AT391493B - Verfahren zum aufschluss von cellulosehaeltiger biomasse - Google Patents

Claims (5)

1. Nr. 391493 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschluß von lignocellulose-hältiger Biomasse durch Elution des Hemicellulose-Anteils mit einer Flüssigkeit, insbesondere zur Verbesserung der enzymatischen Zugänglichkeit der Cellulose. Es ist aus der DE-OS 27 32 289 bekannt, daß Lignin bei einer Dampfbehandlung um 200 °C sich in einer für die Zugänglichkeit des pflanzlichen Materials für cellulosespaltende Enzyme (Cellulasen) günstigen Weise verändert. Der auftretende Effekt wird als Bildung von "Tröpfchen" bzw. "Kügelchen" aus dem Lignin der Zellwand beschrieben. Dadurch wird die Wirkung des Lignins als physikalische Barriere, die den Zutritt der-voluminösen Enzymmoleküle zu den Bindungsstellen der Cellulose- und Hemicellulosestruktur verhindert, aufgehoben; Geschwindigkeit und Umsetzungsgrad der enzymatischen Hydrolyse werden wesentlich erhöht. Der Ligningehalt hat an sich dabei wenig Einfluß. Weiters tritt durch diese Dampfbehandlung eine Schwellung des Materials und damit verbunden eine Vergrößerung der Oberfläche und der Porenvolumina auf. Andererseits ist jedoch bekannt, daß durch bloße Dampfbehandlung keine ausreichende Abtrennung der in Lösung gehenden Anteile (Hemicellulose, Teile des Lignins) vom verbleibenden Feststoff erfolgt und dadurch keine optimale Weiterverarbeitung möglich ist. Es wurde versucht, an die Dampfbehandlung anschließend die Hemicellulose kalt durch Waschen abzutrennen, um deren Zersetzung niedrig zu halten. Trotzdem blieben bisher Ausbeuten und Abtrennungsgrade bei den konventionellen Dampfexuaktionen unbefriedigend, es bilden sich bei höheren Bedampfungstemperaturen beträchtliche Mengen an Hemmstoffen, die Kaltwasserextraktion beeinflußt unter Umständen die Wärmewirtschaft des Verfahrens negativ. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun, Hemicellulose vorher sehr effektiv abzutrennen und in einfacher Weise mit einer die enzymatische Zugänglichkeit verbessernden Dampfbehandlung zu kombinieren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elution der Hemicellulose bei Temperaturen von 150 bis 220 °C erfolgt, wobei dem flüssigen Elutionsmittel keine nicht aus dem Aufschluß von Pflanzenmaterial selbst stammenden Chemikalien zugesetzt werden, daß die Entfernung des Eluates aus dem Reaktionsbehälter nach erfolgter Elution, vorzugsweise durch Dampfzuführung erfolgt und daß unmittelbar daran anschließend der cellulose-reiche Rückstand in Dampfatmosphäre auf eine Temperatur von 200 °C bis 250 °C während einer Kontaktzeit des Dampfes mit dem Biomasserückstand von 0,5 Minuten bis 30 Minuten gebracht wird. Vorzugsweise werden als Elutionsmittel Wasser oder Eindampfbrüdenkondensat aus der Zellstoffkochung eingesetzt. Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal wird der cellulose-reiche feste Rückstand nach der Dämpfbehandlung einer enzymatischen Verzuckerung zugeführt. Weitere in den Unteranspriichen 4 und 5 angeführte Erfindungsmerkmale dienen der Ausgestaltung der Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Rohstoffaufbereitung des pflanzlichen Materials durch Elution der Hemicellulose bei einer Temperatur von 150 °C bis 220 °C in flüssiger Phase. Versuche haben ergeben, daß eine Temperatursteigerung über diese Werte keine wesentliche Verbesserung der Elution bringt. Nach einer Abtrennung des Eluats, welches einer Weiterverarbeitung zugeführt werden kann, erfolgt eine Dampfnachbehandlung des cellulose-reichen Rückstandes, wobei die Elution der Hemicellulose mit dieser Dampfbehandlung kombiniert wird, indem das Eluat mit Dampf aus dem Reaktionsbehälter verdrängt wird und darüber hinaus die Bedingungen für dieses Füllen des Reaktors mit Dampf so eingestellt werden, daß als zweiter Schritt nach der Elution der Hemicellulosen eine Nachbehandlung mit Dampf erfolgt, indem durch die Zuführung entsprechenden Dampfes die Temperatur der im Reaktor befindlichen Biomasse auf etwa 200 °C bis 250 °C erhöht und 1 bis 30 Minuten gehalten wird. Die Menge des dabei kondensierenden Dampfes beträgt je nach Elutions- und Endtemperatur etwa 1 bis 10 % der im Reaktor nach der Eluatentfemung verbliebenen Flüssigkeitsmenge, die wiederum entscheidend vom Entwässerungsverhalten der festen Biomasse abhängig ist. Durch diese Verfahrensführung wird ein wichtiger Nachteil konventioneller Dampfbehandlungsverfahren vermieden, daß es nämlich bei Wahl einer für die enzymatische Zugänglichkeit günstigen, hohen Dampftemperatur zu starker Zersetzung der nicht wie im erfindungsgemäßen Verfahren vorher entfernten Hemicellulose und daraus resultierend zur Bildung von Substanzen wie Furfural kommt, die eine weitere biotechnische Verarbeitung entscheidend behindern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kommt es zu einer Verbesserung der Ausbeute um 20 bis 30 %. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Aufschluß von lignocellulose-hältiger Biomasse durch Elution des Hemicellulose-Anteils mit einer Flüssigkeit, insbesondere zur Verbesserung der enzymatischen Zugänglichkeit der Cellulose, dadurch gekennzeichnet, daß die Elution der Hemicellulose bei Temperaturen von 150 °C bis 220 °C erfolgt, wobei dem flüssigen Elutionsmittel keine nicht aus dem Aufschluß von Pflanzenmaterial selbst stammenden -2- Nr. 391 493 Chemikalien zugesetzt werden, daß die Entfernung des Eluates aus dem Reaktionsbehälter nach erfolgter Elution, vorzugsweise durch Dampfzuführung, erfolgt und daß unmittelbar daran anschließend der cellulose-reiche Rückstand in Dampfatmosphäre auf eine Temperatur von 200 °C bis 250 °C während einer Kontaktzeit des Dampfes mit dem Biomasserückstand von 0,5 Minuten bis 30 Minuten gebracht wird. 5
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elutionsmittel Wasser oder Eindampfbrüdenkondensat aus der Zellstoffkochung eingesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der cellulosereiche feste Rückstand nach der 10 Dampfbehandlung einer enzymatischen Verzuckerung zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfbehandlung bei diskontinuierlichem Betrieb nach dem Verdrängen des Eluates aus dem Reaktionsgefäß in diesem erfolgt
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfbehandlung bei kontinuierlichem Betrieb in einer an die Elutionszone anschließenden Zone des Reaktors, insbesondere in einem gesonderten Reaktionsgefäß, erfolgt. 20