DE69013652T2 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung einer zumindest 80% Xylose enthaltende Zuckermischung aus einem lignocellulosischen Substrat. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einheit zur kontinuierlichen Herstellung einer Zuckermischung, welche wenigstens 80 Gew.-% Xylose aus einem Lignozellulose-Rohstoff enthält. Sie findet insbesondere zur Umwandlung von Xylose in Xylit Anwendung, das ein natürliches Süßmittel ist.
• Die meisten Lignozellulose-Rohstoffe bzw. -Substrate (Holz, Jahrespflanzen) stellen eine heterogene Zusammensetzung dar, in der man gewöhnlicherweise drei vorherrschende Fraktionen unterscheidet, die die Zellulose, die Hemizellulosen und das Lignin sind. Diese Heterogenität macht ihre Verwertung schwierig. Aus diesem Gesichtspunkt heraus ist eine Trennung der Hemizellulosen (welche eine Zusammensetzung von verschiedenen Zuckern besitzen, aber oft reich an Pentosen, insbesondere Xylose, sind) von der Zellulose (ausschließlich aus Glucose zusammengesetzt) von großem Interesse, da sie eine getrennte Verwertung der beiden Typen von Bestandteilen erlaubt. Dieses Interesse erfordert, daß das angestrebte Ziel die chemische Verwendung oder die Fermentierung ist, da so die meisten Fermentierungen die aus der Hydrolyse der Zellulose stammende Glucose gut verwenden bzw. verwerten, während diejenige weniger zahlreich sind, die zum Beispiel die Pentosen der Hemizellulosen verwenden bzw. verwerten.
• Man kennt schon eine Behandlung, die Wasserdampfexplosion genannt ist, bei welcher der Lignozellulose-Rohstoff während einer variablen Zeit der Einwirkung von Wasserdampf unter Druck bei einer Temperatur im allgemeinen größer als 150ºC, z.B. 150 bis 250ºC, beaufschlagt wird. Diese Einwirkung wird durch eine explosive Entspannung bzw. Volumenänderung beendet. Diese Behandlung, die früher zur Verbesserung der Verdaulichkeit von Futtermitteln bekannt ist, erhöht gleichermaßen die Zugänglichkeit von Lignozellulose- Rohstoffen bzw. -Substraten zur enzymatischen Hydrolyse (K. BUCHHOLZ, J. PULS, B. GADELMANN, M.M. DIETRICHS, Process Biochemistry, Dez./Jan. 1980/1981, S. 37-43).
• Man hat in dem Patent FR 2 580 669 festgestellt, daß die diskontinuierliche Zugabe wenigstens einer Säure während der Wasserdampfexplosionsbehandlung in eine Einfassung bzw. einen Raum bei erhöhter Temperatur während einer Zeit von 2 bis 5 Minuten eine ausgezeichnete Trennung der hemizellulosischen und zellulosischen Fraktionen und eine sehr bedeutende Freigabe von wesentlichen Zuckern der Hemizellulosen, insbesondere der Pentosen, so wie Xylose und Arabinose, gestatten, ohne einem bedeutsamen Abbau unterworfen zu sein. Man kann aber aus Gründen der Korrosion nicht kontinuierlich verfahren. Außerdem stellt die Tatsache, in einem bibzw. zweiphasigen Medium bei einer Temperatur von 150 bis 250ºC zu verfahren, den Nachteil dar, die erhaltenen Pentosen abzubauen und das Auftreten von Unterprodukten, wie das Furfural, zu begünstigen.
• Währenddessen ist durch das Patent US 4,136,207 eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung zum Beispiel eines Lignozellulose-Rohstoffes, der vorhergehend zerkleinert oder in einen zum Ausgangsmaterial spezifischen Zerkleinerungszustand geführt wird, bei Dampf und unter Druck bis zu 25 bar bekannt.
• Bei empfohlenen Temperatur- und Druckniveaus (190-220ºC) ist es möglich, insbesondere 50 bis 60% der Gesamtheit von in dem Ausgangsmaterial enthaltenen Pentosanen aufzulösen. Lediglich 10% der in Lösung gegangenen Pentosen befinden sich im Zustand von Monomeren, die anderen 90% liegen in Form von Oligomeren mit Abstufungen variabler Polymerisation vor.
• Diese Vorrichtung kann nicht saurem Medium und bei hoher Temperatur in der Größenordnung von 200ºC wegen der Korrosionsniveaus, welche die Hydrolysebehandlung in Gegenwart von Säure verursacht, verwendet werden.
• Eine der Aufgaben der Erfindung besteht darin, auf die oben aufgeworfenen Probleme zu antworten.
• Man hat tatsächlich festgestellt, daß man mit der Vorrichtung bzw. Einheit und dem Verfahren gemäß der Erfindung die Korrosion diverser Reaktionseinfassungen bzw. -behälter gänzlich durch Erhalt einer verbesserten Extraktionsausbeute insbesondere an Pentosen und besonders an Xylose minimiert.
