DE102006013657A1 - Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern durch Mikroorganismen - Google Patents

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Martin Wagner
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    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01CCHEMICAL OR BIOLOGICAL TREATMENT OF NATURAL FILAMENTARY OR FIBROUS MATERIAL TO OBTAIN FILAMENTS OR FIBRES FOR SPINNING; CARBONISING RAGS TO RECOVER ANIMAL FIBRES
    • D01C1/00Treatment of vegetable material

Abstract

Dargestellt wird ein "Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern durch Mikroorganismen", bei dem durch Einhaltung stark alkalischer Bedingungen während des gesamten Aufschlussprozesses die natürlich an den Fasern haftenden Mikroorganismen (Bakterien und Pilze) abgetötet sowie Sporen an ihrer Auskeimung gehindert werden. Zum Abbau des Pektins, der Hemicellulosen und partiell des Lignins werden speziell gezüchtete und an extreme pH-Werte adaptierte Bakterien eingesetzt, die dann einen Aufschluss der Faserbündel in Fein- und Elementarfasern bewirken. Der Aufschlussprozess wird in Reaktoren mit pH-Steuerung unter aeroben Bedingungen, die durch einen Wechsel zwischen einer feuchten und einer submersen Phase erreicht werden, wie in der Abbildung gezeigt, durchgeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern, insbesondere von Hanf, bei dem durch Einhaltung extremer ökologischer Bedingungen die natürlich an den Fasern vorhandenen Eigenkeime abgetötet und damit der Einsatz selektierter und adaptierter Mikroorganismen mit ihren Fähigkeiten zur Faservereinzelung, unter Ausschluss einer Faserschädigung durch Celluloseabbau, ermöglicht wird.
  • Das vorgeschlagene Verfahren wird darüber hinaus durch eine speziell für die Bearbeitung von Fasermaterialien entwickelte biotechnologische Anlage, die eine optimale aerobe Prozessführung gewährleistet, ergänzt.
  • Naturfasern werden schon seit Jahrtausenden vom Menschen in vielfältiger Weise genutzt. Als nachwachsende Rohstoffe hat ihre Bedeutung aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen in den letzten Jahren wieder stark zugenommen. So wird auch der Gewinnung von Bastfasern aus den Stengeln dikotyler Pflanzen wie Hanf, Flachs, Jute oder Nesselpflanzen wieder mehr Aufmerksamkeit geschenkt.
  • Die Bastfasern sind im Stengel längs angeordnet und verlaufen in Bündeln zwischen dem Parenchym und Phloem. Die Bastfasern, z. B. des Hanfes liegen meist in Form von Bändern mit einer Breite von 30 bis 80 μm und einer Tiefe von 300 bis 800 μm vor. Sie werden aus Bündeln von Feinfasern gebildet, die einen meist unregelmäßigen Querschnitt von 10 bis 80 μm aufweisen. Diese Feinfasern wiederum setzen sich aus Bündeln von Elementarfasern mit einem Querschnitt von 5 bis 8 μm zusammen.
  • Den Hauptanteil dieser Elementarfasern bildet die innen liegende Sekundärwand, die überwiegend aus Cellulosefibrillen besteht. Ihr schließt sich nach außen die Primärwand an, die neben Cellulosefibrillen aus Hemicellulose und Pektin gebildet wird. Zwischen den Elementarfasern befindet sich eine Mittellamelle, welche die Fasern zu Faserbündeln verkittet. Sie besteht zur Hauptsache aus Pektin, in das unterschiedliche Mengen an Lignin eingelagert ist. Der Ligningehalt in der Mittellamelle bestimmt wesentlich die Schwierigkeit des Aufschlusses der Faserbündel in Feinfasern und Elementarfasern. Im Vergleich zu Flachs weisen die Hanffasern einen höheren Ligningehalt auf wodurch sich letztere schwieriger aufschließen lassen.
