DE3428661A1 - Verfahren zur hydrolyse von lignocellulosehaltiger biomasse - Google Patents
Verfahren zur hydrolyse von lignocellulosehaltiger biomasseInfo
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Description
Verfahren zur Hydrolyse von lignozellulosehaltiger Biomasse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrolyse von zerkleinerter, mit einem Lösungsmittel eingemaischter
lignozellulosehaltiger Biomasse, insbesondere Holzschliff, Bagasse, Maiskolbenabfälle oder
dergleichen bei erhöhten Drücken und Temperaturen.
Die Hydrolyse von lignozellulosehaltiger Biomasse bei Druck und Temperatur unter Verwendung von Säuren
ist seit langem durch das Scholler-Tornesch- oder das Rheinau-Verfahren bekannt. Die bekannten Verfahren
arbeiten mit Säuren, die eine erhebliche Umweltbelastung hervorrufen. Außerdem fällt das
Hydrolysat mit einer sehr geringen Glukosekonzentration an. Darüber hinaus tritt bei der Hydrolyse
mit Säure ein weiterer Abbau der Glukose ein, so daß die tatsächliche Ausbeute an Glukose im Vergleich
zur theoretischen erheblich geringer ist. Eine Verarbeitung dieses Substrates zu Alkohol ist
aufgrund der geringen Konzentration und der deshalb
zu verdampfenden großen Wassermengen unwirtschaftlich.
Die Hydrolyse von Lignozellulosen unter Anwendung von entsprechend hochgespanntem Dampf wurde bereits
von einigen Forschern im Labor durchgeführt, ohne damit die Konzentration des- Endsubstrates wesentlich
zu verbessern. Außerdem waren die Ergebnisse dieser säurefreien Hydrolyse unbefriedigend, weil die
gewählten Bedingungen, z.B. ungenügender, mechanischer
Aufschluß, für eine effektive Hydrolyse
nicht ausreichten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einer aus mehreren Komponenten bestehenden Biomasse ein
Substrat herzustellen, mit dem sich auf wirtschaftliche Weise Ethanol erzeugen läßt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Fraktionen der Biomasse, nämlich Hemicellulosen zu
Pentosen abgebaut, Lignin verflüssigt und Cellulosen zu Hexosen abgebaut und alle drei Fraktionen
nacheinander in drei getrennten Verfahrensschritten
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und somit separaten Reaktionszonen mit Wasser als Lösungsmittel voneinander getrennt abgezogen und die
Hexosen als flüssiges Substrat einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
Erfindungsgemäß werden die Fraktionen erstmals getrennt voneinander abgezogenen. Dies erbringt den
Vorteil, daß die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden sind, da für die Hydrolyse der Lignozellulose
keine Säure verwendet wird und statt dessen mit einem mechanischen Aufschluß sowie mit Druck und
entsprechend höheren Temperaturen gearbeitet werden kann. Die Konzentration des bei dieser Hydrolyse
entstehenden Endsubstrates kann über 10 Prozent erreichen.
Das Wesen der Erfindung ist demnach in dem getrennten Abzug der Fraktionen, nämlich Pentosen,
Lignin und Hexosen, bei der Verwendung von Wasser als Lösungsmittel zu sehen. Das Abziehen der Fraktionen
kann nacheinander in an sich bekannten Verfahrensschritten erfolgen.
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Besonders vorteilhafte Verfahrensschritte zum
Abtrennen der drei Fraktionen bestehen in folgendem.
Die erste Stufe arbeitet als Vorhydrolyse, in der die Biomasse mit Wasser bei 15 bis 45 % TS eingemaischt,
unter gleichzeitiger Zuführung von hochgespanntem Wasserdampf in einen an sich bekannten
Disperger-Reaktor eingeführt und dort die Hemicellulosen
während einer Reaktionszeit zwischen 1 Sekunde und 10 Minuten bei Temperaturen zwischen
und 200 0C und Drücken zwischen 1 und 16 bar zu Pentosen abgebaut und anschließend entspannt werden,
und daß das entspannte Gemisch zum Abziehen des Pentosensubstrates auf mechanischem Wege unter
Zusatz einer Waschflüssigkeit separiert wird.
