DE102021100288A1

DE102021100288A1 - Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes aus nachwachsender Biomasse und formstabiler Gegenstand

Info

Publication number: DE102021100288A1
Application number: DE102021100288.5A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2022-07-14
Also published as: EP4139519A1; EP4139519C0; WO2022148883A1; EP4139519B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes (10), mit den folgenden Schritten: Bereitstellen von nachwachsender Biomasse (15), (I), wobei die nachwachsende Biomasse (15) Fasern (16) mit Lignin (17) enthält, insbesondere Cellulosefasern mit Lignin (17), Zerkleinern der nachwachsenden Biomasse (15), (II), Versetzen der nachwachsenden Biomasse (15) mit Wasser (III), Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) durch im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) unter Beibehaltung zumindest eines Teils des Lignins (17) in den Fasern (16), Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in einem Formgebungsprozess (VI) mit einem Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines Gegenstandformlings, thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) enthaltenen Lignins (17) an die Außenfläche (23) der Fasern (16), Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung (VIII) des Gegenstandformlings durch Vernetzung der Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) untereinander mittels des Lignins (17). Die Erfindung betrifft auch einen entsprechenden formstabilen Gegenstand (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes, vorzugsweise eines Behälters, aus nachwachsender Biomasse.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen formstabilen Gegenstand aus nachwachsender Biomasse.
Verfahren zur Herstellung formstabiler Gegenstände, insbesondere Behälter, sowie formstabile Gegenstände aus nachwachsenden Rohstoffen sind seit vielen Jahren aus dem Stand der Technik bekannt und werden vor allem im Bereich der Einwegverpackungen oder Einweggenstände eingesetzt. Derartige Einwegverpackungen oder Einweggenstände werden in der Regel zum Aufbewahren, Transportieren oder Verpacken von Lebensmitteln und sonstigen Konsumgütern eingesetzt. Weiter finden sich Verfahren zur Herstellung formstabiler Gegenstände oder formstabile Gegenstände aus nachwachsenden Rohstoffen mit einem Verwendungszweck außerhalb des Verpackungsbereichs, insbesondere in der Lebens- oder Konsumgüterindustrie. Die formstabilen Gegenstände können dabei grundsätzlich eine Vielzahl an Gegenständen ersetzen, die derzeit aus Kunststoffen oder anderen dauerhaften Materialien hergestellt werden. Derartige formstabile Gegenstände werden sowohl vom Endkunden als auch von den herstellenden Unternehmen nachgefragt, um einerseits Gegenstände auf nachhaltiger Basis zu verwenden oder um Produkte in Gegenständen auf nachhaltiger Basis bereitzustellen.
Bei den Verpackungsmaterialien im Bereich der Lebensmittelindustrie besteht der überwiegende Anteil der eingesetzten Verpackungs- und Transportmaterialien auf Basis von Kunststoffen, wobei davon der größte Anteil auf Einwegverpackungen entfällt. In den vergangenen Jahren sind vermehrt Bestrebungen aufgekommen, den Anteil an recycelten oder biologisch abbaubaren Kunststoffen sukzessive zu erhöhen, obwohl weiterhin der Anteil an Kunstoffen aus fossilen Rohstoffen deutlich dominiert. Um den Anteil an fossilen Rohstoffen zu reduzieren, wird branchenübergreifend versucht, einen höheren Anteil an holz- bzw. papierbasierten Rohstoffen als Ausgangsprodukte für die herzustellenden Produkte sowie für die Verpackungs- oder Transportgegenstände einzusetzen. Neben den überwiegend positiven Umweltfaktoren der auf Basis nachwachsender Biomasse hergestellten Gegenstände, was beispielsweise auf eine Reduzierung der entstehenden Treibhausgase und der Restmüllvermeidung zurückzuführen ist, weisen die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) auch einige fundamentale Nachteile gegenüber den bekannten Produkten aus Kunststoff, Metallen, Glas etc. auf.
Die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) sind regelmäßig deutlich in der Dauerhaftigkeit gegenüber den „herkömmlichen“ Produkten unterlegen; insbesondere weisen die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) unter anderem aufgrund hygroskopischer Materialeigenschaften der eingesetzten Rohstoffe ein nachteiliges Verhalten im Zusammenhang mit Feuchtigkeit auf. Dadurch eignen sich die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) in der Regel nicht für einen dauerhaften Einsatz im feuchten Milieu, wodurch eine Vielzahl an Verwendungszwecken wegfällt. Um diesen naturgegebenen Nachteil bei der Verwendung nachwachsender Biomasse auszugleichen, werden regelmäßig in einem oder mehreren der Verfahrensschritte zur Herstellung derartiger formstabiler Gegenstände Stoffe hinzugefügt, was eine Optimierung der Oberfläche oder der physikalischen Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes bewirken soll. Der Einsatz von Zusatzstoffen im Verarbeitungsprozess hat allerdings regelmäßig zur Folge, dass einerseits die Verarbeitbarkeit erschwert wird, indem beispielsweise weitere Verfahrensschritte vorgenommen werden müssen oder dass andererseits die anschließende Recycling- oder Kompostierfähigkeit der entsprechend hergestellten formstabilen Gegenstände nicht mehr gegeben ist. Die Mischung von nachwachsenden mit nichtnachwachsenden Rohstoffen führt häufig zu dem weiteren Nachteil, dass Mischstoffe oder Verbundwerkstoffe (Kompositmaterialien, Verbundmaterialien) entstehen, die sich aus ökonomischen oder verfahrenstechnischen Gesichtspunkten nicht mehr trennen lassen können und daher im weiteren Verlauf nicht einmal mehr der Kreislaufwirtschaft zur Verfügung stehen. Derartige Produkte können daher regelmäßig im letzten Schritt nur noch der thermischen Verwertung zugeführt werden, wodurch wiederum ursprünglich zu vermeidende Treibhausgase entstehen.
Weitere Nachteile der formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) liegen neben der verschlechterten hygroskopischen Eigenschaft in den schlechteren mechanischen Materialeigenschaften gegenüber den „herkömmlichen“ Produkten für vergleichbare Verwendungszwecke. Zu den verschlechterten Materialeigenschaften zählen unter anderem die verminderte Festigkeitseigenschaft, Elastizität, Härte oder Sprödigkeit. Viele der bekannten formstabilen Gegenstände aus nachwachsender Biomasse werden darüber hinaus mit ungeeigneten oder abgekürzten Verfahrensschritten erzeugt, z. B. wird zur Erreichung eines „natürlichen“ Produkts auf essentielle Hilfsstoffe oder Additive verzichtet, wodurch einerseits die obigen verschlechterten Materialeigenschaften entstehen und andererseits Endprodukte mit minderwertiger Ästhetik (Oberfläche, Sauberkeit, Verfärbungen) erzeugt werden. Sofern bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von formstabilen Gegenständen aus nachwachsender Biomasse auf zusätzliche Klebstoffe, Bindemittel oder andere Zuschlagstoffe verzichtet wird, sind die entstehenden Produkte nur für einen sehr begrenzten Verwendungszweck geeignet und nicht mit den „herkömmlichen“ Produkten, z. B. auf Basis von Kunststoffen, aufgrund der begrenzten Materialeigenschaften konkurrenzfähig.