  • Der schwierige Aufschluss von Hanffasern ist eine wesentliche Ursache dafür, dass die Haupteinsatzgebiete von Hanf sich im Wesentlichen auf die Herstellung von Segeln, Planen, Gurten, Netze sowie in jüngerer Zeit zur Faserverstärkung in Baustoffen und Kunststoffformteilen erstreckt. Die Anwendung im textilen, besonders feintextilen Bereich befindet sich erst in den Anfängen, obwohl die Fasern besonders wegen ihrer hohen Reißfestigkeit sehr begehrt sind.
  • Es gibt vielfältige Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern.
    • – Mechanische Verfahren, wie das Cottonisieren, bei dem durch Aufreißen und Brechen der Stängel, der Holzkörper und Teile des Parenchyms entfernt und die Faserbündel freigelegt werden und seine Verbesserungen wie beispielsweise durch Einsatz von Messermühlen ( DE 196 26 557 A1 )
    • – Physikalische Verfahren, wie der Hochdruck-Dampfaufschluss (GB-PS 388 561; DE-OS 37 28 072) oder die Nutzung des sich entspannenden Dampfes nach einer Mikrowellenbehandlung zur Faservereinzelung ( DE 196 17 909 A1 )
    • – Chemische Verfahren, wie sie auch zur Cellulosegewinnung aus Holz durch Entfernung von Lignin und Pektin bekannt sind, wie Natronaufschluss, Sulfidverfahren, Sulfatverfahren (US-P 2,725,289, indische Patentschrift 140.829 spezielle Anwendungen von beispielsweise Trinatriumphosphat (US-A-2 073 682) oder eine Kombination von Trinatriumphosphat mit Borax, Dispergier- und Bleichmitteln ( EP 0 861 347 B1 ; DE 199 05 121 A1 ) wurden auch in leicht abgewandelter Form zur Gewinnung von Bastfasern angewandt.
    • – Mit der Kombination mehrer wirksamer chemischer Verbindungen unter alkalischen Bedingungen, einer Bedampfung bei einer Temperatur von über 100°C und einer mechanischen Bearbeitung wird eine Aufbereitung von Sklerenchymfasern insbesondere von Flachs erreicht ( EP 0 706 585 B1 ).
    • – Der Nachteil dieser mit hohem energetischen Aufwand verbundenen chemischen Aufschlussverfahren wird in der Patentschrift DE 10 2004 036 112 A1 darin gesehen dass ein Recyclieren all dieser Chemikalienmischungen unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten nicht sinnvoll ist und darüber hinaus die Reißfestigkeit der Fasern herabgesetzt wird. Vorgeschlagen wird daher ein Aufschluss mit Ammoniak bei Temperaturen von 80 bis 180°C, wodurch eine Rückgewinnung des Aufschlussmittels möglich wird.
    • – In einer Weiterführung ( DE 10 2004 036 135 A1 ) wird ein Aufschluss von Bastfasern mit Aminen, vorzugsweise sekundären Aminen vorgeschlagen, welches ebenfalls bei sehr hohen Temperaturen in Hochdruckkesseln durchgeführt wird. Der Nachteil dieser Hockdruckverfahren ist, dass sie natürlich sehr energieaufwendig und durch den erforderlichen hohen Sicherheitsstandard in Hochdruckapparaturen diskontinuierlich und nur mit begrenztem Faservolumen zu realisieren sind.
    • – Um den in obigen Verfahren beschriebenen hohen Chemikalieneinsatz, verbunden mit einem hohen Energieeintrag einzugrenzen und gleichzeitig eine Faserschädigung zu verringern wird nun auf schonendere Verfahren, wie auf einen Enzymatischen Faseraufschluss orientiert. Zusammenfassungen zum Stand der Technik bringen Akin et al (Journal of Natural Fibers, Vol. 1(1) 2004) und Dreyer et al (Journal of Industrial Hemp, Vol. 7(1) 2002). Handelsprodukte wie Flaxozyme, Viscozyme, Lyvelin, BioPrep u. a. kommen als gereinigte Enzyme oder als Mixturen von Pektinasen, Pektin-Methyl-Esterasen, Pektat-Lyasen, Xylanase, Glucanasen u. a. zum Einsatz. Die Anwendung von Enzymen zum Faseraufschluss ist vielfach kompliziert, da hierzu ein komplexer Cocktail zum Abbau der Peptide, Pektine, Xylane, Hemicellulosen bis zu Ligninen erforderlich ist. Die Enzympräparate enthalten oft geringe Mengen an Cellulasen, die bei höheren Enzymeinsatzkonzentrationen oder längeren Verweilzeiten zu Faserschädigungen führen. Nachteilig ist auch, dass in der Regel eine Kombination der Enzyme mit anderen Chemikalien, vorzugsweise Aminen, wie EDTA oder von Chelatoren zum Binden des aus den Pektinen freigesetzten Kalziums, wie Polyphosphate und eine physikalische Nachbehandlung der Fasern erforderlich ist. Insgesamt sind die Herstellung und der Einsatz von Enzymen aufwendig und kostenintensiv.
    • – Die biologische Faseraufbereitung in Form der Röste ist das seit Jahrhunderten praktizierte Verfahren der Fasergewinnung aus Pflanzenteilen. Diverse Verfahren der Wasserröste wurden entwickelt, von der Aufarbeitung in offenen Gewässern, Gräben, Becken und Tanks, letztere in Kalt- und Warmwasser. Bei der Wasserröste sind überwiegend Bakterien aktiv. In der Regel wird ein Wechsel zwischen einer aeroben und einer anaeroben Abbauphase realisiert um einen möglichst weitgehenden Faseraufschluss und Abbau der gelösten organischen Substanz zu erreichen. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit werden bei neueren Intensivverfahren auch selektierte Mikroorganismen, die bevorzugt Pektine abbauen eingesetzt (WO 02/092887 A1). Verbesserte Faseraufschlussverfahren wurden entwickelt (US 2004/0191888 A1), bei denen cotonisierte Fasern nach Vorbehandlung bei einer Temperatur von 70 bis 90°C unter anaeroben Bedingungen mit einem Enzym und/oder Chemikalien in geschlossenen Behältern gelagert werden.
    • – Es wurden auch Untersuchungen zur Intensivierung der Fasergewinnung im schwach alkalischen Bereich, bevorzugt bei pH-Werten von 8,0 bis 9,5 durchgeführt, da im Unterschied zu den Cellulasen, die Pektinasen hier eine höhere Aktivität besitzen. Es wurden die natürlich vorhandenen Eigenkeime, hier die „Faserbakterien" der Ramie in einem ungesteuerten System verwendet. Zur Entwicklung kamen auch Celluloseabbauende Bakterien, die zu einer Verringerung der Reißfestigkeit der Fasern führten, so dass die Prozessdauer auf nur drei Tage beschränkt werden musste ( CH 686 444 A5 , Leupin, Dissertation 1996). Diese Fermentationszeiten sind ausreichend für eine Freisetzung von Bastfasern aus dem Parenchymgewebe, sie reichen jedoch nicht aus für einen Faseraufschluss zur Gewinnung von Mikro- und Elementarfasern.
    • – Der große Nachteil der Wasserröste besteht in der hohen Umweltbelastung und dem großen Wasserbedarf, so dass diese heute nur noch in Süd-Südosteuropäischen Ländern durchgeführt werden darf.
  • Das alternative Verfahren ist die Tauröste, die auf abgeernteten Feldern oder Wiesen realisiert wird. Hier erfolgt der Faseraufschluss überwiegend durch Pilze. Witterungsabhängig sind Lagerzeiten von 3 bis 6 Wochen erforderlich. Versuche zu einer Forcierung des Prozesses durch Besprühen mit selektierten Bakterien oder Pilzen waren wenig erfolgreich.