In der Vorhydrolyse wird die mit Wasser als Lösungsmittel versetzte Biomasse mittels der bekannten
thermisch-mechanischen-kurzzeitigen Homogenisier-Reaktion
hydrolysiert und anschließend spontan entspannt, wobei die Biomasse in der Homogenisierreaktion
zerkleinert, eingemaischt und unter hohem Druck und hoher Temperatur in dem Disperger-Reaktor
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dispergiert. Dieser bekannte Homogenisierprozeß (DE-AS 19 22 932, DE-PS 17 82 456, DE-OS 31 27 684,
DE-OS 31 50 750) bewirkt eine beschleunigte Hydrolyse.
Die Hydrolyse-Stufe hat somit den wesentlichen Vorteil, daß die Hydrolyse aufgrund des hohen
mechanischen Aufschlusses des Disperger-Reaktors und den erhöhten Temperaturen und Drücken ohne Säure
durchgeführt werden kann und die entstehenden Zucker durch rasche Abkühlung mittels Entspannungsver^
dampfung vor Zersetzung bewahrt bleiben und mit einfachsten Mitteln separiert werden können. Jetzt
können nach der Entspannung mit einfachsten Mitteln die Pentosen unter evtl. Zusatz von Waschflüssigkeit
auf mechanischem Wege abgetrennt werden.
In der zweiten Stufe wird das Lignin mittels einer Hochdruck-Extraktion abgeführt, so daß Hexosen
übrigbleiben.
In der Hochdruck-Extraktion-Stufe wird die von den Pentosen befreite Biomasse in einen Extraktionsauto-
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klaven gefüllt und das auf den erforderlichen Extraktionsdruck und die erforderliche Extraktionstemperatur
gebrachte Lösungsmittel im Kreislauf durch die geschüttete Biomasse geleitet, wobei das
mit Lignin beladene Lösungsmittel entspannt und das Lignin daraus mechansich abgeschieden und die
verbleibende Cellulose aus dem Extraktionsautoklaven abgezogen wird.
Hierbei belädt sich das Lösungsmittel mit Lignin, das nach Entspannen der kopfseitig abgezogenen
Extraktphase in einen Abscheider abgezogen wird. Das entspannte Lösungsmittel mit dem Lignin gelangt dann
in einen mechanischen Filter, der als Separator, Zentrifuge od.dgl. ausgebildet sein kann, wo das
Lignin mechanisch abgetrennt und abgezogen wird. Das abgetrennte Lösungsmittel kann in den Kreislauf
zurückgegeben werden. Der Extraktionsautoklav wird bei Drücken zwischen 100 und 300 bar, einer Temperatur
zwischen 50 und 200 0C und einer Extraktionsdauer zwischen 1/2 und 3 Stunden betrieben. Dabei
werden 2 bis 10 kg Lösungsmittel pro Stunde Extraktionsdauer und pro kg Biomasse durch den Extrak-
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tionsautoklaven im Kreislauf geleitet.
Der Extraktionsautoklav kann mit entsprechenden Feststoffsperren versehen werden, so daß die gesamte
Hochdruckextraktion kontinuierlich betrieben werden kann. Sollten die Feststoffsperren für einen kontinuierlichen
Betrieb nicht ausreichen, so kann die Biomasse innerhalb des Extraktionsautoklaven diskontinuierlich
behandelt werden, d.h. die Biomasse wird in den Extraktionsautoklaven eingefüllt, dieser
wird geschlossen und sodann wird das Lösungsmittel im Kreislauf durch den Autoklaven geleitet.
