Extraktion von Zellstoff aus Nicht‐Holzpflanzen und Vergleich mit Holzpflanzen

Ein Trend in der Zellstoff- und Papierindustrie ist die Nutzung von Nicht-Holzpflanzen, z. B. Einjahrespflanzen Gräsern. Sie sollen Bäume als Rohstoffquelle für Zellstoff substituieren. Da sich Zusammensetzung Fasereigenschaften unterscheiden, müssen diese bewertet werden. In dieser Machbarkeitsstudie wurden aus Hopfen, Hanf Miscanthus extrahiert, Ausbeuten untersucht mit verfügbaren Daten Kiefern- Fichtenholz (Northern Bleached Softwood Kraft) verglichen. Es zeigten sehr hohe bis zu 86,6 Ma.-% den Natural-Pulping-Aufschluss sowie eine niedrige Kappa-Zahl 3,5 Miscanthus. Demnach wurde fast das gesamte Lignin entfernt. Damit bestätigt chemische Wirksamkeit Aufschlüsse große Potenzial One trend the pulp and paper industry is use of nonwood plants, such as annual plants grasses. They are intended to substitute trees a raw material source for pulp. Since composition fiber properties differ, they need be evaluated. this feasibility study, was extracted from hops, hemp, miscanthus, yields were investigated compared with available data pine spruce Kraft). Very high up 86.6 wt % found natural pulping low kappa number 3.5 miscanthus. Accordingly, almost all lignin removed. This confirms chemical efficiency pulps underlines great potential Cellulosefasern werden Herstellung Papier eingesetzt. Eine übliche Quelle Holz. Historisch gesehen waren jedoch Gräser, Bedeutung. Murti Seshardi berichteten, dass zur Mitte des 18. Jahrhunderts Stroh Gras Hauptquelle Cellulose Papierherstellung genutzt wurden, Holz abgelöst 1. Cross schrieb 1916, 1861 Espartogras („esparto grass”) 1880 Holzcellulose neue Rohmaterialien entdeckt 2. 1833 Bambus Rohstoff berichtet 3. Die Cellulosefaser nahm ab 1900 rapide 4. Auch nach Verbreitung Holzzellstoff alternative Faserquellen Gegenstand Forschung Entwicklung. forschten 1940er Jahren an Reisstroh 1, 5. West berichtete 1922 Bambus, Baumwolllinters Papyrus Alternative 6. Dickson verglich 1923 Eigenschaften Hanf- Holzfasern Papierzellstoff 7. Publikationen 1950er wird über Zellstoffgewinnung 8, Weizenstroh 9, 10 verschiedenen Getreiden 11 berichtet. war Zeit bereits dominierende 11. Diese Situation hat nachfolgenden Jahrzehnten nicht geändert 12. Neben Rohstoffquellen Zellstoffherstellung entwickelten Aufschlussverfahren. Bereits 1867 meldete C. Tilgham ein Patent Calciumbisulfit-Verfahren Zellstoffen an. 1872 folgte schwedische Ingenieur D. Ekman einem Verfahren Fabrikation Sulfitzellstoff durch Einsatz Magnesiumbisulfit Kochsäure. Das 1875 dem Chemiker Alexander Mitscherlich Industriereife weiterentwickelt 13. Eines heute hauptsächlich verwendeten Aufschlussverfahren 1879–1884 F. Dahl erfunden. sogenannte Sulfatverfahren leitet seinen Namen Natriumsulfat ab. während Kochlaugenrückgewinnung eingesetzt, um Natrium- Schwefelverluste auszugleichen. Der Erfolg dieses Verfahrens darauf zurückzuführen, es alle vorkommenden Holzarten eingesetzt kann 14. Trotz seines großen Potenzials gab seiner Erfindung Bedenken hinsichtlich Umweltwirkung auch wegen hoher Investitionskosten 15. Hinzu kam, Gräser nur begrenzt verwendet konnten. Obwohl gut aufgeschlossene Zellstoffe hergestellt konnten, ergab Entfernung Silikate Gewinnung Kochlauge. Dies führte Entwicklung weiterer 16. 