AT512345A2

AT512345A2 - Ligningewinnung

Info

Publication number: AT512345A2
Application number: AT500032012A
Authority: AT
Inventors: Karin Dr Fackler; Thomas Dipl Ing Ters; Ortwin Mag Ertl; Kurt Messner
Original assignee: Annikki Gmbh
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-07-15

Abstract

Verfahren zur Erreichung einer angestrebten Ligninausbeute im, nach der Abtrennung der Flüssigphase gewonnenen Feststoff bei der Ligningewinnung aus Lignocellulose durch Aufschluss mit Alkohol, Wasser und einer Lauge unter 100°C, dadurch gekennzeichnet dass die prozentuelle Zusammensetzung der drei Aufschlusskomponenten Alkohol, Wasser und Lauge, sowie die Reaktionsparameter Temperatur, Aufschlussdauer und Feststoffkonzentration je nach angestrebtem Ligningehalt des, nach dem Aufschluss nach Abtrennung der Flüssigphase gewonnenen Feststoffes, gewählt wird; und die Verwendung von Isopropopanol als Alkohol in einem Verfahren zur Gewinnung von Lignin aus lignocellulosischen Material, insbesondere in einem Aufschlussverfahren, insbesondere, wobei das Verfahren im alkalischen Milieu durchgeführt wird.

Description

h0iÖi2!/5ÖÖ03 ϋβ»ι ,2ü iili A16116 1

Ligningewinnung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Lignin aus Lignocellulose bei Temperaturen unter 100°C, wobei durch die Kombination von Reaktionsparametem sehr hohe Ligninausbeuten bzw. sehr reine Produktströme erreicht werden können.

Im Zusammenhang mit der Verknappung von Rohöl gewinnt der nachwachsende Rohstoff Lignocellulose (Stroh, Holz, Papierabfälle etc.) als Ausgangsmaterial für chemische Produkte und Treibstoffe sehr an Bedeutung. Lignocellulose besteht aus den ultrastrukturell vernetzten, polymeren Hauptkomponenten Cellulose, Hemicellulose und Lignin, die häufig etwa 85 - 90 % des Rohstoffes ausmachen. Der Rest kann unter dem Begriff Extraktstoffe zusammengefasst werden.

Die Spaltung der als Polymere vorliegenden Komponenten und ihre Auftrennung in einzelne Produktströme sowie deren weitere Verarbeitung zu höherwertigen Produkten ist die Aufgabe von Bioraffimerien. Hier sollen nur Bioraffinerien der biochemischen Plattform Erwähnung finden. Die Rentabilität solcher Bioraffinerien ist weitgehend davon abhängig, welche Wertschöpfung aus den Produktströmen erzielt werden kann. Dies wird wiederum massiv von der Reinheit der einzelnen Produktströme beeinflusst, da nachgeschaltete Auftrennungsprozesse schwierig und kostspielig sein können. Als ideal kann also ein Prozess betrachtet werden, bei dem die Spaltung der einzelnen Hauptkomponenten möglichst selektiv erfolgt. Einen starken Einfluss auf die Wertschöpfung des gesamten Prozesses hat neben der Nutzung des Kohlenhydrat Anteiles die Menge und Qualität des gewonnen Lignins. Lignin gewinnt als Ersatz für petrochemisch erzeugte Aromaten sehr stark an wirtschaftlicher Bedeutung.

Bioraffinerien können unterschiedliche Ziele verfolgen, die vom jeweiligen chemischen Aufschlussprinzip und dem dabei erzielten Selektivitätsgrad bestimmt werden. Beispielhaft seien die Bioalkoholproduktion und die Zellstoffherstellung genannt.

[lO 2012/500Ö3 13-0,1-2012 EÖ14“1 Α16116 2

Bei der Produktion von Bioalkohol werden die geringsten Anforderungen an Aufschluss-und Trennverfahren gestellt. Das Hauptziel ist die Zugänglichkeit des Substrates für die Cellulase- und Hemicellualase Enzymkomplexe zu verbessern, um die für die Ethanolproduktion erforderlichen Zucker hydrolytisch frei zu setzen. Dies kann bereits durch schwache Delignifizierung mit teilweiser Depolymerisation der Hemicellulose durch sogenannte „Steamexplosion“-Verfahren erreicht werden. Beispielsweise wird in dem von DONG, DK entwickelten Autohydrolyse Prozess von Stroh durch Temperaturen nahe um 200°C und die dabei abgespaltene Essigsäure die Hemicellulose zu etwa 2/3 herausgelöst und als Futtermittel verwertet. Die Cellulose und restliche Hemicellulose kann nach enzymatischer Hydrolyse zu Ethanol vergoren werden. Lignin wird plastifiziert, kondensiert zu Tröpfchen und ist für eine weitere chemische Nutzung ungeeignet. Es dient als thermische Energiequelle. Bei anderen, ähnlichen Verfahren (ENREL, IOGEN, SEKAB) wird Säure zugesetzt, um den Aufschlussgrad und damit die Ethanolausbeute zu erhöhen (Technical report NREUTP-510-46214, August 2009).

Bei Prozessen zur Zellstofferzeugung werden wesentlich höhere Anforderungen an die Selektivität des Aufschlussverfahrens gestellt. Ziel ist eine möglichst hohe Delignifizierung bei möglichst geringem Festigkeitsverlust der Cellulose und möglichst niedrigem Hemicelluloseverlust, um hohe Ausbeuten zu erreichen. Dieses Ziel wird vorwiegend durch alkalische Verfahren erreicht.