Damit das Gesamtverfahren kontinuierlich betrieben werden kann, kann die von den Hemicellulose befreite
Biomasse aus der Vorhydrolysestufe in einen Vorratsbehälter eingegeben werden, aus dem die Hochdruck-Extraktionsstufe
gespeist wird. Ebenso kann dem Extraktionsautoklaven ein Vorratsbehälter nachgeschaltet
werden, in dem die Cellulose gesammelt und von dort in die Haupthydrolyse geleitet wird.
Anstelle der Vorratsbehälter können auch mehrere
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Extraktionsautoklaven vorgesehen werden, die aus
einer gemeinsamen Leitung mit der Biomasse und aus einer weiteren gemeinsamen Leitung mit dem Lösungsmittel
beaufschlagt werden. Dabei wird die Cellulose zur Aufrechterhaltung eines nahezu kontinuierlichen
Gesamtbetriebes je nach Bedarf aus einem der Autoklaven abgezogen und in die Haupthydrolysestufe
weitergeleitet.
Es hat sich gezeigt, daß eine Extraktion des Lignins aus der Biomasse mit dem Lösungsmittel Wasser
ausreicht. Es hat sich jedoch fernerhin gezeigt, daß die Extraktion verbessert werden kann, wenn als
Lösungsmittel Alkohole, Ether, Ester oder Alkane bzw. deren Mischungen verwendet werden. Als besonders
vorteilhafte Lösungsmittelmxschung wird ein Gemisch aus Wasser und Ethanol mit 20 bis 80 %
Ethanol angesehen.
Die dritte Stufe arbeitet als Haupthydrolyse, in der die von den Pentosen und dem Lignin befreiten und
weitgehend aus Cellulose bestehende Biomasse in einer thermisch-mechanischen Hauptreaktion hydroly-
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siert und danach als Hexosensubstrat abgeführt wird. In dieser Stufe werden die Cellulosen erneut mit
Wasser bei 15 bis 45 % TS eingemaischt und unter gleichzeitiger Zuführung von hochgespanntem Wasserdampf
in einen an sich bekannten Disperger-Reaktor eingeführt und dort während einer Reaktionszeit
zwischen 1 Sekunde und 10 Minuten bei Temperaturen zwischen 210 und 350 0C und Drücken zwischen 20 und
190 bar zu Hexosen abgebaut und anschließend entspannt. Das entspannte Gemisch wird als Hexosensubstrat
abgezogen.
Damit entsteht in der dritten Stufe ein in umweltfreundlicher Weise hergestelltes, hochkonzentriertes
Hexosensubstrat, daß sich in energiesparender Weise zu Ethanol verarbeiten läßt. Dies ist insbesondere
darauf zurückzuführen, daß neben den genannten Betriebsparametern Druck und Temperatur noch ein
gegenüber der Vorhydrolyse zusätzlicher mechanischer Aufschluß innerhalb des bekannten Hochfrequenz-Disperger-Reaktors
(der die gleichen Konstruktionsmerkmale aufweist wie der Disperger-Reaktor in der
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ersten Vorhydrolyse-Stufe) erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß eine Dispergierung im mechanisch
hochfrequenten Feld die chemischen Reaktionen wesentlich beschleunigt. Die Wirkung des Disperger-Reaktors
besteht darin, daß beim Durchgang durch feststehende und rotierende Störmungskanäle im
Produkt Kompressions- und Dekompressionswellen erzeugt werden sowie Scherkräfte und Kantenprallkräfte
auftreten. Schließlich entsteht im Produkt noch eine gezielte, kontrollierte Micro-Kavitation.
Die vorstehend aufgeführten physikalischen Kräfte führen dazu, daß
- Zellen spontan aufgeschlossen werden,
- die spezifische Oberfläche wesentlich vergrößert wird und somit eine Reaktionsbeschleunigung
erzielt wird,
- eine gleichmäßige Benetzung von Feststoffen mit Flüssigkeiten entsteht,
- eine beschleunigte Diffusion von Lösungsmittel in Cellulose-Kristalle bewirkt wird und
- Zellulosefasern aufgelöst (entstippt) werden können.
