DE3225074A1

DE3225074A1 - Verfahren und vorrichtung zur abtrennung der hemicellulose und des lignins von cellulose in lignocellulosischen pflanzenmaterialien, zur gewinnung von cellulose, gegebenenfalls zuckern und gegebenenfalls loeslichem lignin

Info

Publication number: DE3225074A1
Application number: DE19823225074
Authority: DE
Inventors: Hanno 6060 Mils Binder; Ortwin Prof. 6020 Innsbruck Bobleter; Roland 6020 Innsbruck Concin
Original assignee: Josef Erne & Co rohrbogenwerk; ERNE JOSEF ROHRBOGENWERK; Josef Erne & Co Rohrbogenwerk 6824 Schlins
Current assignee: Erne Fittings Gesmbh & Co Schlins At
Priority date: 1982-07-05
Filing date: 1982-07-05
Publication date: 1984-01-12

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung der Hemi-
cellulose und des Lignins von Cellulose in lignocellulosischen Pflanzenmaterialien, zur Gewinnung von Cellulose, gegebenenfalls Zuckern und gegebenenfalls löslichem Lignin Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von Cellulose, in reiner oder unreiner Form, qcqebenenfalls oligomerer und monomerer Zucker und gegebenenfalls löslichem Lignin aus lignocellulosischen pflanzlichen Rohstoffen durch Behandlung mit Wasser in der flüssigen Phase bei erhöhter Temperatur und unter Druck und Abtrennung der gelösten Produkte von den Faserstoffen.
Dieses Verfahren wird mit dem Kurzausdruck "Selektive Hydrothermolyse" bezeichnet, der hier und im folgenden bedeutet, daß ein beliebiges, durch Photosynthese gebildetes Lignocellulosematerial (Holz, Stroh, Maiskolben; Bagasse etc.) mit Wasser in der flüssigen Phase bei für jeden Rohstoff exakt definierten Bedingungen hinsichtlich der Arbeitstemperatur, dem Arbeitsdruck und der Behandlungszeit derart aufgeschlossen wird, daß die im Rohstoff enthaltenen Produkte in gewünschter Form gewonnen werden können.
Für ein durch Photosynthese gebildetes, pflanzliches Lignocellulosematerial wird hier auch der Ausdruck "pflanzliche Biomasse" verwendet.
Es ist eine Reihe von Verfahren bekannte mit denen pflanzliche Biomasse aufgeschlossen werden können, um bestimmte Produkte zu gewinnen.
Wird die Gewinnung von Cellulose, z.B. als Rohstoff für die Herstellung von Zellstoff, Papier, Kunstseide etc., angestrebt, sind Aufschlußverfahren unter Verwendung von Chemikalien bekannt, welche, je nach Aufschlußbedingungen eine weitgehende Auflösung der Hauptbegleitsubstanzen der Cellulose bewirken. Die in gelöster Form anfallenden, abgetrennten Begleitsubstanzen werden aber in einer z.T. nicht verwertbaren Form erhalten und vernichtet.
Seit langem ist bekannt, daß die polysaccharidischen Komponenten der pflanzlichen Biomasse in einer oder mehreren Stufen mit Mineralsäuren in die sie aufbauenden einfachen Zucker zerlegt werden können. Es sind klassische Verfahren bekannt, bei welchen entweder eine konzentrierte Säure in der Kälte oder eine verdünnte Säure bei Temperaturen um 1800 C in stehenden Gefäßen durch eine Feststoffsäule aus pflanzlichem Biomassematerial hindurchgeleitet werden. Es wird bei diesen Verfahren zwar ein Abtransport der gebildeten Zucker gewährleistet, die Verfahren aber arbeiten hinsichtlich der Rohmaterialbeschickung diskontinuierlich. Für das Befüllen und Entleeren der Behälter sowie das Anheizen und Abkühlen des Behälterinhaltes wird viel Zeit in Anspruch genommen Weiters arbeiten diese Verfahren mit z.T. großen Mengen an Säuren, die aufgearbeitet bzw. ersetzt werden müssen.
Durch die Anwendung der Säurehydrolyse bei hohen Temperaturen und mit sehr verdünnten Säuren konnten die erforderlichen großen Reaktionsbehälter umgangen werden. Wesentliche Voraussetzungen für die Wirtschaftlichkeit von Säurehydrolyseverfahren sind die kontinuierliche Verfahrensführung mit kleinen Reaktionsbehältern und kurzen Verweilzeiten, sowie geringe Flottenverhältnisse und damit geringe Chemikalienzusätze und geringen Energieverbrauch.