• Außerdem kann die Vorrichtung bzw. Einheit mit sehr begrenzten Investitionskosten aufgrund der Einfachheit der eingesetzten Apparatur kontinuierlich unter strengen Temperatur- und Druckbedingungen, z.B. bei einem Druck, welcher zwischen 1 und 7 bar liegt, arbeiten.
• Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
• Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer Zuckermischung in Lösung, welche wenigstens 80 Gew.-% Xylose aus einem Lignozellulose-Rohstoff enthält, umfassend eine Stufe der Zerkleinerung, eine Stufe der Imprägnierung in wäßriger, vorzugsweise saurer Lösung, eine Hydrolysestufe in Gegenwart von Wasserdampf, eine Stufe der Verdünnung in Gegenwart von Wasser, eine Stufe der Extraktion der aus dem Hydrolyserohstoff hergestellten Zuckermischung und eine Stufe der Rückgewinnung der Xylose.
• Das Verfahren umfaßt in verdeutlichenderender Weise die Kombination der folgenden Stufen:
• a) man zerkleinert das Rohmaterial auf eine geeignete und zwischen 0,1 und 40 mm enthaltene Granulometrie;
• b) man speist kontinuierlich das Rohmaterial aus Stufe a) in eine Imprägnierungszone ein und führt die Imprägnierungsstufe unter solchen Bedingungen durch, daß man am Ausgang der Imprägnierungszone ein imprägniertes Rohmaterial mit einem Trockengewicht bzw. Trockensubstanzgehalt (von 30 bis 70 Gew.-%) derart, daß es keine separate Flüssigphase enthält, rückgewinnt;
• c) man speist kontinuierlich imprägniertes Rohmaterial aus der Stufe b) in eine Hydrolysezone unter Druck ein und führt die Hydrolysestufe unter Bedingungen der Temperatur, des Druckes und des Wasserdampfaustritts bzw. der Wasserdampfmenge derart durch, daß man ein wenigstens teilweise hydrolysiertes Rohmaterial, das keine separate Flüssigphase enthält, rückgewinnt.
• Der Lignozellulose-Rohstoff ist im allgemeinen Holz, Maiskolben und -stiele oder Stroh bzw. ein Pflanzenrest. Man bevorzugt, währenddessen die Maiskolben zu verwenden.
• Das Holz ist gewöhnlicherweise entrindet und in Form von Spänen bzw. Schnitzeln geschnitten, während die Maiskolben zerkleinert bzw. gemahlen und in einer Granulometrie erhalten sind, die im allgemeinen zwischen 0,1 und 40 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm, einschließlich liegt.
• Das Stroh bzw. der Pflanzenrest ist demgegenüber zerhackt und in Form von Stückchen bzw. Fasern verwendet. Aus Gründen der Bequemlichkeit wendet man die Zerkleinerungsbedingung für die Zerstückelungsstufe in einer für jeden dieser Rohstoffe geeigneten Abmessung an. Das Trockengewicht bzw. der Trockensubstanzgehalt des Rohstoffes ist im allgemeinen geringer als 50%, z.B. dasjenige von Holz beträgt ungefähr 50%, während das- bzw. derjenige von Stroh bzw. einem Pflanzenrest etwa 80% und das- bzw. derjenige von Maiskolben ungefähr 80% betragen.
• Die Imprägnierung erfolgt im allgemeinen in einer Imprägnierungszone, die auf getrennte Weise oder schrittweise mit Wasser und einer Säure versorgt bzw. in die auf getrennte Weise oder schrittweise Wasser und eine Säure eingespeist wird. Diese kann eine Base sein, wenn man eine alkalische Behandlung durchzuführen wünscht.
• Die Einspeisungsmenge an Wasser und an Säure wird in Abhängigkeit der Versorgungs- bzw. Einspeisungsmenge an zerkleinertem Rohstoff, dessen anfänglichem Trockengewicht bzw. Trockensubstanzgehalt, dessen gewünschtem Endgehalt und dessen Geschwindigkeit zur Überführung bzw. Überleitung in die Imprägnierungszone eingestellt. Diese Mengen an Wasser und an Säure werden vorzugsweise durch geeignete, dem Fachmann bekannte und im allgemeinen im ersten Viertel dieser Zone anströmseitig angeordnete Injektionseinrichtungen ringförmig verteilt.
• Das Verhältnis von verwendeter Säure in bezug auf das Trokkengewicht bzw. den Trockensubstanzgehalt des Rohstoffes beträgt im allgemeinen zwischen 0,1 und 10%, vorzugsweise zwischen 2 und 5%, einschließlich.
• Die organischen oder herkömmlichen mineralischen Säuren werden gewöhnlicherweise verwendet. Man bevorzugt indessen die Schwefelsäure oder die Salzsäure.
• Vorzugsweise beträgt das Trockengewicht bzw. der Trockensubstanzgehalt am Ausgang der Imprägnierungszone ungefähr 35 bis 55%.
