VERFAHREN ZUR DESODORIERUNG VON LIGNIN PROCESS FOR THE DESODORATION OF LIGNIN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desodorierung von Lignin. Biomasse gewinnt zunehmend an Bedeutung als Rohstoff beispielsweise für die The invention relates to a process for the deodorization of lignin. Biomass is becoming increasingly important as a raw material, for example for the
Kraftstoffherstellung oder auch als Quelle von Grund- und Feinchemikalien für die chemische Industrie. Eine große Rolle spielt dabei die umfassende Verwertung von Lignocellulose mit ihren Hauptbestandteilen Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Lignin hat grundsätzlich konsumentennahes Anwendungspotential als Ausgangsstoff für die Phenolproduktion in der Grundstoffindustrie, als Klebstoffzusatz, Spritzguss- Substrat, Brennstoff, Ausgangsstoff für Adsorber und Dämmstoffe. In konventionellen Verfahren (z.B. sogenannte Soda- oder Pulp-Prozesse) fällt Lignin meist als Nebenprodukt an, indem Fuel production or as a source of basic and fine chemicals for the chemical industry. A major role is played by the extensive exploitation of lignocellulose with its main components cellulose, hemicellulose and lignin. Lignin has basically consumer potential application as starting material for phenol production in the basic industry, as an additive, injection molding substrate, fuel, source material for adsorbers and insulating materials. In conventional processes (e.g., so-called soda or pulp processes), lignin is usually by-produced by:
Lignocellulose mit Laugen, Säuren oder organischen Lösungsmitteln, seltener mit Dampf oder wässrigen Lösungen, aufgeschlossen wird. Allerdings enthält dieses Lignin viele flüchtige organische Substanzen (VOC), welche die Anwendbarkeit im konsumentennahen Bereich erheblich einschränken. Aufgrund dieser Einschränkungen wird Lignin derzeit hauptsächlich als Brennstoff und nur in seltenen Fällen auch als Ausgangsstoff für die Grundstoffindustrie (Leime, Vanillin) eingesetzt. Die Wertschöpfung bei Verwendung als Brennstoff ist jedoch wirtschaftlich unbefriedigend, und die Isolation von Feinchemikalien ist bislang aufwändig und erfordert den Einsatz diverser umweltschädlicher Reaktionshilfsmittel, so dass eine nachhaltige Verwertung ohne Abfallstoffe bislang nicht möglich ist. Durch die bislang weitgehend auf die thermische Energiegewinnung beschränkte Verwertung des an sich inhaltsreichen Lignins liegt somit ein erheblichesWertschöpfungspotential brach. So erfordert die Verwendung von ligninbasierten Formteilen, z.B. für Armaturenbretter in Innenräumen von Kraftfahrzeugen, aufgrund der unerwünschten Geruchsbildung weitere (bio-)chemische Zwischenschritte. Eine ähnliche Problemstellung existiert bei der Verwendung von Lignin als Klebstoff-Hilfsmittel, da auch hier die originale Geruchsnote als störend empfunden wird. Verfahren zur Desodorierung von Lignin sind grundsätzlich bekannt. Kalliola et al. 2012Lignocellulose with alkalis, acids or organic solvents, less often with steam or aqueous solutions, is digested. However, this lignin contains many volatile organic compounds (VOC), which severely limit its applicability in the consumer-related area. Due to these limitations, lignin is currently used mainly as a fuel and only in rare cases as a raw material for the basic industries (glues, vanillin). However, the value added when used as a fuel is economically unsatisfactory, and the isolation of fine chemicals is so far complex and requires the use of various environmentally harmful reaction aids, so that a sustainable recovery without waste materials is not possible. Due to the previously largely limited to the thermal energy recovery utilization of the lignin, which is rich in content, there is thus a considerable potential for untapped potential. Thus, the use of lignin-based moldings, e.g. for dashboards in interiors of motor vehicles, due to the unwanted odor further (bio-) chemical intermediate steps. A similar problem exists in the use of lignin as an adhesive aid, since the original odor note is distracting. Methods for deodorising lignin are known in principle. Kalliola et al. 2012
(Kalliola, A. et al, 2012, Reducing the content of VOCs of softwood Kraft lignin for material applications, BioResources 7(3), 2871-2882) beschreiben beispielsweise den Einsatz von
Laccasen zur Reduzierung von VOCs bei Kraft-Ligninen, d.h. Ligninen, die beim Aufschluss über das so genannte Sulfatverfahren anfallen. Auch König et al. 2010 (König, S. et al. 2010, Characterisation of volatile organic Compounds (VOC) in different lignin and their reduction by enzymatic modification for the production of fibre-reinforced biopolymers, Journal of (Kalliola, A. et al., 2012, Reducing the content of VOCs of softwood Kraft lignin for material applications, BioResources 7 (3), 2871-2882), for example, describe the use of Laccases for the reduction of VOCs in Kraft lignins, ie lignins, which are produced by digestion via the so-called sulphate process. Also, King et al. 2010 (König, S. et al., 2010), Characterization of volatile organic compounds (VOC) in different lignin and their reduction by enzymatic modification for the production of fiber-reinforced biopolymers, Journal of
Biotechnology 150, 380-381. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2010.09.471) sowie die ERA-IB Biotechnology 150, 380-381. DOI: 10.1016 / j.jbiotec.2010.09.471) as well as the ERA-IB
Forschungsgruppe um Wilhelm. C. et al. 2014 (Projekt EU3 10.013, Präsentation Warschau Feb. 2014 : Development of a process for the utilization both the carbohydrate and the lignin content from lignocellulosic materials in annual plants for the production of valuable products) beschreiben die enzymatische Bearbeitung mittels Laccasen. Ein enzymatischer Research group around Wilhelm. C. et al. 2014 (Project EU3 10.013, Warsaw presentation Feb. 2014: Development of a process for the utilization of the carbohydrates and the lignin content from lignocellulosic materials in annual plants for the production of valuable products) describe the enzymatic processing by means of laccases. An enzymatic
Behandlungsansatz ist auch in der DE 102006057566 AI beschrieben. Treatment approach is also described in DE 102006057566 AI.
