Lignocellulosic biorefinery with a thermo-biological pretreatment concept
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften | |
| dc.contributor.referee | Hensel, Oliver (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Rieker, Christiane (Prof. Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2023-09-08T13:20:04Z | |
| dc.date.available | 2023-09-08T13:20:04Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.sponsorship | All scientific work was carried out at :metabolon, a joint venture of TH Köln and Bergische Abfallwirtschaftsverband (BAV). The project is financially supported by the European Commission and the European Regional Development Fund (ERDF) under the slogan “Investing in our future”. | eng |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202309088744 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/15062 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation.haspart | doi:10.1016/j.fuel.2022.125836 | |
| dc.relation.haspart | doi:10.1109/IESC47067.2019.8976536 | |
| dc.relation.haspart | doi:10.1002/ceat.202000029 | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Lignocellulose | eng |
| dc.subject | Biorefinery | eng |
| dc.subject | Pretreatment | eng |
| dc.subject | Wheat straw | eng |
| dc.subject | Cascading use | eng |
| dc.subject | Life-Cycle-Assessment | eng |
| dc.subject | Bio-fuels | eng |
| dc.subject | Biomethanization | eng |
| dc.subject | Compost | eng |
| dc.subject | Pellets | eng |
| dc.subject | Ash melting | eng |
| dc.subject.ddc | 333 | |
| dc.subject.ddc | 500 | |
| dc.subject.ddc | 540 | |
| dc.subject.ddc | 570 | |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.swd | Lignocellulose | ger |
| dc.subject.swd | Bioraffinerie | ger |
| dc.subject.swd | Biomasse | ger |
| dc.subject.swd | Vorbehandlung <Technik> | ger |
| dc.subject.swd | Weizen | ger |
| dc.subject.swd | Stroh | ger |
| dc.subject.swd | Bioenergie | ger |
| dc.subject.swd | Umweltbilanz | ger |
| dc.subject.swd | Biokraftstoff | ger |
| dc.subject.swd | Methangärung | ger |
| dc.subject.swd | Kompost | ger |
| dc.subject.swd | Pellet | ger |
| dc.subject.swd | Asche | ger |
| dc.title | Lignocellulosic biorefinery with a thermo-biological pretreatment concept | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | There is great interest, not only in technologically advanced societies, in developing innovative sources of raw materials, especially lignocellulosic biomasses such as cereal straw, which do not interfere with food production. In Germany, 4 – 9 million tons of cereal straw, mainly wheat, are utilized annually, corresponding to an energy potential of 57 – 129 PJ/a. Lignocellulose, found in plant cell walls, consists of hemicellulose, cellulose, and lignin, and it requires complex fractionation to enable its polymers to be utilized for energy or chemical applications. The sustainable use of straw is essential to reducing dependence on fossil fuels and overcoming global challenges such as climate change. This dissertation focuses on enhancing wheat straw utilization through eco-friendly thermo- biological pretreatment processes with natural additives, improving biodegradability and combustion properties. It emphasizes the role of wheat straw in biogas and solid fuel production, and includes a techno-ecological evaluation of the developed processes in a laboratory scale. The high lignocellulose content of wheat straw challenges biodegradability. Various thermo- biological pretreatment methods with additives like liquid digestate and green waste compost are studied. Compost enhances biodegradability, boosting methane production (270 – 320 L kg-1 oTS-1) by reducing technical digestion time and metabolic losses during anaerobic biological pretreatment. The unfavorable combustion properties of wheat straw known from the literature, such as low calorific value, high ash content, and low ash melting temperature, are addressed by exploring compost as an additive for straw pellet ash melting improvement, consistent with the fuel specifications of ISO 17225-6. A Life-Cycle-Assessment following ISO 14040/14044 standards compares environmental impacts of reference and developed thermo-biological processes, favoring eco-friendliness in Liquid-Hot-Water and technical advantages in acetone-based methods. The developed pretreatment processes are more advantageous than the reference processes in terms of environmental criteria, and additionally environmental savings are demonstrated in combination with thermal pressure hydrolysis. In conclusion, the cascaded use of straw–compost mixtures presents opportunities to increase the value-added potential of the biorefinery concept and optimize the utilization of feedstocks by producing gaseous and solid energy sources efficiently. This research suggests that a process- and cascade-optimized thermo-biological pretreatment process could transform landfills with connected composting and biogas plants into biorefineries, enabling the integrated material and energetic use of renewable resources and supporting the economic feasibility of a lignocellulosic biorefinery. | eng |
| dcterms.abstract | Weltweit, nicht nur in technologisch fortgeschrittenen Gesellschaften, besteht ein großes Interesse an der Erschließung innovativer Rohstoffquellen, insbesondere lignocellulosehaltigen Biomassen wie Getreidestroh, welche die Nahrungsmittelproduktion nicht beeinträchtigen. In Deutschland werden jährlich 4 – 9 Millionen Tonnen Getreidestroh, hauptsächlich Weizen, erzeugt, was einem Energiepotenzial von 57 – 129 PJ/a entspricht. Die in den pflanzlichen Zellwänden vorkommende Lignocellulose besteht aus Hemicellulose, Cellulose und Lignin und muss aufwändig fraktioniert werden, damit ihre Polymere energetisch oder chemisch verwertet werden können. Die nachhaltige Nutzung von Stroh ist unerlässlich, um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern und den globalen Herausforderungen wie dem Klimawandel zu begegnen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Verbesserung der Weizenstrohverwertung durch umweltfreundliche thermo-biologische Vorbehandlungsprozesse mit natürlichen Additiven, die die biologische Abbaubarkeit und Verbrennung verbessern. Der Schwerpunkt der Dissertation liegt auf der Verwendung von Weizenstroh für die Erzeugung von Biogas und festen Brennstoffen und umfasst eine technisch-ökologische Bewertung der im Labor entwickelten Verfahren. Der hohe Lignocellulosegehalt von Weizenstroh erschwert jedoch die biologische Abbaubarkeit. Es wurden verschiedene thermo-biologische Vorbehandlungsmethoden mit Additiven wie flüssigem Gärrest und Grünschnittkompost untersucht. Kompost verbessert die biologische Abbaubarkeit und steigert die Methanproduktion (270 – 320 l kg-1 oTS-1), indem er die technische Vergärungszeit und die metabolischen Verluste während der anaeroben biologischen Vorbehandlung reduziert. Die aus der Literatur bekannten ungünstigen Verbrennungseigenschaften von Weizenstroh, wie der niedrige Heizwert, der hohe Aschegehalt und die niedrige Ascheschmelztemperatur, werden durch die Untersuchung von Kompost als Additiv zur Verbesserung der Ascheschmelztemperatur von Strohpellets in Übereinstimmung mit den Brennstoffspezifikationen der ISO 17225-6 verbessert. Eine Lebenszyklusanalyse nach den Normen ISO 14040/14044 vergleicht die Umweltauswirkungen von Referenz- und den entwickelten thermo-biologischen Verfahren, wobei die Umweltfreundlichkeit der Liquid Hot-Water-Methode und die technischen Vorteile der aceton-basierten Verfahren herausgestellt werden. Die entwickelten Vorbehandlungsverfahren sind in Bezug auf die Umweltkriterien vorteilhafter als die Referenzverfahren, und in Kombination mit der thermischen Druckhydrolyse werden Umwelteinsparungen nachgewiesen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die kaskadierte Nutzung von Stroh-Kompost- Mischungen die Möglichkeit bietet, das Wertschöpfungspotenzial des vorgestellten Bioraffineriekonzepts zu erhöhen und die Nutzung der Einsatzstoffe durch die effiziente Erzeugung von gasförmigen und festen Energieträgern zu optimieren. Diese Forschung legt nahe, dass ein prozess- und kaskadenoptimierter thermo-biologischer Vorbehandlungsprozess Deponien mit angeschlossenen Kompostierungs- und Biogasanlagen in Bioraffinerien umwandeln könnte, um so eine integrierte stoffliche und energetische Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen zu ermöglichen und gleichzeitig die wirtschaftliche Machbarkeit einer Lignocellulose-Bioraffinerie zu unterstützen. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Beuel, Patrick | |
| dcterms.dateAccepted | 2023-04-17 | |
| dcterms.extent | X, 143 Seiten | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |