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Vorbehandlung und Hydrolyse agrarischer Reststoffe für die stoffliche Biomassennutzung

Oetken, Jörn GND

Der weltweit steigende Energiebedarf und der prognostizierte Mangel an fossilen Rohstoffen führen dazu, dass Alternativen für petrochemische Produkte und für die Energiegewinnung gefunden werden müssen. Für die stoffliche Nutzung, also der Ersatz von Öl für z.B. die Kunststoff-, oder Kraftstoffchemie ist bis jetzt noch keine zufriedenstellende Alternative verfügbar, da sie im Vergleich zu petrochemischen Produkten noch zu kostenintensiv sind. (Wyman 2007, Keim and Röper 2010, Brosowski, Adler et al. 2015) Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Arbeit eine Biomasse zu identifizieren, die für die stoffliche Biomassennutzung genutzt werden kann und nicht in Konkurrenz zur Lebens- oder Futtermittelproduktion steht. Dazu wurden verschiedene Rohstoffe (u.a. Weizenkaff sowie Weizen-, Gersten-, Soja- und Rapsstroh) untersucht da sie als Lignocellulosen viele hydrolysierbare Kohlenhydrate enthalten, in großen Mengen vorhanden sind und industriell wenig bis gar nicht genutzt werden. Zunächst wurden alle Rohstoffe charakterisiert und die theoretisch erreichbare Zuckerkonzentration mittels Säurehydrolyse (Sluiter und Hames 2006) ermittelt. Weizenkaff stellt dabei die vielversprechendste Biomasse dar, da diese aus ca. 60 % fermentierbaren Zuckern besteht. Im Anschluss an die Charakterisierung wurden verschiedene, thermochemische Vorbehandlungsmethoden (Liquid Hot Water (LHW), verdünnter Säurevorbehandlung sowie alkalische Vorhandlung mittels Natronlauge und Ammoniak (AFEX)) untersucht. Das Ziel dieser Untersuchungen war es, die verfügbaren Zucker für die enzymatische Hydrolyse zugänglich zu machen und dabei gleichzeitig die Bildung von Degradationsprodukten zu vermeiden. Diese können die anschließende Hydrolyse und eine mögliche, anschließende Fermentation hemmen. Die für Weizenkaff optimierten Verfahren sind dabei das LHW-Verfahren bei 200 °C/10 min, die saure Vorbehandlung bei 0,65 %iger Schwefelsäure und 125 °C/30 min sowie die 2 %ige NaOH Vorbehandlung bei 21 °C/15 h. Das mit NaOH vorbehandelte Kaff wurde im Anschluss für die Optimierung der enzymatischen Hydrolyse verwendet. Für die Hydrolyse wurden der Feststoffgehalt (5 – 30 %), die Rührgeschwindigkeit (5 – 500 rpm), die Hydrolysedauer (6 – 168 h) sowie die verwendete Enzymmenge (5 – 200 FPU) optimiert. Die ideale Hydrolyse erfolgt dabei bei 20 FPU, einer Hydrolysedauer von 96 h und einer Rührgeschwindigkeit von 15 rpm. Mit diesen Parametern kann ein Verzuckerungsgrad von 82 % erzielt werden.

Rising global demand of energy and the predicted absence of fossil fuels leads to find alternatives for petrochemicals. The replacement of crude oil for plastics or fuel chemistry is not easy because of the lack on alternatives. All available alternatives are still too expensive compared to petrochemical products. (Wyman 2007, Keim and Röper 2010, Brosowski, Adler et al., 2015) For this reason, the aim of this work is to identify a biomass that can be used for material use and it is not in competition with food or feed production. Various raw materials (wheat chaff, barley-, soybean- and rapeseed-straw) were investigated because they contain a huge amount of hydrolyzable carbohydrates as lignocelluloses. In addition to that, lignocelluloses are present in large quantities and industry is using only some of them. First of all, all raw materials were characterized and the theoretically achievable sugar concentration was determined by acid hydrolysis (Sluiter and Hames 2006). Wheatchaff is the most promising biomass and it consists of about 60 % of fermentable sugars. Following the characterization, various thermochemical pretreatment methods (Liquid Hot Water (LHW), dilute acid pretreatment, alkaline caustic soda and ammonia (AFEX) pretreatment) were investigated with the aim of achieving all available sugars for enzymatic hydrolysis with a minimal formation of degradation products. These degradation products can inhibit the hydrolysis and a possible subsequent fermentation. The optimized procedures for wheat chaff are the LHW process at 200 ° C/10 min, the acid pretreatment at 0.65 % sulfuric acid and 125 ° C/30 min and the 2 % NaOH pretreatment at 21 ° C/15 h. The NaOH pretreated chaff was used to optimize enzymatic hydrolysis. For the hydrolysis, the solid content (5 to 30 %), the stirring speed (5 to 500 rpm), the hydrolysis time (6 to 168 h) and the amount of enzyme used (5 to 200 FPU), were optimized. The ideal hydrolysis takes place at 20 FPU, a hydrolysis time of 96 h and a stirring speed of 15 rpm. With these parameters, a degree of saccharification of 82% can be achieved.

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Oetken, J., 2020. Vorbehandlung und Hydrolyse agrarischer Reststoffe für die stoffliche Biomassennutzung. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202002250830-0
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