  • Der wesentliche Nachteil aller bisher angewandter biologischer Verfahren besteht darin, dass die zu behandelnden Pflanzenteile intensiv mit einem breiten Konsortium von Bakterien und Pilzen besiedelt sind, was sowohl gewünschte Leistungen, wie Pektin-, Xylan-, Hemicellulose-, Lignin-Abbau, als aber auch den unerwünschten Abbau der zu gewinnenden Zellulosefasern bewirkt. Im Ergebnis können somit bei einer Röste mit den natürlich vorhandenen Mikroorganismen entweder nur grobe Bastfasern hoher Reißfestigkeit oder feinere Fasern mit geringer Reißfestigkeit produziert werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Gewinnung von Cellulose-Feinfasern aus pektinhaltigen, pflanzlichen Material zur Verfügung zu stellen, bei dem die Cellulosefasern nicht geschädigt werden und Nachteile oben genannter Verfahren weitgehend ausgeschlossen werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass durch Einhaltung stark alkalischer Bedingungen, die den Naturfasern anhaftenden Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) abgetötet und Sporen an ihrer Keimung gehindert werden, derart, dass zum Abbau des die Fasern umgebenden Parenchymgewebes sowie der Kittsubstanzen (Pektin, Lignin) spezielle Bakterien, die durch Züchtung an extreme alkalische Bedingungen gewonnen wurden, eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird darüber hinaus gestützt durch ein neuartiges biotechnologisches Verfahren für eine aerobe Fermentation von Naturfasern, bei dem durch geeignete technische Vorrichtungen und einem ständigem Wechsel zwischen einer feucht- und submers-Phase eine optimale Sauerstoffversorgung, konstant alkalische pH-Werte und eine gute Abbauleistung, auch bei gegebenen dichten Packungen von Naturfasern, gewährleistet ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt das faserhaltige pflanzliche Substrat in ein wässriges Medium eingebracht, dessen pH durch Dosierung von Lauge auf einen Wert pH größer als 10, bevorzugt pH 10,1 bis 11,0 eingestellt und während des gesamten Behandlungszeitraumes durch kontinuierliche Messung und Regelung auf diesem Wert gehalten wird. Hierdurch werden die am pflanzlichen Material haftenden vegetativen Zellen abgetötet und Sporen an ihrer Auskeimung gehindert.
  • Es ist weiterhin im Sinne der Erfindung, dass es sich bei dem zu behandelnden faserhaltigen pflanzlichen Substrat um frisches oder gering geröstetes Material (Röststufe 1) handelt, damit mit dem hier beschriebenen Aufschlussverfahren stabile unzerstörte Fein- und Elementarfasern erhalten werden können. Eine vorangegangene Trennung des Bastes vom Holzanteil, beispielsweise durch eine Cottonisierung, ist für das mikrobielle Aufschlussverfahren vorteilhaft.
  • Erfindungsgemäß werden nach erfolgter pH-Einstellung dem aufzuschließenden pflanzlichen Material, von natürlichen Substraten isolierte und an extreme pH-Werte adaptierte, spezielle Bakterienstämme zugesetzt. Diese Bakterienstämme sind befähigt sich bei pH-Werten von 10,0 bis 11,0 optimal zu entwickeln sowie Parenchymgewebe, Pektine, Xylane und Hemicellulosen so abzubauen, dass der gewünschte Faseraufschluss in ausreichendem Maße erfolgt. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung besteht dabei darin, dass die eingesetzten Bakterienstämme nicht über aktive Cellulasen verfügen, so dass eine Schädigung der Cellulosefasern, auch bei lang anhaltender Behandlung nicht erfolgt.
