LHW Vorhandlung von extrudiertem Weizenstroh in einer Bioraffinerie

Abstract

Um die Bedürfnisse der ständig wachsenden Weltbevölkerung langfristig stillen zu können, bieten nachhaltige Technologien basierend auf Biomasse der zweiten Generation, die nicht in Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion stehen, eine umweltschonende Alternative zu den nichtregenerierbaren fossilen Rohstoffen an. Damit die eingesetzte Biomasse, in dieser Arbeit Weizenstroh, für Transport, Energie und Chemikalien zugänglich gemacht werden kann, muss sie vorbehandelt werden, um ihre grundlegende komplexe Struktur der Lignocellulose aufzubrechen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Heißwasser (LHW)-Vorbehandlung bei maximalen 170 °C von unbehandeltem Weizenstroh mit bereits extrudiertem Weizenstroh verglichen. Während der Extrusion wirkte mechanische Energie auf das Weizenstroh. Welchen Einfluss diese auf die Produktausbeuten nach der LHW-Vorbehandlung zeigte wurde analysiert. Für möglichst umfangreiche Ergebnisse wurde eine statistische Versuchsanordnung (CCD… Central Composite Design) erstellt. Zusätzlich wurden eine Klason-Ligninbestimmung nach NREL (National Renewable Energy Laboratory, Teil des U.S. Department of Energy) und eine Enzymatische Hydrolyse mit der Enzymmischung Accellerase 1500 durchgeführt. Eine Analyse des unbehandelten Strohs und der extrudierten Strohproben vor der Durchführung des CCD wurde durchgeführt. Außerdem wurde der Severity Faktor (SF) der extrudierten Strohproben mit unbehandelten Stroh durch ein geeignetes Temperatur-Zeit-Profil nachgestellt, um den direkten Einfluss der mechanischen Energie auf das Weizenstroh zu analysieren. Über analytische Messsysteme konnten Ausbeuten für Zucker der Hemicellulose (Mannose, Galactose Arabinose, Xylose) und Glucose, sowie Konzentrationen für Zucker-Abbauprodukte (Essigsäure, Furfural) bestimmt werden. Während der LHW-Vorbehandlung wurden vorwiegend Zuckeroligomere und das Abbauprodukt Essigsäure analysiert. Es konnte beobachtet werden, dass die vorangegangene Extrusion als eine Art der Vorbehandlung einen positiven Einfluss auf die Hemicellulose-Zuckerausbeuten hatte. Die anschließende Kombination aus LHW-Vorbehandlung und Extrusion zeigte sich weniger vorteilhaft für die Glucose-Ausbeuten als für die Hemicellulosezucker-Ausbeuten. Für die LHW-Vorbehandlung bei 170 °C wurden, auch bedingt durch den erhöhten SF, die höchsten Hemicellulosezucker- und Glucose-Ausbeuten, sowie das Abbauprodukt Furfural gefunden. Bei der Ligninbestimmung nach Klason konnte im extrudierten Stroh ohne LHW-Vorbehandlung mehr Lignin gefunden werden als eigentlich im unbehandelten Rohstoff maximal vorhanden war. Der Einsatz der Enzymmischung Accellerase 1500 zeigte sich geeignet für das unbehandelte und extrudierte Weizenstroh nach einer LHW-Vorbehandlung. Die Glucose-Ausbeuten konnten signifikant gesteigert werden.

Environment-friendly sustainable technologies as alternatives for non-renewable fossil material can help to satisfying the needs of a constantly growing world population. They are based on second-generation biomass and not in competition with food production. To make biomass from wheat straw accessible for transport, energy-production and chemical processes it has to be pretreated to break up the complex structure of the contained lignocellulose. In the present study, a liquid hot water (LHW) pretreatment was performed on untreated as well as already extruded wheat straw at a maximum temperature of 170 °C. During the extrusion, mechanical energy was applied to the wheat straw. The influence of this on the product yields after LHW pretreatment was analyzed. A statistical test arrangement (Central Composite Design) was created to obtain more detailed information. In addition, a Klason lignin determination according to NREL (National Renewable Energy Laboratory, part of the US Department of Energy) and an enzymatic hydrolysis using the enzyme mixture Accellerase 1500 were carried out. An analysis of the untreated and extruded straw samples before carrying out the CCD was also performed. Additionally, the Severity Factors (SF) of the extruded straw samples were adjusted using a suitable temperature-time profile with untreated straw to measure the direct influence of the mechanical energy on the wheat straw. Analytical measurement devices were used to determine yields for hemicellulose-derived sugars (mannose, galactose, arabinose and xylose), glucose and concentrations of sugar degradation products (acetic acid, furfural). During LHW pretreatment, sugar oligomers and the degradation product acetic acid were predominantly analyzed. It was observed that the previous extrusion has had a positive influence on the hemicellulose sugar yields. The subsequent combination of LHW pretreatment and extrusion was hardly advantageous for the glucose yields, however the hemicellulose sugar yields increased slightly. Due to the increased Severity Factor the highest hemicellulose sugar and glucose yields and the degradation product furfural were found for the LHW pretreatment at 170° C. The results for the lignin determination according to Klason showed more lignin in the extruded straw without LHW pretreatment than actually present in the untreated raw material. The use of the enzyme mixture Accellerase 1500 proved suitable for the untreated and extruded wheat straw after LHW pretreatment. The glucose yields were significantly increased.