Bei den bekannten formstabilen Gegenständen auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) gibt es neben den technischen Eigenschaften der Produkte zudem Interessens- bzw. Real-Konflikte bei den einzusetzenden Rohstoffen. In der Umweltökonomie spricht man daher auch von Nutzenkonkurrenz. Ein bekanntes Beispiel ist die Teller-Tank-Diskussion bei der Erzeugung von Biokraftstoffen, die sich ebenfalls auf die zu verwendenden Rohstoffe für formstabile Gegenstände übertragen lässt. Das Grundproblem besteht darin, dass häufig Rohstoffe als Ersatzprodukte von fossilen Produkten verwendet werden, die anderenorts der Lebensmittelindustrie (z. B. Weizen-, Mais- oder Kartoffelstärke) entzogen werden, wodurch nicht nur die Preise steigen und Monokulturen beim Anbau befördert werden, sondern auch die Verfügbarkeit der entsprechenden Rohstoffe bzw. der Lebensmittel reduziert werden. Um diesem Problem entgegenzutreten, sind bereits Verpackungen bekannt, die aus Pflanzenabfällen hergestellt werden, für die keine primäre Nutzung mehr vorgesehen ist.
Es sind beispielsweise Verpackungen aus Pflanzenabfällen aus der Landwirtschaft bekannt, die zunächst maschinell zerkleinert werden. Der durch Wasserzusatz entstehende Faserbrei wird in Formen gebracht und anschließend unter dem Einsatz eines Pressdrucks entwässert. Dabei entstehen einfache Verpackungen, z. B. Eierpappen, die in der Regel keine guten Eigenschaften gegenüber externen Einflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck-, Biege- oder Zugbelastung, Sonneneinstrahlung etc. aufweisen. Eine erhöhte Dauerhaftigkeit der durch dieses Verfahren erzeugten Verpackungen kann durch Zugabe von Additiven wie beispielsweise Harzen, Kleber, Leime etc. erreicht werden, wodurch - wie bereits oben erwähnt - die Kompostierbarkeit, Recyclingfähigkeit sowie weitere Nutzung der Rohstoffe ausgeschlossen ist.
Die aus dem Stand der Technik bekannten formstabilen Gegenstände sind daher entweder nicht ausreichend haltbar bzw. weisen nur unzureichende physikalische Eigenschaften auf, wenn die Produkteigenschaften auf die in den natürlichen Ausgangsstoffen enthaltenen Kohlenhydrate-Bausteine (Cellulose, Stärke etc.) basieren; oder sind nicht mehr als natürliche / kompostierbare formstabile Gegenstände anzusehen, wenn zusätzliche Bindemittel und Additive den Herstellungsverfahren hinzugefügt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes, vorzugsweise eines Behälters, bereitzustellen, bei dem der formstabile Gegenstand einerseits gute Materialeigenschaften aufweist, insbesondere verbesserte Festigkeits- und Wasserresistenzeigenschaften gegenüber den bekannten Produkten aus nachwachsender Biomasse, und das andererseits bedarfsgerecht, kostengünstig und zuverlässig ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, umfassend die folgenden Schritte, gelöst: Bereitstellen von nachwachsender Biomasse, wobei die nachwachsende Biomasse Fasern mit Lignin enthält, insbesondere Cellulosefasern mit Lignin, Zerkleinern der nachwachsenden Biomasse, Versetzen der nachwachsenden Biomasse mit Wasser, Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse durch im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe unter Beibehaltung zumindest eines Teils des Lignins in den Fasern, Bereitstellen der Biomassefaserstoffe in einem Formgebungsprozess mit einem Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines Gegenstandformlings, thermische Behandlung des Gegenstandformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern der Biomassefaserstoffe enthaltenen Lignins an die Außenfläche der Fasern, Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung des Gegenstandformlings durch Vernetzung der Fasern der Biomassefaserstoffe untereinander mittels des Lignins.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist überraschenderweise festgestellt worden, dass das Lignin bei dem Herstellungsverfahren eines formstabilen Gegenstandes positive Eigenschaften besitzt, indem die phenolischen Makromoleküle des Lignins mit ihren funktionalen Seitengruppen als Bindemittel für die zu erzeugenden formstabilen Gegenstände fungieren. Das Lignin muss dazu nicht vollständig aus den Biomassefaserstoffen herausgelöst werden, sondern kann und soll in der Faserstruktur erhalten bleiben. Das Lignin, als 3-dimensionales Makromolekül, wird während des Verarbeitungsprozesses an die Außenflächen der Fasern der Biomassefaserstoffe überführt bzw. angereichert, um anschließend bei der Erzeugung über seinen Glas-Transition-Point (Fließpunkt) zu der irreversiblen Vernetzung der in dem Gegenstandsformling enthaltenen Fasern beizutragen. In der Folge weisen die daraus resultierenden formstabilen Gegenstände positive Materialeigenschaften, wie beispielsweise hohe Festigkeitswerte, positive Wasserwiderstandseigenschaften, homogene Materialeigenschaften etc., auf. Auf diese Weise werden bei den durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten formstabilen Gegenständen umfangreiche Vorteile in Bezug auf die Materialeigenschaften, gegenüber den Produkten aus dem Stand der Technik, erzeugt. Durch den natürlichen Ursprung des Lignins ist darüber hinaus eine Kompostierbarkeit der formstabilen Gegenstände sowie eine sekundäre Nutzung als Rohstoff für weitere Produktgruppen, beispielsweise im Bereich der Holzwerkstoff- oder Papierindustrie, gegeben. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise jeweils in Abhängigkeit von der zu verwendende nachwachsende Biomasse ausgewählt sein. Dabei ist es weiter bevorzugt je nach Ausgangsmaterial möglich, dass einzelne Verfahrensschritte ausgelassen bzw. zusammengelegt werden. Es ist insbesondere zum Erzeugen eines formstabilen Gegenstandes wichtig, dass bei der Vorbehandlung eine teilweise „Freilegung“ bzw. eine teilweise Verfügbarkeit des Lignins gegeben ist, wodurch eine anschließende Aktivierung mit der Vernetzung der Faserbestandteile ausführbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt, wobei besonders bevorzugt einzelne Teilschritte, wie beispielsweise die Vorbehandlung oder die Zerkleinerung kontinuierlich durchgeführt werden und der Formgebungsprozess oder die thermische Behandlung kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der formstabilen Gegenstände erfordert einen geringen Komplexitätsgrad bei den verfahrenstechnischen Schritten, so dass ein kostengünstiger Betrieb möglich ist, was wiederum zu kostengünstigen Endprodukten führt. Vorzugsweise wird für das erfindungsgemäße Verfahren nur ein Eintrag an Wasser, Wärme sowie elektrische Energie für Antriebsmotoren benötigt, wodurch hohe Kosten von Prozesschemikalien oder weiteren Zusatzstoffen, wie Füll- oder Klebstoffe, vermieden werden.
