EP4139519A1 - Verfahren zur herstellung eines formstabilen gegenstandes aus nachwachsender biomasse und formstabiler gegenstand - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines formstabilen gegenstandes aus nachwachsender biomasse und formstabiler gegenstand

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EP4139519A1
EP4139519A1 EP22700600.4A EP22700600A EP4139519A1 EP 4139519 A1 EP4139519 A1 EP 4139519A1 EP 22700600 A EP22700600 A EP 22700600A EP 4139519 A1 EP4139519 A1 EP 4139519A1
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EP
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biomass
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lignin
fibers
renewable
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Volker Gehr
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    • D21J3/00—Manufacture of articles by pressing wet fibre pulp, or papier-mâché, between moulds

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a dimensionally stable object, preferably a container, from renewable biomass.
  • the invention relates to a dimensionally stable object from renewable biomass.
  • dimensionally stable objects in particular containers, and dimensionally stable objects from renewable raw materials have been known from the prior art for many years and are primarily used in the field of disposable packaging or disposable objects.
  • Such disposable packaging or disposable items are generally used for storing, transporting or packaging food and other consumer goods.
  • the dimensionally stable objects can replace a large number of objects that are currently made of plastics or other durable materials.
  • Such dimensionally stable objects are in demand both by the end customer and by the manufacturing companies, on the one hand to use objects on a sustainable basis or to provide products in objects on a sustainable basis.
  • the known dimensionally stable objects based on renewable biomass also have some fundamental ones Disadvantages compared to the known products made of plastic, metal, glass, etc.
  • the well-known dimensionally stable objects based on renewable biomass are regularly clearly inferior in terms of durability compared to "conventional” products;
  • the known dimensionally stable objects based on renewable biomass exhibit disadvantageous behavior in connection with moisture, among other things due to hygroscopic material properties of the raw materials used.
  • the starting materials for the well-known products based on renewable raw materials are usually fibrous materials obtained from wood.
  • Such fiber cells have different layers and consist mainly of cellulose, hemicelluloses and lignin. Different proportions of the known chemical components cellulose, hemicelluloses and lignin are present in the respective layers. Cellulose (approx. 50 percent) and hemicellulose (approx. 30 percent) account for the largest proportions.
  • the lignin pervades all layers and has a very low concentration near the lumen, while most of the lignin resides in the middle lamella and is difficult to access.
  • the wood fiber represents a plant cell that has a comparable structure in annual plants containing lignocellulose.
  • the outer ring is called the middle lamella and is primarily used to connect to the other adjacent cells and consists mainly of water-insoluble lignin.
  • a separation of the individual fiber components is naturally associated with considerable effort. In the known existing processes from the paper industry, the focus was usually on separating out the lignin components. As a result, a fiber-fiber bond based on so-called hydrogen bonds should be achieved. However, this type of bond is very water- sensitive, and certain strength properties, such as flexural strength and compressive strength, are negatively affected.
  • the known dimensionally stable objects based on renewable biomass are generally not suitable for long-term use in a moist environment, which means that a large number of uses are eliminated.
  • substances are regularly added in one or more of the process steps for the production of such dimensionally stable objects, which is intended to optimize the surface or the physical properties of the dimensionally stable object.
  • the use of additives in the manufacturing process regularly means that, on the one hand, workability is made more difficult, for example by having to carry out further process steps, or, on the other hand, that the dimensionally stable objects produced in this way can no longer be recycled or composted.
  • dimensionally stable objects based on renewable biomass or wood- or paper-based packaging or transport objects
  • the deteriorated material properties include, among other things, reduced strength properties, elasticity, hardness or brittleness.
  • Many of the well-known dimensionally stable objects from renewable biomass are also steps with unsuitable or abbreviated method generated such. For example, in order to achieve a "natural" product, essential auxiliary substances or additives are dispensed with, which on the one hand results in the above deteriorated material properties and on the other hand end products with inferior aesthetics (surface, cleanliness, discoloration) are produced.
  • packaging made from plant waste from agriculture is known, which is first crushed by machine.
  • the pulp resulting from the addition of water is placed in molds and then dewatered using pressure.