Die bisher bekannten Lösungsansätze führen allerdings zu einer erheblichen Modifikation und gegebenenfalls auch zur Zerstörung der Ligninstruktur. Darüber hinaus sind die Verfahren vergleichsweise aufwändig und müssen an die jeweilige Ligninzusammensetzung angepasst werden. Zudem ist die erreichte Geruchsverminderung häufig noch nicht befriedigend. However, the previously known approaches lead to a significant modification and possibly also to the destruction of the lignin structure. In addition, the methods are relatively complex and must be adapted to the particular lignin composition. In addition, the odor reduction achieved is often not yet satisfactory.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ligninhaltige Biorohstoffe einer effizienteren und breiteren Nutzung zuzuführen. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Desodorierung von Lignin, umfassend den Schritt des Extrahierens eines ligninhaltigen Substrates mit einem überkritischen Fluid oder einem überkritischen Fluidgemisch. Bei dem Verfahren wird das ligninhaltige Substrat mit einem überkritischen Fluid oder Fluidgemisch unter Bedingungen, z.B. hinsichtlich Druck, Temperatur und Extraktionszeit, extrahiert, die geeignet sind, eine Minderung des Anteils flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) in dem ligninhaltigen Substrat zu bewirken. The object of the present invention is to supply lignin-containing bio-raw materials for a more efficient and wider use. The object is achieved by a process for the deodorization of lignin, comprising the step of extracting a lignin-containing substrate with a supercritical fluid or a supercritical fluid mixture. In the process, the lignocellulosic substrate is contacted with a supercritical fluid or fluid mixture under conditions, e.g. in terms of pressure, temperature and extraction time, which are suitable for effecting a reduction of the volatile organic compound (VOC) content in the lignin-containing substrate.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenes Lignin weist im Vergleich zum Ausgangssubstrat, d.h. dem ligninhaltigen Substrat vor der Extraktion mit dem überkritischen Fluid oder dem überkritischen Fluidgemisch, einen deutlich verminderten Anteil flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) im Ligningerüst auf, und ist daher im Vergleich zum A lignin obtained by the process according to the invention has, in comparison to the starting substrate, i. the lignin-containing substrate before extraction with the supercritical fluid or the supercritical fluid mixture, a markedly reduced proportion of volatile organic compounds (VOC) in the lignin backbone, and is therefore in comparison to
Ausgangssubstrat geruchsvermindert oder sogar im Wesentlichen geruchsfrei. Das Starting substrate odor-reduced or even substantially odorless. The
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht erstmals auch eine nachhaltige und schonende
Herstellung eines weitgehend naturbelassenen, d.h. in seiner ursprünglichen molekularen Struktur möglichst unveränderten, zumindest geruchsverminderten oder geruchsfreien Lignins unter Verzicht auf organische Lösemittel, mineralische Säuren und Laugen. Damit ist es beispielsweise möglich, einen ligninbasierten Füllstoff für die Kleb Stoffproduktion oder geruchsfreie ligninbasierte Formteile für z.B. die Automobilindustrie zu entwickeln. inventive method allows for the first time a sustainable and gentle Production of a largely natural lignin, that is, as far as possible unchanged in its original molecular structure, at least odor-reduced or odor-free lignin, without organic solvents, mineral acids and alkalis. Thus, it is possible, for example, to develop a lignin-based filler for the adhesive material production or odorless lignin-based moldings for example the automotive industry.
Unter dem Begriff„ligninhaltiges Substrat" wird hier ein Material bzw. eine Materialmischung verstanden, das bzw. die Lignin enthält. Beispiele für ligninhaltige Substrate sind Holz, Stroh, Bagasse, Kleie, Gras etc. Bei dem ligninhaltigen Substrat kann es sich auch um ein bereits vorbehandeltes Substrat handeln, beispielsweise um Abfallstoffe aus dem bei der The term "lignin-containing substrate" is understood here to mean a material or a material mixture which contains lignin, for example, lignin-containing substrates are wood, straw, bagasse, bran, grass, etc. The lignin-containing substrate can also be a already pretreated substrate act, for example, waste from the at
Papierherstellung häufig verwendeten Sulfat- bzw. Kraftverfahren, oder um Abfälle aus mit organisch-wässrigen Lösungsmitteln behandelte ligninhaltige Substrate (Organosolv- Verfahren). In Zusammenhang mit derartigen Abfällen wird auch von„Kraft-Lignin", „Organosolv"-Lignin oder auch Hydrolyselignin gesprochen. Unter den Begriff„ligninhaltiges Substrat" fällt auch lignocellulosehaltige Biomasse. Es handelt sich hierbei um ein Material, bei dem Lignin in ein aus Hemicellulosen und vor allem Cellulose gebildetes Gerüst eingelagert ist. Papermaking often used sulfate or Kraftverfahren, or waste from organic-aqueous solvents treated ligninhaltige substrates (Organosolv method). In connection with such waste is also spoken of "Kraft lignin", "Organosolv" lignin or hydrolysis lignin. The term "lignocellulosic substrate" also includes lignocellulose-containing biomass, a material in which lignin is incorporated into a framework formed of hemicelluloses and, above all, cellulose.
