DE69013656T2 - Unter Druck kontinuierlicher Reaktor zur Imprägnierung und Hydrolyse des lignocellulosischen Substrates, Verfahren und Einrichtung zur Herstellung einer Mischung von Zucker auf Xylosebasis. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zum Imprägnieren und zur Hydrolyse - kontinuierlich und unter Druck - eines lignozellulosehaltigen Materials. Sie betrifft auch eine Einheit zur kontinuierlichen Produktion von Pentosen ausgehend von diesem Substrat, umfassend den oben erwähnten Reaktor, den Erhalt der Pentosen, und insbesondere den einer Lösung, die mit wenigstens 80 Gewichtsprozent Xylose angereichert ist und die insbesondere nützlich zu ihrer Umformung in Xylitol beispielsweise ist, bei dem es sich um einen natürlichen Süßstoff handelt.
• Der größte Teil der lignozellulosehaltigen Substrate (Holz, einjährige Pflanzen) weist eine heterogene Zusammensetzung auf, in der man üblicherweise drei vorherrschende Fraktionen unterscheidet, bei denen es sich um die Zellulose, die Hemizellulosen und das Lignin handelt. Diese Heterogenität kompliziert ihre Bewertung. Von diesem Standpunkt aus ist eine Trennung der Hemizellulosen (die eine variable Zusammensetzung hinsichtlich der Zucker haben, jedoch oft reich an Pentosen, insbesondere Xylose sind) von der Zellulose (ausschließlich aus Glukose bestehende Verbindung) ist von großem Interesse, da sie eine getrennte Bewertung dieser beiden Typen von Bestandteilen ermöglicht. Dieses Intersse erfordert, daß das in Betracht gezogene Ziel die chemische Verwendung oder die Fermentierung ist, da, wenn der größte Teil der Fermentierungen zwar Glukose verwendet, die aus der Hydrolyse der Zellulose stammen, so sind doch die weniger zahlreich, die beispielsweise die Pentosen der Hemizellulosen verwenden.
• Man kennt bereits eine Behandlung, die sog. Wasserdampfexplosions-Behandlung, bei der das lignosezellulosehaltige Substrat über eine variable Zeit der Wirkung von Wasserdampf unter Druck, bei einer Temperatur, die im allgemeinen oberhalb 150º C liegt, ausgesetzt wird. Diese Wirkung wird beendigt durch eine explosive Entspannung. Diese früher zur Verbesserung der Verdauung von Futter bekannte Behandlung erhöht auch die Fähigkeit der lignozellulosehaltigen Substrate für die enzymatische Hydrolyse (K. Buchholz, J. Puls, B. Gadelmann, M.M. Dietrichs, Process Biochemistry, Dez./Jan. 1980/1981, S. 37-43).
• Stand der Technik wird auch illustriert durch die DE-A- 24 58 386, DE-A-24 13 306 und US-A-43 50 766.
• Es wurde in der FR 2 580 669 festgestellt, daß die Zugabe von wenigstens einer Säure während der Dampfexplosionsbehandlung in einer Kammer, und zwar diskontinuierlich bei erhöhter Temperatur während eines Zeitraums von 2 bis 5 Minuten eine ausgezeichnete Trennung der hemizellulosehaltigen und zellulosehaltigen Fraktionen und eine sehr beachtliche Freisetzung von die Hemozellulosen bildenden Zuckern, insbesondere der Pentosen (Xylose und Arabinose) erlaubte, ohne daß eine beachtliche Verschlechterung in Kauf zu nehmen wäre. Man kann aber aus Korrosionsgründen nicht kontinuierlich arbeiten.
• Es ist jedoch durch die US 4 136 207 eine kontinuierliche Dampfbehandlungsvorrichtung unter Druck bis zu 25 bar beispielsweise eines lignozellulosehaltigen vorher zerkleinerten Substrats bekannt, das in einen Verkleinerungszustand überführt wurde, der spezifisch für das Ausgangsmaterial war. Hinsichtlich der empfohlenen Temperatur und des empfohlenen Druckes (190º - 220ºC) ist es möglich, insbesondere Oligomere von Pentosen zu solubilisieren, die beispielsweise 50-60% der gesamten Pentosane darstellen können. Unter diesen Pentosen finden sich etwa 10% Monomere im verdünnten Zustand mit 90% Oligomeren.
