Conversione della Lignina in prodotti ad alto valore aggiunto

In the frame of circular economy, the valorization of industrial waste and the use of renewable sources to replace fossil ones is becoming increasingly important in the field of chemistry. The research interests have been recently focused on products and intermediates of industrial interest that could be obtained from biomass. Among the components of lignocellulosic biomass, lignin arouses great interest, due to its abundance and its aromatic structure. Currently, the large amount of waste lignin is burned, mainly for energy purposes. Being the only natural source of aromatic compounds, it can nevertheless be exploited effectively to obtain chemical intermediates useful for the synthesis of fundamental products for everyday life. This thesis work focuses on the analysis of possible pathways concerning the valorization of lignin, through its conversion into products with high added-value for chemical industry, to be used for the replacement of fossil derived compounds. In particular, the great interest that has recently arisen is due to the high amount of phenolic compounds, the non-polluting action and the low costs compared to competing products. The major industrial applications resulting from the use of this natural polymer have been described. After an introduction relating to the different types of lignin and the different methods used for its isolation, the synthetic routes of the main strategies available for the depolymerization or functionalization of the upstream lignin have been described in detail, with related discussions on the downstream transformation of the products obtained into hydrocarbon fuels, chemicals and materials of industrial interest. Different areas of interest have been analyzed, starting from the biofuels and then analyzing the polymers and resins sector, the field of materials used for environmental decontamination, lignin derivatives applied for energy conversion, then finally concluding with the analysis of the major derivatives belonging to the pharmaceutical and food industry branch. Finally, a technical-economic analysis of various downstream processes was reported based on market demand, economic potential and technological readiness; allowing us to analyze and identify the most convenient processes from an economic and production feasibility point of view. The research in the field of Green Chemistry is therefore strongly orientated towards the chemical transformation of Lignin, a renewable plant compound, a road that could pave the way to a more sustainable future.

La valorizzazione degli scarti industriali e l’utilizzo di fonti rinnovabili in sostituzione delle risorse fossili sta acquisendo un’importanza sempre maggiore nel campo della chimica. La ricerca è indirizzata verso l’ottenimento di prodotti ed intermedi di interesse industriale a partire da biomasse. Tra le componenti delle biomasse lignocellulosiche, la lignina desta grande interesse, per la sua abbondanza e la sua struttura aromatica. Attualmente, la grande quantità di lignina di scarto viene bruciata, principalmente per scopi energetici. Essendo l’unica fonte naturale di composti aromatici, può tuttavia essere sfruttata in maniera efficace per ottenere intermedi chimici utili alla sintesi di prodotti fondamentali nella vita di tutti i giorni. Questo lavoro di tesi si concentra sull’analisi delle possibili sintesi riguardanti la valorizzazione della lignina, tramite la sua conversione in prodotti ad alto valore aggiunto. In particolare, il grande interesse che ne è derivato è dovuto all’elevata quantità di composti fenolici, all’azione non inquinante e ai bassi costi rispetto ai prodotti competitori. Sono state quindi descritte le maggiori applicazioni industriali derivanti dall’utilizzo di questo polimero naturale. Dopo un’introduzione relativa alle diverse tipologie di lignina e ai differenti metodi utilizzati per il suo isolamento, sono state descritte nel dettaglio le vie sintetiche delle principali strategie disponibili per la depolimerizzazione o funzionalizzazione della lignina a monte, con relative discussioni sulla trasformazione a valle dei prodotti ottenuti in combustibili idrocarburici, sostanze chimiche e materiali di interesse industriale. Sono state analizzate le differenti aree di interesse, partendo dal mondo dei biocarburanti di origine naturale e analizzando successivamente il settore dei polimeri e resine, il campo dei materiali adibiti alla decontaminazione ambientale, i derivati della lignina applicati per la conversione di energia, concludendo infine con l’analisi dei maggiori derivati appartenenti al ramo dell’industria farmaceutica e alimentare. È stata infine riportata un’analisi tecnico-economica dei vari processi a valle sulla base della domanda di mercato, del potenziale economico e della prontezza tecnologica; permettendoci di analizzare ed identificare i processi potenzialmente più convenienti da un punto di vista economico e di fattibilità produttiva. La ricerca nel campo della Green Chemistry (Chimica verde) è quindi fortemente incanalata verso la trasformazione chimica della Lignina, composto vegetale rinnovabile, strada che potrebbe aprire le porte verso un futuro più sostenibile.