Supercritical carbon dioxide pretreatment of rye straw for biogas generation

• Main Author: Krapf, Lutz Christian
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: 2008
• Subjects: Biogasgewinnung; Roggen; Stroh; Gärung; Aufschluss <Chemie>; Kohlendioxid; Lignocellulose Biogas Voraufschluss Überkritisches Kohlendioxid; Lignocellulose Biogas Pretreatment supercritical Carbon Dioxide; Carbonic acid
• Online Access: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubbw:1-184

Über den anaeroben Abbauvorgang kann organisches Material in methanreiches Biogas umgewandelt werden. Die lignozelluläre Gerüststruktur verholzter Biomasse bildet hierbei ein Hindernis für die enzymatische Hydrolyse der Polysaccharide in Mono- und Oligosaccharide. Die Folge ist eine verringerte und zeitlich oftmals verzögerte Bildung von Biogas. Mithilfe zweier unterschiedlicher Aufschlußverfahren wurde versucht, die Abbaubarkeit von Roggenstroh während anaerober Vergärung zu verbessern. Ziel hierbei war der Abbau des Kohlenhydrat-Ligninkomplexes infolge thermo-hydrolytischer Reaktionen. Die anschließende Herauslösung der verflüssigten Ligninfragmente aus der Zellwand des Strohs, stellt eine weitere Anforderung an das Voraufschlußverfahren dar. Beiden Verfahren gemein war die Verwendung überkritischen Kohlendioxides. Das eine Verfahren erfolgte in einem binären CO2-H2O Gemisch. Das zweite Verfahren nutzte eine ternäre Mischung unter Hinzunahme von Ethanol als einem organischen Lösungsmittel. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen keine eindeutige Bewertung der Wirkung des ersten untersuchten Verfahrens auf eine anschließende Fermentation des Roggenstrohs. Mit der ternären Mischung wurde, im Vergleich zu einer rein mechanischen Zerkleinerung des Strohs, eine Erhöhung der Methangaserträge erzielt. Die spezifische Wirkung des überkritischen CO2 konnte jedoch nicht befriedigend dargestellt werden. Im Rahmen der Verwendung der binären Mischung konnte keine verbesserte Abbaubarkeit des Roggenstrohs festgestellt werden. Neben den Anforderungen hinsichtlich einer Erzielung erhöhter Biogaserträge, ist die Energiebilanz eines solchen Verfahrens von zentraler Bedeutung im Rahmen seiner Bewertung und Geeignetheit für moderne Bioenergiesysteme. The process of anaerobic digestion describes the transformation of organic material into methane-rich biogas. However, utilization of lignin-rich biomass is characterized by a retarded transformation of this process of biomass conversion. The lignocellulosic matrix constitutes a barrier against enzymatic hydrolysis of the polysaccharides into oligo- and monosaccharides. By application of two different pre-treatment methods, this study aimed for a better transformation of rye straw into biogas via anaerobic digestion. In this regard, the aim was to rupture the lignin-carbohydrate complexes by means of thermo-chemical hydrolysis. Both methods tested in this work included the utilization of supercritical carbon dioxide. The first pre-treatment process applied a binary CO2-H2O system. The second pre-treatment utilized a ternary mixture of carbon dioxide, ethanol, and water. Ethanol is a useful organic solvent for non-polar substances such as lignin. The application of a supercritical fluid is believed to increase solvolysis of lignin and subsequent removal out of the cell wall. Formation of carbonic acid due to dissolution of CO2 in water at elevated pressure is believed to improve pre-treatment processes. Results from this work do not show a clear tendency regarding the impact of the application of supercritical carbon dioxide on subsequent fermentation of the rye straw. An increase in methane formation has been achieved for the pre-treatment with the ternary mixture, compared to straw that only has been mechanically comminuted. However, the specific effect of supercritical carbon dioxide remained rather unclear. No increase in biogas formation could be achieved with regard to the pre-treatment process applying the binary mixture. Besides these physico-chemical requirements on pre-treatment processes, energy balances for such systems are considerably important for assessing its applicability for biobased energy systems. by Lutz Christian Krapf Zsfassung in dt. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Masterarb., 2008 (VLID)1031481