AT391717B

AT391717B - Verfahren zur gewinnung von wertstoffen aus pflanzlicher biomasse

Info

Publication number: AT391717B
Application number: AT148188A
Authority: AT
Inventors: Guenther Dr Bonn; Ortwin Dr Bobleter; Werner Dipl Ing Prutsch
Original assignee: Waagner Biro Ag
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1990-11-26
Also published as: ATA148188A

Description

Nr. 391 717

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen wie z. B. Tanninen, Hemicellulose aus pflanzlicher Biomasse, insbesondere Rinde, mittels Elutionsmittel in einem Druckgefäß bei Temperaturen bis 300 °C und überatmosphärischen Drücken.

Es ist aus der At-PS 263 661, DE-AS 1 216 810 und DE-OS 3 225 074 bekannt, Hemicellulose und/oder Tannine aus pflanzlicher Biomasse zu lösen, um dabei die Zellulose für eine enzymatische Verzuckerung vorzubereiten, wobei das Eluat infolge seiner Verunreinigung kaum verwertbar war, da die Inhaltsstoffe mit steigender Temperatur zerfallen und ihren Wert verloren haben.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, die Wertstoffe zu gewinnen bzw. einer vernünftigen Weiterverarbeitung zuzuführen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Druck und die Temperatur des Elutionsmittels im Druckgefäß stufenweise erhöht und das Elutionsmittel zwischen den Stufen ausgewechselt wird, wobei zumindest eine Stufe zwischen 60 und 140 °C und eine Folgestufe zwischen 140 und 220 °C liegt, und in der ersten Stufe hauptsächlich Tannine in der Folgestufe hauptsächlich Hemicellulose und das leicht lösliche Lignin in Lösung gebracht wird. Weitere Verfahrensschritte sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.

Verschiedene Pflanzenbestandteile weisen einen verhältnismäßig hohen Tanningehalt und einen wesentlichen Anteil an hemicelluloseartigen Kohlehydraten auf. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, werden u. a. die Prozentsätze der Trockensubstanz an Tanninen von 5 bis 18 % und an Hemicellulose von 12 bis 39 % gefunden. Diese beiden Stoffklassen können daher einen beträchtlichen Beitrag zur gesamten Biomasse der Pflanze liefern. Anteile des Tannins werden zur Zeit als Gerbstoffe, Flotationsmittel, etc., genutzt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist als Nitrifizierungshemmer im Pflanzenschutz. Dadurch könnte ein großes Einsatzgebiet als Düngemittelzusatz eröffnet werden.

Hemicellulose ist bisher ein wenig genutztes Kohlehydrat, das u. a. bei der Papierherstellung mit den Sulfitablaugen verbrannt wird. Bei einer entsprechenden Isolierung der Hemicellulose könnte diese ein Wertvolles Ausgangsprodukt für die fermentative Gewinnung von Alkoholen, Aceton und Futterhefe, aber auch für die Herstellung von weiteren chemischen Rohstoffen, wie z. B. Furfural, sein.

Bisherige Verfahren nützen die Tannine zur Gewinnung der Gerbstoffanteile, wobei sie z. B. mit Wasser in Extraktionskolonnen diese Substanzklasse im Gegenstrom isolieren. Die verbleibende Hemicellulose bleibt dabei üblicherweise ungenützt. Bei den hydrothermalen Aufschlußverfahren wird mit Wasser bei Temperaturen zwischen 140 bis 220 °C die Hemicellulose aus der pflanzlichen Biomasse gelöst. Dabei werde?, je nach Arbeitsbedingungen 40 bis 60 % der Biomasse in Lösung gebracht.

Nun ergab sich jedoch überraschenderweise, daß es in einem vorgeschalteten Arbeitsgang möglich ist, auch aus tanninhaltigen Biomassematerialien die Gerbstoffe bevorzugt im Temperaturbereich von 60 bis 140 °C selektiv abzutrennen. Diese stufenweise Erhöhung der Temperaturen ermöglicht weiters die Durchführung des Verfahrens in überaus selektiver Weise in bezug auf die chemische Zusammensetzung der gewonnennen Gerbstoffextraktlösungen.

