DE3300726C2 - - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08H6/00—Macromolecular compounds derived from lignin, e.g. tannins, humic acids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C13—SUGAR INDUSTRY
- C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
- C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
- C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C13—SUGAR INDUSTRY
- C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
- C13K13/00—Sugars not otherwise provided for in this class
- C13K13/002—Xylose
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- D—TEXTILES; PAPER
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- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
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Description
Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Gewinnung von einfachen Zuckern und löslichen Ligninen
aus lignocellulosischen pflanzlichen Rohstoffen durch Behandlung
des zerkleinerten Materials mit reinem Wasser im
flüssigen Zustand in einem Druckgefäß bei Temperaturen
zwischen 240 und 340°C.
Das vorliegende Verfahren ist eine Weiterentwicklung der
"selektiven Hydrothermolyse", welche in dem älteren europäischen
Patent 00 98 490 beschrieben ist. Das dort beschriebene
Verfahren ermöglicht es, lignocellulosisches
Pflanzenmaterial mit Wasser in der flüssigen Phase bei für
jeden Rohstoff exakt definierten Bedingungen hinsichtlich
Arbeitsdruck, Arbeitstemperatur und der Behandlungszeit
derart aufzuschließen, daß die im Rohstoff enthaltenen Produkte
in gewünschter Form gewonnen werden können. Das Verfahren
arbeitet dabei im wesentlichen im Temperatur- bzw.
Druckbereich zwischen 140 und 240°C bzw. 3,6 und 100 bar.
Ein anderes, in der AT-PS 2 63 661 beschriebenes Verfahren
hat als primäres Ziel die Gewinnung von einfachen Zuckern
aus der Cellulose von pflanzlicher Biomasse, wobei bevor
zugt im Temperaturbereich von 260°C gearbeitet wird. Nach
den Literaturangaben handelt es sich dabei um eine Hydro-
lyseaktion, die ihren Ausgang auf der Oberfläche der
Faserstoffe nimmt. Dieses bekannte Verfahren weist jedoch
mehrere Mängel auf. Es wird auf Grund der Reaktionsführung
nur ein dem Wasser zugänglicher Teil der Faserstoffe abgebaut
und erst dadurch der Zutritt zu neuen Hydrolysestellen
im Faserstoff ermöglicht. Dieser Vorgang beansprucht naturgemäß
eine entsprechende Zeitspanne, in der ein großer Teil
des Hydrolysemediums Wasser die entsprechende Apparatur
durchströmt, ohne daß es sich ausreichend mit gelösten Produkten
anreichern kann. In der Folge werden Lösungen erhalten,
die nur sehr geringe Konzentrationen an den gewünschten,
einfachen Zuckern enthalten. Typische Werte für
die aus der Cellulose entstehenden Glycose sind 1 bis 2
Gramm Glucose per Liter Lösung. Auch die pro Versuchsansatz
aus Cellulose gebildete Glucosemenge ist bei diesem Verfahren
nicht sehr hoch und bewegt sich im Bereich von 6 bis
9 Prozent.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil liegt in der Tatsache,
daß ein hoher Anteil (bis zu 40%) der gelösten Produkte in
Form suspendierter Polysaccaride vorliegt. Beabsichtigt
man also, zu einfachen Zuckern zu kommen, ist ein weiterer
Verfahrensschritt, wie z. B. die saure Hydrolyse dieser
Lösungen, erforderlich. Darüberhinaus sind die Lösungen mit
den suspendierten Polysaccariden z. T. nur schwer filterbar,
in gewissen Fällen unfiltrierbar und bleiben immer bis
zu einem gewissen Grad trübe Lösungen.
Die angeführten Nachteile haben u. a. dazu geführt, daß sich
bisher keine praktische Verwertung ergeben hat. Dennoch
blieb das Bedürfnis bestehen, aus der in großer Menge verfügbaren
pflanzlichen Biomasse, sowie deren Abfall-, Rest-
und Nebenprodukten, mit einem neuen Verfahren, in hoher
Ausbeute und mit wirtschaftlich vertretbaren Konzentrationen
der abfließenden Lösungen einfache Zucker zu
gewinnen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung
von einfachen Zuckern und löslichen Ligninen aus Ligno
cellulosematerial durch Behandlung des zerkleinerten Materials
mit reinem Wasser in flüssigen Zustand in einem
Druckgefäß bei Temperaturen zwischen 240 und 340°C, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Behandlung bei Drücken
zwischen 34 und 180 bar über 10 bis 2000 Sekunden erfolgt,
wobei das Wasser und die pflanzliche Biomasse das Druckgefäß
diskontinuierlich oder kontinuierlich im Gegen-,
Gleich- oder Querstrom durchsetzen, daß das Verhältnis
zwischen den Massen der sich im Druckgefäß befindlichen
pflanzlichen Biomasse und dem Wasser zwischen 1 : 1 bis 1 : 10
eingestellt ist und daß man die gelösten Zucker- und
Ligninprodukte mit dem durchgeleiteten Wasser aus dem Reaktionsgefäß
entfernt und in Form einer Lösung gewinnt.
