Celluloseabbau bei der Organosolvbehandlung

Abstract

In dieser Arbeit wurde eine Methode zur Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung und des Polymerisationsgrades von Weizenstrohcellulose nach Organosolvbehandlung etabliert, um den Abbau von Cellulose zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurde ein HPSEC- (High Performance Size Exclusion Chromatography) System mit RI-Detektor eingesetzt, wobei die Kalibration des Systems mit Pullulan-Standards erfolgte. Bei der Organosolvbehandlung wurden Behandlungsdauer, Behandlungstemperatur, Ethanolgehalt, Essigsäuregehalt und die Partikelgröße variiert. Die erhaltenen Stroh-Fasern enthielten 29,2-54,5 % Glucan, 4,8-21,4 % Xylan, 0-1,9 % Arabinan, 0-0,7 % Galactan, 0-2,9 % Mannan, 0,7-3,6 % Asche, 6,6-17,3 % Lignin und 2,1-14 % Extraktstoffe. Je nach Stärke der Organosolvbehandlung konnten nur 39,8 - 92,5 % der Ausgangsmenge bei 32 °C für die HPSEC-Analyse in Lösung gebracht werden. Die ermittelten Polymerisationsgrade (DP Mw) für die Cellulose der Strohfasern lagen zwischen 8800 und 25000. Größeren Einfluss auf die chemische Zusammensetzung und den Polymerisationsgrad hatten die Variationen von Ethanolgehalt, Temperatur, und Essigsäuregehalt. Bei der Ethanol-Variation (30 min Behandlungsdauer) konnte bei 20 w % Ethanolgehalt die größte Entfernung von Xylan (4,8 % Restgehalt) und eine starke Delignifizierung (8,1 % Restgehalt) erzielt werden. Gleichzeitig wies die Probe auch den geringsten Polymerisationsgrad und die höchste Polydispersität (7,9) auf, was auf einen starken Abbau der Cellulose schließen lässt. Bei der Temperaturvariation (30 min) konnte mit steigender Temperatur eine steigende Delignifizierung (10-15,8 % Restgehalt) und sinkende Polymerisationsgrade (17000-20000) festgestellt werden. Bei Zugabe von Essigsäure (30 min) war bei 15 g/L eine starke Delignifizierung erkennbar (9,5 % Restgehalt). Auch ein deutlicher Abbau der Cellulose konnte festgestellt werden, der bei höheren Essigsäurekonzentrationen stärker ausfiel (DP 16000 bei 2 g/L und DP 14000 bei 15 g/L). Die etablierte Methode eignet sich für den relativen Vergleich zwischen unterschiedlich behandelten Weizenstrohproben, um Molekulargewichtsverteilungen zu bestimmen und daraus Informationen über den Abbau von Cellulose und die Stärke des Aufschlusses zu gewinnen.

In this work, a method for determining the molecular weight distribution and degree of polymerization of wheat straw after Organosolv-treatment was established in order to investigate cellulose degradation. For that purpose, a HPSEC (High Performance Size Exclusion Chromatography) system with RI detection was used, and the calibration of the system was carried out with pullulan standards. During Organosolv treatment, duration and temperature of treatment, amount of ethanol, acetic acid and the particle size were varied. The obtained straw fibers contained 29.2-54.5 % glucan, 4.8-21.4 % xylan, 0-1.9 % arabinan, 0-0.7 % galactan, 0-2.9 % mannan, 0.7-3.6 % ash, 6.6-17.3 % lignin, and 2.1-14 % extractives. Depending on the severity of the Organosolv treatment and at a dissolution temperature of 32°C, only 39.8-92.5 % of the initial amount of fiber material could be dissolved for HPSEC-analysis. The determined degrees of polymerization (DP Mw) of cellulose from the straw fibers ranged between 8800 and 25000. Significant changes in chemical composition and degree of polymerization could be detected during variation of temperature, amount of ethanol, and acetic acid. When varying ethanol (30 min treatment time), the largest removal of xylan (4.8 % residual xylan) and extensive delignification (8.1 % residual lignin) both were achieved at 20% (w/w) ethanol content. At the same time the sample also showed the lowest degree of polymerization (8800) and the highest polydispersity (7.9), indicating severe degradation. During temperature variation (30 min) increasing delignification (10-15.8 % residual content) and decreasing degrees of polymerization (17000-20000) with rising temperature were detected. Extensive delignification (9.5 % residual lignin) was observed when adding acetic acid (30 min) at 15 g/l. Significant degradation of cellulose was also observed that became more severe with increasing acetic acid concentrations (DP 16000, 2 g/l and DP 14000, 15 g/l). The established method is suitable for relative comparisons of molecular weight distributions of differently treated wheat straw fibers and hence for obtaining information regarding degradation of cellulose and severity of Organosolv treatment.