Einfluss von Lösungsmittel und Temperatur auf den Organosolv-Aufschluss im Rahmen einer Bioraffinierie

Abstract

In der vorliegenden Arbeit sollte die Eignung der organischen Lösungsmittel Methanol, Ethanol, Propanol, Iso-Propanol und Butanol bei drei gewählten Temperaturen 160°C, 180°C und 200°C zur Verwendung für den Organosolv-Aufschluss zur Gewinnung von Lignin aus Weizenstroh untersucht werden. Um die Auswirkungen der Lösungsmittel und der Temperaturen auf die Zusammensetzung des Extrakts bestmöglich beurteilen zu können, sollten nebensäurelöslichem und säureunlöslichem Lignin auch Extraktionskomponenten wie Zucker und Abbauprodukte, darunter Essigsäure, Furfural und 5-Hydroxymethylfurfural (HMF), qualitativ und quantitativ bestimmt werden. Die Extraktionsversuche zeigten bei Propanol und Iso-Propanol geringfügig und bei Butanol sogar deutlich höhere Ligninausbeuten als beim am häufigsten zum Einsatz kommenden Lösungsmittel Ethanol. Somit erwiesen sich diese Lösungsmittel für einen Organosolv-Aufschluss geeignet. Das Lösungsmittel Methanol wies sowohl die niedrigste Ligninausbeute als auch die schlechteste Selektivität zu Lignin auf und wird somit, zusätzlich zu dessen toxikologischem Nachteil, als ungeeignet eingestuft. Die höchste Gesamtlignin-Konzentration ergab sich bei Extraktionen mit Butanol bei einer Extraktionstemperatur von 200°C mit einem Plus von 31 % gegenüber zum Ethanol-Extrakt bei selber Temperatur. Dem höheren Anteil an Lignin im Extrakt stand jedoch auch ein höherer Anteil an unerwünschten Abbauprodukten und Zuckern gegenüber, wodurch eine genauere Prüfung der Wirtschaftlichkeit bei der Lignin-Gewinnung in weiteren Arbeiten empfohlen wird. Eine Erhöhung der Extraktionstemperatur von 160°C auf 180°C und 200°C führte zu einem näherungsweise linearen Anstieg des gelösten Lignins bei den verwendeten Lösungsmitteln. Durch dieTemperaturerhöhung wurden auch höhere Konzentrationen an Begleitstoffengemessen, wodurch genauere Untersuchungen in der Abtrennung von Lignin notwendig sind.Die Selektivität zu Lignin zeigte sich bei der organischen Butanol-Phase besonders günstig. Durch das Zweiphasengemisch von Butanol-Wasser entsteht eine Anreicherung des Lignins in der organischen Phase, während Zucker und Abbauprodukte vorwiegend in der wässrigen Phase verbleiben. Folglich weist die organische Butanol-Phase das beste Ausbeute-/Selektivitätsverhältnis für Lignin auf. Die wässrige Phase könnte aufgrund ihrer Zusammensetzung in anderen Bereichen, wie der Fermentation, Einsatz finden. Durchgeführte Trübungsversuche in Abhängigkeit des Alkoholgehalts lassen darauf schließen, dass das vorhandene Lignin bei Ethanol Extraktionen am schnellsten ausfällt und somit am einfachsten abgetrennt werden könnte. Hier fallen die meisten Ligninpartikel bereits bei einem Alkoholgehalt von 19wt% aus, während das Trübungsmaximum der organischen Butanol-Phase erst bei einemAlkoholgehalt von 5wt% erreicht wurde. Weitergehende Untersuchungen in Bezug auf die Möglichkeiten zur Fällung und Abtrennung von Lignin oder Ligninnanopartikeln sind zu empfehlen.

In the present work, the suitability of the organic solvents methanol, ethanol, propanol, iso-propanol and butanol for the use in organosolv pulping for the extraction of lignin from wheat straw was to be investigated. Experiments with these five organic solvents were performed at three different temperatures -160°C, 180°C and 200°C - to further investigate the effect on the composition of the extract. Besides acid-soluble and acid-insoluble lignin also extraction components such as sugars and degradation products, including acetic acid, furfural, and 5-hydroxymethylfurfural (HMF), should be determined qualitatively and quantitatively. The extraction experiments showed slightly higher lignin yields with propanol and iso-propanol and even significantly higher yields with butanol than with the most commonly used solvent, ethanol. Thus, these solvents proved suitable for organosolv pulping. The solvent methanol exhibited both the lowest lignin yieldand the poorest selectivity to lignin and is thus classified as unsuitable, in addition to its toxicological disadvantage. The highest total lignin concentration was found in extractions with butanol at an extraction temperature of 200 °C, with a plus of 31 % compared to the ethanol extract at the same temperature. However, the higher proportion of lignin in the extract was also offset by a higher proportion of undesirable degradation products and sugars, recommending a more detailed examination of the economics of lignin extraction in further work. Increasing the extraction temperature from 160°C to 180°C and 200°C resulted in an approximately linear increase in dissolved lignin for the solvents used. The temperature increase also resulted in higher concentrations of concomitant compounds being measured, necessitating more detailed studies in the separation of lignin.The selectivity to lignin was found to be particularly favorable with the organic butanol phase. The two-phase mixture of butanol-water results in an enrichment of lignin in the organic phase, while sugars and degradation products remain predominantly in the aqueous phase. Consequently, the organic butanol phase has the best yield and selectivity for lignin. Due to its composition, the aqueous phase could be used in other areas, such as fermentation.Turbidity experiments performed suggest that the lignin present precipitates most rapidly in ethanol extracts and thus could be separated most easily. In the ethanolextract the largest amount of lignin particles precipitated at an alcohol content of 19wt%, while the turbidity maximum of the organic butanol phase was only reached at an alcohol content of 5wt% requiring a higher dilution. Further investigations with regard to the possibilities for precipitation and separation oflignin or lignin nanoparticles are recommended.