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Der Disperger-Reaktor ist so konstruiert, daß in ihm
die Cellulose-Hydrolyse bei gleichzeitiger Anwendung von Druck und Temperatur ablaufen. Da ohne Säure
gearbeitet wird, können in der dritten Stufe die Drücke und Temperaturen erhöht werden, bevor ein
Glukoseabbau stattfindet. Nach erfolgter Hydrolyse wird die Temperatur durch Entspannungsverdampfung am
Austritt der Maschine sofort wieder herabgesetzt, so daß es zu keinem weiteren Abbau der Glukose kommt.
Die Glukose stellt das Hydrolyse-Endprodukt dar.
Die Wirkungen in der Vorhydrolyse- und Haupthydrolyse-Stufe sind, abgesehen von den unterschiedlichen
Druck- und Temperaturverhältnissen, gleichartig. Für eine wirtschaftliche Ethanolerzeugung ist es vorteilhaft,
wenn alle Parameter in den drei Stufen, Vorhydrolyse, Hochdruck-Extraktion und Haupthydrolyse,
eingehalten werden.
In der Vorhydrolyse kann die Reaktionszeit dadurch verlängert werden, daß der Disperger-Reaktor mit
einer Reaktionsschlaufe betrieben wird. Hier ist eine einfache Bypass-Leitung mit den entsprechenden
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Ventileinrichtungen vorgesehen, wodurch das zu behandelnde Gut im Kreislauf geführt werden kann.
In der Haupthydrolyse kann die Reaktionszeit ebenfalls dadurch verändert werden, daß der Disperger-Reaktor
mit einer Reaktorschlaufe betrieben wird. Auch hier ist eine einfache Bypass-Leitung mit
entsprechenden Ventilen vorgesehen. Eine weitere Verlängerung bzw. Verkürzung der Reaktionszeit in
der Haupthydrolyse kann dadurch erreicht werden, daß dem Disperger-Reaktor ein Schnecken-Reaktor und eine
Austragsschleuse nachgeschaltet sind, wobei sowohl der Schnecken-Reaktor als auch die Austragsschleuse
jeweils mit einer Umgehungsleitung versehen sind. Das in der Haupthydrolyse den Disperger-Reaktor
verlassende Gut kann in den Schnecken-Reaktor und sodann unter Umgehung der Austragsschleuse in einen
Entspannungsbehälter geführt werden. Die Behandlung im Schnecken-Reaktor bedeutet eine lange Reaktionszeit.
Soll die Reaktionszeit demgegenüber verkürzt werden, so wird das den Disperger-Reaktor verlassende
Gut unter Umgehung des Schnecken-Reaktors in die Austragsschleuse und von dort in den Ent-
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Spannungsbehälter geleitet.
Die Wirkungsweise des Disperger-Reaktors bietet sich auch dazu an, nach der eigentlichen Haupthydrolyse
eine enzymatische Nachhydrolyse durchzuführen. Die thermisch-mechanische Behandlung der Cellulosen
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine gute Voraussetzung für die nachgeschaltete enzymatische
Nachhydrolyse. Dadurch wird die Ausbeute an Cellulosehydrolysat vergrößert. In diesem Falle wird das
die Haupthydrolyse über einen Entspannungsbehälter verlassende Gut in einem Wärmetauscher gekühlt und
die Nachhydrolyse in einem Reaktionstank mit zugeordneter Reaktionsschlaufe bei einer Reaktionszeit
zwischen 4 und 10 Stunden durchgeführt. In der Nachhydrolyse ist ein als Reaktionsbeschleuniger
ausgebildeter, ebenfalls an sich bekannter Disperger-Reaktor eingesetzt, der bei Verwendung bekannter
Enzyme bei einer Temperatur zwischen 40 und 120 0C bei 1 bis 10 bar während 1 bis 5 Sekunden per
Durchlauf betrieben wird. Sollten neue, verwendbare Enzyme gefunden werden, so sind die für die Reaktion
erforderlichen Drücke und Temperaturen, diesen
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Enzymen anzupassen. Das Enzym wird in die Reaktionsschlaufe eingegeben. In diesem Falle wird das zu
Ethanol zu verarbeitende Hexosensubstrat dem Reaktionstank in der Nachhydrolyse entnommen.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 die Vorhydrolyse,
Fig. 2 die Hochdruck-Extraktion,
Fig. 3 die Alternative der Hochdruck-Extraktion,
Fig. 4 die Haupthydrolyse,
Fig. 5 die enzymatische Nachhydrolyse.
