DE68911525T2

DE68911525T2 - Endlignifizieren einer nichtholzartigen biomasse.

Info

Publication number: DE68911525T2
Application number: DE68911525T
Authority: DE
Inventors: George Tyson
Original assignee: Xylan Inc
Current assignee: Xylan Inc
Priority date: 1988-04-05
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2009-03-31
Also published as: DE68911525D1; US4842877A; BR8907356A; WO1989009547A1; EP0415959B1; CA1329046C; EP0415959A1; AU3535989A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Delignifizierung nicht-holziger Biomasse mittels Extrusions-Technologie zum Abbau von komplexer Biomasse. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Delignifizierung von nicht-holzigen landwirtschaftlichen Biomasse-Abfällen mittels Extrusions-Technologie, wobei Wasserstoffperoxid und eine Lauge verwendet werden. Die Erfindung betrifft insbesondere die Bildung von speziellen Chemikalien und diätetischen Fasern für die Verwendung in Nahrungsmitteln. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung nützlicher diätetischer Fasern für wiederkäuende Tiere.
Die Bedeutung von diätetischen Fasern für eine Anwendung in menschlichen und nicht-menschlichen Systemen kann nicht überbewertet werden. Diätetische Fasern spielen eine wesentliche Rolle für die Gesundheit und Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten, für den physiologischen Metabolismus und auch in der Vorsorgemedizin. Es hat beträchtliche Anstrengungen gegeben, Fasern enthaltende Nahrungsmittel zu entwickeln, um von den Vorteilen der diätetischen Fasern in dem System zu profitieren.
Außerdem können viele von diesen Materialien als wirksame Kohlenhydrat- und Energiequelle in Nahrungsmitteln für Wiederkäuer verwendet werden. Um jedoch diese Vorteile auszunutzen, müssen die lignocellulosigen Materialien in den Rückständen in Materialien umgewandelt werden, die von dem Tier metabolisiert werden können. Insbesondere müssen die Polysaccharid-Anteile dieser landwirtschaftlichen Rückstände in monomere Zucker umgewandelt werden.
Um dies zu erreichen, ist es wesentlich, das Lignin in den Rückständen abzubauen, so daß die nützlichen Polysaccharide in der Zellwand der Pflanze freigesetzt werden.
Ursprünglich machte das Verfahren zur Delignifizierung Verwendung von Schwefelsäure und Chlor als wesentliche Reagenzien. Auf Grund der Probleme mit dem Verfahren wegen Umweltbelastungen ist die Schwefelsäure nun jedoch durch Natriumhydroxid und Sauerstoff ersetzt worden.
Ein Beispiel für holzige Fasern ist in der US-Patentschrift 4 459 174 (Papageorges, et al.) angegeben, die ein Verfahren zur Delignifizierung und zum Bleichen von chemischen und halbchemischen cellulosigen Pulpen beschreibt, bei dem die Pulpe einer Behandlung mit Sauerstoff und einer nachfolgenden Behandlung mit Peroxid unterworfen wird. Der Ausfluß von der Behandlung mit Peroxid wird zumindestens zum Teil für die Behandlung mit Sauerstoff recycliert.
Das US-Patent 4 451 332 (Annergren, et al.) betrifft ein Verfahren zur Delignifizierung von Lignocellulose enthaltendem Faser-Material, das den Schritt umfaßt, ein Sauerstoff enthaltendes Gas mit dem Cellulosefaser-Material zu vermischen, um das Gas zu atomisieren und einen Schaum aus dem Gas und dem Cellulosefaser-Material zu bilden. Dieses Verfahren stellt eine gebleichte, delignifizierte Cellulosefaser zur Verfügung, ohne die Lignin-Substanz, die aus dem Material extrahiert wird, zu bleichen.
Das US-Patent 4 372 812 (Phillips et al.) betrifft ein chlorfreies Bleichverfahren für lignocellulosige Pulpe. Dieses Verfahren ist durch eine Reihe von Bleichschritten gekennzeichnet, die nacheinander einen Bleichschritt mit Peroxid und zumindestens einen Bleichschritt mit Ozon umfassen.
Das US-Patent 4 311 553 (Akerlund et al.) betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Peroxid gebleichter Pulpe, indem Material aus Lignocellullosefaser mit einer wässrigen Silikat- Lösung, die ein Maskierungsmittel enthält, imprägniert wird. Das Faser-Material wird mit gesättigtem Dampf vorerhitzt und zwischen zwei Mahlscheiben in einer Atmosphäre von gesättigtem Dampf bei einer Temperatur von 373 K - 443 K (100ºC - 170ºC) verfasert.
Das US-Patent 4 298 425 (Ranzen et al.) betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Faser-Pulpe verbesserter Papier-bildender Eigenschaften aus Lignocellulose enthaltendem Material wie Holzspänen und dergl.
Das US-Patent 4 214 947 (Berger) betrifft die Behandlung von cellulosigem Material in Form von Holzspänen, so daß ohne mechanisches Zermahlen zumindest partielle Delignifizierung erfolgt. Das Material wird mit einem Reagens, z.B. Dampf oder einem chemischen Reagens, in Berührung gebracht und wird alternierend Druckanstiegen und Druckabfällen ausgesetzt.
Das US-Patent 4 187 141 (Ahrel) betrifft ein Verfahren zur Herstellung mechanischer Pulpen mit verbessertem Glanz und lichtstreuenden Eigenschaften aus Holzspänen, die zwischen einem Scheibenpaar zermahlen worden sind. Die Späne werden mit einer Alkali-Lösung imprägniert und in einen Druckbehälter eingeführt, der mit der Mahlzone in Verbindung steht.
Das US-Patent 4 444 621 (Lindahl) betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entharzung und zur Verbesserung des Glanzes von Cellulose-Pulpe, indem der Pulpe eine Lauge zusammen mit einem ausreichend oxidierenden Bleichmittel zugesetzt wird.
Während die oben erwähnten Verfahren hauptsächlich die Delignifizierung von holzartigem Material betreffen, gibt es andere Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, die die Delignifizierung von nicht-holzigen Biomassen zur Herstellung von Lebensmitteln offenbaren, die geeignet sind, von Menschen und Tieren konsumiert zu werden. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 4 136 207 (Bender) ein Verfahren zur Delignifizierung und Fraktionierung von nicht-holzigen Substraten unter Verwendung eines Reaktors und der sauren Hydrolyse. Dieses Verfahren verwendet einen pH von 1,5 als ersten Schritt mit Hitze und Druck und eine Verweilzeit von 6 - 13 Minuten. Hemicellulose wird von den Rückständen extrahiert, und die Rückstände werden zur weiteren Fermentation zu Ethanöl, Butanol, Essigsäure, Furfural und Xylitol hydrolysiert. Die Cellulose und das Lignin werden dann mit einer alkalischen Lösung behandelt und für unabhängige Verwendungen voneinander getrennt.
Das US-Patent 4 649 113 (Gould) offenbart ein diskontinuierliches Verfahren (batch process) zur Delignifizierung landwirtschaftlicher Rückstände zur Herstellung von Viehfutter, chemischen Nahrungsmitteln oder diätetischen Fasern durch Abtrennung dieser Bestandteile. Die landwirtschaftlichen Getreiderückstände und andere nicht-holzige lignocellulosige Pflanzen-Substrate werden bei einem kontrollierten pH in dem Bereich von etwa 11,2 - 11,8 mit Wasserstoffperoxid behandelt. Die Substrate werden partiell delignifiziert. Dieses Verfahren verwendet weder einen Reaktor noch eine mechanische Scherung oder eine Kompressions-Vorrichtung, sondern erfolgt bei pH- Werten innerhalb des Bereiches von 11,2 - 11,8 mit Wasserstoffperoxid in der Flüssigkeit. Die Zellwände werden in etwa 4 - 6 Stunden aufgebrochen. Das Produkt kann für Tierfutter verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, die Flüssigkeit von den Zellwänden abzutrennen, wenn diätetische Fasern als Produkt erwünscht sind.
