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Due to the use of fossil fuel resources, many environmental problems have been increasingly growing. Thus, the recent research focuses on the use of environment friendly materials from sustainable feedstocks for future fuels, chemicals, fibers and polymers. Lignocellulosic biomass has become the raw material of choice for these new materials. Recently, the research has focused on using lignin as a substitute material in many industrial applications. The antiradical and antimicrobial activity of lignin and lignin-based films are both of great interest for applications such as food packaging additives. DPPH assay was used to determine the antioxidant activity of Kraft lignin compared to Organosolv lignins from different biomasses. The purification procedure of Kraft lignin showed that double-fold selective extraction is the most efficient confirmed by UV-Vis, FTIR, HSQC, 31PNMR, SEC, and XRD. The antioxidant capacity was discussed regarding the biomass source, pulping process, and degree of purification. Lignin obtained from industrial black liquor are compared with beech wood samples: Biomass source influences the DPPH inhibition (softwood > grass) and the TPC (softwood < grass). DPPH inhibition affected by the polarity of the extraction solvent. Following the trend: ethanol > diethylether > acetone. Reduced polydispersity has positive influence on the DPPH inhibition. Storage decreased the DPPH inhibition but increased the TPC values. The DPPH assay was also used to discuss the antiradical activity of HPMC/lignin and HPMC/lignin/chitosan films. In both binary (HPMC/lignin) and ternary (HPMC/lignin/chitosan) systems the 5% addition showed the highest activity and the highest addition had the lowest. Both scavenging activity and antimicrobial activity are dependent on the biomass source; Organosolv of softwood > Kraft of softwood > Organosolv of grass. Lignins and lignin-containing films showed high antimicrobial activities against Gram-positive and Gram-negative bacteria at 35 °C and at low temperatures (0-7 °C). Purification of Kraft lignin has a negative effect on the antimicrobial activity while storage has positive effect. The lignin leaching in the produced films affected the activity positively and the chitosan addition enhances the activity for both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Testing the films against food spoilage bacteria that grow at low temperatures revealed the activity of the 30% addition on HPMC/L1 film against both B. thermosphacta and P. fluorescens while L5 was active only against B. thermosphacta. In HPMC/lignin/chitosan films, the 5% addition exhibited activity against both food spoilage bacteria.
Ausgehend von der bestehenden Idee eines Lignocelluloseaufschlusses in einem alkalischen Polyol (Alkaline Polyol Pulping = AlkaPolP) wurden im Rahmen dieser Arbeit ein Aufschlussprozess für Lignocellulosen in alkalischem Glycerin sowie die nachgeschaltete Aufbereitung der Produktströme entwickelt und gezeigt, dass diese den Ausgangspunkt eines vielversprechenden Bioraffineriekonzeptes bilden können. Es wurde nachgewiesen, dass der AlkaPolP-Prozess für alle Arten von Lignocellulose geeignet ist und diese innerhalb weniger Minuten nahezu vollständig delignifiziert.
Im Rahmen des Downstream Processings der Aufschlussprodukte wurden die enzymatische Hydrolyse des Zellstoffes, die Ligninfällung sowie die Aufreinigung des Ligninfiltrates genauer untersucht.
Ein Vergleich mit Literaturdaten anderer Verfahren zur Lignocellulosefraktionierung zeigte, dass mit dem AlkaPolP-Prozess mindestens ähnliche Produktausbeuten und -qualitäten erreicht werden. Vor allem für den Aufschluss von widerstandsfähigem Nadelholz ist der AlkaPolP-Prozess den meisten anderen Verfahren deutlich überlegen.
Nach der Konstruktion und Fertigung eines Reaktionsextruders wurden Betriebsbedingungen gefunden, mit denen Nadelholzschnitzel über mehrere Stunden hinweg in einem stabilen kontinuierlichen Prozess effektiv in alkalischem Glycerin aufgeschlossen werden konnten.
Auf der Grundlage von Literaturdaten und der durchgeführten Experimente wurde ein Gesamtprozess entworfen, der neben bereits untersuchten Verfahrensstufen auch eine Aufarbeitung des Ligninfiltrates durch eine Elektrodialyse und mehrere Destillationsschritte umfasst und eine Regeneration der Einsatzstoffe sowie eine Abtrennung der während des Aufschlusses gebildeten Carbonsäuren ermöglicht.
Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden den Grundstein für die Weiterentwicklung des AlkaPolP-Prozesses. Es konnte gezeigt werden, dass dieser, im kontinuierlichen Betrieb durchführbare und für alle Arten von Lignocellulose geeignete, Aufschlussprozess einen vielversprechenden Ausgangspunkt für ein nachhaltiges Bioraffineriekonzept darstellt.
Lignin ist bereits ein intensives Gebiet der Forschung, allerdings werden Verknüpfungen zwischen Quelle, Aufschlussmethode und Einsatz in der Literatur kaum beschrieben. In der vorliegenden Arbeit werden Lignine von verschiedenen Quellen (Weizenstroh, Buche, Nadelholz) und Aufschlussmethoden (AFEX, Wasserdampfaufschluss, Organosolv, Saure Hydrolyse) analytisch erfasst und hinsichtlich ihres Einsatzes in polymeren Materialien charakterisiert. Eine breite Auswahl an Methoden wurden eingesetzt, FT-IR- Spektroskopie, UV-Vis, 31P-NMR, GPC, Pyrolyse-GC/MS, sowie HPLC zur Bestimmung der Reinheit gemäß des NREL-Standard-Protokolls. Thermische Analysen, wie TGA und DSC zeigten Glasübergangstemperaturen um 120°C, sowie Zersetzungstemperaturen zwischen 340°C und 380°C. Die Ergebnisse weisen für das Organosolv-Buchenholz-Lignin hochreine Fraktionen auf, die bis dato noch nicht erreicht wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit identifizien die Organosolv-Buchenholz-Lignine als ein verwertbares Produkt im Hinblick auf die Anwendung in Polyurethanen sowie Phenol-Formaldehydharzen.
The significance in the production of bio-based products is enhanced with the abundance and renewability of biogenous raw and residue materials in comparison to the depleting fossil fuels especially in producing environment friendly products and their applications in energy (CO2-neutral) as well as material applications. This work concentrates mainly on the production of bio-based products through innovative processing and refinement of biogenous residues originating from agricultural (cereal straws), industrial (lignin from black liquors) and biotechnological (biogas residues) processes. The innovative processing and refinement of the processes and their end-products solve the challenges which were not possible within the conventional processes. The innovative processes improve the cascading as well as sustainable utilization possibilities with a simultaneous value addition of the residues. Converting biogenous residues into a valuable end-product requires various preprocessing of the raw materials and are material specific (physical and chemical compositions). Agglomeration of theses residues is chosen as one of the main innovative processes making the handling of the products easier. Agglomeration in this work is carried out using press / densification processes in case of cereal straws, build-up processes in case of black liquors and encapsulation processes in case of biotechnological residues.