  • Es ist im Sinne der Erfindung, dass es sich bei den selektierten alkalophilen Bakterienstämmen vorzugsweise um aerobe Bakterien der Gattungen Bacillus und Xanthomonas handelt. Diese siedeln bevorzugt auf den Pflanzenfasern. Eine intensive Aufwuchsbildung ist ein wesentliches Kriterium des biologischen Verfahrens, da erst durch den unmittelbaren Kontakt der Mikroorganismen mit der Faser die freigesetzten Enzyme voll zur Wirkung kommen.
  • Erfindungsgemäß wird der Abbauprozess im Unterschied zu der üblicherweise bei der Wasserröste realisierten Aufeinanderfolge einer aeroben und anaeroben Phase, im vorgeschlagenen Verfahren ausschließlich aerob geführt. Daraus resultiert eine nahezu vollständige Mineralisierung der organischen Abbauprodukte zu Kohlendioxid und Wasser. Das eingesetzte Prozesswasser kann so über mehrere Zyklen im Kreislauf geführt werden, was zu einer erheblichen Herabsetzung der Umweltbelastung beiträgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Teil der aktiven Mikroorganismen im Prozess gehalten wird, so dass wiederholte Animpfungen nur bei Prozessstörungen erforderlich sind. Darüber hinaus stehen die bei der Mineralisierung des organischen Substrates freigesetzten Mineralsalze den Mikroorganismen weiter zur Verfügung und fördern ihr Wachstum wodurch der Rohstoffbedarf minimiert wird.
  • Eine aerobe Prozessführung mit der Einhaltung konstanter pH-Werte ist für die Bearbeitung von Fasermaterial schwer zu realisieren, da üblicherweise in Bioreaktoren verwendete Rühr- und Belüftungssysteme hier nicht eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch geeignete technische Vorrichtungen, die einen wiederholten Wechsel zwischen einer feuchten und einer submersen Phase der Hanffasern ermöglichen, gelöst.
  • Eine einfache Ausführung der technischen Lösung ist in 1 veranschaulicht und soll näher beschrieben werden. Die Anlage besteht aus den Bioreaktoren R1 und R2. Reaktor R1 ist im unteren Bereich mit einer Siebplatte (SP1) ausgerüstet, auf die in dichten Packungen das zu bearbeitende Fasermaterial (F) aufgebracht wird. Darunter angeordnet befindet sich eine Belüftungsvorrichtung (BV). Im oberen Teil des Reaktors (R1) ist eine bewegliche zweite Siebplatte (SP2) installiert, die ein Aufschwimmen der Fasern beim Füllen des Reaktors mit Flüssigkeit verhindert. Oberhalb der Siebplatte (SP2) ist eine, sich um die Achse drehende, Beregnungsanlage (BR) eingebaut, über die die umlaufende Flüssigkeit in den Reaktor eingebracht und gleichmäßig verteilt wird. Reaktor (R1) ist vorzugsweise mit einem Deckel (D) verschlossen, in dem sich ein Abluftstutzen (A) befindet. Der Bodenauslaufstutzen (BA) ist mit einem Heber (H) verbunden, dessen Krümmer (KR) kurz oberhalb der Siebplatte (SP2) angeordnet ist. Sein Auslauf endet am Einlaufstutzen (E) in einem tiefer angeordneten Reaktor (R2). Reaktor (R2) ist nach Art eines Bioreaktors mit einer Belüftungsvorrichtung (BV) und einer pH-Meß-(E1) und Regel-Einrichtung (pH M + R) ausgerüstet.