Um jedoch hohe Zuckerausbeuten erzielen zu können, muß neben der optimalen Verteilung des Katalysators in der Biomasse und der schnellen Anheizung des Rohmaterials auf die gewünschte Reaktionstemperatur gewährleistet werden, daß die entstehenden Zucker schnell aus der Reaktionszone abtransportiert werden. Das Zusammenwirken von geringen Flottenverhältnissen mit Reaktionstemperaturen über 2000 C,bei Säurekonzentrationen zwischen 0,5 und 2 Proæent,stellt bei der Prozeßführung erhebliche Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit der Verschlußorgane des Reaktionsgefäßes und die Korrosionsbeständigkeit der Konstruktion8-materialien. Die Verfahren der Säurehydrolyse stellen darüberhinaus wenig spezifische Aufschlußmethoden dar, da die Polysaccharide im wesentlichen nur zu den einfachen Zuckern abgebaut werden. Diese liegen in einem Gemisch im Hydrolysat vor und sind nur schwer getrennt in reiner Form zu gewinnen. Ein besonderer Nachteil dieser Verfahren ist, daß ein stark denaturiertes, größtenteils unlösliches Lignin erhalten wird, das dblicherweise nur zur Energiegewinnung verbrannt werden kann.
Es sind weiters Verfahren bekannt, pflanzliche Biomasse mit Enzymsystemen,vornehmlich von Trichoderma viride, aufzuschließen.
Diese Verfahren haben den Nachteil, daß praktisch nur vorbehandelte Rohmaterialien verwendet werden können. Lignocellulosische Pflanzenmaterialien verhindern nämlich durch ihren morphologischen Aufbau und die chemische Natur der Cellulosebegleitsubstanzen den Zutritt von Enzymen zu den abzubauenden Stoffen.
Durch Verfahrensschritte wie Feinmahlung, Vorhydrolyse, mechanische Vorbehandlung bzw. teilweiser Delignifizierung kann die Zugnglichkeit für die Enzyme beträchtlichverbessert werden.
Wesentliche Nachteile orwachsen aus diesen Verfahren durch die erforderlichengroßen Reaktionsvolumina sowie die langen Einwirkzeiten.
Es ist eine Anzahl von Verfahren bekannt, pflanzliche Biomasse durch Behandlung mit Dampf, Wasser und/oder Mischungen aus Wasser und organischen Lösungsmitteln bei Temperaturen zwischen 150° und 240° C,z.T. in Verbindung mit einer mechanischen Bearbeitung, Defibrierung, explosionsartiger Druckentspannung, Extrusion etc.,aufzuschließen. Diese bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß nach dem eigentlichen Aufschlußprozeß die Produkte durch einen oder mehrere Verfahrensschritte e u.U durch Zusatz von Chemikalien, von den Faserstoffen oder sonstigen Begleitstoffen abgetrennt werden müssen, oder die als Aufschlußmittel eingesetzten Mischungen aus Wasser und organischen Lösungsmitteln aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wieder aufgearbeitet werden müssen. Der Aufschluß von Lignin-reichen Biomassespecies gelingt darüberhinaus in der gewünschten Weise nur durch Zusatz von Chemikalien (z.B. Säuren), wobei das Lignin nicht mehr in einer leicht abtrennbaren Form gewonnen werden kann.
Es ist ein Verfahren bekannt, welches Holz, Rinde und andere Pflanzenmaterialien mit reinem Wasser abbaut (Usterr. PS 263661, 1968). Nach diesem Verfahren wird das Biomassematerial durch die Behandlung mit Wasser bei Temperaturen zwischen 140 und 3500 C aufgeschlossen, wobei zwecks Abbau der Hemicellulose eine Arbeitstemperatur von 140 bis 2000 C, vorzugsweise von 160 bis 1800 C, gewählt wird, zwecks Abbau der Cellulose eine Arbeitstemperatur von 180 bis 280° C, vorzugsweise 200 bis 260° C, und für den im wesentlichen aus Lignin bestehenden Rückstand Aufschlußtemperaturen oberhalb von 2500 C zur Anwendung kommen.
Dieses bekannte Verfahren weist mehrere Nachteile auf. Nach der verfahrensgemäßen Ausführung ist es lediglich möglich, durch die Wahl der entsprechenden Einwirktemperaturen und Einwirkzeiten die drei Hauptkomponenten des pflanzlichen Rohmaterials in z.B. drei Reaktionsstufen nacheinander abzubauen. Wird im Temperaturbereich zwischen 140 und 1800 C aufgeschlossen, erhält man einen Rückstand, der im wesentlichen Cellulose und Lignin enthält. Wird dieser Rückstand im bevorzugten Temperaturbereich zwischen 200 und 2600 C behandelt, verbleibt ein weiterer Rückstand, der im wesentlichen aus Lignin besteht. Nach diesem Verfahren ist es somit nicht möglich pflanzliche Biomasse so aufzuschließen, daß durch die Abtrennung von Hemicellulose und Lignin ein Rückstand erhalten wird, der im wesentlichen aus Cellulose besteht.
Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem Verfahren, welches den Aufschluß von pflanzlicher Biomasse in einer Weise ermöglicht, daß durch die verfahrensmäßige Prozeßführung die Hemicellulose und das Lignin aufgelöst werden und ein Faserstoff erhalten wird, der im wesentlichen aus Cellulose besteht.
Das erflndungsgeJn Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man a) das lignocellulosische Pf lanzenmaterial in zerkleinertem Zustand, in einem bevorzugt im Bereich der Fasersättigung befeuchteten Zustand, diskontinuierlich oder kontinuierlich in ein Druckgefäß einfördert, b) danach das Biomassematerial mit Wasser in flüssigem Zustand bei Temperaturen von 140 bis 240° C und einem Druck zwischen 3,6 und 100 bar im Ouer-, Gleich- und Gegenstrom durchströmt und c) die Verweilzeit des Wassers im Druckgefäß zwischen 10 und 200 Sekunden, bevorzugt zwischen 40 und 80 Sekunden, die Verweilzeit des Biomassemateriais im Druckgefäß zwischen 100 und 2000 Sekunden, bevorzugt zwischen 300 und 900 Sekunden einstellt, d) die bei den verfahrensmäßig definierten Bedingungen aufgelösten Biomasseprodukte der Hemicellulosefraktion und der Lignin fraktion mit dem durchgeleiteten Wasser von den Faserstoffen abtrennt, mit dem Wasser aus dem Druckgefäß transportiert und in Form einer Lösung gewinnt, e) die verbleibenden ungelösten Faserstoffe diskontinuierlich oder kontinuierlich nach der bevorzugten Verweilzeit aus dem Druckgefäß ausschleust und gewinnt, f) für die verfahrensmäßige Durchführung eine Einrichtung verwendet, deren Grundausstattung aus einem Rohrreaktor mit starren oder beweglichen Einbauten und aus - gegen die im ruckgefäß herrschenden Bedingungen - beständigen Eintrags- und Austragsvorrichten besteht.
Der zerteilM Zustand des pflanzlichen Biomassematerials ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Dimension eines Biomassepartikels 0,5 bis 2,5 mm, bevorzugt 0,7 bis 1,3 mm nicht übersteigt. Dies kann bei Sägespänen, Sägemehl und auch bei z.B. gehäckseltem Stroh leicht erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird im Druckgefäß ein Massenverhältnis zwischen pflanzlicher Biomasse und Wasser von 1:1 bis 1:10, bevorzugt von 1:1,1 bis 1:3 eingestellt.
Dadurch wird gewährleistet, daß eine vollständige Abtrennung der gelösten Biomasseprodukte von den Faserstoffen erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Faserstoff nach dem Ausschleusen aus dem Druckgefäß durch Waschen mit Wasser oder niederen Alkoholen oder niederen Ketonen, Mischungen von Wasser mit niederen Alkoholen oder niederen Ketonen sowie alkalischen wäßrigen Lösungen von anhaftenden organischen Verbindungen befreit.
Der erfindungsgemäß gewonnene Faserstoff zeichnet sich dadurch aus, daß das bei einer Behandlungstemperatur zwischen 140 und 160° C und einer Wasserverweilzeit von 40 bis 80 Sekunden erhaltene Produkt nur mehr geringe Anteile an Hemicellulose, überraschender Weise aber auch wesentlich verringerte Anteile an Lignin, jedoch noch die ganze ursprünglich vorhandene Cellulose in einer chemisch unveränderten Form enthält. Es ist äußerst überraschend, daß bei Erhöhung der Behandlungstemperatur das an sich chemisch resistentere Lignin in erhöhtem Maße in Lösung geht, ohne daß wesentliche Anteile der Cellulose löslich werden.