  • An increased durability of the packaging produced by this method can be achieved by adding additives such as resins, adhesives, glues, etc., which - as already mentioned - exclude the compostability, recyclability and further use of the raw materials.
  • the dimensionally stable objects known from the prior art are therefore either not sufficiently durable or have insufficient physical properties when the product properties are in the natural carbohydrate building blocks (cellulose, starch, etc.) contained in the raw materials; or are no longer considered natural / compostable rigid objects when additional binders and additives are added to the manufacturing processes.
  • a method comprising the following steps: providing renewable biomass, the renewable biomass containing at least fibers with lignin, in particular cellulose fibers with lignin, hemicelluloses and cellulose, and the renewable biomass from the group of lignocellulose-containing Annual plants is selected, comprising at least lignin-containing middle lamellae, cell interstices, primary and secondary walls, crushing the growing biomass, adding water to the growing biomass, pretreating the growing biomass by essentially converting the growing biomass into biomass fibers while retaining a large part of the lignin in the fibers, and while dissolving and discharging at least part of the cellulose and the hemicelluloses, the relative proportion of lignin being increased, providing the biomass fibers in a shaping process with a tool with the formation of a molded object, thermal treatment of the molded object with conversion of the lignin contained in the fibers of the biomass fibrous materials at least in some areas to the outer surface of the fibers, generation of an at least partially irrevers
  • the lignin has positive properties in the production process of a dimensionally stable object in that the phenolic macromolecules of the lignin with their functional side groups act as binders for the dimensionally stable objects to be produced.
  • the lignin does not have to be completely extracted from the biomass fibrous materials, but can and should remain in the fiber structure.
  • the lignin as a 3-dimensional macromolecule, is transferred to the outer surfaces of the fibers of the biomass fibers during the processing process and enriched in order to subsequently contribute to the irreversible crosslinking of the fibers contained in the object molding via its glass transition point (flow point) during production .
  • the resulting dimensionally stable objects have positive material properties, such as high strength values, positive water resistance properties, homogeneous material properties, etc.
  • the dimensionally stable objects produced by the method according to the invention have extensive advantages with regard to the material properties compared to the products from the prior art.
  • the dimensionally stable objects can also be composted and used as a raw material for other product groups, for example in the wood-based materials industry.
  • the process steps can preferably each be selected depending on the renewable biomass to be used. It is further preferably possible, depending on the starting material, for individual process steps to be omitted or combined.
  • the lignin is partially "uncovered” or partially available during the pretreatment, so that subsequent activation with crosslinking of the fiber components can be carried out.
  • the method according to the invention is preferably carried out continuously or discontinuously, with particular preference being given to carrying out individual partial steps, such as the pretreatment or the comminution, continuously and the shaping process or the thermal treatment being carried out continuously or discontinuously.
  • the method according to the invention for producing the dimensionally stable objects requires a low degree of complexity in the procedural steps, so that cost-effective operation is possible, which in turn leads to cost-effective end products.
  • the pretreatment of the renewable biomass by essentially converting the renewable biomass into biomass fibers while retaining at least a large part of the lignin in the fibers, preferably at least 50% of the lignin contained in the fibers used from the renewable biomass remains in the biomass fiber material.
  • dimensionally stable object within the meaning of the invention is to be understood as meaning all objects that can be produced using provided biomass fibrous materials. These include, in particular, containers, the containers being usable for a large number of functions. Such dimensionally stable objects or containers are also generally referred to by the terms packaging materials, disposable and reusable packaging, (disposable) crockery, (disposable) bowls, (disposable) plates, (disposable) cups, “to-go” Packaging or the like known.
  • the dimensionally stable objects explicitly include objects that form cavities as well as objects with solid materials.
  • Relatively thin-walled, dimensionally stable objects can preferably be produced with the method according to the invention, preferably thicknesses in the range from 0.5 mm to 10 mm, with thicker and thinner objects also being able to be produced with the method according to the invention.
  • renewable biomass within the meaning of the invention is all biomass that comes from renewable resources.
