Modelling and life-cycle assessment of pretreatment strategies for the bioconversion of lignocellulosic biomass

Abstract

Die Europäische Union hat in den letzten Jahren nachhaltige Wirtschaftskonzepte wie die Circular Bioeconomy (CBE) stark gefördert. Im Mittelpunkt einer CBE steht die nachhaltige, ressourceneffiziente Nutzung von Biomasse (z.B.: lignozellulosehaltige Reststoffe) und deren Umwandlung in energetische und stoffliche Produkte in Bioraffinerien. Unter diesen Gesichtspunkten hat lignozellulosehaltige Biomasse (LCB) ein enormes Potenzial als Rohstoff für die nachhaltige Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen, da sie hauptsächlich aus den polymeren Bestandteilen Zellulose, Hemizellulose und Lignin besteht, die in eine breite Palette von Bio-Plattformmolekülen umgewandelt werden können. Aufgrund der widerstandsfähigen Natur von LCB (Biomasse-Rekalzitranz) müssen diese Komponenten zunächst in geeigneten Vorbehandlungsschritten voneinander getrennt /fraktioniert werden, um ihre gleichzeitige Verwertung zu ermöglichen. Die Fraktionierung stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da dieVorbehandlungsschritte oft sehr energie- und ressourcenintensiv sind und nicht per se als nachhaltig und wertvoll angesehen werden können. Ziel dieser Masterarbeit war es daher, drei Vorbehandlungsszenarien für die Aufbereitung von Weizenstroh zu simulieren und zu analysieren, um die technisch-ökologische Performance bereits in einem frühen Stadium des Prozessdesigns zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde der Organosolv (OS)-Aufschluss (Szenario 1) und die Kombination aus OS- und Liquid Hot Water (LHW)-Aufschlüssen (Szenario 2: OS-LHW; Szenario 3: LHW-OS) mit der Prozesssimulationssoftware Aspen Plus® auf der Basis von Daten aus Laborversuchen modelliert. Die ermittelten Massen- und Energiebilanzen dienten als Grundlage für die Durchführung der Ökobilanz (LCA). Die Ergebnisse aus der Prozesssimulation und der Ökobilanz wurden zur Entscheidungsfindung herangezogen, um das Szenario zu identifizieren, das letztlich zu den qualitativ „hochwertigsten" Plattformprodukten (kolloidale Ligninpartikel, cellulosereicher Feststoff, zuckerreicher Flüssigkeitsstrom) und zu den geringsten ökologischen Auswirkungen führt. Es zeigt sich, dass die Kombination von LHW und OS (Szenario 3: LHW-OS) die geringsten ökologischen Auswirkungen bei gleicher oder höherwertiger Qualität der Zwischenprodukte hat. Diese Erkenntnisse können als Entscheidungshilfe für die weitere Entwicklung des Konzepts im Pilot- und Industriemaßstab genutzt werden

Over the past few years, the European Union has been strongly supporting sustainable economic concepts such as the Circular Bioeconomy (CBE). The focus of a CBE is the sustainable, resource-efficient use of biomass (such as lignocellulosic residues) and its conversion into value-added energy and material products via biorefineries. From these perspectives, lignocellulosic biomass (LCB) has enormous potential as a feedstock for the sustainable production of chemicals and fuels, as it consists mainly of the polymeric component’s cellulose, hemicellulose and lignin, which can be converted into a wide range of bio platform molecules. Due to the resistant nature of LCB (biomass recalcitrance), these components must first be separated from each other in suitable pretreatment steps to enable their simultaneous valorization. However, fractionation is a major challenge, as the pretreatment steps are often very energy- and resource-intensive and cannot be considered sustainable and valuable per se. Therefore, this master’s thesis aimed to simulate and perform an ecological analysis of three pretreatment scenarios for processing wheat straw to determine the technical-ecological performance at an early stage of the process design. For this purpose, Organosolv (OS) extraction (Scenario 1) and the combination of OS and Liquid Hot Water (LHW) extraction (Scenario 2: OS-LHW; Scenario 3: LHW-OS) were modelled using the Aspen Plus® process simulation software based on data from laboratory trials. The determined mass and energy balances served as the basis for carrying out the life-cycle assessment (LCA). The results from the process simulation and the LCA were used for decision-making to identify the scenario that ultimately leads to the "best" quality platform products (colloidal lignin particles, cellulose-rich solid, sugarrich liquid stream) and to the lowest ecological impact. It turns out that the combination of LHW and OS (scenario 3: LHW-OS) has the lowest ecological impact with the same or better quality of intermediate products. These findings can be used as decision-making support for further developing the concept at pilot and industrial scale