DE102017119573A1

DE102017119573A1 - Lignocellulose-Biomasse-Presslinge zur Herstellung von organischen Molekülen

Info

Publication number: DE102017119573A1
Application number: DE102017119573.4A
Authority: DE
Inventors: Joop Groen; Diana Lorena Paz Saavedra
Original assignee: Viride Holding BV
Current assignee: Viride Holding BV
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2019-02-28
Also published as: EP3673074A2; WO2019038373A2; WO2019038373A3

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, gewonnen aus Cellulose oder Hemicellulose, wobei die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind, wobei die monomeren Zucker vor der Herstellung der Presslinge abgetrennt sein können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, wobei die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind, wobei die monomeren Zucker vor der Herstellung der Pellets abgetrennt sein können. Die Ölkrise und die globale Erwärmung machen es notwendig, sich von der ölbasierten Industrie zu erneuerbaren Materialien hinzubewegen. Lignocellulose-Biomasse ist heutzutage eines der Materialien von höchstem Interesse, da es neben den erneuerbaren Energien auf der gesamten Welt reichlich vorhanden ist. Allerdings ist die Lignocellulose-Biomasse meist nur weit von weiter verarbeitbaren Anlagen, z.B. für die enzymatische Hydrolyse, entfernt. Weiterhin hat Lignocellulose-Biomasse meist die Nachteile geringer Dichte, Instabilität, Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Staubbildung und eine irreguläre Form und minderwertige Qualität, die alle die Transportmöglichkeiten einschränken. Diese Nachteile führen zu hohen Transportkosten und machen die Verwendung von Lignocellulose-Biomasse in Bioraffinerien ökonomisch schwierig.
Die Herstellung von Presslingen aus Lignocellulose-Biomasse ist eine Möglichkeit, um die Transportkosten zu verringern. Dabei fokussiert man sich hauptsächlich auf die Erhöhung der Schüttdichte, um das für den Transport benötigte Volumen zu verringern und dabei die Transportkosten zu erniedrigen.
Es ist bereits bekannt, dass aus Lignocellulose-Biomasse Presslinge hergestellt werden können, wobei die Lignocellulose-Biomasse einer sogenannten Explosionsbehandlung unterzogen und anschließend unter Verwendung von Bindemitteln oder Zusatz weiterer Stoffe mit hohem Brennwert zu Presslingen verarbeitet wird. Alle diese Ansätze haben jedoch die Herstellung eines günstigen Brennstoffs als Ziel und offenbaren nicht die Verwendung solcher Presslinge in Bioraffinerien zur Herstellung von kleinen organischen Molekülen, wie Ethanol, Isobutanol oder Itaconsäure.
Es sind zwar Verfahren zur Herstellung von Presslingen zur Verwendung in Bioraffinerien bekannt, jedoch setzen alle diese Verfahren entweder einen hohen Wasserverbrauch, einen hohen Aufwand bei der Herstellung der Presslinge oder Herstellungsverfahren voraus, in denen Chemikalien eingesetzt werden müssen, die das Verfahren entweder teuer oder umweltschädlich machen. So ist bspw. die Herstellung von Presslingen aus Lignocellulose-Biomasse bekannt, die einer sog. Ammonium-Faser-Expansions-Behandlung unterzogen wurde. Dieses Verfahren hat den Nachteil der Verwendung von erheblichen Mengen von Ammoniak, die das Verfahren teuer und schädlich für die Umwelt macht. Es wurde bisher davon ausgegangen, dass die Verwendung von Ammoniak in der Vorbehandlung der Lignocellulose-Biomasse notwendig ist, um das Lignin an die Oberfläche der Biomasse zu transportieren, um daraus Presslinge ohne Zugabe von Bindemitteln herstellen zu können.
Keines der bisher bekannten Verfahren ermöglicht es, auf einfache Art, kostengünstig und umweltfreundlich Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse bereitzustellen, die bei der Verwendung in Bioraffinerien bei der enzymatischen Hydrolyse einen akzeptablen Gehalt von Zuckermonomeren ermöglicht und eine gute Ligninqualität hervorbringt.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung von Presslingen zur Herstellung von kleinen organischen Molekülen, wie monomeren Zuckern, Ethanol, Isobutanol, Itaconsäure usw. bereitzustellen, bei der auf einfache, kostengünstige und umweltfreundliche Art und Weise Presslinge hergestellt und diese mit einer guten Ausbeute an Zuckermonomeren in der enzymatischen Hydrolyse eingesetzt werden können.
Hierfür stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer molaren Masse von maximal 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker bevorzugt von maximal 500 g/mol, wobei die organischen Moleküle vorzugsweise aus Cellulose oder Hemicellulose gewonnen werden, bereit, wobei die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind bzw. hergestellt werden, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist/wird. Alternativ zu der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung kann diese auch folgendermaßen als Verfahren formuliert werden: Das heißt, die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker bevorzugt von maximal 500 g/mol, wobei die organischen Moleküle aus Cellulose oder Hemicellulose gewonnen werden, wobei Presslinge als Ausgangsmaterial eingesetzt werden, die aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Alle hierin auf die erfindungsgemäße Verwendung bezogenen Ausführungsformen und bevorzugten Merkmale sollen in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Verfahren gelten. Die molare Masse wird erfindungsgemäß mit Massenspektrometrie bestimmt.
Der Begriff „Cellulose“ soll erfindungsgemäß nicht nur Cellulose im klassischen Sinne, nämlich verknüpfte Cellobiose-Einheiten, umfassen, sondern auch weitere Polysaccharide, die in Lignocellulose-Biomasse vorkommen, wie beispielsweise Glucan oder Xylan.
Erstaunlicherweise konnte festgestellt werden, dass für die Wasserdampfexplosionsbehandlung keine Verwendung von Ammoniak notwendig ist, um daraus Presslinge erhalten zu können, die einen ausreichenden Gehalt an Zuckermonomeren bei der enzymatischen Hydrolyse liefern.
Weiterhin bevorzugt ist es, dass die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen laugenfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Unter „im Wesentlichen ammoniakfrei oder laugenfrei“ wird erfindungsgemäß verstanden, dass bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung der Lignocellulose-Biomasse kein Ammoniak bzw. keine Lauge zugesetzt wird, die Lignocellulose-Biomasse jedoch selbst Ammoniak oder Laugen enthalten kann.
Als Lignocellulose-Biomasse kann jegliche Pflanze oder jegliches Pflanzenmaterial verwendet werden, wie beispielsweise Stroh, Erntereste von Mais (corn stover), Holz und Zuckerrohrbagasse, usw., wobei Weizenstroh besonders bevorzugt ist. Dabei kann es sich um die gesamte Pflanze oder auch um Ernteabfallprodukte, wie beispielsweise die Pflanzenreste bei der Maisernte handeln. Als Lignocellulose-Biomasse können auch Kombinationen von zwei oder mehr verschiedenen Pflanzen oder Pflanzenmaterialien eingesetzt werden.