  • Renewable biomass also includes, in particular, the addition of non-renewable biomass, such as waste paper or recycled fibers, with a maximum of up to 25 percent by weight.
  • the renewable biomass mainly consists of agricultural residues that are not primarily used as a rule.
  • crushing the renewable biomass means that the raw material used is crushed in such a way that it can be fed to the subsequent processes.
  • the size of the "crushing” can differ depending on the downstream process steps.
  • “Crushing” is also used, for example, under the terms cutting, breaking, chopping, rasping, scraping, (separating) NEN, shorten or separate used synonymously.
  • the comminution regularly leads to segments with a length of 0.5 cm to 15 cm, with longer and shorter comminuted segments of renewable biomass being explicitly included in the terminology.
  • water can also be added to the regrowing biomass with water-like solvents or with liquids that mainly contain water but also have other (natural) components in addition to water.
  • Removing and discharging at least part of the cellulose and the hemicelluloses in the context of the invention means that the proportion of cellulose and the hemicelluloses is reduced during the pretreatment, at least is reduced more than the proportion of lignin.
  • the leaching and discharge can be controlled and active on the one hand, or occur as a secondary effect as part of the pre-treatment process.
  • Creating an at least partially irreversible connection through crosslinking within the meaning of the invention means that the entire dimensionally stable object does not have to have an irreversible connection through crosslinking, but is at least crosslinked by means of the lignin in such a way that an irreversible connection is formed in some areas, whereby the corresponding positive material properties are generated in the dimensionally stable object.
  • An expedient embodiment of the invention is characterized in that the hemicelluloses and the cellulose are at least partially removed from the process during the pretreatment, in that the cellulose and the hemicelluloses are at least partially dissolved out of the regrowing biomass, and that the lignin is removed as completely as possible during the transfer of the renewable biomass is preserved in biomass fibers.
  • “at least partially detached from the renewable biomass” means that at least 10% of the cellulose and/or the hemicelluloses are removed from the renewable biomass as part of the pretreatment. The relative proportion of cellulose and hemicelluloses discharged is higher than the potential proportion discharged of the lignin.
  • Leaching out means both the intentional and the unintentional reduction in the proportion of fiber components that occur or can occur during pretreatment.
  • a reduction in the proportion of cellulose and hemicelluloses increases the relative proportion of lignin in the intermediate product, the biomass fiber material, as a result of which the surprisingly positive properties of lignin occur during the production of the dimensionally stable objects.
  • a further expedient embodiment of the invention is characterized in that in the pretreatment, starting from the renewable biomass, 50% to 100%, preferably 60% to 90%, of the lignin, 10% to 90%, preferably 30% to 70%, of the cellulose and 10% to 70%, preferably 30% to 50%, of the hemicelluloses remain in the biomass fibers. With a reduction in the corresponding cellulose and hemicelluloses, different relative proportions of lignin in the biomass fiber material arise, depending on the reduction.
  • the dimensionally stable object has improved resistance to external influences such as moisture, bending and pressure loads, etc., with higher relative lignin proportions, with the crosslinking in particular being stronger at higher lignin proportions.
  • a preferred embodiment is characterized in that the pre-treatment of the renewable biomass into biomass fibers is carried out by means of mechanical processing, the mechanical processing comprising grinding the renewable biomass.
  • Mechanical processing has the advantage that, on the one hand, a large number of processes and devices are already known from the paper industry that can be used as a basis for mechanical processing and, on the other hand, mechanical processing offers the possibility of changing the fiber structure of the renewable biomass as required contained fibers.
  • Various devices are conceivable as mechanical processing means, the grinding of the fibers preferably being carried out by means of refiners. In this way, known technology of mechanical processing can be used to modify the fibers according to the relevant criteria of the method according to the invention.
  • An advantageous development is characterized in that the mechanical processing is carried out by means of a refiner with refining plates, with a plate spacing between the refining plates of the refiner being selected in the range from 0.05 mm to 5 mm, preferably in the range from 0.1 mm to 0.5 mm, and wherein a substance density of the renewable biomass is selected in the range from 0.5% to 10%, preferably in the range from 1% to 5%.
