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Projektnummer | 62135202 |
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Projekttitel laut Förderbescheid | KMU-innovativ Verbundprojekt: Hightechmaterialien aus Planzenfasern (HTFasern); Teilprojekt: Faserlabor |
Akronym | HTFasern |
Projektlaufzeit | 01.11.2015 - 31.10.2017 |
Forschungsschwerpunkt | Energie und Umwelt |
Projektkategorie | Forschung |
Zuordnung | |
Kompetenzfeld | Energie und Umwelt |
Themengebiet | Naturfasern für textile Anwendungen |
Grundeinheit | Fakultät Maschinenwesen |
Verbundprojekt: Hightechmaterialien aus Pflanzenfasern (HT Fasern)
1. Aufgabenstellung
Das Hauptziel des Projektes lag in der Entwicklung eines Verfahrens bzw. einer technologischen Kette zur Separierung von hoch qualitativen Fasern aus den Stängeln, Blättern oder Stämmen verschiedener Faserpflanzen. Im Detail sollte das im Labormaßstab teilweise erprobte Verfahren optimiert und auf die einzelnen Rohstoffe angepasst werden. Anschließend soll die Übertragbarkeit der Technologie aus dem Labormaßstab in den Technikumsmaßstab geprüft und ggf. weiter optimiert werden. Auf Grund vorab durchgeführter Marktrecherchen soll sich die im Projekt angestrebte Technologieentwicklung auf den Scheinstamm der Bananenstaude (Sorte Dwarf cavendish) und der Faserbrennnessel konzentrieren. Dabei soll die Technologieentwicklung unter folgenden Aspekten erfolgen:
Die Aufgabe der Hochschule Zittau/Görlitz (nachfolgend HSZG) lag in der Überprüfung der im Projekt gefertigten Maschinen und Anlagen hins. derer Funktionalität und Technologietauglichkeit. Des Weiteren übernahm die HSZG die wissenschaftliche Begleitung der Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführungen. Eine detaillierte Beschreibung der durch die HSZG zu bearbeitenden Arbeitspakete ist der Vorhabensbeschreibung zu entnehmen.
2. Voraussetzung unter der das Vorhaben durchgeführt wurde
Der Bereich Energie und Umwelt bildet an der HSZG seit ihrer Gründung einen strategischen Schwerpunkt in Lehre und Forschung. Dabei nimmt die nachhaltige energetische und stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe einen wichtigen Platz ein. Durch die Verbindung von Grundlagenforschung und Praxis ist es möglich theoretische und praktische Kenntnisse in die Hochschullehre einzubinden, und über Kooperationsprojekte auch einen effizienten Wissens- und Technologietransfer in die kooperierenden Unternehmen zu realisieren. Neben der traditionsreicheren energetischen Verwertung pflanzlicher Biomasse liegt der Fokus aktueller Forschung auf der stofflichen Nutzung, die beispielsweise die Gewinnung von Pflanzenfasern für eine Anwendung im technischen oder textilen Bereich beinhaltet. Das vorliegende Verbundprojekt sollte zur weiteren Erforschung und Umsetzung des Bioraffinerie-Konzeptes, d.h. der gleichzeitigen energetischen und stofflichen Nutzung aller Komponenten nachwachsender Rohstoffe, beitragen und neue theoretische und praktische Erkenntnisse liefern.
Die Hochschule Zittau/Görlitz verfügt über entsprechend qualifiziertes Personal mit langjähriger Erfahrung in der energetischen und stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Eine komplexe Anlagentechnik für Laborversuche, welche im Rahmen einiger Voruntersuchungen zum vorliegenden Verbundprojekt bereits eingesetzt wurde, steht ebenfalls für Lehre und Forschung zur Verfügung.
Die Grundlage für das vorliegende Verbundprojekt bildeten einige im Labormaßstab durchgeführte Vorversuche. Diese Versuche konnten mit einem insgesamt positiven Ergebnis bzw. mit einem Trend zum positiven Ergebnis abgeschlossen werden, wobei während der Versuche keine optimierten bzw. in der Praxis anwendbaren Versuchsbedingungen, insbesondere hins. Versuchsdauer und Anlagentechnik, vorlagen. Des Weiteren wurden die Ergebnisse auf Reproduzierbarkeit nicht überprüft.
3. Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn und Ende des Vorhabens
Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens:
Die Feldröste und ein mechanischer Faseraufschluss bilden den Kern der derzeit angewendeten Verarbeitungstechnologie. Bei der Feldröste verbleibt die geerntete Faserpflanze über einen bestimmten Zeitraum auf dem Feld. Während dieser Zeit werden Zellwand festigende Substanzen wie z.B. Pektine durch mikrobiologische Prozesse von den Faserkomponenten (z.B. Cellulose) gelöst. Durch diese Strukturänderung wird die Pflanze für den anschließenden mechanischen Aufschluss konditioniert [1]. Eine alternative Röste-Technik ist die sogenannte Wasserröste. Bei diesem Verfahren wird die Röste traditionell in natürlichen Gewässern durchgeführt. Sowohl die Feldröste als auch die Wasserröste ist in ihrer ursprünglichen Form mit starker Umweltbelastung verbunden. Chemische Zusätze (NaOH oder H2SO4) sollen den Aufschluss intensivieren [2]. Ihre Entfernung aus dem Prozesswasser ist jedoch mit viel Aufwand verbunden, was sich neben der Ökologie auch auf die Ökonomie des Aufschlusses negativ auswirkt.
Ein entscheidender Nachteil der derzeit eingesetzten mechanischen Aufschlussverfahren (z.B. mit Hilfe von Schwingtechnik, Zerfaserungsextruder und Scheibenmühle) liegt darin, dass die freigelegten Fasern durch die mechanische Belastung teilweise sehr stark eingekürzt werden, und nicht vollständig frei von Verunreinigungen wie Schäben und Staub sind [2]. Ein weiterer Nachteil mechanischer Aufschlusstechnologien liegt darin, dass die aufwändige Anlagenkonstruktion die Bereitstellung größerer Fasermengen nicht zulässt, weshalb größere Industriebetriebe nicht bzw. nicht konstant bedient werden können [2, 3, 4]. Alternative Aufschlusstechnologien (z.B. mittels Enzyme) haben weiterhin Optimierungsbedarf [2].
Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Ende des Vorhabens:
Die im Verbundprojekt entwickelte Technologie ist ein Nassaufschlussverfahren. Die klassische Feldröste wurde in Form eines Hydrolysereaktors realisiert. Damit ist es möglich, die Dauer der Röste erheblich zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die mikrobiologischen Prozesse unter kontrollierten Bedingungen verlaufen und sich in gewissen Maßen z.B. durch den Entzug der gebildeten organischen Säuren steuern, gar beschleunigen lassen. Durch die geschlossene Anlagenkonstruktion kommt es, im Vergleich zu den klassischen Aufschlussverfahren wie Feldröste oder Wasserröste, zu keiner Umweltverschmutzung. Bereits die in der Hydrolyse-Stufe erhaltenen Fasern liegen in weitgehend vereinzelter Form vor und sind frei von Anhaftungen. Der im Projekt entwickelte mechanische Aufschluss mit Hilfe des Ribolysers bzw. der Ribolyser-Funktion ermöglicht, die an sich sauberen Fasern von gröberen Verunreinigungen wie z.B. Schäben schonend und mit geringem Aufwand zu befreien. Die während der Hydrolyse in niedere Fettsäuren umgewandelte pflanzliche Biomasse wird ebenfalls verwertet, indem diese in einem Biogasreaktor zur Gaserzeugung genutzt wird. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass, im Gegensatz zur konventionellen Feld- oder Wasserröste, kein wertvolles Pflanzenmaterial verloren geht. Des Weiteren kann das erzeugte Biogas entweder direkt genutzt oder in Strom umgewandelt werden, was sich wiederum auf die Wirtschaftlichkeit der gesamten Fasergewinnungstechnologie positiv auswirkt.
4. Planung und Ablauf des Vorhabens
Der festgelegte Arbeitsplan konnte mit einigen inhaltlichen Änderungen abgearbeitet werden. Es haben sich Änderungen in der anvisierten technologischen Abfolge ergeben, auf welche unter Punkt 5 detailliert eingegangen wird. Des Weiteren konnte AP F „Durchführung von Testläufen in der Labor- und Technikumsanlage“ bisher noch nicht realisiert werden. In den Laborräumen der HSZG besteht lediglich die Möglichkeit, die ursprünglich geplante Technologie zu testen. Die im Projektverlauf abgeleiteten technologischen Änderungen wurden an den von der Fa. kluge erbauten Technikumsanlagen vorgenommen. Der Hydrolysereaktor im Technikumsmaßstab wurde im Juli 2017 fertig gestellt. Zu diesem Zeitpunkt standen jedoch keine Rohstoffe zur Verfügung, um die Technologiekette im Technikumsmaßstab zu erproben. Auf Grund der zeitweise eingeschränkten Verfügbarkeit der Rohstoffe ergaben sich im Projektverlauf zeitliche Abweichungen im Vergleich zum festgelegten Terminplan. Diese haben auf das bisher erzielte Projektergebnis jedoch keinerlei Einfluss gehabt.