Während Verfahren und Vorrichtungen verfügbar sind, die sowohl holzige als auch nicht-holzige cellulosige Materialien delignifizieren, sind diesen Verfahren Mängel inhärent zu eigen. Zum Beispiel wird bei dem Verfahren, das in dem US-Patent '113 (Gould) offenbart ist, eine maximale Delignifizierung der Biomasse oder von nicht-holzigen lignocellulosigen Materialien durch Verwendung wesentlicher Mengen von Wasserstoffperoxid in einer wässrigen Lösung bei einem pH von etwa 11,5 in Vorratstanks über einen Zeitraum von 4 - 6 Stunden bei Temperaturen zwischen etwa 283 und 323 K (50º und 120ºF) erreicht. Bei diesem Verfahren muß eine beträchtliche Menge an Chemikalien verwendet werden, um die gewünschte Delignifizierung der Faser zu bewirken.
Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die wirksame Verwendung von nicht-holzigen, landwirtschaftlichen Rückständen erlaubt. Wir haben ein Verfahren für die Delignifizierung von Abfall oder landwirtschaftlicher Biomasse sehr geringen Wertes oder von industrieabfall entwickelt, wodurch Nahrungsmittel höheren Wertes, Lösungsmittel oder Polymere hergestellt werden. Es ist möglich, eine ungiftige Nahrungsmittelquelle für Wiederkäuer (nontoxic nutritional ruminant feed source) zu Preisen herzustellen, die unter denen für übliche Futtermittel (energy foods) liegen. Es ist ebenfalls möglich, einen breiten Bereich von Alkoholen oder Polymeren wie Ethanol, Butanol, Butandiol, 2,3-L-Glycerin, Essigsäure, Furfural, Xylitol oder einzelne Zellproteine herzustellen. Unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Techniken können Prozessoren für Körner und Samen eine neue verwendung finden, da auch deren nichtholzige landwirtschaftliche Rückstände und Abfälle wie Hülsen, Schalen oder andere Abfallteile während ihrer Verarbeitung verwendet werden können. Darüber hinaus ist es möglich, ein ungiftiges Material herzustellen, das zumindest 80 % Cellulose in einer diätetischen Faser der Lebensmittelklasse, die vom FDA zugelassen wird, bereitstellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von nicht-holzigen Lignocellulose-Substraten, die aus organischem Pflanzenmaterial mit einem Ligningehalt von nicht mehr als etwa 20% bestehen, zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren im wesentlichen aus den folgenden Schritten besteht:
a) das Substrat in einem Reaktionsmedium, das eine wässrige Lösung einer starken Base enthält, bei einem pH im Bereich von etwa 10,5 und 12,5 umzusetzen; und
b) das Produkt aus Schritt a) kontinuierlich zu einer wässrigen Lösung in einem unter Druck stehenden Extruder-Reaktor einzuspeisen und das Substrat in einer Atmosphäre von Sauerstoff bei einer Temperatur zwischen 339 K (150ºF) und 430 K (315ºF) und bei einem Druck zwischen 175 800 und 316 400 kgm&supmin;² (250 und 450 psi) in Gegenwart von Wasserstoffperoxid über einen Zeitraum umzusetzen, der die De(Ent-)lignifizierung des Substrats bewirkt, wobei das Wasserstoffperoxid dem Extruder mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 20 kg Wasser-stoffperoxid pro Tonne (20 und 40 Pfund Wasserstoffperoxid pro Tonne) Substrat zugesetzt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens wird ein nicht-holziges lignocellulosiges Substrat kontinuierlich behandelt, indem es in einem Reaktionsmedium, das eine wässrige Lösung einer starken Lauge bei einem pH im Bereich von etwa 10,5 und 12,5 enthält, umgesetzt wird. Daran anschließend folgt die Zugabe eines Chelierungsmittels in einer Menge zu dem Substrat, die ausreichend ist, um die darin befindlichen Metallionen zu chelieren. Das Substrat wird dann kontinuierlich in einen unter Druck stehenden Extruder-Reaktor eingespeist, der in einer Sauerstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen etwa 339 K (150ºF) und 430 K (315ºF) und einem Druck zwischen etwa 175.800 und 316.400 kgm&supmin;² [etwa 250 psi (pounds per square Inch) und 450 psi] betrieben wird. Der Reaktor wird in Gegenwart von Wasserstoffperoxid betrieben, das dem Extruder mit einer Geschwindkeit von zwischen etwa 10 und 20 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (20 - 40 Pfund Wasserstoffperoxid pro Tonne) Substrat, bezogen auf die Trockenmasse, zugesetzt wird.
Das Verfahren stellt ein mechanisches Extrusions-System zum Vermischen, Zermahlen und Sterilisieren von nicht-holzigen landwirtschaftlichen Substraten zur Verfügung, dadurch daß diese mit Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder anderen Puffern in Gegenwart von Hitze, Druck und Wasserstoffperoxid gemischt werden. Im Anschluß an die Reaktion im Extruder kann das Substrat in eine Kühltrommel geleitet werden, um es einzusacken oder zu verladen. Es kann aber auch in Enzym- und Fermentationstanks geleitet werden, um Ethanol oder Essigsäure herzustellen oder um es zu 2,3-Butandiol oder Glycerin zu fermentieren. Oder das Substrat kann weiterverarbeitet werden, um eine diätetische Faser hoher Qualität zu erzeugen.
Das Verfahren erlaubt das Mischen von Körnern, Gemüse und Obst oder Teilen dieser Pflanzen, die zusammen oder auch getrennt verarbeitet werden sollen, um die richtigen Verhältnisse von nicht-verdaulicher oder löslicher diätetischer Faser zu erzielen.
Ohne auf eine einzige Erklärung beschränkt sein zu wollen, wird angenommen, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Lignin und die Cellulose, die den wesentlichen Teil der Zellwände von Pflanzen ausmachen, abbaut, wobei das Freisetzen von Sauerstoff möglich wird. Dies erfolgt, da die Bindungen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff gebrochen werden. Das Wasser und der Sauerstoff treten in Form von Dampf aus. Der Wasserstoff wird oxidiert und entfernt, wenn der Druck freigesetzt wird und das Wasser die Hemicellulose oder andere Polysaccharide und Lignin in den gewünschten Verhältnissen zum Zuschneiden der Faser nach Bedarf, je nach ihrer Verwendung, hydrolysiert. Die Biomasse kann mit weniger Wasserstoffperoxid und mit entsprechend weniger Alkali-Puffern wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid behandelt werden, um den eingestellten pH bei etwa 11,5 zu halten und die Notwendigkeit auszuschalten, den Flüssigabfall-Strom zu behandeln und loszuwerden.
Die diätetische Lebensmittel-Faser kann mittels eines Extruders aus irgend einer nicht-holzigen Quelle von Biomasse hergestellt werden, indem Chemikalien an bestimmten Punkten in den Zylinder eingespritzt werden, um ein Substrat nach Maß herzustellen, das dann hydrolysiert und/oder gebleicht werden und in die gewünschten Verhältnisse aufgetrennt werden kann, um die strengen Vorschriften der Backwarenindustrie und der Industrie für die Lebensmittel-Herstellung zu erfüllen.
Mittels nicht korrodierenden Extrudern können die Substrate gemahlen und vermischt werden, wobei weniger Chemikalien als bei den früheren Erfindungen verwendet werden. Zum Beispiel ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Verfahren aus dem US-Patent '113 (Gould) insofern vorteilhaft, als das Verfahren der vorliegenden Erfindung an Stelle von 100 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (200 Pfund Wasserstoffperoxid pro Tonne) trockener Biomasse nur zwischen 10 und 20 kg Wasserstoffperoxid (20 und 40 Pfund Wasserstoffperoxid) und eine entsprechend geringere Menge Natriumhydroxid oder anderer Puffer erfordert. Dies ist ein 10-facher Vorteil bei den Kosten für die Chemikalien und führt zu einer besseren Delignifizierung. Es wird erwartet, daß das Verfahren die Fermentation oder den Abbau von 85 - 90 % der Zucker, Kalorien, Xylose oder Glucose ermöglicht.
Das Verfahren verwendet keine starke Gifte bildende Säuren, sondern verwendet eine natürliche Kombination von Chemikalien, die sich unter Hitze und Druck von etwa 411 K (280ºF) und bis zu 281.230 kgm&supmin;² (400 Pfund Druck) in weniger als 2 Minuten zerstreuen. Die resultierenden Substrate enthalten keine Inhibitoren, die Enzyme oder Hefe hindern, die Cellulose und Hemicellulose in Energie für Nahrungsmittel für Wiederkäufer oder zur Verwendung als chemisches Nahrungsmittel zur Herstellung von Chemikalien wie Ethanol, Essigsäure oder Butandiol zu fermentieren.
Außerdem erhöht die Behandlung des Substrates unter den Bedingungen der vorliegenden Erfindung in situ die normale Verdaulichkeit des Materials auf nahezu 90 %, bezogen auf die Trokkenmasse.
Außerdem erhöht das kontinuierliche Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Produktausbeute, was im Gegensatz zu einem diskontinuierlichen Verfahren steht, das bei Gelegenheit unterbrochen werden muß, um das Produkt zu isolieren.
Darüber hinaus erfordert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch kein Einweichen des Ausgangsmaterials für eine Zeit, die länger ist als die Zeit zum Vormischen am vorderen Ende des Extruders. Der Temperaturbereich in dem Extruder ist zum Sterilisieren der Biomasse ebenfalls wirksam, indem er alle Bakterien wie Salmonellen abtötet.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat verschiedene Anwendungen. Zunächst verarbeitet die vorliegende Erfindung als Nahrungsmittel verarbeitende Anlage Produkte, die im allgemeinen weggeworfen werden wie Hülsen, Häute, Pulpen von Gemüsen, Körnern und Obst, auf wirksame Weise in Tierfutter, diätetische Fasern, Absorbens-Materialien oder chemische Nahrungsmittel für neue Industrien.
Von besonderer Bedeutung ist, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aus Hülsen von Körnern und pflanzlichen Materialien auf wirksame Weise eine sehr leicht gefärbte diätetische Faser produziert, die zur Änderung der löslichen Anteile gegenüber den unlöslichen Anteilen hergerichtet werden kann. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung produziert eine hochprozentige diätetische Faser in Form eines nicht-giftigen, nicht-holzigen, nahezu weißen, flockigen Cellulose-Materials, das zu einer Partikelgröße von 18,6 Löchern pro cm² (120 mesh) zermahlen werden kann, und das besonders wasserlöslich und für den Geschmack nicht sandig ist. Das Zermahlen dieser Faser kann mit etwa einem Drittel der Kraft (Energie) erzielt werden, die nötig ist für dasselbe Substrat vor der Verarbeitung, da das Lignin entfernt worden ist. Außerdem wird die Vorrichtung deutlich weniger abgenutzt.
Die diätetische Faser, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, hat lediglich 52,4 m²Kgs² (24 Kalorien) pro 100 Gramm und kann verwendet werden, um einige der Bestandteile in Nahrungsmitteln wie Kartoffelpüree, Kuchen, Teigwaren, Keksen, Krapfen, Pfannkuchen, Brot, Hackbraten, Pizza und Soßen zu ersetzen. Die diätetische Faser, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann z.B. bis zu 33 % des Weizenmehls in Weißbrot und 40 % in Kuchen und Keksen ersetzen.
Außerdem produziert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine gut absorbierende Faser schwach hanfgelber Farbe (light manilla color) als Nahrungsmittelzusätze oder für die pharmazeutische Anwendung.
Darüber hinaus produziert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise auch noch eine helle, flockige, wasserabsorbierende Faser zur Absorption von Körperflüssigkeiten in Produkten wie Babywindeln, Damenbinden, Leinen, Wäsche und Katzenstreu.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch verwendet werden, um einen vorbehandelten Kompost für Gewächshäuser oder für ein Material für Pilzkulturen zu produzieren, das ein beschleunigtes Wachstum von vielen Produkten aus dem Gartenbau und das schnelle Wachstum des Mycels in einer sterilen Umgebung erlaubt, da während des Verfahrens alle Nematoden oder Bakterien abgetötet worden sind. Das Kompostmaterial kann nach dem Abkühlen eingesackt werden.
Darüber hinaus kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung als tragbares System zur Verarbeitung von Abfall, das von der Obst- oder Gemüse-Industrie verwendet wird, um die Abfallkosten bei vielen landwirtschaftlichen Betriebsvorgängen zu senken und anderenfalls teure Abfallprodukte in neue Ausgangsstoffe für fermentierbare Zucker für die Produktion von diätetischen Faserprodukten, Chemikalen wie Essigsäure und Ethanol, Viehfutter und Kompostmaterial umzuwandeln, genutzt werden.
Die Erfindung wird nun genauer beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, wenn es geeignet ist, die an Hand eines schematischen Übersichtsplans das verwendete Verfahren erläutert.
Das Verfahren betrifft eine kontinuierliche Behandlung von Biomasse zur Herstellung von diätetischen Fasern und anderen erwünschten Produkten auf eine angenehme und wirksame Weise. Unter Verwendung eines unter Druck stehenden Extruders kann die nicht-holzige Biomasse schnell und wirksam und auf angenehme Weise in das gewünschte Produkt umgewandelt werden, wobei gleichzeitig die Menge der nötigen Chemikalien, die verwendet werden, um die Biomasse zu delignifizieren, wesentlich reduziert ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "nicht-holzig" organisches Pflanzenmaterial, das nicht mehr als etwa 20 % Lignin enthält.
Der Begriff nicht-holziges lignocellulosiges Substrat oder Biomasse bedeutet, daß die vorliegende Erfindung alle nichtholzigen Materialien einschließlich Baumobst wie Äpfel, Aprikosen, Kirschen, Pfirsiche, Birnen und Pflaumen; Zitrusfrüchte wie Zitronen, Limonen, Orangen und Pampelmusen; Beeren wie Brombeeren, Himbeeren, Stachelbeeren und Blaubeeren behandeln kann. Außerdem können Getreidekörner wie Gerste, Mais, Hafer, Reis, Roggen und Weizen sowie deren nach der Verarbeitung übrig bleibende Abfallmaterialien verwendet werden. Mit anderen Worten, landwirtschaftliche Rückstände wie Getreidehalme, Weizenstroh, Präriegras, Hülsen von Körnern und Kleie etc. sind Substrate, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Nun wird auf die Zeichnung Bezug genommen, die auf schematische Weise das Verfahren der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Biomasse, die vorzugsweise gehäckselt oder zu Partikeln mit einer Länge von nicht mehr als 1,27 cm (0,5 Inch) zerkleinert wird, wird in einen Vorhydrolyse-Tank 10 eingespeist, um die Biomasse weich und löslich zu machen. Der Vorhydrolyse-Tank 10 enthält ein Reaktionsmedium, das eine starke Lauge enthält, die die Biomasse bei einem pH zwischen 10,5 und 12,5 und einer Temperatur zwischen 327 und 344 K (130º und 160ºF) weich macht. Vorzugsweise ist der Vorhydrolyse-Tank 10 ein Rührtank. Die bevorzugte Base in dem Reaktionsmedium ist entweder Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid. In einigen Fällen kann es bevorzugt sein, die Konzentration an Natrium klein zu halten, insbesondere für die Anwendung in Nahrungsmitteln. Die Konzentration an Natrium kann klein gehalten werden, indem Kaliumhydroxid an Stelle von Natriumhydroxid verwendet wird. Die Konzentration von Kaliumhydroxid kann zusätzlich durch die Hydrolysierung des Reaktionsmediums in dem Vorhydrolyse-Tank in einem nachfolgenden Schritt und durch das Recyclieren von einem Teil des Ausflusses, der Kaliumhydroxid enthält, in den Vorhydrolyse-Tank 10 reduziert werden. Dieses Recycling kann 7 bis 10 Mal durchgeführt werden, ehe der Puffer seine Wirksamkeit verliert. Die Biomasse lädt man bevorzugterweise mindestens 20 Minuten bei Temperaturen zwischen etwa 327 und 344 K (130º und 160ºF) in dem Vorhydrolyse-Tank 10, da es sich herausgestellt hat, daß diese Zeit einen wirksamen Zeitraum darstellt, für den nächsten Schritt eine genügend erweichte und löslich gemachte Biomasse zu produzieren. Wenn es erwünscht ist, kann die Temperatur des Reaktionsmediums auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Die Reaktionszeit wird dann jedoch entsprechend verlängert.