Es ist weiterhin überraschend, daß man bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei konstanten Wasserverweilzeiten von 45 Sekunden bei einer Behandlungstemperatur von 200°C einen Faserstoff erhält, der gegenüber dem Produkt bei einer Behandlungstemperatur von 180° C nur noch die Hälfte des Ligninanteils besitzt. Dieser Umstand ermöglick die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in überaus selektiver Weise in bezug auf die chemische Zusammensetzung des gewonnenen Faserstoffes. Vberraschend ist auch, daß der durchnittliche Polymerisationsgrad der im Faserstoff enthaltenen Cellulose in einem sehr weiten Bereich und sehr exakt ausschließlich durch die Wasserverweilzeit und die Behandlungstemperatur gesteuert werden kann. Dieser Effekt ermöglicht die Gewinnung eines Faserstoffes mit einer Cellulose, die für gezielte Zwecke verwertet werden kann. Dies sind im besonderen für Produkte der Temperaturstufe von 140 bis 180° C die Zellstoff-und Papierherstellung, für Produkte der Temperaturstufe 180 bis 2000 C die Herstellung von Cellulosederivaten wie z.B Kunstseide und für Produkte der Temperaturstufe 200 bis 240O C die Verwendung als Rauhfutter fUr Wiederkäuer oder als Rohmaterial für für @nzymatlach und sauer katalysierte Hydrolyseverfahren.
In ähnlicher Weise wie für die Faserstoffe kann das erfindungsgemäße Verfahren auch fürdiegewonnenen Abbauprodukte der Hemicellulose und des Lignins selektiv durchgeführt werden. Es können dabei bevorzugt bei Behandlungstemperaturen von 140 bis 1800 C die aus der IIemicellulosefraktion stammenden Produkte in Form einer Lösung gewonnen werden. Diese Lösungen enthalten nur wenig Lignin.
Im selben Ausmaß wie der Ligningehalt der Faserstoffe bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abnimmt, steigt der Ligningehalt in den abfließenden Lösungen. Zusätzlich zur Menge der Abbauprodukte in den abfließenden Lösungen kann durch die Behandlungstemperatur und die Verweilzeit des Wassers im Druckgefäß die chemische Natur der gewonnenen Produkte gesteuert werden. Bei den niederen Behandlungstemperaturen (um 160° C) werden Hemicelluloseprodukte und Lignin-Kohlenhydrat-Komplexe in bevorzugt höherer Form erhalten, während bei Temperaturen um 2000 C größtenteils kohlehydratfreie, lösliche Lignine neben höheren und einfachen Zuckern in den abfließenden Lösungen auftreten.
Aus den bei den gegebenen Bedingungen abfließenden Lösungen können die Produkte nach an sich auf dem Gebiet der Zuckerchemie bekannten Methoden der Isolierung und Reinigung erhalten werden.
Lignine und z.T. Lignin-Kohlehydratkomplexe lassen sich vorteilhaft durch Lösungsmittelextraktion gewinnen.
Wird die Darstellung von einfachen Zuckern in den Lösungen angestrebt, so eignen sich die neutrale Nachhydrolyse, bevorzugt jedoch die iiydrolyse mit Säuren der Normalität 0,001 bis 0,1 bei Behandlungstemperaturen zwischen 160 bis 2500 C. Es werden die, den in Betracht kommenden Polysaccharidanteil aufbauenden,einfachen Zucker in guter Ausbeute erhalten und das Lignin fällt in einer flockigen, leicht abtrennbaren, in organischen b5ßungs mitteln löslichen Form an.
Zur Veranschaulichung der Erfindung werden die folgenden Zeichnungen angefügt, in denen darstellen: Abb. 1 eine Schemazeichnung eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Druckgefäßes mit Ein- und Austrageeinheiten, Abb. 2 eine graphische Darstellung der Bildungsrate von Xylose aus verfahrensmäßig gewonnenen Abbau lösungen mittels saurer Nachhydrolyse Abb. 3 ein Fließdiagramm der selektiven Hydrothermolyse Die Bedingungen für die selektive Hydrothermolyse von Biomasse wurden anhand von charakteristischen Vertretern von Ein- und Mehrjahrespflanzen bestimmt. Für das erfindungsgemäße Verfahren können prinzipiell alle pflanzlichen Biomassematerialien eingesetzt werden, es sind hiezu die optimalen Bedingungen vom Fachmann durch einfache Versuche zu ermitteln.
Ausführungsbeispiel: Die Vorrichtung ist in der Abb. 1 dargestellt und wie folgt aufgebaut: Biomassevorratsbehälter (1) der nach Bedarf Einbauten für die Vorbehandlung des Rohstoffes aufweisen kann, Vorrichtung (2) zur Einförderung von Biomasse in das Druckgefäß, Druckgefäß (3) mit starren oder beweglichen Einbauten für die Abtrennung der gelösten Produkte von den Faserstoffen, Austragevorrichtung (4) für die Faserstoffe, Hochdruckwasserpumpe (5), Kühler (6) und Drosselventil (7).