• Die Imprägnierung erfolgt im allgemeinen bei Umgebungstemperatur und -druck während einer von der Natur des verwendeten Rohstoffes abhängigen Verweilzeit, die durch die Geschwindigkeit der Überführung bzw. Überleitung in die Imprägnierungszone und durch den Prozentgehalt von Trockenmaterial bzw. von Trockensubstanz am Einlaß bzw. Eingang und am Ausgang dieser Zone konditioniert bzw. bestimmt wird. Sie beträgt gewöhnlich 1 bis 60 Minuten und vorzugsweise 10 bis 40 Minuten. Indem man sie im wesentlichen in Abwesenheit einer separaten Flüssigphase durchführt, minimiert man die Reagensmengen und die Größe der Reaktoren.
• Die Einspeisung bzw. Versorgung an aus der Hydrolysezone imprägniertem Rohstoff erfolgt im allgemeinen durch eine Fremd- bzw. vorgesteuerte Schleuse unter der Zwischenschaltung von Regulier- bzw. Regelungs- und Kontroll- bzw. Steuerungsmitteln, die mit einem oberen Füllstandsmeßinstrument in der Schleuse und mit einem Zählwerk, welches die Öffnung und die Schließung der Ventile der Schleuse steuert bzw. betätigt, verbunden sind. Diese Einspeisung oder Versorgung geschieht vorzugsweise durch Gravitation und die Gleichgewichtseinstellung der Drücke erfolgt über Dreiwegeventile, welche die Schleuse entweder mit dem unten beschriebenen und unter Druck arbeitenden Hydrolysereaktor oder zum Beispiel mit dem im wesentlichen bei Umgebungsdruck arbeitenden Imprägnierungsreaktor verbinden. Die Hydrolyse des sauer gemachten Rohstoffes wird im allgemeinen in Gegenwart von Wasserdampf mittleren Druckes, vorzugsweise von 1 bis 7 bar, vorteilhafterweise von 2 bis 5 bar, und bei einer Temperatur von 120 bis 170ºC, vorteilhafterweise von 120 bis 150ºC und vorzugsweise von 135 bis 145ºC, bewirkt bzw. durchgeführt. Die Verweilzeit des Rohstoffes in der Hydrolysezone wird durch die Geschwindigkeit der Überführung bzw. Überleitung des Rohstoffes in diese Zone konditioniert bzw. bestimmt. Sie beträgt im allgemeinen 10 Minuten bis zu 1 Stunde, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten. Sie wird umso besser kontrolliert bzw. gesteuert bzw. geregelt, wenn die Hydrolyse in Abwesenheit einer getrennten Flüssigphase in dem Hydrolysereaktor bewirkt bzw. durchgeführt wird.
• Die Menge von eingeführtem Dampf ist abhängig von dem Trokkengewicht bzw. dem Trockensubstanzgehalt des sauer gemachten bzw. angesäuerten Rohstoffes und von den Betriebsbedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck des Hydrolysereaktors. Er wird mit einer Menge so wie am Ausgang der Hydrolysezone eingeführt, wobei der imprägnierte und hydrolysierte Rohstoff im wesentlichen keine getrennte Flüssigphase enthält. Das Trockengewicht bzw. der Trockensubstanzgehalt ist daher im allgemeinen zwischen 25 und 55 Gew.-% und vorzugsweise von 40 bis 50 Gew.-%, jeweils einschließlich.
• Gemäß einem weiteren Merkmal des Verfahrens kann man eine Vorbehandlung des Rohstoffes vor der Imprägnierungsphase durchführen, die in einer Vorwäsche des Rohstoffes mit Wasser besteht, um die Tannine und die organischen, zum Färben der Zuckerlösung geeigneten Produkte zu eliminieren.
• Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Einheit zur kontinuierlichen Herstellung insbesondere von Xylose aus einem Lignozellulose-Rohstoff bzw. auf der Basis eines Lignozellulose-Rohstoffes. Diese Einheit umfaßt Mittel zum Zerkleinern dieses Rohstoffes auf eine geeignete Größe, die mit Mitteln zum Einspeisen bzw. Versorgen zerkleinerten Rohmateriales bzw. Rohstoffes verbunden sind. In detaillierterer Weise umfaßt die Einheit in Kombination einen Imprägnierungsreaktor für diesen zerkleinerten Rohstoff von zylindrischer Form mit einem Einlaß, der mit Mitteln zur Einspeisung bzw. Versorgung des Rohstoffes leitend verbunden ist, und mit einem Ausgang, Mittel zur kontinuierlichen Überführung bzw. Überleitung des Rohstoffes in den Imprägnierungsreaktor und Mittel zur Einspeisung bzw. Versorgung von bzw. mit einer Lösung, welche Wasser und wenigstens eine Säure (oder mindestens eine Base) enthält, wobei der Imprägnierungsreaktor Regulier- bzw. Regelungsmittel, die mit Mitteln zur Einspeisung bzw. Versorgung von Rohstoff, mit Mitteln zur Überführung bzw. Überleitung dieses Rohstof fes in den Imprägnierungsreaktor und mit Mitteln zur Einspeisung bzw. Versorgung der Lösung verbunden sind sowie geeignet sind, den Rohstoff unter solchen Bedingungen zu imprägnieren, daß dieser frei von einer separaten Flüssigphase ist, umfaßt, wobei die Herstellungseinheit weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen kontinuierlich und unter Druck arbeitenden Hydrolysereaktor von zylindrischer Form aus rostfreiem Stahl, der an einem seiner Enden ein dichtes Organ zum kontinuierlichen Einspeisen bzw. Versorgen des imprägnierten Rohstoffes umfaßt, mit dem Ausgang des Imprägnierungsreaktors leitend verbunden ist und angepaßt ist, entweder bei Raumdruck bzw. Umgebungsdruck oder unter Druck zu arbeiten, Mittel zur kontinuierlichen Überführung bzw. Überleitung des imprägnierten Rohstoffes in den Hydrolysereaktor, wenigstens ein Mittel zur Einspeisung von Dampf unter Druck und am anderen Ende ein dichtes Organ bzw. Dichtungsorgan zur Evakuierung des hydrolysierten Rohstoffes umfaßt, das geeignet ist, entweder bei atmosphärischem Druck oder unter Druck zu arbeiten, und angepaßt ist, darunter Extraktionsmittel der Zucker einzuspeisen, wobei der Hydrolysereaktor Regulier- bzw. Regelungsmittel umfaßt, welche mit dem Einspeisungs- bzw. Versorgungsorgan für den Rohstoff und dem Evakuierungsorgan für den Rohstoff, mit dem Ausstoß der Dampfeinspeisung und mit der Geschwindigkeit der Überführung bzw. Überleitung des Rohstoffes verbunden sind, wobei die Regulier- bzw. Regelungsmittel geeignet sind, den imprägnierten Rohstoff in Abwesenheit von separater Flüssigphase zu hydrolysieren, wobei die Einheit des weiteren Mittel zur kontinuierlichen Extraktion der Zucker umfaßt, welche Xylose aus dem nicht hydrolysierten Rohstoff enthalten, die mit dem Evakuierungsorgan verbunden sind und Mittel zur Wassereinspeisung sowie Mittel zur Rückgewinnung von Xylose, die verbunden mit den Mitteln der Extraktion hergestellt ist, umfaßt.
• Die Mittel zur Überführung bzw. Überleitung des Imprägnierungsreaktors können entweder einen eingängigen Schneckenförderer bzw. eine eingängige Schnecke zur Beförderung von Maiskolben oder einen zweigängigen Schneckenförderer bzw. eine zweigängige Schnecke für die anderen von Natur aus weniger porösen Rohstoffe umfassen.
• Gemäß einer Ausführungsform kann der Hydrolysereaktor im wesentlichen horizontal oder im wesentlichen geneigt sein und sind das Einspeisungs- bzw. Versorgungsorgan für den imprägnierten Rohstoff und das Evakuierungsorgan des hydrolysierten Rohstoffes bzw. für den hydrolysierten Rohstoff wenigstens teilweise im wesentlichen vertikal.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Einheit umfaßt das dichte Organ bzw. Dichtungsorgan zur Einspeisung bzw. Versorgung von imprägniertem Rohstoff ein Einlaßventil und ein Auslaßventil, Füllstandsmessungsmittel im Inneren des Organes, Druckausgleichsmittel bzw. Druckgleichgewichtseinstellungs mittel, die alternativ mit dem Hydrolysereaktor unter Druck oder init dem Imprägnierungsreaktor bei atmosphärischem Druck bzw. Umgebungsdruck verbunden sind, und erste Mittel zum Regulieren bzw. zur Regelung der Füllstandsmessungsmittel an den Einlaß- und Auslaßventilen des Einspeisungs- bzw. Versorgungsorganes.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Einheit umfaßt das dichte bzw. Dichtungsorgan zur Evakuierung des hydrolysierten Rohstoffes bzw. das dichte Evakuierungsorgan für den hydrolysierten Rohstoff ein Einlaßventil und ein Auslaßventil, zweite Druckausgleichsmittel bzw. Druckgleichgewichtseinstellungsmittel, die alternativ mit dem Hydrolysereaktor unter Druck und mit dem Imprägnierungsreaktor zum Beispiel, der bei atmosphärischem Druck bzw. Umgebungsdruck arbeitet, verbunden sind, und zweite Mittel zum Regulieren bzw. zur Regelung der Einlaß- und Auslaßventile des Evakuierungsorganes an den bzw. über die zweiten Druckausgleichsmittel bzw. Druckgleichgewichtseinstellungsmittel.
• Nach einem weiteren Merkmal kann der Hydrolysereaktor gemäß einem Gefälle von 0,1 bis 1% gegen das Evakuierungsorgan geneigt sein, derart, um eventuelle Kondensate zurückzugewinnen.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Mittel zur kontinuierlichen Überführung bzw. Überleitung des imprägnierten Rohstoffes in den Hydrolysereaktor einen Schnekkenförderer bzw. eine Schnecke umfassen. Dieser Schneckenförderer bzw. diese Schnecke kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform von einer dicken Spindel mit geschrumpftem bzw. kleinerem Gewindegang in zum Beispiel dem ersten Viertel ihrer Länge und mit einer kleineren Spindel mit größerem Gewindegang über den Rest ihrer Länge gebildet sein. Diese Ausgestaltung gestattet, den Rohstoff besser zu verteilen und die Einspeisungs- bzw. Versorgungsmenge besser zu regeln bzw. zu vergleichmäßigen.
• Das so beschriebene Verfahren und die so beschriebene Apparatur, die kontinuierlich arbeiten, gestatten insbesondere durch eine Imprägnierung in saurem Medium, Xylose mit erhöhten Ausbeuten zu gewinnen. Die Tatsache, die Funktionsweise jedes Reaktors getrennt kontrollieren zu können, gestattet, die Einheit zu optimieren und eine Extraktionsausbeute von wenigstens 50% und von vorzugsweise 70% der in dem Rohstoff enthaltenen Xylose zu erhalten. In basischem Medium gestattet die Apparatur insbesondere Lignin zu extrahieren und Polymere aus leicht hydrolysierbaren Zuckern zu gewinnen bzw. zurückzugewinnen.
• Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur besser verständlich, die auf schematische Weise eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung darstellt.
• Die Maiskolben werden, nachdem sie in einem Zerkleinerer 1 bekannten Typs auf eine geeignete Granulometrie bzw. Teilchengröße zerkleinert worden sind, mittels eines Senkrechtförderers 2 zum Beispiel auf Scheiben bzw. Tellern in einem Imprägnierungsreaktor 5 über eine gravimetrische Dosiereinrichtung 3 verbracht, die den Rohstoff in den Einlaß 4 dieses Reaktors einspeist bzw. den Einlaß bzw. Eingang 4 dieses Reaktors versorgt bzw. dem Einlaß 4 dieses Reaktors zuführt. Dieser Reaktor von im wesentlichen zylindrischer Form umfaßt einen Schneckenförderer bzw. eine Schnecke 7 zur Überführung bzw. Überleitung, die den zerkleinerten Rohstoff zum Ausgang bzw. Auslaß 10 befördert. Dieser Schneckenförderer bzw. diese Schnecke wird durch einen Motor 6 betätigt. Die Menge bzw. der Ausstoß zur Einspeisung bzw. Versorgung an bzw. mit Säure wird durch herkömmliche, auf im wesentlichen ringförmige Weise um den Reaktor angeordnete Injektoren 8a über eine Leitung 8 und eine Dosierpumpe sichergestellt, während die Menge bzw. der Ausstoß an bzw. mit Wasser durch zu den Injektoren 8a identischen, auf im wesentlichen ringförmige Weise um den Reaktor angeordneten und mit einer Einspeisungs- bzw. Versorgungsleitung 9 über eine Pumpe 9b verbundenen Injektoren 9a gewährleistet wird. Diese Injektoren verteilen ihr entsprechendes Fluid dank der Pumpen 8b, 9b im wesentlichen radial und sind vorzugsweise in einem Abstand von dem anströmseitigen Ende entsprechend einem Viertel der Länge des Reaktors angeordnet. Erste Mittel zur Kontrolle bzw. zur Steuerung bzw. zur Regelung und zum Regulieren bzw. zur Regelung gestatten, die Mengen bzw. die Ausstöße zur Injektion oder zur Einspeisung bzw. Versorgung mit saurer Lösung an die Menge bzw. den Ausstoß zur Einspeisung bzw. Versorgung mit zerkleinertem Rohstoff an dessen Trockengewicht bzw. Trockensubstanzgehalt und an die Geschwindigkeit der Überführung bzw. Überleitung in den Reaktor anzupassen, derart, daß das Trockengewicht bzw. der Trockensubstanzgehalt der Maiskolben einen Wert von etwa 90% bis ungefähr 50% erreicht und daß im wesentlichen keine getrennte Flüssigphase am Ausgang bzw. Auslaß 10 der Imprägnierungszone auftritt. Nach Imprägnierung in saurem Medium bei der Umgebungstemperatur und einem im wesentlichen zum Umgebungsdruck gleichen Druck werden die Maiskolben durch Schwerkraft und durch einen zu der Achse des Reaktors 5 senkrechten Ausgang bzw. Auslaß in ein Organ 12 zur Überführung bzw. Überleitung evakuiert, die eine Schleuse darstellt, welche ein oberes, dem Ausgang bzw. Auslaß 10 der Imprägnierungszone zugeordnetes Schieberventil 18 und ein unteres Schieberventil 19, das den Einlaß des Rohstoffes in einen Reaktor 11 zur sauren Hydrolyse betätigt bzw. steuert bzw. regelt, umfaßt. Dieser von langgestreckter, im wesentlichen zylindrischer Form und im wesentlichen zur Abströmseite mit einem Gefälle von ungefähr 0,5% geneigt angeordnete Reaktor arbeitet unter Druck und bei erhöhter Temperatur dank der Zufuhr von Wasserdampf, der über eine Leitung 14 im wesentlichen radial injiziert wird. Der Schleuseneinlaß, der auf im wesentlichen vertikale und im wesentlichen zu der Achse des Reaktors 11 senkrechte Weise angeordnet ist, umfaßt einen Füllstandsan-Zeiger 20, der das Schließen eines Ventils 18 bei ausreichender Auffüllung der Schleuse, das Unterdrucksetzen der Schleuse im Gleichgewicht mit dem Innendruck des Hydrolysereaktors durch die Zwischenschaltung eines Dreiwegeventils 21 und schließlich das Öffnen des Ventils 19, damit sich der Inhalt der Schleuse in den Hydrolysereaktor einbringen kann, durch die ersten Mittel 16 zum Regulieren bzw. zur Regelung betätigt bzw. steuert bzw. regelt. Das Dreiwegeventil 21 stellt die aufeinanderfolgenden Alternativen Unter-Druck-Setzen und Auf-Umgebungsdruck-Bringen sicher. Der Hydrolysereaktor 11, in den imprägnierter Rohstoff eingespeist bzw. der mit imprägniertem Rohstoff versorgt ist, gewährleistet die Überführung bzw. Überleitung dessen hin zu dem Evakuierungsorgan 15 über einen Schneckenförderer bzw. über eine Schnecke 13 zur Überführung bzw. Überleitung, welche bzw. welcher von einem Motor 22 in Bewegung gesetzt ist. Dieser Schneckenförderer bzw. diese Schnecke umfaßt vorzugsweise einen ersten Teil 22a über eine Distanz entsprechend ungefähr einem Viertel ihrer Länge, der bzw. die durch eine Spindel von größerem Durchmesser als derjenige, welcher in Fortsetzung über den zweiten Teil 22b kommt, und von einem geschrumpfteren bzw. kleineren Gewindegang als derjenige des zweiten Teiles gebildet ist.
• Die Mengen bzw. Ausstöße zur Einspeisung bzw. Versorgung mit imprägniertem Substrat und mit Dampf sowie die Geschwindigkeit zur Überführung bzw. Überleitung in die Hydrolysezone werden durch zweite Mittel 16 zum Regulieren bzw. zur Regelung sichergestellt, derart, daß man einen wenigstens teilweise hydrolysierten, im wesentlichen keine getrennte Phase enthaltenden Rohstoff und ein Trockengewicht bzw. einem Trockensubstanzgehalt unter demjenigen, das bzw. der am Einlaß bzw. Eingang der Hydrolysezone vorlag, zum Beispiel 40 bis 45%, erhält.
• Der Druck und die Temperatur des Hydrolysereaktors werden durch (in der Figur nicht dargestellte) Aufnehmer bzw. Meßfühler und durch die Mittel 16 um einen Einstellwert herum reguliert bzw. eingeregelt. Wenn der festgelegte Einstellwert überschritten wird, wird die Einspeisung bzw. Versorgung mit Dampf gestoppt. Demgegenüber ist diese geöffnet, wenn der Einstellwert nicht erreicht ist. Ein Elektroventil 17 betätigt bzw. steuert bzw. regelt also die Öffnung und das Schließen der Leitung 14 zur Einspeisung bzw. Versorgung mit Dampf in Abhängigkeit von einem durch die mit den Aufnehmern bzw. Meßfühlern verbundenen Mittel 16 zum Regulieren bzw. zur Regelung ausgesendeten Signales.
• Der hydrolysierte Rohstoff wird dann unter Zwischenschaltung einer Schleuse 15, die vertikal und auf im wesentlichen zu der Achse des Hydrolysereaktors senkrechten Weise angeordnet ist, evakuiert. Diese Schleuse umfaßt ein oberes Schieberventil 23 und ein unteres Schieberventil 24, die mit Hilfe von zweiten Mitteln zum Regulieren bzw. zur Regelung arbeiten, wobei die Gleichgewichtseinstellung der Drücke bzw. der Druckausgleich über ein Dreiwegeventil 25 wie dasjenige, welches bereits in dem Fall der oberen Schleuse beschrieben worden ist, erfolgt. Das hydrolysierte Substrat gelangt in einen Pufferbehälter 26, aus welchem dieser gleiche hydrolysierte Rohstoff zurückgewonnen wird, um in eine Extraktionseinrichtung 27 eingespeist bzw. einer Extraktionseinrichtung 27 zugeführt zu werden, welche in Gegenwart von durch eine Leitung 28 zugeführtes Extraktionswasser kontinuierlich eine Fest-Flüssig-Extraktion im Gegenstrom durchführt, wobei das Extraktionswasser zu allererst auf den hydrolysierten Rohstoff auftrifft, dessen Gehalt an löslichen Zuckern praktischerweise vollständig abgebaut ist.
• Das organische, nicht hydrolysierte Material (Lignin, Zellulose) wird an einem Ende 29 der Extraktionsleitung rückgewonnen, während die Zuckermischung in Lösung, die wenigstens 80 Gew.-% Xylose enthält, an dem anderen Ende 30 rückgewonnen wird. Durch die bekannten Mittel und Techniken wird die Zuckermischung in Lösung sodann konzentriert, im allgemeinen durch Kalk neutralisiert, entmineralisiert und zum Beispiel mittels Durchführung durch Ionenaustauscher entfärbt. Reine Xylose (Reinheitsgrad größer als 95%) kann durch Kristallisation aus dieser Lösung entfärbter Zucker erhalten werden.
• Das folgende Beispiel verdeutlicht die Erfindung und ist nichtbeschränkend.
• Im Laufe dieses Versuches sind 500 kg von zerkleinerten Maiskolben kontinuierlich während 5 Stunden in der Apparatur, deren Grundschaltbild zuvor beschrieben wurde, behandelt worden.
• Die Zusammensetzung der Maiskolben ist folgende:
• Feuchtigkeit 9,0%
• Glukane 32,5%
• Xylane 28,8%
• Arabane 3,7%
• Lignine 13,4%
• Aschen 2,0%
• weitere Bestandteile (deren Gruppierungen Acetyle, Harnsäuren ...) 10,6%
• Die mit verschiedenen Sieben gemessene Teilchengrößenanalyse ergibt folgende Verteilung in Gewichtsprozent:
• Siebrückstände 5 mm 3,15 mm 2,5 mm 1,3 mm 0,15 mm 0,1 mm 0,1 mm
• Verteilung in Gew.-% 16,8 26,8 12,0 24,6 14,8 4,2 0,8
• Die Imprägnierung erfolgte während etwa 2 Minuten bei Umgebungstemperatur, bei atmosphärischem Druck bzw. Umgebungsdruck mit Wasser und mit 96 Gew.-% konzentrierter Schwefelsaure (Dichte = 1,84). Während des gesamten Versuches hat man 19 kg Säure und 360 kg Wasser zugeführt.
• Das Trockengewicht bzw. der Trockensubstanzgehalt bzw. der Gehalt des Trockenmateriales am Ausgang bzw. Auslaß der Imprägnierungszone beträgt 50,6%. Die Gewichtskonzentration an Säure in bezug auf das Trockenmaterial beträgt 4,0%.
• Die Betriebsbedingungen des Hydrolysereaktors sind 140ºC und ein Druck in der Größenordnung von 4 bar mit einer mittleren Verweilzeit von 30 Minuten. Die Gesamtmenge rückgewonnenen Produktes am Ausgang bzw. Auslaß des Hydrolysereaktors beträgt 1060 kg. Der Feststoffanteil des hydrolysierten Rohstoffes beträgt 42,9%. Die Maiskolben, die der Hydrolysebehandlung unterworfen wurden, werden in eine kontinuierlich arbeitende Extraktionseinrichtung eingebracht, in welcher die Wasserextraktion der Zucker im Gegenstrom durchgeführt wird. Man gewinnt einerseits eine wäßrige Zukkerlösung und andererseits an monomeren Zuckern völlig abgebaute Maiskolben, die an einem Trennfilter aufgefangen werden, wobei das Filtrat anschließend einer wäßrigen Lösung aus Zuckern hinzugefügt wird, dessen Endvolumen 2200 l beträgt. Der Gehalt an Gesamtzuckern beträgt 61,8 g/l mit entsprechenden Konzentrationen an Xylose, Glycose, Arabinose von 51,8 g/l, 5,4 g/l und 4,5 g/l, was einem Gehalt an Xylose von 83,9% entspricht. Die wäßrige Lösung wird sodann vakuumverdampft, um eine Konzentration an Gesamtzuckern nahe von 150 g/l zu erreichen.
• Die Verdampfungstemperatur überschreitet 60ºC nicht. Man gewinnt 920 l einer mit Zuckern konzentrierten Lösung rück, der man 10,1 kg CaO beifügt. Der erhaltene Niederschlag von Calciumsulfat wird durch Filtrierung an einem Trennfilter getrennt. Das Filtrat wird dann entmineralisiert und mittels Durchführung durch bzw. über Ionenaustauscher und Adsorberharzen entfärbt.

Claims (10)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer Zuckermischung in Lösung, welche wenigstens 80 % Xylose aus einem Lignozellulose-Rohstoff enthält und eine Stufe der Zerkleinerung, eine Stufe der Imprägnierung in wäßrig, saurer Lösung, eine Hydrolysestufe in Gegenwart von Wasserdampf, eine Stufe der Verdünnung in Gegenwart von Wasser, eine Stufe der Extraktion der aus dem Hydrolyserohstoff hergestellten Zuckermischung und eine Stufe der Rückgewinnung der Xylose umfaßt, gekennzeichnet durch die Verbindung der folgenden Stufen:

a) man zerkleinert das Rohmaterial auf eine geeignete Größe,

b) man speist kontinuierlich das Rohmaterial aus Stufe a) in eine Imprägnierungszone ein und bewirkt die Imprägnierungsstufe unter Bedingungen, daß man am Ausgang der Imprägnierungszone ein Rohmaterial mit einem derarten Trockengewicht, daß es keine separaten Flüssigphasen enthält, rückgewinnt,

c) man speist kontinuierlich imprägniertes Rohmaterial aus der Sufe b) in eine Hydrolysezone unter Druck ein und und man bewirkt die Hydrolysestufe unter Bedingungen der Temperatur, des Druckes und des Wasserdampfaustritts, daß man ein wenigstens teilweise hydrolysiertes Rohmaterial, das keine separaten Phasen enthält, rückgewinnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Imprägnierungsstufe mit einem Anteil an Säure, bezogen auf die Menge des Trockenmaterials des Rohmaterials, von 0,1 - 10 % bei Raumtemperatur und einem Druck, der dem Atmosphärendruck entspricht, während einer Minute bis 60 Minuten bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, worin die Hydrolysestufe bei einer Temperatur von 120 bis 170ºC bei einem Druck von 1 bis 7 Bar während 10 Minuten bis einer Stunde bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Hydrolysestufe bei einer Temperatur von 135 bis 150ºC bei 2 bis 5 Bar während 20 bis 40 Minuten bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Gehalt des Trockenmateriales am Ausgang der Imprägnierungszone 30 bis 70 %, vorteilhaft 25 bis 55 %, beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin man das Rohmaterial der Hydrolysezone durch Schwerkraft einspeist.

7. Einheit zur kontinuierlichen Herstellung, insbesondere von Xylose aus einem Lignozellulose - Rohstoff, welche Mittel zum Zerkleinern eines Rohstoffes auf geeignete Größe und Mittel zum Einspeisen zerkleinerten Rohmateriales umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellungseinheit in Kombination einen Imprägnierungsreaktor für den zerkleinerten Rohstoff von zylindrischer Form mit einem Einlaß, der mit Mitteln zur Einspeisung des Rohstoffes leitend verbunden ist und einen Ausgang umfaßt, Mittel zur kontinuierlichen Überleitung des Rohstoffes in den Imprägnierungsreaktor und Mittel zur Einspeisung in Lösung, welche Wasser und wenigstens eine Säure oder wenigstens eine Base enthält, wobei der Imprägnierungsreaktor Reguliermittel, die mit Mitteln zur Rohstoffeinspeisung, mit Mitteln zur Überführung des Rohstoffes in den Imprägnierungsreaktor und mit Mitteln zur Einspeisung der Lösung verbunden sind, umfaßt und daran angepaßt ist, den Rohstoff unter Bedingungen zu imprägnieren, daß dieser frei von separaten Flüssigphasen ist, wobei die Herstellungseinheit weiters dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen kontinuierlich und unter Druck arbeitenden Hydrolysereaktor zylindrischer Form aus rostfreiem Stahl umfaßt, der an einem seiner Enden ein dichtes Organ zum kontinuierlichen Einspeisen des Rohstoffes umfaßt und mit dem Ausgang des Imprägnierungsreaktors leitend verbunden ist und daran angepaßt ist, entweder bei Raumdruck oder unter Druck zu arbeiten, Mittel zur kontinuierlichen Überführung des imprägnierten Rohstoffes in den Hydrolysereaktor, wenigstens ein Mittel zur Einspeisung von Dampf unter Druck und am anderen Ende ein dichtes Organ zur Evakuierung des hydrolysierten Rohstoffes, das daran angepaßt ist entweder bei atmosphärischem Druck oder unter Druck zu arbeiten und angepaßt ist ,darunter Extraktiosmittel der Zucker einzuspeisen, wobei der Hydrolysereaktor Reguliermittel, die mit den Einspeiseorganen für den Rohstoff und den Evakuierungsorganen für den Rohstoff, dem Ausstoß der Dampfeinspeisung und der Geschwindigkeit der Überleitung des Rohsoffes vebunden sind, wobei die Reguliermittel darauf eingestellt sind, den imprägnierten Rohstoff in Abwesenheit separater Flüssigphasen zu hydrolysieren, wobei die Einheit des weiteren Mittel zur kontinuierlichen Extraktion der Zucker umfaßt, welche insbesondere Xylose aus dem nichthydrolysierten Rohstoff enthalten, die mit dem Evakuierungsorgan verbunden sind und Mittel zur Wassereinspeisung und Mittel zur Rückgewinnung von Xylose, die verbunden mit Mitteln der Extraktion hergestellt ist, umfaßt.

8. Herstellungseinheit nach Anspruch 7, worin der Hydrolysereaktor gemäß einem Gefälle von 0,1 bis 1 % gegen das Evakuierungsorgan geneigt ist.

9. Herstellungseinheit nach Anspruch 7 oder 8, worin der Hydrolysereaktor eine Symmetrieachse aufweist und worin das Einspeisorgan und das Evakuierungsorgan des Rohstoffes senkrecht zur Symmetrieachse stehen.

10. Herstellungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, worin ein Pufferbehälter zwischen das Evakuierungsorgan und das Zucker-Extraktionsorgan geschaltet ist.