Optimization of a static mixer design for nanolignin precipitation in a lignocellulosic biorefinery

Description:

Lignin ist nach der Zellulose das weltweit zweithäufigste Biopolymer und stellt beispielsweise etwa ein Drittel der Masse trockenen Holzes, wo es zur Stabilität und zum Schutz der Pflanze beiträgt. Bei der Verarbeitung von Holz zu Zellstoff und Papier fallen sehr große Mengen an Lignin an, die heute jedoch noch immer keiner hochwertigen Verwertung zugeführt werden, sondern lediglich energetisch genutzt werden können (Verbrennung zur Deckung des Energiebedarfs). Die chemische Struktur des polyphenolischen Polymers ermöglicht jedoch eine ganze Reihe hochwertgeschöpfter Anwendungen, die speziell auch die physikalischen, chemischen und biologischen Besonderheiten des Lignins ausnützen. Dazu zählen beispielsweise die Nutzung als Füllstoff oder Verstärkungsphase in biogenen Polymer-Nanoverbundwerkstoffen, die Verwendung in bakteriziden und antioxidativ wirksamen Verpackungsmaterialien, die Nutzung der UV-absorbierenden Eigenschaften in Sonnencremes und Kosmetika, sowie die Verwendung als Träger für pharmazeutisch aktive Komponenten im Körper medizinischer Patienten. Für diese Anwendungen ist das Vorliegen des Lignins als nanoskalige Partikel erforderlich oder erhöht zumindest deutlich die Funktionalität. Weiters müssen die Ligninpartikel möglichst frei von Verunreinigungen wie Schwefel, Zucker oder Zuckerabbauprodukten sein.

Im Forschungsbereich Thermische Verfahrenstechnik und Simulation wird mittels Organosolv-Extraktion von biogenem Material (Stroh, Holz) ein hochwertiges Lignin-Extrakt hergestellt und ohne weitere Reinigungsschritte durch Fällung in einem Gegenlösungsmittel (oder durch Eindampfung) eine Nanolignin-Partikelsuspension hergestellt (typische Partikelgröße 100nm), die (neben anderen Begleitstoffen) noch etwa 15% Ethanol sowie Zucker und Zuckerabbauprodukte enthält. Die effizienteste Ligninfällung wird durch Zugabe eines Gegenlösungsmittels erreicht. Eine sehr schnelle und effiziente Durchmischung des Organosolv-Extrakts, in welchem das Lignin gelöst ist, und dem Gegenlösungsmittel ist für das Erreichen möglichst kleiner Partikelgrößen essentiell.

In dieser Arbeit soll der Fällungsschritt von Nanolignin bei konstantem Organosolv-Aufschluss weiter optimiert werden. Hierzu sollen verschiedene Mischertypen gebaut und bei unterschiedlichen Betriebsparametern zur Ligninfällung experimentell betrieben und verglichen werden. Zur weiteren Untersuchung des Mischvorganges im mikroskaligen Bereich ist eine unterstützende CFD-Simulation des Mischapparats vorgesehen, deren Ergebnis mit dem expereimentellen Resultat verglichen werden kann.

• Erstellung von geeigneten Versuchsplänen mittels Design of Experiment Methoden
• Durchführung der Organosolv Aufschlüsse zur Produktion des für die Versuche notwendigen Extrakts
• Analyse der gewonnenen Organosolv Extrakte sowie der verbleibenden Biomasse
• Durchführung von Experimenten zur Herstellung von Nanolignin aus den gewonnenen Lignin-Extrakten
• Variation von Mischergeometrie und Fällbedingungen
• Analyse des gewonnenen Nanolignins
• CFD-Simulation des Mischvorganges
• Auswertung der Ergebnisse und Ermittlung der optimalen Betriebsparameter

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Contact:
Dipl.-Ing. Dr.techn. Martin Miltner
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Anton Friedl