Die lignocellulosehaltige Biomasse, beispielsweise Holzschliff, Maiskolbenabfälle oder Bagasse, werden
über eine Leitung 1 in eine geeignete Vorrichtung 2 gegeben und so vorzerkleinert, daß eine Partikel-
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größe von 0,5 bis 4 mm erreicht wird. Zur Vorhydrolyse
gelangt die vorzerkleinerte Biomasse über Leitung 3 in einen Maischbehälter, dem mittels
Leitung 4 Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, zugesetzt wird. Mittels eines Förderorgans 7 und
Leitung 8 wird die Biomasse einem Disperger-Reaktor 9 zugeführt, in dem dann durch Einblasen von Dampf
mittels der Leitung 10 ein Druck- und Temperaturzustand eingestellt wird, der für den optimalen
hydrolytischen Abbau der Hemicellulosen erforderlich ist. Die Temperaturen liegen zwischen 100 und 200
0C, die entsprechenden Drücke zwischen 1 und 16 bar. Ein Gegendruckventil 13 dient zur Einstellung der
erforderlichen Betriebsbedingungen. Der Disperger-Reaktor kann mit einer Reaktionsschlaufe 11 versehen
sein, durch die die Reaktionszeiten variiert werden können. Die so behandelte Biomasse verläßt den
Disperger-Reaktor 9 über Leitungen 12+13 und gelangt in einen Entspannungsbehälter 15, der beispielsweise
ein Entspannungszyklon sein kann. Anschließend werden die bei der Vorhydrolyse entstehenden
Pentosen über Leitung 16 in einen Separator 17 geleitet, dem über Leitung 18 Waschwasser
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zugeführt wird. Das separierte Pentosensubstrat wird über 19 abgeführt. Die vorhydrolysierte Biomasse
verläßt die Vorhydrolysestufe über Leitung 20.
In einer zweiten, nachfolgenden Separationsstufe wird das Lignin von der Cellulose durch eine Hochdruck-Extraktion
abgetrennt.
Für die Hochdruck-Extraktion wird die vorhydrolysierte Biomasse mittels der Leitung 20 über eine
Pumpe 21 und einer Leitung 22 mit Ventil 23 in einen Extraktionsautoklaven 36 eingefüllt. Nach dem Füllen
und Verschließen des Extraktionsautoklaven 36 mit der Biomasse wird das auf den Extraktionsdruck und
die Extraktionstemperatur gebrachte Lösungsmittel durch die geschüttete Biomasse geleitet. Das
Lösungsmittel wird einem Lösungsmittelbehälter 24 entnommen und über Leitung 25 und Ventil 26 in den
Sumpfbereich des Extraktionsautoklaven 36 eingeführt. Ein Kompressor 27 mit zwei Wärmetauschern
und 28 innerhalb der Leitung 25 sorgen für die entsprechenden Drücke und Temperaturen, die für die
Extraktion erforderlich sind. Innerhalb des Extrak-
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tionsautoklaven 36 belädt sich das Lösungsmittel mit Lignin. Diese Extraktphase wird kopfseitig mittels
einer Leitung 27 und Ventil 28 in einen Wärmetauscher 29 und weiter über eine Leitung 30 in einen
Abscheider 31 gegeben. Hier wird die Extraktphase entspannt, so daß das entspannte Gemisch über eine
Leitung 32 mit Ventil 33 einem Filter 34 zugeführt werden kann. Hier wird über Leitung 35 das abgeschiedene
