Charakterisierung des produzierten Lignins und der Biomasse nach Organosolvbehandlung

Abstract

In Anbetracht des stetig steigenden weltweiten Verbrauchs nicht erneuerbarer Ressourcen, im Besonderen Erdgas, Erdöl und Kohle, wird man mittelfristig nicht um ein Umdenken in Richtung Alternativen herumkommen. Dies vor allem im Hinblick auf das Einhalten politisch und völkerrechtlich bindender Abkommen mit der weltweiten Staatengemeinschaft, um Auswirkungen auf unsere gemeinsame Umwelt und das soziale Gefüge so gering wie möglich zu halten. Dazu ist es notwendig, Sektoren des Energiemix, basierend auf erneuerbaren und nachhaltigen Energieträgern zu stärken und die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen zu reduzieren. Die Komplexität, welche technisch nutzbare Biomasse als natürlicher Rohstoff mit sich bringt, stellt aber für viele industrielle Verfahren eine Herausforderung dar. Dies vor allem bezugnehmend auf eine reproduzierbare Qualität und Quantität des Erzeugnisses. Als vielversprechende Substanz hinsichtlich der Weiterverarbeitung als Substituent im Bereich der Petrochemie, aber auch in anderen wichtigen Branchen, wurde in dieser Arbeit Lignin aus Weizenstroh untersucht. Dabei wurden erzielbare Ausbeuten, Fällausbeuten, Molekulargewichte, phenolische OH-Gruppen und Partikelgrößen ermittelt und deren Abhängigkeiten von variierten Prozessparametern, Fällmethoden und Reihenfolgen der Fällung erfasst. Durchgeführt wurde dies mit gewonnenem Lignin aus einem zweistufigen Aufschluss (erste Stufe: LHW-Vorbehandlung, zweite Stufe: EOS-Aufschluss des vorbehandelten Strohs) in kleinen Hochdruckreaktoren und einem separaten EOS-Aufschluss (ohne LHW-Vorbehandlung) in einem größeren 1-Liter Reaktor. Die, durch Neben- und Abbauprodukte, aufgetretenen Schwierigkeiten bei der Konzentrationsbestimmung des Lignins, wurden durch die Entwicklung einer Korrektur-Methode bestmöglich beseitigt. Aus den Versuchen der Kleinreaktoren konnte keine Abhängigkeit der Fällausbeute von der eingesetzten Partikelgröße gefunden werden. Für säuregefälltes Lignin ergaben sich dabei Fällausbeuten zu ca. 56% und für destillativ gefälltes zu ca. 62-73%. 60w% Ethanol in der Aufschlusslösung konnte als optimal für eine ertragreiche Fällung ermittelt werden. Für die Ligninausbeuten, bezogen auf das eingesetzte LHW-Stroh, konnte eine Steigerung mit zunehmender Aufschluss-Temperatur gezeigt werden. Nach Zusatz von 30g/l Essigsäure in den Reaktor, verringerte sich die Ausbeute auf Grund vermehrt auftretender Abbaureaktionen. Ausbeutewerte bei Variation der Partikelgröße von ca. 13-15% für säuregefälltes und ca. 13-17% für destillativ gefälltes sind auf die zweistufige Verfahrensweise zurückzuführen. Durch Zugabe von 15 g/l Essigsäure in den Reaktor ließ sich die Ausbeute auf 25% (säuregefällt) und 36% (destillativ gefällt) steigern. Molekulargewichte der Lignine lagen deutlich unter vergleichbaren Werten in der Literatur. Ein Anstieg der Anzahl an phenolischen OH-Gruppen über die Temperatur wurde bestätigt. Die Partikelgröße des gefällten Lignins für den 160°C Aufschluss betrug 0,3-1µm. Bei den Versuchen des EOS-Aufschlusses im Großreaktor konnte eine Erhöhung der Fällausbeuten durch Zugabe von Schwefelsäure vor der Destillation erreicht werden. Die Molekulargewichte hingen weniger stark von der Fällreihenfolge ab, als die Anzahl der OH-Gruppen. In Zukunft sollte man besonderes Augenmerk auf die Isolation des Lignins legen und ermittelte Größen auch in Abhängigkeit der Aufschlusszeit ermitteln.

In light of the fact that there is a worldwide increase of the consumption of non renewable resources, especially natural gas, crude oil and coal, there will be no way around a different way of thinking in terms of searching for alternatives in the medium term. This especially in accordance with political and international law arrangements to prevent a non stoppable impact on our environment and the social fabric. Therefore it is necessary to strengthen those sections in the general energy mix which are based on renewable and sustainable resources and lower the dependence on non renewable resources in general. The complexity the use of technical biomass brings along is challenging industrial plants and concepts nowadays. This especially in the meaning of a reproducible quality and quantity of the target product. As a very promising substance in terms of further processing as a substituent for the petrochemical industry and other industrial sectors, precipitated lignin of wheat straw was analysed in this work. Yield based on lignin in the processed wheat straw, yield based on lignin in the liquor (precipitation-yield), molecular weights, phenolic OH-groups and particle size were measured and the dependence of a variation of process parameters and precipitation methods were carried out. This was managed with precipitated lignin out of a double-staged process (first stage: LHW-pre-treatment, second stage: EOS-process of pre-treated wheat straw) in small high-pressure reactors and in a separate experiment with a bigger 1-liter reactor (without LHW-pre-treatment). The difficulties occurred due a high amount of breakdown products inflicting the measurement of lignin concentration in the liquor was debugged by a correction-method. For the precipitation-yield no dependence was found in terms of variation of particle size in the high-pressure reactors. 56% yield for acid-precipitated and 62-73% yield for lignin precipitated by distillation was found. 60% of ethanol in the liquor was found to be optimal for a high yield. An increase of yield in reference to lignin in wheat straw was seen with increasing process temperature. An addition of 30 g/l acetic acid in the reactor resulted in a reduction of yield due an increase in degradation reactions. 13-15% yield for acid-precipitated and 13-17% yield for lignin precipitated by distillation was found due the double-stage process. The addition of 15g/l acetic acid resulted in an increased yield for acid -precipitated lignin (25%) and lignin precipitated by distillation (36%). The molecular weights were seen below those given by references. An increase of phenolic OH-groups with increasing process temperature was confirmed. The particle size for lignin from the mild 160°C-reactor was about 0,3-1µm. An increase of precipitation-yield after addition of sulphuric acid before distillation was seen for experiments on the bigger 1-liter reactor. The molecular weights were less inflicted by the precipitation order than the amount of phenolic OH-Groups. In the future there should be carried out a more specific way of lignin-isolation and analysed values should also be measured in terms of a variation of process time.