Eines der ältesten Verfahren, das nach wie vor in geringem Ausmaß zur Zellstofferzeugung aus Stroh angewendet wird, ist das Soda-Verfahren, bei dem Stroh mit Natronlauge knapp unter 100°C aufgeschlossen wird {J.H.Lora & E. Escudero, 2000, Soda pulping of agricultural fibres for boardmaking application; Paper Technology, May 2000, 37-42). Aufgrund einiger, im Vergleich zu Holz negativer Eigenschaften von Stroh (saisonaler Anfall, Lagerungsfähigkeit, Kurzfasem, Entwässerungsverhalten), sind die Einsatzmöglichkeiten begrenzt. Im Zuge der wachsenden wirtschaftlichen Bedeutung des Lignins als Ersatz für petrochemisch erzeugte Aromaten, wurde von Granit ein Verfahren zur Gewinnung des Lignins nach Natronlaugen-Kochung entwickelt, bei dem das ansonsten nach Säurefallung nicht filtrierbare Lignin durch nachträgliches Erwärmen und Reifen abgetrennt und gewonnen werden kann (A. Abaecherli, F. Doppenberg, 2003, Methodfor 3 A16116 preparing alkaline Solutions containing aromatic polymers, EP0970275 (Bl)). Das schwelfreie Lignin ist unter dem Handelsnamen Protobind erhältlich.

Das bekannteste alkalische Aufschlussverfahren ist der Sulfat- oder „Kraft“-Prozess, bei dem mit Natronlauge und Natriumsulfit aufgeschlossen wird. Der Prozess läuft bei 170°C unter Verwendung von hohen NaOH-Konzentarationen ab (18-24% bezogen auf Holz TG für Zellstoffe mit Kappa ca. 5) und ist auf die Erzeugung reißfester, heller Zellstoffe optimiert. Das dabei anfallende Sulfatlignin ist durch Repolymerisationsreaktionen im Laufe der Kochung zum Teil hoch kondensiert und enthält außerdem ca. 2% Schwefel, wodurch sein Anwendungsbereich als Chemierohstoff sehr begrenzt ist. Durch den neuerdings entwickelten Lignoboost Prozess (P. Tomani, 2009, The Lignoboost Process, NWBC-2009 The 2nd Nordic Wood Biorefinery Conference, Helsinki, Finland,Sseptember 2-4, 2009, 181-188.) wird das Kraftlignin ausgefällt und dient vorwiegend der thermischen Verwertung, z.B. in der Chemikalienrückgewinnung,

Die zweitgrößte Quelle für technische Lignine ist das Sulfit-Zellstoff Verfahren, bei dem Holz vorwiegend bei saurem pH-Wert mit Ca- oder Mg-Sulfit aufgeschlossen wird. Das daraus resultierende Lignosulfonat ist ebenfalls kondensiert und schwefelhaltig, ist aber auf Gmnd seiner Wasserlöslichkeit für einen breiteren Anwendungsbereich geeignet.

Ein Nachteil alkalischer Verfahren, der speziell bei hohen Temperaturen zum Tragen kommt, ist, dass verschiedene Abbaureaktionen der Kohlenhydrate stattfinden. Bei hoher Alkalinität erfolgt bereits bei etwa 100°C ein intensiver Abbau der Hemicellulose und gleichzeitig setzt die sogenannte „Peeling“-Reaktion ein, die wiederum einen Abbau der Cellulose und Hemicellulose vom reduzierenden Ende einleitet und mit steigender Temperatur zunimmt. Bei hoher Temperatur erfolgt dann eine hydrolytische Spaltung der glykosidischen Bindungen der Kohlenhydrate (D. Fengel, G. Wegener, 1984, Wood. Chemistry, Ultrastructure, Reactions; Walterde Gruyter, Berlin). Diese unerwünschte Nebenreaktion kann durch Anthrachinon sowie durch Alkohol unterdrückt werden. (Nakano et al„ 1981, Studies on alkali-methanol cooking; Proc. Of Ekman Days, 1981, Vol., pp. 72-77, Stockholm, Sweden) haben nachgewiesen, dass Alkohol in seiner Funktion als Scavenger Radikal induzierte Abbaureaktionen verhindert und dadurch die Stabilität der Cellulose in 134)1-2012

1::2012/50003 4 A16116 alkalisch-alkoholischen Systemen verbessert wird. Xylan macht den Großteil der Hemicellulose von Gräsern und Stroh aus. Diese, sonst auch auf das Xylan ausgerichtete Schutzreaktion unterblieb in der Initialphase der Natronlauge-Zellstoffkochung von Reedgras (Arundo donax) (Bedingungen: 130°C - 150°C, 25% NaOH bezogen auf das Substrat Trockengewicht, Ethanol:Wasser = 40:60, Verhältnis Flüssigkeit:Feststoff =6:1) (A.A. Shatalow und H. Pereira, 2005, Kinetics of polysaccharid degradation during ethanol-cdkali deligniflcation ofgiant reed - Part 1; Cellulose and xylan; Carbohydrate Polymers, 59, 435-442). Bei diesen Temperaturen wurden etwa 55% des Xylans bereits in der Anfangsphase der Kochung mit ähnlicher Rate wie Lignin abgebaut. Die Schutzfunktion traf erst auf die zweite Hälfte des Xylans zu. Der depolymerisierte Xylan Anteil wird dann bei hoher Alkalinität und Temperatur anschließend durch Hydrolyse und Peeling Reaktionen weiter zu Zuckern gespalten. Bei hoher NaOH-Konzentration und Temperaturen über 100°C findet also eine deutliche Koppelung des Ligninabbaus an den Xylanabbau statt und führt zu Kochlaugen, die Abbauprodukte beider Komponenten enthalten.

Anthrachinon wird in verbesserten Soda Prozessen (H. Sixta, G. Schild, 2009, New generation Kraft processes, The 2>ui Nordic Wood Biorefinery Conference, Helsinki, Finland,Sseptember 2-4, 2009, 53-66) zum Schutz der Cellulose eingesetzt. Im ASAM Prozess, bei dem Holz bei 180°C mit Alkali und Sulfit, unter Zusatz von Anthrachinon und Methanol gekocht wird, wurde versucht beide Prinzipien zu nutzen (R. Patt, O. Kordsachia, H.-L. Schubert, 1998, The ASAM Process; In: R.A. Young and M. Akhtar, Environmentally friendly technologies for the pulp and paper industry; John Wiley & Sons, Inc., New York, 101-132). Aus den Ergebnissen geht deutlich hervor, dass es selbst unter Verwendung von Methanol und Anthrachinon nicht möglich war, den Ligninanbau vom Hemicelluloseabbau zu entkoppeln. Bei der Kochung von Nadelholz wurden trotzdem 30% Xylan und 80% Mannan freigesetzt. Der ASAM Prozess wurde nie großtechnisch angewendet.

