Because of widespread availability, low cost, sustainability, and potential supply far greater than that of food crops, lignocellulosic biomass is one of the most promising feedstocks for producing biofuels through fermentation processes. Among lignocellulose choices, poplar wood is appealing because of high energy potential, above-average carbon mitigation potential, fast growth, and high yields. Lignocellulose structural features limit accessibility of enzymes or microorganisms. To overcome these limitations, pretreatment is required. Among several choices of pretreatment, lime pretreatment is preferred because lime is the cheapest alkali, safest to handle, easy to recover, and compatible with oxidants. The main effect of lime pretreatment is to degrade lignin, which occurs with good carbohydrate preservation and is enhanced with oxidants. Among several choices of oxidant, oxygen and air are preferred because of low cost and widespread availability. This study systematically assesses the effects of lime pretreatment on poplar wood using four different modes: long-term oxidative, long-term non-oxidative, short-term constant pressure, and short-term varying pressure. Long-term pretreatments use temperatures between 25 and 65° C, air if oxidant is used, and last several weeks. Short-term pretreatments use temperatures between 110 and 180° C, pressurized oxygen, and last several minutes to hours. Pretreatment was assessed on the basis of 3-day enzymatic digestibility using enzyme loadings of 15 FPU/g glucan in raw biomass. The results were used to recommend pretreatment conditions based on highest overall yield of glucan (after combined pretreatment and enzymatic hydrolysis) for each pretreatment mode. For each pretreatment mode, kinetic models for delignification and carbohydrates degradation were obtained and used to determine the conditions (temperature, pressure, and time) that maximize glucan preservation subjected to a target lignin yield. This study led to conclude that the most robust, and selective mode of lime pretreatment is varying pressure.

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Vor dem Hintergrund einer angestrebten stofflichen Nutzung von Pappelholz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) zur Herstellung von Holzwerkstoffen und des eingeschränkten Erntezeitpunktes der Pappeln in den Wintermonaten ergab sich die Frage, wie das Holz über einen Lagerungszeitraum von bis zu neun Monaten bei gleichzeitiger Erhaltung der Holzqualität gelagert werden kann. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Lagerungsverfahren getestet: Trockenlagerung mit und ohne Rinde, Beregnung mit und ohne Rinde, Folienlagerung mit und ohne Rinde sowie einem aus Beregnung und Trockenlagerung kombinierten Verfahren. Insgesamt wurden 105 Raummeter Pappelrundholz aus KUP in zwei verschiedenen Lagerungsperioden 2018 und 2019 eingelagert. Die Holzqualität des gelagerten Pappelholzes wurde anhand von Untersuchungen zur Veränderung der Darrdichte, der chemischen Zusammensetzung (Cellulose-, Hemicellulosen-, Lignin-, Extraktstoffanteil) und ergänzend durch mikroskopische Untersuchungen bewertet. Ein weiterer Fokus lag auf der Holzfeuchte zur Abschätzung der Gefahr eines Pilzbefalls. Die Ergebnisse zeigten, dass es bei der Trockenlagerung mit Rinde in der Lagerungsperiode 2019 durch einen festgestellten Befall durch holzzerstörende Pilze, einer Reduktion der Darrdichte von 11 % sowie starken Änderungen der chemischen Zusammensetzung (vor allem Reduktion der Holzpolyosen) zu den stärksten Veränderungen kam. Bei der Trockenlagerung ohne Rinde waren die beobachteten Veränderungen deutlich geringer (maximale Abnahme der Darrdichte 3 %). Bei den beiden Lagerungsverfahren Beregnung und Folienlagerung konnte eine Lagerung des Holzes in einem für