Bei der Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse durch eine im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe unter Beibehaltung zumindest eines Teils des Lignins in den Fasern, verbleibt vorzugsweise mindestens 50 % des in den eingesetzten Fasern enthaltenen Lignins aus der nachwachsenden Biomasse in dem Biomassefaserstoff.
Unter „formstabilen Gegenstand“ im Sinne der Erfindung sind grundsätzlich sämtliche Gegenstände zu verstehen, die mittels bereitgestellter Biomassefaserstoffe herstellbar sind. Dazu zählen insbesondere Behälter, wobei die Behälter für eine Vielzahl an Funktionen einsetzbar sind. Derartige formstabile Gegenstände bzw. Behälter sind auch allgemein unter den Begriffen Verpackungsmaterialien, Einweg- und Mehrwegverpackungen, (Einweg-)Geschirr, (Einweg-)Schalen, (Einweg-)Teller, (Einweg-)Becher, „To-Go“-Verpackungen oder dergleichen bekannt. Die formstabilen Gegenstände umfassen dabei explizit hohlraumbildende Gegenstände als auch Gegenstände mit Vollmaterialien. Relativ dünnwandige formstabilen Gegenstände sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt herzustellen, bevorzugt Dicken im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, wobei ebenfalls dickere und dünnere Gegenstände mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.
„Nachwachsende Biomasse“ ist im Sinne der Erfindung sämtliche Biomasse, die aus nachwachsenden Ressourcen stammt. Unter nachwachsender Biomasse fällt insbesondere auch der Zusatz von nicht-nachwachsender Biomasse, wie beispielsweise Altpapier oder recycelte Fasern, wobei diese maximal bis zu 25 Gewichtsprozenten enthalten sind. Die nachwachsende Biomasse besteht vorzugsweise aus Agrarreststoffen, die in der Regel nicht primär genutzt werden.
„Zerkleinern“ der nachwachsenden Biomasse bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der eingesetzte Rohstoff derart zerkleinert wird, damit dieser den nachfolgenden Prozessen zuführbar ist. Dabei kann sich die Größe des „Zerkleinerns“ abhängig von den nachgelagerten Verfahrensschritten unterscheiden. „Zerkleinern“ wird beispielsweise auch unter den Begriffen schneiden, zerbrechen, hacken, raspeln, schaben, (ab-)trennen, kürzen oder separieren synonym verwendet. Das Zerkleinern führt regelmäßig zu Segmenten mit einer Länge von 0,5 cm bis 15 cm, wobei explizit auch längere und kürzere zerkleinerte Segmente nachwachsender Biomasse von der Begrifflichkeit umfasst sind.
Das Versetzen der nachwachsenden Biomasse mit Wasser kann alternativ auch mit wasserähnlichen Lösungsmitteln erfolgen oder mit Flüssigkeiten, die überwiegend Wasser enthalten, aber neben Wasser noch weitere (natürliche) Bestandteile aufweisen.
Unter „Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung durch Vernetzung“ im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass nicht der gesamte formstabile Gegenstand eine irreversible Verbindung durch Vernetzung aufweisen muss, aber zumindest derart mittels des Lignins vernetzt ist, dass bereichsweise eine irreversible Verbindung entsteht, wodurch die entsprechenden positiven Materialeigenschaften bei dem formstabilen Gegenstand erzeugt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels einer mechanischen Aufbereitung erfolgt, wobei die mechanische Aufbereitung eine Mahlung der nachwachsenden Biomasse umfasst. Die mechanische Aufbereitung weist den Vorteil auf, dass einerseits aus der Papierindustrie schon eine Vielzahl an Prozessen und Vorrichtungen bekannt sind, die für eine mechanische Aufbereitung zugrunde gelegt werden können und andererseits bietet die mechanische Aufbereitung die Möglichkeit einer bedarfsgerechten Veränderung der Faserstruktur der in der nachwachsenden Biomasse enthaltenen Fasern. Als mechanische Aufbereitungsmittel sind unterschiedliche Vorrichtungen denkbar, wobei vorzugsweise das Mahlen der Fasern mittels Refiner vorgenommen wird. Auf diese Weise kann eine bekannte Technologie der mechanischen Aufbereitung verwendet werden, um eine Veränderung der Fasern nach den entsprechenden Kriterien des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzunehmen. Dabei ist lediglich die mechanische Aufbereitung zwar grundsätzlich aus der papierverarbeitenden Industrie bekannt, jedoch wird dort ein unterschiedliches Ziel mit der mechanischen Aufbereitung verfolgt, da bei dortigen Prozessen eine Fibrillierung der Zellulose für eine Wasserstoffbrückenbildung erfolgen soll. Das Freilegen oder eine Anreicherung des Lignins in den Außenbereichen der Zellen und Fasern ist dabei unerwünscht. Die genannten Wasserstoffbrücken sind jedoch sehr wasserempfindlich und bilden auch keine hohen mechanischen Festigkeitseigenschaften aus, wie es bei den durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten formstabilen Gegenständen gegeben ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Aufbereitung mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Möglichkeit bereitgestellt, um eine Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse zu Biomassefaserstoffen bereitzustellen. Neben dem Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners, der je nach zu mahlendem nachwachsendem Rohstoff und/oder je nach gewünschtem Mahlgrad bedarfsgerecht einstellbar ist, kann vorzugsweise auch die Auswahl der Mahlplatten einen Einfluss auf die Biomassefaserstoffe haben. Die Mahlplatten können dabei vorzugsweise unterschiedliche Geometrien aufweisen, die veränderbar sind. Zur Erzeugung einer intensiveren Mahlung werden vorzugsweise geringere Plattenabstände ausgewählt und zur Durchführung einer „schonenderen“ Mahlung können weiter bevorzugt größere Plattenabstände ausgewählt werden. Besonders bevorzugt kann der Vorgang der Vorbehandlung mittels mechanischer Aufbereitung durch die Refiner wiederholt werden, wobei die erzeugte gemahlene Biomasse anschließend bei unterschiedlichen oder gleichen Plattenabstände erneut der mechanischen Aufbereitung zugeführt