5. Erzieltes Ergebnis
Grundsätzlich konnte festgestellt werden, dass die Fasergewinnung aus den beiden Rohstoffen - Bananenscheinstamm und Faserbrennnessel – verschiedene, individuell angepasste technologische Lösungen erfordert. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Fasern dieser Rohstoffe, da sie unterschiedliche physiologische Funktion (Wasser- und Nährstofftransport bzw. Stabilisierung) erfüllen, anatomisch unterschiedlich aufgebaut sind. Daraus ergeben sich Unterschiede hins. der Vereinzelung der Fasern, bzw. hins. der mechanischen Eigenschaften der gewonnenen Fasern/Faserbündel, was wiederum die Anwendung beeinflusst. Somit konnten die Projektarbeiten i.B. auf den Rohstoff Bananenscheinstamm mit dem Ergebnis abgeschlossen werden, dass saubere Faserbündel mit unterschiedlichem Durchmesser gewonnen werden konnten, die jedoch nicht fein genug waren, um diese für die Herstellung von Feingarnen bzw. Feintextilien zu verwenden. Für den Rohstoff Faserbrennnessel wurde das Ergebnis erzielt, dass diese sich mit Hilfe eines mikrobiologischen Aufschlusses (Hydrolyse) mit relativ wenig Aufwand herauslösen und nach anschließender Aufbereitung zu einem verhältnismäßig feinen Garn verspinnen lassen.
In nachstehender Tabelle werden die erzielten Projektergebnisse, gegliedert nach Arbeitspaketen, zusammengefasst.
Arbeitspaket |
Ergebnis |
AP A Bestimmung der Ausgangsparameter für Ribolyser und Wäsche |
Ausgangsparameter: Ausgehend von den im Vorfeld zum Verbundprojekt durchgeführten Versuchen wurde ein Technologiekonzept entwickelt (Blockschaltbild, Fließschema). Dieses erste Konzept wurde basierend auf neuen Erkenntnissen aus den Versuchen modifiziert. Es wurden sowohl zur Konstruktion als auch zur Steuerung der Anlagen (Hydrolyereaktor, Ribolyser) an den entsprechenden Projektpartner Vorgaben übermittelt (s. Konstruktionspläne). Konservierung: Die Rohstoffe können bei Bedarf entweder bei stark saurem oder stark basischem pH-Wert (pH 2 oder pH 12) konserviert werden. Als Konservierungsflüssigkeit kann entweder eine Essigsäurelösung oder Kalkwasser verwendet werden. Aus Kostengründen wird die Verwendung von Kalk empfohlen. Biogaspotential: Für beide Rohstoffe (Bananenscheinstamm und Faserbrennnessel) wurde ein Biogaspotential von 750 L/kg oTSnutzbar bestimmt, wobei oTSnutzbar = oTSgesamt – (oTSFaser+oTSStängel). oTSnutzbar steht für den Anteil organischer Trockensubstanz, welcher nach Abzug der oTS-Gehalte (Gehalt an organischer Trockensubstanz) der gewonnenen Fasern und der nicht verwertbaren Stängel (Nessel) für die Biogasgewinnung zur Verfügung steht. |
AP B Konstruktion und Fertigung des Ribolysers |
Die Vorgaben hins. Konstruktion und Steuerung des Ribolysers wurden an die Fa. kluge übermittelt. Die anhand dieser Vorgaben gefertigte Anlage wurde in zahlreichen Testläufen erprobt. Die Testläufe haben das Ergebnis erbracht, dass die Fasern sich im Ribolyser infolge der intensiven Rotationsbewegung verkräuseln anstatt sich voneinander zu lösen. Um dieses Problem zu lösen, wurden im Inneren des Ribolysers anstelle von den Schwingelementen zunächst in 45 ° geschwenkte Paddeln installiert. In weiteren Testläufen, in denen Hydrolyse und Ribolyser als aufeinander folgende Technologieschritte untersucht wurden, wurde festgestellt, dass am ursprünglich geplanten Ribolyser bzw. an der gesamten technologischen Abfolge Modifizierungen vorgenommen werden müssen. Dies bedeutete für den Rohstoff Bananenscheinstamm, dass die Hydrolyse und der