The potential to utilize lignin, which constitutes as much as 15-30% of the biomass, needs further evaluation. In the transition towards a bioeconomy, lignin has the potential to replace fossil-based phenols. Attempts to valorize the available technical lignins are ongoing; however, that lignin suffers from molecular heterogeneity. Accordingly, new process concepts, coined in the term lignin biorefineries, are required to obtain less heterogenic lignin with different properties and preserved molecular structure.

In this study, a new lignin extraction concept was investigated, where the structural properties of lignin were preserved to a high degree using a physical protection strategy. The principle of preserving the lignin structure was based on a cyclic organosolv extraction concept. At first, a two-step concept was evaluated, where a hydrothermal extraction was performed to recover hemicellulose, followed by a cyclic organosolv extraction to obtain the lignin. Trend studies were performed for the individual cycles to gain a deeper understanding of how the lignin structure was affected by the cycles. To further investigate the method, chemometrics and design of experiment were used to gain knowledge about how different properties of lignin were affected by the extraction conditions and how the properties of lignin could be tailored. Based on the knowledge from the chemometric study and the observations from the two-step method, a refined one-step method was developed to obtain lignin with further improved analytical quality, i.e., up to 95% of the interunit linkages could be assigned for spruce lignin by heteronuclearsingle quantum coherence (HSQC) nuclear magnetic resonance (NMR)spectroscopy, 13C NMR and size exclusion chromatography (SEC). The universality of the method was investigated for different wood species, such as spruce and birch. The results indicate the applicability of the concept using different raw materials.

The complex nature of lignin substrates conveys the need for robust analytic techniques. Herein, NMR studies were complemented by matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) time of flight (TOF) mass spectrometry (MS) to provide new insights into molecular lignin populations with respect to reactivity during the organosolv extraction.

Finally, a proof of concept for an application was investigated. The cyclic organosolv extracted lignin was used in a fundamental study on lignin nanoparticles (LNP), together with benchmark technical lignins, to gain knowledge about the role of the molecular structure in the LNP properties. It is suggested that the molecular structure of lignin plays an important role in determining the size and morphology of LNPs, opening possibilities to molecularly tailor LNP properties.

Potentialen av att använda lignin, som utgör 15-30% av biomassan, behöver utvärderas ytterligare. I övergången till en bioekonomi finns potential för lignin att ersätta fossila fenoler. I denna kontext försöker man hitta ett värde för de tillgängliga tekniska ligninerna, men det finns utmaningar associerade med den molekylära strukturella heterogeniteten. Följaktligen behövs nya processkoncept, såsom lignin-bioraffinaderier, där man kan ta fram ett lignin med olika önskade egenskaper samt med en bevarad molekylstruktur.

I denna studie utvecklades ett nytt koncept för att extrahera lignin, där ligninets strukturella egenskaper kunde bevaras i hög grad med hjälp av en fysisk skyddsstrategi. Principerna för att bevara ligninstrukturen baserades på ett cykliskt organosolv-extraktions-koncept. Först utvärderades en två-stegs koncept, där en hydrotermisk extraktion, för att extrahera ut hemicellulosa, efterföljdes av en cyklisk organosolvextraktion för att extrahera ut lignin. Trendstudier utfördes för de individuella cyklerna för att få en fördjupad förståelse av hur ligninstrukturen påverkades av cyklerna. För att ytterligare undersöka metoden användes kemometri och experimentell design för att öka kunskapen om hur olika extraktionsförhållanden påverkade egenskaper hos ligninet samt hur egenskaperna hos ligninet kunde skräddarsys.Genom den erhållna kunskapen från den kemometriska studien och den studerade trenden av två-stegsmetoden, undersöktes en kortare en-stegsmetod för att kunna erhålla ett lignin med ytterligare förbättrad analytisk kvalité, där upp till 95% av bindningarna kunde bestämmas för granlignin, karaktäriserat med heteronuclear single quantum coherence (HSQC) nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), 13C NMR och size exclusion chromatography (SEC). Metodens universalitet undersöktes för träslag med olika lignin-egenskaper som gran och björk. Resultaten indikerade tillämpbarheten av konceptet för olika råvaror.

På grund av den komplexa naturen hos lignin finns ett behov av robusta analystekniker. För att möta detta kompletterades NMR-studier med matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) time of flight (TOF) mass spectrometry (MS) analyser för att få nya insikter om olika molekylära ligninpopulationer samt för att öka kunskapen om ligninreaktiviteten under organosolv-extraktion.

Slutligen gjordes en undersökning av hur det cykliska ligninet förhöll sig mot en applikation. Det cykliska organosolv-extraherade ligninet användes i en fundamental studie om lignin-nano partiklar (LNP), tillsammans med benchmark-tekniska ligniner, för att öka insikter om de molekylära egenskapernas roll för LNP-egenskaperna. Det har visat sig att den molekylära strukturen spelar en betydande roll för att bestämma storleken och morfologin hos LNP, vilket öppnar upp för möjligheter att molekylärt skräddarsy LNP-egenskaper.