wird. Insgesamt wird die nachwachsende Biomasse bevorzugt durch die Refiner-Behandlung derart bearbeitet, dass das Lignin überwiegend (> 50 %) im Faserverbund verbleibt bzw. zur späteren Vernetzung zur Verfügung steht. Die Stoffdichte kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei bei einer höheren Stoffdichte in der Regel ein größerer Plattenabstand der Mahlplatten zu wählen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels eines einen Dampf bereitstellenden Hochtemperaturdampfaufschlussprozesses, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 150 °C bis 225 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 175 °C bis 200 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 10 s bis 900 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 50 s bis 300 s. Somit findet bereits eine Erweichung der eingesetzten Fasern statt, wodurch unter anderem die nachgeordnete mechanische Aufbereitung mit geringerem Energieeintrag durchgeführt werden kann. Weiter wird bereits durch die Temperaturzufuhr eine Erweichung des Lignins ausgebildet, um eine (verbesserte) Verfügbarkeit des Lignins bei der anschließenden Vernetzung bereitzustellen. Die Dauer des Temperatureintrags sowie die Höhe der Temperatur kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei in der Regel eine intensivere Vorbehandlung ausgebildet wird, je länger und höher der Temperatureintrag ist. Der Hochtemperaturdampfaufschlussprozess kann bevorzugt für nachwachsende Biomasse eingesetzt werden, die als Ausgangsprodukt eine höhere Steifigkeit bzw. eine Pflanzenfaserstruktur von höherer Komplexität besitzt, was insbesondere bei Mehrjahrespflanzen wie beispielsweise Hölzern oder bei komplexeren Gräsern wie z. B. Bambus der Fall ist.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels eines einen Dampf bereitstellenden Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozesses erfolgt, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 100 °C bis 200 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 120 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 50 s bis 1.500 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 100 s bis 900 s. Somit findet bereits eine Erweichung der eingesetzten Fasern statt, wodurch unter anderem die nachgeordnete mechanische Aufbereitung mit geringerem Energieeintrag durchgeführt werden kann. Weiter wird bereits durch die Temperaturzufuhr eine Erweichung des Lignins ausgebildet, um eine Verfügbarkeit des Lignins bei der anschließenden Vernetzung bereitzustellen. Die Dauer des Temperatureintrags sowie die Höhe der Temperatur kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei in der Regel eine intensivere Vorbehandlung ausgebildet wird, je länger und höher der Temperatureintrag ist. Der Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozess kann bevorzugt für nachwachsende Biomasse eingesetzt werden, die als Ausgangsprodukt eine geringere Steifigkeit bzw. eine Pflanzenfaserstruktur von geringer Komplexität besitzt, was insbesondere bei Einjahrespflanzen wie z. B. Gräsern oder Stroh der Fall ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels eines Hochausbeute-Aufschlussverfahrens, bevorzugt durch ein Carbonataufschlussverfahren, wobei die Temperatur bei dem Hochausbeute-Aufschlussverfahren im Bereich von 100 °C bis 215 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 135 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer im Bereich von 15 min bis 150 min liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 min bis 60 min, und wobei ein Aufschlussmittel mit einer Konzentration im Bereich von 5 % bis 35 % eingesetzt wird, vorzugsweise im Bereich von 10 % bis 25 %, vorzugsweise wird als Aufschlussmittel Na₂CO₃ in Lösung eingesetzt. Die Auswahl und die Höhe der Konzentration des Aufschlussmittels sowie Dauer des Temperatureintrags und die Höhe der Temperatur kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei in der Regel eine intensivere Vorbehandlung ausgebildet wird, je höher die Konzentration des Aufschlussmittels ist sowie je länger und höher der Temperatureintrag ist. Das Hochausbeute-Aufschlussverfahren kann bevorzugt für nachwachsende Biomasse eingesetzt werden, die als Ausgangsprodukt eine höhere Steifigkeit bzw. eine Pflanzenfaserstruktur von höherer Komplexität besitzt, was insbesondere bei Mehrjahrespflanzen wie beispielsweise Hölzern oder bei komplexeren Gräsern wie z. B. Bambus der Fall ist.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbehandlung nachgelagert eine Mahlung durchgeführt wird, wobei die Mahlung mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %. Auf diese Weise ist eine umfangreichere Möglichkeit gegeben, um eine tiefergehende Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse zu Biomassefaserstoffen bereitzustellen. Neben dem Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners, der je nach zu mahlendem nachwachsendem Rohstoff und/oder je nach gewünschtem Mahlgrad bedarfsgerecht einstellbar ist, kann vorzugsweise auch die Auswahl der Mahlplatten einen Einfluss auf die Biomassefaserstoffe haben. Zur Erzeugung einer intensiveren Mahlung werden vorzugsweise geringere Plattenabstände ausgewählt und zur Durchführung einer „schonenderen“ Mahlung können größere Plattenabstände ausgewählt werden. Vorzugsweise kann der Vorgang der Vorbehandlung mittels mechanischer Aufbereitung durch die Refiner wiederholt werden, wobei die erzeugte gemahlene Biomasse anschließend bei unterschiedlichen oder gleichen Plattenabständen erneut der mechanischen Aufbereitung zugeführt wird. Insgesamt wird bevorzugt die Faser durch die Refiner-Behandlung derart vorgenommen, dass das Lignin überwiegend (> 50 %) im Faserverbund verbleibt bzw. zur späteren Vernetzung zur Verfügung steht. Die Stoffdichte kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei bei einer höheren Stoffdichte in der Regel ein größerer Plattenabstand der Mahlplatten zu wählen ist.
