Abbaumechanismen und -kinetiken der Modellbiomassen Cellulose und Lignin bei der Hydrothermalen Carbonisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit der Hydrothermalen Carbonisierung und dem wissenschaftlichen Verständnis über den Prozess kann eine nachhaltige Energie- und Kohlenstoffquelle als Alternative zu den fossilen Rohstoffen erschlossen werden. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Umsetzung von holzartigen Biomassen und deren Hauptbestandteilen Cellulose, Lignin und Hemicellulose (Xylose) sowie ihren Modellsubstanzen (Glucose, Vanillin, Furfural), um die ablaufenden Reaktionen besser zu verstehen. Bei den untersuchten Substanzen konnten Aussagen über die Umwandlungsrate zu Biokohle, sowie entstehende Produkte der Flüssig- und Gasphase gemacht werden. Mit der DRIFT-Spektroskopie konnten wichtige Erkenntnisse zu Umwandlungsgrad und funktionellen Gruppen erhalten werden. Für die Umsetzung des Ligninabbauproduktes Vanillin wurde der Reaktionsmechanismus in der flüssigen Phase und der Feststoffbildung aufgeklärt. Über die Umsetzung von Xylose und dem Abbauprodukt Furfural konnte ein modelliertes Reaktionsnetz erstellt werden und die Oberflächenfunktionalitäten sowie die Einflüsse von Temperatur und Dauer auf die Furfural-Kohle konnten ermittelt werden. Die Ergebnisse über Biokohleumwandlungsraten und Zusammensetzungen wurden mit der untersuchten realen holzartigen Biomasse Buchenholz verglichen. Mit einer Linearkombination konnten gute Übereinstimmungen zwischen den Summen der Messungen der Einzelbestandteile und dem umgewandelten Buchenholz erhalten werden. Das heißt die Verkohlung der Biomassebestandteile des Buchenholzes geschieht in erster Näherung unabhängig voneinander; hier am Beispiel des Kohlenstoffgehaltes gezeigt. %C(tau)Buchenholz=wCellulose*%C(tau)Cellulose+wLignin*%C(tau)Lignin+wXylose*%C(tau)Xylose Wenn Biomasse dezentral über die HTC umgewandelt wird, so gibt es viele Anlagen mit stetig wechselnder Zusammensetzung des Ausgangsmaterials. Dieses Modell ermöglicht dem Betreiber einen optimalen Betrieb der HTC-Anlage. In weiteren Projekten sollten andere Biomassebestandteile wie zum Beispiel Proteine in das Modell aufgenommen werden. Versuche mit Proteinen bzw. Aminosäuren zeigen aber, dass diese nicht ohne Kohlenhydrate oder Lignin zu Feststoff umgesetzt werden können. Weiterhin sollte es mit anderen realen Biomassen und Biomassemischungen (z.B. biologische Haushaltsabfälle, Biogasrückstände, Klärschlamm etc.) verglichen und gegebenenfalls angepasst werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017) Hydrothermal Carbonization of Lignin with Vanillin as a Model Component. Chem. Eng. Technol. (Chemical Engineering & Technology) 40 (6) 1190–1195
Curtze, Jan Henning; Bär, Fabian; Steffan, Jörg; Dörr, Timo; Vogel, Herbert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ceat.201600090) - 2014 ProcessNet-Jahrestrefen Reaktionstechnik, Würzburg „Hydrothermale Carbonisierung von Vanillin als Modellkomponente von Lignin im Hochdruck-Batch-Reaktor“
J.H. Curtze, F. Bär, T. Dörr, C.A. Pfeifer, A. Drochner, H. Vogel
- (2016), Hydrothermale Carbonisierung von Buchenholz. Chemie Ingenieur Technik, 88: 1341
Bär, F., Riehl, R., Curtze, J. H., Dörr, T., Drochner, A. and Vogel, H.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/cite.201650203) - 2016 Fachforum: Hydrothermale Prozesse, Leipzig „Hydrothermale Carbonisierung von Furfural“
F. Bär, T. Schedlbauer, J. H. Curtze, T. Dörr, A. Drochner, H. Vogel
- 2016 ProcessNet-Jahrestagung und 32. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, Aachen „Hydrothermale Carbonisierung von Buchenholz“
F. Bär, R. Riehl , J. H. Curtze, T. Dörr, A. Drochner, H. Vogel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cite.201650203) - 2016), Hydrothermale Carbonisierung von Furfural, DBFZ – 2. HTP-Fachforum, 20-29. ISBN: 978-3-946629-06-1
Bär, F., Schedlbauer, T., Curtze, J. H., Dörr, T., Drochner, A. and Vogel, H.