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden luftgetrocknete Holzschnitzel mit einer durchschnittlichen Größe von 8 x 8 x 1 mm, bzw. gehäckseltes Stroh nach paralleler Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes exakt eingewogen und in Druckgefäßen der Größen 6 und 1200 cm3 mit reinem, luftgesättigtem Wasser in der flüssigen Phase bei den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen hinaichtlich Temperatur und Wasserverweilzeit behandelt.
Das Wasser durchläuft das Biomassematerial im Druckgefäß im Quer-, Gleich- oder Gegenstrom und verläßt, angereichert mit den Abbauprodukten den Reaktionsraum, wird über einen Kühler auf Temperaturen unter 1000 C abgekühlt und wird na-h der Druckentspannung aufgefangen. Von den Abbaulösungen wurden aliquote Mengen zur Trockne eingedampft und der Feststoffgehalt gravimetrisch ermittelt Die chemische Zusammensetzung der Faserstoffe und die durchschnittlichen Polymerisationsgrade der im Faserstoff enthaltenen Cellulose wurden nach den in der Literatur beschriebenen, klassischen Methoden bestimmt. Ergebnisse von Ausführungsbeispielen für Pappelholz sind in den Tabellen 1 und 2 angeführt.
Bei Verwendung von anderen Biomassematerialien werden die charakteristischen Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens leicht erreicht. Es werden jedoch in Abhängigkeit vom verwendeten Rohmaterial im direkten Vergleich unterschiedliche Abbauraten erhalten. Dies ist durch die bereits im Ausgangsstoff vorliegende unterschiedliche Zusammensetzung bezüglich der Holzhauptkomponenten zu erklären. Die Tabelle 3 zeigt z.B. die Substanzwerte, die bei der selektiven Hydrothermolyse von Fichten und Pappelholz bei 2000 C erhalten wurden, dargestellt im Vergleich zu unbehandelten Holzproben. Die hier verdeutlich ten, rohstoffbedingten Unterschiede können vom Fachmann durch Anpassung der Verfahrensbedingungen an den jeweiligen Rohstoff berücksichtigt werden, was insbesondere durch Probennahme oder durch einen Vorversuch vor Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung festgestellt werden kann. In vielen Fällen lassen sich die Behandlungsbedingungen auch durch einen direkten Vergleich der chemischen Zusammensetzung des betreffenden Rohstoffes mit einem Standardbiomassematerial ermitteln.
Unterscheiden sich die Analysenwerte für die pflanzlichen Biomassematerialien nicht wesentlich, weisen die erfindungsgemäßen Produkte sehr ähnliche Zusammensetzung auf (Tabelle 4).
Für die Gewinnung von einfachen Zuckern und löslichem Lignin wurden die gewonnenen gelösten Abbauprodukte mit verdünnten Säuren in Stahlautoklaven hydrolysiert. Im Temperaturbereich zwischen 140 und und 2400 C werden bei der Verwendung von Mineralspuren der Normalität 0,001 bis 0,1 die einfachen Zucker in gutcr Ausbeute erhalten. Die in den Lösungen als freie srucllstucke oder als Komplexe mit Kohlehydraten vorliegenden Lignine gehen bei dieser Behandlung in wasserunlösliche, flockige, leicht abtrennbare Stoffe über, die löslich sind in den meisten organischen Lösungsmitteln. In der Abb. 2 ist die Bildungsrate von Xylose bei der Nachhydrolyse einer durch selektive Hydrothermolyse bei 2000 C gewonnenen Abbau lösung in Abhängigkeit von der Behandlungszeit dargestellt.
Die in freier Form vorllegenden Ligninbruchstückein den Abbaulösungen lassen sich durch einfache Lösungsmittelextraktion gewinnen.
In der Abb. 3 ist ein Fließschema für das Verfahren der selektiven Hydrothermolyse dargestellt.
Zusammenfassung der Hauptvorteile der Erfindung a) Abtrennung der Hemicellulose und des Lignins von Cellulose in lignocellulosischen Pflanzenmaterialien in einer Vorrichtung, welche den gleichzeitigen Aufschluß des Biomassematerials und die Abtrennung der gelösten Produkte von den Faserstoffen ermöglicht.
b)Steuerunq der chemischen Zusammensetzung der gewonnenen Faserstoffe c) Steuerung des durchschnittlichen Polymerisationsgrades der im Faserstoff enthaltenen Cellulose d) Steuerung des chemischen Charakters der Abbauprodukte der Hemicellulose und des Lignins.

Tabelle 1 : Zusammensetzung der Faser nach selektiver Hydrothermolyse

Behandlungstemperatur

°C 160 180 200 220 240

Cellulose, % 44,9 42,2 40,8 38,6 39,5 30,7 34,4 22,1 25,6

Hemicellulose, % 6,2 2,6 3,8 2,7 3,0 3,7 3,8 1,0 3,2

Lignin, % 10,6 9,1 11,4 7,7 5,8 5,0 5,0 6,9 5,2

Benzol/Alkohol-

Extrakte, % 0,3 2,5 2,7 1,8 2,0 2,1 3,9 2,2 1,5

Gesamtmenge der

Faserstoffe, % 62,0 56,4 58,7 50,8 50,3 41,5 47,1 32,2 35,5

Durchschnittlicher

Polymerisationsgrad

der Cellulose im Faser-

stoff 1283 739 536 228 186

Wasserverweilzeit im 70 70 45 70 45 70 45 70 45

Druckgefäß, Sekunden

Tabelle 2: Abbauraten bei der Hydrothermolyse, dargestellt bezüglich der gelösten Produkte

Behandlungstemperatur 160° C 180° C 200° C 220° C 240° C

Summe der gelösten

Produkte, Trocken-

gewicht in Pro-

zent der Einwaage 37,0 42,0 40,7 48,2 50,3 53,7 48,1 56,0 56,0

Eindampfverluste,

% Einwaage 1,0 1,0 0,6 1,1 -0,7 4,7 4,8 11,9 8,5

Wasserverweilzeit

in Sekunden 70 70 45 70 45 70 45 70 45

Tabelle 3: Vergleich der Hemicellulosegehalte von unbehandelten Pappel- und Fichtenhölzern mit dem Feststoffgehalt in den hydrothermalen Abbaulösungen

Pappelholz Fichtenholz Abbautemperatur Pappelholz Fichtenholz

unbehandelt Hydrothermolyse

% der Einwaage °C % der Einwaage

Hemicellulose 35,9 27,7 200 45,5 35,0

Tabelle 4: Chemische Zusammensetzung von unbehandeltem Pappelholz und Weizenstroh sowie der entsprechenden Rückstände nach der Hydrothermolyse bei 2000 C