Weiter bevorzugt ist der Vorbehandlung mindestens ein weiterer Verfahrensschritt zur erneuten Sortierung und/oder Zerkleinerung der erzeugten Biomassefaserstoffe nachgelagert angeordnet. Durch die Sortierung und/oder Zerkleinerung wird eine weitere Möglichkeit zur Überprüfung und/oder Homogenisierung des erzeugten Rohstoffes für die Herstellung der formstabilen Gegenstände bereitgestellt. Auf diese Weise sind einheitlichere und qualitativ hochwertigere Produkte erzeugbar, die einen hohen Reinheitsgrad aufweisen. Störstoffe und unerwünschte Partikel, die möglicherweise durch die Vorbehandlung in den Stofffluss aufgenommen wurden, können zudem durch die Sortierung und/oder die Zerkleinerung erkannt und aus dem Prozess ausgeschleust werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Formgebungsprozess mit dem Gegenstandswerkzeug durchgeführt wird, das als ein Formwerkzeug und als ein zu dem Formwerkzeug korrespondierendes Presswerkzeug ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Biomassefaserstoffe in dem Formwerkzeug zu dem Gegenstandsformling geformt werden und mit dem Presswerkzeug unter Ausbildung eines Presswerkzeugpressdrucks gepresst werden, wobei der Presswerkzeugpressdruck im Bereich von 0,5 bar bis 22 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 8 bar. Die Ausführung des Formgebungsprozesses durch das Gegenstandswerkzeug erhöht die Formgebung und die Einheitlichkeit bei dem Prozess. Die Ausbildung des Gegenstandswerkzeugs als ein Formwerkzeug mit einem korrespondierenden Presswerkzeug stellt eine zuverlässige Möglichkeit dar, um konstante Qualitäten bei der Herstellung eines formstabilen Gegenstands zu liefern. Durch die Ausbildung des Presswerkzeugdrucks erfolgt bereits eine Entwässerung bei der Herstellung, wodurch eine anschließende Trocknungsdauer reduziert wird.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Formgebungsprozess ausgewählt ist aus einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahren: Spritzgussverfahren, Extrusionsverfahren, Pressverfahren oder Tiefzieh- und Blasformverfahren. Bevorzugterweise wird je nach herzustellendem formstabilem Gegenstand der entsprechende Formgebungsprozess ausgewählt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe in Verbindung mit dem Formgebungsprozess und/oder der thermischen Behandlung derart die Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes einstellbar sind, dass die Härte, die Formstabilität und/oder die Wasserfestigkeit, in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Pressdruck, der Stoffdichte und/oder dem Mahlgrad, variierbar sind. Auf diese Weise kann durch eine Anpassung der Parameter im Verfahren zur Herstellung des formstabilen Gegenstandes selektiv auf die einzelnen mechanischen Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes eingegangen werden. Es kann beispielsweise durch eine längere Mahldauer die Beschaffenheit der Fasern variiert werden, was in einem verbesserten Freilegen des Lignins resultiert, wodurch u. a. die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts anpassbar sind. Die weiteren Parameter können je nach eingetragener Biomasse sowie verwendeten Prozessen unterschiedlich ausfallen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die thermische Behandlung des Gegenstandformlings unter Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformlings, wobei der Trocknungspressdruck im Bereich von 0,3 bar bis 10 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bar bis 5 bar. Auf diese Weise wird eine schnellere Trocknung herbeigeführt. Weiterhin können vorzugsweise weitere Mittel und/oder Verfahrensschritte vor- oder nachgelagert vorhanden sein, um eine verbesserte Trocknung vorzunehmen oder um weitere Materialeigenschaften in dem formstabilen Gegenstand einzubringen, beispielsweise eine Oberflächenbehandlung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die thermische Behandlung des Gegenstandformlings ohne Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling. Das verringert die Energiekosten im Zusammenhang mit der Herstellung des formstabilen Gegenstandes und führt zu einer Kostenersparnis sowie zu einer schonenderen Trocknung.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 250 °C erfolgt, vorzugsweise im Bereich von 130 °C bis 200 °C. Durch den Einsatz einer thermischen Behandlung ist regelmäßig ein deutlich planbarer sowie verkürzter Trocknungsvorgang des Gegenstandsformling gegeben, wodurch eine bedarfsgerechte Herstellung unter bekannten Trocknungsparametern ausgeführt werden kann. Die Dauer und Höhe des Temperatureintrags können in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der Größe oder Form des Gegenstandsformling individuell ausgewählt und angepasst sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Anteil des Lignins in den Fasern der nachwachsenden Biomasse im Bereich 5 % bis 45 % liegt, vorzugsweise im Bereich von 15 % bis 35 %. Der Anteil des Lignins ist dabei überwiegend abhängig von der einzusetzenden nachwachsenden Biomasse und kann je nach herzustellendem formstabilem Gegenstand entsprechend eingesetzt und ausgewählt werden. Bei formstabilen Gegenständen, die eine hohe Vernetzbarkeit benötigen, wird vorzugsweise eine nachwachsende Biomasse mit einem hohen Ligningehalt ausgewählt, wobei bei formstabilen Gegenständen mit geringen benötigten Festigkeitseigenschaften auch nachwachsende Biomasse mit einem geringeren Ligningehalt eingesetzt werden kann.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse, dem Bereitstellen der Biomassefaserstoffe in dem Formgebungsprozess und bei der thermischen Behandlung der Biomassefaserstoffe keine zusätzlichen organischen und/oder anorganischen Klebstoffe hinzugefügt werden. Damit ist eine problemlose Kompostierbarkeit der formstabilen Gegenstände gegeben, wodurch insbesondere eine einfache Entsorgung oder ein einfaches Recycling ermöglicht werden. Ferner führt der Verzicht auf Klebstoffe trotzdem zu gleichbleibenden qualitativen und mechanischen Eigenschaften mit einer einhergehenden Kostenersparnis bei der Herstellung der formstabilen Gegenstände, da Klebstoffe einen hohen Kostenanteil bei der Produktion darstellen.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse, dem Bereitstellen der Biomassefaserstoffe in dem Formgebungsprozess und bei der thermischen Behandlung der Biomassefaserstoffe keine Additive hinzugefügt werden. Damit ist eine problemlose Kompostierbarkeit der formstabilen Gegenstände gegeben, wodurch insbesondere eine einfache Entsorgung ermöglicht wird. Ferner führt der Verzicht auf Additive trotzdem zu gleichbleibenden qualitativen und mechanischen Eigenschaften mit einer einhergehenden Kostenersparnis bei der Herstellung der formstabilen Gegenstände, da Additive einen hohen Kostenanteil bei der Produktion darstellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe der nachwachsenden Biomasse ausgewählt sind aus mindestens einem oder einer Kombination der langfaserigen lignocellulosehaltigen Pflanzen, insbesondere aus Gräsern, Getreide, Stroh, Bast-, Blätter-, Samen- und Samenhülsenfasern und/oder Holz, besonders bevorzugt aus Miscanthus, Hanf, Stroh, Haferspelze, Flachs, Sisal und/oder Bambus. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein geringfügiger Anteil der eingesetzten Rohstoffe Sekundärfasern mit einem Gewichtsanteil von maximal 25 % sein.
Die Aufgabe wird auch durch einen formstabilen Gegenstand, vorzugsweise einen Behälter, hergestellt durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 gelöst.