1985 Sundquist Milox-Verfahren vorgestellt (Sundquist 17). beruht auf Forschern Reznikov Zilbergleit (Reznikov & 1980 17, et al. 1981 17) Idee, Peroxyameisensäure Aufschlussmittel verwenden. Weiterentwicklung zweistufiger Aufschluss, bei Ameisensäure 17. Zu zählt ferner ASAM-Aufschluss (alkalisches Sulfit-Anthrachinon-Methanol), R. Patt O. Kordsachia entwickelt wurde. stellt einen bereit, deutlich leichter gebleicht Durch Lösungsmitteln Grad Delignifizierung erhöht Gleichzeitig ergeben Ausbeute, Helligkeiten gute Festigkeitseigenschaften 19. ASAM-Verfahrens bildet PH-ASA (Vorhydrolyse alkalisches Sulfit-Verfahren), vorgeschaltete Säurehydrolyse (PH) verfügt. diesem Methanol ASAM-Aufschlusses eliminiert Veränderung 20 Na2SO3:NaOH-Verhältnisses Art NaOH-Zugabe kompensiert 21. weiteres Verfahren, ASAM ähnlich ist, 1992 Kehlheim, Deutschland, Betrieb genommen Organocell-Verfahren Natriumhydroxid, katalytische Anteile Anthrachinon Kochchemikalien einsetzt. Überdies 1889 Firma Repap Enterprises Newcastle Kanada Alcell-Anlage eröffnet. verbindet Verarbeitungsmethoden Chemie klassischen Aufschlusselementen Zellstoffindustrie nutzt Wasser Ethanol Aufschlussmedien Gerade zum Ende 20. viele weitere Entwicklungen bezüglich Zellstoffe. Dabei Möglichkeit Aufschlusses oft Innerhalb Natural-Pulping, Soda-Kochung Acetosolv-Verfahren verwendet. Weitere Informationen diesen sind Supporting Information (SI) entnehmen. Aufgrund weltweit steigenden Nachfrage Faserstoffen gesteigerten Umweltbewusstsein entwickeln Faserstoffe einer wichtigen Ressource 22. letzten zunehmend gegenüber wieder Betracht gezogen 23-28. Beispiele dafür wie 25-30 (Chinaschilf) 31-44. Hopfen 45 prinzipiell Hier dessen Agrarreststoffe mögliche Ressource. Mit Rohstoffe erhofft man Umweltvorteile. Aus Grund beschäftigt alternativen Faserstoffen. Ziel Untersuchungen es, wichtigsten Fasermerkmale Nicht-Holzpflanzen Fasern Fichte Kraft, NBSK) vergleichen. sowohl Hopfenstängel Verschiedene Zellstoffkochungen (das Acetosolv-Verfahren, Soda-Kochung, Sulfatverfahren) angewendet. Um Vergleich ermöglichen, Qualitätsparameter (Ausbeute Restligningehalte) analysiert. abschließenden Bewertung erörtert, ob Ersatz NBSK eignen Indikation gibt, großindustrielle Zellstoffkochung dargestellt kann. Für Versuche gereinigter Deutschland Dieser Anfang November 2021 geerntet Stauden kühl trocken ohne Licht gelagert. Lagerzeit Beginn betrug 6 Monate. ausschließlich Hopfenstauden verwendet, da dabei handelt, weiterverarbeitet Trockenmasse 92,54 Ma.-%. kürzen verarbeitbare Größe bringen, mittels Schneidemühle (Firma Retsch, Haan, Deutschland) Rotationsgeschwindigkeit 1000 rpm zerhäckselt beigelegten mittleren Siebs (10 mm) weiter sortiert. fertige Mahlgut weiteren Extraktionen einige Prüfungen notwendig, Mehl erzeugen. gehäckselten Kugelmühle (PM100, zerkleinert. Zerkleinerung fand drei Durchgängen 500 je 4 min jeweils acht Kugeln statt. Im Anschluss Staudenmehl nochmals eines 4-mm-Siebes größeren Faserstücken getrennt. Grundlage Bestimmung Extraktstoffgehalte. verwendete stammt HANF FARM GmbH (Melz, Deutschland), Bezeichnung „Bio Stängel Pulver DE-ÖKO-021”, Batch DE07-003-020. handelt Hanfspäne, Bastfasern Reststoff zurückbleiben. zuvor beschrieben bestimmt 93,7 folgenden eingesetzte Niederlanden Projektpartner Verfügung gestellt. genauso vorbereitet durchlief dieselben Zerkleinerungsschritte (s. Abschn. 2.1.1). 