• Diese Vorrichtung kann in saurer Umgebung und bei hoher Temperatur wegen der Korrosionsniveaus nicht verwendet werden, die die Hydrolysebehandlung in Anwesenheit von Säure bedingen würde. Die bei Anwendung einer Säurebehandlung hiermit verknüpften Probleme sind im allgemeinen die folgenden:
• Eine Säurebehandlung in verdünnter Umgebung bedeutet das Vorhandensein einer Wassermenge, derart, daß diese ein Hindernis wird, wenn man die energetischen Verluste in Betracht zieht,
• - wenn man im übrigen aufgrund dieser Tatsache in diphasischer Umgebung arbeitet, erhöht man notwendigerweise die Korrosionsphänomene an den Wandungen des Reaktors. Im übrigen sind die mit der Imprägnierung eines Substrats verknüpften Probleme abhängig von seiner physikalischen Heterogenität: das Herz eines Maiskolbens ist weniger porös als sein Umfang, der Maiskolben selbst ist poröser als Holzschnitzel. Es handelt sich also darum, die Säure und Wassermengen zu optimieren, die reell in Kontakt mit dem Substrat kommen sollen, derart, daß sie durch dieses absorbiert und/oder adsorbiert werden.
• Es handelt sich allgemein darum, die Fähigkeit zur Imprägnierung und Hydrolyse von Substraten zu erhöhen, die schwierig mit den üblichen Verfahren sich angreifen ließen.
• Wenn im übrigen die Imprägnierungs- und Hydrolysestufen in voneinander getrennten und unterschiedlichen Kammern realisiert werden, werden die Überführungs- oder Transportorgane mit ihren Steuer- und Regelorganen in den Kammern verdoppelt. Die Investitionen werden also in erheblichen Anteilen erhöht und der am Endprodukt realisierte Mehrwert kann das technische Interesse in den Hintergrund treten lassen.
• Eines der Ziele der Erfindung ist es, eine Antwort auf die oben aufgeworfenen Probleme zu geben.
• Man hat tatsächlich festgestellt, daß mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung man eine verbesserte Extraktionsausbeute, insbesondere an Pentosen und besonders an Xylose erhielt, indem man die Korrosion der Reaktionskammer minimierte. Wegen seiner Kompaktheit und Einfachheit werden die Investitionskosten in einem erheblichen Anteil reduziert. Schließlich kann die Vorrichtung kontinuierlich unter ziemlich strengen Temperatur- und Druckbedingungen, beispielsweise in der Größenordnung von 140º C oder unter 1 bis 7 bar arbeiten. Genauer betrifft die Erfindung einen Reaktor, (5) zur Imprägnierung und Hydrolyse - kontinuierlich und unter Druck eines lignozellulosehaltigen ggfs. zerkleinerten Substrats - im wesentlichen zylindrischer Form, wenigstens in seinem hinteren Teil, der über ein anströmseitiges Ende und ein abströmseitiges im wesentlichen oberhalb des anströmseitigen Endes befindliches Ende verfügt, wobei der aus Inox (5) bestehende Reaktor sich dadurch auszeichnet, daß er in Kombination umfaßt: einen ersten Abschnitt (5a), den sog. Imprägnierungsabschnitt unter Druck anströmseitig und einen zweiten Abschnitt (5b), den sog. Hydrolyseabschnitt unter Druck, angrenzend an den ersten Abschnitt abströmseitig, wobei die beiden Abschnitte kontinuierlich sind, Mittel diese Abschnitte unter Druck und Temperatur zu setzen, die wenigstens ein Speisemittel (16) für Wasserdampf sowie ein erstes dichtes Organ (4) zum kontinuierlichen Einführen von Substrat umfassen, das so ausgebildet ist, daß das Substrat in den Imprägnierungsabschnitt eingeführt ist, welcher eine mit einem Speisemittel (3) an Substrat verbundene Schleusenkammer umfaßt und benachbart dem anströmseitigen Ende des Reaktors angeschlossen ist, Mittel (13) zur Speisung mit einer Lösung, die Wasser und wenigstens eine Säure oder eine Base in dem Imprägnierungsabschnitt umfaßt, Mittel (40), um ein Fluid, das diese Lösung umfaßt, auf einem adäquaten Niveau auf diesem ersten Abschnitt zu halten, wobei der Reaktor eine Symmetrieachse hat und im übrigen sich dadurch auszeichnet, daß er Mittel (11) zum Überführen des Substrats längs dieser Achse vom anströmseitigen Ende des Imprägnierungsabschnitt gegen das abströmseitige Ende des Hydrolyseabschnitts umfaßt, und daß er darüber hinaus an seinem abströmseitigen Ende ein zweites dichtes Organ (19) zur kontinuierlichen Extraktion des hydrolysierten Substrats einer Auslegung derart aufweist, daß das hydrolysierte Substrat durch Überfließenlassen aus dem Hydrolyseabschnitt extrahiert wird, wobei die Gesamtheit dieser Mittel so durch Steuer- und Regelmittel (10) betrieben ist, daß das Substrat im wesentlichen keine getrennte flüssige Phase am abströmseitigen Ende des Reaktors aufweist.
