A pretreatment process for wood based on ionic liquids

Viell, Jörn; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor)

Als Ms. gedr.. - Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

In: Fortschritt-Berichte VDI : Reihe 3, Verfahrenstechnik 942
Seite(n)/Artikel-Nr.: XI, 200 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Die Fähigkeit zur Lösung von Cellulose in ionischen Flüssigkeiten initiierte die Idee einer vollständigen Auflösung von Holz zur weiteren enzymatischen Hydrolyse der Makromoleküle. In dieser Arbeit wird daher vom Experiment bis zur Simulation ein Prozess für die Vorbehandlung von Holz mittels ionischer Flüssigkeiten entwickelt. Erstens wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zu den Lösungsmechanismen mit ionischen Flüssigkeiten mit dem Ziel einer effizienten enzymatische Hydrolyse durchgeführt. Zur Charakterisierung werden neben detaillierten Massenbilanzen die Mikroskopie, die Röntgenstreuung und die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Zweitens wurde mit den gewonnenen Daten ein konzeptioneller Prozessentwurf mit Hilfe eines Prozesssimulators (Aspen Plus) erstellt. Die energetische und ökonomische Bewertung identifiziert die Potentiale des entwickelten Prozesses. Die experimentellen Ergebnisse im ersten Teil der Arbeit zeigen, dass die Auflösung sehr langsam verläuft. Die Konzepte zur vollständigen Auflösung von Holz erscheinen deshalb unrealistisch für eine technische Umsetzung. Allerdings zeigen die untersuchten ionischen Flüssigkeiten deutliche Unterschiede im Lösungsverhalten mit unterschiedlichen Hölzern. Tatsächlich kann mit EMIMAc diese Lösungsrate für mehrere Partikelgrößen von Abmessungen im Mikrometerbereich bis hin zu Holzchips mit 10 mm Länge beobachtet werden. Diese partiell größenunabhängige Lösung wird auf einen Desintegrationseffekt von EMIMAc zurückgeführt, der ein zerfasertes Material mit deutlich höherer spezifischer Oberfläche erzeugt. Dieser Desintegrationseffekt ist durch systematische Analyse genutzt worden, um ein schnelles und effektives Vorbehandlungsverfahren zu entwickeln. Das damit erarbeitete Prozesskonzept zur Vorbehandlung von Buchenholzschnitzeln hat eine Verweilzeit von 1,5 h bei 115°C bei einem maximalen Wassergehalt in EMIMAc von 8,5 m-%. In Kombination mit einer enzymatischen Hydrolyse zu Zuckern ergibt sich bereits nach 5 h eine Ausbeute von bis zu 65 m-% in Form löslicher Zucker. Sowohl die Verweilzeit als auch die Ausbeute ist damit im Vergleich zu unvorbehandelter Biomasse um eine Größenordnung verbessert worden. Das Prozesskonzept wird im zweiten Teil der Arbeit in einen konzeptionellen Entwurf eines technischen Prozesses überführt. Die Prozesssimulation wurde inklusive geschlossener Rückführungen und Energieintegration durchgeführt, was die Analyse des technischen Energiebedarfs und des ökonomischen Potentials ermöglicht. Der gesamte Energiebedarf ist niedriger als beim Organosolv-Verfahren mit organischen Lösungsmitteln, wird aber ähnlich von der Wiederaufbereitung des Lösungsmittels dominiert. Dabei begründet die Thermodynamik der hygroskopischen ionischen Flüssigkeiten mit Wasser eine schlechtere Effizienz der Wärmeintegration. Es ergibt sich mit 7 MJ/kg_Biomasse ein Bedarf von 34% des Energieinhaltes des eingesetzten Holz zur Produktion von Zuckern mit Lignin als potentiellem Nebenprodukt. Die wirtschaftliche Analyse zeigt einen hohen Einfluss der Rückgewinnungsrate der ionischen Flüssigkeit und deren Kosten auf die Ökonomie. Trotz sehr niedrig angenommener Preise für die ionische Flüssigkeit lassen nur sehr hohe Rückgewinnungsraten eine wirtschaftliche Arbeitsweise möglich erscheinen. Wesentlich für eine wirtschaftliche Attraktivität ist daher eine höhere Inwertsetzung durch hochwertigere Produkte aus Lignin und Kohlenhydraten und die Entwicklung von effektiveren Abtrennkonzepten zur Abtrennung der Lösungsmittel und der Produkte. Die Kapitalkosten des entwickelten Prozesses sind jedoch im Vergleich zum Organosolv-Verfahren halbiert, was Vorteile bei der dezentralen Umsetzung bei kleinen Anlagengrößen ergibt. Die maßgeschneiderte Applikation der zugrundeliegenden ionischen Wechselwirkungen in reaktiven Aufschluss- und Konversionsprozessen stellt daher weiteres Potential in biobasierten Wertschöpfungsketten in Aussicht.

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