Derzeit gibt es intensive Bemühungen, Zellstofffabriken zu Bioraffinerien zu erweitern und neben dem Hauptprodukt Zellstoff auch Nebenprodukte wie Lignin, Xylose, Essigsäure, oder das aus dem unspezifischen Abbau des Xylans stammende Furfural aus der Kochlauge zu gewinnen. Ebenso werden Verfahren, die aus verschiedenen Gründen zur 100¾¾¾¾¾ 1E014.1 [10 2012/50003 A16116 5

Zellstoffproduktion nicht kompetitiv waren, wieder auf ihre Effizienz als Bioraffinerie, wo andere Kriterien zu erfüllen sind, neu untersucht. Während Zellstoffkochungen auf möglichst hohe Delignifizierung bei Erhalt der Qualität der Fasern ausgerichtet sind und dabei chemische Umwandlungen von Hemicellulose-Spaltprodukten sowie Kondensationsreaktionen des Lignins in Kauf genommen werden, ist man bei einem idealen Bioraffinerie Prozess bestrebt, die Hauptkomponenten der Lignocellulose und im besonderen das Lignin, bzw. seine Spaltprodukte in möglichst nativem Zustand zu gewinnen. Weiters zielen - im Gegensatz zu den erwähnten Zellstoff-Kochprozessen, wo alle Spaltprodukte gemeinsam in der Kochlauge anfallen - Bioraffinerie-Prozesse darauf ab, die Lignocellulose Hauptkomponenten bzw. deren Spaltprodukte in getrennten Fraktionen zu gewinnen. Nachdem chemische Reaktionen beim Lignocellulose Aufschluss immer mit unerwünschten Nebenreaktionen verbunden sind, sollte es das Ziel einer idealen Bioraffinerie sein, diese Nebenreaktionen so niedrig als möglich zu halten.

Dar Erfolg eines Enzymeinsatzes zum Lignocellulose Aufschluss ist prinzipiell durch zwei Faktoren eingeschränkt. Erstens ist die Umsetzungsrale hydrolytischer Enzyme auf nativer Lignocellulose durch ihr hohes Molekulargewicht und die damit verbundene geringe Diffusionsrate sehr niedrig. Dies hat zur Folge, dass als erster Schritt eine Auflockerung des Lignocellulosekomplexes, verbunden mit einer Erhöhung der Porosität des Substrates erfolgen muss. Diese kann nur durch die chemische Depolymerisation und darauffolgende Extraktion einer bestimmten Menge von Lignocellulose Komponenten bewirkt werden.

Nachdem Cellulose die am schwersten lösliche Komponente ist, stehen für den ersten Aufschlussschritt die Hemicellulose und/oder das Lignin zur Wahl, wobei, wie oben erwähnt, dieser Aufschluss schritt so selektiv als möglich sei soll. Die verschiedenen Bioraffineriekonzepte unterscheiden sich im Wesentlichen in der Auswahl des chemischen Prinzips zur Durchführung dieses ersten Schrittes und den sich daraus zwangsläufig ergebenden Folgen für die weitere Gewinnung der Produktströme.

Als Bioraffinerie Konzepte sind in neuer Zeit Organosolv Prozesse wieder aufgegriffen worden. Diese wurden in den 80-er Jahren entwicklet, als man bestrebt war Chlor als Bleichchemikalie durch umweltfreundlichere Chemikalien zu ersetzen, diese aber nicht

m KüSlI! 6 A16116 dieselben delignifizierenden Eigenschaften aufwiesen. Damals wurden Strategien zu einem „extended cooking“ entwickelt, das im Wesentlichen darauf beruhte, organische Lösungsmittel in den Kochprozess mit einzubeziehen und dadurch den Delignifizierungsgrad zu erhöhen und den Bleichaufwand zu senken. Als Lösungsmittel wurden vorwiegend Alkohole wie Ethanol oder Methanol verwendet, die hauptsächlich die Löslichkeit des Lignins erhöhen sollten, während als eigentliche Aufschlusschemikalien weiterhin Säuren, Alkali, Sulfit oder Sulfid oder oxidative Reaktionen fungierten (H.

Hergert, 1998, Developments in organosolvpulping; In: R.A. Young and M. Akhtar, Environmentally friendly technologies for the pulp andpaper industry; John Wiley & Sons, Inc., New York, 5-68). Diese Prozesse haben sich zur Zellstoffproduktion nicht bewährt, werden aber, wie erwähnt, derzeit als Bioraffinerie-Prozcssc wieder neu bewertet.

Grundlegend lassen sich zwei Typen von Organosolv Prozessen unterscheiden: saure und basische.

Ein saurer Prozess ist z.B. der Allcell Prozess, der von der Firma LIGNOL übernommen und weiter entwickelt wurde (C. Arato, E.K. Pye, G. Gjennestad, 2005, The Lignol approach to biorefining of woody biomass to produce ethanol and Chemicals; Appl. Biochem.

