Sequentielle Extrusion und Organosolv Vorbehandlung in einer Weizenstroh Bioraffinerie

Abstract

Um zukünftig den Verbrauch fossiler Ressourcen der Erde zu verringern, gibt es derzeit viele Bemühungen, Materialien und Energie, die derzeit daraus gewonnen werden, aus anderen Quellen zu generieren. Eine vielversprechende Möglichkeit dafür ist die Verwendung von Biomasse. Dabei benötigt es aber teure und aufwendige Vorbehandlungsmethoden, um die entsprechenden Produkte mit hoher Ausbeute gewinnen zu können. Es ist daher grundsätzlich das Ziel, diese Vorbehandlungsmethoden zu verbessern und sowohl günstiger als auch effizienter zu machen, damit die Produkte mit jenen aus der Erdölraffinerie konkurrenzfähig sind. Dies geschieht auch durch die Kombination verschiedener Techniken. In dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck die Kombination von einer Extrusion und einem Organosolv-Aufschluss angewendet und analysiert. Ausgangsstoff war für alle Behandlungen das gleiche Stroh, wobei bei einem Teil davon Extrusionsbehandlungen mit Wasser durchgeführt wurden. Für den Organosolv-Aufschluss wurden unextrudiertes Stroh und zwei mit verschiedenen Extrusionseinstellungen behandelte Stroharten herangezogen. Bei dem Organosolv-Aufschluss wurden die Parameter Temperatur, Verweilzeit und das Verhältnis von Feststoff zu Lösungsmittel im Reaktor nach einem bestimmten Versuchsplan variiert. Dieser Aufschluss wurde in verschließbaren Edelstahl-Hochdruck-Reaktoren durchgeführt. In der daraus gewonnenen flüssigen Phase (black Liquor) wurden die Gehalte an Monomerzuckern, Gesamtzuckern und Abbauprodukten (Essigsäure, 5-(Hydroxymethyl)furfural, 2-Furaldehyd) bestimmt genauso wie über eine Klasonlignin-Analyse des zurückbleibenden Feststoffes auch die Menge an Lignin, die sich während der Organosolv-Behandlung gelöst hat. Zusätzlich wurde eine enzymatische Hydrolyse des zurückbleibenden Feststoffes aus dem Organosolv-Prozess durchgeführt und die dabei über einen Zeitraum von 72 Stunden freigesetzte Glucosemenge bestimmt. Im Allgemeinen kann man sagen, dass der Einfluss der vorgeschalteten Extrusion, wenn überhaupt statistisch signifikant erkennbar, für die unter diesem Aspekt verglichenen Ergebnisse relativ gering ausfiel. Für die Einflüsse der Parameter im Organosolv-Prozess lässt sich feststellen, dass eine höhere Temperatur bei allen Ergebnissen, außer bei denen der Gesamtzucker bei einer einzelnen Parameterkonstellation und denen der Monomerzucker, zu einer Erhöhung der Ausbeute führte. Die Verweilzeit zeigte oft den gleichen Einfluss, jedoch nicht für Mengen an Gesamtzuckern und Abbauprodukten bei bestimmten Organosolv-Parameterkonstellationen und grundsätzlich nicht für die Ausbeuten an Monomerzuckern. Das Verhältnis von Feststoff zu Lösungsmittel im Reaktor zeigte oft keinen erkennbaren Einfluss auf die Ergebnisse. Außerdem zeigte dieses Verhältnis für verschiedene Verweilzeiten im Reaktor teilweise gegensätzlichen Einfluss. Lediglich für die Konzentrationen der Abbauprodukte könnte dieser Parameter interessant sein, weil diese mit höherem Feststoffgehalt im Reaktor größer sind. Dies könnte zu Problemen bei der weiteren Verarbeitung der flüssigen Phase aus der Organosolv-Behandlung, beispielsweise durch eine enzymatische Hydrolyse, führen.

In order to exchange fossil substances for sustainable ones, extracts from biomass seem to show reasonable potential. To gain the desired substances from the biomass, it has to be pretreated and put to further process steps to separate and modify these substances for the designated usage. Unfortunately pretreatment processes have a high energy demand and are expensive. The aim should therefore be to improve the pretreatment processes, making them cheaper, also by combinations of different pretreatment technologies, in order to make the products from biomass competitive with those from fossil resources. In this work such a combination of an extrusion process and an organosolve-process has been executed and analysed. One kind of wheat straw was the raw material for all treatments, but a part of it was pretreatet by an extrusion treatment with water. So as raw material for the organosolve-pretreatment unextruded staw and two types of straw, which were treated with different extrusion settings, were used. The parameters temperature, treatmenttime and the solid-to-liquid ratio in the reactor were varied in the organosolve-treatment. The used parameters were defined by an experimental design. The organosolve-pulping was executed in closable high-pressure reactors made of stainless steel. The obtained liquid phase of the treatment (black liquor) was analyzed for monomeric sugars, oligomeric sugars and degradation products (acetic acid, 5-(hydroxymethyl)furfural, 2-furaldehyde). Also lignin that got dissolved into the liquid phase was analyzed by means of a klason-lignin analysis of the remaining solid. Moreover, an enzymatic hydrolyses of the remaining solid was made and the amount of glucose, released over a period of 72 hours, was measured. The preceding extrusion-process didn’t show statistically significant influence for all compared results, but for some of them. In the organosolve-treatment, higher temperature had, with exception of oligomeric sugars at one parameter setting and the whole results for monomeric sugars, an increasing influence on the yields. The retention time often had the same effect, except for the yields of oligomeric sugars and degradation products at some organosolve-treatment settings and in general not for the yields of monomeric sugars. The ratio of solid to liquid phase in the reactor often had no influence on the yields and for different retention times in some cases contrary influence. But for the concentration of the degradation products it could have an interesting aspect, because they get higher with a greater solid to liquid ratio. This could be a problem for further processing of the liquid phase of the organosolve-pretreatment, for example by enzymatic hydrolysis.