Der Begriff„Lignin" bezeichnet ein komplexes Polymer aus aromatischen Alkoholen als Monomeren, die als Monolignole bezeichnet werden und im Wesentlichen über Ethergruppen miteinander verbunden sind. Monolignole sind beispielsweise Phenylpropanoide wie p- Cumarylalkohol, Coniferylalkohol und Sinapylalkohol, die in unterschiedlichem Maße beispielsweise methoxyliert sein können. Lignin ist ein Bestandteil der sekundären Zellwand von Pflanzen und einigen Algen, wo es quervernetzte Makromoleküle mit Molekulargewichten von mehr als 5000 u bildet. Verschiedene Holz- bzw. Pflanzenarten weisen Lignine The term "lignin" refers to a complex polymer of aromatic alcohols as monomers, referred to as monolignols, which are substantially linked to each other via ether groups, for example, phenylpropanoids such as p-cumaryl alcohol, coniferyl alcohol and sinapyl alcohol, which may be, for example, methoxylated to varying degrees Lignin is a component of the secondary cell wall of plants and some algae, where it forms cross-linked macromolecules with molecular weights of more than 5000 U. Various species of wood or plants have lignins
unterschiedlicher prozentualer Anteile der Monolignole auf. Lignin aus Nadelholz enthält beispielsweise überwiegend Coniferyleinheiten, welche einen Guajacylrest (3-Methoxy-4- hydroxyphenylrest) aufweisen, während das Lignin aus Laubholz wechselnde Anteile von Guajacylresten und Sinapyleinheiten, welche einen Syringylrest (3,5-Methoxy-4- hydroxyphenylrest) enthalten, aufweist. Lignin aus Gräsern enthält alle drei Einheiten. different percentages of monolignols. For example, lignin from softwood contains predominantly coniferyl units which have a guaiacyl residue (3-methoxy-4-hydroxyphenyl residue), while the lignin from hardwood contains varying proportions of guaiacyl residues and sinapyle units which contain a syringyl residue (3,5-methoxy-4-hydroxyphenyl residue). having. Grassy lignin contains all three units.
Unter dem Begriff„Desodorierung" ist eine Verminderung des Anteils an geruchsbildenden Verbindungen zu verstehen. Geruchsbildende Verbindungen sind in der Regel flüchtige
organische Verbindungen (VOC = volatile organic Compounds), die entsprechend olfaktorisch wahrgenommen oder durch Messungen in der Gasphase festgestellt werden können. The term "deodorization" is to be understood as meaning a reduction in the proportion of odor-forming compounds. Odor-forming compounds are generally volatile Organic compounds (VOC = volatile organic compounds), which can be perceived olfactorily or detected by measurements in the gas phase.
Insbesondere werden hier unter VOC flüchtige organische Verbindungen verstanden, die bereits bei Umgebungstemperatur einen hohen Dampfdruck aufweisen und demzufolge bevorzugt aus dem Substrat in die Atmosphäre diffundieren können. Im Nachfolgenden werden unter VOC insbesondere organische Komponenten verstanden, die einen Siedepunkt von 50- 260 °C aufweisen. Beispiele für VOC sind Guajacol und reduzierte organische In particular, VOCs here are understood as meaning volatile organic compounds which already have a high vapor pressure at ambient temperature and can therefore preferably diffuse out of the substrate into the atmosphere. In the following, VOCs are understood in particular to mean organic components which have a boiling point of 50-260.degree. Examples of VOCs are guaiacol and reduced organic
Schwefelverbindungen wie Dimethyldisulfid und Dimethyltrisulfid. Der Begriff Sulfur compounds such as dimethyl disulfide and dimethyl trisulfide. The term
„Desodorierung von Lignin" bezieht sich demnach auf die Verminderung des Anteils von aus Lignin entstandenen geruchsbildenden flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) oder Resten davon. Zur Klarstellung sei festgehalten, dass sich der Begriff„Desodorierung eines ligninhaltigen Substrates" auf die Desodorierung des Ligninanteils des Substrates bezieht. Der Begriff„Verminderung des Anteils an geruchsbildenden Verbindungen" bezieht sich vorzugsweise auf eine Verminderung der Gesamtmasse an geruchsbildenden Verbindungen, die aus dem ligninhaltigen Substrat im Vergleich zum Ausgangssubstrat freigesetzt werden können. Accordingly, "deodorization of lignin" refers to the reduction of the proportion of lignin-derived odor-causing volatile organic compounds (VOC) or residues thereof For clarification, it should be noted that the term "deodorization of a lignin-containing substrate" refers to the deodorization of the lignin portion of the substrate refers. The term "reducing the level of odoriferous compounds" preferably refers to a reduction in the total mass of odoriferous compounds that can be released from the lignocellulosic substrate compared to the starting substrate.
Der Begriff„überkritisches Fluid" oder auch„superkritisches Fluid", abgekürzt auch SCF, bezieht sich auf eine fluide Substanz im nahe- oder überkritischem Zustand, d.h. bei einer Temperatur und einem Druck nahe oder oberhalb des kritischen Punktes(Tc und Pc ) der Substanz. In diesem Zustand sind Flüssigphase und Gasphase nicht mehr unterscheidbar. Der Begriff bezieht sich dabei vorzugsweise auf Einstoff-Fluide, d.h. Fluide, die außer The term "supercritical fluid" or "supercritical fluid", abbreviated also SCF, refers to a fluid substance in the near or supercritical state, ie at a temperature and a pressure near or above the critical point (T c and P c ) the substance. In this state, liquid phase and gas phase are no longer distinguishable. The term preferably refers to single-fluid, ie fluids, the except
unvermeidlichen Verunreinigungen im Wesentlichen aus nur einem Stoff, z.B. C02, bestehen. Unter einem„überkritischen Fluidgemisch" oder„superkritischen Fluidgemisch" werden Mehrstoff-Fluide verstanden, d.h. Mischungen aus zwei oder mehr Stoffen, beispielsweise aus C02 und Propan, oder C02 und geringen Anteilen von Ethanol oder Wasser. Unter inevitable impurities consist essentially of only one substance, eg C0 2 exist. A "supercritical fluid mixture" or "supercritical fluid mixture" is understood to mean multi-fluid fluids, ie mixtures of two or more substances, for example C0 2 and propane, or C0 2 and small amounts of ethanol or water. Under
„überkritischem C02" oder„superkritischem C02", abgekürzt„scC02", wird überkritisches Kohlenstoffdioxid verstanden. Der kritische Punkt für Kohlenstoffdioxid liegt bei einer "Supercritical C0 2 " or "supercritical C0 2 ", abbreviated "scC0 2 ", is understood to mean supercritical carbon dioxide, the critical point for carbon dioxide is one
Temperatur von 304, 13 K (30,98 °C) und einem Druck von 7,375 MPa (73,75 bar). Bei Temperaturen und Drücken oberhalb dieses Punktes entstehent überkritisches Temperature of 304, 13 K (30.98 ° C) and a pressure of 7.375 MPa (73.75 bar). At temperatures and pressures above this point, supercritical results
Kohlenstoffdioxid.
Unter einer„Heißwasser-Extraktion" wird eine thermische Behandlung mittels Wasser bei einer Temperatur von >100 °C und einem Druck oberhalb des Dampfdrucks des Wassers bei der jeweiligen Temperatur verstanden. Beispiele sind Temperaturen von 100-250 °C bei Drücken von 1-50 bar, beispielsweise eine Temperatur von 200 °C bei einem Druck von 30 bar. Sofern hier auch die Begriffe„Heißwasser-Hydrolyse" oder„Heißwasser- Vorbehandlung" verwendet werden, werden sie synonym zu dem obigen Begriff„Heißwasser-Extraktion" verwendet. Carbon dioxide. A "hot water extraction" is understood to mean a thermal treatment by means of water at a temperature of> 100 ° C. and a pressure above the vapor pressure of the water at the respective temperature, examples being temperatures of 100-250 ° C. at pressures of 1-50 bar, for example a temperature of 200 ° C. at a pressure of 30 bar. If the terms "hot water hydrolysis" or "hot water pretreatment" are also used here, they are used synonymously with the above term "hot water extraction".
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das überkritische Fluid ein Einstoff-Fluid, und besonders bevorzugt Kohlenstoffdioxid (C02), wobei die SCF-Extraktion bei dieser In a preferred embodiment, the supercritical fluid is a single-fluid, and more preferably carbon dioxide (C0 2 ), wherein the SCF extraction in this
Ausführungsform bevorzugt bei einer Temperatur von 20-90 °C, bevorzugt 30-80°C und besonders bevorzugt 40-70 °C, und einem Druck von 80-800 bar, bevorzugt 100-700 bar, 150-600 bar oder 200-500 bar und besonders bevorzugt 300-450 bar durchgeführt wird. Es kann aber alternativ auch ein Fluidgemisch verwendet werden, wobei C02 hier bevorzugt die Hauptkomponente, d.h. einen Anteil von mindestens 60 Vol.-%, bevorzugt mindestens 70, 80, 85, 90 oder 95 Vol.-% bildet. Beispiele sind Fluidgemische aus C02 und Ethanol oder Wasser oder aus C02 und Propan, wobei erstere bevorzugt sind, beispielsweise C02-Ethanol-, C02- Wasser- oder C02-Propan-Gemische im Verhältnis 80:20 oder höher. Durch den Zusatz von Ethanol, Wasser oder Propan kann die Polarität des C02 erhöht werden, wodurch der erforderliche Prozessdruck und demzufolge die Prozess- und Investitionskosten reduziert werden können. Embodiment preferably at a temperature of 20-90 ° C, preferably 30-80 ° C and more preferably 40-70 ° C, and a pressure of 80-800 bar, preferably 100-700 bar, 150-600 bar or 200-500 bar and more preferably 300-450 bar is performed. Alternatively, however, it is also possible to use a fluid mixture in which C0 2 preferably forms the main component, ie a proportion of at least 60% by volume, preferably at least 70, 80, 85, 90 or 95% by volume. Examples are fluid mixtures of C0 2 and ethanol or water, or from C0 2 and propane, with the former being preferred, for example C0 2 ethanol-, C0 2 - water or C0 2 propane mixtures in the ratio 80:20 or higher. The addition of ethanol, water or propane can increase the polarity of the C0 2 , which can reduce the required process pressure and, consequently, the process and investment costs.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ein Festbettverfahren, wobei das Festbett von dem ligninhaltigen Substrat gebildet wird oder das ligninhaltige Substrat umfasst. Bei dem Festbettverfahren wird das ligninhaltige Substrat vorzugsweise entgegen der The method according to the invention is preferably a fixed-bed method, wherein the fixed bed is formed by the lignin-containing substrate or comprises the lignin-containing substrate. In the fixed-bed process, the lignin-containing substrate is preferably opposite to
Schwerkraftrichtung von dem überkritischen Fluid durchströmt. Direction of gravity flows through the supercritical fluid.
Der Extraktion des ligninhaltigen Substrates mit einem überkritischen Fluid kann eine geeignete Vorbehandlung, vorzugsweise eine Heißwasser-Extraktion und/oder eine The extraction of the lignin-containing substrate with a supercritical fluid may be a suitable pretreatment, preferably a hot water extraction and / or a
enzymatische Extraktion mittels Cellulase(n) vorgeschaltet sein (s. Kirsch et al. 2011, enzymatic extraction using cellulase (s) (see Kirsch et al.
Enzymatische Hydrolyse von Lignocellulose im Festbettreaktor, Chemie Ingenieur Technik 2011, 83(6), 867-873). Bevorzugt wird das ligninhaltige Substrat vor der Extraktion mit dem überkritischen Fluid zumindest einer Heißwasser-Extraktion, die hier gegebenenfalls auch als
Heißwasserhydrolyse oder thermische Hydrolyse bezeichnet wird, unterzogen. Die erfindungsgemäße Kombination einer Extraktion mit überkritischem Fluid mit einer Enzymatic hydrolysis of lignocellulose in a fixed bed reactor, Chemie Ingenieur Technik 2011, 83 (6), 867-873). Preference is given to the lignin-containing substrate prior to extraction with the supercritical fluid at least one hot water extraction, which here also optionally as Hot water hydrolysis or thermal hydrolysis is subjected. The inventive combination of extraction with supercritical fluid with a
vorangeschalteten Heißwasser-Extraktion bietet die Möglichkeit der Herstellung eines weitgehend naturbelassenen Lignins unter Einsatz unbedenklicher Hilfsmittel bei gleichzeitiger effizienter Entfernung von Geruchsstoffen. Lignin, das einer Heißwasser-Extraktion unterzogen wurde, wird hier gegebenenfalls auch als„Aquasolv-Solid-Lignin" oder„AS-Lignin" bezeichnet. Pre-switched hot water extraction offers the possibility of producing a largely natural lignin using harmless aids while efficiently removing odorous substances. Lignin subjected to hot water extraction is also referred to herein as "Aquasolv solid lignin" or "AS lignin".