  • a plate spacing between the refining plates of the refiner being selected in the range from 0.05 mm to 5 mm, preferably in the range from 0.1 mm to 0.5 mm, and wherein a substance density of the renewable biomass is selected in the range from 0.5% to 10%, preferably in the range from 1% to 5%.
  • the selection of the refining plates can preferably also have an influence on the biomass fibers.
  • the grinding plates can preferably have different geometries that can be changed. Smaller plate spacings are preferably selected to produce more intensive grinding, and larger plate spacings can more preferably be selected to carry out “more gentle” grinding.
  • the process of pretreatment can be repeated by means of mechanical processing by the refiner, with the ground biomass produced then being fed back to the mechanical processing with different or identical plate spacing.
  • the regrowing biomass is preferably processed by the refiner treatment in such a way that the lignin largely (> 50%) remains in the fiber composite or is available for later crosslinking.
  • the consistency can be varied as a function of the renewable biomass used and/or as a function of the fiber processing to be achieved, with a higher consistency generally requiring a larger plate spacing between the refining plates.
  • the pre-treatment of the renewable biomass into biomass fibers is carried out by means of a steam-providing high-temperature steam digestion process
  • the temperature of the steam used is in the range from 150 °C to 280 °C, preferably in the range from 175 °C to 250 °C
  • the digestion time using the steam is in the range from 10 s to 900 s, preferably in the range of 20 s up to 300 s.
  • the fibers used are already softening, which means that, among other things, the downstream mechanical processing can be carried out with less energy input.
  • the lignin softens as a result of the temperature supply, in order to provide (improved) availability of the lignin during the subsequent crosslinking.
  • the duration of the temperature input and the level of the temperature can be varied depending on the renewable biomass used and/or depending on the fiber processing to be achieved, with the longer and higher the temperature input usually being, a more intensive pretreatment is carried out.
  • the high-temperature steam digestion process can preferably be used for renewable biomass, which has a higher rigidity or a plant fiber structure of higher complexity as the starting product, which is particularly important in the case of perennial plants such as wood or more complex grasses such as e.g. B. bamboo is the case.
  • the high temperatures during the pretreatment have surprisingly led to an improved availability of the lignin with a simultaneous discharge of the cellulose and the hemicelluloses. Due to the high temperatures, that is, at over 150° C. to 175° C., the lignin present in the middle lamella in particular is accessible, which promotes subsequent crosslinkability.
  • the pretreatment is preferably carried out by means of a steam explosion method, in which a water vapor treatment is provided for the corresponding regrowing biomass from lignocellulosic annual plants.
  • a preferred development of the invention is characterized in that the comminuted lignocellulose-containing annual plants are broken up during the pretreatment in such a way that their lignin-containing middle lamellae, the cell interstices and the primary and secondary walls are at least partially broken up, with the lignin being removed as completely as possible when the regrowing biomass is transferred remains in biomass fibers and is exposed for subsequent cross-linking during thermal treatment.
  • the lignin is used in that its phenolic macromolecular structure is used to form a dimensionally stable object.
  • the exposure of the lignin from the middle lamella makes it possible to use a larger proportion of the lignin than in conventional processes only a sporadic development of the properties of the lignin is given by insufficient availability.
  • the lignin from the cell is usually separated and discharged as completely as possible or remains inside and inaccessible in the middle lamella, z.
  • B. TMP or groundwood processes to prevent contact with other cell components and activation of the lignin.
  • An advantageous development of the invention is characterized in that the exposed lignin is at least essentially completely designed and set up to produce an irreversible connection of the object molding, with the accessibility of the lignin being increased. This leads to an improved and as complete as possible conversion or crosslinking of the lignin during the thermal treatment's, whereby particularly advantageous properties are given in the production of the dimensionally stable object.
  • An expedient embodiment of the invention is characterized in that the pre-treatment of the renewable biomass into biomass fibers is carried out by means of a steam-providing low-temperature steam digestion process, the temperature of the steam used being in the range of 100° C. to 200° C., preferably in the range of 120° C to 175 °C, and the digestion time using the steam is in the range from 50 s to 1,500 s, preferably in the range from 100 s to 900 s can be carried out with less energy input. Furthermore, the lignin softens as a result of the temperature supply, in order to make the lignin available during the subsequent crosslinking.
