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Vorbehandlungsmethoden

Einleitung Vorbehandlungsmethoden

Vor allem schwer abbaubare Substrate stellen eine Herausforderung in der Biogasproduktion dar. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt hierbei ist die Hydrolyse, da die hochkomplexen polymeren Strukturen nur schwer für Mikroorganismen und Enzyme zugänglich sind. Um die Zugänglichkeit dieser Substrate zu erhöhen, kann eine Vorbehandlung vor der Beschickung des Biogasreaktors durchgeführt werden. Für lignocellulose-reiche Substrate werden häufig Vorbehandlungen notwendig.

Vorbehandlung

erreichbare Oberfläche

Zerkleinerung Hemizellulose

Zerkleinerung Lignin

Hemmstoffe

Veränderung Lignin-Struktur

mechanisch

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Steam Explosion

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Liquid Hot Water

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sauer

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basisch

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oxidativ

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thermo-chemisch

sauer

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basisch

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oxidativ

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Auswirkungen der unterschiedlichen Vorbehandlungsmethoden (Hendriks und Zeeman, 2009)

Ziele der Vorbehandlungsmethoden

  • Steigerung der Bioverfügbarkeit
  • Erhöhung der spezifischen Oberfläche
  • Verringerung des Polymerisationsgrades
  • Erleichterung der Hydrolyse-Stufe von Substraten
  • Dekristallisation von Zellulose
  • Abbau von Hemizellulose und Lignin

Diese Ziele sollten eingehalten werden, um in weiterer Folge eine gesteigerte Biogasausbeute aus den entsprechenden Substraten zu erreichen.

Anforderungen an eine erfolgreiche Vorbehandlung

  • Bildung von leicht bioverfügbaren monomeren Zuckern
  • Vermeidung von Abbau oder Verlust von Kohlenstoff
  • Vermeidung der Bildung von Hemmstoffen
  • Erzielung einer positiven Energiebilanz der Methode

Vorbehandlungsmethoden / Arten

  • Enzymatisch
  • Mechanisch bzw. Physikalisch
  • Thermisch
  • Chemisch

Enzymatische Vorbehandlung

Zellulasen sind ENZYME mit der Fähigkeit lange Zelluloseketten in einfache Strukturen aufzubrechen. Zu den drei wichtigsten Formen der Zellulasen zählen:

  • β-1,4-Endoglukanasen, welche Regionen mit geringer kristalliner Struktur angreifen und als Folge Kettenenden freilegen
  • β 1,4 Exoglukanasen oder Zellubiohydralasen, welche Zellubioseeinheiten ausgehend von den Kettenenden abtrennen
  • β-Glukosidasen oder Zellubiasen, welche das Disaccharid Zellubiose in seine beiden Glukose Monomere aufbrechen

Die Komplexität und Heterogenität des pflanzlichen Materials erfordert ein angepasstes und reichhaltiges enzymatisches Aktivitätsspektrum.
Enzymatische Vorbehandlungsmethoden sind besonders effektiv, wenn sowohl der Lignin-, als auch der Hemizellulosegehalt des Substrates möglichst gering sind. Lignin hat einen hemmenden Effekt auf Zellulasen, aufgrund der Fähigkeit die Enzyme zu adsorbieren. Das Porenvolumen des Substrates im Vergleich zur Enzymgröße wird durch den Hemizellulosegehalt beeinflusst. Austrocknen des Substrates führt meist zur Verkleinerung des Porenvolumens und dies beeinflusst die Zugänglichkeit durch Enzyme negativ.

Mechanische bzw. Physikalische Vorbehandlung

Die Ziele der MECHANISCHEN VORBEHANDLUNG sind die Zerkleinerung des lignozellulosereichen Substrats zur Erreichung von kleineren Partikelgrößen und das Aufbrechen der kristallinen Struktur, um folglich eine größere Angriffsfläche zu schaffen, sowie eine Verringerung des Polymerisierungsgrades zu erreichen. All diese Faktoren erhöhen die Ausbeute der Hydrolyse und Verringern die technische Vergärungszeit. Zu den bekanntesten mechanischen Methoden zählen chipping (Produktion von Hackschnitzeln), grinding (Abschleifen) und milling (mahlen). Der wichtigste Parameter ist die gewünschte Partikelgröße, welche erheblich den relativ hohen Energiebedarf der Methode beeinflusst.

Thermische Vorbehandlung

Bei der thermischen Vorbehandlung kommt es aufgrund der Wärmeeinwirkung zur Auftrennung von Lignozellulose. Bei Temperaturen von 150 – 180 °C bricht zuerst Hemizellulose und danach Lignin durch eine exotherme Reaktion in kleinere Teile. Bei Einsatz von Temperaturen über 160 °C entstehen oft phenolische und heterozyklische Verbindungen wie Vanillin, Vanillin Alkohol, Furfural oder 5-Hydroxymethylfurfural, welche hemmend bzw. toxisch auf Mikroorganismen wirken können.

Vorbehandlungen, welche Wasser verwenden, umfassen STEAM EXPLOSION (Dampfexplosion) sowie Liquid Hot Water. Die zu behandelnde Biomasse wird unter hohen Temperaturen und hohem Druck mit Dampf zusammengebracht. Nach einer bestimmten Verweildauer wird der Dampf schlagartig entspannt und die Biomasse schnell abgekühlt. Bei der Methode LIQUID HOT WATER wird anstatt von gesättigtem Dampf heißes flüssiges Wasser zur Vorbehandlung eingesetzt.

Chemische Vorbehandlung

Ebenso können Säuren oder Basen für die Vorbehandlung eingesetzt werden. Monosaccharide sind im pH-Bereich zwischen 3 und 7 bei Abwesenheit von Amin-Komponenten relativ stabil. Außerhalb dieses Bereiches kommt es zu chemischen Reaktionen und Umwandlungen. Aufbau des Hemizellulose Rückgrades und der Seitenketten sind ausschlaggebend für Stabilität im thermischen, sauren oder basischen Milieu. Besonders beim Einsatz von starken Säuren besteht die Gefahr, dass hemmende Komponenten beim Aufschluss hervortreten. Außerdem herrscht Gefahr von Korrosion der Reaktormaterialien sowie Gefahr von toxischen Effekten auf die Mikroorganismen-Kultur des Biogasprozesses.

Thermo-chemische Vorbehandlung

Thermo-chemische Vorbehandlungen verbinden Wärmeeintrag mit dem Einsatz von Säuren oder Basen als Katalysatoren. Der eingesetzte Katalysator beschleunigt die Zerkleinerung von Hemizellulose und folglich können niedrigere Reaktionstemperaturen verwendet werden. Unter thermischem Einfluss sind Kohlehydrate hoch reaktiv. Abhängig von pH Wert und Reaktionspartnern kann es zu Enolisierungsreaktionen und zur Maillard-Reaktion kommen. Aus Monosacchariden und Amin-Verbindungen werden dabei thermische Nebenprodukte gebildet, welche bakteriostatisch auf die Mikroorganismen-Kultur des Biogasprozesses wirken können.