaerobic conditions at temperatures between about 300-650°C. Three phases can be obtained as products. A volatile which can be condensed into pyrolysis oil, a solid which may be termed biochar or charcoal depending on the end use, and a gas phase. The yield and the quality of the products is dependent upon the type of raw material, the type of reactor and the process conditions. An examination of the status of different pyrolysis processes on or on the way to the market has been made. The current degree of commercialization and what the future may look like for both the technology and the products have been assessed through literature studies, internet searches, and interviews with selected companies and individuals with expertise in pyrolysis.   This report reveals that continuous pyrolysis is not yet a fully commercial process, but that it has the opportunity to reach commercialization during the right conditions. It is difficult to say when it occurs, due to various external factors, continued technical development, increased knowledge of the pyrolysis process and results of the current demonstrations. In this report, several critical factors for the commercialization of pyrolysis in Sweden have been identified, e.g. increased stability for policy instruments and that will limit the risk for investments (uncertainty and short-term decisions frightens investors) and the establishment of a value chain for the products, i.e. a stable market. Prices on fossil fuels and biomass feedstock are also important factors. Processes for the production of biochar is in the early stages of commercialization, and seem to have reached further in their development than processes for pyrolysis oil. The only fully commercial application of pyrolysis today is the production of charcoal that commonly is performed in traditional batch-wise processes. There are many possible uses for the products in which they have the potential to reduce carbon emissions and contribute to a more sustainable future. Standardization and certification of products is important, and demonstration of the use. Stabilization and further upgrading of pyrolysis oil is another important factor for commercialization. It seems like processes for catalytic upgrading are not yet sufficiently technically or financially developed to be able to provide a competitive product. Research and development in this area are ongoing. Integration of the process with incumbent industrial processes seems to be able to offer increased energy efficiency and reduced production costs.

För att möjliggöra en hållbar utveckling skiftar många polymerforskares fokus just nu från att syntetisera polymerer från fossila resurser till att producera biobaserade polymerer från exempelvis träd. Av särskilt intresse är lignin, som utgör ungefär en tredjedel av allt växtmaterial men i nuläget oftast används som bränsle. Många forskare har undersökt de möjligheter som öppnas genom att bryta ner lignin och modifiera molekylerna som fås därigenom, såsom ferulsyra. Denna studie syftade till att modifiera ferulsyra till en styren-lik monomer med en karboxyl-substituent, och att testa vattenbaserad polymerisation av denna monomer.Det första steget i modifiering var dekarboxylering av ferulsyra. Detta utfördes genom upprepningar av tidigare studier där baskatalyserad dekarboxylering utfördes i polära aprotiska lösningsmedel. Efter flera försök hittades en fungerande metod, där trietylamin gav en dekarboxylering med högt utbyte efter tre timmar i dimetylformamid vid 100 °C. Att isolera produkten var också utmanande i början, men en trestegs-extraktion med H2O och Et2O som avslutades med en tvätt av saltvatten gav tillräcklig renhet. En ättiksyra-grupp adderades till fenolen med hjälp av en tvåstegsreaktion som hittades i litteraturen, men inte förrän ett dussin försök till nya metoder med kloroättiksyra gjorts utan framgång. I den fungerande metoden tillsattes en acetatgrupp med metylbromoacetat i återkokande aceton med kaliumkarbonat som bas, innan acetatet demetylerades av litiumhydroxid i en metanol/vattenblandning vid rumstemperatur.Den resulterande monomeren, 4-oxy-ättiksyra-3-methoxy-styren (OAMS), sampolymeriserades med styren, både i bulk- och emulsionspolymerisation. Bulksampolymeren hade en något högre molekylvikt och glastransitionstemperatur än homopolystyren, med en betydligt högre dispersitet. Emulsionspolymerisation var utmanande, eftersom OAMS inte är särskilt löslig i vare sig vatten eller styren, och i slutändan producerades inga tydliga resultat genom dessa försök.  Studiens huvudsakliga slutsats är att även om det är möjligt att syntetisera ren OAMS från ferulsyra, är användbarheten av denna molekyl som monomer i vattenbaserad polymerisering inte övertygande, eftersom den är så pass olöslig om inte bas tillsätts, vilket introducerar risken för hydrolys.Slutligen, även om studien ledde till få säkra slutsatser på grund av flera ofullständiga resultat, uppnåddes huvudsyftet att modifiera ferulsyra och testa polymerisation av den bildade monomeren. / To enable a sustainable development, scientific focus is shifting from synthesizing polymers from fossil-based resources to producing bio-based polymers from for example wood. Of particular interest is lignin, which makes up about a third of plant matter but is nowadays most commonly used as fuel. A great deal of research has explored the possibilities opened up by breaking down lignin and modifying its derived molecules, such as ferulic acid. This study aimed to modify ferulic acid into a styrenic monomer with an acidic substituent, and to investigate the aqueous polymerization of this monomer.The first step of modification was the decarboxylation of ferulic acid. This was attempted through recreations of previous studies where base-catalysed decarboxylation was carried out in aprotic polar solvents. After several trials, a successful procedure was found, where triethylamine gave a high-yield decarboxylation after three hours in dimethylformamide at 100 °C. Isolating the product was also initially challenging, but a three-step extraction with H2O and Et2O finished by a wash of brine gave sufficient purity.Adding an acetic acid-group to the phenol was achieved using a two-step procedure found in literature, but not before trying a dozen novel methods using chloroacetic acid without success. In the working procedure, an acetate group was added using methyl bromoacetate in refluxed acetone with potassium carbonate as base, before demethylating the acetate using lithium hydroxide in a methanol/water mix at room temperature. The resulting monomer, 4-oxy-acetic acid-3-methoxy-styrene (OAMS), was copolymerized with styrene, both in bulk and emulsion radical polymerization. The bulk copolymer displayed a slightly higher molecular weight and glass transition temperature than homopolystyrene, with a significantly higher dispersity. Emulsion polymerization was challenging, as OAMS is not very soluble in either water or styrene, and ultimately, no conclusive results were produced through this route.The study concluded that while it is possible to synthesize pure OAMS from ferulic acid, the degree of usability of this molecule as a monomer in aqueous polymerization is not certain, as it is hardly soluble without the addition of base, which introduces the risk of hydrolysis. Ultimately, although few solid conclusions could be drawn from this study due to several incomplete results, the core objective of modifying ferulic acid and testing polymerization of the resulting monomer was achieved.