  • the duration of the temperature input and the level of the temperature can be varied depending on the renewable biomass used and/or depending on the fiber processing to be achieved, with the longer and higher the temperature input usually being, a more intensive pretreatment is carried out.
  • the low-temperature steam digestion process can preferably be used for renewable biomass, which as a starting product has a lower rigidity or a plant fiber structure of low complexity, which is particularly the case with annual plants such as e.g. B. grasses or straw is the case.
  • the pre-treatment of the renewable biomass into biomass fibers is carried out by means of a high-yield digestion process, preferably by a carbonate digestion process, the temperature in the high-yield digestion process being in the range from 100° C.
  • the digestion time is in the range from 15 minutes to 150 minutes, preferably in the range from 20 minutes to 60 minutes, and where a digestion agent with a concentration in the range from 5% to 35% is used preferably in the range from 10% to 25%, preferably Na2CC>3 in solution is used as the digestion agent.
  • concentration of the digestion agent as well as the duration of the temperature input and the level of the temperature can be varied depending on the renewable biomass used and/or depending on the fiber processing to be achieved, with a more intensive pretreatment usually being carried out, the higher the concentration of the digestion agent and the longer and higher the temperature input.
  • the high-yield digestion process can preferably be used for renewable biomass, which as a starting product has a higher rigidity or a plant fiber structure of higher complexity, which is particularly important in the case of perennial plants such as wood or more complex grasses such as e.g. B. bamboo is the case.
  • a further expedient embodiment of the invention is characterized in that the pretreatment is followed by grinding, the grinding being carried out using a refiner with grinding plates, with a plate spacing between the grinding plates of the refiner being selected in the range from 0.05 mm to 5 mm , preferably in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, and wherein a consistency of the renewable biomass is selected in the range of 0.5% to 10%, preferably in the range of 1% to 5%.
  • a more extensive possibility is given to provide a more in-depth pre-treatment of the renewable biomass to form biomass fibrous materials.
  • the selection of the refining plates can preferably also have an influence on the biomass fibers. Smaller plate spacings are preferably selected to produce more intensive grinding, and larger plate spacings can be selected to carry out “more gentle” grinding.
  • the pre-treatment process can be repeated by means of mechanical processing by the refiners, where the ground biomass produced is then fed back to the mechanical processing with different or the same plate distances.
  • the fiber is preferably treated by the refiner in such a way that the lignin predominantly (>50%) remains in the fiber composite or is available for later crosslinking. The consistency can be varied as a function of the renewable biomass used and/or as a function of the fiber processing to be achieved, with a higher consistency generally requiring a larger plate spacing between the refining plates.
  • At least one further process step for renewed sorting and/or comminution of the biomass fibers produced is arranged downstream of the pretreatment.
  • the sorting and/or comminution provides a further possibility for checking and/or homogenizing the raw material produced for the production of the dimensionally stable objects. In this way, more uniform and higher-quality products can be produced that have a high degree of purity. Impurities and undesired particles, which may have been included in the material flow through pre-treatment, can also be recognized by sorting and/or shredding and discharged from the process.
  • a preferred development of the invention is characterized in that the shaping process is carried out with the object tool, which is designed and set up as a molding tool and as a pressing tool corresponding to the molding tool, with the biomass fibrous materials being formed in the molding tool to form the object molding and with the Pressing tool are pressed to form a pressing tool pressing pressure, the pressing tool is tool pressing pressure in the range of 0.5 bar to 22 bar, preferably in the range of 1 bar to 8 bar. Execution of the molding process by the subject tool increases molding and consistency in the process.
  • the Ausbil tion of the object tool as a mold with a corresponding pressing tool represents a reliable way to deliver constant qualities in the production of a dimensionally stable object.
  • An expedient embodiment of the invention is characterized in that the shaping process is selected from one or more of the following methods: injection molding, extrusion, pressing or deep-drawing and blow molding.
  • the appropriate shaping process is preferably selected depending on the dimensionally stable object to be produced.
