DE102011083362A1 - Producing cellulose product, hemicellulose product and lignin product, comprises treating lignocellulosic starting material with liquid treatment medium, solubilizing starting material and subjecting for fractional precipitation - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung eines Celluloseproduktes, eines Hemicelluloseproduktes und eines Ligninproduktes aus einem lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterial.The present invention relates to a process for the isolation of a cellulose product, a hemicellulose product and a lignin product from a lignocellulose-containing starting material.
Cellulose ist mit einem Anteil von etwa 700 Milliarden Tonnen am geschätzten Biomassevorrat von 1,5 Billionen Tonnen auf der Erde der wichtigste Vertreter in der Gruppe der organischen Biopolymere und ein sehr vielseitig verwendeter Rohstoff. Eine besondere Bedeutung wird zukünftig der Hydrolyse von Cellulose zu Glucose zukommen, da auf diesem Weg beispielsweise ein Zugang zu großen Mengen an fermentativ gewonnenem Bioethanol geschaffen werden könnte. In der als Rohstoffquelle verfügbaren Biomasse kommt Cellulose jedoch kaum in reiner bzw. ausreichend angereicherter Form vor, sondern im Wesentlichen als Bestandteil von Lignocellulose. Der Aufschluss und die Fraktionierung von Lignocellulose in ihre Hauptbestandteile Cellulose und Lignin sowie gegebenenfalls weitere Komponenten, wie Hemicellulose, sind zentrale Aufgaben eines Bioraffinerie-Konzeptes, das die effektive und wirtschaftliche Nutzung dieses nachwachsenden Rohstoffes ermöglichen soll. Dabei ist eine wachsende Bedeutung des Biokraftstoffs Ethanol und von Glucose als Intermediat in der chemischen Industrie nur denkbar, wenn es gelingt, diese aus einer anderen Rohstoffbasis zu gewinnen als aus solchen stärke- oder zuckerhaltigen Pflanzen, die hauptsächlich zur Lebensmittelproduktion dienen.With a share of about 700 billion tonnes of the estimated biomass supply of 1.5 billion tonnes on earth, cellulose is the most important member of the group of organic biopolymers and a very versatile raw material. Of particular importance in the future will be the hydrolysis of cellulose to glucose, since in this way, for example, access to large quantities of fermentatively produced bioethanol could be created. In the biomass available as a source of raw materials, however, cellulose hardly ever occurs in pure or sufficiently enriched form, but essentially as a constituent of lignocellulose. The digestion and fractionation of lignocellulose into its main constituents cellulose and lignin as well as possibly further components, such as hemicellulose, are central tasks of a biorefinery concept, which should enable the effective and economical use of this renewable raw material. Here, a growing importance of the biofuel ethanol and glucose as an intermediate in the chemical industry is only conceivable if it succeeds to win this from a different raw material base than from such starchy or sugary plants, which are mainly used for food production.
Pflanzliche Biomasse besteht zu 15 bis 35% aus Lignin. Dieses wird derzeit hauptsächlich energetisch verwertet. Lignin ist jedoch mittlerweile auch als Grundstoff in der chemischen Industrie von großem Interesse. So dient es beispielweise zur Herstellung von aromatischen Verbindungen mit geringem Molekulargewicht und speziell zur Herstellung von phenolischen Verbindungen oder von Vanillin. Lignin/Cellulose-Zusammensetzungen werden unter dem Namen Arboform oder flüssiges Holz als Kunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt.Vegetable biomass consists of 15 to 35% lignin. This is currently being used mainly for energy purposes. However, lignin is now also of great interest as a raw material in the chemical industry. It is used, for example, for the preparation of low molecular weight aromatic compounds and especially for the preparation of phenolic compounds or vanillin. Lignin / cellulose compositions are used under the name Arboform or liquid wood as plastic from renewable raw materials.
Hemicellulose ist ein weiterer Bestandteil der Lignocellulose. Sie ist wie Cellulose aus glycosidisch verknüpften Zuckereinheiten aufgebaut, wobei es sich jedoch hauptsächlich um Arabinose und Xylose handelt. Die Ketten können mehr oder weniger verzweigt sein, und der Polymerisationsgrad ist niedriger als bei der Cellulose. Hemicellulose eignet sich vorteilhaft als Zwischenprodukt zur Herstellung von Chemikalien. Sie ist ebenso wie Cellulose als mögliche Quelle für fermentativ gewonnenes Ethanol interessant. Weiterhin findet Hemicellulose Anwendung in der Kosmetik sowie zur Herstellung von Chromatographiematerialien. Die Gewinnung von Hemicellulose und insbesondere von Hemicellulose mit hohem Xylangehalt ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da diese in der Natur immer vergesellschaftet mit Cellulose und gegebenenfalls Hemicellulose auftritt. Ein Verfahren, das sich zusätzlich zur Isolierung von Cellulose auch zur Isolierung von Hemicellulose aus einem lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterial eignet, ist daher von besonderem Interesse.Hemicellulose is another component of lignocellulose. Like cellulose, it is composed of glycosidically linked sugar units, but it is mainly arabinose and xylose. The chains may be more or less branched, and the degree of polymerization is lower than that of the cellulose. Hemicellulose is advantageously suitable as an intermediate for the production of chemicals. It is interesting as well as cellulose as a possible source of fermented ethanol. Furthermore, hemicellulose is used in cosmetics and for the production of chromatography materials. The production of hemicellulose, and in particular high xylan hemicellulose, is a demanding task since it is naturally associated with cellulose and possibly hemicellulose in nature. A process which, in addition to the isolation of cellulose, is also suitable for the isolation of hemicellulose from a lignocellulose-containing starting material is therefore of particular interest.
Es sind vielfältige Aufschlussmethoden für Lignocellulose entwickelt worden.
Es ist bekannt, als nicht hydrolysierende Lösungsmittel für Cellulose verschiedene ionische Flüssigkeiten einzusetzen. So beschreiben
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Es besteht weiterhin Bedarf an einem Bioraffinerieverfahren, das es ermöglicht, ein lignocellulosehaltiges Ausgangsmaterial möglichst vollständig zur Gewinnung von Wertprodukten einzusetzen. Diese Wertstoffe sind neben dem Hauptprodukt Cellulose vor allem das Lignin als biogene Aromaten-Quelle sowie die Hemicellulose als eigenständige Stoffklasse auf Basis von C5-Zuckern.There is still a need for a biorefinery process which makes it possible to use a lignocellulose-containing starting material as completely as possible for the recovery of value products. In addition to the main product cellulose, these valuable substances are mainly lignin as a biogenic source of aromatics and hemicellulose as an independent substance class based on C 5 sugars.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass die Isolierung von Cellulose, Hemicellulose und Lignin vorteilhaft aus einem in ionischen Flüssigkeiten solubilisierten Lignocellulosematerial durch fraktionierte Extraktion und Fällung gelingt.Surprisingly, it has now been found that the isolation of cellulose, hemicellulose and lignin advantageously succeeds from a lignocellulosic material solubilized in ionic liquids by fractional extraction and precipitation.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Cellulose-Produktes, eines Hemicelluloseproduktes und eines Ligninproduktes, bei dem man ein lignocellulosehaltiges Ausgangsmaterial mit einem flüssigen Behandlungsmedium behandelt, das eine ionische Flüssigkeit umfasst, wobei das Ausgangsmaterial zumindest teilweise in dem Behandlungsmedium solubilisiert wird und das Solubilisat einer fraktionierten Fällung unterzieht, die wenigstens drei Fällungsschritte umfasst.The invention relates to a method for producing a cellulose product, a hemicellulose product and a lignin product, which comprises treating a lignocellulose-containing starting material with a liquid treatment medium comprising an ionic liquid, wherein the starting material is at least partially solubilized in the treatment medium and the solubilizate subjected to a fractional precipitation comprising at least three precipitation steps.
Eine bevorzugte Ausführung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Celluloseproduktes, eines Hemicelluloseproduktes und eines Ligninproduktes, bei dem man
- a) ein lignocellulosehaltiges Ausgangsmaterial bereitstellt und mit einem flüssigen Behandlungsmedium behandelt, das eine ionische Flüssigkeit umfasst, wobei das Ausgangsmaterial zumindest teilweise in dem Behandlungsmedium solubilisiert wird,
- b) dem in Schritt a) erhaltenen Solubilisat ein erstes Fällungsmittel (F1) zugibt, wobei eine ligninhaltige flüssige Fraktion und ein erstes Präzipitat erhalten wird, das Cellulose und Hemicellulose enthält,
- c) der in Schritt b) erhaltenen ligninhaltigen flüssigen Fraktion ein zweites Fällungsmittel (F2) zugibt, wobei als zweites Präzipitat das Ligninprodukt erhalten wird,
- d) das in Schritt b) erhaltene erste Präzipitat mit einem flüssigen Waschmedium behandelt, wobei die Hemicellulose zumindest teilweise in dem Waschmedium solubilisiert wird,
- e) das mit Hemicellulose beladene Waschmedium abtrennt, wobei als feste Fraktion das Celluloseprodukt erhalten wird,
- f) dem in Schritt e) erhaltenen, mit Hemicellulose beladenen Waschmedium ein drittes Fällungsmittel (F3) zugibt, wobei als drittes Präzipitat das Hemicelluloseprodukt erhalten wird.
- a) providing a lignocellulosic starting material and treating it with a liquid treatment medium comprising an ionic liquid, wherein the starting material is at least partially solubilized in the treatment medium,
- b) adding to the solubilizate obtained in step a) a first precipitating agent (F1) to obtain a lignin-containing liquid fraction and a first precipitate containing cellulose and hemicellulose,
- c) adding to the lignin-containing liquid fraction obtained in step b) a second precipitant (F2), the lignin product being obtained as the second precipitate,
- d) treating the first precipitate obtained in step b) with a liquid washing medium, wherein the hemicellulose is at least partially solubilized in the washing medium,
- e) separating the washing medium loaded with hemicellulose, the cellulosic product being obtained as a solid fraction,
- f) adding a third precipitating agent (F3) to the hemicellulose-laden washing medium obtained in step e), the hemicellulose product being obtained as the third precipitate.
Lignocellulose bildet das Strukturgerüst der pflanzlichen Zellwand und enthält als Hauptbestandteile Cellulose und Lignin sowie Hemicellulosen. Weitere Bestandteile der pflanzlichen Zellwand und somit daraus erhaltener lignocellulosehaltiger Materialien sind z. B. Silicate, extrahierbare niedermolekulare organische Verbindungen (so genannte Extraktstoffe, wie Terpene, Harze, Fette), Polymere, wie Proteine, Nukleinsäuren und Pflanzengummi (so genanntes Exsudat), etc.Lignocellulose forms the structural framework of the plant cell wall and contains as its main components cellulose and lignin as well as hemicelluloses. Other components of the plant cell wall and thus obtained lignocellulose-containing materials are, for. As silicates, extractable low molecular weight organic compounds (so-called extractives such as terpenes, resins, fats), polymers such as proteins, nucleic acids and gum (so-called exudate), etc.
Cellulose ist ein Biopolymer der D-Anhydroglucopyranose mit langen Ketten von durch β-1,4-glycosidische Bindungen verknüpften Zuckereinheiten.Cellulose is a biopolymer of long chain D-anhydroglucopyranose sugar units linked by β-1,4-glycosidic bonds.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Celluloseprodukt hat vorzugsweise einen Polymerisationsgrad (DP) von wenigstens 10, besonders bevorzugt von wenigstens 100. Bevorzugt liegt der Polymerisationsgrad (DP) der Cellulose in einem Bereich von 200 bis 1000, besonders bevorzugt in einem Bereich von 300 bis 500.The cellulose product produced by the process according to the invention preferably has a degree of polymerization (DP) of at least 10, more preferably of at least 100. Preferably, the degree of polymerization (DP) of the cellulose is in a range from 200 to 1000, more preferably in a range from 300 to 500 ,
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Celluloseprodukt hat vorzugsweise einen Cellulosegehalt von wenigstens 75%, besonders bevorzugt wenigstens 85%, insbesondere wenigstens 90%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Celluloseprodukts. Ein typisches erfindungsgemäßes Celluloseprodukt kann, bezogen auf das Gesamtgewicht des Celluloseprodukts, bis zu 10 Gew.-%, bevorzugt bis zu 8 Gew.-%, insbesondere bis zu 6 Gew.-% Lignin enthalten. Ein üblicher Ligningehalt des erfindungsgemäßen Celluloseprodukts liegt in einem Bereich von 3 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Celluloseprodukts. Ein typisches erfindungsgemäßes Celluloseprodukt kann, bezogen auf das Gesamtgewicht des Celluloseprodukts, bis zu 10 Gew.-%, bevorzugt bis zu 8 Gew.-%, ionische Flüssigkeit enthalten. Ein üblicher Gehalt an ionischer Flüssigkeit des erfindungsgemäßen Celluloseprodukts liegt in einem Bereich von 3 bis 8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Celluloseprodukts.The cellulose product produced by the process according to the invention preferably has a cellulose content of at least 75%, more preferably at least 85%, in particular at least 90%, based on the total weight of the cellulose product. A typical cellulose product according to the invention may contain, based on the total weight of the cellulose product, up to 10% by weight, preferably up to 8% by weight, in particular up to 6% by weight, of lignin. A typical lignin content of the cellulose product according to the invention is in a range of 3 to 6 wt .-%, based on the total weight of the cellulose product. A typical cellulose product according to the invention may contain, based on the total weight of the cellulose product, up to 10% by weight, preferably up to 8% by weight, of ionic liquid. A typical content of ionic liquid of the cellulose product according to the invention is in a range of 3 to 8 wt .-%, based on the total weight of the cellulose product.
Hemicellulose ist wie Cellulose aus glycosidisch verknüpften Zuckereinheiten (hauptsächlich Arabinose und Xylose) aufgebaut, wobei die Ketten jedoch mehr oder weniger verzweigt sind und der Polymerisationsgrad niedriger ist als bei der Cellulose.Like cellulose, hemicellulose is composed of glycosidically linked sugar units (mainly arabinose and xylose), but the chains are more or less branched and the degree of polymerization is lower than that of cellulose.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hemicelluloseprodukt hat vorzugsweise einen Polymerisationsgrad (DP) von höchstens 300, bevorzugt von höchstens 200. Bevorzugt liegt der Polymerisationsgrad (DP) der Hemicellulose in einem Bereich von 4 bis 150, besonders bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 120. Der Nachweis, aus welchen Wiederholungseinheiten das erfindungsgemäße Hemicelluloseprodukt aufgebaut ist (z. B. der Nachweis der Xylose-Identität), erfolgt über CP-MAS NMR Spektroskopie (charge polarized magic angle spinning nuclear magnetis resonance).The hemicellulose product produced by the process according to the invention preferably has a degree of polymerization (DP) of at most 300, preferably of at most 200. Preferably, the degree of polymerization (DP) of the hemicellulose is in a range from 4 to 150, particularly preferably in a range from 4 to 120. The proof of which repeat units the hemicellulose product according to the invention is constructed (for example the detection of the xylose identity) is carried out by CP-MAS NMR (charge polarized magic angle spinning nuclear magnetic resonance) spectroscopy.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hemicelluloseprodukt hat vorzugsweise einen Hemicellulosegehalt von wenigstens 75%, besonders bevorzugt wenigstens 90%, insbesondere wenigstens 95%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hemicelluloseprodukts.The hemicellulose product produced by the process of the invention preferably has a hemicellulose content of at least 75%, more preferably at least 90%, especially at least 95%, based on the total weight of the hemicellulose product.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hemicelluloseprodukt hat vorzugsweise einen Xylangehalt von wenigstens 75 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere wenigstens 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hemicelluloseprodukts.The hemicellulose product produced by the process of the invention preferably has a xylene content of at least 75% by weight, more preferably at least 90% by weight, especially at least 95% by weight, based on the total weight of the hemicellulose product.
Die Wiederholungseinheiten der Xylane leiten sich überwiegend von D-Xylose ab. Neben der D-Xylose können die Xylane weitere Wiederholungseinheiten enthalten, die vorzugsweise abgeleitet sind von D-Mannose, D-Glucose, D-Arabinose, D-Galactose, D-Galacturonsäure und Mischungen davon. Die in dem Hemicelluloseprodukt enthaltenen Xylane weisen vorzugsweise in der Hauptkette überwiegend (d. h. zu wenigstens 90%) oder ausschließlich β-D-Xylopyranose-Einheiten auf. Die Verknüpfung der Hauptkette erfolgt überwiegend (d. h. zu wenigstens 90%) oder ausschließlich in β-1,4-glycosidischer Form. Die Ketten des Xylans können unverzweigt sein oder pro Molekül ein bis zwei Verzweigungen aufweisen. Bevorzugt weisen diese Verzweigungen ausschließlich von D-Xylose abgeleitete Wiederholungseinheiten auf. Möglich ist jedoch auch, dass die Verzweigungen Wiederholungseinheiten aufweisen, die sich von D-Xylose verschiedenen Zuckern und/oder Zuckerderivaten ableiten. Die Verzweigungen bestehen zumeist nur aus monomeren Einheiten, können jedoch auch dimer oder oligomer sein.The repeating units of xylans are predominantly derived from D-xylose. In addition to D-xylose, the xylans may contain other repeating units, preferably derived from D-mannose, D-glucose, D-arabinose, D-galactose, D-galacturonic acid and mixtures thereof. The xylans contained in the hemicellulose product preferably have predominantly (ie, at least 90%) or exclusively β-D-xylopyranose units in the backbone. The linking of the main chain is predominantly (ie at least 90%) or exclusively in β-1,4-glycosidic form. The chains of xylan may be unbranched or have one to two branches per molecule. These branches preferably have exclusively repeat units derived from D-xylose. However, it is also possible that the branches have repeat units that differ from sugars other than D-xylose and / or sugar derivatives. The branches usually consist only of monomeric units, but may also be dimeric or oligomeric.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hemicelluloseprodukt enthält vorzugsweise Xylane mit 1 bis 10 Wiederholungseinheiten, besonders bevorzugt 2 bis 5 Wiederholungseinheiten.The hemicellulose product produced by the process according to the invention preferably contains xylans having 1 to 10 repeat units, more preferably 2 to 5 repeat units.
In einer speziellen Ausführung enthält das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hemicelluloseprodukt wenigstens 75 Gew.-% Xylane mit 1 bis 10 Wiederholungseinheiten, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% Xylane mit 1 bis 10 Wiederholungseinheiten, insbesondere wenigstens 95 Gew.-% Xylane mit 1 bis 10 Wiederholungseinheiten, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Hemicelluloseprodukts.In a specific embodiment, the hemicellulose product prepared by the process according to the invention contains at least 75% by weight of xylans having 1 to 10 repeat units, particularly preferably at least 90% by weight of xylans having 1 to 10 repeat units, in particular at least 95% by weight of xylans with 1 to 10 repeat units, based in each case on the total weight of the hemicellulose product.
In einer spezielleren Ausführung enthält das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hemicelluloseprodukt wenigstens 75 Gew.-% Xylane mit 2 bis 5 Wiederholungseinheiten, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% Xylane mit 2 bis 5 Wiederholungseinheiten, insbesondere wenigstens 95 Gew.-% Xylane mit 2 bis 5 Wiederholungseinheiten, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Hemicelluloseprodukts.In a more specific embodiment, the hemicellulose product produced by the process according to the invention contains at least 75% by weight of xylans having 2 to 5 repeat units, more preferably at least 90% by weight of xylans having 2 to 5 repeat units, especially at least 95% by weight of xylans with 2 to 5 repeat units, based in each case on the total weight of the hemicellulose product.
Das zahlenmittlere Molekulargewicht der Xylane in dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hemicelluloseprodukt liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 500 bis 20000, besonders bevorzugt von 500 bis 17000.The number-average molecular weight of the xylans in the hemicellulose product prepared by the process of the invention is preferably in the range of about 500 to 20,000, more preferably 500 to 17,000.
Die Bestimmung der Molekulargewichte der Celluloseprodukte und Hemicelluloseprodukte kann mittels Größenausschlusschromatographie (SEC) erfolgen. Die Kalibrierung erfolgte mit der breit verteilten Na-PAA-Mischung 23250/158/2, deren integrale Molekulargewichtsverteilungskurve durch SEC-Laserlichtstreukopplung bestimmt worden war, nach dem Kalibrierverfahren von
Lignin ist ein Biopolymer, dessen Grundeinheit im Wesentlichen Phenylpropan ist, welches, je nach der natürlichen Quelle, mit einer oder mehreren Methoxygruppen an den Phenylringen und mit einer Hydroxygruppe an den Propyleinheiten substituiert sein kann. Daher sind typische Struktureinheiten des Lignins p-Hydroxyphenylpropan, Guaiacylpropan und Syringylpropan, die durch Etherbindungen und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen miteinander verbunden sind.Lignin is a biopolymer whose basic unit is essentially phenylpropane, which, depending on the natural source, may be substituted with one or more methoxy groups on the phenyl rings and with a hydroxy group on the propylene units. Therefore, typical structural units of lignin are p-hydroxyphenylpropane, guaiacylpropane, and syringylpropane linked together by ether bonds and carbon-carbon bonds.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ligninprodukt hat vorzugsweise einen Ligningehalt von wenigstens 75%, besonders bevorzugt wenigstens 90%, insbesondere wenigstens 95%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Ligninprodukts.The lignin product produced by the process according to the invention preferably has a lignin content of at least 75%, particularly preferably at least 90%, in particular at least 95%, based on the total weight of the lignin product.
Der Begriff ”Solubilisierung” bezeichnet im Rahmen der Erfindung die Überführung in einen flüssigen Zustand und umfasst dabei die Erzeugung von Lösungen des lignocellulosehaltigen Materials wie auch das Überführen in einen davon verschiedenen solubilisierten Zustand. Wird ein lignocellulosehaltiges Material in einen solubilisierten Zustand überführt, so müssen die einzelnen Polymermoleküle nicht zwingend vollständig von einer Solvathülle umgeben sein. Wesentlich ist, dass das Polymer durch die Solubilisierung in einen Flüssigzustand übergeht. Solubilisate im Sinne der Erfindung sind somit auch kolloidale Lösungen, Mikrodispersionen, Gele, etc. Sofern bei der Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials mit dem die ionische Flüssigkeit enthaltenden flüssigen Behandlungsmedium ungelöste Anteile zurückbleiben, so ist dies für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens unkritisch.The term "solubilization" in the context of the invention refers to the conversion into a liquid state and in this case comprises the production of solutions of the lignocellulose-containing material as well as the conversion into a different solubilized state. If a lignocellulose-containing material is converted into a solubilized state, the individual polymer molecules need not necessarily be completely surrounded by a solvate shell. It is essential that the polymer changes to a liquid state as a result of the solubilization. Solubilisates in the context of the invention are thus also colloidal solutions, microdispersions, gels, etc. If undissolved components remain in the treatment of the lignocellulose-containing starting material with the liquid medium containing the ionic liquid, this is not critical to the success of the process according to the invention.
Schritt a)Step a)
Die erfindungsgemäß einsetzbaren lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterialien sind z. B. aus Holz- und Pflanzenfasern als Ausgangsstoff erhältlich. Bevorzugte Lignocellulosematerialien sind solche aus Holz und Rückständen der holzverarbeitenden Industrie. Dazu zählen z. B. die verschiedenen Holzarten, d. h. Laubhölzer, wie Ahorn, Birke, Birnbaum, Eiche, Erle, Esche, Eucalyptus, Hainbuche, Kirschbaum, Linde, Nussbaum, Pappel, Weide, etc. und Nadelhölzer, wie Douglasie, Fichte, Eibe, Hemlock, Kiefer, Lärche Tanne, Zeder, etc. Geeignet sind sowohl Laubhölzer wie auch Nadelhölzer. Üblicherweise ist verholzte Zellwand bei mitteleuropäischen Hölzern etwa folgendermaßen zusammengesetzt: Laubhölzer: Cellulose 42–49%, Hemicellulose 24–30%, Lignin 25–30%, Extraktstoffe 2–9%, Asche (Mineralien) 0,2–0,8%. Nadelhölzer: Cellulose 42–51%, Hemicellulose 27–40%, Lignin 18–24%, Extraktstoffe 1–10%, Asche 0,2–0,8%. Holz lässt sich nicht nur in Laub- und Nadelhölzer unterscheiden, sondern auch in so genannte ”Harthölzer” und ”Weichhölzer”, was nicht mit den Begriffen Laub- bzw. Nadelhölzer synonym ist. Weichholz bezeichnet im Unterschied zu Hartholz leichteres Holz (d. h. Hölzer mit einer Darrdichte unter 0,55 g/cm3, beispielsweise Weiden, Pappeln, Linden und fast alle Nadelhölzer). Für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich prinzipiell alle Hart- und alle Weichhölzer. Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Holz kann auch in konfektionierter Form, z. B. in Form von Pellets, vorliegen. Geeignete Rückstände bei der holzverarbeitenden Industrie sind neben Holzabfällen auch Sägespäne, Parkettschleifstaub, etc.The present invention can be used lignocellulose-containing starting materials are, for. B. from wood and vegetable fibers available as starting material. Preferred lignocellulosic materials are those of wood and residues of the woodworking industry. These include z. B. the various types of wood, ie hardwoods, such as maple, birch, pear, oak, alder, ash, eucalyptus, hornbeam, cherry, linden, walnut, poplar, willow, etc. and conifers such as Douglas fir, spruce, yew, hemlock, Pine, larch fir, cedar, etc. Suitable are both hardwoods and softwoods. Woody wood cell wall is typically composed of Central European woods as follows: Hardwoods: 42-49% cellulose, hemicellulose 24-30%, lignin 25-30%, extractives 2-9%, ashes (minerals) 0.2-0.8%. Softwoods: cellulose 42-51%, hemicellulose 27-40%, lignin 18-24%, extractives 1-10%, ashes 0.2-0.8%. Wood can be distinguished not only in deciduous and coniferous wood, but also in so-called "hardwoods" and "softwoods", which is not synonymous with the terms deciduous or coniferous wood. Softwood, in contrast to hardwood, means lighter wood (ie wood with a density of less than 0.55 g / cm 3 , for example willow, poplar, Linden and almost all conifers). In principle, all hardwoods and all softwoods are suitable for use in the process according to the invention. The wood used in the process according to the invention can also be used in ready-made form, for. In the form of pellets. Suitable residues in the woodworking industry are in addition to wood waste and sawdust, parquet sanding dust, etc.