• Das lignozellulosehaltige Substrat ist im allgemeinen Holz, Maiskolben, Stangen von Maiskolben, sowie Stroh. Man bevorzugt jedoch Maiskolben zur Herstellung von Xylose.
• Das Holz wird im allgemeinen entrindet bzw. geschält und in Schnitzelform geschnitten, während die Maiskolben auf eine Granulometrie im allgemeinen zwischen 3 und 10 nm, vorzugsweise zwischen 4 und 6 nm zerkleinert werden. Das Stroh wird dagegen gehäckselt und in Form von Fasern verwendet. Aus Zweckmäßigkeitsgründen verwendet man den Ausdruck "zerkleinern" für die Stufe der Unterteilung auf die geeignete Abmessung bei jedem dieser Substrate. Der Gehalt an Trockenmaterial des Substrats liegt im allgemeinen bei wenigstens 50%, beispielsweise die des Holzes liegt bei etwa 50%, während die des Strohs bei etwa 75% und die der Maiskolben bei etwa 80 - 90% liegt.
• Der Reaktor ist im allgemeinen vorn um etwa 0,1 bis 5%, vorzugsweise 0,5 bis 2% schräg nach unten geneigt, derart, daß eine Sammlung an sauerer oder basischer Lösung im unteren Teil der Imprägnierungszone stattfindet. Das Lösungsniveau in dieser Zone befindet sich im allgemeinen unter einer Entfernung D vom anströmseitigen Ende des Reaktors entsprechend der längsten Erzeugenden, die das 0,1- bis 0,4-fache der Länge des Reaktors und bevorzugt das 0,2- bis 0,3-fache ausmacht. Man ordnet im allgemeinen in der Imprägnierungszone Mittel an, die die Lösung auf einem geeigneten Niveau halten, was einem geringstmöglichen Flüssigkeitsvorhang für ein. gegebenes Substrat entspricht.
• Diese Haltemittel sind an eine Niveausonde angeschlossen, die mit einem Mikroprozessor verbunden ist, der die Informationen als Funktion eines vorher angezeigten Sollwertpunktes geriert. Eine Regelsonde für die Acidität oder Basizität des Fluids ist im allgemeinen dem Mikroprozessor zugeordnet, der unter den gleichen Bedingungen die Speisung an Lösung steuert.
• Der Imprägnierungsabschnitt kann zylindrisch sein. Er ist vorzugsweise konisch, sein anströmseitiges Ende ist aufgeweitet. Der Hydrolyseabschnitt ist im allgemeinen zylindrisch.
• Um das Substrat sowohl in den Imprägnierungsabschnitt als in den Hydrolyseabschnitt zu befördern, verwendet man Uberführungsmittel, bei denen es sich im allgemeinen um eine endlose Schnecke handelt. Sie ist vorzugsweise von im allgemeinen konischer Gestalt in dem konischen Abschnitt des Reaktors. Der Imprägnierungsabschnitt umfaßt ein abströmseitiges Ende, das durch den Teil des Niveaus bestimmt ist, der vom anstromseitigen Ende am weitesten entfernt ist. Er kann vorzugsweise im wesentlichen mit dem engsten Teil des Kegelstumpfs zusammenfallen. Die Mittel zur Speisung mit Lösung des Imprägnierungsabschnitts können unmittelbar benachbart dem anströmseitigen Ende angeordnet sein. Das Substrat wird im allgemeinen über ein Einführungsorgan, beispielsweise eine Schleusenkammer eingeführt und, einmal hydrolysiert, wird es über ein Extraktionsorgan, beispielsweise eine Schleusenkammer, abgezogen. Diese beiden Schleusenkammern sind im allgemeinen vertikaler Bauart, das Einführen und das Abziehen des Substrats erfolgt bevorzugt durch Schwerkraft. Sie sind vorzugsweise jeweils in unmittelbarer Nachbarschaft des anströmseitigen Endes und des abströmseitigen Endes des Reaktors angeordnet.