mechanische Aufschluss im Ribolyser in einem gemeinsamen Prozessschritt realisiert werden können. Für die Praxis bedeutete dies den Bau eines Hydrolysereaktors mit Ribolyserfunktion. Hierbei soll der Reaktorinhalt mit Hilfe eines Rührwerks in gewissen Zeitabständen schonend bewegt werden. Die schonende Bewegung und der Kontakt zum Rührwerk sollen dafür sorgen, dass die Fasern besser separiert werden können. Für den Rohstoff Faserbrennnessel erwies sich eine Behandlung im Ribolyser hins. der Vereinzelung der Fasern als überflüssig, da die Fasern bereits in der Hydrolyse weitgehend voneinander separiert werden konnten. Demnach sollte im Ribolyser hauptsächlich die Trennung der Fasern von den verholzten Nesselstängeln realisiert werden. Dies war bis jetzt, selbst im umgebauten Ribolyser (mit den Paddelelementen), erfolglos. |
AP C Konstruktion, Konstruktionsanpassung, Fertigung und Funktionsüberprüfung der Ribolyser-Vorsätze |
Es wurde vorgeschlagen, dass die Rohstoffe z.B. mit Hilfe einer Zerkleinerungsvorrichtung (Häcksler) in kleinere Stücke überführt werden. Dadurch sollten zum einen die Rohstoffe in einer handlicheren Größe vorliegen, zum anderen sollte durch die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche insbesondere die Hydrolyse beschleunigt werden. Die Stücklänge von 8 -15 cm hat sich im Laufe der Testläufe als geeignete Größe erwiesen. Beim Bananenscheinstamm wurde die Zerkleinerung um eine manuelle mechanische Vorbehandlung erweitert (Abb. 2) und hins. Auswirkung auf die Vereinzelung der Fasern untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass die verschiedenen Vorbehandlungen weder auf die Dauer der Hydrolyse noch auf den Grad der Faser-Vereinzelung einen positiven Einfluss haben. |
AP D Maische |
Vorgaben hins. Konstruktion und Steuerung des Hydrolysereaktors (Abb. 4) wurden in Form von Skizzen und einem Pflichtenheft an den entsprechenden Projektpartner übermittelt. Hins. der Durchführung der Hydrolyse stellte der Entzug der während des biologischen Abbaus gebildeten organischen Säuren einen wichtigen Aspekt dar. Dies war notwendig, damit der biologische Aufschluss der Fasern durch hydrolysierende/Säure bildende Mikroorganismen durch die Anreicherung der Säuren nicht zum Erliegen kommt. Die Säuren wurden über einen Kermaikfilter (Porengröße: 400 nm) aus dem Reaktor entfernt (Abb. 4). Die Hydrolyse von Faserbrennnessel war mit einer Dauer von 5 Tagen erfolgreich (Abb. 3). Es war möglich Fasern mit einem Durchmesser von ca. 20-40 µm bereitzustellen, welche anschließend vom Projektpartner ITV zu einem Garn versponnen werden konnten. Die Hydrolyse des Bananenscheinstamms erforderte hingegen Optimierungsmaßnahmen, wobei sowohl eine einstufige als auch eine zweistufige Prozessführung getestet wurde. Bei der zweistufigen Variante wurde zwischen den Stufen ein zusätzlicher mechanischer Aufschluss mit Hilfe von Quetschwalzen integriert, um eine bessere Vereinzelung der Fasern zu erzielen. Spezielle hydrolytische Enzyme (Pektinasen) und chemische Zusatzstoffe (HCl, NaOH) wurden zur Unterstützung der Hydrolyse in unterschiedlichen Konzentrationen und über unterschiedlich lange Zeiten ebenfalls eingesetzt. Das Fazit der durchgeführten Hydrolyseversuche war, dass die Fasern nach einer Hydrolysedauer von 14 Tagen in Form von 50 – 200 µm starken Faserbündeln vorliegen, welche frei von Verunreinigungen und Anhaftungen waren (Abb. 1). Die Anzahl der Hydrolysestufen, der mechanische Aufschluss mittels Quetschwalzen oder die chemischen Zusätze hatten keinen Einfluss auf den Grad der Faser-Vereinzelung. |