Lignin abgezogen und das separierte Lösungsmittel in den Lösungsmittelbehälter 24
zurückgeführt. Die aus der Biomasse extrahierte Cellulose wird über eine Leitung 38 mit Ventil 37
abgezogen. Bei entsprechend vorgesehenen und nicht dargestellten Feststoffsperren kann die Hochdruck-Extraktionsstufe
kontinuierlich betrieben werden, daß heißt, daß die bei 20 zugeführte Biomasse im
gleichen Verhältnis bei 38 als Cellulose abgezogen wird. Sollte sich ein kontinuierlicher Betrieb nicht
durchführen lassen, so muß die Hochdruck-Extraktion im Batch-Verfahren innerhalb des Extraktionsautoklaven
durchgeführt werden. Daß heißt, der Autoklav 36 wird gefüllt, verschlossen und das Lösungsmittel
durchgeführt. Nach Ablauf der entsprechenden Extrak-
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tionszeit werden die Ventile 23, 26 und 28 geschlossen und das Ventil 37 zum Abziehen der Cellulose
geöffnet. Ist das Substrat abgezogen wird der diskontinuierliche Betrieb wieder eingesetzt. Um den
Gesamtbetrieb nahezu kontinuierlich durchzuführen, werden innerhalb der Leitungen 20 und 38 jeweils
nicht dargestellte Vorratsbehälter vorgesehen. Anstelle der Vorratsbehälter können auch mehrere
Extraktionsautoklaven 36a, 36b und 36c vorgesehen werden. In diesem Falle werden die Autoklaven derart
betrieben, daß ständig einer abzugsbereit ist, so daß zur Aufrechterhaltung eines gesamten kontinuierlichen
Betriebes aus einer der Leitungen 38a, 38b oder 38c jeweils die Cellulose abgezogen werden
kann. Im übrigen stimmen die in Figur 3 dargestellten Einzelheiten mit den in Figur 2 dargestellten
Einzelheiten überein und sind lediglich mit Index-Buchstaben versehen.
Die von den Hemicellulosen und dem Lignin befreite vorhydrolysierte Biomasse wird aus der Leitung 38
zur Haupthydrolyse in einen Maischbehälter 39 gegeben und mit einem Lösungsmittel aus Leitung
- 26 -
versetzt. Die Suspension wird mittels Leitungen 41 und 43 und einem Förderorgan 42 über eine Eintragsschleuse 44 mit Leitung 45 einem Hochdruck-Disperger-Reaktor
46 zugeführt, der so ausgelegt ist, daß Temperaturen zwischen 210 und 350 0C und Drücke
zwischen 20 und 190 bar erreicht werden können. Über 47 wird hochgespannter Wasserdampf in 46 eingeführt.
Der Hochdruck-Disperger-Reaktor kann ebenfalls mit einer Reaktionsschlaufe 46 versehen sein, durch die
ein Teil der Biomasse zurückgeführt werden kann.
Bei Biomassen, die eine noch längere Reaktionszeit benötigen, kann anschließend eine weitere Behandlung
in einem nachgeschalteten Schnecken-Reaktor so vorgenommen werden, der über Leitung 49 gespeist
wird. Zu diesem Zweck können Disperger-Reaktor 46 und Schnecken-Reaktor 50 als Maschineneinheit mit
einem gemeinsamen Gehäuse ausgeführt werden. Die verlängerten Reaktionszeiten können zwischen 1
Sekunde und 10 Minuten variiert werden. Eine Austragsschleuse 53 trägt das behandelte Produkt aus
der Druckzone aus in einen Entspannungsbehälter 53.