Die Lignocellulose-Biomasse weist vorzugsweise einen Alkaligehalt (XOH, X = Alkali- oder Erdalkalimetall) von weniger als 0,2 mmol pro g Trockengewicht der Lignocellulose-Biomasse auf. Das Trockengewicht ist definiert als das Gewicht, das beim Trocknen bei 100°C bis zur Gewichtskonstanz erreicht wird.
Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen zusatzstofffreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist, wobei jedoch optional organische Säure oder Mineralsäure bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung anwesend sein kann. Das heißt, es wird vorzugsweise nur die Lignocellulose-Biomasse für die Wasserdampfexplosionsbehandlung verwendet, wobei optional eine organische Säure oder Mineralsäure zugesetzt sein kann. Unter „im Wesentlichen zusatzstofffrei“ wird letztlich verstanden, dass aktiv keine Zusatzstoffe (mit Ausnahme von organischer Säure oder Mineralsäure) bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung zugegeben werden, wobei jedoch organische Säure oder Mineralsäure zugegeben werden kann.
Die für die Wasserdampfexplosionsbehandlung verwendete Lignocellulose-Biomasse kann unbehandelt, d.h. ohne Quellen-lassen in einer Flüssigkeit verwendet werden. Die Lignocellulose-Biomasse kann jedoch auch vor der Wasserdampfexplosionsbehandlung in Wasser oder verdünnter Säure quellen gelassen werden. Die verdünnte Säure ist vorzugsweise 0,1% bis 2% Säure. Als Säure können organische Säuren oder Mineralsäuren verwendet werden, wie beispielsweise Essigsäure, H₂SO₄, H₃PO₄, HCl oder HNO₃. Bevorzugt wird die Lignocellulose-Biomasse entweder unbehandelt oder in Wasser gequollen verwendet. Aus Gründen der Wasserersparnis ist es bevorzugt, dass die Lignocellulose-Biomasse unbehandelt verwendet wird. Das Quellen-lassen erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 15 bis 30°C über einen Zeitraum von 1 sec bis 15 h. Nach dem Quellen-lassen wird die Lignocellulose-Biomasse vorzugsweise gepresst, bis der Wassergehalt bei weniger als 60 Gew.-% liegt. Mit anderen Worten weist die für die Wasserdampfexplosionsbehandlung verwendete Lignocellulose-Biomasse einen Wassergehalt von weniger als 60 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 50 Gew.-%, noch stärker bevorzugt weniger als 30 Gew.-% und am stärksten bevorzugt weniger als 20 Gew.-% auf, bezogen auf die gesamte Lignocellulose-Biomasse einschließlich Wasser.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass Lignocellulose-Biomasse verwendet wird, die so beschaffen ist, dass sie, wenn sie in unbehandelter Form oder in der in Wasser oder verdünnter Säure gequollenen und anschließend gepressten Form (siehe oben) in Wasser suspendiert wird, einen pH-Wert des Wassers im Bereich von 2 bis 8,5, stärker bevorzugt im Bereich von 5 bis 8 ergibt. Hierfür werden 0,035 g der unbehandelten Lignocellulose-Biomasse oder in Wasser oder verdünnter Säure gequollenen und anschließend gepressten Lignocellulose-Biomasse (sieh oben) in 1 g entionisiertem Wasser suspendiert, und anschließend wird der pH-Wert der Lösung gemessen.
Unter „Wasserdampfexplosionsbehandlung“ wird hierin ein Verfahren verstanden, bei dem die Lignocellulose-Biomasse für eine bestimmte Zeit einem erhöhten Druck bei erhöhter Temperatur unter Anwesenheit von Wasserdampf ausgesetzt und anschließend einem plötzlichen Druckabfall unterzogen wird. Dabei kann bei der Dampfexplosionsbehandlung zusätzlich Wasser zugesetzt werden, oder der hierfür benötigte Wasserdampf kann aus dem Wassergehalt der Lignocellulose-Biomasse stammen. Das Wasser, das für die Wasserdampfexplosionsbehandlung zugesetzt wird, weist vorzugsweise einen pH-Wert im Bereich von 1 bis 8, stärker bevorzugt im Bereich von 3 bis 8 und am stärksten bevorzugt im Bereich von 5 bis 8 auf. Insbesondere, wenn die Lignocellulose-Biomasse ohne die Zugabe von weiterem Wasser in der Wasserdampfexplosionsbehandlung eingesetzt wird, ist es bevorzugt, dass diese einen Alkaligehalt (XOH, X = Alkali- oder Erdalkalimetall) von weniger als 0,2 mmol pro g Trockengewicht der Lignocellulose-Biomasse aufweist. Die Begriffe „im Wesentlichen ammoniakfrei“ oder „im Wesentlichen laugenfrei“ können somit erfindungsgemäß bedeuten, dass bei Einsatz von zusätzlich zugesetztem Wasser in der Dampfexplosionsbehandlung dieses den zuvor angegeben pH-Wert aufweist, oder dass, wenn der für die Dampfexplosionsbehandlung benötigte Wasserdampf aus dem Wassergehalt der Lignocellulose-Biomasse stammt, die Lignocellulose-Biomasse einen Alkaligehalt im zuvor angegeben Bereich aufweist. Alternativ zu Letztgenanntem kann ein pH-Wert einer Lösung, in der die Lignocellulose-Biomasse suspendiert wird, im oben genanntem Bereich liegen.
Die Wasserdampfexplosionsbehandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 160°C bis 210°C, stärker bevorzugt im Bereich von 165°C bis 195°C und am stärksten bevorzugt im Bereich von 170°C bis 190°C durchgeführt. Die Wasserdampfexplosionsbehandlung wird vorzugsweise über einen Zeitraum von 0,5 min bis 30 min und stärker bevorzugt über einen Zeitraum von 1 min bis 15 min, durchgeführt, wobei sich die Zeitdauer auf die Behandlungsdauer unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur bezieht. Bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung wird vorzugsweise ein Druck im Bereich von 5 bar (g) bis 20 bar (g), stärker bevorzugt 7 bar (g) bis 12 bar (g) angelegt. Bei den hierin angegebenen Drücken handelt es ich immer um den relativen Druck, d.h. im Verhältnis zum Umgebungsdruck, vorzugsweise im Verhältnis zum Atmosphärendruck von 1 atm.
Bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung kann gesättigter oder überhitzter Dampf verwendet werden, wobei erfindungsgemäß gesättigter Dampf bevorzugt ist. Am Ende der Wasserdampfexplosionsbehandlung wird der erhöhte Druck plötzlich auf Umgebungsdruck abgesenkt. Auf diese Weise können die Pflanzenfasern aufgebrochen werden. Die Wasserdampfexplosionsbehandlung ist somit eine Kombination aus Wasser/Wasserdampf-induzierter Hydrolysereaktion und mechanischem Aufbrechen der Fasern.
Für die Wasserdampfexplosionsbehandlung können jegliche Druckreaktoren verwendet werden, die einen plötzlichen Druckabfall ermöglichen, d.h. der Druckreaktor weist ein Druckablassventil auf. Hierfür kann beispielsweise ein Chargenreaktor aus Stahl oder auch ein kontinuierlich arbeitender Reaktor verwendet werden. Somit kann die Wasserdampfexplosionsbehandlung auch in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden. Hierfür können z.B. horizontale Schraubenreaktoren oder vertikale Röhrenreaktoren verwendet werden.