• Die Erfindung betrifft auch eine kontinuierliche Produktionseinheit für Pentosen, ausgehend von einem lignozellulosehaltigen Substrat. Sie umfaßt in Kombination Mittel zur Substratspeisung, die Mittel (1) zum Mahlen des Substrats auf eine adäquate Abmessung umfassen, welche über einen Eingang oder einen Ausgang verfügen, den Imprägnierungs- und Hydrolysereaktor, dessen erstes Einführungsorgan (4) mit diesem Ausgang verbunden ist, wobei dieser Reaktor so ausgelegt ist, daß er im ersten Abschnitt 5a die Imprägnierung in wässriger, sauerer Umgebung des verkleinerten Substrats unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen und in diesen zweiten Abschnitt 5b eine sauere Hydrolyse des Substrats, das bei im wesentlichen konstanter Temperatur und in einer Umgebung imprägniert wurde, die im wesentlichen keine gesonderte flüssige Phase enthält; Mittel (27) zur Extraktion der Pentosen aus dem hydrolysierten Substrat, die einen mit dem zweiten Extraktionsorgan (19) des oben genannten Reaktors verbundenen Eingang haben, wobei die Extraktionsmittel im übrigen Mittel (28) zum Speisen mit Wasser aufweisen; und Rückgewinnungsmittel (29) für das depentosierte Substrat und Mittel zur Rückgewinnung (30) der erzeugten Pentosen umfassen.
• Die Erfindung betrifft im übrigen ein kontinuierliches Verfahren zur Imprägnierung und zur Hydrolyse des oben genannten Substrats in einer Reaktionszone, unter Druck, die eine erste Imprägnierungszone und eine zweite Hydrolysezone, angrenzend an die erste Zone, umfaßt. Man führt, bevorzugt mittels Schwerkraft, das Substrat, das man ggfs. zerkleinert hat, und das wenigstens 50% Trockenmaterial enthält, in die Imprägnierungszone unter einem Druck höher als wenigstens 1 bar ein.
• Man imprägniert bei einer Temperatur von wenigstens 120ºC dieses Substrat in Anwesenheit einer wässrigen, saueren Lösung unter Imprägnierungsbedingungen in diphasischer Umgebung und nimmt dann unmittelbar nachher eine Hydrolyse des imprägnierten Substrats in der Hydrolysezone in Anwesenheit von Wasserdampf bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur in im wesentlichen diese flüssige getrennte Phase nicht enthaltenden Medium und unter Druck und Verweilzeitbedingungen derart vor, daß man das hydrolysierte Substrat erhält, welches 25 und 55 Gewichtsprozent Trockenmaterial enthält und gewinnt dann dieses hydrolysierte Substrat. Die Speisung mit sauerer Lösung wird vorzugsweise am Eingang der Imprägnierungszone durchgeführt.
• Der Durchsatz an Wasser- und Säurespeisung wird eingestellt als Funktion der Menge des Fluids, das in der Imprägnierungszone verbleibt, die vom Anfangsgehalt an Trockenmaterial des Substrats, seinem gewünschten Endgehalt und seiner Transportgeschwindigkeit in der folgenden Zone abhängt.
• Die organischen Säuren oder üblichen Mineralien werden gewöhnlich verwendet. Man bevorzugt jedoch schwefelsäure oder Chlorwasserstoffsäure. Ihre Konzentration bezogen auf das Trockenmaterial des Substrats wird derart eingestellt, daß sie im allgemeinen zwischen 0,1 und 10%, bevorzugt zwischen 2 und 5 Gewichtsprozent liegt.
• Die Temperatur in der Imprägnierungs- und Hydrolysezone wird vorzugsweise zwischen 120 und 180ºC gewählt, während der Druck üblicherweise zwischen 1 und 10 bar und bevorzugt zwischen 2 und 5 bar liegt.
• Die Speisung mit der Imprägnierungszone mit zerkleinertem Substrat erfolgt im allgemeinen über eine Schleusenkammer, die durch Hilfssteuerungsmittel und Regelmittel gesteuert werden, die mit einer Niveaumessung in der Schleusenkammer und einem Taktgeber verbunden sind, die das Öffnen oder Schließen der Ventile der Schleusenkammer steuert. Diese Speisung erfolgt vorzugsweise über Schwerkraft und der Abgleich der Drücke erfolgt über Dreiwegventile, die die Schleusenkammer entweder mit dem Reaktor oder mit der Atmosphäre verbinden.
• Die Hydrolyse des imprägnierten und gesäuerten Substrats wird üblicherweise in Anwesenheit von Wasserdampf bei mittlerem Druck vorgenommen. Die Dampfspeisung wird im allgemeinen am Eintritt in die Hydrolysezone, bevorzugt benachbart dem abströmseitigen Ende der Imprägnierungszone durchgeführt.