  • Eine weitere vorteilhafte technische Ausführung ist in 2 dargestellt. Sie wird wie folgt beschrieben. Die Anlage besteht aus mindestens zwei oder mehreren hintereinander geschalteten Reaktoren R1, R2 bis RX, die im Grunde den gleichen technischen Aufbau wie Reaktor R1 (1) aufweisen. Abweichend davon sind die Reaktoren jedoch nicht mit einem Heber (H) ausgerüstet, sondern der Bodenauslauf (BA) des Reaktor (R1) ist über eine Flüssigkeitspumpe (P1) auf die Beregnungsanlage (BR) des Reaktors (R2) geschaltet. Zwischen dem Bodenauslauf und der Pumpe (P1) ist eine Flüssigkeitsmesszelle RS1), gekoppelt mit einer pH-Meß- und Regelanlage, installiert. Der Betrieb der Pumpe (P1) wird über die Füllstandsregelung (FR1/FR2) am Reaktor (R1) gesteuert. Die Füllstandregelung (FR1) ist im Reaktor unterhalb der Belüftungsvorrichtung (BV) eingebaut und schaltet bei Unterschreitung die Pumpe (P1) ab. P1 wird durch ein Signal von FR2 wieder in Betrieb genommen. Die Reaktoren R2 bis RX haben einen identischen Aufbau wie R1 und arbeiten nach den gleichen Steuerprinzipien wie R1. Der wesentliche Vorteil dieser technischen Ausführung liegt darin begründet, dass die erforderliche Flüssigkeitsmenge, bezogen auf gleiche Mengen des zu behandelnden Fasermaterials, um etwa die Hälfte verringert wird.
  • Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabenstellung wird an folgenden Beispielen näher erläutert.
  • Beispiel 1
  • Der Aufschluss der Bastfasern wird in einer einfachen Apparatur entsprechend der Darstellung in 1 durchgeführt. 1.200 g cottonosierte Bastfasern von Hanf der Röstestufe 1 werden in den Reaktor R1 zwischen die untere und obere Siebplatte so eingebracht, dass eine dichte Lagerung gegeben ist. In Reaktor R2 werden 10 L Leitungswasser eingefüllt und über die pH-Meß- und Regeltechnik (Soll-pH-Wert 10,5) mittels 30%iger Lauge auf einen pH-Wert von 10,5 eingestellt. Anschließend wird mittels Pumpe P1 das alkalisierte Wasser solange im Umlauf gefahren, bis der pH-Wert konstant ist (2 bis 3 mal). Nun erfolgt die Animpfung des Reaktors 2 mit 1L eines auf Hanfextrakt bei pH-Wert 10,5 während 24 Stunden vorkultivierten Keimgemisches von Bacillus- und Xanthomonas-Stämmen. Es wird ein Startkeimgehalt von 5 × 108 bis 1 × 109 Zellen pro ml erreicht. Zur Schaffung der aeroben Bedingungen wird die Belüftungsrate in den Reaktoren wird auf 0,5 L/L/h eingestellt. Die Reaktionstemperatur liegt bei 30°C. Durch die über die Beregnungsanlage von oben aufgebrachte Flüssigkeit erfolgt eine gleichmäßige Befeuchtung der Fasern. Die Pumpleistung wurde so eingestellt, dass der Flüssigkeitsspiegel im Reaktor 1 innerhalb 15 Minuten bis oberhalb der Siebplatte SP2 ansteigt. Die Flüssigkeit wird über den Heber in Reaktor R2 so abgesaugt, dass der Ablauf doppelt so hoch ist, wie der Zulauf.. In Reaktor R1 dringt von oben Luft nach, die den freiwerdenden Raum zwischen den Fasern füllt und Bakterien mit Sauerstoff versorgt. Reaktor R2 wird bis unter die Belüftungsvorrichtung von der Flüssigkeit entleert. Eine Zeitschaltuhr unterbricht anschließend den Flüssigkeitsstrom über einen Zeitraum von 0,5 bis 4 Stunden. Es kommt zu einem intensiven Aufwuchs von Bakterien an der Faser. In Reaktor R2 erfolgt zwischenzeitlich automatisch die pH-Wert Korrektur auf den Sollwert und der Abbau der aus der Faser gelösten organischen Substanz. Nach der Unterbrechung des Umlaufes wird Reaktor R2 drei Mal mit Flüssigkeit gefüllt und entleert, wodurch die pH-Wert Konstanz, Befeuchtung und der Medienaustausch gegeben ist.