Bevorzugte lignocellulosehaltige Ausgangsmaterialien sind weiterhin Naturfaserstoffe, die vorzugsweise ausgewählt sind unter Flachs, Hanf, Sisal, Jute, Stroh, Kokosfasern, Switchgrass (Panicum virgatum) und anderen davon verschiedenen Naturfasern. Geeignete lignocellulosehaltige Ausgangsmaterialien fallen auch als Rückstand in der Landwirtschaft an, z. B. bei der Ernte von Getreide (Weizenstroh, Maisstroh, etc.), Mais, Zuckerrohr (Bagasse), etc. Geeignete lignocellulosehaltige Ausgangsmaterialien fallen auch als Rückstand in der Forstwirtschaft an, z. B. in Form von Ästen, Rinden, Holzchips, etc. Eine gute Quelle für lignocellulosehaltige Ausgangsmaterialien sind auch Kurzumtriebsplantagen (short rotation crops), die eine hohe Biomasseproduktion auf relativ kleiner Fläche ermöglichen.Preferred lignocellulose-containing starting materials are furthermore natural fiber materials, which are preferably selected from flax, hemp, sisal, jute, straw, coconut fibers, switchgrass (Panicum virgatum) and other natural fibers other than these. Suitable lignocellulosic starting materials also fall as a residue in agriculture, z. B. in the harvest of grain (wheat straw, corn straw, etc.), corn, sugar cane (bagasse), etc. Suitable lignocellulose-containing starting materials also fall as a residue in forestry, z. B. in the form of branches, barks, wood chips, etc. A good source of lignocellulose-containing starting materials are short rotation crops (short rotation crops), which allow a high biomass production in a relatively small area.
Ionische Flüssigkeiten bezeichnen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung organische Salze, die bereits bei Temperaturen unterhalb 180°C flüssig sind. Vorzugsweise besitzen die ionischen Flüssigkeiten einen Schmelzpunkt von weniger als 150°C, besonders bevorzugt weniger als 120°C, insbesondere weniger als 100°C.In the context of the present application, ionic liquids refer to organic salts which are already liquid at temperatures below 180 ° C. Preferably, the ionic liquids have a melting point of less than 150 ° C, more preferably less than 120 ° C, especially less than 100 ° C.
Ionische Flüssigkeiten, die bereits bei Raumtemperatur in flüssigem Aggregatszustand vorliegen, werden beispielsweise von
Für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete ionische Flüssigkeiten sind in der
In der ionischen Flüssigkeit liegen Kationen sowie Anionen vor. Dabei kann innerhalb der ionischen Flüssigkeit vom Kation ein Proton oder ein Alkylrest an das Anion übertragen werden, wodurch zwei neutrale Moleküle resultieren. In der erfindungsgemäß eingesetzten ionischen Flüssigkeit kann also ein Gleichgewicht von Anionen, Kationen sowie daraus gebildeten neutralen Molekülen vorliegen.Cations and anions are present in the ionic liquid. In this case, within the ionic liquid from the cation, a proton or an alkyl radical can be transferred to the anion, resulting in two neutral molecules. In the ionic liquid used according to the invention, therefore, there can be an equilibrium of anions, cations and neutral molecules formed therefrom.
Bevorzugte ionische Flüssigkeiten sindPreferred ionic liquids are
(A) Salze der allgemeinen Formel (I)
(B) gemischte Salze der allgemeinen Formeln (II)
(C) gemischte Salze der allgemeinen Formeln (III)
Bevorzugt sind Salze der Gruppen A und B, besonders bevorzugt der Gruppe A.Preferred are salts of groups A and B, more preferably of group A.
Bei den in den Formeln (III.a) bis (III.j) genannten Metallkationen [M1]+, [M2]+, [M3]+ [M4]2+ und [M5]3+ handelt es sich im Allgemeinen um Metallkationen der 1., 2., 6., 7., 8., 9., 10., 11., 12., 13. und 14. Gruppe des Periodensystems. Geeignete Metallkationen sind beispielsweise Li+, Na+, K+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, CO2+, Ni2+, Cu2+, Ag+, Zn2+ und Al3+.The metal cations [M 1 ] + , [M 2 ] + , [M 3 ] + [M 4 ] 2+ and [M 5 ] 3+ mentioned in formulas (III.a) to (III.j) are are generally metal cations of the 1st, 2nd, 6th, 7th, 8th, 9th, 10th, 11th, 12th, 13th and 14th group of the periodic table. Suitable metal cations are, for example, Li +, Na +, K +, Cs +, Mg 2+, Ca 2+, Ba 2+, Cr 3+, Fe 2+, Fe 3+, CO 2+, Ni 2+, Cu 2 + , Ag + , Zn 2+ and Al 3+ .
Geeignete Verbindungen, die sich zur Bildung des Kations [A]+ von ionischen Flüssigkeiten eignen, sind z. B. in der
Das Stickstoffatom ist z. B. ein geeigneter Träger der positiven Ladung im Kation der ionischen Flüssigkeit. Für den Fall, dass das Stickstoffatom der Träger der positiven Ladung im Kation der ionischen Flüssigkeit ist, kann bei der Synthese der ionischen Flüssigkeiten zunächst durch Quaternisierung am Stickstoffatom etwa eines Amins oder Stickstoff-Heterocyclus ein Kation erzeugt werden. Die Quaternisierung kann durch Protonierung des Stickstoffatoms erfolgen. Je nach verwendetem Protonierungsreagens werden Salze mit unterschiedlichen Anionen erhalten. In Fällen, in denen es nicht möglich ist, das gewünschte Anion bereits bei der Quaternisierung zu bilden, kann dies in einem weiteren Syntheseschritt erfolgen. Ausgehend beispielsweise von einem Ammoniumhalogenid kann das Halogenid mit einer Lewissäure umgesetzt werden, wobei aus Halogenid und Lewissäure ein komplexes Anion gebildet wird. Alternativ dazu ist der Austausch eines Halogenidions gegen das gewünschte Anion möglich. Dies kann durch Zugabe eines Metallsalzes unter Ausfällung des gebildeten Metallhalogenids, über einen Ionenaustauscher oder durch Verdrängung des Halogenidions durch eine starke Säure (unter Freisetzung der Halogenwasserstoffsäure) geschehen. Geeignete Verfahren sind beispielsweise in
Bevorzugt sind solche Verbindungen, die mindestens einen fünf- bis sechsgliedrigen Heterocyclus, insbesondere einen fünfgliedrigen Heterocyclus, enthalten, der mindestens ein Stickstoffatom sowie gegebenenfalls ein Sauerstoff- oder Schwefelatom aufweist, besonders bevorzugt sind solche Verbindungen, die mindestens einen fünf- bis sechsgliedrigen Heterocyclus enthalten, der ein, zwei oder drei Stickstoffatome und ein Schwefel- oder ein Sauerstoffatom aufweist, ganz besonders bevorzugt solche mit zwei Stickstoffatomen. Weiterhin bevorzugt sind aromatische Heterocyclen.Preference is given to those compounds which contain at least one five- to six-membered heterocycle, in particular a five-membered heterocycle, which has at least one nitrogen atom and optionally an oxygen or sulfur atom, particular preference is given to those compounds which contain at least one five- to six-membered heterocycle, which has one, two or three nitrogen atoms and one sulfur or one oxygen atom, very particularly preferably those with two nitrogen atoms. Further preferred are aromatic heterocycles.
Besonders bevorzugte Verbindungen sind solche, die eine molare Masse von weniger als 1000 g/mol aufweisen, ganz besonders bevorzugt weniger als 800 g/mol und insbesondere weniger 500 g/mol.Particularly preferred compounds are those which have a molar mass of less than 1000 g / mol, very particularly preferably less than 800 g / mol and in particular less than 500 g / mol.
Bevorzugt als Kationen sind Pyridiniumionen. Diese sind insbesondere ausgewählt unter Pyridinium, 2-Methylpyridinium, 2-Ethylpyridinium, 5-Ethyl-2-methylpyridinium und 2-Methyl-3-ethylpyridinium sowie 1-Methylpyridinium, 1-Ethylpyridinium, 1-(1-Butyl)pyridinium, 1-(1-Hexyl)pyridinium, 1-(1-Octyl)-pyridinium, 1-(1-Hexyl)-pyridinium, 1-(1-Octyl)-pyridinium, 1-(1-Dodecyl)-pyridinium, 1-(1-Tetradecyl)-pyridinium, 1-(1-Hexadecyl)-pyridinium, 1,2-Dimethylpyridinium, 1-Ethyl-2-methylpyridinium, 1-(1-Butyl)-2-methylpyridinium, 1-(1-Hexyl)-2-methylpyridinium, 1-(1-Octyl)-2-methylpyridinium, 1-(1-Dodecyl)-2-methylpyridinium, 1-(1-Tetradecyl)-2-methylpyridinium, 1-(1-Hexadecyl)-2-methylpyridinium, 1-Methyl-2-ethylpyridinium, 1,2-Diethylpyridinium, 1-(1-Butyl)-2-ethylpyridinium, 1-(1-Hexyl)-2-ethylpyridinium, 1-(1-Octyl)-2-ethylpyridinium, 1-(1-Dodecyl)-2-ethylpyridinium, 9-(1-Tetradecyl)-2-ethylpyridinium, 1-(1-Hexadecyl)-2-ethylpyridinium, 1,2-Dimethyl-5-ethyl-pyridinium, 1,5-Diethyl-2-methyl-pyridinium, 1-(1-Butyl)-2-methyl-3-ethyl-pyridinium, 1-(1-Hexyl)-2-methyl-3-ethyl-pyridinium und 1-(1-Octyl)-2-methyl-3-ethyl-pyridinium, 1-(1-Dodecyl)-2-methyl-3-ethyl-pyridinium, 1-(1-Tetradecyl)-2-methyl-3-ethyl-pyridinium und 1-(1-Hexadecyl)-2-methyl-3-ethyl-pyridinium. Preferred as cations are pyridinium ions. These are in particular selected from pyridinium, 2-methylpyridinium, 2-ethylpyridinium, 5-ethyl-2-methylpyridinium and 2-methyl-3-ethylpyridinium and also 1-methylpyridinium, 1-ethylpyridinium, 1- (1-butyl) pyridinium, 1 (1-Hexyl) pyridinium, 1- (1-octyl) -pyridinium, 1- (1-hexyl) -pyridinium, 1- (1-octyl) -pyridinium, 1- (1-dodecyl) -pyridinium, 1- ( 1-tetradecyl) -pyridinium, 1- (1-hexadecyl) -pyridinium, 1,2-dimethylpyridinium, 1-ethyl-2-methylpyridinium, 1- (1-butyl) -2-methylpyridinium, 1- (1-hexyl) 2-methylpyridinium, 1- (1-octyl) -2-methylpyridinium, 1- (1-dodecyl) -2-methylpyridinium, 1- (1-tetradecyl) -2-methylpyridinium, 1- (1-hexadecyl) -2 -methylpyridinium, 1-methyl-2-ethylpyridinium, 1,2-diethylpyridinium, 1- (1-butyl) -2-ethylpyridinium, 1- (1-hexyl) -2-ethylpyridinium, 1- (1-octyl) -2 -ethylpyridinium, 1- (1-dodecyl) -2-ethylpyridinium, 9- (1-tetradecyl) -2-ethylpyridinium, 1- (1-hexadecyl) -2-ethylpyridinium, 1,2-dimethyl-5-ethylpyridinium , 1,5-diethyl-2-methyl-pyridinium, 1- (1-butyl) -2-methyl-3-ethyl-pyrid inium, 1- (1-hexyl) -2-methyl-3-ethylpyridinium and 1- (1-octyl) -2-methyl-3-ethyl-pyridinium, 1- (1-dodecyl) -2-methyl- 3-ethyl-pyridinium, 1- (1-tetradecyl) -2-methyl-3-ethyl-pyridinium and 1- (1-hexadecyl) -2-methyl-3-ethyl-pyridinium.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Pyridaziniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted pyridazinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Pyrimidiniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted pyrimidinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Pyraziniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted pyrazinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Imidazoliumionen. Besonders geeignete Imidazoliumionen sind 1-Methylimidazolium, 1-Ethylimidazolium, 1-(1-Propyl)-imidazolium, 1-(1-Allyl)-imidazolium, 1-(1-Butyl)-imidazolium, 1-(1-Octyl)-imidazolium, 1-(1-Dodecyl)-imidazolium, 1-(1-Tetradecyl)-imidazolium, 1-(1-Hexadecyl)-imidazolium, 1,3-Dimethylimidazolium, 1,3-Diethylimidazolium, 1-Ethyl-3-methylimidazolium, 1-(1-Butyl)-3-methylimidazolium, 1-(1-Butyl)-3-ethylimidazolium, 1-(1-Hexyl)-3-methyl-imidazolium, 1-(1-Hexyl)-3-ethylimidazolium, 1-(1-Hexyl)-3-butyl-imidazolium, 1-(1-Octyl)-3-methylimidazolium, 1-(1-Octyl)-3-ethylimidazolium, 1-(1-Octyl)-3-butylimidazolium, 1-(1-Dodecyl)-3-methylimidazolium, 1-(1-Dodecyl)-3-ethylimidazolium, 1-(1-Dodecyl)-3-butylimidazolium, 1-(1-Dodecyl)-3-octylimidazolium, 1-(1-Tetradecyl)-3-methylimidazolium, 1-(1-Tetradecyl)-3-ethylimidazolium, 1-(1-Tetradecyl)-3-butylimidazolium, 1-(1-Tetradecyl)-3-octylimidazolium, 1-(1-Hexadecyl)-3-methylimidazolium, 1-(1-Hexadecyl)-3-ethylimidazolium, 1-(1-Hexadecyl)-3-butylimidazolium, 1-(1-Hexadecyl)-3-octylimidazolium, 1,2-Dimethylimidazolium, 1,2,3-Trimethylimidazolium, 1-Ethyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-(1-Butyl)-2,3-dimethylimidazolium, 1-(1-Hexyl)-2,3-dimethyl-imidazolium, 1-(1-Octyl)-2,3-dimethylimidazolium, 1,4-Dimethylimidazolium, 1,3,4-Trimethylimidazolium, 1,4-Dimethyl-3-ethylimidazolium, 3-Methylimidazolium, 3-Ethylimidazolium, 3-n-Propylimidazolium, 3-n-Butylimidazolium, 1,4-Dimethyl-3-octylimidazolium, 1,4,5-Trimethylimidazolium, 1,3,4,5-Tetramethylimidazolium, 1,4,5-Trimethyl-3-ethylimidazolium, 1,4,5-Trimethyl-3-butylimidazolium, 1,4,5-Trimethyl-3-octylimidazolium, 1-Prop-1-en-3-yl-3-methylimidazolium und 1-Prop-1-en-3-yl-3-butylimidazolium. Speziell geeignete Imidazoliumionen (IVe) sind 1,3-Diethylimidazolium, 1-Ethyl-3-methylimidazolium, 1-(n-Butyl)-3-methylimidazolium.