Dampfdruckaufschluss und enzymatische Hydrolyse von Maisstroh und Silagen

Abstract

Die Verwendung bisher stofflich nicht genutzter Neben- und Reststoffe der Agrarwirtschaft ist ein wichtiger Baustein für den Wandel zu bioökonomischen Lösungen. Ziel ist die Transformation von erdöl- zu biobasierten Rohstoffen. Ein möglicher Rohstoff ist Maisstroh, das bei dem Dreschen der Maispflanze anfällt und insbesondere im nordamerikanischen und asiatischen Raum signifikante Mengen erreicht. Gängige, bisherige Verwendungen für das anfallende Stroh sind zum einen der Verbleib auf dem Feld mit anschließendem Wenden der Ackerkrume oder die Verbrennung der Biomasse auf dem Feld. Zur Untersuchung der stofflichen Nutzung von Maisstroh wurden in dieser Arbeit verschiedene Maisstroh-Varianten in einem Dampfdruck-Refiner-Prozess untersucht. Diese unterschieden sich in Hinblick auf Erntejahr und den geographischen Ursprung, was Aussagen zur Varianz eines unter verschiedenen Umweltbedingungen wachsenden Rohstoffes zulässt. Weiterhin wurde eine Maissilage verwendet, um den Einfluss einer Silierung auf den Prozess erproben zu können. Abschließend wurden die gesammelten Erkenntnisse auf die Dampfdruckbehandlung einer Maisstrohsilage angewandt.

Die verwendeten Rohstoffe wurden einem Dampfdruck-Refiner-Prozess unterworfen, wobei der Rohstoff erst mit Dampf beaufschlagt und anschließend nach einer definierten Zeit mechanisch zerfasert wird. In dieser Arbeit wurden Schärfegrade in einem Bereich von log R0 = 2,77 bis 3,94 bearbeitet. Durch die quantitative Bestimmung der festen Faserfraktion und der flüssigen Extraktfraktion konnten Aussagen zu Unterschieden zwischen den Maisstroh-Varianten erlangt werden. Weiterhin konnte auch das grundlegende Verhalten der Maissilage und Veränderungen des Fraktionierverhaltens durch eine Silierung in Bezug auf die verwendete Maisstrohsilage untersucht werden. Maisstroh und Maissilage zeigt im Prozess grundlegend sinkende Faserstoff- und steigende Extraktausbeuten mit zunehmenden Prozessbedingungen. Die Maisstrohsilage zeigte einen ähnlichen Verlauf, wenn auch mit einer weniger deutlichen Mengendifferenz zwischen Faserstoff und Extrakt.

Zur Erzeugung monomerer Kohlenhydrate als Ausgangsprodukt für eine Fermentation wurden die dampfdruckbehandelten Faserstoffe enzymatisch hydrolysiert und die Ausbeuten der Glucose und Xylose bestimmt. Vorab wurden für alle erzeugten Faserstoffe und Extrakte die Kohlenhydratbilanzen bestimmt, um anschließend Aussagen zur enzymatischen Umsetzung treffen zu können. Alle Rohstoffe zeigten eine signifikante Erhöhung der KH-Ausbeuten nach dem Dampfdruck-Refineraufschluss. Mit schärferen Prozessbedingungen stieg die enzymatische Zugänglichkeit der hydrolysierten Faserstoffe. Zur weiteren Optimierung der enzymatischen Hydrolyseeigenschaften wurde an den Faserstoffen einer Maisstroh-Variante exemplarisch eine alkalische Ligninextraktion durchgeführt. Die Ligninentfernung erleichterte die enzymatische Zugänglichkeit und verbesserte die Ausbeuten. Weiterhin konnte durch die alkalische Extraktion eine Ligninfraktion erzeugt werden, die für weitere stoffliche Verwendungen geeignet und damit im Rahmen der Bioökonomie vorteilhaft sein kann.

