魅力的な有機ポリマー：リグニン

リグニンは、植物の細胞壁、特に木材や樹皮に含まれる有機ポリマーで、植物に構造的なサポートを提供する上で重要な役割を果たします。
また、リグニンは、主に紙・パルプ産業における様々な工業プロセスの副産物でもあります。
このように自然界に存在しながら、工業的副生物でもある魅力的なリグニンには、いくつかの種類があり、それぞれに異なる特徴と用途があります。

1.様々な種類のリグニンの特徴

リグニンの特徴リグニンは、セルロースとともに木材の主成分を構成する複雑な有機高分子です。特徴的な側鎖を持つランダム共重合体です。リグニンはわずかに架橋し、固体状態では非晶質構造になります。リグニンのヒドロキシル基は、水との相互作用において重要な役割を果たします。

クラフトリグニン

木材チップを水酸化ナトリウムと硫化ナトリウムの混合物で処理するクラフトパルプ化プロセスを通じて製造されます。クラフトリグニンは、分子量が高く、水への溶解度が比較的低いことが特徴です。幅広いフェノール官能基を持っています。

亜硫酸リグニン

木材チップを亜硫酸又はその塩で処理する亜硫酸パルプ化プロセスから得られます。亜硫酸リグニンはクラフトリグニンに比べて分子量が低く、水への溶解度が高くなります。これには、水溶性と特定の化学的特性を与えるスルホン酸基が含まれています。

リグノスルホン酸塩

これらは、亜硫酸塩パルプ化プロセス中に生成される水溶性リグニン誘導体です。リグノスルホン酸塩は、建設、農業、動物飼料添加物等の様々な産業で応用されています。

オルガノソルブリグニン

リグノセルロース系バイオマスを有機溶媒および/又は酸で処理するオルガノソルブパルプ化プロセスを通じて生成されます。Organosolvリグニンは比較的純度が高く、特定の用途に合わせて調整できます。

このような特徴を持つリグニンは、どのような利用方法があるのでしょうか？

2.使用シーン

植物では、種皮にリグニンが沈着することで種子を外部の有害な要因から保護できます。製紙業界では、リグニンとその分解生成物は品質低下の観点で懸念される成分でもあります。
化学産業では、リグニンから幅広い化学物質が得られ、ポリエステル、ポリエーテル、ポリスチレン誘導体等の合成ポリマーの出発原料として使用できます。
エネルギー用途において、リグニンは地球上で最も豊富に存在する芳香族バイオポリマーであり、その化学構造は炭素材料の生産に理想的です。
クラフトリグニンと亜硫酸リグニンは、主に紙パルプ工場内でのエネルギー生成のためのバイオマスボイラーの燃料として使用されます。
リグノスルホン酸塩は、コンクリート混和剤、動物飼料添加剤、その他の用途で分散剤、結合剤、可塑剤として利用されています。
オルガノソルブリグニンは、接着剤、樹脂、炭素繊維製造、医薬品等の様々な産業で応用できる可能性があります。

3.リグニン市場

世界のリグニン市場は、再生可能で持続可能な製品に対する需要の増加によって牽引されており、バイオベースの化学物質や材料への関心の高まり、環境の持続可能性を促進する政府の規制等の要因が市場の成長を推進しています。
リグニン市場世界のリグニン市場規模は、2023年に10億8,000万米ドルと推定され、2024年から2030年まで4.5%の年平均成長率(CAGR)で成長すると予測されています。市場規模は2023年に約10億3,362万米ドルに達しました。そして2.0%のCAGRで成長し、2032年までに12億3,540万米ドル近くに達すると予想されています。

4.リグニンの燃料としての活用について

クラフトリグニンと亜硫酸リグニンは、異なる特徴と用途を備えた紙パルプ産業の副産物です。亜硫酸リグニンは様々な目的で商品化されることが多いですが、クラフトリグニンは現場のボイラーの燃料として一般的に使用されます。どちらのタイプのリグニンも、バイオマス発電に利用できますが、メリットもデメリットもあります。

