Entwicklung von Verfahren und Prozessmodellen zur Fraktionierung von Lignocellulose

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung von Verfahren und Prozessmodellen zur Gewinnung von getrennten Glukose-, Xylose- und Ligninproduktströmen aus ausgewählten lignocellulosehaltigen Rohstoffen. Hierzu wurden die einzelnen Prozesse der Vorbehandlung, der enzymatischen Hydrolyse und der Detoxifikation optimiert und zu einem Gesamtverfahren verknüpft.

Ein Vergleich verschiedener Vorbehandlungsverfahren zu Beginn der Untersuchungen zeigte, dass die Wirkungsweise eines Vorbehandlungsverfahrens vom eingesetzten Rohstoff abhing. Während für Weizenstroh ein NaOH-Aufschluss zu einer effizienten Fraktionierung führte, konnten Miscanthus und Pappelholz mittels eines säurekatalysierten Ethanol-Organosolv-Prozesses effektiv aufgeschlossen werden. Nachdem die Vorbehandlung der Rohstoffe Weizenstroh, Miscanthus und Pappelholz optimiert und entsprechende Prozessmodelle erstellt wurden, wurde die enzymatische Hydrolyse der vorbehandelten Cellulosefaser bei hohen Feststoffkonzetrationen betrachtet. Versuche im Schüttelkolben zeigten, dass mit steigendem Feststoffgehalt die Ausbeuten aufgrund der höheren Viskositäten sanken. Somit musste für die Prozessentwicklung eine Intensivierung des Stofftransportes realisiert werden. Aus diesem Grund wurde das Reaktionssystem von einem Schüttelkolben auf ein skalierbares Rührreaktorsystem übertragen. Hierfür wurden ein doppelstufiger Schrägblattrührer und ein Segmentwendelrührer eingesetzt, die speziell für die Hochfeststoffhydrolyse konzipiert wurden. Das in dieser Arbeit entwickelte Reaktorkonzept konnte im Vergleich zu Reaktorsystemen aus der Literatur sehr effizient lignocellulosehaltige Substrate bei hohen Feststoffgehalten > 10 % TS innerhalb von 48 h hydrolysieren. Die anschließende Beschreibung der Reaktionskinetik wurde mit dem sogenannten Multireaktionsmodell beschrieben. Das Modell wurde dabei modifiziert, um Reaktionen, die unter Stofftransportlimitation ablaufen, ebenfalls beschreiben zu können. Zur Abtrennung von inhibierenden Lignocellulose-Abbauprodukten, wie beispielsweise Furfural, HMF, organischen Säuren oder phenolischen Komponenten, wurden in der vorliegenden Arbeit sowohl Laccase-katalysierte als auch adsorptive Detoxifikationsverfahren entwickelt und angewendet. Die Detoxifikationswirkung der entwickelten Verfahren wurde abschließend anhand der Kultivierung von P. stipitis in einer Organosolv-Aufschlusslösung untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass alle Detoxifikationsverfahren die Ethanolproduktivität von 0,13 g/(L*h) auf 0,18 - 0,22 g/(L*h) in der Reihenfolge Laccase < Laccase+A103S, MN202+A103S < MN202 steigern konnten.

In this work new processes and processs models were developed for the effiecient and selective fractionation of ligncellulosic feedstocks to pure product streams of glucose, xylose and lignin. For this purpose the single unit operations of pretreatment, enzymatic hydroysis and detoxification of the prereatment hydrolysates were optimized and combined to a whole process conversion process.

By comparing several pretreatment methods it could be stated out, that the pre-treatment step was depending on the type of lignocellulosic substrate. Wheat straw could be successfully pretreated by a NaOH method, whereas the accessibility of miscanthus and poplar wood was significantly increased by an acid catzalyzed ethanol organosolv process. After the pretreatment of wheat straw, miscanthus and poplar wood the enzymatic hydrolysis of the fibre at a high solid content was investigated. Shaking flask experiments revealed a decrease of glucose yield with increasing solid content, because the slurry viscosities increased. Consequently, an appropriate reaction system had to intensify the mass transport within the slurry. For this reason a scalable stirred tank reactor was chosen. A helical segemented and a diagonal flat blade stirrer were investigated as possible stirring geometries for high solid hydrolysis. In comparison to literature, the devoleped reaction system could effectively hydrolyse the pretreated wheat straw within 48 h at solid contents > 10 % dry matter. The reaction kinetic was described by a multi reaction model to predict the time curve of the glucose. For reactions at high solid content, the multi reaction model was modified to include mass transport limitations. Immobilized Laccase and different adsorbers were for the separation of ligncellulose degradation products like furfural, HMF, orgaic acids or phenilic compounds within the pretreatment hydrolysates. The cultivation of P. stipitis in detoxified pretreatment hydrolysate was susbsequently investigated to evaluate the detoxification potential of the different methods. It could be pointed out that all methods were able to restore the fermentability of the pretreatment hydrolysate. The ethanol productivities increased in the order of laccase < laccase+A103S< MN202 < MN202+A103S and were in the rage of known productivities from literature.