BiotechnoL, Vol. 121-12:871-882). Als Substrate werden Holz, Stroh, Bagasse verarbeitet. Die zugrundeliegende chemische Reaktion ist die autohydrolytische Spaltung von Hemicelluose bei einem pH-Wert von 3,8-2,0, der sich durch die vomXylan abgespaltene Essigsäure ergibt (Bedingungen: 180-195°C, Ethanolkonzentration 35-70%, Flüssigkeits : Feststoff Verhältnis von 4:1 bis 10:1, Reaktionszeit von 30-90 Minuten). Dadurch wird zum Teil Cellulose in Form von unlöslichen Oligosacchariden und ein großer Teil der Hemicellulose zu löslichen Oligo- und Monosacchariden abgespalten. Ein Teil der Pentosen wird unter den Reaktionsbedingungen zu Furfural oxidiert. Lignin wird ebenfalls teilweise hydrolysiert und fallt gemeinsam mit den anderen Abbauprodukten in der Kochlauge an, aus der die Abbauprodukte dann gewonnen werden. Der andere, nicht hydrolysierte Teil verbleibt im Feststoff und wird enzymatisch zu Zuckern hydrolysiert und zu Ethanol vergoren. Das im Feststoff verbliebene Lignin (20-25% des ursprünglichen) fällt als Fermentationsrückstand an und kann nur noch verbrannt werden. 13-01-20:12

® 2052/003 7 A16116

Ein ähnlicher saurer Organosolv Bioraffinerie Prozess zum Aufschluss von Holz ist in Deutschland in Entwicklung (Pilotprojekt „Lignocellulose-Bioraffinerie“ Gemeinsamer Schlussbericht zu den wissenschaftlichen Ergebnissen aller Teilvorhaben).

Aus der Abbildung 4-30, Seite 215, geht hervor, dass ohne Zusatz von Schwefelsäure 68% des Lignins und 77,5 % der Hemicellulose bzw. mit Zusatz von 1% Schwefelsäure 64% Lignin und 70% der Hemicellulose aus dem Rohstoff abgebaut werden und gemeinsam in Lösung gehen. Ausserdem enthält dieser gemeinsame Teilstrom zusätzlich Furfural als Hemicellulose Abbaupodukt. Der verbleibende Feststoff enthält noch 32% bzw. 36% des ursprünglichen Lignins und 22,5% bzw. 30% der Hemicelluose.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei sauren Prozessen einerseits die gewonnene Lignmenge relativ niedrig ist und der Ligninabbau nicht vom Hemicellulose Abbau entkoppelt werden kann. Auf Gmnd des relativ schlechten Ligninabbaus, entsteht ein Faserstoff mit einem Restligningehalt, der im Falle einer Verwendung als Chemierohstoff einen erheblichen Bleichaufwand erfordern würden und für diese Verwendung ungeeignet ist. Es wird auch primär die Verwendung als Rohstoff für die Bioalkohol Gewinnung angestrebt.

Basische Organosolv-Prozesse wurden in der Vergangenheit wesentlich weniger untersucht als saure, da bei hohem Natronlauge Einsatz, im Speziellen bei Verwendung von Stroh als Substrat, hohe technische Anforderungen an die Natronlaugen-Rückgewinnung gestellt werden (z. B. Marion & Ganzow 1982, Use ofethanol in alkaline pulping; WO 82/01568).

In Deutschland wurde in den 90-er Jahren der Organocell-Prozess zur Zellstoffkochung bis zur industriellen Anwendung entwickelt (TV. Zier, 1996, Strukturelle Merkmale eines Organosolv-Lignins bei Variation der Parameter; Dissertation Technische Universität Dresden). Der Prozess läuft 2-stufig ab, beginnend mit einer Alkohol-Wasser (30:70) Imprägnierung bei 110-140°C und anschließender Kochung bei 165-170°C unter Zusatz von 30% NaOH und 0,1% Anthrachinon, bezogen auf das Trockengewicht des Substrates. Der Prozess war für den Aufschluss von Laub- und Nadelholz, sowie auch für Einjahrespflanzen geeignet. Die Zellstoffqualität war der von Kraft-Zellstoff vergleichbar und konnte mit Sauerstoff chlorfrei gebleicht werden. Verschiedenen Angaben zufolge wurde die Anlage

m liiÄiiii90ö3 A16116 8 bald nach Inbetriebnahme auf Grund technischer Probleme wieder geschlossen, die zum Teil mit der Rückgewinnung der hohen Menge an Natronlauge zusammenhingen (El-Sakkawy et al, 1996a: Organosolv pulping, (3), ethanol pulping ofwheat straw; Cellul Chem Technol 30:281-296). Für einen rentablen Bioraffmerie-Prozess, der nicht auf die Gewinnung von Bioalkohol, sondern die Nutzung aller Hauptkomponenten der Lignocellulose als Chemie- oder Materialrohstoff abzielt, ist die Gewinnung eines möglichst hohen Anteils des vorhandenen Lignins erforderlich. Dies soll in einem einheitlichen Produktstrom mit geringen Verunreinigungen durch Abbauprodukte aus anderen Komponenten erfolgen.

Wenn der Holz-Aufschluss auf Hemicellulose Abbau durch Säure beruht, ist die Menge des abgebauten Lignins mit etwa 65-70% nicht ausreichend. Außerdem fällt das Lignin gemeinsam mit den Abbauprodukten aus der Hemicellulose an und der Stoffstrom muss durch Destillation aufgetrennt werden.

Hohe Ligninabbauraten sind hauptsächlich mit basischen Verfahren zu erzielen. Bei den bisher angewandten Aufschlussverfahren werden stets hohe Natronlaugen Konzentrationen bei hohen Temperaturen eingesetzt. Dies bewirkt einerseits eine chemische Veränderung des Lignins durch Kondensationsreaktionen, wodurch die Qualität des Lignins herabgesetzt wird und anderseits kann der Ligninabbau nicht vom Hemicelluloseabbau entkoppelt werden, sodas s gemischte Produktströme entstehen. Dies trifft auch für die bisher angewandten Organossolv Verfahren zu.

Ein idealer Bioraffinerieprozess sollte daher möglichst hohe Ligninabbauraten bei möglichst geringem Chemikalieneinsatz aufweisen, ein natives Lignin produzieren und den Hemicelluloseabbau möglichst niedrig halten. Weiters soll der niedrige Ligningehalt nachgeschaltete Enzymschritte fördern.

Gemäß Beckmann und Liesche (Beckmann et al, 1921, Ugnin aus Winterroggenstroh; Zeitschrift für angewandte Chemie 34:285-288) wurden Versuche durchgeführt, deren Ziel 13-01-2012

9 A16116 es war, Lignin aus Stroh für die chemische Analyse herzustellen. Die Versuchsbedingungen waren folgende: 600 ml Alkohol 96%-ig + 400 ml Wasser + 20 g NaOH (= 2%-ige Lösung)

Alkohol: Wasser = 60 : 40.

Trockensubstanz (TS): Flüssigkeit =1:8 (=11,11% TS) = 125 g TS : 1000ml = 20g NaOH / 125g TS = 16% NaOH/TS. Raumtemperatur

Unter diesen Bedingungen wurde eine Ligninausbeute von 23,6% erzielt. Eine technische Anwendung unter diesen Bedingungen wäre allerdings völlig unrentabel.

In ähnlicher Weise wurde von Philips & Goss (M. Philips and MJ. Goss (1934) The Chemistry of Lignin; IX; Lignin from barley straw; J. Am. Chem. Soc., 56,2707)

Gerstenstroh nach vorheriger Alkohol :Benzol Extraktion mit 22% NaOH (bezogen auf Stroh TS) bei Raumtemperatur aufgeschlossen. Die Ligninausbeute war, ähnlich wie bei Beckmann, äußerst gering. Nur 6,8% des ursprünglich im Stroh enthaltenen Lignins wurden herausgelöst.

Ein Beispiel für hohen Ligninabbau, aber fehlender Selektivität wird in Lawther 1997 berichtet. (J. M. Lawther, R.-C. Sun, W. B. Banks (1997) Isolation and Characterization of organosolv lignin under alkaline condition from wheat straw; Int. J. of Polymer Analysis and Characterization, 3:2, 159-175). Dabei wird Organosolv Lignin nach folgender Vorgangsweise gewonnen:

Durch Mahlen von Weizenstroh wird ein Pulver 0,25 mm Korngröße (60 mesh screen) hergestellt und in EthanohWasser = 60:40, 80% NaOH bezogen auf Stroh Trockengewicht, 75°C, 2 Stunden aufgeschlossen.

Dabei wurden 58,9 % Lignin abgebaut aber gleichzeitig 61,6% Hemicellulose gelöst.

Das Beispiel zeigt, dass bei zu hoher NaOH Konzentration die vor Hemicelluloseabbau schützende Wirkung von Ethanol verloren geht. Der relativ hohe Lignin abbau bei nur 2 Stunden Reaktionszeit ist vorwiegend durch die minimale Korngröße des Strohs zu erklären. Die Herstellung derart kleiner Partikel ist jedoch aufgrund des hohen Energieaufwandes völlig unwirtschaftlich. .1

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Es wurde nun ein Verfahren zur Gewinnung von Lignin gefunden, bei dem Nachteile bekannter Verfahren vermieden werden können.

In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Lignin aus lignocellulosischem Material durch Aufschluss mit Alkohol, Wasser und einer Lauge, bei einer Temperatur von unter 100°C zur Verfügung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Konzentration der Lauge bezogen auf das Trockengewicht der aufzuschließenden lignocellulose von 3 bis 12 Gew%, insbesondere von 4 bis 10 Gew%, insbesonders von 5 bis 8 Gew% beträgt.

Ein Verfahren, das von der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt wird, wird hier auch als „Verfahren gemäß (nach) vorliegender Erfindung“ bezeichnet.

In den im varbestandenen Wissen umfassten alkalischen Niedertemparatur-Verfahren zur Delignifizierung von Stroh wurden vorwiegend Ethanol/Wasser Mischungen als Lösungsmittel verwendet. Die dabei gewählten Bedingungen grenzen sich deutlich von den im Verfahren gemäß vorliegender Erfindung definierten Reaktionsbedingungen ab. Bei keinem der erwähnten Verfahren wurde eine weitgehende Entkoppelung des Ligninabbaus vom Hemizellulose Abbau eireicht. Aus der Entkoppelung des Ligninabbaus vom Hemicelluloseabbau ergibt sich eine hohe Selektivität des Verfahrens. Diese ist nur durch die im Verfahren gemäß vorliegender Erfindung beschriebene Merkmalskombination möglich, aus der sich eine besondere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ergibt.

Zusammenfassend muß das vorbestandene Wissen im Hinblick auf das gefundene Verfahren folgendermaßen bewertet werden:

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung ist die hohe Delignifizierung bei hoher Selektivität. Diese ist nur durch die Auswahl der im vorliegenden, erfindungsgemäßen Verfahren gewählten Parameter-Kombination erreichbar. Diese Bedingungen sind im Gegensatz zum vorbestandenen Wissen über Ethanol/Wasser Mischungen auch wirtschaftlich vertretbar. Natronlaugenmengen, wie sie im Bezug auf das eingesetzte Trockengewicht des Substrates im vorbestandenen Wissen eingesetzt werden, ΙΜίΙββ Α 16116 11 sind per se unwirtschaftlich, ausserdem erfordert ihre Rückgewinnung hohen energetischen Aufwand. Duch die hohe Selektivität des Ligninabbaus ist das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung auch insofeme wirtschaftlicher als die beschriebenen, da aufwändige Trennverfahren zur Abtrennung großer Mengen von Hemicellulose Spaltprodukten (Xylose, Xylooligosaccharide) vermieden werden. Die auf Grund der hohen Ligninabbauraten verbleibende geringe Menge Resüignin im Feststoff verbessert auch wesentlich die Voraussetzungen für eine effiziente enzymatische Gewinnung von Xylose bzw. Xylooligosacchariden aus Xylan sowie von Glucose aus Cellulose, welche unter anderem auch bei der Herstellung von Bioalkohol sowie anderen Fermentationsprodukten angestrebt werden. Durch das selektive und effiziente Aufschlussverfahren gemäß vorliegender Erfindung wird die gesamte Wertschöpfungskette aus Lignin, Xylan und Cellulose wirtschaftlich im positiven Sinne beeinflusst.

Der Ligninaufschluss in einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird bei einer Temperatur von unter 100°C, bevorzugt von 40°C bis 90°C, besonders bevorzugt von 50°C bis 70°C durchgeführt.

In einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird eine Konzentration der Lauge bezogen auf das Trockengewicht der aufzuschließenden Lignocellulose von 3 bis 12 Gew%, bevorzugt von 4 bis 10 Gew%, besonders bevorzugt von 5 bis 8 Gew% eingesetzt. Als Lauge wird eine Base, bevorzugt eine anorganische Base, wie ein anorganisches Hydroxid, insbesondere ein Hydroxid eines Alkalimetalls, z. B. Kalilauge, Natronlauge, bevorzugt Natronlauge eingesetzt.

In einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung, wird als Alkohol bevorzugt ein aliphatischer Alkohol, wie ein Ci ^Alkohol, besonders bevorzugt ein Ci^Alkohol, wie Ethanol, Isopropanol eingesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Ethanol, in einer anderen bevorzugten Ausführungsform Isopropanol als Alkohol eingesetzt.

Ein weiterer, wesentlicher Aspekt des gefundenen Verfahrens besteht darin, dass es sich überraschenderweise gezeigt hat, dass die durch Ethanol/Wasser Mischungen unter Einhaltung der beschriebenen Parameter erzielbare Wirtschaftlichkeit durch die Verwendung 12 A16116 von Isopropanol/Wasser Mischungen noch übertroffen wird, indem bei gleicher Selektivität noch höhere Ligninabbauraten erzielt werden. Die Verwendung von Isopropanol/Wasser Mischungen zur Delignifizierung bei Temperaturen unter 100°C ist bisher nicht bekannt und führt besonders unter der in der Erfindung beschriebenen Parameter-Kombination zu bisher nicht erreichten, vorteilhaften Ergebnissen.

In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Isopropopanol als Alkohol in einem Verfahren zur Gewinnung von Lignin aus lignocellulosischen Material zur Verfügung, insbesondere in einem Aufschlussverfahren, insbesondere, wobei das Verfahren im alkalischen Milieu durchgeführt wird, insbesondere die Verwendung von Isopropopanol als Alkohol in einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung.

In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Lignin aus lignocellulosischen Material, zur Verfügung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Isopropopanol als Alkohol eingesetzt wird, insbesondere ein Aufschlussverfahren, insbesondere, wobei das Verfahren im alkalischen Milieu durchgeführt wird, insbesondere ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung.

Alkohol liegt in einer wässrigen Lösung im eifindungsgemäßen Verfahren bevorzugt in einem Ausmaß von 10 bis 70 Vol%, z. B. 20 bis 50 Vol%, bevorzugt von 30 bis 40 Vol% vor.

Im erfindungsgemäßen Verfahren beträgt der Feststoffgehalt bei Beginn des Aufschlussverfahrens bevorzugt 3-40 Gew%, das lignocellulosische Material in der wässrigen Lösung liegt nämlich vorzugsweise in einer Stoffdichte von 3-40 Gew%, wie 5-40 Gew%, insbesondere 5-20% Gew% vor.

Die Verwendung von Alkohol erlaubt weitgehend die Entkoppelung des Lignin abb aus vom Hemicelluloseabbau. Bei Ligninabbau Raten von >80% werden maximal 10% Hemicellulse abgebaut. Dieses Verhältnis liegt weit über der, bei anderen Verfahren erreichten Selektivität.

.1 13 A16116

In einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung liegt das Volumsverhältnis von Wasser zu Alkohol in einem Bereich von nicht unter 10:90, insbesondere in einem Bereich von 10:90 bis 90:10, insbesondere von 20:80 bis 40:60, oder in einem Bereich von 60:40 oder darüber, insbesondere von 60:40 bis 90:10. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, dass für einen maximalen Ligninabbau bei Verwendung von Ethanol als Alkohol ein Wasser:

Ethanol Verhältnis von 60:40 bis 80:20, insbesondere von 70 : 30 und für maximale Selektivität ein Wasser : Ethanol Verhältnis von 30:70 bis 50: 80, insbesondere von 40 : 60 vorteilhaft ist.

Als lignocellulosisches Material wird Lignin enthaltendes, organisches Material eingesetzt, vorzugsweise Einjahrespflanzen, wie (trockene) Gräser, oder Teile von Gräsern oder Laubholz, vorzugsweise Gräser, Stroh, Energiegräser, wie z. B. Switchgrass, Elefantengras oder Abaca, Sisal, Bagasse, oder untypische Lignocellulosesubstrate, wie Spelzen, z.B. Deckspelzen, wie Reisspelzen, bevorzugt Stroh, Energiegräser Bagasse oder Spelzen, besonders bevorzugt Stroh oder Bagasse, z. B. Stroh, wie Weizenstroh, eingesetzt.

Stroh hat eine stark hydrophobe Oberfläche, sodaß die Benetzung mit wässrigen Lösungen ein Problem darstellt. Es hat sich gezeigt, dass es durch die Verwendung von Alkohol möglich ist, selbst ohne Druck die Reaktionslösung in die Poren des Substrates einzubringen und die vorhandene Luft durch Reaktionslösung zu ersetzen. Ferner hat sich gezeigt, dass bei den gewählten Reaktionsbedingungen Alkohol die Extraktion der Spaltprodukte aus Stroh beschleunigt und dazu beiträgt, die Ligninspaltprodukte in Lösung zu halten, während im Gegensatz dazu Alkohol die Löslichkeit der Hemicellulose und deren Spaltprodukte herabsetzt und somit die Hemicellulose im Substrat gehalten wird.

In einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird beträgt die Aufschlussdauer bevorzugt 2 Stunden bis 36 Stunden, besonders bevorzugt 3 bis 18 Stunden.

Ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird bevorzugt derart ausgeführt, dass der Lignocellulosegehalt der Aufschlusslösung in einem Bereich von 5% bis 40 Gew.%, mym

i

14 A16116 insbesondere von 10 bis 20 Gew.% liegt. Die für ein bestimmtes Aufschlussziel ideale Feststoffkonzentration kann durch Vorversuche ermittelt werden.