Nach dem Druckabfall am Ende der Wasserdampfexplosionsbehandlung wird die Lignocellulose-Biomasse aus dem Reaktor geholt und dann vorzugsweise bis zu einem Wassergehalt von 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Lignocellulose-Biomasse einschließlich Wasser, getrocknet. Hierfür werden vorzugsweise Temperaturen im Bereich von 40°C bis 80°C, stärker bevorzugt 55°C bis 65°C, verwendet. Hierfür kann beispielsweise ein Ventilationstrockner verwendet werden. Presslinge mit einem Wassergehalt von mehr als 15 Gew.-% haben für einen ökonomischen Transport zu viel Wasser. Eine gewisse Menge von mindestens 5 Gew.-% Wassergehalt wird jedoch benötigt, um die Biomasse zu Presslingen pressen zu können. Der Lignocellulose-Biomasse wird vor dem Pressen zu den Presslingen vorzugsweise kein Bindemittel zugesetzt. Der Lignocelluose-Biomasse kann jedoch vor dem Pressen zu Presslingen weitere Biomasse zugesetzt werden. Die weitere Biomasse ist vorzugsweise eine Biomasse, die, ohne einer Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen zu werden, durch enzymatische Hydrolyse zu organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker bevorzugt von maximal 500 g/mol gespalten werden kann. Erfindungsgemäße Beispiele hierfür sind: Stärke, Zuckerpolymere oder Zuckermonomere. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Presslinge im Wesentlichen aus der wasserdampfexplosionsbehandelten Lignocellulose-Biomasse und Wasser bestehen. Generell ist es bevorzugt, dass der Lignocellulose-Biomasse vor dem Pressen zu den Presslingen keine Additive zugegeben werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist es jedoch denkbar, dass die bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung gebildeten monomeren Zucker vor dem Pressen der Lignocellulose-Biomasse zu den Presslingen abgetrennt werden. Dazu werden die monomeren Zucker aus der dampfexplosionsbehandelten Lignocellulose-Biomasse vorzugsweise mit entionisiertem Wasser herausgewaschen, z.B. durch Spülen der Biomasse mit Wasser oder Rühren der Biomasse in Wasser und anschließende Filtration.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge weisen den Vorteil auf, dass sie ohne die Verwendung von Additiven auf einfache Art und Weise, kostengünstig und umweltschonend hergestellt werden können. Letztlich wird im Wesentlichen nur Wasser benötigt, welches jedoch auch mehrfach bzw. wiederverwendet werden kann.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge werden vorzugsweise durch Formpressen hergestellt. Hierfür können speziell vorgesehene Presswerkzeuge, wie beispielsweise eine Holzpelletieranlage verwendet werden. Die Form der Presslinge ist hierbei nicht beschränkt, können beispielsweise die Form jeglicher Briketts aufweisen. Vorzugsweise sind die Presslinge in der Form von Pellets. Pellets können bekanntermaßen durch Pelletpressen hergestellt werden. Dabei haben die Presslinge vorzugsweise eine Schüttdichte im Bereich von 600 kg/m³ bis 1.200 kg/m³, vorzugsweise 800 kg/m³ bis 1000 kg/m³. Die Schüttdichte wird gemäß DIN ISO 697 bestimmt. Aufgrund der hohen Schüttdichte der Presslinge eignen sie sich hervorragend als Transportform. Durch die Einsparung von Volumen können somit auch Transportkosten eingespart werden. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da die Biomasse nach der Ernte meist weit transportiert werden muss, um in einer Bioraffinerie weiterverarbeitet werden zu können. Weisen die Presslinge die Form von Pellets auf, so haben diese vorzugsweise einen Durchmesser von 4 mm bis 8 mm und eine Länge von 1 cm bis 3 cm. Bei den hohen Drücken bei der Herstellung der Presslinge kann es zu einer starken Erwärmung kommen. Deshalb wird vorzugsweise nach der Herstellung der Pellets gekühlt.
Es ist deshalb in einer Ausführungsform der vorliegenden Verwendung bevorzugt, dass die Herstellung der Presslinge an einem ersten Ort und die Herstellung der organischen Moleküle an einem zweiten Ort stattfindet, wobei die Presslinge mit einem Transportmedium von dem ersten Ort zu dem zweiten Ort gebracht werden. Unter Transportmedien können erfindungsgemäß Lastkraftwagen, Züge, Schiffe oder Flugzeuge verwendet werden. Der erste Ort ist vorzugsweise ein Ort in der Nähe des Anbaus der Lignocellulose-Biomasse.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge sind vorzugsweise aus Lignocellulose-Biomasse hergestellt, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält, wobei es bevorzugt ist, dass 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.-% der Cellulose, vorzugsweise 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind. Dies ist vorzugsweise dann der Fall, wenn die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse hergestellt sind, aus der die monomeren Zucker nicht entfernt sind. Dabei kann der Cellulosegehalt und Hemicellulosegehalt durch eine sogenannte TAPPI-Analyse bestimmt werden. Der Anteil an monomeren Zuckern kann folgendermaßen bestimmt werden: Die monomeren Zucker werden mit Wasser aus der Lignocellulose-Biomasse ausgewaschen und es wird deren Gehalt bestimmt. Dafür kann ein YSI 2900 Biochemistry Analyzer von Xylem Inc. (z.B. Glucosebestimmung) oder ein D-Xylose Assay Kit (erhältlich von Megazyme) (Xylosebestimmung) verwendet werden.
Alternativ dazu können die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge vorzugsweise aus Lignocellulose-Biomasse hergestellt sein, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthalten, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind, wobei die monomeren Zucker aus der Lignocellulose-Biomasse vor der Herstellung der Presslinge abgetrennt sind.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge sind vorzugsweise im Wesentlichen ammoniakfrei, vorzugsweise im Wesentlichen laugenfrei und am meisten bevorzugt im Wesentlichen zusatzstofffrei. Unter „im Wesentlichen ammoniakfrei“ bzw. „im Wesentlichen laugenfrei“ soll verstanden werden, dass die Presslinge vorzugsweise einen Alkaligehalt (XOH, X = Alkali- oder Erdalkalimetall) von weniger als 0,2 mmol pro g Trockengewicht der Lignocellulose-Biomasse aufweisen. Das Trockengewicht ist definiert als das Gewicht, das beim Trocknen bei 100°C bis zur Gewichtskonstanz erreicht wird. Der Alkaligehalt kann mittels Säuretitration mit Salzsäure bestimmt werden. Unter „im Wesentlichen zusatzstofffrei“ soll verstanden werden, dass der Lignocellulose-Biomasse für das Pressen zu den Presslingen keine weiteren Zusatzstoffe zugesetzt werden, wobei hierbei Zusatzstoffe wie Biomasse, wie sie weiter oben definiert ist, ausgenommen sein können. Besonders bevorzugt ist es, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Presslinge frei von zugesetztem Kohlenstoff, vorzugsweise elementarem Kohlenstoff sind.
In der erfindungsgemäßen Verwendung kann die Herstellung der organischen Monomere den Schritt der enzymatischen Hydrolyse von Cellulose oder Hemicellulose zu monomeren Zuckern umfassen. Hierbei werden beispielsweise Cellulasen, Hemicellulase und/oder Xylanasen eingesetzt, die dem Fachmann auf dem Gebiet des enzymatischen Celluloseabbaus bekannt sind. Beispiele für solche Enzyme sind: CTec2 und HTec2 der Fa. Novozymes. Vorzugsweise werden die Cellulose und Hemicellulose dabei zu Glucose und Xylose abgebaut.