Nachdem die Biomasse in dem Vorhydrolyse-Tank 10 ausreichend bearbeitet worden ist, wird das Substrat durch die Leitung 12 und den Filter 20 gegeben. Der Filter 20 kann ein beliebiger, im Stand der Technik bekannter Filter sein, um ein Reaktionsmedium von einem Substrat abzutrennen. Ein bevorzugter Filter ist ein Schüttelsieb-Filter. Der Zweck des Filter 20 ist es, das Reaktionsmedium aus dem Vorhydrolyse-Tank 10 zu entfernen, um es über die Leitung 22 zurück zum Vorhydrolyse-Tank 10 zu leiten. Falls notwendig kann der pH der Lösung, die in den Vorhydrolyse-Tank 10 zurückgeleitet worden ist, durch Zugabe von Natriumhydroxid oder anderen Puffern über die Leitung 24 aus dem Vorratsbehälter 26 korrigiert werden. Zusätzlich kann es notwendig sein, die Temperatur der recyclierten Lösung zu korrigieren, damit sie innerhalb des bevorzugten Temperaturbereichs von 327 - 344 K (130º - 160ºF) liegt, ehe die Lösung in den Vorhydrolyse-Tank 10 eintritt. Das Reaktionsmedium kann kontinuierlich in den Vorhydrolyse-Tank 10 zurückgeleitet werden, bis die Flüssigkeit zu stark verunreinigt worden ist. Das verunreinigte Reaktionsmedium wird dann durch frisches Medium ersetzt.
Nachdem eine ausreichende Menge der Lösung aus dem Vorhydrolyse-Tank 10 mittels des Filters 20 entfernt worden ist, wird die Biomasse über die Leitung 28 zu einem Mixer 30 geleitet. Der Zweck des Mixer 30 ist es, das Substrat wieder auf einen erwünschten Feuchtigkeitsgehalt zu bringen, normalerweise 30 % bis 50 % Feuchtigkeit, und eine ausreichende Menge, vorzugsweise zwischen etwa 2,5 % und 4 % (v/v), eines Chelierungsmittels wie Natriumsilikat zuzusetzen, das das Chelieren der Metallionen in der Lösung und das Beschichten jeglichen Metalls in der Vorrichtung bewirkt.
Die Zugabe von Natriumsilikat oder anderen Chelierungsmitteln ist notwendig, um eine unerwünschte Präzipitation unlöslicher Ablagerungen wie Metallen oder Metallionen zu verhindern. Diese unlöslichen Ablagerungen neigen zur Bildung von Ablagerungen auf allen Bestandteilen der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend angebracht sind. Das nachfolgende Bleichen mit Peroxid kann dann mit völlig zufriedenstellenden Ergebnissen durchgeführt werden. Die Zugabe eines Chelierungsmittels zu dem Substrat bindet auch die Metallionen in dem Substrat und im Wasser, so daß eine unnötige Oxidation des Wasserstoffperoxid durch Kontakt mit Metall vermieden wird. Dieses wiederum reduziert jegliche vorschnelle Oxidation des Wasserstoffperoxid, reduziert die Menge des benötigten Wasserstoffperoxid um wenigstens 10 - 20 % und hilft bei dem Vorgang des Bleichens des Substrats, was sehr wichtig ist, um nahezu weiße Cellulose zu produzieren, die für diätetische Fasern oder Absorbens-Produkte zu verwenden sind. Zusätzlich beschichtet das Chelierungsmittel Schneiden oder Scheiben im Extruder weiter unten, so daß das Verbrennen des Produkts (product burn) oder Adhäsion an den Oberflächen vermieden wird.
Das Substrat aus der Leitung 28 wird im allgemeinen über einen Zeitraum zwischen etwa 2 und 5 Minuten bei einem Druck von zwischen etwa 210.920 - 317.520 kgm&supmin;² (300 - 400 psi) und einer Temperatur zwischen 361 und 411 K (190 und 280ºF) durch den Mixer 30 gegeben. Wenn es notwendig ist, können Natriumhydroxid und andere Alkali-Substanzen aus dem Pufferlösungs-Vorratstank 26 über die Leitung 32 zugeführt werden, um den pH auf einen Wert zwischen etwa 11,2 und 12,2 einzustellen. Wenn die Hemicellulose wie in dem Fall der Zubereitung von diätetischen Fasern-zurückbehalten werden soll, sollte der pH auf Werte zwischen 11,4 und 11,8 eingestellt werden. Das Chelierungsmittel wird über die Leitung 36 aus dem Vorratstank 34 zugeführt. Das Chelierungsmittel kann gleichzeitig mit dem Puffer zugesetzt werden, bevor der Austritt aus dem Mixer 30 erfolgt.
Nachdem genügende Mengen Chelierungsmittel und Puffer dem Substrat zugesetzt worden sind, wird dieses über die Leitung 38 zu dem Extruder-Reaktor 40 geleitet. Der Extruder-Reaktor 40 ermöglicht die wirksame Behandlung des Substrats mit Wasserstoffperoxid bei höheren Feststoff-Konzentrationen. Das eliminiert eine wesentliche Menge des notwendigen Flüssigstroms und verbessert die Wiedergewinnung der Kohlenhydrat-Produkte wie im Fall von Tierfutter. Die Wirkung von Reibung und Druck in dem Extruder besteht darin, die Reaktion zu beschleunigen und die Menge des verwendeten Wasserstoffperoxid zu veringern, während der pH-Wert des Substrats bei Werten zwischen etwa 11,2 und etwa 12,2, vorzugsweise zwischen 11,4 und 11,8, gehalten wird. Idealerweise verarbeitet der Extruder-Reaktor etwa 2.722 kg (6.000 lbs) Substrat pro Stunde auf kontinuierliche Weise. Der Vorteil der Verwendung eines Extruder-Reaktors besteht darin, daß er das Dampfkochen (steam cooking) in einem diskontinuierlichen Verfahren ersetzt und dadurch das gesamte Verfahren effizienter macht.
Der Extruder-Reaktor wird aus rostfreiem Stahl oder anderen nicht korrodierenden Materialien hergestellt und wird abgeändert, so daß er zerkleinerte Biomasse mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 40 bis 50 % in eine Kompressionskammer mit Wasser stopft, die eine 4 % Lösung eines Chelierungsmittels enthält. Der pH der Lösung ist durch Zugabe von Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder eines anderen Puffers modifiziert. Die Reaktion findet innerhalb etwa 1,5 - 5 Minuten bei einem Druck von zwischen etwa 198.400 und 357.200 kgm&supmin;² (250 und 450 psi), vorzugsweise 238.000 und 317.500 kgm&supmin;² (300 und 400 psi), und bei einer Temperatur zwischen etwa 339 und 430 K (150º und 315ºF), vorzugsweise 361 und 411 K (190º und 280ºF), besonders bevorzugt bei 375 - 408 K (215º - 275ºF) statt. Das Substrat, das durch den Extruder 40 geht, kann vorteilhafterweise mit so wenig wie 10 - 20 kg, vorzugsweise 12,5 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (20 - 40 lbs, vorzugsweise 25 lbs Wasserstoffperoxid pro Tonne) Substrat, bezogen auf Trockenmasse, delignifiziert werden.
Obwohl der Extruder-Reaktor ein Doppelschnecken-Extruder sein kann, ist ein Einschnecken-Zylinder aus rostfreiem Stahl mit einem Dampfmantel, der für die Lebensmittelverarbeitung geeignet ist, bevorzugt. Die kleine Öffnung wird hydraulisch betrieben, um die Temperatur und die Zeit des Verfahrens zu kontrollieren. Bevorzugte Extruder für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind die kontinuierlichen Extrusionskocher Wenger TX-138, X-175, X-185 und X-200, die bei 230.900 - 384.900 m²kgs&supmin;³ (150 - 250 PS) für die industrielle Anwendung mit hoher Kapazität arbeiten. Diese Extruder haben eine Einspeisvorrichtung, die eine gleichförmige und kontrollierbare Einspeisgeschwindigkeit in den Extruder zur Verfügung stellt.