Die Heiß was ser-Extraktion wird bevorzugt mit Reinwasser in einem Temperaturbereich von 100-250 °C, beispielsweise 200 °C, und bei Drücken von 1-50 bar, beispielsweise 30 bar, durchgeführt. Die Heißwasser-Extraktion kann einstufig oder mehrstufig, beispielsweise mit stufenweise ansteigender Temperatur und ansteigendem Druck, durchgeführt werden. The hot water extraction is preferably carried out with pure water in a temperature range of 100-250 ° C, for example 200 ° C, and at pressures of 1-50 bar, for example 30 bar. The hot water extraction can be carried out in one or more stages, for example with gradually increasing temperature and increasing pressure.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Wasser zu ligninhaltigem Substrat 5-10 : 1. Für den Fall des bevorzugten Festbettverfahrens durchströmt das Heißwasser unter Druck das ligninhaltige Substrat vorzugsweise in Richtung entgegengesetzt der Schwerkraftrichtung. Preferably, the ratio of water to lignin-containing substrate is 5-10: 1. In the case of the preferred fixed bed process, the hot water under pressure preferably flows through the lignin containing substrate in the direction opposite to the direction of gravity.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das ligninhaltige Substrat zunächst a) einer Heißwasser-Extraktion, anschließend b) einer enzymatischen Hydrolyse mittels Cellulase(n), und anschließend c) einer Extraktion mit einem überkritischen Fluid oder überkritischen Fluidgemisch, vorzugsweise mit überkritischem Kohlenstoffdioxid, unterzogen. Die Verfahrensschritte a) bis c) folgen vorzugsweise In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the lignin-containing substrate is first a) a hot water extraction, then b) an enzymatic hydrolysis by means of cellulase (s), and then c) an extraction with a supercritical fluid or supercritical fluid mixture, preferably with supercritical carbon dioxide , subjected. The process steps a) to c) preferably follow
unmittelbar aufeinander. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen den obigen directly on each other. However, it is also possible that between the above
Verfahrensschritten Zwischenschritte erfolgen, beispielsweise Waschschritte, Mahl schritte oder dergleichen. Beispielsweise kann zwischen Schritt b) und Schritt c) optional ein Schritt des Zerkleinerns des in Schritt b) entstandenen ligninhaltigen Substrates vorgesehen sein. Process steps intermediate steps take place, for example washing steps, grinding steps or the like. For example, between step b) and step c) optionally a step of comminuting the lignin-containing substrate formed in step b) may be provided.
Schritt b, das heißt die enzymatische Hydrolyse unter Einsatz einer Cellulase oder einer Mischung von Cellulasen, wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 30-70 °C, bevorzugt 45-60 °C, weiter bevorzugt 45-55 °C, besonders bevorzugt 50 °C, und einem pH- Wert von 4,5-5,5, bevorzugt 4,8, durchgeführt. Geeignete Cellulasen sind dem Fachmann bekannt (s. z.B. Kirsch et al. 2011, Enzymatische Hydrolyse von Lignocellulose im Festbettreaktor, Chemie
Ingenieur Technik 2011, 83(6), 867-873). Die Cellulasen können beispielsweise in einer Konzentration von 10-15 FPU/g Cellulose eingesetzt werden. Step b, that is, the enzymatic hydrolysis using a cellulase or a mixture of cellulases, is preferably carried out at a temperature of 30-70 ° C, preferably 45-60 ° C, more preferably 45-55 ° C, particularly preferably 50 ° C , and a pH of 4.5-5.5, preferably 4.8, performed. Suitable cellulases are known to the person skilled in the art (see, for example, Kirsch et al., 2011, Enzymatic hydrolysis of lignocellulose in a fixed bed reactor, Chemie Ingenieur Technik 2011, 83 (6), 867-873). The cellulases can be used, for example, in a concentration of 10-15 FPU / g of cellulose.
Beispielsweise kann bei der obigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens - Schritt a bei einer Temperatur von 200 °C und einem Druck von 30 bar, For example, in the above embodiment of the method according to the invention - step a at a temperature of 200 ° C and a pressure of 30 bar,
- Schritt b bei einer Temperatur von 50 °C und einem pH- Wert von 4,8, und Step b at a temperature of 50 ° C and a pH of 4.8, and
- Schritt c mit überkritischem Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von 40-70 °C und einem Druck von 300-450 bar durchgeführt werden. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Schritt a eine sequentielle Durchströmung des ligninhaltigen Substrates mit - Step c with supercritical carbon dioxide at a temperature of 40-70 ° C and a pressure of 300-450 bar are performed. In a further particularly preferred embodiment of the method according to the invention, a sequential flow through the lignin-containing substrate takes place in step a
Heißwasser ansteigender Temperatur und ansteigenden Drucks, d.h. die Heißwasser-Extraktion erfolgt in mehrerer Stufen, wobei Temperatur und Druck von Stufe zu Stufe erhöht werden. Bevorzugt umfasst die Heißwasser-Extraktion in Schritt a dabei die aufeinander folgenden Teilschritte al bis a3. Schritt al bei einer Temperatur von 100-120 °C und einem Druck von 1- 5 bar durchgeführt. Ziel ist hierbei die Extraktion bzw. Gewinnung von Proteinen aus der Roh- Biomasse. Schritt a2 bei einer Temperatur von 150-190°C und einem Druck von 5-20 bar durchgeführt. Ziel dieses zweiten Schritts ist die Entfernung bzw. Gewinnung der Hot water increasing temperature and increasing pressure, i. the hot water extraction takes place in several stages, whereby the temperature and pressure are increased from stage to stage. In this case, the hot-water extraction in step a preferably comprises the successive substeps al to a3. Step al performed at a temperature of 100-120 ° C and a pressure of 1-5 bar. The aim here is the extraction or extraction of proteins from the raw biomass. Step a2 carried out at a temperature of 150-190 ° C and a pressure of 5-20 bar. The aim of this second step is the removal or extraction of
Hemicellulose aus dem Rückstand von Schritt al. Schritt a3 bei einer Temperatur von 190-220 °C und einem Druck von 20-50 bar durchgeführt. Ziel dieses dritten Schritts ist die Hemicellulose from the residue of step al. Step a3 carried out at a temperature of 190-220 ° C and a pressure of 20-50 bar. The goal of this third step is the
Vorbehandlung der im Rückstand von a2 verbliebenen Cellulose für einen nachfolgenden enzymatischen Angriff. Diese Ausführungsform des Verfahrens ist besonders schonend, d.h. die natürliche Ligninstruktur bleibt weitgehend erhalten, während gleichzeitig eine sehr weitgehende Geruchsminderung erfolgt. Pretreatment of remaining in the residue of a2 cellulose for a subsequent enzymatic attack. This embodiment of the method is particularly gentle, i. the natural lignin structure is largely retained, while at the same time a very substantial odor reduction takes place.