Dabei wird die zerkleinerte pflanzliche Biomasse vorzugsweise
in einem zumindest im Bereich der Fasersättigung
befeuchteten Zustand in das Druckgefäß eingefördert. Bevorzugt
wird im Temperaturbereich von 280 bis 300°C, insbesondere
290 bis 310°C gearbeitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird
im Druckgefäß ein Massenverhältnis zwischen pflanzlicher
Biomasse und Wasser von 1 : 1 bis 1 : 3 eingestellt.
Die bei den verfahrensgemäß definierten Bedingungen aufgelösten
Biomasseprodukte der Hemicellulose-, Lignin- und
Cellulosefraktion mit dem durchgeleiteten Wasser werden von
den Faserstoffen abgetrennt, mit dem Wasser aus dem Druckgefäß
transportiert und in Form einer Lösung gewonnen,
während die verbleibenden, ungelösten Faserstoffe diskontinuierlich
oder kontinuierlich nach der Verweilzeit aus
dem Druckgefäß ausgeschleust werden. Die bei den erfindungsgemäßen
Bedingungen gewonnenen Lösungen können dann
nach an sich bekannten Methoden aufgearbeitet werden und
die Inhaltsstoffe in gewünschter Form gewonnen werden.
Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Einrichtung verwendet,
deren Grundausstattung aus einem Rohrreaktor mit
starren oder beweglichen Einbauten und aus - gegen die im
Druckgefäß herrschenden Bedingungen - beständigen Eintrags-
und Austragsvorrichtungen besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich besonders
dadurch aus, daß ein Effekt ausgenutzt wird, der erst
ab einer gewissen Temperatur auftritt und für den Fachmann
nicht zu erwarten war. Während die Hydrolysereaktion
im Temperaturbereich zwischen 140 und 260°C
im wesentlichen eine Oberflächenreaktion ist, ändern
sich die Verhältnisse über 280°C sprunghaft. Durch die
hohe Temperatur und den hohen Druck löst sich das
Biomassematerial fast vollständig innerhalb von einigen
Sekunden zu einem homogenen Gemisch von Sacchariden
und Ligninen auf. Diese Verbindungen liegen in einem
höhermolekularen, aber gelösten Zustand vor und können
daher mit sehr großer Geschwindigkeit zu den einfachen
Verbindungen umgesetzt werden. Die global beobachtete
Reaktionsgeschwindigkeit von z. B. Glucosebildung aus
Cellulose wird dadurch außerordentlich stark erhöht.
Damit verbunden erhält man stark erhöhte Zuckerkonzentrationen
in der ablaufenden Lösung und hohe Zuckerausbeuten.
Diese Vorteile werden durch das unmittelbare
Aufeinanderfolgen von zwei Reaktionsschritten in ein-
und demselben Reaktionsgefäß erhalten, nämlich der
Aufbereitungsreaktion (Auflösung der morphologischen
Struktur der Biomasse) und der Hydrolysereaktion.
Die Erfordernis einer geeigneten Vorbehandlungsmethode
für zu Hydrolysezwecken eingesetzte Biomassenmaterialien
wird in der entsprechenden Fachliteratur stark betont.
Versuchsansätze wie chemische (mit Säuren und Alkalien)
und physikalische (Bestrahlung mit Gammastrahlung
und Feinmahlung) Vorbehandlungen zeigen bisher kaum
Erfolgsaussichten, da weitere Verfahrensschritte einzuführen
und Hilfsstoffe sowie -apparaturen erforderlich
sind. Für die vorliegende Erfindung werden solche
Zusatzeinrichtungen und Hilfsstoffe jedoch nicht benötigt.