AP E Konstruktion und Fertigung einer Waschstrecke |
Ursprünglich sollten die Fasern nach der Behandlung im Ribolyser gewaschen werden, um evtl. vorhandene Verunreinigungen zu entfernen. Beim Bananenscheinstamm erwies sich die Waschstrecke als unnötig, da die Fasern bereits nach der Hydrolyse weitgehend sauber und frei von Anhaftungen vorlagen. Es reicht eine schonende Spülung aus, damit das im Hydrolysereaktor herrschende saure pH-Milieu neutralisiert wird. Beim Rohstoff Faserbrennnessel wurde aus den Testläufen abgeleitet, dass der Waschvorgang direkt im Ribolyser realisiert werden kann, welcher, um ein besseres Ergebnis zu erzielen, um 90 ° schwenkbar sein soll. Die erste Erprobung des Ribolysers mit Waschfunktion brachte das Ergebnis, dass die Trennung der Nesselfasern von den Stängeln nicht zufriedenstellend realisiert werden kann. Daher bedarf die Wäsche insbesondere im Hinblick auf die Trennung der Faserfraktion von den Schäben/Stängeln weiterer Optimierung. Dies soll an der HSZG Gegenstand von Folgeprojekten sein. |
AP F Durchführung von Testläufen in der Labor- und Technikumsanlage |
Die gesamte technologische Abfolge, inkl. der an den Anlagen (Ribolyser, Hydrolysereaktor) vorgenommenen Änderungen, konnte auf Grund mangelnden Versuchsmaterials nicht erprobt werden. |
6. Nutzen für das Unternehmen, insbesondere Verwertbarkeit des Ergebnisses
7. Zusammenarbeit mit anderen Stellen oder außerhalb des Verbundprojektes
Es wurden durch die Hochschule Zittau/Görlitz folgende Beratungsleistungen in Anspruch genommen:
8. Darstellung des während des Vorhabens bekannt gewordenen Fortschritts auf diesem Gebiet bei anderen Stellen
Nach unserem Kenntnisstand sind auf dem Gebiet keine neuen Ergebnisse bekannt geworden. Der Fokus aktuell laufender Forschungsprojekte liegt auf der Nutzung von Pflanzenfasern in Leichtbauteilen z. B. in Form von naturfaserverstärkten Kunstoffen (Verbundwerkstoffe) oder biobasierten Carbonfasern.
9. Veröffentlichungen, Vorträge, Referate, etc.
Die erzielten Ergebnisse sollen perspektivisch auf Tagungen, Konferenzen und/oder in Fachzeitschriften veröffentlicht werden.
Quellenverzeichnis
[1] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Bioverbundwerkstoffe, Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) und Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC), 2015. URL: http://www.fnr.de/fileadmin/allgemein/pdf/broschueren /Broschuere_Bioverbundwerkstoffe-web-V01.pdf
[2] Nebel, K.: Verfahren des Faseraufschlusses für Bastfasern am Beispiel von Hanf und Nessel. URL: http://docplayer.org/46858422-Verfahren-des-faseraufschlusses-fuer-bastfasern-am- beispiel-von-hanf-und-nessel.html
[3] Fürll, Ch., Pecenka, R., Idler, Ch., Grundmann, Ph.: Verfahren der Gewinnung und Verarbeitung von Naturfasern, 15. Arbeitswissenschaftliches Seminar, Wien, 2007
[4] Gass, M.: Das Kreislaufverfahren der Fa. Biowert am Standort Brensbach/Hessen. 9. Beitrag auf der Biomasse-Tagung Birkenfeld, 2009
Abbildungen
Abb. 1 Faserbündel, freigelegt aus dem Scheinstamm der Bananenstaude durch Hydrolyse
Abb. 2 Mechanische Vorbehandlung von Bananenscheinstämmen im Anschluss an die Zerkleinerung
Abb. 3 Gewinnung von Fasern aus Brennnessel: a) trockene Nesselstängel; b) Hydrolyse der zerkleinerten Nesselstängel im Hydrolysereaktor; c) Fasern, freigelegt durch Hydrolyse
Abb. 4 Hydrolysereaktor mit Keramikfilter
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