Das beim Aufschluss in einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung gelöste Lignin wird bevorzugt vom Feststoff abgctrennt. z.B. durch Filtration, Zentrifugieren. Durch den geringen Ligningehalt kann das im Substrat verbleibende Xylan fast vollständig in einem weiteren, reinen Produktstrom zu Zuckern und/oder Oligosacchariden abgebaut und gewonnen werden.

Je nach angestrebter weiterer Verwendung der Produkte kann durch die Kombination der Parameter NaOH-Konzentration, Temperatur, Dauer, Stoffdichte und Alkohol Konzentration entweder eine maximale Ligninausbeute von etwa 90 % bei geringem Hemicelluloseabbau (ca. 10%), oder eine Ligninausbeute von ca 70 % bei unter 1% Hemicelluloseabbau erreicht werden. Selbst im Falle des 90%-igen Ligninabbaus bei ca 10% Hemicelluloseabbau übertrifft die Selektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens bei weitem die Selektivität der bisher beschreibenen Verfahren.

Durch geeignete Auswahl der Konzentration der Aufschlusskomponenten Alkohol, Wasser und Lauge, sowie der Reaktionsparameter Temperatur, Aufschlussdauer und Feststoffkonzentration für die jeweils aufzuschließende Lignocellulose kann eine angestrebte Ligninausbeute eingestellt werden. Beispielsweise können für die jeweils aufzuschließende Lignocellulose Regressionsmodelle für Aufschlussdaten erstellt werden, aus denen für den jeweils angestrebten Ligningehalt des nach dem Aufschluss anfallenden Feststoffes die optimale prozentuelle Zusammensetzung der Aufschlusskomponenten und die optimalen Reaktionsparameter gewählt werden können. Die Erstellung solcher Regressionsmodelle kann dabei mit statistischer Versuchsplanung erfolgen.

Die Aufschlussparamenter werden für die jeweils aufzuschließende Lignocellulose bevorzugt so gewählt, dass sich aus der Menge des gewonnen Lignins und den aus den Produkten des nach Abtrennung der Ligninlösung gewonnenem Feststoffes die höchste Wertschöpfung ergibt. Das heisst, die Einstellung der angegebenen Parameter erfolgt derart, 15 A16116 dass optimale Mengen höherwertiger Produkte aus dem gemäß vorliegender Erfindung aufgeschlossenen Material erhalten werden.

Eine der bevorzugten Varianten zielt darauf ab, dass das gewonnene Lignin die niedrigst mögliche Konzentration an, aus der Spaltung von Hemicellulose stammenden, Produkten enthält.

In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erreichung eines angestrebten Delignifizierungsgrades des, nach der Abtrennung der Flüssigphase gewonnenen Feststoffes bei der Ligningewinnung aus Lignocellulose durch Aufschluss mit Alkohol, Wasser und einer Lauge unter 100°C, zur Verfügung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die prozentuelle Zusammensetzung der drei Aufschlusskomponenten Alkohol, Wasser und Lauge, sowie die Reaktionsparameter Temperatur, Aufschlussdauer und Feststoffkonzentration je nach angestrebtem Ligningehalt des, nach dem Aufschluss nach Abtrennung der Flüssigphase gewonnenen Feststoffes, gewählt wird; bevorzugt, dass für die jeweils aufzuschließende Lignocellulose Regressionsmodelle für Aufschlussdaten erstellt werden, aus der für den jeweils angestrebten Ligningehalt des nach Aufschluss anfallenden Feststoffes die optimale prozentuelle Zusammensetzung der Aufschlusskomponenten und die optimalen Reaktionsparameter gewählt werden können, wobei die Erstellung der Regressionsmodelle bevorzugt gemäß statistischer Versuchsplanung erfolgt.

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Beispiel 1

Einstellung der Ligninausbeute und Selektivität des Lignocelluloseaufschlusses durch Wahl bestimmter Aufschlussparameter

Weizenstroh (21,0 Gew% Ligningehalt, 20,9 Gew% Xylangehalt - dieser entspricht 238 g hydrolisierte Xylose pro kg Weizenstroh) wurde auf eine Partikelgröße von 2 mm mit einer Ultrazentrifugalmühle zerkleinert. Das Stroh wurde in einer Mischung aus Wasser, Ethanol, NaOH suspendiert und unter Rühren bei konstanter Temperatur aufgeschlossen. Im gewählten Versuchsplan (zentraler zusammengesetzter Optimierungsplan) wurde der Feststoffgehalt (FG) des Weizenstrohs in der Aufschlusslösung zischen 5 und 10 Massen % variiert, die Temperatur zwischen 30 und 70°C, die Laugenmenge zwischen 4 und 8 Gew% bezogen auf den Feststoff, die Alkoholkonzentration der Aufschlusslösung wurde zwischen 0 und 80 Vol%, die Aufschlusszeit zwischen einer und 24 Stunden eingestellt. Nach dem Aufschluss wurde der verbleibende Feststoff von der Aufschlusslösung abgetrennt und die Feststoffausbeute, der Ligningehalt des Feststoffes sowie der Lignin- und Saccharidgehalt (Xylose, Gesamtzucker) der Aufschlusslösung bestimmt. Folgende Beispiele wurden aus den Regressionsgleichungen des Versuchsplans errechnet: 1. Aufschluss bei 5% FS, mit 25 Vol% Ethanol in der Aufschlusslösung; Dauer 18 Stunden; Temperatur 70°C, Laugenmenge 8 Gew%.

Feststoffausbeute: 68,5 ±2,3%

Ligningehalt des Feststoffes: 10,8 ± 1,4 %

Delignifizierung: 65 ± 4%

Xyloseausbeute in der Aufschlusslösung: 11 ± 2%

Gesamtzuckerausbeute in der Aufschlusslösung: 9 ± 1% 2. Aufschluss bei 5% FS, mit 80 Vol% Ethanol in der Aufschlusslösung; Dauer 18h; Temperatur 70°C, Laugenmenge 8 Gew%.

