Aufbau einer OrganoCat Pilot-Raffinerie

Eines der Ziele des Projektes war es, eine neue Strategie zur Ligninabtrennung zu identifizieren. Auf Basis von Laborexperimenten wurden Untersuchungen und Prozesssimulationen durchgeführt, um verschiedene Verfahrensoptionen für die Abtrennung zu evaluieren, den Technologiereifegrad des Verfahrens zu erhöhen und die Realisierung im Bioraffinerietechnikum der Aachener Verfahrenstechnik (AVT) an der RWTH Aachen zu ermöglichen. Die Fraktionierung von Biomasse kann mit dem kürzlich an der RWTH Aachen entwickelten OrganoCat-Prozess effizient realisiert werden (Abb. 1). Es nutzt ein biphasisches Lösungsmittelsystem bestehend aus Wasser und dem organischen Lösungsmittel 2-Methyltetrahudrofuran (2-MTHF) in Kombination mit einer biobasierten organischen Säure, z. B. Oxalsäure, um am Ende des Fraktionierungsschrittes die drei Biopolymere Cellulose, Hemicellulose und Lignin in drei getrennten Phasen zu erhalten. Lignin wird in situ in die organische Flüssigphase extrahiert, während die depolymerisierten Polysaccharide in der wässrigen Flüssigphase verbleiben. Die Cellulose wird durch Filtration von den Flüssigkeiten getrennt. Die Abtrennung von Lignin aus dem organischen Lösungsmittel 2-MTHF ist erforderlich, um das Lösungsmittelrecycling und die Weiterverarbeitung des Produkts Lignin zu ermöglichen. Der naheliegendste Ansatz - Lösungsmittelrückgewinnung durch Verdampfung von 2-MTHF - ist jedoch im technischen Maßstab nicht realisierbar, da die vollständige Verdampfung von 2-MTHF zur Bildung von Verkrustungen auf der Oberfläche des Verdampfers führt, die eine Rückgewinnung des Lösungsmittels behindert. Aus diesem Grund wurde im Projekt AP³ ein neues Konzept zur Ligninabtrennung auf Basis einer Antisolvent-Fällung erfolgreich entwickelt.

Abb. 1: Fraktionierung von lignocellulosehaltiger Biomasse mit dem OrganoCat-Verfahren. Abb. 1: Fraktionierung von lignocellulosehaltiger Biomasse mit dem OrganoCat-Verfahren.

In einem ersten Schritt wurde ein Antisolvent-Screening durchgeführt, um Substanzen zu identifizieren, die Lignin aus 2-MTHF-Lösungen ausfällen. Anforderungen an geeignete Trennmittel waren geringe Löslichkeit für Lignin, Mischbarkeit mit 2-MTHF und eine einfache Rückgewinnung aus der organischen Phase durch Rektifikation. n-Pentan zeigte hohe Ausbeuten bei der Ligninfällung und eine effiziente Rückgewinnung, deshalb wurde es für die weitere Entwicklung ausgewählt.

Die Löslichkeit von Lignin im ternären System - Lignin, 2-MTHF und n-Pentan - wurde detailliert untersucht, um ein geeignetes Verhältnis von Antisolvent zu organischer Phase im Fällungsprozess zu bestimmen. Basierend auf den experimentell ermittelten Löslichkeitsdaten und Prozesssimulationen mit der Software Aspen Plus wurde ein energetisch günstiges Prozesskonzept entwickelt. Das Verfahrenskonzept besteht aus einer Lösungsmittelvorverdampfung, einer Ligninfällung unter Verwendung von n-Pentan als Antisolvens und einer Antisolvensrückgewinnung durch Rektifikation (Abb. 2). Dieser Downstream-Prozess wurde erfolgreich im Labormaßstab durchgeführt und führte zu festem Lignin, das durch Filtration von der organischen Phase getrennt werden konnte. Der OrganoCat-Aufschlussprozess wurde anschließend in das Bioraffinerie-Technikum der Aachener Verfahrenstechnik in einem 50-Liter-Reaktor hochskaliert (Abb. 3). 2,5 kg Buchenholz wurden erfolgreich in die drei Biopolymere fraktioniert. Nach der Umsetzung im Reaktor, wurden die Produktphasen durch Filtration und Dekantieren voneinander getrennt.

Die Herstellung größerer Mengen der organischen Phase mit OrganoCat-Lignin in der Bioraffinerie-Pilotanlage ermöglichte auch die Erprobung des entwickelten Antisolvent-Fällungsverfahrens zur Ligninabtrennung. Lignin konnte bei Zugabe von n-Pentan erfolgreich ausgefällt werden. In Abhängigkeit von den angewandten Prozessbedingungen wurde jedoch eine Transformation der ausgefällten Ligninpartikel beobachtet, die zu weichem Lignin mit schlechteren Filtrationseigenschaften führte. In zukünftigen Studien soll der Einfluss der gewählten Prozessbedingungen auf die Eigenschaften der Ligninpartikel untersucht werden.