Obrana doktorskog rada : Nives Jovičić, mag. ing. agr.

Hidroliza kao predtretman u proizvodnji biokompozita iz ljuske oraha
14.12.2022. u 14 sati : Velika vijećnica

Mentorice doktorskog rada:

• prof. dr. sc. Tajana Krička, Sveučilište u Zagrebu, Agronomski fakultet
• izv. prof. dr. sc. Sanja Kalambura, Veleučilište Velika Gorica

Povjerenstvo za obranu doktorskog rada:

• izv. prof. dr. sc. Ana Matin, Sveučilište u Zagrebu, Agronomski fakultet
• prof. dr. sc. Neven Voća, Sveučilište u Zagrebu, Agronomski fakultet
• izv. prof. dr. sc. Alan Antonović,  Sveučilište u Zagrebu, Fakultet šumarstva i drvne tehnologije

Sažetak doktorskog rada:
Nakon uporabe jezgre oraha ostaju velike količine ljuske koja predstavlja neiskorišteni ostatak. Mogućnosti korištenja biomase za proizvodnju ekološki prihvatljivih biokompozita u posljednje vrijeme znatno su se povećale, a ljuska oraha ima kvalitetna svojstva biomase za proizvodnju biokompozita. Zbog nižih količina higroskopnih komponenti i većih količina hidrofobnih komponenti u biomasi ljuske oraha u usporedbi sa šumskom biomasom, kompozitni materijali na bazi polimera koji sadrže punila iz ljuske oraha imaju značajne komercijalne prednosti u proizvodima na otvorenom koji zahtijevaju visoku otpornost. Također, ljuska oraha predstavlja vrlo korisnu biomasu koja se koristi u mnogim proizvodnim procesima.

Hidroliza je proces kemijske obrade lignocelulozne biomase, a cilj je degradiranje lignina iz materijala. Predtretman hidrolizom obuhvaća postupak obrade lignocelulozne sirovine pri tlaku i temperaturi tijekom koje dolazi do razgradnje hemiceluloze i celuloze na jednostavne ugljikohidrate koji se kasnije mogu upotrebljavati u biorafinerijama za proizvodnju goriva, ali i drugih proizvoda kao što su biokompoziti i  utekućena biomasa. U procesu hidrolize dolazi do pucanja kemijskih veza uslijed umetanja molekula vode između atoma u vezama, odnosno velike se molekule u agresivnom mediju hidroliziraju u manje.

Istraživanje se sastojalo od nekoliko faza i to: prikupljanje uzoraka, osnovne fizikalne analize, mehanička predobrada, osnovne kemijske analize, predtretman ljuske oraha hidrolizom na tri načina: kiselinom, lužinom i alkoholom u sljedećim uvjetima: vrijeme (15 min, 30 min, 45 min), temperatura (80°C, 90°C, 100°C, 110°C, 120°C), analiza kemijske strukture ljuske oraha nakon predtretmana, utekućenje biomase ljuske oraha, analiza karakteristika utekućene biomase.

Ljuske oraha općenito su karakterizirane visokim udjelom lignina što im omogućuje posebnu čvrstu i gustu strukturu stanične stijenke. Udio lignina u početnom (netretiranom uzorku) iznosio je 53,87%, a pretretmanom je postignuto smanjenje udjela lignina kod svih uzoraka neovisno o vrsti hidrolize, temperaturnom režimu i vremenu trajanja predtretmana, a nakon provedene alkalne hidrolize utvrđeni su najniži udjeli lignina (42,33%) u usporedbi sa svim srednjim vrijednostima udjela lignina nakon predtretmana kiselinom i alkoholom. Predtretmanom je također postignuto povećanje udjela celuloze kod svih istraženih uzoraka neovisno o vrsti hidrolize, temperaturnom režimu i vremenu trajanja. Nakon alkalne hidrolize utvrđeni su najviši udjeli celuloze (42,53%). Biomasa ljuske oraha zbog svog strukturnog kemijskog sastava je prikladna za pripremu smolastih materijala kao npr. poliuretanske pjene i poliuretanskog ljepila, epoksi smola te urea-uretanskih elastomera stoga korištenje ovog nusproizvoda može dati dodatnu vrijednost sektoru poljoprivrede odnosno proizvodnji oraha.

Udio ekstraktivnih tvari netretiranog uzorka (2,46%) značajno je smanjen predtretmanom, a najniži udio (0,31%) postignut je predtretmanom alkoholom. Također je utvrđen i znatno manji udio pepela u svim uzorcima koji su bili podvrgnuti hidrolizi kiselinom (najniži na temperaturi od 120 °C tijekom 45 minuta - 0,04%) i alkoholom (na temperaturi od 120 °C tijekom 30 minuta - 0,19%) u usporedbi s netretiranim uzorkom (1,23%), dok je kod uzoraka koji su podvrgnuti alkalnoj hidrolizi udio pepela značajno veći u usporedbi s netretiranim uzorkom prije hidrolize (do 3,05%). Biomasa ljuske oraha nakon predtretmana hidrolizom neovisno o vrsti hidrolize, temperaturnom režimu i vremenu trajanja predtretmana ima vrlo visoke vrijednosti hidroksilnog broja (od 385,67 mg KOH/g kod netretiranog uzorka do 1288,03 mg KOH/g kod uzoraka nakon alkalne hidrolize pri 90 °C tijekom 30 minuta), što je pretpostavka za moguću daljnju primjenu u različitim vrstama polimerizacija, na što se nadovezuje vrlo povoljan postotak netopivog ostatka i postotak utekućenja.

Ključne riječi: biomasa, ljuska oraha, predtretman, hidroliza, biokompozit