Untersuchung der Lignin- und Kohlenhydrate-Extraktionskinetik während der Organosolv Behandlung von Weizenstroh

Abstract

In Hinblick auf die Abnahme der Rohölvorräte und den mit dem Anstieg der Weltbevölkerung einhergehenden Anstieg des Energiebedarfs rücken erneuerbare Energiequellen, speziell Biomasse, in letzter Zeit immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Um die Biomasse als Basis für Biokraftstoffe und unterschiedlichste Chemikalien nutzen zu können, muss diese vorbehandelt und anschließend weiteren Prozessen unterzogen werden. Die kinetischen Vorgänge während der Vorbehandlung von Biomasse (hier Weizenstroh) stellen wichtige Einschränkungen für die Auslegung eines industriellen Prozesses dar. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die nötigen Daten ermittelt werden um den Abbau der einzelnen Komponenten beschreiben zu können. Dazu wurde zu Beginn eine ausführliche Literaturrecherche durchgeführt um den nötigen Wissensstand für die im praktischen Teil angewandten kombinierten Verfahren Heißwasser (LHW) und Organosolv (EOS) zu erlangen. Der experimentelle Teil umfasste die Verwendung eines bestehenden Hochdruckreaktors für die LHWBehandlung und die Fertigstellung und Inbetriebnahme eines Systems von fünf Hochdruckreaktoren für die EOS-Behandlung. Nach der Inbetriebnahme des Reaktorsystems wurden nun Aufschlussversuche durchgeführt. Für die EOSBehandlung wurden die Parameter Verweildauer, Temperatur, pH-Wert, Partikelgröße und Anteil des Ethanols im Lösungsmittel variiert. Bei der LHW-Behandlung wurde alleinig die Partikelgröße variiert. Die bei den Versuchen anfallende flüssige Phase wurde nach ausgewählten Probenaufbereitungsverfahren und Analyseprozeduren auf Lignin, Kohlenhydrate und Kohlenhydrat-Abbauprodukte untersucht. Erwartungsgemäß lösten sich während der Heißwasserbehandlung ein Großteil der Hemicellulose, hauptsächlich Xylose-Oligomere, und ein geringer Anteil an Lignin. Im EOS-Schritt war der zeitliche Verlauf des gelösten Anteils an Lignin bei allen durchgeführten Versuchen annähernd gleich. Es konnten bei höheren Prozesstemperaturen und Essigsäurekonzentrationen höhere Anteile an gelöstem Lignin gemessen werden. Beim Variieren des Ethanolanteils im Lösungsmittel erfolgte der Trend gegensätzlich. Die Partikelgröße hatte keinen Einfluss. Zum zeitlichen Verlauf der Kohlenhydrate kann keine allgemeine Aussage getroffen werden. Die Zucker gingen wie bei den LHW-Versuchen hauptsächlich als Oligomere in Lösung. Beim Anteil an gelösten Kohlenhydraten konnte die gleiche Parameterabhängigkeiten wie bei Lignin nachverfolgt werden. Für die Kohlenhydrat-Abbauprodukte Furfural und HMF konnte im Allgemeinen abhängig von den Prozessparametern ein Anstieg über die Versuchsdauer verzeichnet werden. Bezugnehmend zu den Prozessparametern ergaben sich auch hier gleiche Trends wie bei Lignin und Kohlenhydraten. In weiterführenden Arbeiten könnten beispielsweise die zeitlichen Vorgänge während anderen Vorbehandlungsmethoden wie z.B. der basische Aufschluss untersucht werden.

In terms of decreasing crude oil stocks and with the increase of the world population accompanied by the increase of power demand, renewable energy sources, especially biomass, move more and more in the centre of attention. To be able to use the biomass as a base for biofuels and different chemicals it must be pretreated and supplied to other process steps afterwards. The kinetic processes during the pretreatment of biomass (wheat straw in this case) determine important restrictions for the design of an industrial process. Within the scope of this work, the necessary data to describe the degradation of the single components should be determined. A detailed literature search was carried out at the beginning to attain the necessary level of knowledge for the combined treatment methods applied in the practical part (Liquid Hot Water and Organosolv). The experimental part comprised the use of an existing high-pressure reactor for the LHW-treatment and the completion and comissioning of a system of five high-pressure reactors for the EOS-treatment. After the initial start-up of the reactor system treatment experiments were carried out. For the EOS-treatment, the parameters resistance time, temperature, pH, particle size and mass fraction of the ethanol in the solvent were varied. For the LHW treatment simpley particle size was varied. The liquid phase resulting from the experiments was analysed after selected sample preparation processes and analysis procedures for lignin, carbohydrates and carbohydrate degradation products. As expected, a large part of the hemicellulose, primarily oligomeric xylose, and a low amount of lignin were released during the LHWtreatment. The temporal course of the lignin fraction was approximately the same at all experiments carried out in the EOS step. Larger amounts of lignin could be measured at higher process temperatures and acetic acid concentrations. With the variation of the ethanol mass fraction in the solvent a contradictorily trend could be ascertained. The particle size had no influence. To the temporal course of the carbohydrates no general statement can be ascertained. The carbohydrates dissolved primarily as oligomers like in the LHW step. At the dissolved carbohydrates the same parameter dependencies could be ascertained like with the lignin fractions. For the carbohydrate degradation products furfural and HMF, an increase over the test duration could be registered generally depending on the process parameters. With reference to the process parameters the same trends also occured here like with lignin and carbohydrates. In continuing works, for example, the temporal processes could be examined during other pretreatment methods, for example the Alkaline pretreatment.