Bevorzugt folgt den Teilschritten al bis a3 ein Schritt b bei einer Temperatur von 30-70 °C, bevorzugt 45-60 °C, weiter bevorzugt 45-55 °C, besonders bevorzugt 50 °C und einem pH- Wert von 4,5-5,5, bevorzugt 4,8, und ein Schritt c mit überkritischem Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von 20-90 °C, bevorzugt 30-80 °C, besonders bevorzugt 40-70 °C und einem Druck von 80-800 bar, bevorzugt 100-700 bar oder 150-600 bar, weiterhin bevorzugt 200-500 bar und besonders bevorzugt 300-450 bar. Die Temperatur- und Druckbereiche können unabhängig voneinander gewählt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das ligninhaltige Substrat vor der Extraktion mit dem überkritischen Fluid zerkleinert, The substeps al to a3 are preferably followed by a step b at a temperature of 30-70.degree. C., preferably 45-60.degree. C., more preferably 45-55.degree. C., particularly preferably 50.degree. C. and a pH of 4.5. 5.5, preferably 4.8, and a step c with supercritical carbon dioxide at a temperature of 20-90 ° C, preferably 30-80 ° C, more preferably 40-70 ° C and a pressure of 80-800 bar, preferably 100-700 bar or 150-600 bar, more preferably 200-500 bar and particularly preferably 300-450 bar. The temperature and pressure ranges can be selected independently. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the lignin-containing substrate is comminuted with the supercritical fluid before extraction,
vorzugsweise auf einen mittleren Partikeldurchmesser von <100 μπι. Dadurch wird das ligninhaltige Substrat dem zur Extraktion verwendeten überkritischen Fluid leichter zugänglich. preferably to a mean particle diameter of <100 μπι. This makes the lignocellulosic substrate more accessible to the supercritical fluid used for extraction.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt vorzugsweise zu einer Verminderung des The inventive method preferably leads to a reduction of the
massenbezogenen Anteils flüchtiger organischer Stoffe (VOC) des ligninhaltigen Substrats um mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60%, 70%, 80% oder mindestens 90%, besonders bevorzugt um mindestens 95%, 96%, 97%, 98% oder 99%. Verfahren zur Bestimmung des Anteils flüchtiger organischer Stoffe (VOC) in einem ligninhaltigen Substrat sind dem mass fraction of volatile organic compounds (VOC) of the lignin-containing substrate by at least 50%, preferably at least 60%, 70%, 80% or at least 90%, more preferably at least 95%, 96%, 97%, 98% or 99%. Methods for determining the content of volatile organic compounds (VOC) in a lignin-containing substrate are the
Fachmann geläufig. Der Fachmann kann den gewünschten Desodorierungsgrad mittels der Prozessparameter Druck, Temperatur, Verweilzeit (resp. Hydrodynamik) im Festbett sowie der gegebenen Festbettgeometrie (Verhältnis Länge/Durchmesser, Porosität, Partikelgröße und Form), sowie durch geeignete Wahl des überkritischen Fluids oder der überkritischen Specialist familiar. The person skilled in the art can determine the desired degree of deodorization by means of the process parameters pressure, temperature, residence time (or hydrodynamics) in the fixed bed and given fixed-bed geometry (ratio length / diameter, porosity, particle size and shape), as well as by suitable choice of the supercritical fluid or the supercritical fluid
Fluidmischung beeinflussen und anpassen. Influence and adjust fluid mixture.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung eines überkritischen Fluids, bevorzugt überkritischen Kohlenstoffdioxids, oder einer überkritischen Fluidmischung zur Desodorierung eines ligninhaltigen Substrats. Vorzugsweise wird dabei als überkritisches Fluid überkritisches Kohlenstoffdioxid (scC02) verwendet. Besonders bevorzugt wird überkritisches Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von 20-90 °C, bevorzugt 30-80 °C, besonders bevorzugt 40-70 °C, und einem Druck von 80-800 bar, bevorzugt 100-700 bar oder 150-600 bar, weiterhin bevorzugt 200-500 bar und besonders bevorzugt 300-450 bar verwendet. Druck und Temperatur können unabhängig voneinander gewählt werden. In a further aspect, the present invention also relates to the use of a supercritical fluid, preferably supercritical carbon dioxide, or a supercritical fluid mixture for deodorizing a lignocellulosic substrate. Preferably, supercritical carbon dioxide (scC0 2 ) is used as the supercritical fluid. Particularly preferred is supercritical carbon dioxide at a temperature of 20-90 ° C, preferably 30-80 ° C, more preferably 40-70 ° C, and a pressure of 80-800 bar, preferably 100-700 bar or 150-600 bar, furthermore preferably used 200-500 bar and particularly preferably 300-450 bar. Pressure and temperature can be selected independently.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein geruchsvermindertes oder geruchsfreies Lignin, erhältlich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren. Die Erfindung wird im Folgenden rein zu Veranschaulichungszwecken anhand eines In a further aspect, the present invention also relates to an odor-reduced or odor-free lignin obtainable by a method according to the invention. The invention will in the following be purely illustrative with reference to a
Ausführungsbeispiels und der angehängten Figuren näher erläutert.