holzzerstörende Pilze unkritischen Holzfeuchtebereich nachgewiesen werden. Ein Befall durch holzzerstörende Pilze wurde durch die mikroskopischen Untersuchungen nicht festgestellt. Bei der Beregnung fiel die Veränderung der Darrdichte bei einigen Varianten stärker aus als erwartet. Für eine abschließende Bewertung sind weitere Untersuchungen notwendig. Der Klon Max 1 zeigte oft stärkere Veränderungen als der Klon AF2. Auch hier sind weitere Untersuchungen notwendig. Aus den Ergebnissen wurde geschlussfolgert, dass die Holzqualität mittels Folienlagerung am besten erhalten werden konnte. Auch die Trockenlagerung ohne Rinde wird aufgrund der geringen festgestellten Veränderungen und im Hinblick auf die geringen Kosten als geeignet erachtet. Es muss jedoch beachtet werden, dass dieses Lagerungsverfahren stark witterungsabhängig ist.:Kurzfassung Abstract Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Hintergrund 1.2 Ziele und Thesen 1.3 Aufgabenstellung 2 Stand von Wissenschaft und Technik 2.1 Die Pappel und ihr Holz 2.1.1 Die Baumart Pappel 2.1.2 Die Holzart Pappel 2.1.3 Verwendung von Pappelholz 2.2 Kurzumtriebsplantagen (KUP) 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Pappel auf Kurzumtriebsplantagen 2.2.3 Verwendung von Pappelholz aus KUP 2.3 Rundholzlagerung 2.3.1 Anwendungsgebiete und Ziele der Rundholzlagerung 2.3.2 Einflussfaktoren auf den Lagerungserfolg 2.3.3 Verfahren der Rundholzlagerung 2.3.3.1 Übersicht über die Lagerungsverfahren 2.3.3.2 Trockenlagerung 2.3.3.3 Nasslagerung 2.3.3.4 Folienlagerung 2.3.4 Risiken für die Rundholzlagerung 2.3.4.1 Einleitung 2.3.4.2 Biotische Risiken 2.3.4.3 Abiotische Risiken 2.3.5 Lagerung von Pappelrundholz aus Kurzumtriebsplantagen 2.4 Holzfeuchtebestimmung und Holzfeuchtemonitoring durch elektrische Widerstands-messung 2.4.1 Überblick Verfahren zur Bestimmung der Holzfeuchte 2.4.2 Elektrische Widerstandsmessung 2.4.2.1 Prinzip 2.4.2.2 Kalibrierfunktionen 2.4.3 Monitoring durch elektrische Widerstandsmessung 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2018 3.1.2 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2019 3.2 Methoden 3.2.1 Überblick Methoden 3.2.2 Versuchsaufbau 3.2.2.1 Lagerungsperiode 2018 3.2.2.2 Lagerungsperiode 2019 3.2.3 Untersuchungen 3.2.3.1 Überblick Untersuchungen und Beprobungsstrategie 3.2.3.2 Holzfeuchte 3.2.3.3 Darrdichte 3.2.3.4 Chemische Analysen 3.2.3.5 Pilz- und Bakterienbefall 3.2.3.6 Triebbildung 3.2.3.7 Gasanalyse 3.2.3.8 Elektrische Widerstandsmessung zur Ermittlung der Holzfeuchte 3.2.4 Dokumentation von Witterungsdaten 3.2.5 Statistische Auswertung 4 Ergebnisse 4.1 Systematik der Ergebnisdarstellung 4.2 Witterungsdaten 4.2.1 Lagerungsperiode 2018 4.2.2 Lagerungsperiode 2019 4.3 Gasatmosphäre 4.4 Holzfeuchte 4.4.1 Lagerungsperiode 2018 4.4.2 Lagerungsperiode 2019 4.5 Darrdichte 4.5.1 Lagerungsperiode 2018 4.5.2 Lagerungsperiode 2019 4.6 Chemische Zusammensetzung 4.6.1 Lagerungsperiode 2018 4.6.2 Lagerungsperiode 2019 4.7 Pilz- und Bakterienbefall 4.7.1 Lagerungsperiode 2018 4.7.2 Lagerungsperiode 2019 4.8 Triebbildung 4.8.1 Lagerungsperiode 2018 4.8.2 Lagerungsperiode 2019 4.9 Sonstige Beobachtungen 4.9.1 Rissbildungen bei der Trockenlagerung 4.9.2 Mäuse und einwachsende Pflanzenteile 4.10 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode 2019 4.10.1 Erstellung der Kalibrierfunktion für Pappelholz 4.10.1.1 Modell 1 4.10.1.2 Modell 2 4.10.2 Anwendung der ermittelten Kalibrierfunktion auf die mittels Datenlogger aufgezeichneten Messwerte im Zuge der Lagerungsperiode 2019 5 Diskussion 5.1 Evaluierung der Lagerungsverfahren unter Berücksichtigung der Holzfeuchte 5.1.1 Erwartete Holzqualität der einzelnen Lagerungsvarianten aufgrund der festgestellten Holzfeuchte 5.1.2 Trockenlagerung 5.1.2.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.2.