VL6 Feedstock Pretreatment Flashcards
Was sind generelle Aspekte bei der Nutzung von Biomasse als Substrat?
- Zusammensetzung; Lebensmittelreste (größtenteils einfach zugängliche Zucker) vs. Holz (viel störendes Lignin)
- Je nach Substrat ist Vorbehandlung nötig, um Monomere für die MOs zugänglich zu machen (sterische Hinderung oder schwer zugängliche chemische Struktur) -> Monomere (C5/C6-Zucker) immer das Ziel
- Lignin stört bei der Nutzung der Biomasse
Was ist die Zusammensetzung von Hemicellulose, seine physikalischen Eigenschaften und wie kann es von MOs genutzt werden?
Heterogene Gruppe von Polysacchariden (enthält Xylose/Mannose; verzweigt und nicht so geordnet wie Cellulose
Amorph (nicht-kristallin/ungeordnet), wasserlöslich -> besser für MO-Zersetzung
MOs verfügen über Hemicellulasen und können Hemicellulose in Monomere spalten
Was ist die Zusammensetzung von Cellulose, seine physikalischen Eigenschaften und wie kann es von MOs genutzt werden?
Lineares Polysaccharid mit regelmäßiger Struktur aus beta-1,4-verknüpften Glukose-Einheiten
Geordnet und kristallin, wasserunlöslich und mit starker glykosidischer Bindung -> schlechter für MO-Zersetzung
Bestimmte MOs verfügen über Cellulasen und können die Glukose verfügbar machen
Was ist die Zusammensetzung von Lignin, seine physikalischen Eigenschaften und wie kann es von MOs genutzt werden?
komplexes, irreguläres Polymer mit vielen Phenol-Verbindungen; bildet starres Netzwerk für stabile pflanzliche Zellwände
Lignin ist sehr resistent gegenüber mikrobieller Degradation; hydrophob und bildet eine physische Barriere -> Enzyme ohne Zugang zu Cellulose und Hemicellulose
Nur wenige spezialisierte MOs verfügen über Enzyme zur Spaltung von Lignin
Was ist das Prinzip physikalischer Vorbehandlungsmethoden und welche Beispiele gibt es?
Physisch die Struktur der Biomasse verändern -> Enzyme oder Chemikalien haben in folgenden Schritten mehr Angriffsfläche
Mahlen, Extrusion
Was sind Vor- und Nachteile der chemischen Vorbehandlung mit Säuren?
+ Effizienz/ Effektivität bei der Spaltung von Hemicellulose und Lignin
+ Anwendungsbereich: auf viele Substrate anwendbar
- Korrosivität: Prozessequiment wird beeinträchtigt bzw. muss spezialisiert werden -> Kostenfaktor
- Bildung von Inhibitoren: Furfural und HMF entstehen (inhibierend bei Fermentation)
- Umweltaspekt: Säuren müssen vor Entsorgung aufwendig neutralisiert werden
Was sind Vor- und Nachteile der chemischen Vorbehandlung mit Laugen?
+ Effektiv bei Ligninspaltung
+ Umweltaspekt: weniger korrosiv und gefährlich als Säuren
+ Geringere T und p nötig; geringere Energiekosten
- Unvollständige Hydrolyse: nicht so effektiv bei der Zersetzung von Hemicellulose wie Säuren
- aufwendige Entsorgung nötig
Was sind Vor- und Nachteile der chemischen Vorbehandlung mit organischen Lösungsmitteln?
+ Hohe Qualität und Reinheit der Produkte
+ geringer Umwelteffekt, da LöMis wiedergewonnen werden
+ Geringes Maß an Inhibitorentstehung
- hohe Kosten
- hoher Energieaufwand, insb. durch Rückgewinnung
Was sind Vor- und Nachteile der Dampfexplosion?
+ Effektiv; bricht Struktur auf, auch Zellwände -> verbessert Enzym-Zugang und Verdaubarkeit
+ Vielseitigkeit; möglich für viele Substrate
+ Umweltaspekt; keine Chemikalien nötig, nur Wasser
- Inhibitorbildung: Furfural und HMF fallen beim Abbau von Zuckern an
- Unvollständige Zersetzung: Hemicellulosen bleiben zurück, verschlechtert Ertrag bei der Fermentation
Was sind Vor- und Nachteile von flüssigem Heißwasser?
+ Effektiv: hydrolysiert Hemicellulose und stört Lignin strukturell
+ Vielseitig auf viele Substrate anwendbar
+ Umweltaspekt; keine Chemikalien, nur Wasser
- Energieintensiv; hohe T und p
- Inhibitorbildung; Furfural und HMF stören Fermentation
- Unvollständiger Abbau: Lignin wird nicht zersetzt und hindert den Zugang von Enzymen zu Cellulose evtl. dennoh
Wie läuft das Verfahren mit flüssigem Heißwasser ab?
- Wasser wird bei 160-240°C unter hohem Druck gehalten, damit es flüssig bleibt; wirkt dabei sowohl als Lösemittel als auch als Katalysator für die Aufspaltung der Bindungen der Hemicellulose
- Die Mischung kühlt ab und wird dann getrennt; feste Bestandteile (Cellulose, Lignin) und flüssige (Zucker aus Hemicellulose)
- Weitere Prozessierungssschritte sowohl für feste (enzymatischer Verdau) als auch flüssige Bestandteile (Aufreinigung)
Was ist AFEX? Was sind Vor- und Nachteile?
Ammonium Fiber Expansion Process; flüssiger Ammoniak bei moderater Temperatur -> Strukturelle Veränderung verbessert Verdaubarkeit für enzymatische Spaltung
+ Kaum Inhibitorbildung; geringe Konzentration von Furfural, HMF
+ Retention von Hemicellulose in der Biomasse; kann verbessertes Angebot von Zuckern in der Fermentation bedeuten
+ Ammoniak-Widergewinnung im Prozess möglich
- Hohe Kosten für Ammoniak
- Sicherheitsfaktor: Arbeiten mit Ammoniak
- Unvollständige Lignin-Behandlung; Struktur nur gestört, aber nicht zersetzt
Was sind allgemeine Vor- und Nachteile biologischer Vorbehandlung?
+ Umweltfreundlich
+ Mild; Weniger Energieintensiv, weniger Inhibitoren
+ Selektiver enzymatischer Abbau: Lignin effizient zersetzt, ohne Cellulose zu beeinträchtigen
- Langsam
- Effizienz und Effektivität variiert stark je nach Anwendung
- Passendes Enzym/MO nötig
Welche Enzyme können enzymatische Hydrolyse durchführen?
Endoglucanase (EG) bricht 1,4-Bindungen und spaltet kürzere Ketten heraus
Cellobiohydrolase (CBH) spaltet Ketten aus 2 Glukose-Einheiten heraus
Beta-Glucosidase (BG) spaltet kurze Ketten aus 2 in einzelne Glukose-Einheiten
Lytic Polysaccharide Monooxygenase (LPMO) bewirkt mit Peroxiden Kettenbrüche