Weitere zweckmäßige und/oder vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen sowie bevorzugte Verfahrensschritte ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung formstabiler Gegenstände bzw. des formstabilen Gegenstandes werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen formstabilen Gegenstandes in einer Ansicht von schräg oben,
2 ein Verfahrensschema für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes,
3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines typischen Aufbaus eines Lignin enthaltenen pflanzlichen Zellverbunds und
4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines typischen Aufbaus eines freigelegten Lignin enthaltenen pflanzlichen Zellverbunds.

Anhand der vorgenannten Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes sowie der erfindungsgemäße formstabile Gegenstand näher beschrieben.
Das in den Zeichnungen dargestellte Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes auf Basis nachwachsender Biomasse sowie der formstabile Gegenstand aus nachwachsender Biomasse ist exemplarisch als Verfahren zur Herstellung eines Behälters sowie als Behälter abgebildet. Die Erfindung bezieht sich in gleicher Weise auf vergleichbare formstabile Gegenstände, die nicht nur die Funktion oder Ausgestaltung eines Behälters aufweisen.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines formstabilen Gegenstandes 10 aus nachwachsender Biomasse anhand eines Behälters, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes 10 erzeugt wurde. Der Behälter weist beispielhaft einen Grundkörper 11 mit einem Aufnahmebereich 12 auf, der durch einen Boden 13 und eine Umrandung 14, die eine zusammenhängende Seitenwand 14 darstellt, gebildet ist.
2 zeigt ein Verfahrensschema zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes 10 umfassend die folgenden Schritte: (I) Bereitstellen von nachwachsender Biomasse 15, wobei die nachwachsende Biomasse 15 Fasern 16 mit Lignin 17 enthält, insbesondere Cellulosefasern mit Lignin 17, (II) Zerkleinern der nachwachsenden Biomasse 15, (III) Versetzen der nachwachsenden Biomasse 15 mit Wasser, (IV) Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse 15 durch im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 unter Beibehaltung zumindest eines Teils des Lignins 17 in den Fasern 16, (V) Bereitstellen der Biomassefaserstoffe 18 in (VI) einem Formgebungsprozess mit einem - in den Figuren nicht im Detail gezeigten - Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines - ebenfalls in den Figuren nicht im Detail gezeigten - Gegenstandformlings, (VII) thermische Behandlung des Gegenstandformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern 16 der Biomassefaserstoffe 18 enthaltenen Lignins 17 an die Außenfläche der Fasern 16, (VIII) Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung des Gegenstandformlings durch Vernetzung der Fasern 16 der Biomassefaserstoffe 18 untereinander mittels des Lignins 17.
Wie in dem Ausführungsbeispiel der 2 gezeigt, kann dem Verfahrensschritt des Zerkleinerns der Biomasse 15 ein weiterer Verfahrensschritt (IIa) nachgelagert angeordnet sein, bei dem eine Sortierung der zerkleinerten bzw. der eingesetzten Biomasse 15 erfolgt. Eine Sortierung (IIa) bedeutet insbesondere, dass Schmutz- und Störstoffe bei diesem Schritt aus dem Herstellungsverfahren abgeführt werden sowie die Überprüfung, ob eine gleichmäßig gewünschte Zerkleinerung (II) in dem vorgelagerten Schritt erfolgt ist. Ggf. kann eine Abführung von zu großer oder zu kleiner nachwachsender Biomasse 15 vorgenommen werden. Das Ziel bei der Zerkleinerung (II) sowie bei der Sortierung (IIa) besteht darin, einen möglichst homogenen Ausgangsrohostoff für das weitere Verfahren zur Verfügung zu stellen. Die Verfahrensschritte (I), (11) sowie (IIa) können vorzugsweise örtlich unabhängig von den weiteren Verfahrensschritten zur Herstellung des formstabilen Gegenstandes 10 durchgeführt werden. Je nach bereitgestellter Biomasse 15 kann auch der Schritt des Zerkleinerns (II) oder die Sortierung (IIa) ausgespart werden, falls die bereitgestellte (I) Biomasse 15 bereits eine entsprechende Größe oder die gewünschten Qualitätsanforderungen für das erfindungsgemäße Verfahren aufweist. Der Verfahrensschritt der Sortierung (IIa) wird insbesondere mittels mindestens eines Sortierers und/oder mittels mindestens eines Hydrozyklon (Cleanerung) ausgeführt. Weiter bevorzugt kann eine Mehrzahl derartiger Vorrichtungen in Reihe oder Parallel angeordnet sein.
Vorzugsweise erfolgt die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels (IVa) einer mechanischen Aufbereitung, wobei die mechanische Aufbereitung (IVa) eine Mahlung der nachwachsenden Biomasse 15 umfasst. Die mechanische Aufbereitung (IVa) wird bevorzugt mittels eines - in den Figuren nicht im Detail gezeigten - Refiners mit Mahlplatten ausgeführt, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels eines einen Dampf bereitstellenden Hochtemperaturdampfaufschlussprozesses (IVb), wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 150 °C bis 225 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 175 °C bis 200 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 10 s bis 900 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 50 s bis 300 s. Der Hochtemperaturdampfaufschlussprozess (IVb) ist vereinfacht und nur schematisch als nebengeordneter Verfahrensschritt unter der Vorbehandlung (IV) in der 2 dargestellt. Der Hochtemperaturdampfaufschlussprozess (IVb) kann in einer bevorzugten Ausführungsform auch als unabhängiger Verfahrensschritt ausgeführt werden und dabei beispielsweise kontinuierlich oder im Batchverfahren durchgeführt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels eines einen Dampf bereitstellenden Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozesses (IVc), wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 100 °C bis 200 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 120 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 50 s bis 1.500 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 100 s bis 900 s. Der Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozess (IVc) ist vereinfacht und nur schematisch als nebengeordneter Verfahrensschritt unter der Vorbehandlung (IV) in der 2 dargestellt. Der Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozess (IVc) kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch als unabhängiger Verfahrensschritt ausgeführt werden und dabei beispielsweise kontinuierlich oder im Batchverfahren durchgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten - in den Figuren nicht gezeigten - Ausführungsform, kann an die Vorbehandlung (IV) eine Nachbearbeitung der Biomassefaserstoffe 18 bereitgestellt werden. Dazu können insbesondere weitere Verfahrensschritte, vergleichbar mit den Schritten (II) sowie (IIa) vorgesehen sein. Die Schritte beinhalten vorzugsweise eine Sortierung und/oder eine Zerkleinerung der Biomassefaserstoffe 18, um eine weitere Qualitätskontrolle der durch die Vorbehandlung bzw. der mechanischen Aufbereitung erzeugten nachwachsenden Biomasse 15 bereitzustellen. Die Verfahrensschritte werden insbesondere mittels mindestens eines Sortierers und/oder mindestens eines Hydrozyklon (Cleanerung) ausgeführt.
In der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Herstellung formstabiler Gegenstände 10 gezeigt, in dem die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels eines Hochausbeute-Aufschlussverfahrens (IVd) erfolgt, bevorzugt durch ein Carbonataufschlussverfahren, wobei die Temperatur bei dem Hochausbeute-Aufschlussverfahren im Bereich von 100 °C bis 215 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 135 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer im Bereich von 15 min bis 150 min liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 min bis 60 min, und wobei ein Aufschlussmittel mit einer Konzentration im Bereich von 5 % bis 35 % eingesetzt wird, vorzugsweise im Bereich von 10 % bis 25 %, vorzugsweise wird als Aufschlussmittel Na₂CO₃ in Lösung eingesetzt. Das Hochausbeute-Aufschlussverfahren (IVd) mit dem konkreten Ausführungsbeispiel des Carbonataufschlussverfahrens ist vereinfacht und nur schematisch als nebengeordneter Verfahrensschritt unter der Vorbehandlung (IV) dargestellt. Das Hochausbeute-Aufschlussverfahren (IVd) kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch als unabhängiger Verfahrensschritt ausgeführt werden und dabei beispielsweise kontinuierlich oder im Batchverfahren durchgeführt werden.
Den Verfahrensschritten der Vorbehandlung (IV) bzw. (IVa) bis (IVd) kann vorzugsweise nachgelagert eine Mahlung (IVa') durchgeführt werden, wobei die Mahlung mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsender Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %. In der 2 ist daher bei den nebengeordneten Verfahrensschritten (IVa) bis (IVd), stilisiert die nachgelagerte Mahlung (IVa') in dem Verfahrensschema dargestellt.
Der Vorgang der Vorbehandlung (IV) bei der nachwachsenden Biomasse ist auf Zellebene in den 3 und 4 dargestellt. 3 zeigt dabei eine vereinfachte Darstellung eines pflanzlichen Zellverbunds 19 mit einer Mehrzahl an pflanzlichen Zellen 20. Jede der Zellen 20 weist in der Regel eine Zellwand (Mittellamelle) 21 und einen Zellhohlraum (Lumen) 22 auf. Jede der einzelnen Zellen 20 kann anders ausgedrückt als Teil einer einzelnen Faser 16 der nachwachsenden Biomasse 15 bzw. als Querschnittsansicht einer Faser 16 angesehen werden, die über die Zellwand 21 bzw. die Mittellamelle mit weiteren Zellen 20 zu dem pflanzlichen Zellverbund 19 verbunden ist. Im Bereich der Zellwand 21 bzw. der Mittellamelle ist bei lignocellulosehaltigen Pflanzen regelmäßig das Lignin 17 angeordnet; das Hauptvorkommen des Lignins befindet sich dabei in der Mittellamelle und der Zwickel 25, was den Bereich des Zusammenlaufens von mehreren Mittellamellen darstellt. Es existieren Zellwandbereiche 21 mit unterschiedlich hohen Ligninanteilen, insbesondere in Bereichen mit einem Zusammentreffen von mehreren Zellwandbereichen 21. In der 3 ist ein natürlicher Zellverbund 19 vor der Vorbehandlung (IV) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Die Zellen 20 sind fest mit dem Lignin 17 verbunden und bilden einen starren Zellverbund 19, der im Wasser nicht löslich ist.
In der 4 ist ein Zellverbund 19 während bzw. nach der Vorbehandlung (IV) gezeigt, in dem der Zellverbund 19 zumindest teilweise freigelegt („aufgerissen“) ist, was durch die stilisierten Risse 24 im Bereich Zellwand 21 angedeutet ist. Durch die Vorbehandlung (IV) erfolgt eine Überführung der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18, wobei die Struktur des Zellverbunds 19 verändert wird, indem die Zellwände 21 bzw. die ligninhaltigen Bereiche der Mittellamelle und der Zwickel 25 zumindest teilweise freigelegt werden. Die Zellen 20, das heißt, die Fasern 16 sind nicht mehr als komplexer Zellverbund 19 vorhanden, sondern die Außenflächen 23 der freigelegten Zellwandbereiche 21 wurden durch die Vorbehandlung verfügbar gemacht. Auf diese Weise kann das Lignin 17 der Zellwand 21 für das weitere Verfahren, insbesondere für den Formgebungsprozess (VI) und die anschließende Vernetzung (VIII), verfügbar gemacht werden, wodurch die Ausbildung eines erfindungsgemäßen formstabilen Gegenstandes 10 ermöglicht wird. In dem Vorgang des Freilegens des Lignins 17 durch das Aufreißen des Zellverbunds 19 kann somit anders ausgedrückt, zumindest bereichsweise das Umsetzen des in den Fasern 16 der Biomassefaserstoffe 18 enthaltenen Lignins 17 an die Außenfläche der Fasern 16 gesehen werden. Das Lignin 17 wird nicht zwangsläufig an die Außenfläche 23 der Fasern 16 (örtlich) „umgesetzt“, sondern durch das Aufreißen des Zellverbunds 19 ist vielmehr eine Zugänglichkeit des Lignins 17 gegeben, wodurch eine anschließende Vernetzung (VIII) im Zuge des Formgebungsprozesses (VI) und der thermischen Behandlung (VII) zur Ausbildung des formstabilen Gegenstandes 10 ermöglicht wird.
Der Verfahrensschritt des Formgebungsprozesses (VI), der stilisiert in der 2 dargestellt ist, wird mit dem Gegenstandswerkzeug durchgeführt, das in einer bevorzugten Ausführungsform als ein Formwerkzeug und als ein zu dem Formwerkzeug korrespondierendes Presswerkzeug ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Biomassefaserstoffe 18 in dem Formwerkzeug zu dem Gegenstandsformling geformt werden und mit dem Presswerkzeug unter Ausbildung eines Presswerkzeugpressdrucks gepresst werden, wobei der Presswerkzeugpressdruck im Bereich von 0,5 bar bis 22 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 8 bar. Bevorzugterweise ist der Formgebungsprozess (VI) ausgewählt aus einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahren: Spritzgussverfahren, Extrusionsverfahren, Pressverfahren oder Tiefzieh- und Blasformverfahren.