メリット

リグニンはエネルギー含有量が高いため、貴重な再生可能燃料源となります。様々なバイオマス原料から調達できるため、その持続可能性に貢献します。

デメリット

リグニンの燃焼により、粒子状物質、窒素酸化物、二酸化硫黄等の排出物が発生する可能性があり、緩和措置が必要になる場合があります。さらに、リグニンの組成と特性のばらつきは、燃焼効率とボイラーの性能に影響を与える可能性があります。

商品化

クラフトリグニンは、エネルギー含有量が高く、生産コストが低いため、パルプおよび製紙工場内の現場ボイラーで一般的に使用され、貴重なバイオエネルギーを生成し、無機化学物質をパルプ化プロセスの操作にリサイクルしています。一方、亜硫酸リグニンはリグノスルホン酸塩に変換され、可溶化されてセルロース繊維が放出されます。亜硫酸リグニンはその水溶性により商品化されることが多く、抽出やリグノスルホン酸塩等の付加価値のある製品への加工が容易になります。

バイオマス発電での利用

クラフトリグニンは、化学物質回収サイクル中に回収ボイラーで焼却され、貴重なバイオエネルギーを生成しています。しかし、ほとんどのリグニンはパルプ工場のエネルギー需要を満たすために発電のために直接燃焼されます。
 

5.クラフト法と亜硫酸塩法

クラフトプロセスと亜硫酸塩プロセスは、製紙業界で木材を木材パルプに変換するために使用される2つの異なる方法です。主な違いは次のとおりです。 

クラフトプロセス

クラフトプロセスでは、パルプ材を蒸煮する液体として苛性ソーダと硫化ナトリウムの溶液を使用します。
蒸解液はアルカリ性であるため、鉄や鋼に対する腐食性が低いため、このプロセスが行われる蒸解釜をライニングする必要はありません。
生成されるパルプは、苛性ソーダのみで調理して生成されるパルプよりも強力です。
松のチップを消化する能力があります。樹脂成分はアルカリ性液体に溶解し、貴重な副産物であるトール油の形で回収できます。 

亜硫酸塩プロセス

亜硫酸塩プロセスでは、木材チップを亜硫酸イオンと重亜硫酸イオンの溶液で処理することにより、ほぼ純粋なセルロース繊維である木材パルプを製造します。
これらの化学物質は、リグノセルロースのセルロース成分とリグニン成分の間の結合を切断します。
ナトリウム、カルシウム、カリウム、マグネシウム、アンモニウム等、様々な亜硫酸塩/重亜硫酸塩が使用されます。
リグニンは、可溶性のリグノスルホン酸塩に変換され、セルロース繊維から分離できます。
 
クラフトプロセスはアルカリ性が高く、腐食性が低く、より強力なパルプを生成します。一方、亜硫酸塩プロセスは酸ベースであり、ほぼ純粋なセルロース繊維を生成します。 

6.クラフトプロセスの環境への影響

クラフトプロセスは環境にプラスとマイナスの両方の影響を与えます。

プラスの影響

クラフトプロセスは、製造時に使用するエネルギーと化学薬品の量が少ないため、高品質の製品をより効率的に生産できます。
環境への影響が軽減されるため、より環境に優しい製品です。
クラフト紙の製造では、プラスチックフィルムと比較してエネルギー消費量が50%少なく、水の消費量も80%少なくなります。

マイナスの影響

クラフトパルプ化プロセスは、気候変動や大気汚染の一因となる大量の排出物と関連しています。
パルプ化プロセス中に、二酸化炭素やメタン等の温室効果ガス(GHG)が放出されることが大きな懸念事項です。
このプロセスは現在、大気への排出、廃液の排出、エネルギー回収と利用の改善の必要性という点で重大な課題に直面しています。
これらの問題に対処する手段はありますが、コストがかかる可能性があります。
現在もテクノロジーは進歩しており、これら新しい技術はエネルギーに大きなメリットをもたらす可能性があります。