Druckanzeigen werden strategisch angeordnet, die während des Verfahrens im Extruder den Druck und die Hitze des Substrats anzeigen. Wie oben bereits beschrieben sollte der Reaktor aus einem rostfreien Stahl oder einem ähnlichen korrosionsfreien Material sein. Der Reaktor kann mit einem drehzahlgeregelten Motor oder einem Drehzahlerniedrigungs-Motor ähnlichen Typs angetrieben werden. Die nachfolgende Beschreibung des Extruders wird klarmachen, daß der Extruder 40 verschiedene Einlässe benötigt, um Hochdruckpumpen zu ermöglichen, Wasser in alkalischer Form, Wasserstoffperoxid, Natriumsilikat oder andere Cheliermittel zu jedem erwünschten Punkt in dem Verfahren zuzuführen.
Der pH des Extruders 40 sollte auf Werten zwischen 11,2 und 11,8 gehalten werden, wenn Hemicellulose erhalten werden soll. Wenn der pH 11,8 überschreitet, wird der Abbau der Hemicellulose bis zu einem Punkt verstärkt, bei dem fast die gesamte Hemicellulose durch Hydrolysierung reduziert wird. Daher wird auch die Löslichkeit der Faser reduziert. Wenn das Zurückhalten der Hemicellulose erwünscht ist, muß der pH so nahe wie möglich bei 11,4 gehalten werden. Anzeigevorrichtungen für den pH werden in den Reaktor und die nachfolgenden Hydrolysier-Tanks eingebaut. Vorzugsweise werden sie mit Computern versehen, um den Betrieb des Extruders 40 zu kontrollieren.
Im Betrieb wird der Extruder vorzugsweise mit einem Stopf-Dosierer ausgestattet, um die Biomasse in den Hals des Zylinders des Extruders zu stopfen. Während des Extrusions-Verfahrens können Natriumsilikat oder andere Chelierungsmittel zusammen mit Puffern, Sauerstoff oder einem geeigneten Gas und Wasserstoffperoxid eingespritzt werden. Die Biomasse tritt als Substrat mit 35 - 45 % Festgehalt in den Extruder 40 ein.
Sauerstoff wird aus einer Sauerstoff produzierenden Einheit 42 über die Leitung 44 in den Extruder geleitet. Der Sauerstoff wird in den Extruder gegeben, um dabei zu helfen, die benötigte Menge an Wasserstoffperoxid zu reduzieren, um eine Delignifizierungs-Reaktion an den Zellwänden zu verursachen. Außerdem hilft die Zugabe von Sauerstoff beim Auslösen und bei der Beschleunigung der Aktivierung des Wasserstoffperoxids. Ein bevorzugter Sauerstoff produzierender Tank ist ein Prisma alphakontrolliertes Atmosphären-System (alpha-controlled atmosphere system). Der Zweck des Prism alpha-Systems besteht darin, Stickstoff zu erzeugen, um die Lagerzeit von Nahrungsmittelprodukten zu verlängern. Ein Nebenprodukt des Systems ist jedoch Sauerstoff, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Natürlich können auch andere Sauerstoff produzierende Systeme in das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut werden.
Nach dem Einführen von Sauerstoff wird Wasserstoffperoxid aus dem Vorrats-Tank 46 über die Leitung 48 eingespeist. Wasserstoffperoxid verursacht eine Reaktion an den Zellwänden und ermöglicht, daß Hemicellulose und Lignin löslich gemacht und durch ein nachfolgendes hydrolysierendes Verfahren entfernt werden. Ungefähr 10 - 20 kg (20 - 40 lbs) Wasserstoffperoxid sind nötig, um eine Tonne Substrat durch den Extruder 40 zu prozessieren. Das Wasserstoffperoxid wird etwa 1/3 des Weges in das System des Reaktors 40 nach der Einführung des Sauerstoffs eingespritzt. Das Wasserstoffperoxid wird im allgemeinen auf eine Konzentration von 10 % oder weniger verdünnt, um Unfälle beim Transfer zu vermeiden. Eine angemessene Feuchtigkeit wird während dieses Verfahrens benötigt, um eine zu starke Hitze zu verhindern, die ein Verkohlen des Materials verursachen würde. Der Induktionseinlaß 49 für das Wasserstoffperoxid kann so eingestellt werden, daß sich die Masse des Wasserstoffperoxid zu dem Zeitpunkt, da die Biomasse aus dem Reaktor 40 austritt, zersetzt hat. Der Wasserstoffperoxidstrom geht vorzugsweise unter Druck durch einen Filter aus Edelmetall (precious metal gauze screen), um die Aktivierung des Wasserstoffperoxid sofort auszulösen. Bevorzugte Edelmetalle sind Platin und Palladium, wobei Palladium besonders bevorzugt ist.
Ein wesentlicher Nutzen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Menge an Wasserstoffperoxid im Vergleich zu anderen Verfahren aus dem Stand der Technik verringert wird. Die Gründe dafür sind vielfältig. Zunächst wird das Material in dem Extruder 40 unter erhöhten Temperaturen und Drucken verarbeitet. Außerdem wird verhindert, daß das Material Oberflächen mit einem Maskierungsmittel berührt, was den vorzeitigen Abbau von Wasserstoffperoxid verursachen würde. Außerdem noch sind alle exponierten Oberflächen der Bestandteile der vorliegenden Erfindung aus rostfreiem Stahl oder anderen nicht korrodierenden Materialien.
Vorteilhafterweise wird das gesamte Wasserstoffperoxid aus der Probe, die innerhalb von 24 Stunden der Behandlung aufgefangen worden ist, abgeführt. Dies ist wichtig, da Niveaus, die gemäß FDA erlaubt sind, zu jeder Zeit für die GRAS-Bestätigung unter 3 ppm sein müssen. Wenn diese Niveaus erreicht werden, ist die menschliche Verwendung besonders bedeutend.
Der Extruder 40 selbst kann in bis zu 8 Teile unterteilt werden, wobei alle durch eine Dampfschleuse voneinander getrennt sind. Der erste Teil oder der Stopfeinlß ist so ausgestaltet, daß er das Material packen und in die Kompressionszonen einspeisen kann. Dieser Teil arbeitet zum Abpressen bei einer Geschwindigkeit von 300 U/min mit einer Einfach-Schnecke gegen einen Scherblock. Der nächste Teil ist ausgestaltet, um das Oxidationsmittel, das Wasserstoffperoxid, das mittels des Metall-Acetats auf halbem Weg des Reaktors herunter katalysiert worden ist, wieder zu absorbieren. Das ermöglicht dem Oxidations-Vorgang eine ausreichend lange Zeit, um stattzufinden. Der Schlußteil ist eine ringförmige Matritze (ancular die), die sich 2 - 3 Inch nach der hintersten Dampfschleuse erstreckt.
Ein bevorzugter Extruder-Reaktor umfaßt einen Einschnecken-Zylinder aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 12,7 - 40,6 cm (5 - 16 Inch), vorzugsweise 12,7 - 14 cm (5 - 5,5 Inch) und einer Länge von 1,83 - 2,44 m (6 - 8 Fuß). Der Zylinder des Extruders sollte aus einer Legierung mit hohem Kohlenstoffgehalt oder aus rostfreiem Stahl sein und die Stärke haben, Drucken von bis zu 351.540 kgm&supmin;² (500 psi) und Temperaturen von mehr als 400 K (260ºF) zu widerstehen. Eine typische Kraftquelle für den Extruder ist ein dreiphasiger Elektromotor von 149.100 m²kgs&supmin;³ (200 PS), der in der Nähe des Eingangs des Extruders sitzt. Eine Getriebeuntersetzung von 6:1 reduziert den Antrieb von 1.800 U/min auf 300 U/min. Ein Einlaßtrichter zum Stopfen, der von einem hydraulischen, drehzahlgeregelten Motor angetrieben wird, speist die Materialien, die verschiedene Konsistenz haben können, in den Zylinderhals des Extruders ein. Ein zweiter Trichter oder eine Mischpumpe kombiniert eine verdünnte Lösung eines alkalischen Mittels wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid in die Substratmasse in dem Extruder-Zylinder. Wasserstoffperoxid wird dann in verdünnter Form zu dem Substrat eingespritzt. Die sich entwikkelnden Dämpfe werden mittels Absauggebläse abgezogen. Das Material aus dem Verfahren wird dann entweder zu einer Kühltrommel zum Einsacken, zu einem Enzym- oder Fermentations-Tank oder zu einem Säurebad zur weiteren Verarbeitung zu einer diätetischen oder absorbierenden Faser gelöffelt. Entfernt angebrachte Sicherheitseinrichtungen registrieren Temperatur und Druck am höchsten Punkt in dem Zylinder des Extruders. Vorrichtungen sowohl zum manuellen als auch zum automatischen Abschalten sind über das ganze System verteilt. Als eine Sicherheits-Maßnahme umgibt ein Mantel, im allgemeinen aus rostfreiem Stahl, den Extruder. Der Mantel umfaßt Vorrichtungen, die kontinuierlich die Toxizität der emittierten Dämpfe anzeigen. Dieser Sicherheitsaspekt des Systems ist in der Lage, Signale zu geben und/oder die Maschine abzustellen, ohne das Dampfabsaugsystem abzustellen, ehe die Toxizität unter Kontrolle gebracht worden ist.