• Die Bedingungen von Dampfdurchsatz, Temperatur, Druck, Transportgeschwindigkeit in dieser Zone werden derart gewählt, daß der Gehalt an Trockenmaterial des hydrolysierten Substrats im allgemeinen zwischen 25 und 55% und bevorzugt zwischen 40 und 50 Gewichtsprozent liegt. Unter diesen allgemeinen Bedingungen enthält das Substrat im wesentlichen keine abgetrennte flüssige Phase mehr.
• Die Transport- oder Überführungsgeschwindigkeit des Substrats und die Länge des Reaktors konditionieren die Verweilzeit im Reaktor. Sie liegt im allgemeinen bei 10 Minuten bis 1 Std., bevorzugt bei 20 bis 30 Minuten. Sie wird um so besser kontrolliert, wie die Hydrolyse in Abwesenheit abgetrennter flüssiger Phase durchgeführt wird.
• Die Mittel zum Transport oder der Überführung des Substrats in die Imprägnierzone dann in die Hydrolysezone können entweder eine endlose Einschnecke für die Führung der Maiskolben oder eine Doppelschnecke für die anderen Substrate, die von Natur aus weniger porös sind, umfassen. Die endlose Schnecke kann nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gebildet sein durch eine dicke Welle mit enger Schraubenteilung, wenigstens über einem Teil ihrer Länge und durch eine kleinere Welle mit größerer Schneckenteilung über den Rest ihrer Länge. Diese Konfiguration ermöglicht es, das Substrat besser zu verteilen und seinen Durchsatz besser zu regularisieren.
• Wenn im übrigen die Imprägnierungszone von kegelstumpfformiger Gestalt ist, dann nimmt die endlose Schnecke bevorzugt die Form der Zone an, in der sie sich befindet, derart, daß ein Substratminimum in der Lösung badet.
• Die Erfindung wird nun besser verständlich mit Bezug auf die beiliegende Figur, die in schematischer Weise eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung darstellt. Die Maiskolben werden, nachdem sie in einem Zerkleinerer 1 von an sich bekannter Bauart auf eine geeignete Granulometrie zerkleinert worden sind, mit Hilfe eines Elevators 2, beispielsweise mit Scheiben, in einem Reaktor 5 aus Inox über eine gravimetrische Dosiereinrichtung 3 gegeben, die eine Einführungsschleusenkammer 4 kontinuierlich mit dem Substrat in den Reaktor 5 nach der Erfindung speist. Dieser warmeisolierte Reaktor umfaßt anströmseitig einen ersten Imprägnierungsabschnitt 5a von einer Länge, die im wesentlichen vorzugsweise zwischen dem 0,2 und 0,3-fachen der Gesamtlänge des Reaktors ausmacht und im wesentlichen von kegelstumpfförmiger Gestalt ist, wobei der erweiterte Teil sich auf der Seite des anströmseitigen Endes des Reaktors befindet. Gegen die Abströmseite ist ein zweiter Abschnitt 5b, der sog. Hydroloyseabschnitt, kontinuierlich mit dem Imprägnierungsabschnitt angeordnet. dieser Abschnitt von im wesentlichen zylindrischer Gestalt ist derart ausgeformt, daß eine absteigende Neigung gegen die Anströmseite von etwa 0,2 bis 1% das Ansammeln von Flüssigkeit in dem unteren Teil des Imprägnierungsabschnittes ermöglicht. Die dichte Einführungsschleusenkammer 4 ist derart angeordnet, daß benachbart ihrem anströmseitigen Ende der Imprägnierungssektor vermittels Schwerkraft und bevorzugt dank seiner vertikalen Anordnung auf dem oberen Teil des Reaktors gespeist wird. Er umfaßt ein Eintrittsventil 6 der Schleusenkammer, mit Guillotine, verbunden mit der gravimetrischen Dosiereinrichtung, Mittel zum Messen des Substratniveaus im Inneren der Schleusenkammer, beispielsweise eine Sonde 3 und ein Austrittsventil 7 mit Guillotine in Verbindung mit dem Abschnitt 5a. Druckausgleichsmittel 9 im Inneren der Schleusenkammer sind jeweils mit dem atmosphärischen Druck und mit dem Imprägnierungsreaktor 5a verbunden. Der Niveauindikator 8 steuert über die Hilfssteuerungsmittel 10 das Schließen des Ventils 6, wenn die Schleusenkammer ausreichend gefüllt ist, sowie das Unterdrucksetzen der Schleusenkammer im Gleichgewicht mit dem Innendruck des Reaktors und schließlich das Öffnen des Ventils 5, damit der Inhalt der Schleusenkammer in den Reaktor 5 strömen kann. Eine endlose Schnecke 11, im wesentlichen konischer Gestalt mit einer im Imprägnierungsabschnitt 5a engen Teilung, dann zylindrischer Form im Hydrolyseabschnitt, führt das Substrat dank eines Motors 12 jeweils in jeden der beiden Abschnitte. Steuer- und Regelmittel ermöglichen es, Injektionsdurchsetzer einer sauren Lösung auf den Speisedurchsatz mit zerkleinertem Substrat über die Dosiereinrichtung 3 zu regeln bzw. abzustimmen, sowie abhängig von seinem Gehalt an Trockenmaterial und seiner Transportgeschwindigkeit zu machen, derart, daß der Gehalt an Trockenmasse der Maiskolben von etwa 90% am Eintritt des Reaktors auf etwa 40% am Austritt übergeht.