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilzbefall 5.1.2.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Trockenlagerung 5.1.3 Beregnung 5.1.3.1 Holzfeuchte 5.1.3.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.3.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Beregnung 5.1.4 Kombiniertes Verfahren aus Beregnung und Trockenlagerung 5.1.4.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.4.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.4.3 Zusammenfassende Einschätzung zum kombinierten Verfahren 5.1.5 Folienlagerung 5.1.5.1 Gasanalyse in den Folienpaketen 5.1.5.2 Holzfeuchte 5.1.5.3 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.5.4 Zusammenfassende Einschätzung zur Folienlagerung 5.1.6 Vergleich der Klone Max 1 und AF2 5.1.7 Zusammenfassung und Bewertung der Lagerungsvarianten 5.2 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode durch elektrische Widerstandsmessung 5.2.1.1 Kalibierfunktion für Pappelholz aus KUP 5.2.1.2 Einsatzmöglichkeit der elektrischen Widerstandsmessung zur Qualitätsüberwachung von Pappelrundholzpoltern 6 Schlussfolgerung 7 Zusammenfassung 8 Ausblick Literaturverzeichnis / Considering the desired material use of poplar wood from short-rotation coppices (SRC) for the production of wooden materials and the limited harvest season, the question arose how the wood should be stored over a period of up to nine months while preserving the wood quality (at the same time). For this purpose, different storage methods were tested: storage in compact piles with and without bark, storage with water sprinkling with and without bark and storage under oxygen exclusion with and without bark, as well as storage in compact pile with temporary water sprinkling as a combined storage method. A total amount of 105 cubic meters test piles with poplar logs from SRC were set up in two different storage periods, 2018 and 2019. The clones Max 1 and AF2 were evaluated using 18 different storage variants. The quality of the stored poplar wood was evaluated based on changes in the wood density ρ0, chemical composition (cellulose, hemicelluloses, lignin and extract content) complemented by microscopic examinations. A further focus was the wood moisture content evaluation to estimate the potential risk of fungal decay. The results demonstrated that storage in compact piles in the storage period of 2019 resulted in the biggest changes caused by an infestation of wood-destroying fungi, 11.1% reduction of the wood density ρ0, and significant changes of chemical composition, in particular reduction of wood polyoses. Storage in compact piles without bark showed substantially lower changes (maximum decrease of wood density ρ0 of 3.3%). For storage with water sprinkling and storage under oxygen exclusion it could be shown that both result in storage conditions with an uncritical wood moisture range in relation to wood-destroying fungi (fungi decay). Fungi decay could not be observed by microscopic examination. Additional studies are required for a final assessment. Clone Max 1 showed frequently stronger changes than clone AF2. Further investigation is needed here as well. Based on the results it can be concluded that the wood quality could be preserved best by using the storage under oxygen exclusion. Storage in compact piles without bark can be considered as suitable as well due to the minor changes and considering the low costs. However, it has to be taken into account hat this storage method is very climate-dependent.:Kurzfassung Abstract Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Hintergrund 1.2 Ziele und Thesen 1.3 Aufgabenstellung 2 Stand von Wissenschaft und Technik 2.1 Die Pappel und ihr Holz 2.1.1 Die Baumart Pappel 2.1.2 Die Holzart Pappel 2.1.3 Verwendung von Pappelholz 2.2 Kurzumtriebsplantagen (KUP) 