lignin – schlüssel- komponente in der lignocellulose...

Pilotprojekt Lignocellulose-Bioraffinerie:

Lignin –Schlüssel-

komponentein der

LignocelluloseBioraffinerie

Jochen Michels, Kurt Wagemann,DECHEMA e.V. Frankfurt am Main


Projektdaten

Verbundvorhaben mit 15 Partnern

• Industrie: 4 Partner

• KMU: 2 Partner

• Außeruniv. FE*: 4 Partner

• Hochschule: 5 Partner

Laufzeit: 06/2007 – 05/2009

Finanzierung

• Gesamtvolumen € 2,6 Mio.

• Fördervolumen € 1,8 Mio.

• Förderung durch das BMELV

Projektträgerschaft

• Begleitung durch Projektträger FNR

* Außeruniversitäre Forschungseinrichtung


Das Lignocellulose-Bioraffinerie Konzept

Neue prozess-, material- und produktseitige Ansatzpunkte müssenintegraler Bestandteil des Gesamtkonzeptes sein

Produkte müssen aus derzeitiger Sicht industriell interessantePlattform-Chemikalien sein

Die Nutzung der Inhaltsstoffe muss möglichst vollständig undhochwertig sein.

Die Verwertung aller Reststoffe (insb. zur Energieerzeugung) mussvorgesehen sein.

Die Rohstoffverfügbarkeit muss gesichert sein und eine Konkurrenzmit der Nahrungsmittel- und Zellstoff-/Holzwerkstoffindustrie vermiedenwerden.

Das Konzept einer Demonstrationsanlage (inkl. Wirtschaftlichkeits-analyse, Rohstoff-Logistik und Standort) muss etabliert werden.

Konzeptionelle Überlegungen (2006)


Voraussetzungen


kontinuierliche Prozessführung

Vermeidung eines Medienwechsels

Pilotanlage muss scale up-fähig und

wirtschaftlich zu betreiben sein

Produkte werden in unterschiedlicher Qualität erzeugt, optional abermit hohem Reinheitsgrad

Chemische und/oder biotechnologische Folgeprozesse zur Herstellungvon chemischen Produkten werden angestrebt



30 % der Gesamtwaldfläche wird in Deutschland mit Buche bewirtschaftet

Das jährliche Rohholzpotential für die in Frage kommenden Holzklassen(Rinde – L2) beträgt bei Buche ca. 12 Mio t atro

Keine Wettbewerbssituation mit der Zellstoff-und Holzwerkstoffindustrie

Buchen- und Pappelholz sind am Marktleicht mobilisierbar

Festlegung auf Laubholz (Buche und Pappel)

Laubholz hat geringeren Ligninanteil alsNadelholz und lässt sich leichter aufschließen.

Eine ganzheitliche Verwertung von Holz alsCellulose, Hemicellulosen, Lignin und wertvollenExtrakten scheint bei Buche und Pappel möglich

Pilotprojekt Lignocellulose-Bioraffinerie:Projektplan


AP2: Aufschluss und Komponententrennung von Buche und Pappel

Optimierung von Aufschlussbedingungen und Komponenten-trennung im 1-kg-Maßstab (diskontinuierlich)

• Aufschluss mit niedrig siedenden Alkoholen (+/- H2SO4),Optimierung von p, t, T und Flotte

• Aufschluss (in Kombination) mit ionischen Flüssigkeiten

• Komponententrennung

• Lösungsmittelrückgewinnung

• Analytik zur Bestimmung von Ausbeute und Reinheit

• Bereitstellung von Analytik und Fraktionen für Projektpartner

Entwicklung eines integriertenkontinuierlichen Verfahrensim 10-kg-Maßstab

Lösung von Holz

in ion. Fl.

(Fotos: SI)



Aufschlussbedingungen:• 170° C - 180° C• 2 - 4 h• ± Katalysator• Ethanol:Wasser (50:50)



(modifiziert)



Komponententrennung: Fällung von Lignin aus der EtOH:H2O-Lösung

+ H2O (1:1)

Lignin/Hemicellulose-Lösungnach Aufschluss und

Abtrennung der Cellulose

Lignin/Hemicellulose-Lösungnach Aufschluss und

Abtrennung der Celluloseund Fällung



Lignin-Fällung durch Sedimentation

• keine Trennung nach 16 min bei 3500 g

Lignin-Fällung durch Filtration

• Gewebefilter:Filtratfluss kam zum erliegen, Filtration abgebrochenKein Filterkuchenaufbau, keine sichtbare Partikelabscheidung

• MembranfilterPP-Membran, 0,2µm, hydrophilFiltratqualität: leicht trüb

Ligninfällung durch Flockung

• Nicht ionische, anionische und kationische Flockungshilfsmittelhaben nur geringen bis kein Effekt

N3100L A3040L K233L



Komponententrennung: Fällung von Lignin mit unterschiedlichenWassermengen

(1:1) (1:2) (1:3) (1:4)

Nach 5min Standzeit

Getrocknete Filtrate



Komponententrennung: Fällung von Lignin bei unterschiedlichenTemperaturen

(0 °C) (25 °C) (70 °C)

Nach 5min Standzeit

Filtrate



Komponententrennung: Fällung von Lignin durch pH-Shift

+ KOHbis pH 10

+ HCLbis pH 2

Nur für Aufschlusslösungen. mit sehr geringer Ligninkonzentration,oder keiner Agglomeration bei der Fällung


AP3: Weiterverarbeitung der erhaltenen Fraktionen

Enzymatischer Aufschluss der Cellulose

• Zugänglichkeit für Enzyme

• Aktivität in ionischen Flüssigkeiten

• Rückgewinnbarkeit der Enzyme

• Fermentierbarkeit der erhaltenen Glucose

Weiterverarbeitung der Hemicellulosen

• Enzymatischer Abbau der (Oligo-)Hemicellulosen

• Chemische Umsetzung in ionischen Flüssigkeiten

• Fermentierbarkeit der erhaltenen Xylose

Untersuchungen mit der Ligninfraktion

• Thermoplastische Verarbeitung

• Katalytische Oxidation/Hydrierung in IL

• Verarbeitung in duroplastischen Systemen

Anaerober Abbau

von Cellulose in 4 Tagen

(Fotos: TUM)


AP3: Weiterverarbeitung der erhaltenen Fraktionen (Lignin)

Compounding: Herstellung von Prüfkörpern (Zugprüfkörper)

• z.B. Compoundierung von Polymilchsäure (PLA) mit einer Lignin-fraktion (20 % wt) mit Maleinsäure als Koppler.

• Suche nach besonderen Werkstoffeigenschaften, wie z.B. Flammschutzoder herbizide/fungizide Eigenschaften

15 cm



Depolymerisation von Lignin in ionischen Flüssigkeiten



Depolymersiation von Lignin in ionischen Flüssigkeiten

Umsätze im 300-ml-Reaktor (Feststoffgehalt 11g)

• Oxidationsmittel: Synthetische Luft

• Höchster Umsatz und beste Selektivität mit dem System[EMIM] [OTf] / Mn(NO3)2

• Ligninumsatz von über 65 %

• Rekondensation ca. 50 % des umgesetzten Lignins

• Produktmenge DMBQ 4 % des (nicht rekondensierten) Produktgemisches

• Massenbilanz noch nicht geschlossen

• Mögliche Korrosivität der Reaktionslösungen



Die Ligninfraktion kann direkt als partieller Substituentin Duromeren verwendet werden

Vortrag von Frau Dr. Fliedner, Dynea Erkner um 16:00 Uhr


AP4: Ökonomische und ökologische Bewertung des Verfahrens

Definition der Systemgrenzen und der zu untersuchenden Teilprozesse

Rohstoffbereitstellung und -kosten

Machbarkeitsstudie: Bilanzierung sowie ökonomische und ökologischeBewertung des Verfahrens

Detaillierte Ausarbeitung und Bewertung eines Konzepts für einePilotanlage Lignocellulose-Bioraffinerie (s. AP5)



Herstellungskosten pro Tonne Lignin: 395€


AP5: Konzept für die technische Umsetzung in einer Pilotanlage

Detaillierte Ausarbeitung und Bewertung eines Konzepts für eine PilotanlageLignocellulose-Bioraffinerie

• Auf Basis der gewonnenen Daten wird zur Zeit unter Federführung der BTS einePilotanlage mit einer Kapazität von 600 kg Holz atro / Woche konzipiert

• Produkte / Woche:

• 100 kg Lignin

• 240 kg C6-Zucker

• 170 kg C5-Zucker

• Reaktorkonzept: Zwei Batch-Fermenter für den Organosolv-Aufschluss

• Direkte Verzuckerung der Cellulose/Hemicellulosen

• Produktionsstandort: Leuna

Skizze im Rahmen der Ausschreibung "Innovative Mehrfachnutzung"

• Prozessoptimierung

• Weiterverarbeitung der erhaltenen Fraktionen


Ausblick: Projektskizze zur Errichtung einer Pilotanlage

Möglichkeit zurMitwirkung


Zusammenfassung

Der Organosolv-Aufschluss liefert neben den Kohlehydraten ein schwefel-freies Lignin mit einem hohen Wertschöpfungspotential

Die Fällung des Lignins aus der Mutterlauge in geeigneter Form stellte sichals relativ schwierig heraus

Das getrocknete Lignin wird in thermo- und duroplastische Systeme unterErhalt der Struktur eingebracht. Beide werkstofflichen Verarbeitungsformensind möglich.

Die Depolymerisation in ionischen Flüssigkeiten erscheint möglich. DieAusbeuten sind bisher nur gering und die Produktzusammensetzung vonReaktionsführung, Katalysator(-menge) und der verwendeten IL abhängig.

Die ökonomische Bewertung ergab ein tragfähiges Konzept, dessenWirtschaftlichkeit vor allem vom Rohstoff- und Lignin-Preis abhängig ist.

Ein Konzept für eine Pilotanlage wird zur Zeit entwickelt und ist Gegenstandeiner Projektskizze

Assoziierte Projekte können an den Produktströmen partizipieren

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Dr. Jochen MichelsDECHEMA e.V.

Tel.: 069/7564-157Mail: [email protected]

Dr. Jochen MichelsDECHEMA e.V.

Tel.: 069/7564-157Mail: [email protected]

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