Fraktionierung und Verwertung von Rest- und Abfallstoffen aus Lignocellulose durch Dampfdruckbehandlung

Abstract

Bei der angestrebten Transformation des derzeit vorherrschenden erdölbasierten Wirtschaftssystems in eine Bioökonomie kann die Nutzung von Rest- und Abfallstoffen aus Lignocellulose eine nachhaltige Alternative bzw. Ergänzung zu Biomasse aus Waldbau oder Landwirtschaft für Bioraffinerien sein. In dieser Arbeit wurde die dampfdruckbasierte Fraktionierung und Verwertung von mitteldichten Faserplatten (MDF) und Holz aus Landschaftspflegemaßnahmen (LPH) als Stellvertreter von Rest- und Abfallstoffen aus Lignocellulose, die in großem Volumen anfallen und aktuell einer geringen Wertschöpfung unterliegen, untersucht. Hierbei zeichnete sich eine der untersuchten MDF-Proben durch einen hohen Anteil an Laubholz und eine durch einen hohen Anteil an Nadelholz aus. Die LPH-Proben wurden einmal im Winter und einmal im Sommer gesammelt, um etwaige saisonale Unterschiede im Fraktionierungsverhalten und den Produkteigenschaften zu identifizieren. Als Referenzmaterialien wurden zusätzlich Pappel- und Fichtenhackschnitzel verwendet. Alle Proben wurden in einem Schärfegradbereich von log R0 = 2,5 bis 4,0 aufgeschlossen und die entstandenen Faserstoffe und Extrakte chemisch charakterisiert, um Erkenntnisse bezüglich ihres Fraktionierverhaltens zu gewinnen. Die Faserstoffausbeuten der MDF- und LPH-Proben fallen bei niedrigen Schärfegraden geringer aus als die der Referenzmaterialien, während die Extraktausbeuten höher ausfallen. Bei höheren Schärfegraden gleichen sich die erzielten Ausbeuten der Rest- und Abfallstoffe mit denen der Referenzmaterialien an. Die chemische Analyse der MDF-Fraktionen zeigte, dass durch die Dampfdruckbehandlungen unabhängig vom Schärfegrad ca. 80 % der Harnstoff-Formaldehyd-Harze von den Fasern gelöst werden. In Folge der Dmpfdruckbehandlung kommt es zur Hydrolyse der Bindemittel und ein Anstieg des pH-Wertes im Extrakt auf einen Wert von 8 kann beobachtet werden. Die erzeugten Faserstoffe wurden hinsichtlich ihrer morphologischen und papiertechnologischen Eigenschaften untersucht, um ihr Potential für die Verwendung in der Papierindustrie bewerten zu können. Alle erzeugten Faserstoffe weisen einen geringen Weißgrad sowie niedrige Zug- und Durchreißfestigkeiten auf und sind damit für grafische Papieranwendungen ungeeignet. Die Papierfestigkeiten steigen mit zunehmenden Schärfegrad der Dampfdruckbehandlung, während der Weißgrad sinkt. Da bei einigen Proben ein mit Wellpappenrohpapier vergleichbarer Streifenstauchwiderstand ermittelt werden konnte, ist eine Verwendung in Verpackungspapieren als Armierungs- oder Füllstoff dennoch in Betracht zu ziehen. Aus den gewonnenen Extrakten wurden Öl-in-Wasser-Emulsionen hergestellt, um ihre Eignung als Emulgator und Stabilisator zu untersuchen. Die erzeugten Öl-in-Wasser-Emulsionen zeigten größtenteils eine gute Stabilität über die Versuchsdauer von 88 Tagen sowie eine mit dem Industriestandard Gummi arabicum vergleichbare mittlere Partikelgröße. Es konnte festgestellt werden, dass die Zusammensetzung der MDF einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Faserstoffe und Extrakte hat. Während es möglich war, aus der MDF-Probe mit hohem Laubholzanteil Prüfpapiere mit hohem Streifenstauchwiderstand herzustellen, war dies für die MDF-Probe mit hohem Nadelholzanteil nicht möglich. Andererseits zeigte die Öl-in-Wasser-Emulsion, die mit Extrakt aus der MDF-Probe mit hohem Nadelholzanteil erzeugt wurde, eine gute Langzeitstabilität sowie eine geringe mittlere Partikelgröße, während sich die Phasen der mit Extrakt aus der MDF-Probe mit hohem Laubholzanteil erzeugten Öl-in-Wasser-Emulsion bereits nach kurzer Zeit separierten. Die Unterschiede in den papiertechnologischen Eigenschaften der Faserstoffe sowie der Eigenschaften der Emulsionen der Extrakte aus im Winter oder im Sommer gesammelten LPH-Proben hingegen fielen gering aus und eine ganzjährige Nutzung des Materials ist denkbar.

Presenting a sustainable alternative or supplement to biomass from silviculture or agriculture for biorefineries, lignocellulosic residual and waste materials can play an important role in the aimed at transformation of today‘s fossil-based economy into a bioeconomy. This work investigates the steam-based fractionation and utilization of of medium-density fiberboards (MDF) and tree pruning residues as representatives of lignocellulosic residual and waste material segments, which are available in large volume and subject to low added value. One of the MDF samples investigated contained a high proportion of hardwood, while the other one contained a high proportion of softwood. The tree pruning residue samples were collected in winter and in summer to identify any seasonal differences in fractionation behavior and product properties. Additionally, poplar and spruce chips were used as reference material. All samples were treated with steam using treatment severitity degrees ranging from log R0 = 2.5 to 4.0. To gain a better understanding of the fractionation behavior, the resulting fiber fractions and extracts were chemically characterized. The resulting fiber yields of the MDF and tree pruning samples are lower than those of the reference materials at low severity degrees, while the extract yields are higher. At higher severity degrees, the obtained yields of the residual and waste materials are equal with those of the reference materials. Chemical analysis of the MDF fractions showed that by steam refining about 80% of the urea-formaldehyde resins can be removed from the fibers, irrespective of treatment severity. Due to the hydrolysis of the adhesives, an increase of the pH in the extract to a value of 8 can be observed. The fibers were examined in regards to their morphological and paper technological properties in order to evaluate their potential for use in paper product applications. All of the fibers exhibit a low degree of brightness and low tensile and tear strengths, making them unsuitable for graphic paper applications. Generally, the paper strength increase with increasing treatment severity, while the brightness decreases. As the compression strength of some samples is comparable to the compression strength of base paper for corrugated paper board from recycled pulp, an utilization in packaging papers as reinforcing or filler material should nevertheless be considered. From the extracts oil-in-water emulsions were prepared to investigate their suitability as emulsifiers and stabilizers. For the most part, the oil-in-water emulsions produced showed good stability over the experimental period of 88 days, as well as a mean particle size comparable to the industry standard gum arabic. It was found that the composition of the MDF has a major influence on the properties of the pulps and extracts. While it was possible to generate paper with good short-compression strength from the MDF sample with a high hardwood content, this was not possible for the MDF sample with a high softwood content. On the other hand, the oil-in-water emulsion produced with extract from the MDF sample with high softwood content showed good long-term stability as well as a low average particle size, while the phases of the oil-in-water emulsion produced with extract from the MDF sample with high hardwood content separated after a short time. The differences in the properties of the papers and emulsions made from the landscaping residue samples collected in winter and in summer turned out to be small, thus making the material suitable for all-season use.