AT500706B1 - Verfahren zum aufschliessen von biomasse - Google Patents

Description

2 AT 500 706 B1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufschließen von Biomasse, in dem bei einer Temperatur zwischen 180 °C und 230 °C die Biomasse mit heißem Wasser in Berührung gebracht und teilweise in diesem gelöst wird, wobei die Behandlung in einem Reaktionsgefäß erfolgt, welchem das Wasser in flüssigem Zustand zugeführt wird, wobei die gesamte zur Be-5 handlung einer Füllung des Reaktionsgefäßes eingesetzte Menge an flüssigem Wasser 20 % bis 50 % des Reaktorvolumens ausmacht und im Reaktorvolumen dauernd Dampf, Biomasse und flüssiges Wasser vorhanden sind. Die Behandlungsdauer solcher Verfahren liegt meist zwischen 2 und 20 Minuten. Je nach Bedingungen und Verfahrensart können dabei ca. 25 bis 60 % der Biomasse in Lösung gebracht werden. Die Lösung enthält fast die gesamte Hemicel-io lulose, einen unterschiedlich großen Anteil an Lignin und eine geringe Menge der Cellulose. Der feste Rückstand besteht weitgehend aus Cellulose und dem restlichen Lignin.

Das auf diese Weise aufgeschlossene Material lässt sich sehr gut enzymatisch verzuckern. Die erhaltenen Zucker können in eine Vielzahl von Produkten, wie Alkohol, Pharmazeutika, Plastik-15 Stoffe etc., umgewandelt werden.

Je nach der Vorbehandlung der Biomasse unterscheidet man derzeit grundsätzlich zwei Verfahren. 20 Dampf-Vorbehandlung: Solange bei der Dampf-Behandlung keine wesentliche Kondensation auftritt lässt sich nur die Hemicellulose (ca. 25 % der ursprünglichen Biomasse) in Lösung bringen. Bildet sich während der Behandlung eine stärkere wässerige Phase, können bis zu 40 % der Biomasse darin aufgelöst sein. 25 Der entscheidende Nachteil der Dampf-Behandlung liegt in dem Umstand begründet, dass das Ausmaß der Dampfkondensation sehr schwer zu bestimmen bzw. einzustellen ist. Dadurch wird es fast unmöglich, eine üblicherweise gewünschte hohe Löslichkeit der Biomasse sicherzustellen. Darüber hinaus kann es bei schnellem Dampfablassen, wie es z.B. beim sogenannten Dampf-Explosionsverfahren auftritt, zum Trocknen der Biomasse kommen, wodurch die an-30 schließende enzymatische Verzuckerung sehr behindert wird.

Das zweite Verfahren ist das Aquasolv-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird nur mit heißem Wasser bis zu ca. 60 % der Biomasse in Lösung gebracht. Die Wiedergewinnungsrate (der Anteil der abgebauten Biomasse in der Lösung und im Rückstand) liegt sehr hoch und ist meist 35 über 95 %. Die enzymatische Verzuckerung ist ebenfalls sehr hoch und liegt meist nahe dem theoretischen Maximum. Während des Aquasolv-Verfahrens schrumpft das Biomasse-Bett im Reaktionsgefäß. Bei weniger dichten Materialien, wie z.B. Stroh, sinkt das Volumen des Bettes auf ca. 50 % des ur-40 sprünglichen Volumens.

Ein Nachteil des Aquasolv-Verfahrens liegt im hohen Heißwasser-Verbrauch, der gleichbedeutend mit einem relativ hohen Energieverbrauch ist. Bei der Verwendung von Stroh lässt sich meist nur ein Füllgrad von 10 % im Reaktionsgefäß erreichen. Dies bedeutet, das sich in einer 45 angenommen 100 Liter Pilotanlage 10 kg Stroh und 90 kg bzw. Liter Wasser befinden. Die Bedingungen sind deutlich günstiger bei der Verwendung von dichteren Materialien, wie Bagasse, Holzschnitzel usw.

Die AT 263 661 beschreibt ein Verfahren zum Aufschließen von Biomasse, bei dem Wasser mit so einer Temperatur von 140 bis 350 °C durch die Biomasse geleitet wird. Die DE 27 32 289 zeigt ein Verfahren zum Aufschließen von Biomasse, wobei die Behandlung ausschließlich mit Wasserdampf erfolgt. Die DE 163 070 offenbart ein Verfahren zum Aufschließen von Biomasse, wobei die Biomasse vollständig von Wasser bedeckt wird und darin bei Temperaturen von 125 °C gekocht wird. In der JP 2001-262162 wird ein Verfahren zum Aufschließen von pulveri-55 sierter Biomasse gezeigt, wobei die Biomasse in Wasser aufgeschlemmt wird und knapp 3 AT 500 706 B1 oberhalb und knapp unterhalb des kritischen Zustandes zum Abbau von Polysacchariden gehalten wird. In der DE 1 216 810 wird ein Verfahren zum Aufschließen von Biomasse ausschließlich mit heißem flüssigen Wasser gezeigt. In der EP 98 490 wird ein Verfahren zum Aufschließen von Biomasse beschrieben, wobei die Biomasse von flüssigem Wasser durch-5 strömt wird. In der JP 2002-059118 wird die Biomasse ausschließlich mit unter Druck stehendem heißem flüssigem Wasser behandelt. In der GB 638 496 wird die Biomasse im Reaktor mit flüssigem Wasser besprüht und gekocht.