Hierfür werden die Pellets entweder in ihrer vollen Form oder in zermahlener Form, vorzugsweise in ihrer vollen Form, in entionisiertes Wasser gegeben, wobei eine Suspension erhalten wird. Dazu werden die für die enzymatische Hydrolyse notwendigen Enzyme und Additive gegeben und anschließend wird die Suspension gerührt oder geschüttelt. Die enzymatische Hydrolyse erfolgt vorzugsweise bei einem pH-Wert im Bereich von 4 bis 6. Die Temperatur bei der Hydrolyse beträgt vorzugsweise 40°C bis 60°C, stärker bevorzugt 45°C bis 55°C. Die enzymatische Hydrolyse wird vorzugsweise über einen Zeitraum von 3 h bis 100 h, stärker bevorzugt 20 h bis 90 h Stunden, und am stärksten bevorzugt 50 h bis 80 h durchgeführt. Hierfür kann jegliches denkbare Rührgerät oder Schüttelgerät, wie bspw. ein Inkubationsschüttler verwendet werden. Es können aber auch Rührgeräte verwendet werden, die für Durchmischungen von Suspensionen mit hohem Feststoffanteil verwendet werden, wie bspw. Propellerrührer.
Bei dem Schritt der enzymatischen Hydrolyse liegt der Gewichtsanteil an Feststoff von Lignocellulose-Biomasse im Bereich von 2 Gew.-% bis 30 Gew.-%, stärker bevorzugt im Bereich von 5 Gew.-% bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der für die enzymatische Hydrolyse benötigten Suspension. Insbesondere ermöglicht die Verwendung von Presslingen bei der enzymatischen Hydrolyse, dass diese mit einem hohen Gewichtsanteil an Feststoff von Lignocellulose-Biomasse im Bereich von 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%, stärker bevorzugt im Bereich von 12 Gew.-% bis 25 Gew.-%, und am stärksten bevorzugt im Bereich von 15 Gew.-% bis 20 Gew.-% durchgeführt werden kann. Dabei wird als Rührgerät vorzugsweise ein Propellerrührer verwendet.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung kann die Herstellung der organischen Monomere den Schritt der katalytischen oder biokatalytischen Umsetzung der monomeren Zucker umfassen.
Bei der katalytischen Umsetzung können die monomeren Zucker jeglicher chemischen Katalyse zu organischen Monomeren unterzogen werden.
Bei der biokatalytischen Umsetzung werden die monomeren Zucker vorzugsweise durch Fermentation zu organischen Monomeren umgesetzt. Beispielsweise können durch Fermentation von monomeren Zuckern die folgenden organischen Monomere erhalten werden: 1,4-Disäuren, wie bspw. Bernsteinsäure, Fumarsäure und Maleinsäure, 5-Furandicarbonsäure (FDCA), 3-Hydroxypropionsäure (3-HPA), Asparaginsäure, Glutarsäure, Glutaminsäure, Itaconsäure, Levulinsäure, 3-Hydroxybutyrolacton, Glycerol, Sorbitol (Zuckeralkohol von Glucose), Xylitol/Arabinitol (Zuckeralkohole der Xylose und Arabinose), Ethanol und Isobutanol. Für die Fermentation der monomeren Zucker können verschiedene Pilze, wie Hefe oder A. niger eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung kann die enzymatische Hydrolyse zu monomeren Zuckern und die Fermentation der monomeren Zucker zu den organischen Monomeren in einer Ein-Topf-Reaktion erfolgen, d.h. vorzugsweise simultan in einem einzigen Reaktionsgefäß.
Alle Definitionen, Angaben und bevorzugten Ausführungsformen der in der erfindungsgemäßen Verwendung eingesetzten Presslinge sollen auch für die im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Presslinge gelten, und umgekehrt. Gleiches gilt auch für die Definitionen, Angaben und bevorzugten Ausführungsformen der Herstellung der in der erfindungsgemäßen Verwendung eingesetzten Presslinge.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthalten, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.-%, vorzugsweise 2 Gew.% bis 10 Gew.-%, der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthalten, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind, wobei die monomeren Zucker aus der Lignocellulose-Biomasse vor der Herstellung der Pellets abgetrennt sind.
Die erfindungsgemäßen Presslinge sind vorzugsweise im Wesentlichen ammoniakfrei, vorzugsweise im Wesentlichen laugenfrei, vorzugsweise im Wesentlichen zusatzstofffrei, wobei von den Zusatzstoffen organische Säuren, Mineralsäuren und weitere Biomasse - wie weiter oben definiert - ausgenommen sein können.
Die erfindungsgemäßen Presslinge weisen vorzugsweise eine Schüttdichte im Bereich von 600 kg/m³ bis 1.200 kg/m³, vorzugsweise 800 kg/m³ bis 1000 kg/m³, auf.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die für die Herstellung der Presslinge verwendete Lignocellulose-Biomasse keinem Detoxifizierungsverfahren unterzogen ist. Unter „Detoxifizierung“ versteht man bei der Verwendung von Biomasse für die enzymatische Hydrolyse jegliche Behandlung der Biomasse, die die Menge der für die Enzyme toxischen Substanzen herabsetzt. Erstaunlicherweise konnte festgestellt werden, dass auch ohne eine solche Behandlung der Biomasse gute Ausbeuten bei der enzymatischen Hydrolyse erreicht werden können.
Weiterhin ist auch bevorzugt, dass die erfindungsgemäßen Presslinge einen durchschnittlichen Ligningehalt von weniger als 50 Gew.-%, stärker bevorzugt weniger als 40 Gew.-% und am stärksten bevorzugt im Bereich von 20 Gew.-% bis 40 Gew.-% aufweisen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Presslinge.
Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Presslinge derart ausgebildet, dass sie nach einem vollständigen Eintauchen in Wasser mit einer Temperatur von 25°C für 2 h einen Gewichtszuwachs von weniger als 10 Gew.-%, stärker bevorzugt von weniger als 5 Gew.-% und noch stärker bevorzugt von weniger als 3 Gew.-%, erfahren, bezogen auf das Gesamtgewicht der Presslinge vor dem Eintauchen. Weiterhin verändern die Presslinge während dieses Eintauchvorgangs ihre Form nahezu nicht, d.h. sie sind formstabil. Die Presslinge nehmen somit kaum Feuchtigkeit auf, d.h. sind nicht hygroskopisch. Ebenso konnte festgestellt werden, dass die Presslinge auch bei Lagerung über einen Zeitraum von mehreren Wochen nahezu kein Gewicht verlieren, d.h. nahezu keine Feuchtigkeit abgeben. Durch diese Feuchtigkeitsbeständigkeit der Presslinge muss bei deren Transport von dem Ort der Herstellung zu dem Ort der Verwendung auf keine speziellen Lagerungsbedingungen geachtet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker bevorzugt von maximal 500 g/mol, wobei Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen und anschließend zu Presslingen gepresst wird, wobei die Presslinge als Ausgangsmaterial für die Gewinnung der organischen Moleküle aus Cellulose oder Hemicellulose verwendet werden. Alle hierin auf die erfindungsgemäße Verwendung bezogenen Ausführungsformen und bevorzugten Merkmale sollen in gleichem Maße für das zuletzt genannte erfindungsgemäße Verfahren gelten.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden Figuren und experimentellen Beispiele beschrieben, die jedoch nicht als einschränkend für den Schutzumfang anzusehen sind:
Figurenliste

1: 1 zeigt drei verschiedene Pellets in Erlenmeyer-Gläsern, wobei alle Pellets gemäß Beispiel 3 hergestellt wurden. Die links abgebildeten Pellets sind aus unbehandeltem Weizenstroh der Probe a), die in der Mitte abgebildeten Pellets aus in Wasser gequollenem Weizenstroh der Probe b) und die Pellets rechts in 1% H₂SO₄ gequollen gemäß der Probe c).
2: 2 zeigt die Pellets gemäß 1, die für 30 Minuten bei 50°C einer Schüttelbehandlung unterzogen wurden.
3: 3 zeigt die Pellets gemäß 1, die einer weiteren manuellen Schüttelbehandlung bei 100°C bei 10 Minuten unterzogen wurden.
4: Die 4 zeigt zermahlene Pellets mit einer Größe von < 0,5 mm (links), mit einer Größe von 0,5 - 0,71 mm (Mitte) und mit einer Größe von > 0,71 mm (rechts). Diese Pellets wurden gemäß Bsp. 3 aus in 1% H₂SO₄ gequollenem Weizenstroh gemäß Probe c) hergestellt.
5: Die 5 zeigt die Proben gemäß 4, die bei 50°C für 10 Minuten einer manuellen Schüttelbehandlung unterzogen wurden.
6: Die 6 zeigt die Glucoseausbeute (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 5.
7: Die 7 zeigt die Glucoseausbeute (%) nach der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 5.
8 Die 8 zeigt die Xylose-Ausbeute (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 5.
9: Die 9 zeigt die Xylose-Ausbeute (%) bei der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 5.
10: Die 10 zeigt die pH-Werte der Proben a1 bis a3, b1 bis b3 und c1 bis c3 der Lösung nach der enzymatischen Hydrolyse.
11: Die 11 zeigt den Verbrauch von Glucose, Xylose und Arabinose nach 96 h bei der Itaconsäure Fermentation gemäß Beispiel 7.

Beispiele:
Beispiel 1: Vorbehandeln von Weizenstroh
Weizenstroh mit einem Wassergehalt von 12 Gew.-% wird mit einem Schneidgerät soweit zerkleinert, dass die längsten Weizenstrohfasern maximal 4 cm lang sind. Für die Wasserdampfexplosionsbehandlung werden drei verschiedene Proben dieses zerkleinerten Weizenstrohs verwendet:

a) Weizenstroh unbehandelt
b) Weizenstroh, in Wasser gequollen
c) Weizenstroh in 1% H₂SO₄ gequollen

Die Probe a) ist das zerkleinerte Weizenstroh, das nicht weiter behandelt wurde. Die Proben b) und c) sind jeweils Weizenstroh, das für 14 Stunden in Wasser (Probe b)) und in 1% H₂SO₄ (Probe c)) quellen gelassen wurde. Bei den Quellbehandlungen wird eine Menge von 3 Gew.-% Weizenstroh verwendet, in Bezug auf die gesamte Menge an Quellmedium (Wasser oder 1% H₂SO₄) und Weizenstroh. Keiner der Proben a) bis c) wird vor der Wasserdampfexplosionsbehandlung eine weitere Substanz zugesetzt, weder dem Weizenstroh noch dem Quellmedium. Nach den Quellbehandlungen wird das Weizenstroh der Proben b) und c) jeweils filtriert und so lange gepresst, bis der Wassergehalt des Weizenstrohs bei unter 50 Gew.-% liegt.
Beispiel 2: Wasserdampfexplosionsbehandlung
Die Proben a) bis c) werden jeweils einer Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen. Dazu werden je 2,5 kg in einen speziell entwickelten Chargenreaktor der Fa. Process- & Industriteknik aus Schweden gegeben. Hierbei handelt es sich um einen Dampfdruckreaktor mit einem Schnellauslassventil. Die Proben a) und b) werden bei 190°C für 10 min einem gesättigten Dampfdruck bei 11,5 bar (g) und die Probe c) bei 170°C für 10 min einem gesättigten Dampfdruck bei 7 bar (g) ausgesetzt. Am Ende dieser Zeit wird der Druck plötzlich auf Raumdruck gesenkt. Der Wassergehalt der so erhaltenen Proben variierte zwischen 40 Gew.-% und 60 Gew.-%. Der Wassergehalt kann mit einem Feuchtigkeitsanalysator bei einer Temperatur von 105°C gemessen werden. Dabei stoppt die Messung automatisch, wenn sich das Gewicht nicht mehr verändert.
Beispiel 3: Herstellen der Presslinge in Form von Pellets
Die aus Beispiel 2 erhaltenen Proben werden 4 h in einem Ventilationstrockner bei 60°C getrocknet. Nach dem Trocknen liegt der Wassergehalt im Bereich von 10 Gew.-% bis 15 Gew.-%. Der Wassergehalt kann mit einem Feuchtigkeitsanalysator bei einer Temperatur von 105°C gemessen werden. Dabei stoppt die Messung automatisch, wenn sich das Gewicht nicht mehr verändert. Anschließend werden daraus Pellets mit einer Länge von etwa 1,5 cm und einem Durchmesser von 6 mm gepresst. Hierfür wird folgende Vorrichtung benutzt: Gerät: Kahl 14-175 (Durchmesser der Pressplatte: 175 mm), Pressplattentyp: AKN13 chrome steel, 30 mm Lochlänge, 60 Löcher, 6 mm Lochbreite. Die Temperatur der Pellets direkt nach dem Pressen beträgt 40°C bis 70°C.
Alle der so hergestellten Pellets zeigen nach einem vollständigen Eintauchen in Wasser mit einer Temperatur von 25°C für 2 h einen Gewichtszuwachs von weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Presslinge vor dem Eintauchen. Dazu werden die Presslinge vor dem Eintauchen und nach dem Eintauchen (im abgetrockneten Zustand) gewogen.
Beispiel 4: Vorversuche zur Zersetzbarkeit/Löslichkeit der Pellets in Wasser und Bestimmung der idealen Partikelgröße für den Fall des Zermahlens der Pellets vor der enzymatischen Hydrolyse:
Die Zersetzbarkeit bzw. Löslichkeit der Pellets in Wasser bzw. die durch Zermahlen der Pellets erhaltene ideale Partikelgröße werden durch die folgenden Versuche bestimmt:
Es werden jeweils Pellets gemäß Bsp. 3 der Proben a) bis c) in Erlenmeyer-Gläsern vorgelegt. Das Aussehen der Pellets kann der 1 entnommen werden, in der Pellets aus der Probe a) links, Pellets aus der Probe b) in der Mitte und Pellets aus Probe c) rechts abgebildet sind. Hierzu werden jeweils 1,5 g der Pellets verwendet und so lange Wasser zugegeben, bis ein Gesamtgewicht von 30 g erreicht ist. Die Proben werden 30 min bei 50° C geschüttelt. 2 zeigt die so behandelten Proben gemäß der 1. Dabei kann beobachtet werden, dass Pellets, die aus der Probe a) hergestellt werden, die beste Zersetzbarkeit aufweisen. Da die Zersetzung der Pellets noch nicht ausreichend ist, werden die Proben bei einer Temperatur von 100°C für 10 Minuten manuell geschüttelt. Wie aus 3 ersichtlich, lassen sich die aus Probe a) erhaltenen Pellets am leichtesten zersetzen, gefolgt von den Pellets der Probe b). Die Pellets, die aus der säurebehandelten Biomasse hergestellt worden sind, lassen sich am schlechtesten zersetzen.
Daraus lässt sich schließen, dass die Pellets, die aus nicht vorbehandelter Biomasse bzw. nur in Wasser gequollener Biomasse hergestellt werden, eine bessere Zugänglichkeit der Biomasse für die enzymatische Hydrolyse gewährleisten.
Zur Bestimmung der idealen Partikelgröße der Pellets werden diese einem Mahlverfahren unterzogen. Dafür werden die Proben in einem Mischgerät (Philips HR2104) für 5 min zermahlen. Die Proben werden manuell unter Verwendung von Haver & Boecker Sieben (0,5mm bis 0,71mm) gesiebt. Da insbesondere die Pellets aus den Proben b) und c) keine sehr gute Zersetzbarkeit bzw. Löslichkeit in Wasser zeigen, werden diese dem Mahlverfahren unterzogen. Die Probe, bei der die Pellets gemäß der Probe c) (in Säure gequollen) hergestellt werden, zeigt die größte Beständigkeit gegenüber dem Mahlverfahren. Die meisten der so erhaltenen Partikel sind groß und hart und erinnern an Steine. Die so erhaltenen zermahlenen Pellets, die aus der Probe c) gewonnen werden, werden anschließend einem Löslichkeitstest unterzogen.
Die 4 und 5 zeigen gemahlene Pellets unterschiedlicher Größe, die aus der Probe c) gewonnen werden, vor und nach dem Erwärmen auf 50° C unter manuellem Schütteln für 10 Minuten. In dem linken Erlenmeyer-Glas wurden Partikelgrößen der zermahlenen Pellets von < 0,5 mm, in dem mittleren Glas Partikel von 0,5 - 0,71 mm und im rechten Erlenmeyer-Glas Partikel ≥ 0,71 mm verwendet. Wie aus 5 gesehen werden kann, lösen sich die Partikel, die > 0,71 mm sind, nicht ausreichend. Bei Berühren dieser Partikel und Pressen zwischen den Fingern stellt man fest, dass diese ähnlich hart wie Steine sind. Partikel, die < 0,5 mm sind, neigen dazu, an den Wänden des Erlenmeyer-Glases zu kleben. Letzteres ist ein Problem für die exakte Auswertung der enzymatischen Hydrolyse, so dass Enzyme keinen ausreichenden Zugang zu den an den Wänden klebenden Teilchen haben. Deshalb werden für den Fall der Zersetzung der Pellets durch Mahlen im folgenden Beispiel Partikel zwischen 0,5 mm und 0,71 mm für die enzymatische Hydrolyse verwendet.
Beispiel 5: Enzymatische Hydrolyse
Die enzymatische Hydrolyse wird wie folgt durchgeführt: 1,5 g der jeweiligen Probe werden in einen 500 ml Erlenmeyer-Kolben gegeben. Dazu werden 40 g entionisiertes Wasser gegeben. Dann werden 2 ml einer sogenannten pen-strep-Mischung (1,8 mg Penicillin und 3 mg Streptomycin pro ml) zugegeben. Die Mischung wird mit 1M H₂SO₄ und 1M NaOH auf pH 5 gebracht. Dann werden 108 µl CTec2 und 12 µl HTec2 von Novozymes zugegeben und ein Gesamtgewicht von 60 g eingestellt (Zugabe von entionisiertem Wasser), so dass der Trockengehalt bei 2,5 Gew.-% ist. Die Mischung wird bei 150U/min, 50°C für 72 Stunden in einem Inkubationsschüttler geschüttelt. Dabei wird jede enzymatische Hydrolyse dreifach durchgeführt und für die Auswertung der Mittelwert der Durchführungen verwendet. Es werden nach 0, 24, 48 und 72 Stunden Proben genommen. Der Glucosegehalt wird jeweils unter Verwendung eines YSI 2900 Biochemistry Analyzer von Xylem Inc. gemessen. Dafür wird ein 1 ml Probe genommen, für 10 min bei 1300 U/minzentrifugiert, und 300 µl des Überstands in das Gerät gegeben. Der Xylosegehalt wird mit einem D-Xylose Assay Kit (erhältlich von Megazyme) bestimmt.

Folgende Proben werden der zuvor beschriebenen enzymatischen Hydrolyse unterzogen:

Probe a1:	nach Beispiel 2 erhaltenes Material der Probe a) (unbehandelt - nicht pelletiert)
Probe a2:	nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe a) (unbehandelt - pelletiert)
Probe a3:	nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe a), die einer Mahlbehandlung unterzogen sind (unbehandelt - pelletiert - gemahlen)
Probe b1:	nach Beispiel 2 erhaltenes Material der Probe b) (in Wasser gequollen - nicht pelletiert)
Probe b2:	nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe b) (in Wasser gequollen - pelletiert)
Probe b3:	nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe b), die einer Mahlbehandlung unterzogen sind (in Wasser gequollen - pelletiert - gemahlen)
Probe c1:	nach Beispiel 2 erhaltenes Material der Probe c) (in Säure gequollen - nicht pelletiert)
Probe c2:	nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe c) (in Säure gequollen - pelletiert)
Probe c3:	nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe c), die einer Mahlbehandlung unterzogen sind (in Säure gequollen - pelletiert - gemahlen)