Schließlich wurden neben den Faserstoffen auch die Extrakte eingehend charakterisiert. Dies geschah insbesondere vor dem Hintergrund wasserlöslicher Inhibitoren, die sich negativ auf enzymatische und/oder fermentative Prozessschritte auswirken. Furane und organische Säuren wurden neben anderen Abbauprodukten von Kohlenhydraten und Lignin als Hauptinhibitoren identifiziert. Ihr Vorkommen wurde in der flüssigen Extraktfraktion dokumentiert und hinsichtlich ihrer Menge und ihres Einflusses bewertet.

Die Eignung des Dampfdruckaufschlusses unter Verwendung von Maisstroh, Maissilage und Maisstrohsilage zur Herstellung von monomeren Fermentationskohlenhydraten konnte erfolgreich gezeigt werden. Unabhängig von der generellen Eignung dieser Rohstoffe konnte mit der Silierung eine Methode in Betracht gezogen werden, die eine ganzjährige Biomasseversorgung mit nur einem Rohstofferntetermin ermöglicht. Darüber hinaus wurden natürliche Schwankungen im Rohstoff festgestellt, die auf biotische und abiotische Einflussfaktoren zurückzuführen sind. Diese Unterschiede sind bei weiteren Verwendungen und Betrachtungen zu berücksichtigen.

The use of previously unused agricultural by-products and residues is an essential building block in the transition to a bioeconomy. The goal is the transformation from petroleum-based to bio-based raw materials. One possible raw material is corn stover, produced after threshing the corn plant and reaches significant quantities, particularly in North America and Asia. Common, previous uses for the resulting straw are on the one hand remaining on the field with the subsequent turning of the topsoil or burning the biomass on the field. Different corn stover variants were examined in a steam refining process in this work to investigate the material use of corn stover. These differ in harvest year and geographic origin, allowing statements to be made about the variance of a raw material growing under different environmental conditions. Furthermore, maize silage was used to test the influence of ensiling on the process. Finally, the collected knowledge was applied to the steam refining treatment of a corn stover silage.

The used raw materials were subjected to a steam refining process, in which the raw material was first treated with steam and then mechanically defibrated within a defined period of time. In this work, different severities were processed in a range from log R0 = 2.77 to 3.94. Statements on the differences between the corn stover variants were obtained through the quantitative determination of the solid fiber and the liquid extract fraction. Also, the fundamental behavior of the maize silage and changes in the fractionation behavior due to ensiling in relation to the used corn stover were examined. In the process, corn stover and maize silage show fundamentally decreasing fiber yields and increasing extract yields with increasing severity. The corn stover silage showed a similar progression, albeit with a less clear difference in quantity between fiber and extract.

In order to produce monomeric carbohydrates as the preliminary product for fermentation, the fiber fraction was enzymatically hydrolysed and the yields of glucose and xylose were determined. The carbohydrate balances for all the fibers and extracts produced were determined to be able to make statements about enzymatic conversion. All raw materials showed significantly increasing carbohydrate yields after steam refining. The enzymatic accessibility of the hydrolyzed fibers increased with more severe process conditions. For further optimizing the enzymatic hydrolysis properties, an alkaline lignin extraction was carried out on the fibers of a corn stover variant, for example.

Lignin removal facilitated enzymatic accessibility and improved carbohydrate yields. Furthermore, the alkaline extraction produced a lignin fraction suitable for further material uses and can therefore be advantageous in the context of further bioeconomy solutions.

Finally, the extracts were also characterized in detail. This happened in particular because of known water-soluble inhibitors, which have a negative effect on enzymatic or fermentative process steps. Furans and organic acids were detected as the main inhibitors, along with other degradation products of the carbohydrates and the lignin after steam refining. Their occurrence was documented in the liquid extract fraction and assessed regarding amount and influence.

The suitability of the steam pressure refiner digestion using corn stover, maize silage and, corn stover silage for the production of monomeric fermentation carbohydrates could be successfully demonstrated. Independent of the general suitability of these raw materials, ensiling could be considered as a method that allows year-round biomass supply with only one harvesting time. Furthermore, there are natural variances in the raw material, which can be attributed to biotic and abiotic influencing factors. These differences must be taken into account for further uses and considerations.