Figur 1 Schematisches Ablaufschema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Embodiment and the attached figures explained in more detail. Figure 1 Schematic flow diagram of an embodiment of the invention
Verfahrens. Process.
Figur 2 Schematische Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung. Figure 2 Schematic representation of a device suitable for carrying out the method according to the invention.
Figur 3 A) FID-GC-MS-Diagramm eines ligninhaltigen Materials nach Heißwasserextraktion (Schritt a) und enzymatischer Hydrolyse (Schritt b), („AS-Lignin"). Die Messung des VOC- Spektrums erfolgte nach Hexan-Extraktion des ligninhaltigen Materials in einer Soxhlet- Apparatur. Figur 3B) FID-GC-MS-Diagramm eines überkritischen Fluid-Extrakts des ligninhaltigen Substrates aus Schritt (c). Figure 3 A) FID-GC-MS diagram of a lignocellulosic material after hot water extraction (step a) and enzymatic hydrolysis (step b), ("AS-lignin") The VOC spectrum was measured after hexane extraction of the lignin-containing material in a Soxhlet apparatus Figure 3B) FID-GC-MS diagram of a supercritical fluid extract of the lignin-containing substrate from step (c).
Figur 1 zeigt schematisch ein Ablaufschema für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein ligninhaltiges Ausgangsmaterial wird zunächst einer Heißwasser-Extraktion (a) unterzogen. Die Heißwasser-Extraktion kann beispielsweise bei einer schrittweise erhöhtenFIG. 1 shows schematically a flow chart for an embodiment of the method according to the invention. A lignin-containing starting material is first subjected to a hot water extraction (a). The hot water extraction, for example, can be increased gradually
Temperatur von 110-210 °C und einem entsprechend schrittweise erhöhtem Druck von 1,5-30 bar durchgeführt werden. Die aus dem Festbett gewonnenen Extrakte, die gegebenenfalls aus dem System entfernt und anderweitig verwertet werden können, enthalten im wesentlichen Proteine, C5-Zucker aus Hemicellulose und lösliches Lignin. Der nach der Heißwasser- Extraktion verbleibende ligninhaltige Rückstand a wird anschließend einer enzymatischen Hydrolyse unter Einsatz geeigneter Cellulasen unterzogen (b). Hierzu wird der ligninhaltige Rückstand a zunächst auf etwa 50 °C abgekühlt. Die Hydrolyse kann dann beispielsweise im selben durchströmten Festbett bei einem pH-Wert von 4,8 und einer Cellulase Beladung von 10-15 FPU/g Cellulose durchgeführt werden. Das Hydrolysat enthält vorwiegend C6-Zucker, die ihrerseits einer separaten Verwertung zugeführt werden können. Der nunmehr erhaltene ligninhaltige Rückstand b wird optional gewaschen, getrocknet und/oder zerkleinert, vorzugsweise auf Partikel mit einem mittleren Durchmesser von durchschnittlich kleiner 100 μπι, wodurch ein ligninhaltiger Rückstand bl erhalten würde. Die Zerkleinerung kann beispielsweise mit Hilfe einer Kugelmühle erfolgen. Der ligninhaltige Rückstand b, auch als AS-Lignin bezeichnet, oder gegebenenfalls der gewaschene, getrocknete und/oder zerkleinerte ligninhaltige Rückstand bl werden anschließend einer Extraktion mit überkritischem C02 bei Temperaturen von beispielsweise 40-70 °C und einem Druck von beispielsweise 300-450 bar
unterzogen. Der Extrakt kann wiederum durch einfaches Entspannen des C02 ausgefällt und gegebenenfalls verwertet werden, beispielsweise als Aromatisierungsmittel. Das VOC- Spektrum des C02-Extrakts ist Der in diesem letzten Schritt nach der überkritischen Temperature of 110-210 ° C and a corresponding stepwise increased pressure of 1.5-30 bar are performed. The extracts recovered from the fixed bed, which may optionally be removed from the system and otherwise utilized, contain essentially proteins, C5 sugars from hemicellulose and soluble lignin. The lignin-containing residue a remaining after the hot water extraction is subsequently subjected to enzymatic hydrolysis using suitable cellulases (b). For this purpose, the lignin-containing residue a is first cooled to about 50 ° C. The hydrolysis can then be carried out, for example, in the same fixed bed at a pH of 4.8 and a cellulase loading of 10-15 FPU / g of cellulose. The hydrolyzate contains mainly C6-sugars, which in turn can be fed to a separate recycling. The lignin-containing residue b now obtained is optionally washed, dried and / or comminuted, preferably to particles having an average diameter of on average less than 100 μm, whereby a lignin-containing residue would be obtained bl. The crushing can be done for example by means of a ball mill. The lignin-containing residue b, also called AS-lignin, or optionally the washed, dried and / or comminuted lignin-containing residue bl are then subjected to extraction with supercritical C0 2 at temperatures of for example 40-70 ° C and a pressure of, for example 300-450 bar subjected. The extract can in turn be precipitated by simply relaxing the C0 2 and optionally utilized, for example as a flavoring agent. The VOC spectrum of the C0 2 extract is Der in this last step after the supercritical
Fluidextraktion verliehene hgninhaltige Rückstand ist erheblich geruchsärmer als das Fluid containing hgninhaltige residue is considerably less odor than that
Ausgangsmaterial, oder sogar geruchsfrei. Starting material, or even odorless.
