Ligninets komplicerade struktur har fascinerat forskare i årtionden. Molekylen finns i all biomassa och har potential att ersätta många fossilbaserade polymerer. Ännu har ingen helt klarat av att kartlägga ligninets struktur men nu går fyra forskargrupper samman för att lyckas.
Projektanslag 2024
”From atomistic to macroscopic understanding: unravelling lignin's untapped potential as earth's most abundant natural phenolic compound”
Huvudsökande:
Professor Minna Hakkarainen
Medsökande:
KTH
Martin Lawoko
Linköpings universitet
Igor Zozoulenko
Stockholms universitet
Mika Sipponen
Lärosäte:
KTH
Beviljat anslag:
24 000 000 kronor under fem år
Sverige har en av världens främsta trä- och massaindustrier där merparten av skogens råvaror förädlas till nya produkter. Men med ett stort undantag: ämnet lignin. Varje år går mellan 50–70 ton lignin bokstavligen upp i rök vid världens massafabriker för att ge industrin energi.
Förklaringen ligger i ämnets mycket komplicerade molekylstruktur. Strukturen skiljer sig dessutom åt beroende på vilket träd- eller växtslag det kommer ifrån. Även själva utvinningen från biomassa påverkar de kemiska egenskaperna.
– Vårt projekt ska öka kunskapen och förståelsen av ligninets uppbyggnad och egenskaper. I nästa steg hoppas vi dra nytta av de mycket varierande egenskaperna genom att utnyttja dem för att skapa olika produkter eller tillämpningar, säger Minna Hakkarainen, professor i polymerteknologi vid KTH.
Okända legobitar
En av anledningarna till att ligninet är så outforskat är bristen på tillräckliga analysmetoder. Det krävs en detaljerad molekylär bild av ligninet för att ta steget till nya tillämpningar. Martin Lawoko, professor i träkemi vid KTH, liknar det vid att bygga nya modeller med okända legobitar.
– Vi ser att vi har massor av olika legobitar men vi förstår ännu inte hur vi ska bygga ihop dem. Men i detta projekt har vi lyckats kombinera flera forskargrupper med rätt kunskaper för att vi ska kunna nå fram, säger Martin Lawoko.
I projektet deltar forskargrupper från tre universitet. Forskare vid KTH kommer att koncentrera sig på avancerad karaktäriseringen av lignin. Bland annat med hjälp av synkrotronbaserade tekniker som gör det möjligt att se in i material på atomnivå. En av anläggningarna som ska användas är Max IV-laboratoriet i Lund. Försöken ska öppna för en större förståelse av hur den kemiska strukturen hänger ihop med formen och styr egenskaper som styrka, hållbarhet och funktion.
En målsättning är att utveckla metoder för att närmast i realtid kunna följa strukturomvandlingen av ligninet när det utvinns ur biomassan.
– Vi har redan en särskild reaktor för att utvinna lignin med lite mildare metoder än inom industrin. När vi använder mildare metoder kan vi också försöka behålla den ursprungliga kemiska strukturen, säger Minna Hakkarainen.
Kunskapen delas med forskare vid Linköpings universitet som kombinerar den med teoretiska beräkningar för att skapa datormodeller. Den tredje forskargruppen finns vid Stockholms universitet och fokuserar på att identifiera nya praktiska användningar av lignin.
Förnybar källa
Lignin är den största förnybara källan till det som inom kemin kallas för aromatiska byggstenar. Att de kallas aromatiska har dock inget att göra med doft, utan är ett kemiskt begrepp som speglar molekylens uppbyggnad: en mycket stabil sexhörning som ofta är styv och kemiskt svår att bryta ned.
Aromatiska byggstenar är avgörande för en rad högpresterande polymermaterial, som bland annat härdplaster, ytbeläggningar och lim. Samtidigt har lignin flera inneboende egenskaper, till exempel förmågan att absorbera ultraviolett ljus, som kan öppna för nya produkter.
Projektet har målet att utveckla minst en praktisk användning av lignin som också har potential att utvecklas till ett storskaligt alternativ för industrin.
– Vi har mycket medvetet valt en svår applikation där man behöver väldigt hög kontroll över materialet. Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse gör det möjligt att sikta högt, utan att vara säkra på att vi verkligen når fram, säger Minna Hakkarainen.
Efterlikna fåglarnas färger
Fokus ligger på att utveckla en ny form av beläggning för textilier: en slags film som kan göra textilier vattenavvisande men också färga dem. Men inte på ett traditionellt sätt utan genom att efterlikna färgåtergivningen i fjäderdräkten hos fåglar.
– Fåglar kan ha väldigt färgglada färger men de kommer inte från kemiska molekyler eller pigment. Färgerna skapas av särskilda nanostrukturer hos proteiner i fjädrarna, och samma effekt hoppas vi kunna efterlikna genom en strikt kontroll på ligninet, säger Mika Sipponen, forskare vid Stockholms universitet.
Pigmentfärger fungerar som ett filter som tar bort vissa färger, medan strukturfärger i stället bidrar med en optisk förmåga att böja och förstärka ljuset. Resultatet blir ofta mycket starka och skimrande färger.
Den färdiga produkten måste dock vara något som i sig går att återvinna, betonar forskarna. Förädlingen av lignin ligger i linje med omställningen från ett fossilbaserat samhälle till en bioekonomi.
– Vi blir såvitt vi vet de första som försöker följa hela kedjan från träd till slutmaterial för att se vad som händer med ligninets struktur. Förhoppningsvis kan kunskapen lägga grunden till en databas som kan användas för att utveckla tillämpningar vi i dag inte kan tänka oss, säger Martin Lawoko.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