Nach stufenweiser Erhöhung der Abbautemperatur von 140 bis 220 °C können auch die aus der Hemicellulosefraktion stammenden Produkte in Form einer Lösung tanninfrei gewonnen werden und stehen somit einer z. B. enzymatischen Umsetzung aufgeschlossen zur Verfügung. Auch der Rückstand nach dieser Temperaturstufe kann entsprechend enzymatisch weiter umgesetzt werden. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden luftgetrocknete Rinde bzw. Holzschnitzel gemahlen, bzw. mit einer durchschnittlichen Größe von 6 x 6 x 2 mm nach Feststellung des Trockengewichtes exakt eingewogen und im Druckgefäß mit einem Elutionsmittel, vorzugsweise reinem Wasser, in der flüssigen Phase bei verschiedenen Temperaturbereichen bzw. Verweilzeiten behandelt. Das Wasser durchströmt das tanninhältige Biomassematerial im Druckgefäß im Quer-, Gleich- und Gegenstrom und verläßt angereichert bei 60 bis 140 °C mit Tanninen das Reaktionsgefäß, wird in weiterer Folge über einen Kühler abgekühlt und nach der Druckentspannung in einem eigenen Behälter aufgefangen. Von den Abbaulösungen wurden aliquote Mengen zur Trocknung eingedampft und der Feststoffgehalt gravimetrisch bestimmt.

Durch Erhöhung der Hydrolysetemperatur auf bis zu 220°C kann in der Folge der Hemicelluloseanteil in Lösung gebracht und ebenso wie der Zelluloserückstand z. B. einer enzymatischen Verwertung zugeführt werden.

Zusammensetzung pflanzlicher Biomasse (Angabe in Prozent der Trockensubstanz)

Rinde

Tannine Hemicellulose Lignin Cellulose

Fichte % 5-15 11-17 25-34 40-48

Buche % 7-18 16-23 35-45 20-26 -2-

Claims

Nr. 391 717 Holz Hemicellulose Lignin Cellulose Fichte % Tanne % Pappel % Birke % 15-31 12-15 17-21 25-39 27-28 28-29 18-21 19-26 40-46 42-49 43-51 34-49 Überraschenderweise wurde ferner fesigestellt, daß die ausgelaugten Rinden nach der Gewinnung der Tannine und insbesondere der Hemicellulose infolge der Zellauflockerung sich kurzfristig zu Kompost verarbeiten lassen, der von besonderer Güte ist, so daß der wirtschaftliche Erfolg der Abfallbeseitigung (Rindenentsorgung) beachtlich ist. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen wie z. B. Tanninen, Hemicellulose aus pflanzlicher Biomasse, insbesondere Rinde, mittels Elutionsmittel in einem Druckgefäß bei Temperaturen bis 300 °C und überatmosphärischen Drücken, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck und die Temperatur des Elutionsmittels im Druckgefäß stufenweise erhöht und das Elutionsmittel zwischen den Stufen ausgewechselt wird, wobei zumindest eine Stufe zwischen 60 und 140 °C und eine Folgestufe zwischen 140 und 220 °C liegt und in der ersten Stufe hauptsächlich Tannine und in der Folgestufe hauptsächlich Hemicellulose und das leicht lösliche Lignin in Lösung gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reststoff nach der Auswaschung der Tannine, Hemicellulose und des leicht löslichen Lignins einer enzymatischen Veredelung, insbesondere Verzuckerung, zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tanninhältige pflanzliche Biomasse kontinuierlich oder zumindest in Schüben durch das Druckgefaß gefördert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tannine in mehreren Stufen im · Temperaturbereich zwischen 60 und 140 °C fraktionsförmig gelöst und ausgewaschen sowie getrennten Weiterverarbeitungsstufen, insbesondere zur Gewinnung von Gerbstoffen, zugeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemicellulose in mehreren Stufen im Temperaturbereich zwischen 140 bis 220°C fraktionsförmig gelöst und ausgewaschen sowie getrennten Weiterverarbeitungsstufen zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststoffe nach Auswaschung der Tannine und insbesondere der Hemicellulose einer Kompostierung zugeführt werden. -3-