- 27 -
Von dort wird das fertige Hydrolysat als Cellulosesubstrat
mittels Leitung 57 weiteren Verarbeitungsprozessen zugeführt. Mit 55 ist eine weitere, die
Austragsschleuse 53 umgehende Leitung bezeichnet. und 54 sind Verbindungsleitungen.
Figur 5 zeigt eine alternative Ergänzung der Haupthydrolyse.
Diese Ergänzung wird eingesetzt, wenn das Cellulosensubstrat
noch nicht vollständig in Glukose umgewandelt ist. Das hydrolysierte Cellulosesubstrat
wird hinter dem Entspannungsbehälter 56 mittels Leitung 57 abgezogen und einem Wärmetauscher 58
zugeführt. Dort wird das Produkt auf ca. 50 0C abgekühlt, der optimalen Reaktionstemperatur für
eine enzymatische Nachhydrolyse. Das Produkt wird mittels Leitung 59 in einen Reaktionstank 60 geleitet,
dem ein Disperger-Reaktor 61 mit einer
ι zusätzlichen Reaktorschlaufe 62 zugeordnet ist. Die für die Nachhydrolyse erforderlichen Enzyme werden
vor dem Disperger-Reaktor 61 mittels Leitung 63 in die Reaktionsschlaufe 62 eingeführt. Nach Abschluß
- 28 -
der Reaktion nach 4 bis 10 Stunden wird die Glukoselösung vom Biomassenrest abgetrennt und über Leitung
64 abgezogen.
Zur Beschleunigung der enzymatischen Reaktion im Reaktor 61 wird das Biomasse-Substrat in Gegenwart
eines geeigneten Enzyms durch das Turbulenzfeld einer an sich bekannten Homogenisiermaschine hindurchgeführt,
die aus einem Gehäuse mit darin umlaufenden kegelstumpfförmigen Rotor besteht,
dessen Mantelfläche mit koaxialen Ringen gestaffelten Durchmessers ausgestattet ist, die
jeweils auf Lücke stehen mit gleichartigen Ringen an der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand,
zusammen mit einer kleinen, in das Turbulenzfeld eindosierten Menge Enzym. Das Substrat mit dem Enzym
wird mindestens einmal unter innigem Vermischen durch die Homogenisiermaschine hindurchgeführt.
- 29 -
Claims (21)
1. Verfahren zur Hydrolyse von zerkleinerter, mit einem Lösungsmittel eingemaischter lignozellulosehaltiger
Biomasse, insbesondere Holzschliff, Bagasse, Maiskolbenabfälle oder dergleichen bei
erhöhten Drücken und Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktionen der Biomasse,
nämlich Hemicellulosen zu Pentosen abgebaut, Lignin verflüssigt und Cellulosen zu Hexosen
abgebaut und alle drei Fraktionen nacheinander in drei getrennten Verfahrensschritten mit
Wasser als Lösungsmittel voneinander getrennt abgezogen und die Hexosen als flüssiges Substrat
einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Verfahrensschritte in
drei separaten Reaktionszonen durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Stufe als Vorhydrolyse arbeitet, in der die Biomasse mit Wasser bei
bis 45 % Trockensubstanz (TS) eingemaischt, unter gleichzeitiger Zuführung von hochgespanntem
Wasserdampf in einen an sich bekannten Disperger-Reaktor eingeführt und dort die
Hemicellulosen während einer Reaktionszeit zwischen 1 Sekunde und 10 Minuten bei Temperaturen
zwischen 100 und 200 0C mit Drücken zwischen 1 und 16 bar zu Pentosen abgebaut und
anschließend entspannt werden, und daß das entspannte Gemisch zum Abziehen des Pentosensubstrates
auf mechanischem Wege unter Zusatz einer Waschflüssigkeit separiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Stufe in an sich bekannter Weise als Hochdruck-Extraktion arbeitet,
in der die von den Pentosen befreite Biomasse in einen Extraktionsautoklaven gefüllt
und das auf den erforderlichen Extraktionsdruck und die erforderliche Extraktionstemperatur
gebrachte Lösungsmittel im Kreislauf durch die geschüttete Biomasse geleitet wird, wobei das
mit Lignin beladene Lösungsmittel entspannt und das Lignin daraus mechanisch abgeschieden und