• Der Speisedurchsatz mit saurer Lösung wird sichergestellt durch konventionelle Injektoren 13, die mit einer Leitung 14 über eine Pumpe 14a verbunden und im wesentlichen ringförmig in unmittelbarer Nachbarschaft des anströmseitigen Endes des Reaktors angeordnet sind. Sie verteilen die Lösung im wesentlichen radial im Imprägnierungssektor.
• Wegen der Form des Imprägnierungssektors oder der Neigung des Reaktors sammelt sich ein Volumen 15 an Lösung im unteren Teil des Reaktors. Das maximale Flüssigkeitsniveau erreicht eine Zone 25 des Reaktors, die im wesentlichen dem abströmseitigen Ende der Imprägnierungszone entspricht.
• Mittel 40, die eine Pumpe 41 umfassen, ermöglichen es, das gesammelte Fluid auf dem gewünschten Minimalvolumen, um das Substrat zu Imprägnieren und im wesentlichen die Zone 25 zu erreichen, zu halten, insbesondere mit einer Niveausonde, die mit dem Regelmittel 10 verbunden ist, wobei dieses Fluidniveau in Kontakt mit der Wandung des Imprägnierungssektors an einem Extrempunkt steht, der unter einer Entfernung D vom anströmseitigen Ende des Reaktors sich befindet. Injektoren 16, die über eine Leitung 17 gespeist werden, verteilen Mitteldruckdampf benachbart dem abströmseitigen Ende des Imprägnierungssektors auf der Seite des Hydrolysesektors. Sie sind genauer am Beginn der zylindrischen Zone ringförmig angeordnet. Dieser Dampf trägt dazu bei, daß der Reaktor auf Druck und Temperatur gebracht wird. Am abströmseitigen Ende des Reaktors gewinnt ein im wesentlichen vertikaler Abzug 18 durch Überlaufen und durch Schwerkraft, bevorzugt das hydrolysierte Substrat und schickt es in eine dichte Abzugsschleusenkammer 19, die ein oberes Guillotine-Eintrittsventil 20 und ein unteres Guillotine-Austrittsventil 21 hat und durch die Hilfssteuermittel 10 gesteuert ist, wobei das Druckgleichgewicht sowohl hinsichtlich des Reaktordrucks als hinsichtlich des atmosphärischen Drucks über ein Dreiwegventil 23 erfolgt, wie im Fall der oberen Schleusenkammer 4, die durch die Hilfssteuermittel 10 gesteuert ist.
• Der Druck und die Temperatur des Reaktors werden durch Sensoren (in der Figur nicht dargestellt) und durch Steuermittel 10 um einen Sollwert gesteuert. Wenn dieser festgelegte Wert überschritten wird, wird die Speisung mit Dampf unterbrochen. Dagegen ist sie offen, wenn der Sollwert nicht erreicht wird. Ein Magnetventil 24 steuert somit das Öffnen und das Schließen der Speisung 17 mit Dampf als Funktion des gelieferten Signals.
• Das hydrolysierte Substrat strömt in eine Pufferwanne 26, aus der eben dieses hydrolysierte Substrat gewonnen wird, um einen Diffusor 27 zu speisen, der kontinuierlich, in Anwesenheit von Diffusionswasser, das über eine Leitung 28 zugeführt wird, eine flüssig-feste Extraktion im Gegenstrom vornimmt. So trifft das Diffusionswasser zunächst das hydrolysierte Substrat, dessen Gehalt an lösbaren Zuckern praktisch völlig erschöpft ist.