Die Biomasse, die den Extruder verläßt, sollte eine Feuchtigkeit zwischen etwa 30 und 50 %, bevorzugterweise von 40 % haben. Die Temperatur der Biomasse an diesem Punkt ist im allgemeinen in dem Bereich von 363 - 366 K (195º - 200ºF). Wie zuvor erwähnt sollte sich das gesamte Wasserstoffperoxid bis zu der Zeit, da die Biomasse den Extruder verläßt, zersetzt haben. Außerdem liegt der pH der Biomasse an dieser Stelle im Bereich von 11,5.
Nach der Reaktion im Extruder 40 kann das Substrat über die Leitung 50 zur Kühltrommel 52 geleitet werden, wo das Substrat gekühlt und getrocknet werden kann. Das Produkt 54 kann zur Ernährung von wiederkäuendem Vieh wie Rindern und Schafen verwendet werden. Alternativ kann das Produkt 54 durch Zusatz geeigneter Cellulose-Enzym-Komplexe aus Pilzen wie Trichederma reesei, der natürlicherweise im Verdauungssystem von Wiederkäuern vorkommt, in ein chemisches Ausgangsprodukt 58 umgewandelt werden. Die Zugabe solcher Enzyme wandelt für die Produktion von Ethanol, Essigsäure, Butanol und anderen chemische Derivate Cellulose und Hemicellulose in Glucose und Xylose um.
Alternativ kann das Extrudat aus dem Reaktor 40 durch einen Hydrolysierer 60, d.h. einen Rührtank mit Wasser mit einer Temperatur von mindestens 333 K (140ºF) weiterbehandelt werden. Der Zweck des Hydrolysierers 60 ist, die Hemicellulose auszuwaschen.
Das Produkt des Hydrolysierers 60 wird dann über die Leitung 62 zu einem Filter 64 transferiert, der die Hydrolysierer-Lösung herausfiltriert. Der Filter 64 wirkt in einer ähnlichen Art wie der Filter 20, der zuvor beschrieben worden ist. Das Produkt des Filters 64 kann dann über die Leitung 66 in einen Umwandlungs-Tank 68 kommen, um das Produkt auf eine ähnliche Weise wie die zuvor bezüglich der Kühltrommel 52 beschriebene, in Xylose oder andere chemische Ausgangsverbindungen umzuwandeln.
Alternativ sollte das Produkt des Filters 64 zumindestens einmal und vorzugsweise wenigstens zweimal in dem Säurebad 70 gewaschen werden. Zweck des Säurebades ist es, wesentliche Mengen des Lignins und der Hemicellulose, die in dem Substrat zurückgeblieben sind, auszuwaschen. Der pH des Säurebades wird durch Zusatz von Salzsäure aus einem Vorratstank 72 über die Leitung 74 auf 0,5 - 3 gesenkt. Vorteilhafterweise wirkt das Säurebad weiter bleichend auf die Cellulose-Faser in dem Substrat, so daß das Endprodukt heller und weißer wird. Nach mehreren Waschvorgängen im Säurebad 70 wird das Substrat über die Leitung 76 zu dem Filter 78 geleitet, der eine wesentliche Menge der Säure-Waschlösung entfernt. Diese Säure-Waschlösung kann über die Leitung 80 wieder zu dem Säurebad 70 zurückgeleitet werden.
Das Substrat wird dann über die Leitung 82 zu einem nachfolgenden Spülbad 84 mit einem pH von 6,5 - 7 geleitet. Der pH wird durch Zugabe von Puffern wie Calciumcarbonat oder Natriumbicarbonat aus dem Vorratstank 86 über die Leitung 88 korrigiert. Dieser Waschvorgang ermöglicht vor dem Wiedergewinnen ein letztes Entfernen der Bleich- oder Extraktions-Lösungen und der darin gelösten Verbindungen aus der Pulpe.
Nach dem Vorgang, den pH-Wert zu korrigieren, wird das Substrat über die Leitung 90 zur Filterpresse 92 transferiert. Die Filterpresse 92 ist vorzugsweise eine hydraulische Filterpresse, die die Feuchtigkeit des Substrats auf 55 - 65 % senkt. Die Flüssigkeit, die aus dem Substrat extrahiert wird, kann dann über die Leitung 94 zurück zu dem Spülbad 84 geleitet werden, um die Kosten für das Calciumcarbonat und das Natriumbicarbonat zu senken.
Das komprimierte Substrat aus der Filterpresse 92 wird dann über die Leitung 96 zu einem Auflockerer (fluffer) 100 geleitet, der das kondensierte und hart gepackte Substrat auseinanderbricht. Das Material wird dann über die Leitung 102 zu einem Trockner 110, einem Fließbett-Trockner, geleitet, der das aufgelockerte Material bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 3 - 8 % trocknet. Die Temperatur in dem Fließbett- Trockner 110 sollte 355 K (180ºF) nicht übersteigen, um für das Faser-Substrat die beste Farbe zu erhalten.
Nach dem Trocknen wird das Substrat über die Leitung 112 in eine Schneidmühle 120 gegeben, die die Substrat-Faser durch einen Filter von vorzugsweise 9,3 Löchern pro cm² (60 mesh) zermahlt. Obgleich andere Schneidmaschinen wie Hammer- und Kugelmühle verwendet werden können, sind Schneidmühlen bevorzugt. Dies ist deshalb so, da Hammer- und Kugelmühlen dazu neigen, die flockige Cellulose zu komprimieren und die aufblasenden oder absorbierenden Qualitäten der Faser zu vermindern.
Das Endprodukt, das die Schneidmühle 120 über die Leitung 122 verläßt, kommt in einen Pulvertank 130 und wird darauf vorbereitet, in 132 eingesackt zu werden.
Das gesamte System der vorliegenden Erfindung kann hydraulisch kontrolliert werden, um bestimmte Drucke, Temperaturen und Verweilzeiten in Abhängigkeit von dem verwendeten Substrat, der verwendeten Menge an Wasser und der erwünschten Menge der Delignifizierung aufrecht zu erhalten. Das gesamte System kann natürlich mit Computern versehen und über Druck, Hitze oder Endergebnis und die erwünschte Kapazität kontrolliert werden. Die Vorrichtung kann mit Dieselkraftstoff unter Verwendung von Wasserzirkulation durch den Dieselmotorblock als Dampferzeuger zusammen mit der Funktion, die Hitze für das Kochen in dem Extruder zur Verfügung stellt angetrieben werden. Überschüssiges heißes Wasser wird dann zu dem Vorpulpen-Tank mit Wassermantel und dann zu dem Dieselmotorblock zurückgeleitet. Diesel würde den Extruder und die hydraulischen Systeme zur Kontrolle der Öffnungen des Extruders antreiben.
Das Endprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise eine Partikelgröße, die klein genug ist, daß die Partikel durch ein Sieb mit 15,5 Löchern pro cm² (100 mesh) passieren können. Solche Partikel sind für Lebensmittel geeignetes Material für die gesamte diätetische Faser. Zusätzlich hat diese Faser einen Glanz von über 80 GE-Einheiten (das ist der erforderliche Glanz für gutes weißes Papier), gemessen mit einem General Electric Glanzmesser (brightness meter). Die diätetische Faser ist auch ein Nahrungsmittelprodukt, das den Anforderungen der FDA entspricht.
Somit kann der Bedarf an einer nahezu weißen, hochprozentigen diätetischen Faser dadurch gestillt werden, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das das Substrat gleichzeitig delignifiziert, bleicht, schert, sterilisiert und verflüssigt und die Entfernung von Lignin und Hemicellulose verursacht, so daß 80 % oder mehr Cellulose im Endprodukt zurückbleiben, angewendet wird. Das Endprodukt ist ein ungiftiges, nicht-holziges, weißes, flockiges Cellulose-Material, das zu einer Partikelgröße von 18,6 Löchern pro cm² (120 mesh) zermahlen werden kann, und das sehr gut löslich und für den Geschmack nicht sandig ist.
Es gehört auch mit zum Umfang der vorliegenden Erfindung, die Vorrichtung so anzupassen, daß mehr Lignin und Hemicellulose erhalten bleiben oder herausgenommen werden, indem einfach während des Verfahrens der pH geändert wird. Zusätzlich kann das Verfahren als eine tragbare Einheit bewegt werden, was zu enormen Einsparungen bei den Kosten für den Transport des Substrats für Viehfutter führt.
Die folgenden Beispiele sollen bestimmte bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung illustrieren.

Beispiel 1

Beispiel 1 ist ausgestaltet, um die Delignifizierung eines nicht-holzigen Lignocellulose-Biomasse zu einem Nahrungsmittel, das geeignet ist für die Verdauung von Wiederkäuern, aufzuzeigen. Das Biomassen-Substrat wird zu einer Größe von nicht mehr als 1,27 cm (0,5 Inch) zerkleinert und in einen Vorhydrolyse-Tank gegeben, der Wasser als Reaktionsmedium enthält. Dem Wasser wird Kaliumhydroxid zugesetzt, um den pH auf 11,5 zu erhöhen. Die Temperatur des Wassers ist ungefähr 327 K (130º F). Das Substrat wird ungefähr 20 Minuten in diesem Gemisch umgesetzt. Das Substrat wird dann zur Entfernung des Lignins durch einen Filter-Extraktions-Apparat gepumpt. Die Reaktions- Flüssigkeit wird dann in den Vorhydrolyse-Tank zurückgeleitet, und das Substrat wird zu einem Mixer gefördert, wo der pH auf 11,5 eingestellt und ein Chelierungsmittel zu einer Konzentration von 2,5 - 4 % (v/v) zugegeben wird. Das Substrat wird bei einem Druck zwischen etwa 210.900 und 281.200 kgm&supmin;² (300 und 400 psi) und einer Temperatur von etwa 361 K (190º) 2 1/2 Minuten lang durch den Mixer gegeben.
Das Substrat wird dann in einen Extruder-Reaktor eingespeist, und Sauerstoff wird eingeführt, um eine Sauerstoff-Atmosphäre zu erzeugen. Nachfolgend wird eine 10 %ige Lösung von Wasserstoffperoxid durch eine Hochdruckdüse und ein Palladium-Sieb in den Reaktor eingeführt. Das Wasserstoffperoxid wird in einer Menge von 12,5 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (25 lbs Wasserstoffperoxid pro Tonne) des Substrats, bezogen auf die Trockenmasse, zugegeben. Nach einer Reaktion von etwa 45 - 60 Sekunden kommt das Substrat durch ein hydraulisch kontrolliertes Ventil in den Extruder-Reaktor. An diesem Punkt liegt die Temperatur der Substratumgebung zwischen etwa 366 und 403 K (200 und 265ºF).
Das Substrat wird dann zu einer Kühltrommel gefördert, wo das Substrat gekühlt und getrocknet wird. Das Produkt der Kühltrommel kann dann als Nahrungsmittel für Wiederkäuer verwendet werden. Alternativ kann das Produkt durch nachfolgende Addition von geeigneten Enzymen in eine chemische Ausgangsverbindung umgewandelt werden.

Beispiel 2

Beispiel 2 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer diätetischen Faser. Das Verfahren bis zum Extruder-Reaktor wird gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Anstatt das Substrat zu einer Kühltrommel weiterzuleiten, wird das Substrat dann etwa 30 Minuten lang in einer Schüttelwanne bei einem pH von etwa 11,4 - 11,8 hydrolysiert. Das Substrat wird dann durch einen Schwingfilter (vibrating filter) geleitet, um das Substrat von der Reaktions-Flüssigkeit abzutrennen. Die Flüssigkeit kann dann zur Konzentrierung der Zucker und der Hemicellulose zu einem Recycling-Silo zurückgepumpt werden. Das Substrat wird dann in einem Säurebad bei einem pH von 1,5 gewaschen. Nach dem Säurebad wird die Säure abgewaschen, und der pH des Substrats wird auf wenigstens 6,0 erhöht. Das Säurebad kann für eine weitere Verwendung zu dem Vorratstank zurückgeleitet werden. Das Produkt wird dann hydraulisch ausgepreßt, um den Gesamt-Feuchtigkeitsgehalt auf niedrige 70 % zu senken. Dann folgen das Auflockern und das Trocknen in einem Flüssigkessel-Trockner (fluid vat dryer), um die Feuchtigkeit auf nicht mehr als 8 %, vorzugsweise auf 4 %, zu senken. Das Produkt wird dann zu einer Schneidmühle weitergeleitet, wo die Fasern zu einer Größe von 10,9 - 18 Löcher pro cm² (70 - 120 mesh) geschnitten werden. Die hergestellte diätetische Faser kann dann für den Transport eingesackt werden.

Beispiel 3

Beispiel 3 zeigt das Verfahren zur Herstellung einer absorbierenden Faser für industrielle Zwecke. Das Verfahren von Beispiel 2 wird durchgeführt mit der Ausnahme, daß das Substrat, das den Extruder-Reaktor verläßt, in einem Rührkessel mit einem pH zwischen 11,8 und 12,2 hydrolysiert wird. Bei diesem pH wird die Masse der Hemicellulose entfernt, und nur die Cellulose verbleibt im Substrat.
Es wird verstanden, daß die Erfindung nicht auf die besondere Bauweise und Anordnung der Teile, die hier dargestellt und beschrieben worden sind, beschränkt ist, sondern auch abgeänderte Formen mit umfaßt, so daß sie innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von nichtholzigen Lignocellulose-Substraten, die aus organischem Pflanzenmaterial mit einem Ligningehalt von nicht mehr als etwa 20% bestehen, wobei das Verfahren im wesentlichen aus den folgenden Schritten besteht:

a) das Substrat in einem Reaktionsmedium, das eine wässrige Lösung einer starken Base enthält, bei einem pH im Bereich von etwa 10,5 und 12,5 umzusetzen; und

b) das Produkt aus Schritt a) kontinuierlich zu einer wässrigen Lösung in einem unter Druck stehenden Extruder-Reaktor einzuspeisen und das Substrat in einer Atmosphäre von Sauerstoff bei einer Temperatur zwischen 339 K (150ºF) und 430 K (315ºF) und bei einem Druck zwischen 175 800 und 316 400 kgm&supmin;² (250 und 450 psi) in Gegenwart von Wasserstoffperoxid über einen Zeitraum umzusetzen, der die De(Ent-)lignifizierung des Substrats bewirkt, wobei das Wasserstoffperoxid dem Extruder mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 20 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (20 und 40 Pfund Wasserstoffperoxid pro Tonne) Substrat zugesetzt wird.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat in seiner Größe auf Partikel von nicht mehr als 1,27 cm (0,5 Inch) Länge reduziert wird, bevor das Reaktionsmedium ümgesetzt wird.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Base ausgewählt ist aus Natiumhydroxid und Kaliumhydroxid.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat in dem Reaktionsmedium von Schritt a) über einen Zeitraum von wenigstens 20 Minuten umgesetzt wird.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reaktionsmedium aus dem Substrat entfernt wird, bevor das Substrat in einen unter Druck stehenden Extruder-Reaktor eingespeist wird.

6. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Reaktionsmedium bei einem pH im Bereich von 10,5 und 12,5 in das Reaktionsmedium, das eine wässrige Lösung einer starken Base enthält, zurückgeleitet wird.

7. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfaßt, der wässrigen Lösung ein chelierendes Agens in einer Menge, die ausreichend ist, die Menge des nötigen Wasserstoffperoxids um etwa 10 bis 20% zu reduzieren, und über einen Zeitraum zuzusetzen, der ausreichend ist, um die Metallionen aus der Lösung zu chelieren.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das chelierende Agens Natriumsilikat ist.

9. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat in dem Extruder bei einem pH zwischen etwa 11,2 und etwa 11,8 umgesetzt wird.

10. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfaßt, das Substrat in einer wässrigen Lösung zu waschen, um die Hemicellulose aus dem Substrat zu entfernen.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren die zusätzlichen Schritte umfaßt, das Substrat in einem Säurebad, das eine wässrige Lösung eines Säurebads mit einem pH zwischen 0,5 und 3,0 enthält, zu waschen, und das Substrat anschließend in einer den pH-Wert korrigierenden wässrigen Lösung zu waschen, wobei der den pH-Wert korrigierenden wässrigen Lösung ein pufferndes Agens zugesetzt wird, um den pH auf zwischen 6,5 und 7,0 einzustellen.

12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Säure in der Lösung des Säurebads Salzsäure ist, und wobei das puffernde Agens in der den pH-Wert korrigierenden Lösung aus Calciumchlorid und Natriumbicarbonat ausgewählt ist.

13. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte in Reihenfolge umfaßt:

a) anschließend den Feuchtigkeitsgehalt des Substrats auf einen Feuchtigkeitslevel zwischen 55 und 65% zu senken;

b) das Substrat aufzulockern (fluff); und

c) das Substrat bei einer Temperatur von nicht mehr als 355 K (180ºF) zu trocknen.

14. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer nahezu weißen, nicht-holzigen delignifizierten diätetischen Faser, die für eine nahrungsmittelverträgliche Aufnahme geeignet ist, wobei die Faser wenigstens 80% Cellulose enthält, und wobei das Verfahren im wesentlichen aus den folgenden Schritten in Reihenfolge besteht:

a) ein organisches, nicht-holziges Lignocellulose- Substrat mit nicht mehr als 20% Lignin in einem Reaktionsmedium, das eine wässrige Lösung einer starken Base enthält, bei einem pH im Bereich von etwa 11,4 und 11,8 umzusetzen;

b) ein chelierendes Agens mit dem Substrat umzusetzen, wobei das chelierende Agens in einer Menge zugesetzt wird, die ausreicht, um die Menge des nötigen Wasserstoffperoxids um etwa 10 bis 20% zu reduzieren, wobei die Reaktion über einen Zeitraum durchgeführt wird, der bewirkt, jegliche Metallionen in der Lösung zu chelieren;

c) das Substrat aus Schritt b) kontinuierlich zu einer wässrigen Lösung in einem unter Druck stehenden Extruder-Reaktor einzuspeisen und das Substrat in einer Atmosphäre von Sauerstoff bei einer Temperatur zwischen 339 K und 430 K (150ºF und 315ºF) und bei einem Druck zwischen 175 800 und 316 400 kgm&supmin;² (250 und 450 psi) in Gegenwart von Wasserstoffperoxid über einen Zeitraum umzusetzen, der die Delignifizierung (Entlignifizierung) des Substrats bewirkt, wobei das Wasserstoffperoxid dem Extruder mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 20 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (20 und 40 Pfund Wasserstoffperoxid pro Tonne) Substrat zugesetzt wird;

d) das Substrat in einer wässrigen Wasch-Lösung zu waschen, um die Hemicellulose und das Lignin aus dem Substrat zu entfernen;

e) das Substrat in einem Säurebad, das ein wässrige Lösung eines Säurebads mit einem pH zwischen etwa 0,5 und 3,0 enthält, zu waschen;

f) das Substrat in einer den pH-Wert korrigierenden wässrigen Lösung zu waschen, wobei der den pH-Wert korrigierenden wässrigen Lösung ein pufferndes Agens zugesetzt wird, um den pH auf zwischen etwa 6,5 und 7,0 einzustellen;

g) den Feuchtigkeitsgehalt des Substrats auf einen Feuchtigkeitslevel zwischen etwa 55 und 65% zu senken;

h) das Substrat aufzulockern (fluff); und

i) das Substrat bei einer Temperatur von nicht mehr als 355 K (180ºF) zu trocknen.

15. Das Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 14, wobei das Substrat ausgewählt ist aus Früchten von Bäumen, Gemüsen, Citrusfrüchten, Beeren, Getreidekörnern und landwirtschaftlichen Rückständen.

16. Das Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 14, wobei das Substrat in einem Reaktionsmedium in einem Vorhydrolyse-(prehydrolysis) Tank umgesetzt wird, wobei das Substrat bei einer Temperatur zwischen 377 K und 344 K (130ºF und 160ºF) in dem Reaktionsmedium weich gemacht wird.

17. Das Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 14, wobei das chelierende Agens in einer Menge zwischen 2,5% und 4,0% (v/v) zugesetzt wird.

18. Das Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 14, wobei das chelierende Agens mit dem Substrat für einen Zeitraum zwischen etwa 2 und 5 Minuten bei einem Druck zwischen etwa 210 900 und 281 200 kgm&supmin;² (300 und 400 psi), bei einer Temperatur zwischen 361 k und 411 K (190ºF und 280ºF) und bei einem pH von etwa 11,4 umgesetzt wird.

19. Das Verfahren nach Anspruch 14, das den zusätzlichen Schritt umfaßt, die Hemicellulose und das Lignin unter Rühren in einem Wassertank bei einer Temperatur von wenigstens 333 K (140ºF) zu entfernen.

20. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer Nahrungsmittelquelle für Widerkäuer (ruminant feed source), das im wesentlichen aus den folgenden Schritten in Reihenfolge besteht:

a) ein nicht-holziges Lignocellulose-Substrat, das aus organischem Pflanzenmaterial mit nicht mehr als 20% Lignin besteht, in einem Reaktionsmedium, das eine wässrige Lösung einer starken Base enthält, bei einem pH im Bereich von 10,5 bis 12,5 umzusetzen;

b) ein chelierendes Agens mit dem Substrat umzusetzen, wobei das chelierende Agens in einer Menge zugesetzt wird, die ausreicht, um die Menge des nötigen Wasserstoffperoxids um etwa 10 bis 20% zu reduzieren, wobei die Reaktion über einen Zeitraum durchgeführt wird, der bewirkt, daß jegliche Metallionen in der Lösung cheliert werden;

c) das Substrat aus Schritt b) kontinuierlich zu einer wässrigen Lösung in einem unter Druck stehenden Extruder-Reaktor in einer Atmosphäre von Sauerstoff bei einer Temperatur zwischen 339 K und 430 K (150ºF und 315ºF) und bei einem Druck zwischen 175 800 und 316 400 kgm&supmin;² (250 und 450 psi) in Gegenwart von Wasserstoffperoxid über einen Zeitraum einzuspeisen, der die Umsetzung des Substrats bewirkt, wobei das Wasserstoffperoxid dem Extruder mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 20 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (20 und 40 Pfund Wasserstoffperoxid pro Tonne) Substrat zugesetzt wird; und

d) das Substrat abzukühlen.

21. Nahrungsmittelquelle für Widerkäuer, erhältlich nach dem Verfahren nach Anspruch 20.

22. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer hoch absorbierenden Faserquelle, das im wesentlichen aus den folgenden Schritten in Reihenfolge besteht:

a) ein nicht-holziges Lignocellulose-Substrat, das aus organischem Pflanzenmaterial mit einem Ligningehalt von nicht mehr als etwa 20% besteht, in einem Reaktionsmedium, das eine wässrige Lösung einer starken Base enthält, bei einem pH im Bereich von 10,5 und 12,5 umzusetzen;

b) ein chelierendes Agens mit dem Substrat umzusetzen, wobei das chelierende Agens in einer Menge zugesetzt wird, die ausreichend ist, um die Menge des nötigen Wasserstoffperoxids um etwa 10 bis 20% zu reduzieren, wobei die Reaktion über einen Zeitraum durchgeführt wird, der bewirkt, daß jegliche Metallionen in der Lösung cheliert werden;

c) das Substrat aus Schritt b) kontinuierlich zu einer wässrigen Lösung in einem unter Druck stehenden Extruder-Reaktor in einer Atmosphäre von Sauerstoff bei einer Temperatur zwischen 339 K und 430 K (150ºF und 315ºF) und bei einem Druck zwischen 175 800 und 430 400 kgm&supmin;² (250 und 450 psi) in Gegenwart von Wasserstoffperoxid über einen Zeitraum einzuspeisen, der die Umsetzung des Substrats bewirkt, wobei das Wasserstoffperoxid dem Extruder mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 20 kg Wasserstoffperoxid pro Tonne (20 und 40 Pfund Wasserstoffperoxid pro Tonne) Substrat zugesetzt wird;

e) das Substrat in einem Säurebad, das ein wässrige Lösung eines Säurebads mit einem pH zwischen 0,5 und 3,0 enthält, zu waschen;

f) das Substrat in einer den pH-Wert korrigierenden wässrigen Lösung zu waschen, wobei der den pH-Wert korrigierenden wässrigen Lösung ein pufferndes Agens zugesetzt wird, um den pH auf zwischen 6,5 und 7,0 einzustellen;

g) den Feuchtigkeitsgehalt des Substrats auf einen Feuchtigkeitslevel zwischen 55 und 65% zu senken;

h) das Substrat aufzulockern (fluff); und

23. Produkt, erhältlich nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 14.