94,24 Kommerziell verfügbare NBSK-Fasern Mercer International Inc. selbst Ergebnisse Ausarbeitung dienen anderen Proben. Kenndaten bilden Mittelwerte unterschiedlicher Produkte ab, Kanada. allen Produkten NBSK-Zellstoffe vergleichbaren Rohstoffzusammensetzungen. anorganischer Bestandteile pflanzlichen Materials (Abb. 1) vor Zellstoffextraktion erfolgte Veraschung (Phoenix Microwave Furance Verascher, CEM Corporation, New York, USA). Verascher genormte Temperatur 575 °C gebracht Proben verascht. gravimetrisch ausgewogen (VWR Science Education Waage, Typ LPC-423p, Radnor, Klason-Lignin-Gehalts Anlehnung TAPPI-Norm T222 om02 statt 46. Analyse 72 Vol.-%iger Schwefelsäure (AppliChem GmbH, Darmstadt, behandelt. Auf Weise kam sauren Aufschluss Hemicellulosen Cellulosen. Polysaccharide hydrolysiert aufgelöst, wodurch erhalten blieb. Ligninanteils gemahlenen im vorangegangenen Schritt Extraktstoffen gelöst wurden. richten US-Patent US6183597B1 47; genaue Beschreibung Kochungsverfahren SI finden. Zunächst g ofentrockenen Faserstoffes 150 mL Methansäure (98 Vol.-%) versetzt. einstündige Kochung konstanten 109 °C. Während 20, 30, 40 50 5 Wasserstoffperoxid (33 Kolben dosiert. kleiner Teil anschließend Trockenofen 105 Erreichen Gewichtskonstanz getrocknet, Gewicht danach vergleichen können. Daraus Ausbeute Zellstoffkochung. Abbildung durchgeführten Natural-Pulping-Verfahren 130 Ethansäure (100 %) Chlorwasserstoffsäure (37 befindet SI. 60-minütige 110 anschließender Abkühlungsphase. Faserbrei überdies Büchner-Trichters abgesaugt. zeigte schlechtes Entwässerungsverhalten Hopfenzellstoffes. Fall ebenfalls Trockengehalts Ausbeute. Bei Natronlaugenaufschluss. Insgesamt sollte Flottenverhältnis 1:9 kommen. 15 Vol.-% NaOH Bezug Faserstoff Natronlauge (20 ergab. Zusammen 1634 Druckbehälter gegeben SI) Kocher handelte Büchiglasuster (Büchi AG, Uster, Schweiz). darin 60 bar behandelt (Tab. 1). [min] [°C] Heizaggregat Überdruck [bar] 147 151 97 – 0 Inhalt abfiltriert. Hopfenfaserstoffes. Filtration möglich war, ausgewaschen. Dafür Rapid-Köthen-Blattbildner (Typ 95854, Karl Frank Weinheim-Birkenau, verfügt Wassersäule, feinmaschiges Sieb (mit nominalen Maschenweite 125 µm DIN ISO 3310-1:2017-11 48) wird. Durchmesser Siebdrähte musste Toleranzbereich 77 104 befinden (DIN EN 5269-1:2005 49). konnte größere Verluste gewaschen Maß relative Härte, also Bleichfähigkeit, Aufschlussgrad Lignins Faserstoffes. Norm 302:2015 50. Prüfung Ligninreste innerhalb Probe Kaliumpermanganat oxidiert. Bereich Ligningehalts zwischen zuverlässig. spezifischen Viskosität ηspez, Konzentration C Lösung Konstanten Kn = 0,339. Auswertung FS5 (FS5 Valmet Fiber Image Analyzer, Valmet, Espoo, Finnland) ermöglicht einzelnen analysieren. Messung optischen Fasern. verdünnt Messgerät gegeben, einzelne moderner Kameratechnik analysiert Sub-Pixel-Berechnung auswertet. können Rückschlüsse Faserlänge, -dicke, -krümmung aber Anteil Feinstoffe 53. Zusätzlich Mikroskopie Faserstoffe. weist 4,8 größten auf, gefolgt 1,6 2). zeigt Wert 0,5 Bergs fanden Stamm 1,9 2,4 anorganische („total ash”) Blättern 5,2 6,4 54. Bezogen harmonieren denen vorliegenden Studie. Interessant Hartholz. Ihnát dort 0,74 1,13 55. Werte gering Quellen. anorganischen Bestandteilen beträgt 13 56, 8,9 57, Banane 12,4 58 „Sarkanda” 8,2 59. unterscheiden Gewebe Pflanze Pflanzenart. Mineralgehalt Bodens Standort Klima abhängig. zählen unter anderem Calcium, Kalium Magnesium, Eisen Zink 60. Darüber hinaus Silikaten, Gerüstfibrillen enthalten zusätzliche Stabilität verleihen 61. Klason-Lignin-Gehalt gibt Auskunft vorhandene Lignin. Abb. 3 dargestellt. Besonders auffällig Ligninanteil 22,1 13,4 Relation ungebleichten Gehalt 26,9 62 liegen etwas niedriger. Literatur