Durch die Erfindung sollen die bisher bekannten Verfahren kombiniert werden. Gegenüber dem io Dampfbehandlungsverfahren besteht der wesentliche Unterschied darin, dass eine definierte Menge flüssigen Wassers in das Reaktorgefäß eingebracht wird und in diesem beispielsweise durch Umpumpen mit der gesamten Biomasse in Berührung kommt. Gegenüber dem Aquasolv-Verfahren besteht der Unterschied darin, dass die gesamte zur Behandlung einer Füllung des Reaktorgefäßes eingesetzte Menge an flüssigem Wasser nur 20 - 50 % des Reaktorvolumens 15 ausmacht, und im Reaktorvolumen dauernd Dampf, Biomasse und flüssiges Wasser vorhanden sind. Die Erfindung vereinigt die Vorteile der beiden bekannten Verfahren, indem einerseits ein hoher Anteil der Hemicellulose in Lösung gebracht, andererseits eine hochkonzentrierte Lösung erzielt wird. 20 Das vorgeschlagene Verfahren soll die Nachteile der beschriebenen bisherigen Verfahren vermeiden und dadurch die Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses sicherstellen. Es muss daher ermöglicht werden, dass 1. der Füllgrad, d.h. der Anteil an heißem Wasser pro Gewicht an Biomasse, jederzeit optimal 25 eingestellt werden kann, und gleichzeitig 2. während der Reaktionszeit eine gleichmäßige Benetzung der Biomasse sichergestellt ist.

Durch die in der Zeichnung dargestellte Anlage lassen sich die angeführten Forderungen erreichen. Anhand eines Verfahrensablaufes wird gleichzeitig die Anlage beschrieben: 30 a) Die beiden Boiler 1, 2 werden z.B. auf 200 °C aufgeheizt. Alle Ventile sind geschlossen. b) Der Reaktor 3 wird mit Biomasse, z.B. mit gehäckseltem Stroh, gefüllt. 35 c) Der Boiler 1 liefert Dampf über Ventil 4 in den Reaktor. Mit teilweise geöffneten Ventilen 7, 8 und an Leitungswasser angeschlossenem Wärmetauscher 12 kann die ursprüngliche Luft des Reaktors und soviel Kondenswasser abgelassen werden, bis das Innere des Reaktors bei der gewünschten Temperatur ist. Dann werden die Ventile 4 und 7 geschlossen. 40 d) Durch Öffnen des Ventils 5 wird heißes Wasser über die Düse 10, die die Flüssigkeit gleichmäßig auf die Oberfläche der Biomasse verteilt, in den Reaktor geleitet. Die Menge des Wassers, das dem Reaktor zugeführt werden soll (z.B. 25 % des Reaktorvolumens) kann mittels der Fluss-Messanlage 11 bestimmt werden. Ventil 5 wird geschlossen. 45 e) Durch den Boiler 2 (geöffnetes Ventil 6) wird mittels der Pumpe 13 die Flüssigkeit des Reaktors durch die Düse 14 auf das Biomasse-Bett gesprüht. f) Nach der gewünschten Zeit (z.B. 10 Minuten) wird die Pumpe 13 abgestellt. so g) Die Reaktorflüssigkeit wird über die Ventile 7, 8 und den Kühler 12 abgelassen. h) Der feste Biomasse-Rückstand wird über den Kugelhahn 15, ev. mit kaltem Wasser (KW) oder mit Hilfe einer Lanze, die durch den Deckel des Reaktors geführt wird, abgelassen. 55 Wird das Verfahren nur bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt, können der Boiler 1 und

Claims (3)

1. 4 AT 500 706 B1 der Wärmetauscher 2 in einem Gerät zusammengefasst werden. Anstatt, wie dargestellt, die insgesamt vorgesehene Heißwassermenge mittels der Pumpe 13 im Kreislauf durch den Reaktor zu führen, kann die gesamte Behandlung auch bei einem einzigen Durchgang der vorgesehenen Wassermenge erfolgen. In diesem Fall wird die Heißwassermenge langsam und kontinuierlich während der ganzen Reaktionszeit, vorzugsweise 20 Minuten, oben ins Reaktionsgefäß eingeleitet, über die Biomasse gleichmäßig verteilt und unten im selben Ausmaß wieder abgelassen, gekühlt und aufgefangen. Der feste Rückstand an Biomasse wird in konventioneller Weise aus dem Reaktionsgefäß entnommen. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Aufschließen von Biomasse, in dem bei einer Temperatur zwischen 180 °C und 230 °C die Biomasse mit heißem Wasser in Berührung gebracht und teilweise in diesem gelöst wird, wobei die Behandlung in einem Reaktionsgefäß erfolgt, welchem das Wasser in flüssigem Zustand zugeführt wird, wobei die gesamte zur Behandlung einer Füllung des Reaktionsgefäßes eingesetzte Menge an flüssigem Wasser 20 % bis 50 % des Reaktorvolumens ausmacht und im Reaktorvolumen dauernd Dampf, Biomasse und flüssiges Wasser vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zuleiten von flüssigem Wasser das Innere des Reaktors mit heißem Wasserdampf erhitzt und gebildetes Kondenswasser abgelassen wird, solange bis das Innere des Reaktors die Aufschlusstemperatur erreicht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 bis, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Reaktorgefäß laufend abgezogen und der Biomasse wieder von oben zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser während der ganzen Reaktionszeit von oben in das Reaktionsgefäß eingeleitet und unten abgelassen, gekühlt und aufgefangen wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen