DE3428661C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrolyse von zerkleinerter, mit einem Lösungsmittel eingemaischter lignocellulosehaltiger Biomasse, insbesondere Holzschliff, Bagasse, Maiskolbenabfälle oder dergleichen bei erhöhten Drücken und Temperaturen, in drei Stufen, wobei die Fraktionen der Biomasse, nämlich Hemicellulosen bei Temperaturen zwischen 100 und 200° C zu Pentosen abgebaut, Cellulosen bei Temperaturen zwischen 210 und 350° C zu Hexosen abgebaut und das Lignin verflüssigt wird und alle drei Fraktionen nacheinander in drei getrennten Verfahrensschritten voneinander getrennt abgezogen und die Hexosen als flüssiges Substrat einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.

Die Hydrolyse von lignocellulosehaltiger 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 Lignocellulosen 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 Hydroylse 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 bei dem eingangs beschriebenen Verfahren

• a) die erste Stufe als Vorhydrolyse arbeitet, in der die Biomasse mit Wasser bei 15 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 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,
• b) 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 und wobei der Extraktionsautoklave bei Drücken zwischen 100 und 300 bar, einer Temperatur zwischen 50 und 200° C und einer Extraktionsdauer zwischen ½ und 3 Stunden betrieben wird und
• c) die dritte Stufe als Haupthydrolyse arbeitet, in der die aus der Biomasse verbleibende Cellulose 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 Drücken zwischen 20 und 190 bar zu Hexosen abgebaut und anschließend entspannt wird.

Die erfindungsgemäße Kombination der Verfahrensparameter führt dazu, daß die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden sind, zumal für die Hydrolyse der Lignocellulose 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% erreichen.

In der Vorhydrolyse wird die mit Wasser als Lösungsmitel 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 dispergiert wird. 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 der erhöhten Temperaturen und Drücke ohne Säure durchgeführt werden kann und die entstehenden Zucker durch rasche Abkühlung mittels Entspannungsverdampfung 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-Extraktions-Stufe wird 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, wobei das mit Lignin beladene Lösungsmittel entspannt und das Lignin daraus mechanisch 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 oder dergleichen 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° C und einer Extraktionsdauer zwischen ½ und 3 Stunden betrieben.

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 der 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 Hemicellulosen 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 Hydrolyse geleitet wird.

Anstelle der Vorratsbehälter können auch mehrere 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.

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 hydrolysiert 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° C 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, das 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 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 Strömungskanäle 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
• - Cellulosefasern aufgelöst (entstippt) werden können.

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 und die drei Verfahrensschritte in drei separaten Reaktionszonen durchgführt werden.

Dabei werden 2 bis 10 kg Lösungsmittel pro Stunde Extraktionsdauer und pro kg Biomasse durch den Extraktionsautoklaven im Kreislauf geleitet.

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 Lösungsmittelmischung wird ein Gemisch aus Wasser und Ethanol mit 20 bis 80% Ethanol angesehen.

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 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 Entspannungsbehälter 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° C 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 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 Partikelgröße 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 Dispergier-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 ° C, 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 und 14 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 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 96 in den Sumpfbereich des Extraktionsautoklaven 36 eingeführt. Ein Kompressor 27 mit zwei Wärmetauschern 26 und 28 innerhalb der Leitung 25 sorgen für die entsprechenden Drücke und Temperaturen, die für die Extraktion erforderlich sind. Innerhalb des Extraktionsautoklaven 36 beläd 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 Extraktionszeit 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 36 a, 36 b und 36 c 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 38 a, 38 b oder 38 c jeweils die Cellulose abgezogen werden kann. Im übrigen stimmen die in Fig. 3 dargestellten Einzelheiten mit den in Fig. 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 40 versetzt. Die Suspension wird mittels Leitungen 41 und 43 und einem Förderorgan 42 über eine Eintragsschleuse 44 mit Leitung 45 einem Hochdruck-Dispergier- Reaktor 46 zugeführt, der so ausgelegt ist, daß Temperaturen zwischen 210 und 350° C 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 56.

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. 51 und 54 sind Verbindungsleitungen.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ergänzung der Haupthydrolyse.

Diese Ergänzung wird eingesetzt, wenn das Cellulosensubstrat noch nicht vollständig in Glucose 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° C 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 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 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.

Claims (13)

1. Verfahren zur Hydrolyse von zerkleinerter, mit einem Lösungsmittel eingemaischter lignozellulosehaltiger Biomasse, insbesondere Holzschliff, Bagasse, Maiskolbenabfälle oder dergleichen bei erhöhten Drücken und Temperaturen, in drei Stufen, wobei die Fraktionen der Biomasse, nämlich Hemicellulosen bei Temperaturen zwischen 100 und 200° C zu Pentosen abgebaut, Cellulosen bei Temperaturen zwischen 210 und 350° C zu Hexosen abgebaut und das Lignin verflüssigt wird und alle drei Fraktionen nacheinander in drei getrennten Verfahrensschritten voneinander getrennt abgezogen und die Hexosen als flüssiges Substrat einer Weiterverarbeitung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die erste Stufe als Vorhydrolyse arbeitet, in der die Biomasse mit Wasser bei 15 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 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,
• b) 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 und wobei der Extraktionsautoklave bei Drücken zwischen 100 und 300 bar, einer Temperatur zwischen 50 und 200° C und einer Extraktionsdauer zwischen ½ und 3 Stunden betrieben wird und
• c) die dritte Stufe als Haupthydrolyse arbeitet, in der die aus der Biomasse verbleibende Cellulose erneut mit Wasser bei 15 bis 45% TS eingemaischt und unter gleichzeitiger Zuführung von hochgespanntem Wasserdampf in einen an sich bekannten Dispergier-Reaktor eingeführt und dort während einer Reaktionszeit zwischen 1 Sekunde und 10 Minuten bei Drücken zwischen 20 und 190 bar zu Hexosen abgebaut und anschließend entspannt wird.

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 in Stufe b 2 bis 10 kg Lösungsmittel pro Stunde Extraktionsdauer und pro Kilogramm Biomasse durch den Extraktionsautoklaven geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der HD-Extraktion in Stufe b) als Lösungsmittel Wasser verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der HD-Extraktion in Stufe b) als Lösungsmitel Alkohole, Ether, Ester oder Alkane bzw. deren Mischungen verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der HD-Extraktion in Stufe b) als Lösungsmittel ein Gemisch aus Wasser und Ethanol mit 20 bis 80% Ethanol verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Disperger-Reaktor in der Vorhydrolyse zur Verlängerung der Reaktionszeit mit einer Reaktionsschlaufe betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Disperger-Reaktor in der Haupthydrolyse mit einer Reaktionsschlaufe betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Haupthydrolyse die Biomasse nach Verlassen des Disperger-Reaktors in einem Schneckenreaktor nachbehandelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckenreaktor mit einer Umgehungsleitung betrieben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Haupthydrolyse verlassende Hexosensubstrat gekühlt einer weiteren enzymatischen Nachhydroylse unterworfen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachhydrolyse in einem Reaktionstank mit zugeordneter Reaktionsschlaufe bei einer Reaktionszeit zwischen 4 und 10 Stunden durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, 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° C bei 1 bis 10 bar während 1 bis 5 Sekunden per Durchlauf betrieben wird.