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted imidazolium ions. Particularly suitable imidazolium ions are 1-methylimidazolium, 1-ethylimidazolium, 1- (1-propyl) -imidazolium, 1- (1-allyl) -imidazolium, 1- (1-butyl) -imidazolium, 1- (1-octyl) - imidazolium, 1- (1-dodecyl) imidazolium, 1- (1-tetradecyl) imidazolium, 1- (1-hexadecyl) imidazolium, 1,3-dimethyl imidazolium, 1,3-diethyl imidazolium, 1-ethyl-3 methylimidazolium, 1- (1-butyl) -3-methylimidazolium, 1- (1-butyl) -3-ethylimidazolium, 1- (1-hexyl) -3-methylimidazolium, 1- (1-hexyl) -3- ethylimidazolium, 1- (1-hexyl) -3-butylimidazolium, 1- (1-octyl) -3-methylimidazolium, 1- (1-octyl) -3-ethylimidazolium, 1- (1-octyl) -3- butylimidazolium, 1- (1-dodecyl) -3-methylimidazolium, 1- (1-dodecyl) -3-ethylimidazolium, 1- (1-dodecyl) -3-butylimidazolium, 1- (1-dodecyl) -3-octylimidazolium, 1- (1-Tetradecyl) -3-methylimidazolium, 1- (1-Tetradecyl) -3-ethylimidazolium, 1- (1-Tetradecyl) -3-butylimidazolium, 1- (1-Tetradecyl) -3-octylimidazolium, 1- (1-hexadecyl) -3-methylimidazolium, 1- (1-hexadecyl) -3-ethylimidazolium, 1- (1-hexadecyl) -3-butylimidazole 1- (1-hexadecyl) -3-octylimidazolium, 1,2-dimethylimidazolium, 1,2,3-trimethylimidazolium, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium, 1- (1-butyl) -2,3- dimethylimidazolium, 1- (1-hexyl) -2,3-dimethylimidazolium, 1- (1-octyl) -2,3-dimethylimidazolium, 1,4-dimethylimidazolium, 1,3,4-trimethylimidazolium, 1,4- Dimethyl 3-ethylimidazolium, 3-methylimidazolium, 3-ethylimidazolium, 3-n-propylimidazolium, 3-n-butylimidazolium, 1,4-dimethyl-3-octylimidazolium, 1,4,5-trimethylimidazolium, 1,3,4, 5-tetramethylimidazolium, 1,4,5-trimethyl-3-ethylimidazolium, 1,4,5-trimethyl-3-butylimidazolium, 1,4,5-trimethyl-3-octylimidazolium, 1-prop-1-ene-3 yl-3-methylimidazolium and 1-prop-1-en-3-yl-3-butylimidazolium. Especially suitable imidazolium ions (IVe) are 1,3-diethylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1- (n-butyl) -3-methylimidazolium.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Pyrazoliumionen. Besonders bevorzugte Pyrazoliumionen sind Pyrazolium und 1,4-Dimethylpyrazolium.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted pyrazolium ions. Particularly preferred pyrazolium ions are pyrazolium and 1,4-dimethylpyrazolium.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Pyrazoliniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted pyrazolinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Imidazoliniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted imidazolinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Thiazoliumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted thiazolium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte 1,2,4-Triazoliumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted 1,2,4-triazolium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Pyrrolidiniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted pyrrolidinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Imidazolidiniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted imidazolidinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Ammoniumionen. Beispiele für die tertiären Amine, von denen sich die quartären Ammoniumionen durch Quaternisierung mit dem genannten Rest R ableiten, sind Diethyl-n-butylamin, Diethyl-tert-butylamin, Diethyl-n-pentylamin, Diethylhexylamin, Diethyloctylamin, Diethyl-(2-ethylhexyl)-amin, Di-n-propylbutylamin, Di-n-propyl-n-pentylamin, Di-n-propylhexylamin, Di-n-propyloctylamin, Di-n-propyl-(2-ethylhexyl)-amin, Di-isopropylethylamin, Di-isopropyl-n-propylamin, Di-isopropyl-butylamin, Di-isopropylpentylamin, Di-isopropylhexylamin, Di-isopropyloctylamin, Di-isopropyl-(2-ethylhexyl)-amin, Di-n-butylethylamin, Di-n-butyl-n-propylamin, Di-n-butyl-n-pentylamin, Di-n-butylhexylamin, Di-n-butyloctylamin, Di-n-butyl-(2-ethylhexyl)-amin, N-n-Butylpyrrolidin, N-sec-Butylpyrrodidin, N-tert-Butylpyrrolidin, N-n-Pentylpyrrolidin, N,N-Dimethylcyclohexylamin, N,N-Diethylcyclohexylamin, N,N-Di-n-butylcyclohexylamin, N-n-Propylpiperidin, N-iso-Propylpiperidin, N-n-Butylpiperidin, N-sec-Butylpiperidin, N-tert-Butylpiperidin, N-n-Pentylpiperidin, N-n-Butylmorpholin, N-sec-Butylmorpholin, N-tert-Butylmorpholin, N-n-Pentylmorpholin, N-Benzyl-N-ethylanilin, N-Benzyl-N-n-propylanilin, N-Benzyl-N-iso-propylanilin, N-Benzyl-N-n-butylanilin, N,N-Dimethyl-p-toluidin, N,N-Diethyl-p-toluidin, N,N-Di-n-butyl-p-toluidin, Diethylbenzylamin, Di-n-propylbenzylamin, Di-n-butylbenzylamin, Diethylphenylamin, Di-n-Propylphenylamin und Di-n-Butylphenylamin. Bevorzugte tertiäre Amine sind Di-isopropylethylamin, Diethyl-tert-butylamin, Di-iso-propylbutylamin, Di-n-butyl-n-pentylamin, N,N-Di-n-butylcyclohexylamin sowie tertiäre Amine aus Pentylisomeren. Besonders bevorzugte tertiäre Amine sind Di-n-butyl-n-pentylamin und tertiäre Amine aus Pentylisomeren. Ein weiteres bevorzugtes tertiäres Amin, das drei identische Reste aufweist, ist Triallylamin.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted ammonium ions. Examples of the tertiary amines from which the quaternary ammonium ions are derived by quaternization with the radical R mentioned are diethyl-n-butylamine, diethyl-tert-butylamine, diethyl-n-pentylamine, diethylhexylamine, diethyloctylamine, diethyl (2-ethylhexyl ) -amine, di-n-propylbutylamine, di-n-propyl-n-pentylamine, di-n-propylhexylamine, di-n-propyloctylamine, di-n-propyl- (2-ethylhexyl) -amine, di-isopropylethylamine, Di-isopropyl-n-propylamine, di-isopropyl-butylamine, diisopropylpentylamine, di-isopropylhexylamine, di-isopropyloctylamine, di-isopropyl- (2-ethylhexyl) -amine, di-n-butylethylamine, di-n-butyl n-propylamine, di-n-butyl-n-pentylamine, di-n-butylhexylamine, Di-n-butyloctylamine, di-n-butyl- (2-ethylhexyl) -amine, Nn-butylpyrrolidine, N-sec-butylpyrrodidine, N-tert-butylpyrrolidine, Nn-pentylpyrrolidine, N, N-dimethylcyclohexylamine, N, N- Diethylcyclohexylamine, N, N-di-n-butylcyclohexylamine, Nn-propylpiperidine, N-isopropylpiperidine, Nn-butylpiperidine, N-sec-butylpiperidine, N-tert-butylpiperidine, Nn-pentylpiperidine, Nn-butylmorpholine, N-sec- Butylmorpholine, N-tert-butylmorpholine, Nn-pentylmorpholine, N-benzyl-N-ethylaniline, N-benzyl-Nn-propylaniline, N-benzyl-N-isopropyl-niline, N-benzyl-Nn-butylaniline, N, N- Dimethyl-p-toluidine, N, N-diethyl-p-toluidine, N, N-di-n-butyl-p-toluidine, diethylbenzylamine, di-n-propylbenzylamine, di-n-butylbenzylamine, diethylphenylamine, di-n- Propylphenylamine and di-n-butylphenylamine. Preferred tertiary amines are di-isopropylethylamine, diethyl-tert-butylamine, di-iso-propylbutylamine, di-n-butyl-n-pentylamine, N, N-di-n-butylcyclohexylamine and tertiary amines of pentyl isomers. Particularly preferred tertiary amines are di-n-butyl-n-pentylamine and tertiary amines of pentyl isomers. Another preferred tertiary amine having three identical residues is triallylamine.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Guanidiniumionen. Ein ganz besonders bevorzugtes Guanidiniumion ist N,N,N',N',N'',N''-Hexamethylguanidinium.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted guanidinium ions. A most preferred guanidinium ion is N, N, N ', N', N ", N" -hexamethylguanidinium.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Choliniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted cholinium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Kationen von 1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en (DBN) und 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]-undec-7-en (DBU).Also preferred as cations are unsubstituted or substituted cations of 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene (DBN) and 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene (DBU).
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Phosphoniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted phosphonium ions.
Bevorzugt als Kationen sind weiterhin unsubstituierte oder substituierte Sulfoniumionen.Also preferred as cations are unsubstituted or substituted sulfonium ions.
Unter den vorstehend genannten heterocyclischen Kationen sind die Imidazoliumionen, Imidazoliniumionen, Pyridiniumionen, Pyrazoliniumionen und Pyrazoliumionen bevorzugt. Besonders bevorzugt sind die Imidazoliumionen sowie Kationen von DBU- und DBN.Among the above-mentioned heterocyclic cations, imidazolium ions, imidazolinium ions, pyridinium ions, pyrazolinium ions and pyrazolium ions are preferable. Particularly preferred are the imidazolium ions and cations of DBU and DBN.
Als Anionen sind prinzipiell alle Anionen einsetzbar. In einer speziellen Ausführung weist die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte ionische Flüssigkeit ausschließlich polyatomige Anionen auf. Dann sind prinzipiell alle polyatomigen, d. h. mehratomigen Anionen (Anionen mit zwei oder mehr als zwei Atomen), einsetzbar. Beim Einsatz polyatomiger Anionen entfallen die mit dem Einsatz einatomiger Anionen, speziell mit CI, verbundenen Korrosionsprobleme. Dies ist speziell vorteilhaft bei der reaktortechnischen Ausgestaltung.As anions, in principle, all anions can be used. In a specific embodiment, the ionic liquid used in the process according to the invention exclusively comprises polyatomic anions. Then, in principle, all polyatomic, d. H. polyatomic anions (anions with two or more than two atoms), can be used. The use of polyatomic anions eliminates the corrosion problems associated with the use of monatomic anions, especially CI. This is particularly advantageous in the reactor design.
Das Anion der ionischen Flüssigkeit ist beispielsweise ausgewählt aus
- 1.) der Gruppe der Halogenide, Pseudohalogenide und halogenhaltigen Verbindungen,
- 2.) der Gruppe der Sulfate, Sulfite und Sulfonate,
- 3.) der Gruppe der Phosphate,
- 4.) der Gruppe der Phosphonate und Phosphinate,
- 5.) der Gruppe der Phosphite,
- 6.) der Gruppe der Phosphonite und Phosphinite,
- 7.) der Gruppe der Carbonsäuren,
- 8.) der Gruppe der Anionen von Hydroxycarbonsäuren und Zuckersäuren,
- 9.) der Gruppe der Saccharinate (Salze des o-Benzoesäuresulfimids),
- 10.) der Gruppe der Borgte,
- 11.) der Gruppe der Boronate,
- 12.) der Gruppe der Carbonate und Kohlensäureester,
- 13.) der Gruppe der Silikate und Kieselsäuresäureester,
- 14.) der Gruppe der Alkyl- bzw. Arylsilanolate,
- 15.) der Gruppe der Carbonsäureimide, Bis(sulfonyl)imide und Sulfonylimide,
- 16.) der Gruppe der Methide,
- 17.) der Gruppe der Alkoxide und Aryloxide,
- 18.) der Gruppe der Hydrogensulfide, Polysulfide, Hydrogenpolysulfide und Thiolate.