Beobachtungen der Ergebnisse:
Wie aus 6 entnommen werden kann, liegt der Glucosegehalt nach 72 Stunden der enzymatischen Hydrolyse bei allen Proben a1 bis a3, b1 bis b3 und c1 bis c3 in einem Bereich von über 5 g/l. Selbst bei der Probe a2 (unbehandelt - pelletiert - nicht gemahlen) erhält man einen Glucosegehalt von über 6 g/l, das nur unwesentlich unterhalb des Glucosegehalts der Probe b2 (in Wasser gequollen - pelletiert - nicht gemahlen) liegt. Im Gegensatz dazu ist der Glucosegehalt bei Verwendung eines Pellets der Probe c2 (in Säure gequollen - pelletiert - nicht gemahlen) etwas schlechter. Interessant ist allerdings, dass Umsetzungen mit der Probe b3 (in Wasser gequollen - pelletiert - zermahlen) zu einem höheren Glucosegehalt nach 72 Stunden führt als bei den Proben a3 (unbehandelt - pelletiert - zermahlen) und c3 (in Säure gequollen - pelletiert - zermahlen), die ungefähr im gleichen Bereich liegen. Insgesamt kann daraus geschlossen werden, dass zermahlene Pellets, die aus in Wasser gequollener Biomasse hergestellt wurden, die vielversprechendste Variante für den Erhalt eines hohen Glucosegehalts ist. Allerdings zeigen die Ergebnisse auch, dass selbst die nicht zermahlenen Pellets, die aus unbehandelter oder in Wasser gequollener Biomasse hergestellt werden, immer noch einen relativ hohen Glucosegehalt ermöglichen, d.h. selbst mit Pellets, die auf einfache Weise ohne großen Wasserverbrauch hergestellt werden können, und für die enzymatische Hydrolyse nicht zermahlen werden müssen, kann somit ein ausreichender Glucosegehalt erzielt werden. Die Einbußen bei der Ausbeute sind gegenüber dem Vorteil hinzunehmen, dass kein Wasser für das Quellverfahren verwendet werden muss und der Schritt des Zermahlens eingespart werden kann.
Ebenso sieht man die Glucose-Ausbeute aus 7 für alle Proben. Erstaunlich ist, dass die Glucose-Ausbeute bei den Proben a3 und a2 höher liegt als bei der Probe a1, bei der die Biomasse nicht pelletiert wurde. Auch wenn die Glucose-Ausbeute bei den Proben b2 und b3 bzw. c2 und c3 niedriger liegt als bei den Proben b1 und c1, so liegt insbesondere in den Fällen der Proben b2 und b3, bei denen die Biomasse in Wasser gequollen wurde, die Ausbeute immer noch in einem akzeptablen Bereich.
In 8 kann der Xylosegehalt über den Verlauf der enzymatischen Hydrolyse mit allen Proben gesehen werden. Interessant ist hier, dass der Xylosegehalt bei den Proben c1 - c3 bereits vor Beginn der enzymatischen Hydrolyse einen relativ hohen Wert einnimmt. Im Gegensatz dazu sind die Anfangsgehalte der Xylose bei den Pellets, deren Biomasse nicht in Säure gequollen wurde, wesentlich niedriger, d.h. der Anstieg des Xylosegehalts insgesamt ist also für nicht in Säure gequollene Biomasse wesentlich größer. Auch liegen die Glucosegehalte der nicht in Säure gequollenen Biomasse-Pellets nach 72 Stunden der enzymatischen Hydrolyse in einem ähnlichen Bereich wie für die in Säure gequollene Biomasse-Pellets. Interessant ist, dass Pellets, die nicht zermahlen wurden und deren Biomasse in Wasser gequollen wurde, nach 72 Stunden der enzymatischen Hydrolyse einen sehr hohen Xylosegehalt aufweisen.
Aus 9 ist ersichtlich, dass die pelletierten und nicht zermahlenen Beispiele die höchste Ausbeute zeigen, gefolgt von den pelletierten und nicht zermahlenen und nicht pelletierten Proben. Jedoch ist der Unterschied zwischen den pelletierten und zermahlenen Proben bemerkenswerter als bei den Glucose-Ergebnissen. Das zeigt, dass durch Pelletieren und Zermahlen bei dem Verfahren, bei dem nicht in Flüssigkeit gequollen wird, die Xylose-Ausbeute verbessert wird. Weiterhin kann gesehen werden, dass die drei in Wasser gequollenen Proben eine relativ hohe Xylose-Ausbeute ergeben. Die Umsetzungen mit den Pellets, bei denen die Biomasse in Säure gequollen wurde, zeigen insgesamt niedrigere Xylose-Ausbeuten.
Es kann somit aus den Ergebnissen geschlossen werden, dass Pelletieren im Falle von nicht gequollener Biomasse insgesamt vorteilhaft ist. Aber selbst bei in Wasser gequollener, zu Pellets verarbeiteter Biomasse kann eine hohe Ausbeute erzielt werden.
10 zeigt die pH-Werte der Lösungen nach der enzymatischen Hydrolyse, die für die nicht in Wasser gequollene und pelletierte Biomasse relativ hohe Werte zeigen. Der ideale pH-Wert bei der enzymatischen Hydrolyse liegt bei pH 5, sodass der relativ hohe pH-Wert bei der nicht in Wasser gequollenen, pelletierten Biomasse wohl den Ausschlag für die hier erhaltenen unerwartet hohen Ausbeuten gibt.
Beispiel 6: Ethanol Fermentation:

Es werden Brühen gemäß dem Beispiel 5 aus den Proben b1 (unpelletiert) und b2 (pelletiert) hergestellt, mit dem einzigen Unterschied gegenüber der Anleitung aus Beispiel 5, dass die Pellets der Probe b2 vor der enzymatischen Hydrolyse in einem Rotationsschüttler 2 h bei 50°C und 250 U/minbehandelt werden. Die nach 72 h erhaltenen Brühen werden jeweils in einer Eppendorf 5010 Zentrifuge bei 3000 U/minfür 20 min zentrifugiert, wobei die flüssige Phase von der festen Biomasse abgetrennt wird. Der Glucosegehalt und der Xylosegehalt werden wie in Beispiel 5 beschrieben bestimmt. Als nächstes werden 30 ml des Überstands in ein 50 ml Glasfläschchen gegeben. Zu dem Medium werden 10 g/l Hefeextrakt (Sigma, SKU Y1625) und 20 g/l Peptone (vegetable, no.1 for microbiology, Sigma, SKU 19942) gegeben, und das notwendige Volumen einer 1 mol/L NaOH-Lösung (erhältlich von VWR) wird zugegeben, bis ein pH-Wert von 5,5 erreicht ist. Die Lösung wird dann in einem Autoklaven (erhältlich von Sanamij B.V.) für 20 min bei 120°C sterilisiert, und anschließend auf 33°C abgekühlt. Dann werden 2 g/l Dr. Oetker Backhefe zugegeben. Der Glasfläschchenverschluss wird mit einer Nadel durchstochen, damit Proben entnommen werden können und CO₂-Gas entweichen kann. Es wird bei 33°C für 48 h in einem Binder WTC Inkubator fermentiert und es werden jeweils 1 ml der Probe mit einer 2 ml Spritze bei 18, 24 und 48 h entnommen. Die Probe wird mit einer Haraeus Biofuge Fresco Mikrozentrifuge bei 13.000 x g für 10 min zentrifugiert und dann mit einem Whatman Puradisc Spritzenfilter (25 mm Durchmesser, 0,45 µm PTFE Membran) filtriert. Die Menge des hergestellten Ethanols wird unter Verwendung eines Ethanol Assay Kits (erhältlich von Megazyme) bestimmt. Tabelle 1:

