Heisswasservorbehandlung von Stroh : Methodenentwicklung zur Ausführung und Auswertung im Labormaßstab

Abstract

Angetrieben durch Diskussionen um den Klimawandel und zukünftige Treibstoffknappheit beschäftigt sich die Wissenschaft seit einiger Zeit schon mit der Frage wie aus alternativen, erneuerbaren Quellen Kraftstoffe und weitere Produkte gewonnen werden können. Ein vielversprechender Vertreter dieser ist der sogenannte "Bio-Ethanol", also Ethanol aus biogenen Rohstoffen. Die Produktion umfasst gewöhnlich die Verfahrensschritte Vorbehandlung, Verzuckerung und Fermentation. Bei der Verwendung von lignozellulosischen Rohstoffen nimmt der energie- und chemikalienintensive Vorbehandlungsschritt einen entscheidenden Faktor der Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses ein. Im Rahmen dieser Arbeit sollten weniger die chemischen Vorgänge bei der Vorbehandlung, als die apparative Handhabung und Prozessführung beleuchtet werden. Zu diesem Zweck wurden verschiedene gängige Vorbehandlungsarten auf Basis der Literatur auf Durchführbarkeit und Erfahrungsgenerierung durch ein Versuchsprogramm untersucht.<br />Der experimentelle und methodische Teil dieser Arbeit umfasste die Inbetriebnahme eines Hochdruckreaktors, Entwurf und Durchführung eines Versuchsprogrammes, Entwicklung und Durchführung eines geeigneten Analysenprogrammes, sowie die statistische Auswertung der Versuchsergebnisse. Um aus den Versuche möglichst geeignete Ergebnisse für eine statistische Auswertung zu erhalten wurden Methoden des "Design of Experiments" herangezogen, die in einen Versuchsplan vom Typ "Central Composite Design" mündeten. Erwartungsgemäß zeigte sich, dass bei der durchgeführten Heisswasserbehandlung (Liquid Hot Water, kurz LHW, Treatment) bevorzugt die Zucker der Hemizellulose, im Besonderen Xylose aus dem Lignozelluloseverband gelöst wurden. Auffällig, aber nicht ungewöhnlich war, dass die Zucker generell hauptsächlich als Oligomere in Lösung gingen. Von der Xylose wurden gesamt rund 6 bis 40% der theoretisch möglichen Menge aus dem Rohstoff gelöst. Im Vergleich zur Literatur wurde etwa die Hälfte der Xylose gelöst. Es wurde gleichzeitig aber auch weniger als halb so viel der Glukose gelöst wie in den Literaturstellen angegeben wird. Die Modellierung funktionierte am Besten für die Ausbeute monomerer und oligomerer Xylose sowie deren Folgeprodukt Furfural. Weiters wurde untersucht, ob eine Abhängigkeit der Ergebnisse vom Summenparameter "Severity Factor" gefunden werden konnte. Dies gelang für mono- und oligomere Xylose sowie die Abbauprodukte relativ gut.<br />Es zeigte sich, dass die Analyseprozedur verfeinert werden sollte, um die darauf gründenden Fehler zu minimieren.<br />

Driven by discussions around climate change and future fuel shortage, science engaged for some time now in the issue of gaining fuels and other products from alternative, renewable sources. A promising substitute is found in \bio-ethanol", that is ethanol made from biogenic feedstock. Production usually consists of the steps pretreatment, sacchari fication and fermentation. When lignocellulosic feedstock is used, pretreatment is a key factor in pro tability of the whole process. This thesis should focus on technical handling and management of the pretreatment process, instead of chemical processes.<br />Therefore literature research on common pretreatment techniques was conducted, which were then evaluated for feasability and gain in experience. The experimental and methodic part of this thesis consists of commisioning a high pressure reactor, design and execution of a series of experiments, design and execution of the proper analysis procedure and statistical evaluation of the experimental results. To get most suitable results for the statistical evaluation, methods of \design of experiments" were applied, which led to an experimental design of the \Central Composite Design" type.<br />As expected, the conducted Liquid Hot Water treatment mainly led to solubilization of hemicellulose-derived sugars, mainly xylose, from the lignocellulosic compound. Noticeable, but not unusual was that in general, the sugars were mainly solubilized as oligomers. About 6 to 40% of the theoretical maximum of xylose were solubilized from the feedstock. Compared to selected literature, thats about half the amount that was reached in similar experiments. Simultaneously, also less than half the amount of glucose was solubilized as stated in literature. Modeling showed the best results for yields of monomeric and oligomeric xylose and their degradation product furfural. It has been investigated furthermore, if a dependency of the results on the combined parameter "severity factor" can be found. This worked well for mono- and oligomeric xylose, as it did for the degradation products. It became apparent, that the analytic procedure should be refined to minimize related errors.