Feststoffausbeute: 68,5 ± 2,3%

Ligningehalt des Feststoffes: 12,6+ 1,1 %

Delignifizierung: 59 + 3%

Xyloseausbeute in der Aufschlusslösung: 0%

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Gesamtzuckerausbeute in der Aufschlusslösung: 1% + 1% 3. Aufschluss bei 10% FS, mit 40 Vol% Ethanol in der Aufschlusslösung; Dauer 18 Stunden; Temperatur 70°C, Laugenmenge 8 Gew%.

Feststoffausbeute: 60,1 ± 3,1%

Ugningehalt des Feststoffes: 7,9 +1,0 %

Delignifizierung: 78 ± 6%

Xyloseausbeute in der Aufschlusslösung: 6 + 1%

Gesamtzuckerausbeute in der Aufschlusslösung: 6+1% 4. Aufschluss bei 10% FS, mit 60 Vol% Ethanol in der Aufschlusslösung,, Dauer 18 Stunden; Temperatur 70°C, Laugenmenge 8 Gew%.

Feststoffausbeute: 60,1 + 3,1%

Ligningehalt des Feststoffes: 8,2 ± 1,1 %

Delignifizierung: 75 + 5%

Xyloseausbeute in der Aufschlusslösung: 1.0 + 0,5%

Gesamtzuckerausbeute in der Aufschlusslösung: 2 ± 0,6%

Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 wurde Weizenstroh mit einer Partikelgröße von 2 mm verwendet. Das Weizenstroh wurde in einer Mischung aus Isopropanol, Wasser und NaOH suspendiert und unter Rühren bei einer konstanten Temperatur von 70°C für 18 Stunden aufgeschlossen. Der Feststoffgehalt in der Aufschlusslösung betrug 5 Massenprozent. Zum Vergleich wurden Aufschlüsse sowohl mit 30 Vol% als auch mit 60 Vol% Isopropanol durchgeführt. Die Laugenmenge betrug 8 Gew% bezogen auf den Feststoff.

Aufschluss mit 30 Vol% Isopropanol:

Feststoffausbeute: 69,5%

Delignifizierung: 93%

Xyloseausbeute in der Aufschlusslösung: 8,3%

Aufschluss mit 60 Vol% Isopropanol:

üüdiiHSIIS A16116

18 [102012/50003

Feststoffausbeute: 68,2%

Delignifizierung: 63%

Xyloseausbeute in der Aufschlusslösung: 0,86%

Claims

(Printed:^

19 A16116 Ansprüche 1. Verfahren zur Erreichung einer angestrebten Ligninausbeute im, nach der Abtrennung der Flüssigphase gewonnenen Feststoff bei der Ligningewinnung aus Lignocellulose durch Aufschluss mit Alkohol, Wasser und einer Lauge unter 100°C, dadurch gekennzeichnet dass die prozentuelle Zusammensetzung der drei Aufschlusskomponenten Alkohol, Wasser und Lauge, sowie die Reaktionsparameter Temperatur, Aufschlussdauer und Feststoffkonzentration je nach angestrebtem Ligningehalt des, nach dem Aufschluss nach Abtrennung der Flüssigphase gewonnenen Feststoffes, gewählt wird; insbesondere, dass für die jeweils aufzuschließende Lignocellulose eine Matrix an Aufschlussdaten erstellt wird, aus der für den jeweils angestrebten Ligningehalt des nach Aufschluss anfallenden Feststoffes die optimale prozentuelle Zusammensetzung der Aufschlusskomponenten und die optimalen Reaktionsparameter gewählt werden können, insbesondere wobei die Erstellung der Matrix nach multivariater Datenanalyse erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die prozentuelle Zusammensetzung der drei Aufschlusskomponenten Alkohol, Wasser und Lauge, sowie die Reaktionsparameter Temperatur, Aufschlussdauer, Feststoffkonzentration für die jeweils aufzuschließende Lignocellulose so gewählt werden, dass der minimale Ligningehalt des Feststoffes erreicht wird und die maximale Ligninmenge gewonnen werden kann, insbesondere wobei die prozentuelle Zusammensetzung der drei Aufschlusskomponenten Alkohol, Wasser und Lauge, sowie die Reaktionsparameter Temperatur, Aufschlussdauer, Feststoffkonzentration für die jeweils aufzuschließende Lignocellulose so gewählt werden, dass das gewonnene Lignin die niedrigst mögliche Konzentration an, aus der Spaltung von Hemicellulose stammenden, Produkten enthält.
3. Verwendung von Isopropopanol als Alkohol in einem Verfahren zur Gewinnung von Lignin aus lignocellulosisehen Material, insbesondere in einem Aufschlussverfahren, insbesondere, wobei das Verfahren im alkalischen Milieu durchgeführt wird. @02012/5000.3 fPrlnt^d: 13^01 -2012 HÖM A16116 20
4. Verwendung nach Anspruch 3, in einem Verfahren zur Gewinnung von Lignin aus lignocellulosischem Material durch Aufschluss mit Alkohol, insbesondere mit einem Ci_ 4Älkohol, Wasser und einer Lauge, insbesondere Natronlauge, bei einer Temperatur von unter 100°C, insbesondere von 40°C bis 90°C, insbesondere von 50°C bis 70°C, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Lauge bezogen auf das Trockengewicht der aufzuschließenden Lignocellulose von 3 bis 12 Gew%, insbesondere von 4 bis 10 Gew%, insbesonders von 5 bis 8 Gew% beträgt.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Wasser zu Alkohol in einem Bereich von 10:90 bis 90:10, insbesondere von 20:80 bis 40:60, oder insbesondere in einem Bereich von 60:40 bis 90:10 liegt.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufschlussdauer von 2 Stunden bis 36 Stunden, insbesondere von 10 bis 24 Stunden angewandt wird.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als lignocellulosisches Material Stroh, Bagasse, Energiegräser, insbesondere Elefantengras, Switchgras, und/oder Spelzen, insbesondere Deckspelzen, eingesetzt wird.