Liquid hot water treatment of wheat straw : Influence of process time, solid to liquid ratio and acetic acid

Abstract

Aufgrund eines erhoehten Bewusstseins für Umweltfragen und durch die Verknappung fossiler Brennstoffe wird die Verwendung von nachwachsenden Ressourcen als moegliche Ausgangsprodukte für die Erzeugung von Waerme, Strom und Kraftstoffen, sowie für die Herstellung von verschiedenen Materialien und Chemikalien immer interessanter. Der in einzelnen Anwendungsbereichen erwirtschaftete Gewinn haengt dabei maßgeblich von der Effizienz der Vorbehandlung der Biomasse ab. Die Realisierbarkeit der Heißwasser- und Organosolv-Vorbehandlung bei verschieden Zeit-Temperatur Kombinationen wurde in frueheren Arbeiten der Arbeitsgruppe untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse bildeten dabei die Grundlage dieser Arbeit, die sich aus zwei Teilen zusammensetzt. Der erste Teil beinhaltet die experimentelle Untersuchung des Einflusses von Prozessbedingungen der Heißwasservorbehandlung und der kombinierten Heißwasser-Organosolv-Vorbehandlung auf die Prozessleistung ueber die Zeit. Ziel war es, die Abhaengigkeit der Produktausbeuten von der Prozessdauer, dem Feststoff- Fluessigkeit-Verhaeltnis und von der Zugabe von Essigsaeure zu untersuchen. Die gesammelten Daten wurden analytisch ausgewertet. Zusaetzlich wurden potenzielle Anwendungsmoeglichkeiten beider Verfahren in einer Bioraffinerie-Pilotanlage, die fuer die Vorbehandlung von Biomasse eingesetzt werden soll, bestimmt. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Reaktorauslegung eines geeigneten geruehrten Tankreaktors im Pilotmaßstab, der zum Aufschluss von Biomasse unter erhoehten Temperaturen und Druecken, mit heißem Wasser und/oder organischen Loesungsmitteln eingesetzt werden soll. Alternativ dazu wurde ein Durchflussreaktor der Firma Samtech GmbH für selbige Anwendung in Betracht gezogen. Alle Experimente zeigten, dass hauptsaechlich oligomere Zucker geloest wurden. Monomere Zucker wurden in erster Linie durch den partiellen Abbau der Oligomere zu Monomeren gewonnen, wobei die gebildeten Monomere teilweise weiter abgebaut wurden. Dadurch entstanden die Nebenprodukte 5-Hydroxymethylfurfural und Furfural. Zwei Messverfahren wurden für die Bestimmung von Lignin herangezogen und getestet. Einige wenige ausgewaehlte Messpunkte lieferten ein vergleichbares Verhalten wie in der Literatur beschrieben. In Abhaengigkeit der Prozessbedingungen, wurden Glucanausbeuten von 1 - 6 % und Hemicelluloseausbeuten von 6 - 88 % erzielt. Die Zugabe von Essigsaeure verursachte eine erhoehte Freisetzung aller Zuckerarten und fuehrte außerdem zu einem fruehzeitigen Abbau von Sacchariden, was die Nebenproduktbildung erhoehte. Die besten Ergebnisse (hohe Zuckerausbeuten bei gleichzeitig geringen Abbauproduktausbeuten) wurden bei Anwendung eines hohen Fluessigkeitgehaltes, einer niedrigen Konzentration an zugegebener Essigsaeure und kuerzeren Prozesszeiten von 15 - 30 Minuten erzielt. Der zusaetzlich für die Auswertung der Ergebnisse und Interpretation der Daten herangezogene Summenparameter -Severity Factor-, war gut geeignet. Eine automatisierte Anlage, wie das DIG-MAZ Extraktionssystem der Firma Samtech GmbH wird für die Vorbehandlung von Biomasse empfohlen, da es alle wichtigen Prozessschritte wie Auslaugung, fest-fluessig Trennung, Waschen und Entwaessern von Feststoff sowie die Loesungsmittelrueckgewinnung in einem System integriert. Dadurch verringert sich der apparative Aufwand und die Komplexitaet der Handhabung maßgeblich. In zukuenftigen Arbeiten sollte die Vorbehandlungsdauer, die Konzentration der zugegebenen Essigsäure und deren Verhalten waehrend dem Aufheizprozess weiter untersucht werden. Auch ist eine Verbesserung und Verfeinerung der Fest-Fluessig-Trennung und besonders der Lignin Analyse sehr zu empfehlen.

With increased awareness of environmental issues and scarcity of fossil fuels, the usage of biorenewable resources becomes an interesting opportunity for generation of heat, power, and fuels, as well as for production of different materials and chemicals. The profit in individual application areas significantly depends on the efficiency of the applied pretreatment. Previous works, conducted in the working group, examined the feasability of liquid hot water and organosolv processes at different time-temperature combinations. The gained experience formed the basis of this thesis, which comprises two parts. The first one is the experimental investigation of the influence of process conditions of Liquid Hot Water (LHW) and combined LHW and organosolv pretreatment on process performance and the determination of their potential applicabilities in a biorefinery pilot plant for usage of biomass. The aim was to examine the dependence of the product yields on process time, solid to liquid ratio and addition of acetic acid. The data gathered was evaluated analytically. The second part of this thesis regards the design of a suitable stirred pilot-scale tank reactor for pulping of straw under elevated temperatures and pressures, using hot water and/or organic solvents. Alternatively, a flow-through reactor system was proposed. In all experiments, mostly oligomeric sugars were released. Monomeric sugars were obtained by partial degradation of oligomers to monomers, which were then further degraded to side products such as hydroxymethylfurfural and furfural. In dependence of process conditions and severities, glucan yields of 1 - 6 % and hemicellulose yields of 6 - 88 % were achieved. The addition of acetic acid caused an increased release of all sugar species and earlier degradation of saccharides, which furthermore increased side product formation. Two different measurement methods were tested for determination of lignin. A few selected measurement points showed a similar behaviour as described in the literature. Best results (high sugar yields and low degradation product yields) were achieved with application of a high liquid content, a low concentration of acetic acid and process times of 15 - 30 minutes. The interpretation of data using the severity factor was suitable for the evaluation of the results. An automated flow-through reactor system (DIG-MAZ Extraction system) is recommended over a stirred tank reactor for pilot-scale treatment of biomass because it integrates biomass leaching, s/l separation, washing and dewatering of solids, and solvent recovery in one process. Thus, the equipment expense and complexity of handling is reduced significantly. In future work, the pretreatment duration, the concentration of added acetic acid and its behaviour during the heating up process should be investigated further. Also, refining of the solid-liquid seperation and lignin analysis is strongly recommeded.