Figur 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung umfasst einen Autoklaven 3, in den ligninhaltiges Material eingebracht werden kann. Mittels einer Hochdruckpumpe 5 und Ventilen 9, 10 kann Kohlendioxid aus einer entsprechenden Vorlage 1, Wasser aus einer Vorlage 2 und eine enzymhaltige Lösung aus einer Vorlage 4 in den Autoklaven 3 geleitet werden. Eine Heizung 6 dient zum Aufheizen des Autoklaven, ein Querstromfilter 8 zur Abtrennung der Enzyme aus dem Hydrolysat. Extrakte bzw. Hydrolysate können in einem Behälter 7 aufgefangen werden. Figure 2 shows schematically an embodiment of a device which is suitable for carrying out the method according to the invention. The device comprises an autoclave 3, in which ligninhaltiges material can be introduced. By means of a high-pressure pump 5 and valves 9, 10 carbon dioxide from a corresponding template 1, water from a template 2 and an enzyme-containing solution from a template 4 in the autoclave 3 are passed. A heater 6 is used to heat the autoclave, a cross-flow filter 8 for separating the enzymes from the hydrolyzate. Extracts or hydrolysates can be collected in a container 7.
Au sführungsb ei spi el Leader of the game
1000 g gemahlenes, pelletiertes Weizenstroh wurden in einen 3 L- Autoklav gegeben, und es erfolgte eine Heißwasserhydrolyse mit reinem Wasser bei 200 °C und 30 bar. Das 1000 g of ground, pelleted wheat straw were placed in a 3 L autoclave and subjected to hot water hydrolysis with pure water at 200 ° C and 30 bar. The
Was ser/Substrat- Verhältnis lag zwischen 5 und 10. Das Hydrolysat (C5-Zucker aus What water / substrate ratio was between 5 and 10. The hydrolyzate (C5 sugar from
Hemicellulose und lösliches Lignin) wurde als Nebenstrom aufgereinigt und weiterverwertet. Es wurden 50% des Feststoffes im Reaktor gelöst. Nach Beendigung der Heißwasserextraktion wurde das Festbett abgekühlt. Die Biomasse wurde dann im Batchreaktor mit einer Hemicellulose and soluble lignin) was purified as a side stream and recycled. 50% of the solid was dissolved in the reactor. After completion of the hot water extraction, the fixed bed was cooled. The biomass was then in a batch reactor with a
Universalpufferlösung bei pH 4,8 (z.B. Kohlensäure) durchströmt. Nachfolgend wurden Cellulasen (Cellic CTec2, Novozymes A/S, Dänemark) mit einer Beladung von 10-15 FPU/g Cellulose eingesetzt. Mittels FID-GC-MS nach Hexan-Extraktion wurde von dem so erhaltenen AS-Lignin ein VOC-Spektrum ermittelt (s. Fig. 3 A). Das enzymatische Hydrolysat war reich an C6-Zuckern durch die Aufspaltung der Cellulose und kann nachfolgend zu Bioethanol oder weiteren C6- Abbauprodukten und Grundstoffchemikalien (HMF, Levulinsäure) abgebaut werden. Der hgninhaltige Feststoffrückstand nach der enzymatischen Hydrolyse wurde mittels des Festbett-Durchströmungsverfahrens von der entstehenden C6-Zuckerlösung getrennt, gewaschen und getrocknet. Dieser Rückstand enthielt bis zu 80 Gew-% Lignin sowie
verschiedene Kohlenhydrat- und Enzymreste oder anorganische Bestandteile. Das Lignin wurde auf Partikel großen <100 μιη gemahlen, wodurch die für den Stoffaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche signifikant erhöht wurde. Der ligninhaltige Rückstand wurde bei einem Druck von 450 bar und einer Temperatur von 45°C mit überkritischem C02 durchströmt. Universal buffer solution at pH 4.8 (eg carbon dioxide) flows through. Subsequently, cellulases (Cellic CTec2, Novozymes A / S, Denmark) with a loading of 10-15 FPU / g cellulose were used. By means of FID-GC-MS after hexane extraction, a VOC spectrum was determined from the as-lignin obtained in this way (see Fig. 3A). The enzymatic hydrolyzate was rich in C6 sugars through the breakdown of cellulose and can subsequently be degraded to bioethanol or other C6 degradation products and commodity chemicals (HMF, levulinic acid). The hgn-containing solids residue after enzymatic hydrolysis was separated from the resulting C6 sugar solution by means of the fixed-bed flow-through method, washed and dried. This residue contained up to 80% by weight of lignin as well various carbohydrate and enzyme residues or inorganic constituents. The lignin was ground to a particle size of <100 μm, which significantly increased the surface available for mass transfer. The lignin-containing residue was flowed through at a pressure of 450 bar and a temperature of 45 ° C with supercritical C0 2 .
Hierbei wurden freie VOC-Komponenten aus dem Lignin herausgelöst, das Lignin verlor seinen strengen Holzgeruch. Der Extrakt fiel durch C02-Entspannung aus, und stand für weitere Anwendungen zur Verfügung, z.B. als naturbelassenes Aromatisierungsmittel in Fällen, in denen ein Räuchergeruch gewünscht ist. Das VOC-Spektrum dieses Extrakts ist in Fig. 3B dargestellt. Es entspricht im Wesentlichen demjenigen nach Heißwasserhydrolyse und zeigt damit, dass zumindest ein Großteil der VOC aus dem ligninhaltigen Ausgangsmaterial entfernt wurde.
Here, free VOC components were leached out of the lignin, the lignin lost its severe wood odor. The extract precipitated by C0 2 relaxation, and was available for other applications, for example, as a natural flavoring agent in cases where smoking smell is desired. The VOC spectrum of this extract is shown in Fig. 3B. It essentially corresponds to that after hot water hydrolysis and thus shows that at least a major part of the VOC has been removed from the lignin-containing starting material.