Verfahrenstechnische Untersuchung des Ethanol-Wasser-Organosolvaufschlusses von Lignocellulose in einer integrierten Pilotanlage

Abstract

Die Fraktionierung von Lignocellulose in die Hauptbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin stellt eine wesentliche Vorrausetzung für eine vollständige und hochwertige stoffliche Nutzung als nachwachsender Chemierohstoff dar. Der Ethanol-Wasser-Organosolvprozess wurde bereits von verschiedenen Gruppen im Labormaßstab untersucht und optimiert. Eine erste kommerzielle Umsetzung scheiterte, ohne das wesentliche technische Daten und Hindernisse bekannt geworden sind. Auf dem weiteren Weg zur technischen Realisierung des Verfahrens ist es zweckmäßig, zunächst eine Übertragung in den Pilotmaßstab durchzuführen. In diesem können skalierbare Aggregate sowie industrielle Partikelgrößen und Flottenverhältnisse eingesetzt werden. Zudem lassen sich wesentliche Folgeprozesse, die maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sind, mit abbilden. Damit können die verfahrenstechnischen und ökonomischen Risiken bei einer großtechnischen Umsetzung verringert werden. Zusätzlich können Produkte unter industrienahen Prozessbedingungen bereitgestellt und analysiert werden. Die vorliegende Arbeit behandelt den Ethanol-Wasser-Organosolvaufschluss von Buchenholz im Pilotmaßstab. Es werden Prozessmodelle für die Delignifizierung und Hemicellulosesolubilisierung entwickelt, die den Einfluss der Aufschlussparameter Temperatur, Zeit und Einsatzmenge von Schwefelsäure als homogenen Katalysator berücksichtigen. Die Modelle ermöglichen die Vorhersage, Optimierung und Überwachung des Prozesses und können als Grundlage für eine Übertragung in den großtechnischen Maßstab dienen. Weiterhin erfolgt die Quantifizierung und Charakterisierung der Produkte in Abhängigkeit der Aufschlussparameter. Die Produkteigenschaften sind essenziell für die Entwicklung von Anwendungen und eines Marktes, der Voraussetzung für eine Kommerzialisierung des Verfahrens ist. Weiterhin wird die Organosolv-Fraktionierung weiterer Rohstoffe (Fichte, Eukalyptus, Weizenstroh und Miscanthus) erstmalig im 400 L Pilotmaßstab umgesetzt. Der Vergleich der Ergebnisse ermöglicht rohstoffspezifische Empfehlungen. Zum Abschluss erfolgt die Bilanzierung aller Stoffströme eines Aufschlusses von Buchenholz unter optimierten Bedingungen sowie der Folgeprozesse. Dabei werden wichtige Aspekte identifiziert, die für eine wirtschaftliche Betriebsführung entscheidend sind.