- 1.) the group of halides, pseudohalides and halogen-containing compounds,
- 2.) the group of sulfates, sulfites and sulfonates,
- 3.) the group of phosphates,
- 4.) the group of phosphonates and phosphinates,
- 5.) the group of phosphites,
- 6.) the group of phosphonites and phosphinites,
- 7.) the group of carboxylic acids,
- 8.) the group of the anions of hydroxycarboxylic acids and sugar acids,
- 9.) the group of saccharinates (salts of o-benzoic acid sulfimide),
- 10.) the group of borrowers,
- 11.) the group of boronates,
- 12.) the group of carbonates and carbonic esters,
- 13.) the group of silicates and silicic acid esters,
- 14.) the group of alkyl or aryl silanolates,
- 15.) the group of carboximides, bis (sulfonyl) imides and sulfonylimides,
- 16.) the group of methides,
- 17.) the group of alkoxides and aryloxides,
- 18.) the group of hydrogen sulfides, polysulfides, Hydrogenpolysulfide and thiolates.
Zur Gruppe 1) zählen z. B. Anionen der Formeln: F–, Cl–, Br–, I–, BF4 –, PF6 –, CF3SO3 –, (CF3SO3)2N–, CF3CO2 –, CCl3CO2 –, CN–, SCN–, OCN–.To group 1) include z. B. anions of the formulas: F -, Cl -, Br -, I -, BF 4 -, PF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CF 3 SO 3) 2 N -, CF 3 CO 2 -, CCl 3 CO 2 -, CN -, SCN -, OCN -.
Zur Gruppe 2) zählen z. B. Anionen der Formeln: SO4 2–, HSO4 –, SO3 2–, HSO3 –, RcOSO3 –, RcSO3 –.To group 2) include z. B. Anions of the formulas: SO 4 2- , HSO 4 - , SO 3 2- , HSO 3 - , R c OSO 3 - , R c SO 3 - .
Zur Gruppe 3) zählen z. B. Anionen der Formeln: PO4 3–, HPO4 2–, H2PO4 –, RcPO4 2–, HRcPO4 –, RcRdPO4 –.To group 3) include z. B. Anions of the formulas: PO 4 3- , HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , R c PO 4 2- , HR c PO 4 - , R c R d PO 4 - .
Zur Gruppe 4) zählen z. B. Anionen der Formeln: RcHPO3 –, RcRdPO2 –, RcRdPO3 –. To group 4) include z. B. Anions of the formulas: R c HPO 3 - , R c R d PO 2 - , R c R d PO 3 - .
Zur Gruppe 5) zählen z. B. Anionen der Formeln: PO3 3–, HPO3 2–, H2PO3 –, RcPO3 2–, RcHPO3 –, RcRdPO3 –.To group 5) include z. B. Anions of the formulas: PO 3 3- , HPO 3 2- , H 2 PO 3 - , R c PO 3 2- , R c HPO 3 - , R c R d PO 3 - .
Zur Gruppe 6) zählen z. B. Anionen der Formeln: RcRdPO2 –, RcHPO2–, RcRdPO–, RcHPO–.To group 6) include z. B. Anions of the formulas: R c R d PO 2 - , R c HPO 2 -, R c R d PO - , R c HPO - .
Zur Gruppe 7) zählen z. B. Anionen der Formel RcCOO–.To group 7) include z. B. anions of the formula R c COO - .
Zur Gruppe 10) zählen z. B. Anionen der Formeln: BO33–, HBO3 2–, H2BO3 –, RcRdBO3 –, RcHBO3 –, RcBO3 2–, B(ORc)(ORd)(ORd)(ORe)–, B(HSO4)4 –, B(RcSO4)4 –.To group 10) include z. B. Anions of the formulas: BO 3 3- , HBO 3 2- , H 2 BO 3 - , R c R d BO 3 - , R c HBO 3 - , R c BO 3 2- , B (OR c ) (OR d ) (OR d ) (OR e ) - , B (HSO 4 ) 4 - , B (R c SO 4 ) 4 - .
Zur Gruppe 11) zählen z. B. Anionen der Formeln: RcBO2 2–, RcRdBO–.To group 11) include z. B. Anions of the formulas: R c BO 2 2- , R c R d BO - .
Zur Gruppe 12) zählen z. B. Anionen der Formeln: HCO3 –, CO3 2–, RcCO3 –.To group 12) include z. B. Anions of the formulas: HCO 3 - , CO 3 2- , R c CO 3 - .
Zur Gruppe 13) zählen z. B. Anionen der Formeln: SiO4 4–, HSiO4 3–, H2SiO4 2–, H3SiO4 –, RcSiO4 3–, RcRdSiO4 2–, RcRdReSiO4 –, HRcSiO4 2–, H2RcSiO4 –, HRcRdSiO4 –.To group 13) include z. B. anions of the formulas: SiO 4 4- , HSiO 4 3- , H 2 SiO 4 2- , H 3 SiO 4 - , R c SiO 4 3- , R c R d SiO 4 2- , R c R d R e SiO 4 -, HR c SiO 4 2-, H 2 R c SiO 4 -, HR c R d SiO 4 -.
Zur Gruppe 14) zählen z. B. Anionen der Formeln: RcSiO3 3–, RcRdSiO2 2–, RcRdReSiO–, RcRdReSiO3 –, RcRdReSiO2 –, RcRdSiO3 2–.To group 14) include z. B. anions of the formulas: R c SiO 3 3-, R c R d SiO 2 2-, R c R d R e SiO -, R c R d R e SiO 3 -, R c R d R e SiO 2 - , R c R d SiO 3 2- .
Zur Gruppe 15) zählen z. B. Anionen der Formeln: To group 15) include z. B. Anions of the formulas:
Zur Gruppe 16) zählen z. B. Anionen der Formeln: To group 16) include z. B. Anions of the formulas:
Zur Gruppe 17) zählen z. B. Anionen der Formel RcO–.To group 17) include z. B. anions of the formula R c O - .
Zur Gruppe 18) zählen z. B. Anionen der Formeln HS–, [Sc]2–, [HSv]–, [RcS]–, wobei v eine ganze positive Zahl von 2 bis 10 ist.To group 18) include z. B. Anions of the formulas HS - , [S c ] 2- , [HS v ] - , [R c S] - , where v is a whole positive number from 2 to 10.
Die Rest Rc, Rd, Re und Rf stehen vorzugsweise unabhängig voneinander für
- – Wasserstoff;
- – unsubstituiertes oder substituiertes Alkyl, vorzugsweise unsubstituiertes oder substituiertes C1-C30-Alkyl, besonders bevorzugt unsubstituiertes oder substituiertes C1-C18-Alkyl, das durch wenigstens ein Heteroatom oder heteroatomhaltige Gruppe unterbrochen sein kann;
- – unsubstituiertes oder substituiertes Aryl, vorzugsweise unsubstituiertes oder substituiertes C6-C14-Aryl, besonders bevorzugt unsubstituiertes oder substituiertes C6-C10-Aryl;
- – unsubstituiertes oder substituiertes Cycloalkyl, vorzugsweise unsubstituiertes oder substituiertes C5-C12-Cycloalkyl;
- – unsubstituiertes oder substituiertes Heterocycloalkyl, vorzugsweise unsubstituiertes oder substituiertes Heterocycloalkyl mit 5 oder 6 Ringatomen, wobei der Ring neben Kohlenstoffringatomen 1, 2 oder 3 Heteroatome oder heteroatomhaltige Gruppen aufweist;
- – unsubstituiertes oder substituiertes Heteroaryl, vorzugsweise unsubstituiertes oder substituiertes Heteroaryl mit 5 bis 10 Ringatomen, wobei der Ring neben Kohlenstoffringatomen 1, 2 oder 3 Heteroatome oder heteroatomhaltige Gruppen aufweist, die ausgewählt sind unter Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und NRa; wobei in Anionen, die mehrere Reste Rc bis Rf aufweisen, auch jeweils zwei dieser Reste zusammen mit dem Teil des Anions, an das sie gebunden sind, für wenigstens einen gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Ring oder ein Ringsystem mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen stehen können, wobei der Ring oder das Ringsystem 1 bis 5 nicht benachbarte Heteroatome oder heteroatomhaltige Gruppen aufweisen kann, die vorzugsweise ausgewählt sind unter Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und NRa, und wobei der Ring oder das Ringsystem unsubstituiert ist oder substituierten sein kann.
- - hydrogen;
- Unsubstituted or substituted alkyl, preferably unsubstituted or substituted C 1 -C 30 -alkyl, more preferably unsubstituted or substituted C 1 -C 18 -alkyl which may be interrupted by at least one heteroatom or heteroatom-containing group;
- Unsubstituted or substituted aryl, preferably unsubstituted or substituted C 6 -C 14 -aryl, more preferably unsubstituted or substituted C 6 -C 10 -aryl;
- Unsubstituted or substituted cycloalkyl, preferably unsubstituted or substituted C 5 -C 12 cycloalkyl;
- Unsubstituted or substituted heterocycloalkyl, preferably unsubstituted or substituted heterocycloalkyl having 5 or 6 ring atoms, the ring having, in addition to carbon ring atoms, 1, 2 or 3 heteroatoms or heteroatom-containing groups;
- Unsubstituted or substituted heteroaryl, preferably unsubstituted or substituted heteroaryl having 5 to 10 ring atoms, the ring having in addition to carbon ring atoms 1, 2 or 3 heteroatoms or heteroatom-containing groups selected from oxygen, nitrogen, sulfur and NR a ; wherein in anions which have a plurality of radicals R c to R f , in each case two of these radicals together with the part of the anion to which they are attached represent at least one saturated, unsaturated or aromatic ring or a ring system having 1 to 12 carbon atoms may be wherein the ring or the ring system may have 1 to 5 non-adjacent heteroatoms or heteroatom-containing groups, which are preferably selected from oxygen, nitrogen, sulfur and NR a , and wherein the ring or the ring system is unsubstituted or may be substituted.
Bevorzugt stehen die Anionen nicht für Halogenid (d. h. nicht für F–, Cl–, Br–, I–).Preferably, the anions are not halide (ie not for F -, Cl -, Br -, I -).
Bevorzugte Anionen sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe der Pseudohalogenide und halogenhaltigen Verbindungen, der Gruppe der Carbonsäuren, der Gruppe der Sulfate, Sulfite und Sulfonate sowie der Gruppe der Phosphate.Preferred anions are selected, for example, from the group of pseudohalides and halogen-containing compounds, the group of carboxylic acids, the group of sulfates, sulfites and sulfonates and the group of phosphates.
Bevorzugte Anionen sind Formiat, Acetat, Propionat, Butyrat, Lactat, Saccharinat, Carbonat, Hydrogencarbonat, Sulfat, Sulfit, C1-C4-Alkylsulfate, Methansulfonat, Tosylat, Trifluoracetat, C1-C4-Dialkylphosphate und Hydrogensulfat.Preferred anions are formate, acetate, propionate, butyrate, lactate, saccharinate, carbonate, bicarbonate, sulfate, sulfite, C 1 -C 4 alkyl sulfates, methanesulfonate, tosylate, trifluoroacetate, C 1 -C 4 dialkyl phosphates and hydrogen sulfate.
Besonders bevorzugte Anionen sind HCOO–, CH3COO–, CH3CH2COO–, Carbonat, Hydrogencarbonat, Sulfat, Sulfit, Tosylat, CH3SO3 – oder CH3OSO3 –.Particularly preferred anions are HCOO - , CH 3 COO - , CH 3 CH 2 COO - , carbonate, bicarbonate, sulfate, sulfite, tosylate, CH 3 SO 3 - or CH 3 OSO 3 - .
Geeignete ionische Flüssigkeiten für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren sind kommerziell erhältlich, z. B. unter dem Markennamen Basionic® der BASF SE.Suitable ionic liquids for use in the process according to the invention are commercially available, for. B. under the brand name Basionic ® BASF SE.
Vorteilhaft für einen Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren sind z. B.:
1-Ethyl-3-methylimidazoliummethanesulfonat (EMIM CH3SO3, Basionic ST 35),
1-Butyl-3-methylimidazoliummethanesulfonat (BMIM CH3SO3, Basionic ST 78), Methylimidazoliumhydrogensulfat (HMIM HSO4 Basionic AC 39),
1-Ethyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat (EMIM HSO4 Basionic AC 25),
1-Butyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat (BMIM HSO4 Basionic AC 28)
1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat (EMIM Acetat, Basionic BC 01),
1-Butyl-3-methylimidazoliumacetat (BMIM Acetat, Basionic BC 02).Advantageous for use in the method according to the invention are, for. B .:
1-ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate (EMIM CH 3 SO 3 , Basionic ST 35),
1-butyl-3-methylimidazolium methanesulfonate (BMIM CH 3 SO 3 , Basionic ST 78), methylimidazolium hydrogen sulfate (HMIM HSO 4 Basionic AC 39),
1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate (EMIM HSO 4 Basionic AC 25),
1-Butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate (BMIM HSO4 Basionic AC 28)
1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIM acetate, Basionic BC 01),
1-butyl-3-methylimidazolium acetate (BMIM acetate, Basionic BC 02).
Besonders bevorzugt sind 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat, 1,3-Diethylimidazoliumacetat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumacetat und Mischungen davon. Speziell geeignet ist 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat.Particularly preferred are 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, 1,3-diethylimidazolium acetate, 1-butyl-3-methylimidazolium acetate, and mixtures thereof. Especially suitable is 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate.