  • Die Prozessdauer beträgt in Abhängigkeit von der Qualität der eingesetzten Faser 6 bis 7 Tage. Er ist abgeschlossen bei Erreichen einer vollständigen Degummierung. Der Rest-Pektingehalt an der Faser liegt unter 0,1%. Es werden ungestörte Mikrofasern mit einem Durchmesser von 5 bis 12 μm erhalten.
  • Anschließend werden die Fasern abgeschleudert und nach üblichen Verfahren gewaschen und getrocknet. Ein wesentlicher Teil der Waschflüssigkeit wird zum Ausgleich der Flüssigkeitsverluste in den Prozess zurückgeführt.
  • Reaktor R2 wird wie beschrieben mit frischer Faser befällt und der Prozess mit der die Bakterien enthaltenden alkalischen Flüssigkeit in Reaktor R2 fortgesetzt.
  • Beispiel 2
  • Beispiel 2 beschreibt das Verfahren in einer Anlage nach 2.
  • Die baugleichen Reaktoren R1 und R2 mit einem Volumen von je 120 L werden mit jeweils 10 kg Bastfasern befüllt. Anschließend wird bei geöffnetem Bodenventil BV der Reaktor R1 bis zum Füllstandsregler FR2 mit Wasser befüllt. Pumpe P1 schaltet sich ein und fördert das Wasser aus Reaktor R1 über die pH-Regel-Station RS1, wo es mittels Lauge auf einen pH-Wert von 10,6 eingestellt wird, in Reaktor R2. Bei Unterschreiten der Füllstandsregelung FR1 schaltet Pumpe P1 ab. In Reaktor R2 wird bis zur Füllstandsregelung FR2 Wasser zugesetzt um das in Reaktor R1 verbleibende Haftwasser auszugleichen. Danach fördert Pumpe P2 das in der Regelstation RS2 erneut auf pH 10,6 korrigierte Wasser aus Reaktor R2 in Reaktor R1. Nach 2 Umläufen wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, Reaktor R1 mit 10 Liter einer selektierten Bakterienkultur angeimpft. Gesteuert durch die Füllstandsregelungen und die Pumpleistung werden Trockenfallzeiten am Fasermaterial von 2–3 Stunden eingehalten. Die eingebauten Belüftungsvorrichtungen sorgen darüber hinaus in den Reaktoren für die Einhaltung aerober Kulturbedingungen. Die Menge des im Umlauf befindlichen Wassers beträgt etwa 100 L, so dass der Flüssigkeitsbedarf auf etwa 5 L pro kg Fasermaterial reduziert werden kann. Prozessablauf und Ergebnis des Faseraufschlusses entsprechen Beispiel 1.
