Vorbehandlung

Prallreaktor der Fa. Schäfer
Prallreaktor der Fa. Schäfer
Durch die Umstellung der Rohstoffbasis auf lignocellulosehaltige Rest- und Abfallstoffe aus der Landwirtschaft ergeben sich veränderte Anforderungen an die Vorbehandlung der Substrate gegenüber den konventionell eingesetzten zucker- und stärkehaltigen Rohstoffen. Bei der enzymatischen Verzuckerung wird die Cellulose mit Hilfe von Enzymen in Glucose umgewandelt. Aufgrund der Widerstandsfähigkeit der Lignocellulose gegenüber einem enzymatischen Angriff ist davor eine Vorbehandlung mit dem Ziel notwendig, die komplexen Verbindungen von Cellulose, Hemicellulose und Lignin durch den Einsatz von Chemikalien, mechanischer oder thermischer Energie sowie einer Kombination von diesen aufzuschließen, um ein schnelles und tiefes Eindringen der Enzyme in das Material zu ermöglichen. Dies kann durch Dampfexplosion, Säurevorbehandlung, Behandlung mit organischen Lösungsmitteln, Alkalivorbehandlung, CO2-Explosion, mechanischer Zerkleinerung, Hydrothermolyse, Behandlung mit Wasserstoffperoxid, Bestrahlung und/oder eine mikrobiologische Vorbehandlung realisiert werden.
In einem ersten Schritt wurde im Rahmen des Projektes eine mechanische Zerkleinerung des Pflanzenmaterials durchgeführt, um die faserige Struktur möglichst weit aufzulösen. Weitere bereits in der Praxis eingesetzte Verfahren zur Vorbehandlung sind die Dampfexplosion oder der Zusatz von verdünnter Schwefelsäure. Der enzymatischen Hydrolyse widmet sich ein eigenes Kapitel.

Mechanische Zerkleinerung

Bei der mechanischen Aufbereitung, bzw. Zerkleinerung, von Biomasse stellen sich aufgrund der teilweise auch unterschiedlichen Stoffeigenschaften besondere Anforderungen an die Zerkleinerungsmaschinen. Zum Beispiel sind Stroh und andere holzartige Biomasse eher hart und spröde, wohingegen Grassilage weich, elastisch und zäh ist. Grundsätzlich geeignet für die Aufbereitung von Biomasse sind die Zerkleinerungsarten durch Schnitt und Prall.
Im Rahmen des Projektes wurden Versuche mit einer Prallmühle, dem sogenannten Prallreaktor, durchgeführt. Zentrales Bauteil einer Prallmühle ist der mit einer hohen Geschwindigkeit drehende Rotor unterschiedlichster Gestaltung. An dem Rotor können Leisten, Platten, Hämmer, Stifte oder sogar Ketten als Prallorgane angebracht sein, die das Mahlgut durch mehrfache Prallbeanspruchung bei hohen Umdrehungszahlen zerkleinern. Dabei kann das Mahlgut durch Aufprallen auf die Prallorgane, auf Flächen im Mahlraum und durch gegenseitiges aufeinanderprallen zerkleinert werden. Rotorgeschwindigkeit, Mahlraumgeometrie und Krümmung der Prallorgane können auf das Mahlgut abgestimmt werden. Durch eingebaute Siebe wird die Feinheit des zerkleinerten Materials eingestellt. Alternativ findet, insbesondere bei feuchten Materialien, die Ausschleusung über eine periodisch öffnende Auswurfklappe statt.
Eudiometer (Vergärungsstand)
Im Gegensatz zum Schnitt wird das Mahlgut bei der Prallbeanspruchung zerrissen. Die Bruchkanten sind zerfasert und das Zerkleinerungsgut weist dadurch eine höhere Oberfläche auf als bei der Zerkleinerung durch Schnitt. Mit Vergrößerung der Oberfläche erhöht sich auch die Angriffsfläche für die weitergehenden Prozessschritte. Im Prallreaktor können auch nasse Mahlgüter zerkleinert werden. In der Regel besteht sogar die Möglichkeit Wasser oder andere Flüssigkeiten direkt in den Reaktorraum einzubringen. Aus diesen Gründen wurde für eine Versuchsreihe zur mechanischen Zerkleinerung ausgewählter Substrate der Prallreaktor bestimmt.
Mit dem Prallreaktor wurden die ausgewählten Substrate Getreidestroh, Heu, Gras- und Maissilage zerkleinert.Insgesamt stellte sich die Zerkleinerung von Stroh und Heu mit Hilfe des Prallreaktors als problemlos dar. Im Gegensatz dazu stellte sich die Grassilage aufgrund ihrer Zähigkeit als schwieriger zu behandeln heraus.
Für die Einschätzung einer Wirkung des Prallreaktors auf die biologische Abbaubarkeit der behandelten Substrate wurde das Biogaspotenzial der behandelten Substrate bestimmt. Außerdem können die Reststoffe aus dem Brennprozess (Schlempe) unter anderem in einer Biogasanlage genutzt werden und somit einen Teil der benötigten Energie für die Brennereiprozesse zur Verfügung stellen.
Bei Heu und Stroh hat die Behandlung im Prallreaktor die anaerobe biologische Abbaubarkeit erhöht. Dagegen hatte die Behandlung von Silomais und Grassilage keinen bzw. nur geringen Einfluss darauf. Der Silomais scheint bei der Ernte bereits klein genug gehäckselt worden sein, so dass ein weiterer mechanischer Aufschluss unnötig erscheint. Die Grassilage stellte sich aufgrund ihrer Zähigkeit als Herausforderung für den Prallreaktor dar. Dementsprechend hat sich auch die anaerobe Abbaubarkeit kaum erhöht. An dieser Stelle besteht noch Entwicklungsbedarf.

Thermischer Druckaufschluß

Dämpfapparatur
Dämpfapparatur
Das Gundgerüst der Pflanze, die Lignocellulose, besteht aus einem stabilen Verbund von Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Da diese Struktur sehr fest vernetzt ist und aufgrund des Polyphenols Lignin nur sehr schwer mikrobiell abbaubar ist, muss diese Struktur erst aufgeschlossen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, das Substrat nach der mechanischen Zerkleinerung in einem druckfesten Behälter, wie in der Abbildung dargestellt, auf über 150°C zu erhitzen und danach zu entspannen ("steam explosion"), um so die Struktur der Lignocellulose zu zerreißen. Andere Ansätze basieren auf Säure- oder Laugenaufschlüssen, Einsatz von Radikalen, sehr hohen Temperaturen, hohen Drücken und der Kombinationen der verschiedenen Aufschlussmethoden.
Bei der gewählten Methode wurden keine Zusätze außer Wasser gewählt. Der benötigte Wasserzusatz variiert stark je nach eingesetztem Substrat. Für die in diesem Projekt behandelten Substrate wurde eine Behandlungszeit von 45 Minuten bei 155°C gewählt. Die beste Wirkung der eingesetzten Temperatur lässt sich so erklären, dass kristalline Bereiche der Cellulose amorph und damit für Cellulasen deutlich besser abbaubar werden sowie ein Teilabbau der Hemicellulose stattfindet. Ebenso wird der die Cellulose umgebende Ligninmantel teilweise gelöst. Im Gegensatz zu Aufschlüssen bei höherer Temperatur bleibt der Energieeinsatz verhältnismäßig gering.
Obwohl viele der ausgewählten Substrate wie Hanf, Maissilage oder Topinamburstroh während der Fermentation gut aufgeschlossen werden konnten, war dies bei Substraten wie Miscanthus, einer Blühpflanzensilage oder auch Grassilage nicht der Fall.