In einer speziellen Ausführung wird das lignocellulosehaltige Ausgangsmaterial vor oder während der Behandlung mit der ionischen Flüssigkeit wenigstens einem Vorbehandlungsschritt unterzogen. Dazu zählt z. B. eine mechanische Zerkleinerung des cellulosehaltigen Ausgangsmaterials, z. B. durch Mahlen und/oder Schreddern. In einer speziellen Ausführung erfolgt die mechanische Zerkleinerung in Gegenwart der ionischen Flüssigkeit. Vorteilhaft ist eine Zerkleinerung des Lignocellulosematerials auf Teilchen mit einer mittleren Größe von höchstens 1 cm, vorzugsweise von höchstens 5 mm, insbesondere von höchstens 1 mm. Gegebenenfalls kann auch eine weitere Zerkleinerung auf Teilchen mit einer mittleren Größe von höchstens 100 μm erfolgen. Aufgrund ihrer Stoffeigenschaften werden faserhaltige Materialien (wie Flachs, Hanf, Sisal, Jute, Stroh, Kokosnussfasern, Switchgrass, etc.) vorzugsweise nicht einer Druck-Schub-Zerkleinerung sondern einer Prallzerkleinerung unterzogen. Geeignete Mahlvorrichtungen sind Hammermühlen, nach dem Prinzip der Strahlmahlung arbeitende Mahlvorrichtungen und Schlagradmühlen. Letztere eignen sich speziell für hohe Durchsätze.In a specific embodiment, the lignocellulosic starting material is subjected to at least one pre-treatment step before or during the treatment with the ionic liquid. This includes z. As a mechanical comminution of cellulose-containing starting material, eg. B. by grinding and / or shredding. In a special embodiment, the mechanical comminution takes place in the presence of the ionic liquid. It is advantageous to comminute the lignocellulosic material to particles having an average size of at most 1 cm, preferably of at most 5 mm, in particular of at most 1 mm. Optionally, further comminution can be carried out on particles having an average size of at most 100 μm. Due to their material properties, fiber-containing materials (such as flax, hemp, sisal, jute, straw, coconut fibers, switchgrass, etc.) are preferably subjected not to a pressure-shear comminution but to an impact comminution. Suitable grinding devices are hammer mills, grinders operating on the principle of jet milling and beater wheel mills. The latter are especially suitable for high throughputs.
Ein geeignetes Verfahren zur Zerkleinerung von faserhaltigen Materialien (wie Flachs, Hanf, Sisal, Jute, Stroh, Kokosnussfasern, Switchgrass, etc.) umfasst die folgenden Schritte:
- – gegebenenfalls Abtrennung von Feststoffen, wie Sand und Steinen mittels Schwerteilausleser und Siebung,
- – gegebenenfalls Vorzerkleinerung
- – Zerkleinerung in einer Prallmühle, vorzugsweise in einer Schlagradmühle,
- – Abtrennung des Mahlgutes.
- - if necessary, separation of solids such as sand and stones by means of heavy particle screening and sieving,
- - optionally pre-crushing
- Crushing in an impact mill, preferably in a beater mill,
- - Separation of the ground material.
Die Mahlung von Holz ist derjenigen von Stroh sehr ähnlich. Ein geeignetes Verfahren zur Zerkleinerung von Holz umfasst die folgenden Schritte:
- – gegebenenfalls Vorzerkleinerung der Baumstämme (zweistufig)
- – Zerkleinerung in einer Prallmühle, vorzugsweise in einer Schlagradmühle,
- – Abtrennung des Mahlgutes.
- - optionally pre-shredding the tree trunks (two-stage)
- Crushing in an impact mill, preferably in a beater mill,
- - Separation of the ground material.
Geeignete flüssige Behandlungsmedien zur Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen wenigstens eine ionische Flüssigkeit, wie zuvor definiert.Suitable liquid treatment media for the treatment of the lignocellulose-containing starting material in step a) of the method according to the invention comprise at least one ionic liquid, as defined above.
Die Durchführung der Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials mit einem flüssigen Behandlungsmedium, das eine ionische Flüssigkeit umfasst, erfolgt in der Regel so, dass man das lignocellulosehaltige Ausgangsmaterial mit dem Behandlungsmedium in innigen Kontakt bringt. Dabei wird das lignocellulosehaltige Ausgangsmaterial vorzugsweise im Wesentlichen vollständig in dem die ionische Flüssigkeit enthaltenden Behandlungsmedium solubilisiert. Dabei ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, das solubilisierte Lignocellulosematerial einem Reinigungsschritt zur Entfernung unlöslicher Bestandteile zu unterziehen. Zur Solubilisierung können das Lignocellulosematerial und die ionische Flüssigkeit nach üblichen Verfahren innig mit einander in Kontakt gebracht werden. Dazu eignen sich die üblichen Mischvorrichtungen, wie Rührbehälter und Rührkessel, die zuvor genannten mechanischen Zerkleinerungsvorrichtungen, etc.The treatment of the lignocellulose-containing starting material with a liquid treatment medium which comprises an ionic liquid is generally carried out by bringing the lignocellulose-containing starting material into intimate contact with the treatment medium. In this case, the lignocellulose-containing starting material is preferably substantially completely solubilized in the treatment medium containing the ionic liquid. It is advantageously not necessary to subject the solubilized lignocellulosic material to a cleaning step to remove insoluble matter. For solubilization, the lignocellulosic material and the ionic liquid can be intimately contacted with each other by usual methods. For this purpose, the usual mixing devices, such as stirred tank and stirred tank, the aforementioned mechanical crushing devices, etc. are suitable.
Vorzugsweise erfolgt die Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials in Schritt a) bei einer Temperatur von höchstens 200°C, besonders bevorzugt höchstens 150°C und insbesondere höchstens 120°C. Die Behandlung erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens 20°C, besonders bevorzugt wenigstens 40°C. Die Erwärmung kann indirekt oder direkt erfolgen, vorzugsweise indirekt. Die indirekte Erwärmung kann mit dazu üblichen Vorrichtungen erfolgen, z. B. durch Wärmetauscher, Wärmebäder oder Mikrowellenbestrahlung. Zur direkten Erwärmung kann eine heiße, mit der eingesetzten ionischen Flüssigkeit verträgliche Wärmeträgerflüssigkeit eingesetzt werden.Preferably, the treatment of the lignocellulose-containing starting material in step a) at a temperature of at most 200 ° C, more preferably at most 150 ° C and in particular at most 120 ° C. The treatment is preferably carried out at a temperature of at least 20 ° C, more preferably at least 40 ° C. The heating can be indirect or direct, preferably indirect. The indirect heating can be done with customary devices such. B. by heat exchangers, heat baths or microwave irradiation. For direct heating, a hot, compatible with the ionic liquid used heat transfer fluid can be used.
Der Druck bei der Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials in Schritt a) liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 0,1 bar bis 100 bar, vorzugsweise 1 bar bis 10 bar. In einer speziellen Ausführung wird bei Umgebungsdruck gearbeitet.The pressure in the treatment of the lignocellulose-containing starting material in step a) is generally in a range from 0.1 bar to 100 bar, preferably 1 bar to 10 bar. In a special version, working at ambient pressure.
Die Dauer der Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials in Schritt a) beträgt im Allgemeinen 0,5 Minuten bis 7 Tage, vorzugsweise 5 Minuten bis 96 Stunden.The duration of treatment of the lignocellulose-containing starting material in step a) is generally 0.5 minutes to 7 days, preferably 5 minutes to 96 hours.
Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials mit einer ionischen Flüssigkeit, die zusätzliche flüssige Komponenten in einer Menge enthält, bei der noch keine Fällung solubilisierter Lignocellulosebestandteile aus dem Behandlungsmedium erfolgt. Zusätzliche flüssige Komponenten sind die im Folgenden näher beschriebenen Fällungsmittel und Waschmedien. Wasser kann dabei z. B. aus dem cellulosehaltigen Ausgangsmaterial stammen oder bereits in der ionischen Flüssigkeit enthalten sein.Advantageously, the process according to the invention makes it possible to treat the lignocellulose-containing starting material with an ionic liquid which contains additional liquid components in an amount in which no precipitation of solubilized lignocellulose constituents from the treatment medium takes place. Additional liquid components are the precipitants and washing media described in more detail below. Water can be z. B. originate from the cellulosic starting material or already contained in the ionic liquid.
Der Wassergehalt des in Schritt a) eingesetzten flüssigen Behandlungsmediums beträgt vorzugsweise 0,05 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der gesamten Behandlungsflüssigkeit (ionische Flüssigkeit, Wasser und gegebenenfalls weitere unter den Behandlungsbedingungen flüssige Komponenten). Es ist natürlich auch möglich, bei geringeren Wassergehalten als 0,05 Gew.-% zu arbeiten, da die untere Grenze des Wassergehalts für die prinzipielle Durchführung des Verfahrens unkritisch ist, während bei zu hohen Wassergehalten die Fällung der Cellulose eintritt. Das Wasser kann dabei sowohl aus der eingesetzten ionischen Flüssigkeit als auch aus dem eingesetzten Cellulosematerial stammen.The water content of the liquid treatment medium used in step a) is preferably 0.05 to 15 wt .-%, particularly preferably 0.1 to 10 wt .-%, based on the weight of the total treatment liquid (ionic liquid, water and optionally further below the treatment conditions liquid components). It is of course also possible to work at lower water contents than 0.05 wt .-%, since the lower limit of the water content for the basic implementation of the method is not critical, while at high water contents, the precipitation of the cellulose occurs. The water can come from both the ionic liquid used and from the cellulose material used.
Das in Schritt a) eingesetzte flüssige Behandlungsmedium kann wenigstens ein organisches Lösungsmittel enthalten. Das organische Lösungsmittel kann anstelle von oder zusätzlich zu Wasser enthalten sein. Geeignete organische Lösungsmittel sind die im Folgenden als Fällungsmittel (F1) beschriebenen. Bevorzugt werden C1-C4-Alkohole eingesetzt, insbesondere Methanol. Der Gehalt des Behandlungsmittels an organischen Lösungsmitteln beträgt vorzugsweise höchstens 15 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, insbesondere höchstens 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des flüssigen Behandlungsmediums. In einer speziellen Ausführung wird zur Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials in Schritt a) ein flüssiges Behandlungsmedium eingesetzt, das 0,1 bis 5 Gew.-% Methanol, bezogen auf das Gesamtgewicht des flüssigen Behandlungsmediums, enthält.The liquid treatment medium used in step a) may contain at least one organic solvent. The organic solvent may be contained instead of or in addition to water. Suitable organic solvents are those described below as precipitant (F1). Preference is given to using C 1 -C 4 -alcohols, in particular methanol. The content of the treatment agent to organic solvents is preferably at most 15 wt .-%, more preferably at most 10 wt .-%, in particular at most 5 wt .-%, based on the total weight of the liquid treatment medium. In a specific embodiment, a liquid treatment medium containing 0.1 to 5% by weight of methanol, based on the total weight of the liquid treatment medium, is used to treat the lignocellulose-containing starting material in step a).
Bei der Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials in Schritt a) mit dem Behandlungsmedium, das wenigstens eine ionische Flüssigkeit umfasst, wird im Allgemeinen ein Solubilisat (eine flüssige Phase) erhalten, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin in gelöster Form enthält. In the treatment of the lignocellulose-containing starting material in step a) with the treatment medium comprising at least one ionic liquid, a solubilisate (a liquid phase) containing cellulose, hemicellulose and lignin in dissolved form is generally obtained.
Schritt b)Step b)
Erfindungsgemäß wird in Schritt b) dem Solubilisat aus Schritt a) ein erstes Fällungsmittel (F1) zugegeben, wobei eine ligninhaltige flüssige Fraktion und ein erstes Präzipitat erhalten werden. Das erste Präzipitat ist an Lignin abgereichert und enthält Cellulose und Hemicellulose.According to the invention, a first precipitant (F1) is added to the solubilizate from step a) in step b), a lignin-containing liquid fraction and a first precipitate being obtained. The first precipitate is depleted of lignin and contains cellulose and hemicellulose.
Bevorzugt ist das erste Fällungsmittel (F1) ausgewählt unter organischen Lösungsmitteln oder Lösungsmittelgemischen, die mit der zur Behandlung des Lignocellulosematerials in Schritt a) eingesetzten ionischen Flüssigkeit zumindest teilweise mischbar sind. Besonders bevorzugt ist das erste Fällungsmittel (F1) mit der ionischen Flüssigkeit vollständig mischbar.The first precipitant (F1) is preferably selected from organic solvents or solvent mixtures which are at least partially miscible with the ionic liquid used for the treatment of the lignocellulosic material in step a). Particularly preferably, the first precipitant (F1) is completely miscible with the ionic liquid.
Bevorzugt wird in Schritt b) als Fällungsmittel (F1) ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch eingesetzt, das in Kombination mit der ionischen Flüssigkeit befähigt ist, Lignin zu lösen.In step b), preference is given to using as precipitant (F1) a solvent or solvent mixture which, in combination with the ionic liquid, is capable of dissolving lignin.
Als erstes Fällungsmittel (F1) wird vorzugsweise ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch eingesetzt, das ausgewählt ist unter Wasser, Alkoholen, Di- und Polyolen, Aminoalkoholen, aromatischen Lösungsmitteln, halogenierten Lösungsmitteln, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Ethern, Ketonen, Estern, Formamid, Dimethylformamid (DMF), Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid (DMSO), Acetonitril und Mischungen davon.The first precipitant (F1) is preferably a solvent or solvent mixture which is selected from water, alcohols, diols and polyols, aminoalcohols, aromatic solvents, halogenated solvents, aliphatic hydrocarbons, ethers, ketones, esters, formamide, dimethylformamide (DMF). , Dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide (DMSO), acetonitrile and mixtures thereof.