die verbleibende Cellulose aus dem Extraktionsautoklaven abgezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Extraktionsautoklave bei Drücken zwischen 100 und 300 bar, einer Temperatur
zwischen 50 und 200 0C und einer Extraktionsdauer zwischen 1/2 und 3 Stunden betrieben
wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß 2 bis 10 kg Lösungsmittel pro Stunde Extraktionsdauer und pro Kilogramm
Biomasse durch den Extraktionsautoklaven geleitet wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Biomasse innerhalb des Extraktionsautoklaven diskontinuierlich be-
handelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß bei diskontinuierlichem Betrieb der Extraktionsautoklav aus einem Vorratsbehälter
mit den von den Hemicellulosen befreite Biomasse beschickt und die aus der Biomasse
verbleibende Cellulose nach der Extraktionsdauer in einen weiteren Vorratsbehälter gefüllt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß in den Kreislauf der Hochdruckextraktion zwei oder mehrere Extraktionsautoklaven
geschaltet werden, die aus einer gemeinsamen Leitung mit der Biomasse und aus einer
weiteren gemeinsamen Leitung mit dem Lösungsmittel beaufschlagt werden und die Cellulose zur
Aufrechterhaltung eines nahezu kontinuierlichen Gesamtbetriebes jweils aus einem Autoklaven
abgezogen wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der HD-Extraktion als
Lösungsmittel Wasser verwendet wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der HD-Extraktion als
Lösungsmittel Alkohole, Ether, Ester oder Alkane bzw. deren Mischungen verwendet werden.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der HD-Extraktion als
Lösungsmittel ein Gemisch aus Wasser und Ethanol mit 20 bis 80 % Ethanol verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Stufe als Haupthydrolyse
arbeitet, in der die aus der Biomasse verbleibende Cellulose erneut mit Wasser bei
bis 45 % TS eingemaischt und unter gleichzeitiger Zuführung von hochgespanntem Wasserdampf
in einen an sich bekannten Disperger-Reaktor eingeführt und dort während einer Reaktionszeit zwischen 1 Sekunde und 10 Minuten
bei Temperaturen zwischen 210 und 350 0C und Drücken zwischen 20 und 190 bar zu Hexosen
abgebaut und anschließend entspannt wird.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Disperger-Reaktor in der
Vorhydrolyse zur Verlängerung der Reaktionszeit mit einer Reaktionsschlaufe betrieben wird.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Disperger-Reaktor in der
Haupthydrolyse mit einer Reaktionsschlaufe
betrieben wird.
16. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Haupthydrolyse
die Biomasse nach Verlassen des Disperger-Reaktor s in einem Schneckenreaktor nachbehandelt
wird.
17. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckenreaktor mit einer
Umgehungsleitung betrieben wird.
18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß das die Haupthydrolyse verlassende Hexosensubstrat gekühlt einer
weiteren enzymatisehen Nachhydrolyse unterworfen
wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachhydrolyse in einem Reaktionstank mit zugeordneter Reaktionsschlaufe bei
einer Reaktionszeit zwischen 4 und 10 Stunden durchgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionsschlaufe ein als
Reaktionsbeschleuniger ausgebildeter an sich bekannter Disperger-Reaktor eingesetzt ist, der
bei einer Temperatur zwischen 40 und 120 0C bei 1 bis 10 bar während 1 bis 5 Sekunden per
Durchlauf betrieben wird.
21. Verfahren.nach den Ansprüchen 18 und 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Enzyme in die Reaktionsschlaufe eingegeben werden und die Reaktionstemperatur den Enzymen angepaßt wird.
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