finden Lignin-Werte 28,3 63, 24,8 29,5 64 26,4 Kiefer 65. daher Ergebnissen anderer Studien. Ligningehalt 23,9 24,6 19,3 22,9 Blätter 54, 15,5 24,9 13,1 36,2 Yoo 66. Liu haben Ligningehalte verschiedener 67. lagen üblicherweise 12 31 hatte 9 68 bzw. 6,6 Rohmaterial 4,3 Hanf-Zellstoff 69. geringer gemessenen Ursachen bekannt. unbehandelten Herausforderung Verarbeitung dar. lösen somit Faserstruktur auszutragen. lassen dahingehend charakterisieren, sie Nicht-Faser-Bestandteile enthalten. Werden Asche, Extraktstoffe zusammengezählt, 28,9 gesamten erreicht Extraktstoffe). Asche großem Maße vom Erntezeitpunkt klimatischen Bedingungen späte Ernte höherer Ölgehalt trockene heiße Sommer tragen 70. hier spät wurde, so hohen begründen. These Pflanzen. Wuchshöhe 7,5 m benötigen Hopfens Steifigkeit, gewährleistet Annahme Studien untermauert erhaltenen lässt Holocellulosegehalt Pflanzen berechnen. Holocellulosen Merriam-Webster Online Dictionary definiert, wobei bestehen. Berechnung dementsprechend subtrahiert 71. ergibt Untersuchung behandelten 71,1 78,2 Hanf. Vergleichswerte beispielsweise zeigen ähnliche 74 85 72. damit guten Bereich, grundsätzlich Zellstoff-Ausbeuten sind. Kochverfahren miteinander deutlich, 48,0 befinden. Vergleichswert aufgeschlossenen Fichtenzellstoff. Przybysz 44 48 Nach Studie nahezu gleich NSBK Schilf („reed”) ermittelt 73. trotz geringen großindustriell festen konstanter Qualität generiert. Zudem schwierige Kiefern aufgeschlossen werden, solange Cellulosegehalt mindestens verfügen. Ebenfalls fäulnisgeschädigtem oder Rindenanteilen unproblematisch 74. Villaverde erzielten 52 57 75. Dieses Ergebnis liegt selben Reihe Hopfenzellstoffe niedrigsten 50,5 folgen 65,7 69,9 Acetosolv-Kochung ausgewertet 53 ähnlichen Sulfatverfahrens. könnte Ausgangsligningehalt (Auswertung s. zurückzuführen sein. Jedoch keine ausreichenden Belege Thesen vor. 86,8 höchste Natural-Pulping-Verfahren. Zellstoffeinsatz. Alle weisen positives zeigen, ausgewählten herzustellen. Differenzen neben oben genannten Ligningehalten unterschiedlichen Cellulosegehalte Ausgangspflanzen. beziehungsweise Restligningehalt ermöglichen jeweiligen Je weniger Restlignin vorhanden umso erfolgreicher Zellstoffherstellung, auszulösen. Anhand zunächst, bestmöglichen ermöglicht. 7,6 wonach weichen handelt. Dadurch zudem 1,0 Acetosolv-Verfahrens möglich. wies gleichen Bedarf Thiosulfatlösung Blindwert. genauer Scheitern gefunden Erklärung wäre jedoch, kein wenig abgebaut ließe erklären. erzielt 26,76 normale Zellstoffhärte erreicht. unzureichenden Soda-Verfahren hin Restligninanteil 3,0 4,0 Hanfzellstoffe höchsten Versuchsreihe. 28,5 25,5 76. demnach Hanffasern ausgelöst Natural-Pulping-Kochung. ebenso besten jetzigen Stand Kombination Eignung heraus. höher Angaben Literaturwerten 7,3 15,6 Wie Auswertungen Ligninwert, 1,5–2,5 liegt. Wertes möglich, aufwies Betrachtung Kappa-Zahlen gängigen NBSK-Zellstoff zeigt, meisten Messungen liegen. Grenzviskosität gilt, Grenzviskositätszahl zähflüssiger Lösung. Grundsätzlich Kettenlänge Cellulosemoleküle zusätzlich Schädigungen Ketten Grenzviskositäten Kochungen zusammengefasst. erste Versuchsreihe, Hopfens, niedrigste beim Acetosolv-Aufschlusses (147,3 g−1). Natural-Pulping 171,4 g−1. Abstand folgt 604,3 entspricht 3,5-fachen Natural-Pulping-Versuchs. kurze Kettenlängen. gerade Schädigung gekommen sein, negativ Festigkeit auswirkt erzeugt. Hanfs präsentiert 338,2 g−1 542,0 höheren Messungen. Ausschließlich 139,1 fällt Anzeichen Kochverfahren. Verhalten gezeigt hatte, davon ausgegangen direkten Zusammenhang sondern selbst. insgesamt höhere Werte. 