Zerlegung von hemicellulosereichem biologischem material mit wasser in einem strömungsreaktor

Abstract

Biological materials, rich in hemicelluloses (birch and pine wood, wheat straw and rice hulls) were disintegrated batchwise in a flow reactor with pure water at elevated temperatures and pressures. The resulting extractives and residual fibre compounds were characterized. Because of rapid removal of carbohydrate based extractives from the hot reaction zone, the degradation of pentosans and hexosans to furfural and hydroxymethylfurfural could be limited to only a small amount. Contrary to normal prehydrolysis conditions employing a sealed batch reactor, temperatures of 190 to 210°C and residence times of goods of 60 min are the optimum. Thus, hemicelluloses are dissolved and isolated with up to more than 90% yield. At temperatures above 225 "C severe destruction of hemicelluloses and solvolysis of ce&lose starts. Depending on disintegration temperatures, pentosan average molecular weights (4) vary in case of birch wood between 3 800 at 150°C and 900 at 225 "C. m e content of monomers rises with temperature and reaches a maximum of 45% at 225 "C. DP, of residual cellulose is also temperature dependent and vanes in case of birch wood and wheat straw between 1500 and 450. Lignin, which is mostly not dissolved, can be removed almost quantitatively by further treatment of the residue with ethanol/water at 250 "C, thus allowing the isolation of relatively pure cellulose. EinleitungIn jiingerer Zeit hat die Nutzung von biologischem Material als Rohstoffquelle und Energietrtiger wieder Beachtung gefunden. Neben der Cellulose werden auch die Hemicellulosen und das Lignin zunehmend als wertvolle Rohstoffe angesehen und die Isolierung und Verwertung intensiver untersucht' -4). Breiten Raum nehmen dabei chemische AufschluRverfahren ein, mit deren Hilfe Lignocellulosen in ihre Hauptbestandteile getrennt und chemischen oder enzymatischen Reaktionen besser zugBnglich gemacht werden konnen. Zu diesen Verfahren gehBrt die klassische Vorhydrolyse, die in neuerer Zeit von Autoren auch als Autohydr~lyse~*~) oder Hydrothermolyse'. *) bezeichnet wird, ebenso, wie die in jiingerer Zeit entwickelten Dampfbehandlungsverfahren (steaming oder steam-exp10sion)~-' ').Die Vorhydrolyse von Holz ist seit langem bekannt und wird auch technisch als Vorstufe der Sulfat-Zellstoffgewinnung angewandt j 2 ) . Eine Vorhydrolyse ist insbesondere dann notwendig, wenn Chemiezellstoffe mit hohem Cellulosegehalt hergestellt und die Hemicellulosen mBglichst vollsttindig abgetrennt werden sollen. Beim SulfataufschluB wird sonst ein erheblicher Teil der Hemicellulosen durch Abspaltung der Seitengruppen in lineare Ketten llberfilhrt, die von der Cellulose adsorbiert werden und in Alkali nicht mehr 1Bslich sindi3). Durchgefllhrt wird die Vorhydrolyse entweder in verdiinnten SBuren bei 120 -130 "C oder in Wasser bei 150 -180 OCI4). Da aus den Hemicellulosen des Holzes Essigsiiure freigesetzt wird, findet der Abbau mit Wasser unter schwach sauren Bedingungen bei pH 3 bis 4 statt. Dabei werden Teile der Hemicellulosen und des Lignins gel6st und teilweise hydrolysier...