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Main Title: Conversion of Lignocellulosic Material into Fermentable Sugars
Translated Title: Umwandlung von Lignocellulose-Material in vergärbare Zucker
Author(s): Mohammed, Asem Hassan
Advisor(s): Behrendt, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Umwandlung von Lignocellulose-Biomasse zu Biokraftstoffen ist eine vielversprechende Technologie, um diese einzigartige und nachhaltige Ressource zur Bereitstellung von umweltfreundlichen, organischen Brennstoffen und Chemikalien zu nutzen. Die meisten Projektionen zur globalen Energienutzung gehen davon aus, dass Biomasse eine wichtige Komponente der primären Energieversorgung in Zukunft sein wird. Hierbei stellt Agrarholz die primäre Quelle von Biomasse. Kurzumtrieb-Weidenholz (Salix sp.) gilt als vielversprechende Quelle von Bioenergie, denn Weidenholz besitzt mehrere Eigenschaften, die es ideal für für den agrarwirtschaftlichen Anbau machen. Zu diesen Eigenschaften gehören hohe Jahreserträge, eine breite genetische Basis, ein kurzer Fortpflanzungszyklus und die Fähigkeit, nach mehreren Ernten wieder austreiben zu erleichtern. Leider hat sich gezeigt, dass die enzymatische Hydrolyse von Lignocellulose-Biomasse zu Chemikalien und Kraftstoffe ein limitierender Faktor bei der Umwandlung von Biomasse ist. Diese Einschränkung ist bedingt durch innere strukturelle Merkmale (dh Acetylgehalt, Ligningehalt, Kristallinität Oberfläche, Teilchengröße und Porenvolumens) der Biomasse. Diese strukturellen Merkmale sind Barrieren, die eine vollständige Hydrolyse zu verhindern. Daher sind Vorbehandlung notwendigen, um die Biomasse weiter verarbeitbar zu machen. Bei der kurzeitigen, oxidativen Vorbehandlung mit Kalk wird Weidenholz mit einem Überschuß von Calciumhydroxid (0,4 g Ca (OH) 2 / g rohen Biomasse) gemischt und in Wasser suspendiert (15 g / g rohen Biomasse). Die Vorbehandlung mit Kalk wurde mit unterschiedlichen Verweilzeiten durchgeführt (1, 2, 3,5, 5, 6) Stunden, bei unterschiedlichen Temperaturen (100, 113, 130, 147, 160 ) und unterschiedlichen Drücken mit Sauerstoff als Oxidationsmittel (6, 9, 13.5, 17.8, 21 bar (absolut)). Optimierungsziel war eine maximale Gesamtausbeute von Glucan (g Glucan hydrolysiert / 100 g ursprünglichen glukan) und Xylan (g Xylan hydrolysiert / 100 g ursprünglichen Xylan) unter Verwendung einer Cellulose-Beladung von 0,1 g Enzym / g Glucan in Rohbiomasse, bei Substrattemperaturen Konzentration 50 g / L während 72 h von enzymatischen Hydrolyse. Die optimalen Bedingungen für kurzzeitige, oxidative Vorbehandlung mit Kalk von Weidenholz warden wie folgt: (1) 1,33 h, 147 , 17,8 bar absolut, 0,26 g Ca (OH) 2 / g rohen Biomasse und (2) 1,25 h, 155 und 21 bar absolut, 0,26 Ca (OH) 2 / g rohen Biomasse. In diesen beiden Fällen war die Reaktivität nahezu identisch, weshalb die ausgewählte Bedingungen einen wirtschaftlichen Kompromiss zwischen Druck und Temperatur darstellen. Die optimale Teilchengröße betrug weniger als 3 mm. Die Ergebnisse der enzymatische Hydrolyse unter diesen empfohlenen Bedingungen waren wie folgt: 96,00 g Glucan / 100 g von Glucan in rohen Biomasse und 65,00 g Xylan / 100 g Xylan in roher Biomasse
Lignocellulosic biomass to biofuel conversion is a promising technology to provide a unique and sustainable resource for environmentally safe organic fuels and chemicals. Most of global energy use projections predict that biomass will be a more important component of primary energy supply in the future, and that woody crops will be the primary source of biomass. Short-rotation willow wood crops (Salix sp.) are considered a promising source of bioenergy, willow wood has several characteristics that make it ideal for woody crop systems, including high yields obtained in a few years, ease of vegetative propagation, a broad genetic base, a short breeding cycle and the ability to re-sprout after multiple harvests. Unfortunately, enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass has been shown to be a limiting factor in the conversion of biomass to chemicals and fuels. This limitation is due to inherent structural features (i.e., acetyl content, lignin content, crystallinity, surface area, particle size and pore volume) of biomass. These structural features are barriers which prevent complete hydrolysis; therefore, pretreatment techniques are necessary to render biomass highly digestible. In oxidative short-term lime pretreatment, willow wood is mixed with an excess of Calcium hydroxide (0.4 g Ca (OH) 2 / g raw biomass) and water loading (15 g / g raw biomass). Lime pretreatment is carried out for various periods of time (1, 2, 3.5, 5, 6) hours, temperatures at (100, 113, 130, 147, 160 ) and pressures of oxygen as oxidative agent (6, 9, 13.5, 17.8, 21 bar (absolute)). The optimization depended on the maximum overall yields of glucan (g glucan hydrolyzed/ 100 g original glucan) and xylan (g xylan hydrolyzed / 100 g original xylan) by using a cellulase loading of 0.1 g enzyme / g glucan in raw biomass, at substrate concentration 50 g / L during 72 h of enzymatic hydrolysis. The optimal conditions for oxidative short-term lime pretreatment of willow wood were as follow: (1) 1.33 h, 147 , 17.8 bar absolute, 0.26 g Ca(OH)2 / g raw biomass and (2) 1.25 h, 155 , and 21 bar absolute, 0.26 Ca(OH)2 / g raw biomass. In these two cases, the reactivity was nearly identical, thus the selected condition depends on the economic trade off between pressure, temperature. The optimal particle size was less than 3 mm. Enzymatic hydrolysis under these recommended conditions were as follow: 96.00 g glucan / 100 g of glucan in raw biomass, and 65.00 g xylan / 100 g xylan in raw biomass.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37066
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3687
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3390
Exam Date: 18-Sep-2012
Issue Date: 26-Oct-2012
Date Available: 26-Oct-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Enzymatische Hydrolyse
Lignocellulose material
Enzymatic hydrolysis
Lignocellulosic material
Lime pretreatment
Usage rights: Terms of German Copyright Law
ISBN: 978-3-943685-25-1
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