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Pappel auf Kurzumtriebsplantagen 2.2.3 Verwendung von Pappelholz aus KUP 2.3 Rundholzlagerung 2.3.1 Anwendungsgebiete und Ziele der Rundholzlagerung 2.3.2 Einflussfaktoren auf den Lagerungserfolg 2.3.3 Verfahren der Rundholzlagerung 2.3.3.1 Übersicht über die Lagerungsverfahren 2.3.3.2 Trockenlagerung 2.3.3.3 Nasslagerung 2.3.3.4 Folienlagerung 2.3.4 Risiken für die Rundholzlagerung 2.3.4.1 Einleitung 2.3.4.2 Biotische Risiken 2.3.4.3 Abiotische Risiken 2.3.5 Lagerung von Pappelrundholz aus Kurzumtriebsplantagen 2.4 Holzfeuchtebestimmung und Holzfeuchtemonitoring durch elektrische Widerstands-messung 2.4.1 Überblick Verfahren zur Bestimmung der Holzfeuchte 2.4.2 Elektrische Widerstandsmessung 2.4.2.1 Prinzip 2.4.2.2 Kalibrierfunktionen 2.4.3 Monitoring durch elektrische Widerstandsmessung 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2018 3.1.2 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2019 3.2 Methoden 3.2.1 Überblick Methoden 3.2.2 Versuchsaufbau 3.2.2.1 Lagerungsperiode 2018 3.2.2.2 Lagerungsperiode 2019 3.2.3 Untersuchungen 3.2.3.1 Überblick Untersuchungen und Beprobungsstrategie 3.2.3.2 Holzfeuchte 3.2.3.3 Darrdichte 3.2.3.4 Chemische Analysen 3.2.3.5 Pilz- und Bakterienbefall 3.2.3.6 Triebbildung 3.2.3.7 Gasanalyse 3.2.3.8 Elektrische Widerstandsmessung zur Ermittlung der Holzfeuchte 3.2.4 Dokumentation von Witterungsdaten 3.2.5 Statistische Auswertung 4 Ergebnisse 4.1 Systematik der Ergebnisdarstellung 4.2 Witterungsdaten 4.2.1 Lagerungsperiode 2018 4.2.2 Lagerungsperiode 2019 4.3 Gasatmosphäre 4.4 Holzfeuchte 4.4.1 Lagerungsperiode 2018 4.4.2 Lagerungsperiode 2019 4.5 Darrdichte 4.5.1 Lagerungsperiode 2018 4.5.2 Lagerungsperiode 2019 4.6 Chemische Zusammensetzung 4.6.1 Lagerungsperiode 2018 4.6.2 Lagerungsperiode 2019 4.7 Pilz- und Bakterienbefall 4.7.1 Lagerungsperiode 2018 4.7.2 Lagerungsperiode 2019 4.8 Triebbildung 4.8.1 Lagerungsperiode 2018 4.8.2 Lagerungsperiode 2019 4.9 Sonstige Beobachtungen 4.9.1 Rissbildungen bei der Trockenlagerung 4.9.2 Mäuse und einwachsende Pflanzenteile 4.10 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode 2019 4.10.1 Erstellung der Kalibrierfunktion für Pappelholz 4.10.1.1 Modell 1 4.10.1.2 Modell 2 4.10.2 Anwendung der ermittelten Kalibrierfunktion auf die mittels Datenlogger aufgezeichneten Messwerte im Zuge der Lagerungsperiode 2019 5 Diskussion 5.1 Evaluierung der Lagerungsverfahren unter Berücksichtigung der Holzfeuchte 5.1.1 Erwartete Holzqualität der einzelnen Lagerungsvarianten aufgrund der festgestellten Holzfeuchte 5.1.2 Trockenlagerung 5.1.2.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.2.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilzbefall 5.1.2.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Trockenlagerung 5.1.3 Beregnung 5.1.3.1 Holzfeuchte 5.1.3.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.3.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Beregnung 5.1.4 Kombiniertes Verfahren aus Beregnung und Trockenlagerung 5.1.4.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.4.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.4.3 Zusammenfassende Einschätzung zum kombinierten Verfahren 5.1.5 Folienlagerung 5.1.5.1 Gasanalyse in den Folienpaketen 5.1.5.2 Holzfeuchte 5.1.5.3 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.5.4 Zusammenfassende Einschätzung zur Folienlagerung 5.1.6 Vergleich der Klone Max 1 und AF2 5.1.7 Zusammenfassung und Bewertung der Lagerungsvarianten 5.2 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode durch elektrische Widerstandsmessung 5.2.1.1 Kalibierfunktion für Pappelholz aus KUP 5.2.1.2 Einsatzmöglichkeit der elektrischen Widerstandsmessung zur Qualitätsüberwachung von Pappelrundholzpoltern 6 Schlussfolgerung 7 Zusammenfassung 8 Ausblick Literaturverzeichnis