• Das organische nicht-hydrolysierte Material (Lignin, Zellulose) wird an einem Ende 29 der Extraktionsleitung gewonnen, wo die Wasserleitung 28 ankommt, während das Zuckergemisch in Lösung, das wenigstens 80 Gewichtsprozent Xylose enthält, am anderen Ende 30 gewonnen wird. Durch an sich bekannte Mittel und Techniken werden diese Zucker anschließend konzentriert, neutralisiert, im allgemeinen mittels Kalziumhydroxids, werden demineralisiert, entfärbt, indem sie über Harze passieren und werden schließlich kristallisiert.

Claims (14)

1. Reaktor zum Imprägnieren und zur Hydrolyse, kontinuierlich und unter Druck, eines lignocellulosehaltigen Substrats, im wesentlichen zylindrischer Gestalt, der über ein anströmseitiges Ende und ein abströmseitiges, im wesentlichen oberhalb des anströmseitigen Endes befindliches Ende verfügt, wobei der Reaktor aus rostfreiem Stahl (5) besteht und sich dadurch auszeichnet, daß er in Kombination aufweist: einen ersten Abschnitt (5a), den sogenannten anströmseitigen Imprägnierungsabschnitt unter Druck und einen zweiten Abschnitt (5b), den sogenanten Hydrolyseabschnitt unter Druck, der an den ersten Abschnitt abströmseitig angrenzt, wobei die beiden Abschnitte kontinuierlich sind, Mittel, um diese beiden Abschnitte unter Druck und unter Temperatur zu setzen, umfassend wenigstens ein Mittel (16) zum Speisen mit Wasserdampf; ein erstes dichtes Organ (4) zum kontinuierlichen Einführen des Substrats, das so ausgebildet ist, daß es das Substrat in den Imprägnierungsabschnitt, der eine Schleusenkammer aufweist, einführt, die mit einem Mittel (3) zum Speisen mit Substrat verbunden und benachbart dem anströmseitigen Ende des Reaktors angeschlossen ist; Mittel (13) zum Speisen mit einer Lösung, die Wasser und wenigstens eine Säure oder eine Base im Imprägnierungsabschnitt umfaßt; sowie Mittel (40), um ein diese Lösung umfassendes Fluid auf einem adäquaten Niveau in dem ersten Abschnitt zu halten, wobei der Reaktor eine Symmetrieachse hat und im übrigen dadurch ausgezeichnet ist, daß er Mittel (11) zum Überführen des Substrats gemäß dieser Achse vom anströmseitigen Ende des Imprägnierungsabschnitts gegen das abströmseitige Ende des Hydrolyseabschnitts aufweist und daß er darüber hinaus an seinem abströmseitigen Ende ein zweites dichtes Organ (19) zur kontinuierlichen Extraktion des hydrolysierten Substrats aufweist, einer Auslegung derart, daß das hydrolysierte Substrat durch Überfließenlassen aus dem Hydrolyseabschnitt extrahiert wird, wobei die Gesamtheit dieser Mittel so durch Steuer- und Regelmittel (10) betrieben ist, daß das Substrat im wesentlichen keine flüssige Phase, getrennt am abströmseitigen Ende des Reaktors, aufweist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, bei dem die Länge des Imprägnierungsabschnitts das 0,1- bis 0,4-Fache derjenigen des Reaktors ausmacht und bei dem die Mittel, die das Fluid auf diesem Niveau halten, an einer Stelle des das Fluid enthaltenden Imprägnierungsabschnitts angeordnet sind, das sich zwischen diesem Niveau und dem anströmseitigen Ende des Reaktors befindet.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Imprägnierungsabschnitt 5a ein kegelstumpfförmiger Abschnitt ist, der ein aufgeweitetes Ende hat und in dem der Hydrolyseabschnitt 5b im wesentlichen zylindrisch ist.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Überführungsmittel eine endlose Schnecke umfassen, deren Welle vorzugsweise dicker ist und über eine engere Schneckenteilung wenigstens über einen Teil des Imprägnierungsabschnitts verfügt.

5. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die endlose Schnecke von im wesentlichen kegelstumpfförmiger Gestalt im kegelstumpfförmigen Abschnitt des Reaktors ist.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Imprägnierungsabschnitt ein abströmseitiges Ende umfaßt und bei dem die Mittel zur Speisung mit Lösung in unmittelbarer Nachbarschaft des anströmseitigen Ende des Reaktors angeordnet sind und in welchem die Mittel zur Speisung mit (Wasser)dampf benachbart dem abströmseitigen Ende des Imprägnierungsabschnitts auf der Seite des Hydrolyseabschnitts angeordnet sind.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit abfallender Neigung vom abströmseitigen Ende zum anströmseitigen Ende hin ausgebildet ist, die wenigstens gleich 0,1 % ist und vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 % liegt.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Organ (4) zum Einführen des Substrats und das Organ (19) zur Extraktion des hydrolysierten Substrats vertikal und durch Schleusen gebildet sind.