  • A
    Abluftstutzen
    BA
    Bodenauslauf
    BR
    Beregnungsanlage
    BV
    Belüftungsvorrichtung
    D
    Deckel
    F
    Fasermaterial
    FR1
    untere Füllstandsregelung
    FR2
    obere Füllstandsregelung
    H
    Heber
    KR
    Krümmer
    LV
    Lauge-Vorratsbehälter
    MR1; 2
    pH-Meß- und Regelung
    P1; 2
    Umlaufpumpen
    R1; 2
    Reaktor
    RS
    pH-Regelstation
    SP1
    untere Siebplatte
    SP2
    obere Siebplatte
    ZU
    Zeitschaltuhr
    A
    Abluftstutzen
    BA
    Bodenauslauf
    BR
    Beregnungsanlage
    BV
    Belüftungsvorrichtung
    D
    Deckel
    F
    Fasermaterial
    FR1
    untere Füllstandsregelung
    FR2
    obere Füllstandsregelung
    LV
    Lauge-Vorratsbehälter
    MR
    pH-Meß- und Regelung
    P1; 2
    Umlaufpumpen
    R1; 2
    Reaktor
    RS1; 2
    pH-Regelstationen
    SP1
    untere Siebplatte
    SP2
    obere Siebplatte
    A
    Abluftstutzen
    BA
    Bodenauslauf
    BR
    Beregnungsanlage
    BV
    Belüftungsvorrichtung
    D
    Deckel
    F
    Fasermaterial
    FR1
    untere Füllstandsregelung
    FR2
    obere Füllstandsregelung
    LV
    Lauge-Vorratsbehälter
    MR
    pH-Meß- und Regelung
    P1; 2
    Umlaufpumpen
    R1; 2
    Reaktor
    RS1; 2
    pH-Regelstationen
    SP1
    untere Siebplatte
    SP2
    obere Siebplatte

Claims (12)

  1. Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern, insbesondere von Hanf, bei dem durch Einhaltung extremer ökologischer Bedingungen die natürlich an den Fasern vorhandenen Eigenkeime abgetötet und damit der Einsatz selektierter und adaptierter Mikroorganismen mit ihren Fähigkeiten zur Faservereinzelung, unter Ausschluss einer Faserschädigung durch Celluloseabbau, ermöglicht wird in einer speziell für die Bearbeitung von Fasermaterialien unter aeroben Bedingungen entwickelten biotechnologischen Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass die extremen ökologischen Bedingungen während des Prozesses durch pH-Werte in der wässrigen Phase im stark alkalischen Bereich, vorzugsweise zwischen pH 10,0 und 11,0 geschaffen werden, dass der Faseraufschluss durch speziell selektierte und an hohe pH-Werte adaptierte Mikroorganismen, die dem Substrat zugeführt werden, erfolgt, dass der Faseraufschluss unter aeroben Bedingungen durchgeführt wird, dass der Faseraufschluss in einer biotechnologischen Anlage mit einem Wechsel zwischen einer feuchten und einer submersen Phase durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des pH-Wertes während des gesamten Prozesses kontinuierlich und konstant erfolgt, z.B. durch Dosierung von Lauge
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Faseraufschluss eingesetzten Mikroorganismen an extreme pH-Werte im Bereich von pH 10,0 bis 11,0 adaptiert sind
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mikroorganismen um aerobe Bakterien, vorzugsweise der Gattungen Bacillus und Xanthomonas handelt
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Faseraufschluss Mikroorganismen selektiert wurden, die keine Cellulase-Aktivität besitzen
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Faseraufschluss ein Keimgemisch eingesetzt wird, welches zum Parenchymabbau sowie zur Verwertung von vorzugsweise Pektinen, Xylan und Hemicellulosen befähigt ist,
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie entsprechend den in 1 und 2 dargestellten Fließbildern in geschlossenen oder offenen Behältern durchgeführt werden,
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die über eine Beregnungsanlage auf das Fasermaterial aufgesprühte Flüssigkeit nach Erreichen des maximalen Füllstandes (Krümmer oder oberer Füllstandsregler) abgehebert oder mittels Pumpen abgesaugt wird, so dass die Fasern zwischenzeitlich trocken fallen, eine maximale Durchlüftung erfolgt und anaerobe Zonen ausgeschlossen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das die Flüssigkeit mit den darin enthaltenen Bakterien mehrfach im Kreislauf über das Fasermaterial geleitet wird
  10. Verfahren nach Anspruch 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die im Umlauf befindliche Flüssigkeit mittels pH-Meß- und Regeltechnik auf den Soll-pH-Wert gehalten wird,
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes 4 Stunden nicht überschreitet, um einen pH-Wert größer als 10,0 am Fasermaterial aufrecht zu erhalten
  12. Verfahren nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess im mesophilen Temperaturbereich, vorzugsweise bei einer Temperatur von 30 bis 40°C durchgeführt wird.
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