Pappelholz Stroh Rückstand nach der Hydro-

thermolyse bei 200° C

unbehandelt unbehandelt Pappelholz Stroh

% Einwaage % Einwaage % Rückstand % Rückstand

Cellulose 45,4 46,5 84,1 83,1

Hemicellulose 35,9 35,6 4,5 5,1

Lignin 17,2 16,6 11,0 10,6

Benzol-Al-

kohol-Extrakt 1,4 1,3 0,5 1,2

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Abtrennung der Hemicellulose und des Lignins von Cellulose in Lignocellulosematerial zur Gewinnung von Cellulose in reiner oder unreiner Form, gegebenenfalls Zuckern und gegebenenfalls löslichem Lignin, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß in einem Druckgefäss die pflanzliche Biomasse zwangsweise mit reinem Wasser in flüssigem Zustand bei Temperaturen zwischen 140 und 2400C und einem Druck zwischen 3,6 und 100 bar behandelt wird, wobei das Wasser und die pflanzliche Biomasse das Druckgefäß diskontinuierlich oder kontinuierlich durchsetzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verweilzeit des Wassers in dem Druckgefäss zwischen S und 200 Sekunden, bevorzugt zwischen 40 und 80 Sekunden beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 12 d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß die Verweilzeit des pflanzlichen Biomassematerials im Druckgefäss zwischen 100 und 2000 Sekunden, bevorzugt zwischen 300 und 900 Hekunden beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Wasser und die pflanzliche Biomasse das Druckgefäss im Gegen-, Gleich- oder Kreuzstrom durchsetzen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n ze i c h n e t 2 daß man das pflanzliche Biomassematerial in zerkleinertem Zustand, in einem bevorzugt im Bereich der Fasersättigung befeuchteten Zustand in das Druckgefäss einfördert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß inan die bei den erfIdurjsgäßrnBedingungen abgebauten Hemicellulose-und Ligninprodukte mit dem durchgeleiteten Wasser aus dem Reaktionsgefäß entfernt und in Form einer wäßrigen Lösung gewinnt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die bei den erfindungsgemäßen Bedingungen unlöslichen Faserstoffe diskontinuierlich oder kontinuierlich aus dem Druckgefäß entfernt und gewinnt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verhältnis zwischen den Massen der sich im Druckgefäß befindlichen pflanzlichen Biomasse und dem Wasser zwischen 1:1 bis 1:10, bevorzugt zwischen 1:1,1 bis 1:3 einstellt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die gewonnenen Faserstoffe mit Wasser, niederen Alkoholen, niederen Ketonen, Mischungen von Wasser mit niederen Alkoholen oder niederen Ketonen und wäßrigen Alkalien behandelt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Behandlungstemperatur von 140 bis 160° C gewählt wird und ein Faserstoff gewonnen wird, der im wesentlichen frei von Hemicellulose ist und einen verringerten Ligningehalt aufweist, dessen Cellulose aber einen hohen durchschnittlichen Polymerisationsgrad aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Behandlungstemperatur von 160 bis 200° C gewählt wird und ein Faserstoff gewonnen wird, der im wesentlichen frei von Hemicellulose ist, einen deutlich verringerten Lignin anteil aufweist und einen deutlich verringerten durchschnlttlichen Polymerisationsgrad der enthaltenen Cellulose hat.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Behandlungstemperatur zwischen 200 und 240° C gewählt wird und ein Faserstoff gewonnen wird, der im wesentlichen frei von Hemicellulose und frei von Lignin ist und dessen Cellulose einen stark verringerten durch schnittlichen Polymerisationsgrad aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die gewonnenen Faserstoffe in an sich bekannter Weise von den Begleitstoffen befreit und die Cellulose in reiner Form gewinnt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die gewonnenen Faserstofe in reiner oder unreiner Form als Rauhfutter für Wiederkäuer verwendet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die gewonnenen Faserstoffe in reiner oder unreiner Form in an sich bekannter Weise einer sauren oder enzymatischen Hydrolyse unterwirft und die einfachen Zucker gewinnt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die bei den erfindungsgemäßen Bedingungen gewonnenen Abbau lösungen nach an sich bekannten Methoden aufarbeitet und die Inhaltsstoffe gewinnt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in den gewonnenen Lösungen enthaltenen höheren Zucker und Kohlenhydrat-Lignin-Komplexe einer Nachhydrolyse mit Enzymen oder Säuren der Normalität 0,001 bis 0,1 ,bevorzugt 0,01 bis 0,05, bei Temperaturen zwischen 160 und 2400 C unterwirft und die einfachen Zucker und das Lignin in einer leicht abtrennbaren Form gewinnt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,daß man die von den Faserstoffen abgetrennten Lösungen mit organischen Lösungsmitteln extrahiert und die Ligninabbauprodukte gewinnt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die bei den erfindungsgemäßen Bedingungen gewonnenen Zucker in bekannter Weise zu Zuckeralkoholen reduziert oder gegebenenfalls zu Äthanol verarbeitet werden.
20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die apparative Einrichtung im wesentlichen aus einem Rohrreaktor mit festen oder starren Einbauten besteht, an welchen geeignete Organe zur Eintragung und Austragung dor pflanzlichen Biomasse angebaut sind.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Rohrreaktor feste oder starre Einbauten für die Abtrennung der gelösten Abbauprodukte von den ungelösten Faserstoffen vorhanden sind.