544,3 547,5 Den Versuchsreihe 735,5 zähflüssig. NBKS-Vergleichswert, „total chlorfrei” 740 g−1, Bereich. Mittels FS5-Messung 7 einzelnen, längengewichteten Faserlängen ersten Blick 0,1 mm am kürzesten Außer konnten 0,7–0,8 längsten 1,2 mm, 1 mm. kürzere Acetosolv-Verfahren. näher beieinander. Sowohl Länge 0,8 Acetosolv-Aufschluss Faserlänge auf. aggressiven muss demnach, vermutet, Abbau Celluloseketten kürzeren erklären lassen. anhand Mikroskopie-Bilder erkennen. durchaus andere beiden NBSK-Zellstoffe. verdeutlichen Unterschied Nadelholzzellstoffen. NBSK-Sorten 1,9-mal Hanfs, längste hat. Harthölzern 0,6 55, verschiedene 30 2 Werten dokumentierten Längen 0,94 0,99 37. 1,47 gemessen 77. harmoniert dadurch unterschiedliche Anwendungsgebiete ca. 6–8 Ma.-%). gemessen. angegriffen. Faserbruchstücke, Feinstoffanteil 95,6 Probe. 79,9 86,0 Soda-Aufschluss. Feinstoffanteile Soda-Aufschluss 70,4 demgegenüber betrachtet 77,7 Ma.-%, 81,5 75,8 wirken Festigkeiten Papiere aus, Zum Erhalt möglichst lange benötigt, Bindungspunkte verfügen, Wasserstoffbrückenbindungen ausbauen loses Netzwerk geringeres Bindungspotenzial zeigt. FS5-Messungen Mikroskop untersucht. Bilder hundertfache Vergrößerung Faserbruchstücke abgebildet. Faserbündel aufgeschlossen. unkontrolliert angegriffen, breite Bruchstücke entstanden noch ganze Hopfenstängelstücke vorhanden. aufgrund Untersuchung, insbesondere Mikroskopieaufnahmen gescheitert Aufnahme Natural-Pulping-Zellstoffes sehen. langen dünnen leichte Markierungen Längsrichtung unten links Gefäßzelle erinnert ihrer backsteinartigen Form kleinen Schwanzfortsatz linken Eukalyptus. Über Bildfläche verteilt Feinstoffe. Durchgehend gezeigt. Mikroskopieaufnahme Zellstoffes zunächst dickwandigen deutliche Längsrippen dicksten Faser rechts erkennen ist. An Rand Schwellung Bildmitte zeichnet Spirale Natural-Pulpings verdrillte Faserbreiten, wenn verglichen abgerundeten Faserenden finden, charakteristisch erreichte Ergebnisse. abschließend betrachtet, vielversprechende Einjahrespflanze hoch verfügte 735,6 woraus ableiten dargestellten bestätigt. Gefolgt Hanf, einsetzen lässt. Anteils keinen idealen Ausgangsstoff ergaben Kappa-Zahlen, schließen lässt, stattgefunden haben. Dennoch aufweisen, ergeben. breiten Hanfzellstoffes, u. a. Mineralien Zellstoffeinsatz geeignet interessanter Ansatz Hopfenstängeln. seinem stellte größte Ausbeuten, knapp lag sein Potenzial. allem dünnere eignet Zellstoffes. macht Vorteile Natural-Pulping-Verfahrens deutlich. überzeugen. Vor Miscanthus, Faseraufschluss, Mikroskopiebildern zeigte, untermauern Aussage. Am schlechtesten schnitt dahingegen angriff. erzeugte Lage, aufzuschließen. besonders Untersuchung. Europa durchsetzen deshalb gegenwärtig Anlagen notwendigen Ausstattung stehen. Weiterführende Artikel (Supporting Information, DOI: https://doi.org/10.1002/cite.202200154. beinhalten Literaturstellen Arbeit 78-110. Autoren danken Herrn Steffens Dr. Meltzer Inc., welche bereitgestellt Open Access Veröffentlichung organisiert Projekt DEAL. Konstante spezifische Alkalisches Sulfit-Anthrachinon-Methanol Northern Kraft Vorhydrolyse Sulfit-Verfahren total chlorfrei Please note: The publisher not responsible content or functionality any supporting information supplied by authors. Any queries (other than missing content) should directed corresponding author article.