Vorzugsweise sind mittels der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 in Verbindung mit dem Formgebungsprozess (VI) und/oder der thermischen Behandlung (VII) derart die Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes 10 einstellbar, dass die Härte, die Formstabilität und/oder die Wasserfestigkeit, in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Pressdruck, der Stoffdichte und/oder dem Mahlgrad, variierbar sind. In dem Verfahrensschema der 2 können dazu die einzelnen Verfahrensschritte entsprechend angepasst und gesteuert werden. Die Anpassung derartiger Parameter erfolgt vorzugsweise auf Basis bekannter Verfahrensschritte, wobei das Lignin 17 für die Verwendung der Vernetzbarkeit im Formgebungsprozess (VI) bzw. für die thermische Behandlung (VII) verfügbar gemacht wird.
Bevorzugt erfolgt die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling, wobei der Trocknungspressdruck im Bereich von 0,3 bar bis 10 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bar bis 5 bar. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings auch ohne Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die thermische Behandlung (VII) bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 250 °C, vorzugsweise im Bereich von 130 °C bis 200 °C.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes 10 werden vorzugsweise bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15, dem Bereitstellen (V) der Biomassefaserstoffe 18 in dem Formgebungsprozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der Biomassefaserstoffe 18 keine zusätzlichen organischen und/oder anorganischen Klebstoffe hinzugefügt. Weiter bevorzugt werden bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15, dem Bereitstellen (V) der Biomassefaserstoffe 18 in dem Formgebungsprozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der Biomassefaserstoffe 18 keine Additive hinzugefügt. Besonders bevorzugt werden dem gesamten Verfahren zur Herstellung des formstabilen Gegenstandes 10 weder organische und/oder anorganische Klebstoffe noch Additive hinzugefügt. Vorzugsweise wird das Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes 10 nur mit den Rohstoffen der nachwachsenden Biomasse 15 ausgeführt, wobei Wasser als Lösungsmittel umfasst ist.
Die Rohstoffe der nachwachsenden Biomasse 15 sind vorzugsweise ausgewählt aus mindestens einem oder einer Kombination der langfaserigen lignocellulosehaltigen Pflanzen, insbesondere aus Gräsern, Getreide, Stroh, Bast-, Blätter-, Samen- und Samenhülsenfasern und/oder Holz, besonders bevorzugt aus Miscanthus, Hanf, Stroh, Haferspelze, Flachs, Sisal und/oder Bambus. Die Rohstoffe stammen besonders bevorzugt aus Agrarreststoffen, die der primären Nutzung nicht zugänglich sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes (10), vorzugsweise eines Behälters, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen von nachwachsender Biomasse (15), (I), wobei die nachwachsende Biomasse (15) Fasern (16) mit Lignin (17) enthält, insbesondere Cellulosefasern mit Lignin (17), - Zerkleinern der nachwachsenden Biomasse (15), (II), - Versetzen der nachwachsenden Biomasse (15) mit Wasser (III), - Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) durch im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) unter Beibehaltung zumindest eines Teils des Lignins (17) in den Fasern (16), - Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in einem Formgebungsprozess (VI) mit einem Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines Gegenstandformlings, - thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) enthaltenen Lignins (17) an die Außenfläche (23) der Fasern (16), - Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung (VIII) des Gegenstandformlings durch Vernetzung der Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) untereinander mittels des Lignins (17).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels einer mechanischen Aufbereitung (IVa) erfolgt, wobei die mechanische Aufbereitung (IVa) eine Mahlung der nachwachsenden Biomasse (15) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Aufbereitung (IVa) mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse (15) im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels eines einen Dampf bereitstellenden Hochtemperaturdampfaufschlussprozesses (IVb) erfolgt, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 150 °C bis 225 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 175 °C bis 200 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 10 s bis 900 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 50 s bis 300 s.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels eines einen Dampf bereitstellenden Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozesses (IVc) erfolgt, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 100 °C bis 200 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 120 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 50 s bis 1.500 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 100 s bis 900 s.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels eines Hochausbeute-Aufschlussverfahrens (IVd) erfolgt, bevorzugt durch ein Carbonataufschlussverfahren, wobei die Temperatur bei dem Hochausbeute-Aufschlussverfahren (IVd) im Bereich von 100 °C bis 215 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 135 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer im Bereich von 15 min bis 150 min liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 min bis 60 min, und wobei ein Aufschlussmittel mit einer Konzentration im Bereich von 5 % bis 35 % eingesetzt wird, vorzugsweise im Bereich von 10 % bis 25 %, vorzugsweise wird als Aufschlussmittel Na₂CO₃ in Lösung eingesetzt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbehandlung (IV) nachgelagert eine Mahlung (IVa') durchgeführt wird, wobei die Mahlung (IVa') mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse (15) im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgebungsprozess (IVa) mit dem Gegenstandswerkzeug durchgeführt wird, das als ein Formwerkzeug und als ein zu dem Formwerkzeug korrespondierendes Presswerkzeug ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Biomassefaserstoffe (18) in dem Formwerkzeug zu dem Gegenstandsformling geformt werden und mit dem Presswerkzeug unter Ausbildung eines Presswerkzeugpressdrucks gepresst werden, wobei der Presswerkzeugpressdruck im Bereich von 0,5 bar bis 22 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 8 bar.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgebungsprozess (VI) ausgewählt ist aus einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahren: Spritzgussverfahren, Extrusionsverfahren, Pressverfahren oder Tiefzieh- und Blasformverfahren.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) in Verbindung mit dem Formgebungsprozess (VI) und/oder der thermischen Behandlung (VII) derart die Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes (10) einstellbar sind, dass die Härte, die Formstabilität und/oder die Wasserfestigkeit, in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Pressdruck, der Stoffdichte und/oder dem Mahlgrad, variierbar sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling erfolgt, wobei der Trocknungspressdruck im Bereich von 0,3 bar bis 10 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bar bis 5 bar.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings ohne Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung (VII) bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 250 °C erfolgt, vorzugsweise im Bereich von 130 °C bis 200 °C.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Lignins (17) in den Fasern (16) der nachwachsenden Biomasse (15) im Bereich 5 % bis 45 % liegt, vorzugsweise im Bereich von 15% bis 25%.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15), dem Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in dem Formgebungsprozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der Biomassefaserstoffe (18) keine zusätzlichen organischen und/oder anorganischen Klebstoffe hinzugefügt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15), dem Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in dem Formgebungsprozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der Biomassefaserstoffe (18) keine Additive hinzugefügt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe der nachwachsenden Biomasse (15) ausgewählt sind aus mindestens einem oder einer Kombination der langfaserigen lignocellulosehaltigen Pflanzen, insbesondere aus Gräsern, Getreide, Stroh, Bast-, Blätter-, Samen- und Samenhülsenfasern und/oder Holz, besonders bevorzugt aus Miscanthus, Hanf, Stroh, Haferspelze, Flachs, Sisal und/oder Bambus.
Formstabiler Gegenstand (10), vorzugsweise ein Behälter, hergestellt durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17.