Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel dieses Erg\u00e4nzungsprojektes 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 Ma\u00dfstabsvergr\u00f6\u00dferung, sowie der Vergleich des Prozesses mit konventionellen Methoden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNotwendiger Ausgangspunkt f\u00fcr 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 m\u00f6glich, des weiteren k\u00f6nnen Enzyme f\u00fcr die Einsatzf\u00e4higkeit unter diesen Bedingungen getestet weren.
\nDas im Laborma\u00dfstab bestehende Verfahren soll weiterhin f\u00fcr Produktionsalternativen zum Bioethanol genutzt werden, insbesondere die Gewinnung der Xylose sowie des Lignins. Die Ergebnisse werden in einem gro\u00dftechnischen Szenario (50 kT\/a Bioethanol) hinsichtlich Ihrer Wirtschaftlichkeit, Energie- und Umweltbilanz abgesch\u00e4tzt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Innerhalb der Arbeiten hat sich herausgestellt, dass das durchstr\u00f6mte Festbettverfahren eine realistische Herangehensweise f\u00fcr die angesprochenen Verfahren erlaubt. Im 50 mL und 2 L Ma\u00dfstab wurde eine integrierte Hochdruck-Hydrolyse und Enzymkatalse-Anlage konstruiert (Abb.1). F\u00fcr den zentralen Verfahrenschritt der Hei\u00dfwasserhydrolyse wurde eine durchstr\u00f6mte Festbettanlage bei Betriebstemperaturen von bis zu 250\u00b0C und einem Druck von 30 bar festgelegt. Es konnte gezeigt werden, dass die Beeintr\u00e4chtigung der Aktivit\u00e4t der verwendeten Cellulasen (z. B. Celluclast 1.5L) beim Pumpvorgang bei geringen Druckgradienten vernachl\u00e4ssigbar ist.<\/p>\n
Durch den Einsatz einer Ultrafiltrationsmembran ist es m\u00f6glich, derartige Bedingungen zu erreichen. Eine Wechselwirkung zwischen Enzymen und vorbehandeltem Festbett ist nachweisbar, eine vollst\u00e4ndige Konversion erscheint technisch m\u00f6glich. Dabei sind sowohl hohe Beladungen, als auch hohe Ausbeuten und hohe Zuckerkonzentrationen erreichbar<\/p>\n
Eine optimale Subtratvorbereitung \/ Pelletierung und eine genau definierte Verweilzeit der Substratmasse im Festbettreaktor sind erforderlich, um Nebenprodukte f\u00fcr die Bioethanolherstellung zu vermeiden. Furfurale sind hemmend f\u00fcr den enzymatischen Abbau und die folgende Verg\u00e4rung, aber sie sind selbst ein wichtiger Grundstoff f\u00fcr 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\u00b0C, und einer Verweilzeit von 29 min in LHW-Umgebung, die Abtrennung erfolgte durch \u00fcberkritische Extraktion mit verdichtetem CO2.
\nDurch die LHW-Behandlung werden zudem zwei Arten von Lignin produziert. Das l\u00f6sliche Lignin weist eine relativ gute L\u00f6slichkeit in verschiedenen L\u00f6sungsmitteln auf. Die Molmasse liegt bei 2600 g\/mol und entspricht dem Organosolv Lignin. Die Fraktion kann dementsprechend als Ausgangsstoff f\u00fcr Anwendungen in neuartigen Werkstoffen eingesetzt werden
\nAus den Ergebnissen wurde eine Verarbeitungseinheit mit einem Aussto\u00df von 50.000 to EtOH\/Jahr modelliert, die stofflichen und energetischen Bilanzen wurden hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit abgesch\u00e4tzt. Das schematische Prozessdiagramm ist in Abb. 2 zu sehen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Zwischenergebnisse im wissenschaftlichen Kontext wurden bereits auf der Jahrestagung des Fachausschusses der Dechema\/Process-Net f\u00fcr Hochdrucktechnik in Fulda (2010) pr\u00e4sentiert. Die Konzeption und die Funktionsweise der integrierten Hochdruckanlage wurde dann erstmals bei der Process-Net Fachausschusstagung in Maribor (2011) mit Verweis auf die F\u00f6rderung durch die DBU, im Vortrag vorgestellt. Es erfolgten Manuskriptver\u00f6ffentlichungen in der Fachzeitschrift Holzforschung (Kirsch et al. 2011) sowie in Chemie-Ingenieur-Technik(Zetzl et al., 2011, 2012).
\nDie in Abbildung 1 beschriebene Anlage zeichnet sich durch die variable Einsatzf\u00e4higkeit f\u00fcr 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 pr\u00e4sentiert. Es entwickelte sich daraus eine Kooperation mit einem mittelst\u00e4ndischen Obstverarbeitungsunternehmen, und dem Vorhaben, die Wertsch\u00f6pfung aus den Abfallstoffen zu optimieren (DBU-Projektskizze Az 30915)<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Alle bis zu diesem Zeitpunkt durchzuf\u00fchrenden Arbeiten des Arbeitsplanes wurden durchgef\u00fchrt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Integration von thermischer und enzymatischer Hydrolyse m\u00f6glich ist. Dabei wurde vor allem der Einfluss der Reaktorperipherie und des Festbetts auf die enzymatische Reaktion betrachtet. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass f\u00fcr einige der verwendbaren Enzyme eine Stabilisierung bei erh\u00f6hten Temperaturen durch Druck m\u00f6glich ist und sich dadurch die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit deutlich steigern l\u00e4sst.
\nAuf Grund der bisherigen Ergebnisse ist nicht davon auszugehen, dass in naher Zukunft eine enzymatische Reaktion \u00fcber 100\u00b0C durchgef\u00fchrt werden kann. Daher wurde ein Anlagenkonzept entwickelt, um die noch vorhandenen Beschr\u00e4nkungen im Bereich der enzymatischen Hydrolyse zu kompensieren. \u00dcber 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.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel dieses Erg\u00e4nzungsprojektes 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 Ma\u00dfstabsvergr\u00f6\u00dferung, sowie der Vergleich des Prozesses mit konventionellen Methoden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[61,47,51,52,53],"class_list":["post-25081","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-hamburg","tag-klimaschutz","tag-ressourcenschonung","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"13226\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-13226.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"122.041,00","dbu_projektdatenbank_firma":"Technische Universit\u00e4t Hamburg (TUHH)\nInstitut f\u00fcr Thermische Verfahrenstechnik","dbu_projektdatenbank_strasse":"Ei\u00dfendorfer Str. 38","dbu_projektdatenbank_plz_str":"21073","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Hamburg","dbu_projektdatenbank_p_von":"2009-12-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2011-05-31 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"1 Jahr und 6 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"040-428783140","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Hamburg","dbu_projektdatenbank_foerderber":"122","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-13226.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/25081","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/25081\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":38084,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/25081\/revisions\/38084"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=25081"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=25081"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=25081"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}