Projekt 13226/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Bioraffinerie der 2. Generation: Optimierung der Prozessführung zur Gewinnung werthaltiger Zucker und naturbelassenen Lignins aus Roggenstroh-Lignocellulose

Projektdurchführung

Technische Universität Hamburg (TUHH) Institut für Thermische Verfahrenstechnik
Eißendorfer Str. 38
21073 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel dieses Ergänzungsprojektes ist die Bearbeitung von neu aufgeworfenen Fragestellungen aus dem Vorprojekt (DBU AZ13157-32). Diese umfassen unter anderem die Gewinnung eines hochwertigen Xyloseproduktes mittels Heisswasserhydrolyse (LHW), die Bestimmung von experimentellen Daten mit Relevanz zur Maßstabsvergrößerung, sowie der Vergleich des Prozesses mit konventionellen Methoden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNotwendiger Ausgangspunkt für die Arbeiten ist die Konstruktion und Inbetriebnahme einer Hochdruck-Hydrolyseseinheit. Mit dieser Anlage sind nachfolgend Parametervariationen zur Optimierung der Prozesstemperatur, des Drucks, der Verweilzeit sowie der mechanisch/stofflichen Probenvorbehandlung möglich, des weiteren können Enzyme für die Einsatzfähigkeit unter diesen Bedingungen getestet weren.
Das im Labormaßstab bestehende Verfahren soll weiterhin für Produktionsalternativen zum Bioethanol genutzt werden, insbesondere die Gewinnung der Xylose sowie des Lignins. Die Ergebnisse werden in einem großtechnischen Szenario (50 kT/a Bioethanol) hinsichtlich Ihrer Wirtschaftlichkeit, Energie- und Umweltbilanz abgeschätzt.


Ergebnisse und Diskussion

Innerhalb der Arbeiten hat sich herausgestellt, dass das durchströmte Festbettverfahren eine realistische Herangehensweise für die angesprochenen Verfahren erlaubt. Im 50 mL und 2 L Maßstab wurde eine integrierte Hochdruck-Hydrolyse und Enzymkatalse-Anlage konstruiert (Abb.1). Für den zentralen Verfahrenschritt der Heißwasserhydrolyse wurde eine durchströmte Festbettanlage bei Betriebstemperaturen von bis zu 250°C und einem Druck von 30 bar festgelegt. Es konnte gezeigt werden, dass die Beeinträchtigung der Aktivität der verwendeten Cellulasen (z. B. Celluclast 1.5L) beim Pumpvorgang bei geringen Druckgradienten vernachlässigbar ist.

Durch den Einsatz einer Ultrafiltrationsmembran ist es möglich, derartige Bedingungen zu erreichen. Eine Wechselwirkung zwischen Enzymen und vorbehandeltem Festbett ist nachweisbar, eine vollständige Konversion erscheint technisch möglich. Dabei sind sowohl hohe Beladungen, als auch hohe Ausbeuten und hohe Zuckerkonzentrationen erreichbar

Eine optimale Subtratvorbereitung / Pelletierung und eine genau definierte Verweilzeit der Substratmasse im Festbettreaktor sind erforderlich, um Nebenprodukte für die Bioethanolherstellung zu vermeiden. Furfurale sind hemmend für den enzymatischen Abbau und die folgende Vergärung, aber sie sind selbst ein wichtiger Grundstoff für die Chemische Industrie. In einem Modellversuch mit Xylose konnten eine Konversion von 98 % erreicht werden, und eine Furfuralausbeute von 55% mol wurde erzielt. Die optimalen Bedingungen lagen bei 230°C, und einer Verweilzeit von 29 min in LHW-Umgebung, die Abtrennung erfolgte durch überkritische Extraktion mit verdichtetem CO2.
Durch die LHW-Behandlung werden zudem zwei Arten von Lignin produziert. Das lösliche Lignin weist eine relativ gute Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln auf. Die Molmasse liegt bei 2600 g/mol und entspricht dem Organosolv Lignin. Die Fraktion kann dementsprechend als Ausgangsstoff für Anwendungen in neuartigen Werkstoffen eingesetzt werden
Aus den Ergebnissen wurde eine Verarbeitungseinheit mit einem Ausstoß von 50.000 to EtOH/Jahr modelliert, die stofflichen und energetischen Bilanzen wurden hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit abgeschätzt. Das schematische Prozessdiagramm ist in Abb. 2 zu sehen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Zwischenergebnisse im wissenschaftlichen Kontext wurden bereits auf der Jahrestagung des Fachausschusses der Dechema/Process-Net für Hochdrucktechnik in Fulda (2010) präsentiert. Die Konzeption und die Funktionsweise der integrierten Hochdruckanlage wurde dann erstmals bei der Process-Net Fachausschusstagung in Maribor (2011) mit Verweis auf die Förderung durch die DBU, im Vortrag vorgestellt. Es erfolgten Manuskriptveröffentlichungen in der Fachzeitschrift Holzforschung (Kirsch et al. 2011) sowie in Chemie-Ingenieur-Technik(Zetzl et al., 2011, 2012).
Die in Abbildung 1 beschriebene Anlage zeichnet sich durch die variable Einsatzfähigkeit für alle Arten lignocellulosehaltiger Biomasse aus. Diese Anlage und ist demzufolge zentraler Bestandteil einer Spin-off Initiative von Doktoranden des Instituts (EXIST 111103EFT9HH08, Antragsteller L. Perez-Cantu). Die Anlage und die damit verbundene Dienstleistung wurden beim BERBION-Symposium Nachhaltige Stadt der Zukunft in Hamburg-Bergedorf am 24. und 25. August präsentiert. Es entwickelte sich daraus eine Kooperation mit einem mittelständischen Obstverarbeitungsunternehmen, und dem Vorhaben, die Wertschöpfung aus den Abfallstoffen zu optimieren (DBU-Projektskizze Az 30915)


Fazit

Alle bis zu diesem Zeitpunkt durchzuführenden Arbeiten des Arbeitsplanes wurden durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Integration von thermischer und enzymatischer Hydrolyse möglich ist. Dabei wurde vor allem der Einfluss der Reaktorperipherie und des Festbetts auf die enzymatische Reaktion betrachtet. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass für einige der verwendbaren Enzyme eine Stabilisierung bei erhöhten Temperaturen durch Druck möglich ist und sich dadurch die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit deutlich steigern lässt.
Auf Grund der bisherigen Ergebnisse ist nicht davon auszugehen, dass in naher Zukunft eine enzymatische Reaktion über 100°C durchgeführt werden kann. Daher wurde ein Anlagenkonzept entwickelt, um die noch vorhandenen Beschränkungen im Bereich der enzymatischen Hydrolyse zu kompensieren. Über die Verwendung einer Membran zur Abtrennung der monomeren und dimeren Zucker wird eine Hemmung der vorhergehenden enzymatischen Schritte verhindert und zudem das Produkt einfach von den eingesetzten Enzymen getrennt.