Probe	Glucosekonzentration [g/l]				Ethanol konzentration [g/l]
Probe	anfänglich	Standardabweichung	nach 48 h	Standardabweichung	nach 48 h	Standardabweichung
b1	6,33	0,22	0,17	0,04	3,37	0,31
b2	6,7	0,17	0,26	0,02	3,32	0,33

Wie aus Tabelle 1 gesehen werden kann, sind die Ethanolausbeuten bei beiden Proben b1 und b2 nahezu gleich, wenn man die Standardabweichungen mit in Betracht zieht.
Beispiel 7: Itaconsäure Fermentation:
Es werden Konidiosporen (A. niger) auf Agarplatten aufgetragen, die die folgende Zusammensetzung aufweisen: 16 g/l Agar, 6 g/l NaNO₃, 0,52 g/l KCl, 1,52 g/l KH₂PO₄, 10 g/l Glucose, 0,0022 g/l ZnSO₄.7H₂O, 0,0011 g/l H₃BO₃, 0,0005 g/l MnCl₂.4H₂O, 0,0005 g/l FeSO₄.7H₂O, 0,00017 g/l CoCl₂.6H₂O, 0,00016 g/l CuSO₄.5H₂O, 0,00015 g/l NaMoO₄.2H2O, 0,005 g/l Na₂EDTA und 0,5 g/l Mg₂SO₄. Eine Suspension der Konidiosporen wird unter Verwendung einer physiologischen Salzlösung hergestellt. Eine sterile sogenannte „deepwell“ Mikrotiterplatte (2.0 mL, Axygen) wird mit 1 ml der aus Beispiel 5 (Probe b2) erhaltenen Brühe gefüllt. Dazu wird NH₄NO₃ zugegeben, bis die Gesamtkonzentration 1,43 g/l beträgt. Ebenso wird KH₂PO₄ in einer Menge zugegeben, dass die Gesamtkonzentration 0,11 g/l beträgt. Die Suspension der Konidiosporen wird verwendet, um die Platten anzuimpfen, indem sterilisierte Zahnstocher verwendet werden. Die Mikrotiterplatte wird mit einer atmungsaktiven Folie verschlossen und in einem Schüttelinkubator für Mikrotiterplatten bei 35°C/850 U/minfür bis zu 96 h inkubiert.
Nach der Inkubation wird der Überstand durch eine 0.2 µM Filterplatte (Corning Inc.) gefiltert. Der Überstand wird dann durch HPLC unter Verwendung eines WATERS e2695 Separations Module mit einer Aminex HPX-87H Säule (Bio-Rad) und 5 mM H₂SO₄ als Laufmittel analysiert. Die Detektion der Peaks erfolgt zeitgleich mit einem Brechungsindexdetektor (WATERS 2414) und einem sogenannten „Dual-wavelength detector“ (WATERS UV/Vis 2489). Die Datenverarbeitung erfolgt mit Empower Pro Software (Empower 2 Software, Copyright 2005-2008, Waters Corporation, Milford, Massachusetts, USA).
Nach 96 h Fermentation weist die Lösung eine Konzentration an Itaconsäure von 1,3 g/l auf. Die 11 zeigt die Ausgangskonzentrationen der Zucker Glucose, Xylose und Arabinose (0 h) sowie den Verbrauch dieser Zucker nach 24 h und 96 h. Nach 96 h kann keiner der Zucker mehr nachgewiesen werden. Das lässt darauf schließen, dass alle Zucker vollständig fermentiert werden.

Claims

Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, wobei die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist.
Verwendung nach Anspruch 1, worin die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen laugenfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen zusatzstofffreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist, wobei organische Säure oder Mineralsäure bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung anwesend sein kann.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin man die Lignocellulose-Biomasse vor der Wasserdampfexplosionsbehandlung in Wasser oder verdünnter Säure quellen lässt oder nicht in einer Flüssigkeit quellen lässt, vorzugsweise in Wasser quellen lässt oder nicht quellen lässt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Wasserdampfexplosionsbehandlung in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die der Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogene Lignocellulose-Biomasse bis zu einem Wassergehalt von 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Lignocellulose-Biomasse einschließlich Wasser, getrocknet und anschließend zu Presslingen gepresst wird.
Verwendung nach Anspruch 6, worin die gesamte Feststoffmenge der der Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogenen Lignocellulose-Biomasse getrocknet und zu Presslingen gepresst wird.
Verwendung nach Anspruch 6, worin bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung gebildete monomere Zucker vor dem Pressen der Presslinge abgetrennt werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Herstellung der Presslinge an einem ersten Ort und die Herstellung der organischen Moleküle an einem zweiten Ort stattfinden, wobei die Presslinge mit einem Transportmedium von dem ersten Ort zu dem zweiten Ort gebracht werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Herstellung der organischen Monomere den Schritt der enzymatischen Hydrolyse von Cellulose oder Hemicellulose zu monomeren Zuckern umfasst.
Verwendung nach Anspruch 10, worin die Herstellung der organischen Monomere den Schritt der katalytischen oder biokatalytischen Umsetzung der monomeren Zucker umfasst.
Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind.
Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose zu monomeren Zuckern und 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind, wobei die monomeren Zucker aus der Lignocellulose-Biomasse vor der Herstellung der Presslinge abgetrennt sind.
Presslinge nach Anspruch 12 oder 13, worin die Presslinge im Wesentlichen ammoniakfrei, vorzugsweise im Wesentlichen laugenfrei, vorzugsweise im Wesentlichen zusatzstofffrei sind, mit Ausnahme von organischer Säure oder Mineralsäure.
Presslinge nach einem der Ansprüche 12 bis 14, die eine Schüttdichte im Bereich von 600 kg/m³ bis 1.200 kg/m³, vorzugsweise 800 kg/m³ bis 1000 kg/m³, aufweisen.
Presslinge nach einem der Ansprüche 12 bis 15, die derart ausgebildet sind, dass sie nach einem vollständigen Eintauchen in Wasser mit einer Temperatur von 25°C für 2 h einen Gewichtszuwachs von weniger als 10 Gew.-%, stärker bevorzugt von weniger als 5 Gew.-% und noch stärker bevorzugt von weniger als 3 Gew.-%, erfahren, bezogen auf das Gesamtgewicht der Presslinge vor dem Eintauchen.