9. Kontinuierliche Produktionseinheit, insbesondere für Pentosen, ausgehend von einem lignocellulosehaltigen Substrat, umfassend: Mittel zur Substratspeisung, die Mittel (1) zum Mahlen des Substrats auf eine adäquate Abmessung umfassen, welche einen Eingang und einen Ausgang aufweisen; den Imprägnierungs- und Hydrolysereaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dessen erstes Einführungsorgan (4) mit diesem Ausgang verbunden ist, wobei dieser Reaktor so ausgelegt ist, daß er im ersten Abschnitt 5a die Imprägnierung in wäßriger saurer Umgebung des gemahlenen Substrats unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen und in diesem zweiten Abschnitt 5b eine saure Hydrolyse des Substrats, das bei im wesentlichen konstanter Temperatur und in einer Umgebung imprägniert wurde, die im wesentlichen keine gesonderte flüssige Phase enthält; Mittel (27) zur Extraktion der Pentosen aus dem hydrolysierten Substrat, die einen mit dem zweiten Extraktionsorgan (19) des obengenannten Reaktors verbundenen Eingang haben, wobei die Extraktionsmittel im übrigen Mittel (28) zum Speisen mit Wasser aufweisen; und Rückgewinnungsmittel (29) für das depentosierte Substrat und Mittel zur Rückgewinnung (30) der erzeugten Pentosen.

10. Kontinuierliches Imprägnierungs- und Hydrolyseverfahren eines lignocellulosehaltigen Substrats in einer Reaktionszone unter Druck, eine erste Imprägnierungszone und eine zweite an die erste Imprägnierungszone angrenzende Hydrolysezone umfassend, wobei die beiden Zonen konntinuierlich und in abfallender Schräge gegen die Imprägnierungszone ausgebildet sind, bei dem man das vorher gemahlene, wenigstens 50 Gew.-% Trockenmaterial enthaltende, Substrat in diese Imprägnierungszone unter einem Druck höher als wenigstens 1 bar einführt oder man bei einer Temperatur von wenigstens 120ºC dieses Substrat in Anwesenheit einer wäßrigen sauren Lösung unter Imprägnierungsbedingungen in diphasischer Umgebung imprägniert und dann unmittelbar danach eine Hydrolyse des imprägnierten Substrats in der Hydrolysezone in Anwesenheit von Wasserdampf bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur in einem Medium vornimmt, das im wesentlichen keine flüssige getrennte Phase hat, und dies unter Bedingungen von Druck und Verweilzeit, derart, daß man das hydrolysierte Substrat erhält, welches 25 bis 55 Gew.-% Trockenmaterial enthält und man dieses hydrolysierte Substrat gewinnt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem man das vermahlene Substrat mit einem sauren Anteil, bezogen auf das Trockenmaterial des Substrats, von 1 bis 7 Gew.-%, vorzugsweise von 2 bis 5 Gew.-%, imprägniert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Reaktionszone geneigt ist und bei dem man ein Niveau wäßriger Lösung in der Imprägnierungszone unter einer Entfernung vom anströmseitigen Ende entsprechend der größten Erzeugenden bestimmt, die das 0,1- bis 0,4-Fache der Länge der Reaktionszone darstellt.

13. Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Pentosen ausgehend von einem lignocellulosehaltigen Substrat, umfassend: eine Mahlstufe, eine Stufe zur Imprägnierung in wäßriger saurer Umgebung, eine Hydrolysestufe, eine Verdünnungs-(Diffusions)- stufe in wäßriger Umgebung, eine Stufe zur Extraktion der erzeugten Pentosen des hydrolysierten Substrats sowie eine Stufe zur Gewinnung der Pentosen, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Stufen:

a) man mahlt dieses Substrat auf eine adäquate Abmessung,

b) man speist kontinuierlich mit gemahlenem Substrat eine Imprägnierungs- und Hydrolysezone und man imprägniert das Substrat und hydrolysiert gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 unter Bedingungen derart, daß das hydrolysierte Substrat keine gesonderte flüssige Phase enthält und 25 bis 55 Gew.-%, und vorzugsweise 40 bis 50 Gew.-%, Trockenmaterial umschließt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Verweilzeit des Substrats in dem Reaktor zwischen 10 und 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 20 und 30 Minuten, beträgt.