Das erste Fällungsmittel (F1) ist vorzugsweise ausgewählt unter Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, tert.-Butanol, Ethandiol, Propandiol, Glycol, Ethanolamin, Diethanolamin, Triethanolamin, Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylolen, Dichlormethan, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Dichlorethan, Chlorbenzol, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Ligroin, Petrolether, Cyclohexan, Dekalin, Tetrahydrofuran, Diethylether, Methyl-tert.-Butylether, Diethylenglycolmonomethylether, Aceton, Methylethylketon, Essigsäureethylester, Formamid, Dimethylformamid (DMF), Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid (DMSO), Acetonitril und Mischungen davon.The first precipitant (F1) is preferably selected from methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, tert-butanol, ethanediol, propanediol, glycol, ethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes, dichloromethane , Chloroform, carbon tetrachloride, dichloroethane, chlorobenzene, pentane, hexane, heptane, octane, ligroin, petroleum ether, cyclohexane, decalin, tetrahydrofuran, diethyl ether, methyl tert-butyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, acetone, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, formamide, dimethylformamide (DMF). , Dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide (DMSO), acetonitrile and mixtures thereof.
Besonders bevorzugt wird als erstes Fällungsmittel (F1) wenigstens ein Alkohol eingesetzt. Dazu zählen speziell Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, tert.-Butanol und Mischungen davon. Besonders bevorzugt wird als erstes Fällungsmittel (F1) Ethanol eingesetzt.Particular preference is given to using at least one alcohol as first precipitant (F1). These include in particular methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, tert-butanol and mixtures thereof. Particular preference is given to using ethanol as the first precipitating agent (F1).
Das erste Fällungsmittel (F1) kann zusätzlich ionische Flüssigkeiten enthalten. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn es sich um wiederverwendetes Fällungsmittel aus dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt. Der Anteil an ionischer Flüssigkeit in dem Fällungsmittel (F1) beträgt in der Regel höchstens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 25%, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Fällungsmittels (F1). Ein solcher Gehalt an ionischen Flüssigkeiten ist für den Erfolg der Cellulose- und Hemicellulosefällung unkritisch.The first precipitant (F1) may additionally contain ionic liquids. This may be the case, for example, if it is reused precipitant from the process of the invention. The proportion of ionic liquid in the precipitant (F1) is generally at most 50 wt .-%, more preferably at most 25%, based on the total weight of the first precipitant (F1). Such a content of ionic liquids is not critical to the success of cellulose and hemicellulose precipitation.
Die Trennung von ligninhaltiger Fraktion und Cellulose- und Hemicellulose-haltigem Präzipitat kann durch übliche Trennverfahren, wie Filtration, Zentrifugation oder eine Kombination davon, erfolgen. Zur Beschleunigung kann die Filtration unter einlaufseitig erhöhtem oder auslaufseitig vermindertem Druck erfolgen. Übliche Filtrationsverfahren sind z. B. die Kuchen- und Tiefenfiltration (z. B. beschrieben in
Ebenso kann die Trennung durch Zentrifugation erfolgen. Übliche Zentrifugations-Verfahren sind z. B. in
Schritt c) Step c)
Die bei der Trennung in Schritt b) anfallende ligninhaltige flüssige Fraktion, die zusätzlich zu Lignin die ionische Flüssigkeit und das Fällungsmittel (F1) enthält, wird einer weiteren Auftrennung unterzogen. Dazu kann der in Schritt b) erhaltenen ligninhaltigen flüssigen Fraktion ein zweites Fällungsmittel (F2) zugegeben werden, wobei als zweites Präzipitat das Ligninprodukt erhalten wird.The lignin-containing liquid fraction obtained in the separation in step b), which contains the ionic liquid and the precipitant (F1) in addition to lignin, is subjected to a further separation. For this purpose, the lignin-containing liquid fraction obtained in step b), a second precipitant (F2) may be added, the lignin product is obtained as the second precipitate.
Vor der Zugabe des Fällungsmittels (F2) kann wenigstens ein Teil des Fällungsmittels (F1) entfernt werden. Die Entfernung wenigstens eines Teils des Fällungsmittels (F1) kann nach üblichen, dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Entfernung wenigstens eines Teils des Fällungsmittels (F1) durch Verdampfen. Geeignete Trennvorrichtungen sind die dafür üblichen Destillationskolonnen und Verdampfer, wie z. B. Fallfilmverdampfer, Zwangsumlaufentspannungsverdampfer, Kurzwegverdampfer, Dünnschichtverdampfer, Wischblattverdampfer, Sambay-Verdampfer usw. und Kombinationen davon. Aufgrund der geringen Flüchtigkeit der ionischen Flüssigkeiten kann in der Regel auf aufwendige Vorrichtungen, wie sie bei der Trennung von Gemischen mit nahe beieinander liegenden Siedepunkten zum Einsatz kommen, wie aufwendige Kolonnen-Einbauten, Kolonnen mit hoher Anzahl theoretischer Böden, etc. verzichtet werden. Bevorzugt wird das entfernte Fällungsmittel (F1) erneut als Fällungsmittel (F1) in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder als Fällungsmittel (F3) in Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt.At least part of the precipitating agent (F1) may be removed prior to the addition of the precipitant (F2). The removal of at least part of the precipitating agent (F1) can be carried out by customary methods known to the person skilled in the art. The removal of at least part of the precipitant (F1) preferably takes place by evaporation. Suitable separation devices are the customary distillation columns and evaporators, such as. B. falling film evaporator, forced circulation flash evaporator, short path evaporator, thin film evaporator, wiper blade evaporator, Sambay evaporator, etc., and combinations thereof. Due to the low volatility of the ionic liquids can usually be dispensed with expensive devices, such as those used in the separation of mixtures with boiling points close to each other, such as complex column internals, columns with a high number of theoretical plates, etc. The removed precipitant (F1) is preferably used again as precipitant (F1) in step a) of the process according to the invention and / or as precipitant (F3) in step f) of the process according to the invention.
Bevorzugt ist das zweite Fällungsmittel (F2) ausgewählt unter Lösungsmitteln oder Lösungsmittelgemischen, die mit der zur Behandlung des Lignocellulosematerials in Schritt a) eingesetzten ionischen Flüssigkeit zumindest teilweise mischbar sind. Besonders bevorzugt ist das zweite Fällungsmittel (F1) mit der ionischen Flüssigkeit vollständig mischbar.The second precipitant (F2) is preferably selected from solvents or solvent mixtures which are at least partially miscible with the ionic liquid used for the treatment of the lignocellulosic material in step a). Particularly preferably, the second precipitant (F1) is completely miscible with the ionic liquid.
Geeignete Ligninfällungsmittel sind z. B. Wasser; Ester, z. B. Essigsäureethylester; Ether, z. B. Tetrahydrofuran, Diethylether, Methyl-tert.-Butylether und Diethylenglycolmonomethylether; aliphatische Lösungsmittel, z. B. Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Ligroin, Petrolether, Cyclohexan und Dekalin. Vorzugsweise wird als Ligninfällungsmittel heißes Wasser eingesetzt. Bevorzugt liegt die Ligninphase als Präzipitat vor. Die Ligninphase wird anschließend erneut mit dem Ligninfällungsmittel, bevorzugt heißem Wasser, gewaschen.Suitable lignin precipitating agents are, for. Water; Esters, e.g. For example, ethyl acetate; Ethers, e.g. For example, tetrahydrofuran, diethyl ether, methyl tert-butyl ether and diethylene glycol monomethyl ether; aliphatic solvents, e.g. Pentane, hexane, heptane, octane, ligroin, petroleum ether, cyclohexane and decalin. Preferably, hot water is used as the lignin precipitating agent. Preferably, the lignin phase is present as a precipitate. The lignin phase is then washed again with the lignin precipitant, preferably hot water.
Als zweites Fällungsmittel (F2) wird vorzugsweise ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch eingesetzt, das ausgewählt ist unter Wasser, Ethern, Estern, aliphatischen Kohlenwasserstoffen und Mischungen davon.The second precipitant (F2) used is preferably a solvent or solvent mixture selected from water, ethers, esters, aliphatic hydrocarbons and mixtures thereof.
Das zweite Fällungsmittel (F2) ist vorzugsweise ausgewählt unter Wasser, Tetrahydrofuran, Diethylether, Methyl-tert.-Butylether, Diethylenglycolmonomethylether, Essigsäureethylester, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Ligroin, Petrolether, Cyclohexan, Dekalin und Mischungen davon.The second precipitant (F2) is preferably selected from water, tetrahydrofuran, diethyl ether, methyl tert-butyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, ethyl acetate, pentane, hexane, heptane, octane, ligroin, petroleum ether, cyclohexane, decalin and mixtures thereof.
Besonders bevorzugt wird als zweites Fällungsmittel (F2) Wasser eingesetzt.Particular preference is given to using water as the second precipitant (F2).
Bevorzugt weist das zur Fällung in Schritt c) eingesetzte Fällungsmittel (F2) eine Temperatur von wenigstens 50°C, bevorzugt wenigstens 70°C, insbesondere wenigstens 90°C, auf. Besonders bevorzugt ist heißes Wasser.The precipitant (F2) used for the precipitation in step c) preferably has a temperature of at least 50.degree. C., preferably at least 70.degree. C., in particular at least 90.degree. Especially preferred is hot water.
Die Trennung von ligninhaltigem Präzipitat (zweites Präzipitat) und zweiter flüssiger Phase kann durch übliche Trennverfahren, wie Filtration, Zentrifugation oder eine Kombination davon, erfolgen. Auf die Ausführungen zu diesen Verfahren unter Schritt b) wird in vollem Umfang Bezug genommen.The separation of lignin-containing precipitate (second precipitate) and second liquid phase can be carried out by conventional separation methods, such as filtration, centrifugation or a combination thereof. The comments on these methods under step b) are fully incorporated by reference.
Das zweite Präzipitat kann (je nach gewünschter Reinheit bzw. Verwendungszweck) direkt als Ligninprodukt eingesetzt werden. Dazu zählt z. B. der Einsatz in einem Pyrolyseverfahren zur Gewinnung von Aromaten mit einer geringeren Anzahl an aromatischen Ringen und speziell einkernigen Aromaten.The second precipitate can (depending on the desired purity or intended use) be used directly as a lignin product. This includes z. Example, the use in a pyrolysis process for the production of aromatics with a lower number of aromatic rings and especially mononuclear aromatics.
Gewünschtenfalls kann das zweite Präzipitat wenigstens einem Reinigungsschritt unterzogen werden. Dazu zählt das Behandeln mit einem flüssigen Waschmedium, in dem sich Lignin im Wesentlichen nicht löst. Geeignete Waschmedien sind die zuvor genannten zweiten Fällungsmittel (F2). Besonders bevorzugt als flüssiges Waschmedium ist Wasser. Bevorzugt weist das flüssige Waschmedium eine Temperatur von wenigstens 50°C, bevorzugt wenigstens 70°C, insbesondere wenigstens 90°C, auf. Besonders bevorzugt ist heißes Wasser. Zur weiteren Aufarbeitung kann das flüssige Waschmedium z. B. mit dem zweiten Fällungsmittel (F2) vereinigt werden. Das gereinigte Lignin kann einer Trocknung nach üblichen, dem Fachmann bekannten Verfahren unterzogen werden.If desired, the second precipitate may be subjected to at least one purification step. This includes treating with a liquid wash medium in which lignin does not substantially dissolve. Suitable washing media are the aforementioned second precipitating agents (F2). Particularly preferred as a liquid washing medium is water. The liquid washing medium preferably has a temperature of at least 50.degree. C., preferably at least 70.degree. C., in particular at least 90.degree. Especially preferred is hot water. For further workup, the liquid washing medium z. B. with the second precipitating agent (F2) are combined. The purified lignin can be subjected to drying by customary methods known to the person skilled in the art.
Die nach Abtrennung des zweiten Präzipitats (d. h. des Ligninprodukts) erhaltene zweite flüssige Phase enthält die ionische Flüssigkeit, das zweite Fällungsmittel (F2) und gegebenenfalls wenigstens einen Teil des ersten Fällungsmittels (F1). Zur Rückgewinnung der ionischen Flüssigkeit kann aus der zweiten flüssigen Phase wenigstens ein Teil des Fällungsmittels (F2) und, falls vorhanden, wenigstens ein Teil des Fällungsmittels (F1) entfernt werden. Die Entfernung des/der Fällungsmittel(s) (F2) und/oder (F1) erfolgt vorzugsweise durch Verdampfen. Geeignete Trennvorrichtungen sind die zuvor genannten Destillationskolonnen und Verdampfer, wie z. B. Fallfilmverdampfer, Zwangsumlaufentspannungsverdampfer, Kurzwegverdampfer, Dünnschichtverdampfer, Wischblattverdampfer, Sambay-Verdampfer usw. und Kombinationen davon. Bevorzugt wird die erhaltene ionische Flüssigkeit erneut als Behandlungsmedium in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. Die Fällungsmittel können, gegebenenfalls nach einer weiteren destillativen Trennung, ebenfalls erneut in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. The second liquid phase obtained after separation of the second precipitate (ie the lignin product) contains the ionic liquid, the second precipitating agent (F2) and optionally at least part of the first precipitant (F1). For recovering the ionic liquid, at least part of the precipitating agent (F2) and, if present, at least part of the precipitant (F1) can be removed from the second liquid phase. The removal of the precipitant (s) (F2) and / or (F1) is preferably carried out by evaporation. Suitable separation devices are the aforementioned distillation columns and evaporators, such as. B. falling film evaporator, forced circulation flash evaporator, short path evaporator, thin film evaporator, wiper blade evaporator, Sambay evaporator, etc., and combinations thereof. The ionic liquid obtained is preferably used again as the treatment medium in step a) of the process according to the invention. The precipitants may, if appropriate after a further separation by distillation, also be used again in the process according to the invention.