Darüber hinaus weist das Verfahren auch in Bezug auf die
Hydrolysereaktion den Vorteil auf, ohne Säuren oder Enzyme
einfache Zucker in hoher Ausbeute zu liefern.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt werden, wenn zur Hydrolyse Faserstoffe
eingesetzt werden, die im Temperaturbereich zwischen 140
und 240°C mit dem in dem europäischen Patent 00 98 490
beschriebenen Verfahren erhalten wurden. Durch gezielte
Vorbehandlung kann die Zuckerausbeute stark erhöht werden,
wie unter anderem den folgenden Ausführungsbeispielen zu
entnehmen ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in dem europäischen Patent 00 98 490
beschrieben. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wurden luftgetrocknete Holzschnitzel mit einer
durchschnittlichen Größe von 8×8×1 mm, bzw.
gehäckseltes Stroh, nach paralleler Bestimmung des
Feuchtigkeitsgehalts exakt eingewogen und in einem
Druckgefäß der Größe 10 cm³ mit reinem, luftgesättigtem
Wasser in der flüssigen Phase bei den in der Tabelle 1
angegebenen Bedingungen hinsichtlich Temperatur und
Wasserverweilzeil behandelt. Das Wasser durchläuft das
Biomassematerial im Druckgefäß im Quer-, Gleich- oder
Gegenstrom und verläßt, angereichert mit den gewünschten
Reaktionsprodukten, das Druckgefäß, wird über einen Kühler
geleitet, wo die Temperatur auf unter 100°C gebracht und
nach der Druckentspannung aufgefangen wird. Die in der
Kälte ausfallenden Stoffe setzen sich sehr schnell ab, so
daß eine klare, gelb bis hellbraun gefärbte Lösung erhalten
wird. Von den Abbaulösungen werden aliquote Mengen zur
Trockne eingedampft und der Feststoffgehalt gravimetrisch
bestimmt. Typische Ergebnisse für einige Biomassevertreter
sind in der Tabelle 1 angegeben.
Claims (3)
1. Verfahren zur Gewinnung von einfachen Zuckern und löslichen
Ligninen aus Lignocellulosematerial durch
Behandlung des zerkleinerten Materials mit reinem Wasser im
flüssigen Zustand in einem Druckgefäß bei Temperaturen
zwischen 240 und 340°C, dadurch gekennzeichnet,
daß die Behandlung bei Drücken zwischen
34 und 180 bar über 10 bis 2000 Sekunden erfolgt, wobei das
Wasser und die pflanzliche Biomasse das Druckgefäß diskontinuierlich
oder kontinuerlich im Gegen-, Gleich- oder
Querstrom durchsetzen, daß das Verhältnis zwischen den
Massen der sich im Druckgefäß befindlichen pflanzlichen
Biomasse und dem Wasser zwischen 1 : 1 bis 1 : 10 eingestellt
ist und daß man die gelösten Zucker- und Ligninprodukte mit
dem durchgeleiteten Wasser aus dem Reaktionsgefäß entfernt
und in Form einer Lösung gewinnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man die bei den erfindungsgemäßen
Bedingungen unlöslichen Biomasseanteile diskontinuierlich
oder kontinuierlich aus dem Druckgefäß entfernt und
gewinnt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Verhältnis
zwischen den Massen der sich im Druckgefäß befindlichen
pflanzlichen Biomasse und dem Wasser zwischen 1 : 1,1 und 1 : 3
einstellt.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19833300726 DE3300726A1 (de) | 1983-01-05 | 1983-01-05 | Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von einfachen zuckern und loeslichen ligninen aus lignocellulosischem pflanzenmaterial |
DE8383106217T DE3379063D1 (en) | 1982-07-05 | 1983-06-25 | Process and apparatus for the preparation of cellulose, simple sugars and soluble lignine from vegetable biomasse |
AT83106217T ATE40426T1 (de) | 1982-07-05 | 1983-06-25 | Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von cellulose, einfachen zuckern und loeslichen ligninen aus pflanzlicher biomasse. |
EP83106217A EP0098490B1 (de) | 1982-07-05 | 1983-06-25 | Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Cellulose, einfachen Zuckern und löslichen Ligninen aus pflanzlicher Biomasse |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19833300726 DE3300726A1 (de) | 1983-01-05 | 1983-01-05 | Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von einfachen zuckern und loeslichen ligninen aus lignocellulosischem pflanzenmaterial |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3300726A1 DE3300726A1 (de) | 1984-07-05 |
DE3300726C2 true DE3300726C2 (de) | 1991-04-11 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19833300726 Granted DE3300726A1 (de) | 1982-07-05 | 1983-01-05 | Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von einfachen zuckern und loeslichen ligninen aus lignocellulosischem pflanzenmaterial |
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---|---|
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Families Citing this family (2)
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CN101974161B (zh) * | 2010-09-30 | 2012-10-31 | 中国科学院西双版纳热带植物园 | 一种溶解和快速水解木质纤维素生物质的方法及其设备和应用 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT263661B (de) * | 1965-07-09 | 1968-07-25 | Bobleter Ortwin | Verfahren zum Abbau von Holz, Rinde oder andern Pflanzenmaterialien |
-
1983
- 1983-01-05 DE DE19833300726 patent/DE3300726A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3300726A1 (de) | 1984-07-05 |
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