Durch die zuvor beschriebene Auftrennung der zweiten flüssigen Phase können in der Regel wenigstens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere wenigstens 93 Gew.-% der bei der Behandlung des lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterials eingesetzten ionischen Flüssigkeit zurück gewonnen werden.As a rule, at least 80% by weight, particularly preferably at least 90% by weight, in particular at least 93% by weight, of the ionic liquid used in the treatment of the lignocellulose-containing starting material can be recovered by the above-described separation of the second liquid phase.
Schritt d)Step d)
Das in Schritt b) erhaltene erste Präzipitat wird mit einem flüssigen Waschmedium behandelt, wobei die Hemicellulose zumindest teilweise in dem Waschmedium solubilisiert wird.The first precipitate obtained in step b) is treated with a liquid washing medium, wherein the hemicellulose is at least partially solubilized in the washing medium.
Vorzugsweise wird in Schritt d) das erste Präzipitat mit einem flüssigen Waschmedium behandelt, das Wasser enthält oder aus Wasser besteht.Preferably, in step d), the first precipitate is treated with a liquid wash medium containing or consisting of water.
Bevorzugt weist das zur Behandlung in Schritt d) eingesetzte Waschmedium eine Temperatur von wenigstens 50°C, besonders bevorzugt wenigstens 70°C, insbesondere wenigstens 90°C, auf.The washing medium used for the treatment in step d) preferably has a temperature of at least 50.degree. C., more preferably at least 70.degree. C., in particular at least 90.degree.
Die Behandlung des in Schritt b) erhaltenen ersten Präzipitats mit dem flüssigen Waschmedium kann einmal oder mehrmals hintereinander (z. B. zweimal oder dreimal) erfolgen.The treatment of the first precipitate obtained in step b) with the liquid washing medium can take place one or more times in succession (for example twice or three times).
Schritt e)Steps)
Von dem mit dem Waschmedium behandelten ersten Präzipitat wird das mit Hemicellulose beladene Waschmedium abgetrennt, wobei als feste Fraktion das Celluloseprodukt erhalten wird.From the first precipitate treated with the washing medium, the washing medium loaded with hemicellulose is separated off, the cellulosic product being obtained as a solid fraction.
Die Trennung von Celluloseprodukt und mit Hemicellulose beladenem Waschmedium kann durch übliche Trennverfahren, wie Filtration, Zentrifugation oder eine Kombination davon, erfolgen. Auf die Ausführungen zu diesen Verfahren unter Schritt b) wird in vollem Umfang Bezug genommen.Separation of cellulose product and hemicellulose-loaded wash medium may be accomplished by conventional separation techniques such as filtration, centrifugation or a combination thereof. The comments on these methods under step b) are fully incorporated by reference.
Das erhaltene Celluloseprodukt kann (je nach gewünschter Reinheit bzw. Verwendungszweck) direkt, d. h. ohne weitere Aufarbeitung und/oder Reinigung, eingesetzt werden. Dazu zählt z. B. der Einsatz in den für Zellstoffe üblichen Einsatzbereichen, z. B. die Herstellung von Papier, etc. In einer speziellen Ausführung wird das Celluloseprodukt einer enzymatischen Hydrolyse zur Herstellung eines Glucoseprodukts unterzogen. Derartige Verfahren sowie die weitere Verarbeitung des Glucoseprodukts, z. B. zu Ethanol, sind in der
Gewünschtenfalls kann das Celluloseprodukt wenigstens einem Reinigungsschritt unterzogen werden. Dazu zählt das Behandeln mit einem flüssigen Waschmedium, in dem sich Cellulose im Wesentlichen nicht löst. Geeignete Waschmedien sind die zuvor genannten ersten Fällungsmittel (F1). Das gereinigte Celluloseprodukt kann einer Trocknung nach üblichen, dem Fachmann bekannten Verfahren unterzogen werden.If desired, the cellulose product may be subjected to at least one cleaning step. This includes treating with a liquid washing medium in which cellulose essentially does not dissolve. Suitable washing media are the aforementioned first precipitating agents (F1). The purified cellulose product may be subjected to drying by conventional methods known to those skilled in the art.
Schritt f)Step f)
Die nach Abtrennung des Celluloseprodukts erhaltene flüssige Phase (d. h. das beladene Waschmedium) enthält Hemicellulose.The liquid phase obtained after separation of the cellulose product (i.e., the loaded washing medium) contains hemicellulose.
Erfindungsgemäß wird in Schritt f) dem mit Hemicellulose beladenen Waschmedium ein drittes Fällungsmittel (F3) zugegeben, wobei eine dritte flüssige Fraktion und als drittes Präzipitat das Hemicelluloseprodukt erhalten werden.According to the invention, a third precipitating agent (F3) is added to the hemicellulose-laden washing medium in step f) to give a third liquid fraction and, as the third precipitate, the hemicellulose product.
Geeignet als drittes Fällungsmittel (F3) sind prinzipiell alle unter Schritt b) beschriebenen ersten Fällungsmittel (F1), worauf hier in vollem Umfang Bezug genommen wird. Suitable as the third precipitant (F3) are in principle all described under step b) first precipitant (F1), which is incorporated herein by reference in its entirety.
Besonders bevorzugt wird als drittes Fällungsmittel (F3) wenigstens ein Alkohol eingesetzt. Dazu zählen speziell Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, tert.-Butanol und Mischungen davon. Besonders bevorzugt wird als drittes Fällungsmittel (F3) Ethanol eingesetzt.With particular preference, the third precipitant (F3) used is at least one alcohol. These include in particular methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, tert-butanol and mixtures thereof. Particular preference is given to using ethanol as the third precipitating agent (F3).
Das dritte Fällungsmittel (F3) kann zusätzlich ionische Flüssigkeiten enthalten. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn es sich um wiederverwendetes Fällungsmittel aus dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt. Der Anteil an ionischer Flüssigkeit in dem Fällungsmittel (F3) wird in der Regel höchstens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 25%, bezogen auf das Gesamtgewicht des dritten Fällungsmittels (F3), betragen. Ein solcher Gehalt an ionischen Flüssigkeiten ist für den Erfolg der Hemicellulosefällung unkritisch.The third precipitant (F3) may additionally contain ionic liquids. This may be the case, for example, if it is reused precipitant from the process of the invention. The proportion of ionic liquid in the precipitating agent (F3) will generally be at most 50% by weight, more preferably at most 25%, based on the total weight of the third precipitating agent (F3). Such a content of ionic liquids is not critical to the success of hemicellulose precipitation.
Die Trennung von ligninhaltiger Fraktion und Cellulose- und Hemicellulose-haltigem Präzipitat kann durch übliche Trennverfahren, wie Filtration, Zentrifugation oder eine Kombination davon, erfolgen. Auf die Beschreibung dieser Verfahren unter Schritt b) wird in vollem Umfang Bezug genommen.The separation of lignin-containing fraction and cellulose and hemicellulose-containing precipitate can be carried out by conventional separation methods, such as filtration, centrifugation or a combination thereof. The description of these processes under step b) is fully incorporated by reference.
Das erhaltene Hemicelluloseprodukt kann (je nach gewünschter Reinheit bzw. Verwendungszweck) direkt, d. h. ohne weitere Aufarbeitung und/oder Reinigung, eingesetzt werden. Dazu zählt z. B. der Einsatz in der Kosmetik oder zur Herstellung von Chromatographiematerialien.The hemicellulose product obtained can (depending on the desired purity or intended use) directly, d. H. without further work-up and / or purification. This includes z. As the use in cosmetics or for the production of chromatography materials.
Gewünschtenfalls kann Hemicelluloseprodukt wenigstens einem Reinigungsschritt unterzogen werden. Dazu zählt das Behandeln mit einem flüssigen Waschmedium, in dem sich Hemicellulose im Wesentlichen nicht löst. Geeignete Waschmedien sind die zuvor genannten dritten Fällungsmittel (F3) (entsprechend dem ersten Fällungsmittel (F1)). Das gereinigte Hemicelluloseprodukt kann einer Trocknung nach üblichen, dem Fachmann bekannten Verfahren unterzogen werden.If desired, hemicellulose product may be subjected to at least one purification step. This includes treating with a liquid washing medium in which hemicellulose essentially does not dissolve. Suitable washing media are the aforementioned third precipitating agents (F3) (corresponding to the first precipitating agent (F1)). The purified hemicellulose product may be subjected to drying by conventional methods known to those skilled in the art.
Die Erfindung wird anhand der folgenden nicht einschränkenden Beispiele näher erläutert.The invention will be further illustrated by the following non-limiting examples.
Beispiel 1: Behandlung von Pappelholz mit 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetatExample 1: Treatment of poplar wood with 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate
a) Isolierung eines Cellulose und Hemicellulose enthaltenden Präzipitats und einer ligninhaltigen flüssigen Phasea) Isolation of a cellulose and hemicellulose-containing precipitate and a lignin-containing liquid phase
150 g Pappelholz wurden mit 13,5 g Methanol und 2860,3 g 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat bei 100°C 68 h gerührt. Die Lösung wurde auf 60°C abgekühlt und mit 1,5 kg Ethanol unter starkem Rühren versetzt. Anschließend wurde die Holzlösung in 6 kg Ethanol gegeben. Es bildete sich ein Präzipitat, das Cellulose und Hemicellulose enthält.150 g of poplar wood were stirred with 13.5 g of methanol and 2860.3 g of 1-ethyl-3-methylimidazoliumacetat at 100 ° C for 68 h. The solution was cooled to 60 ° C and treated with 1.5 kg of ethanol with vigorous stirring. Subsequently, the wood solution was added in 6 kg of ethanol. A precipitate formed, containing cellulose and hemicellulose.
Das gebildete Präzipitat wurde durch Filtration von der ligninhaltigen flüssigen Fraktion abgetrennt und zweimal mit je 1 l Ethanol gewaschen.The precipitate formed was separated by filtration from the lignin-containing liquid fraction and washed twice with 1 l of ethanol.
Nach der Wäsche mit Ethanol wurde das erste Präzipitat einmal mit 6 l Wasser bei einer Temperatur von 80°C und nach Abtrennung des Waschwassers nochmals mit 1 l Wasser bei einer Temperatur von 80°C behandelt. Die Weiterverarbeitung der vereinigten Waschwässer erfolgte in Schritt c).After washing with ethanol, the first precipitate was treated once with 6 liters of water at a temperature of 80 ° C and after separation of the washing water again with 1 liter of water at a temperature of 80 ° C. Further processing of the combined washing waters took place in step c).
Als gereinigtes Präzipitat wurden 142,3 g Cellulose erhalten.As a purified precipitate, 142.3 g of cellulose was obtained.
b) Isolierung des Ligninproduktsb) Isolation of the lignin product
Aus der vereinigten ligninhaltigen flüssigen Fraktion und der ethanolischen Waschflüssigkeit aus Schritt a) wurde das Ethanol destillativ im Wesentlichen vollständig entfernt. Daraufhin wurde durch Zugabe von 3 l 80°C heißem Wasser das Lignin ausgefällt. Nach Filtration wurde das Lignin mit Wasser gewaschen und getrocknet.From the combined lignin-containing liquid fraction and the ethanolic washing liquid from step a), the ethanol was substantially completely removed by distillation. Subsequently, the lignin was precipitated by the addition of 3 liters of 80 ° C hot water. After filtration, the lignin was washed with water and dried.
Es wurden 3,39 g Lignin erhalten.3.39 g of lignin was obtained.
Die vereinigten flüssigen Phasen wurden mit Hilfe eines Sambay-Verdampfers eingeengt. Es konnten 2365,2 g 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat mit einem Wassergehalt von 6,4% und 404,1 g 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat mit einem Wassergehalt von 9,2% zurückgewonnen werden. Die zurückgewonnene ionische Flüssigkeit kann ohne weitere Aufarbeitung erneut in Schritt a) eingesetzt werden.The combined liquid phases were concentrated using a Sambay evaporator. There were 2365.2 g of 1-ethyl-3-methylimidazoliumacetat with a water content of 6.4% and 404.1 g of 1-ethyl-3 methylimidazolium acetate with a water content of 9.2%. The recovered ionic liquid can be used again in step a) without further work-up.
c) Isolierung von Hemicellulosec) isolation of hemicellulose
Die vereinigten Waschwässer aus Schritt a) wurden mit Hilfe eines Rotationsverdampfers auf 569,3 g Lösungsmittelgehalt (70,7% Wasser, 29,3% 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat) eingeengt. Die eingeengte Lösung wurde in 4 l Ethanol gegeben, um die enthaltene Hemicellulose auszufällen. Der gebildete Niederschlag wurde abfiltriert, zweimal mit je 250 ml 40°C warmem Ethanol bei gewaschen und anschließend getrocknet. Es wurden 4,64 g Hemicellulose erhalten. Nach CPMAS-NMR-Analyse handelt es sich um reines Xylan.The combined washings from step a) were concentrated by means of a rotary evaporator to 569.3 g solvent content (70.7% water, 29.3% 1-ethyl-3-methylimidazoliumacetat). The concentrated solution was added to 4 L of ethanol to precipitate the contained hemicellulose. The precipitate formed was filtered off, washed twice with 250 ml of 40 ° C warm ethanol and then dried. There were obtained 4.64 g of hemicellulose. CPMAS NMR analysis is pure xylan.
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