  • An advantageous development is characterized in that the properties of the dimensionally stable object can be adjusted by means of the pre-treatment of the renewable biomass into biomass fibers in connection with the shaping process and/or the thermal treatment such that the hardness, the dimensional stability and/or the water resistance, depending on the temperature, the pressing pressure, the consistency and/or the freeness.
  • the individual mechanical properties of the dimensionally stable object can be addressed selectively by adjusting the parameters in the method for producing the dimensionally stable object.
  • the nature of the fibers can be varied by a longer milling time, which results in an improved exposure of the lignin, whereby i.a. the mechanical properties of the end product are adjustable.
  • the other parameters can vary depending on the biomass entered and the processes used.
  • the thermal treatment of the molded article takes place with the formation of a drying pressure on the molded article, the drying pressure being in the range from 0.3 bar to 10 bar, preferably in the range from 0.5 bar to 5 bar.
  • a drying pressure being in the range from 0.3 bar to 10 bar, preferably in the range from 0.5 bar to 5 bar.
  • further means and/or process steps can preferably be present upstream or downstream in order to carry out improved drying or to introduce further material properties into the dimensionally stable object, for example a surface treatment.
  • the thermal treatment of the molded article takes place without the formation of a drying pressure on the molded article.
  • a further expedient embodiment of the invention is characterized in that the thermal treatment takes place at a temperature in the range from 70.degree. C. to 250.degree. C., preferably in the range from 130.degree. C. to 200.degree.
  • the use of a thermal treatment regularly results in a significantly plannable and shortened drying process for the molded object, which means that production can be carried out as required under known drying parameters.
  • the duration and level of the temperature input can be individually selected and adjusted depending on the renewable biomass used and/or depending on the size or shape of the molded article.
  • an advantageous development of the invention is characterized in that the proportion of lignin in the fibers of the renewable biomass is in the range from 5% to 45%, preferably in the range from 15% to 35%.
  • the proportion of lignin is predominantly dependent on the renewable biomass to be used and can be used and selected depending on the dimensionally stable object to be produced.
  • a renewable biomass with a high lignin content is preferably selected, it also being possible to use renewable biomass with a lower lignin content in the case of dimensionally stable objects with low required strength properties.
  • a further expedient embodiment of the invention is characterized in that no additional organic and/or inorganic adhesives are added during the pretreatment of the renewable biomass, the provision of the biomass fibers in the shaping process and during the thermal treatment of the biomass fibers.
  • dispensing with adhesives nevertheless leads to consistent qualitative and mechanical properties with an associated cost saving in the production of the dimensionally stable objects, since adhesives represent a high proportion of the costs in production.
  • An expedient embodiment of the invention is characterized in that no additives are added during the pretreatment of the renewable biomass, the provision of the biomass fibers in the shaping process and during the thermal treatment of the biomass fibers. So that's a hassle-free
  • the dimensionally stable objects can be composted, which in particular allows for easy disposal. Furthermore, the omission of additives nevertheless leads to consistent qualitative and mechanical properties with an associated cost saving in the production of the dimensionally stable objects, since additives represent a high proportion of the costs in production.
  • a preferred embodiment is characterized in that the raw materials of the renewable biomass are selected from at least one or a combination of long-fiber lignocellulose-containing plants, in particular from grasses, cereals, straw, bast, leaf, seed and seed husk fibers and/or wood preferably made from miscanthus, hemp, straw, oat hulls, flax, sisal and/or bamboo.
  • a small proportion of the raw materials used can be secondary fibers with a weight proportion of at most 25%.
  • the object is also achieved by a dimensionally stable object, preferably a container, produced by a method according to one or more of claims 1 to 17.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a dimensionally stable object according to the invention in a view obliquely from above
  • FIG. 2 shows a process diagram for an embodiment of a method according to the invention for producing a dimensionally stable object
  • FIG. 3 shows a simplified schematic representation of a typical structure of a lignin-containing plant cell network and 4 shows a simplified schematic representation of a typical structure of an exposed plant cell assembly containing lignin.
  • the method shown in the drawings for the production of a dimensionally stable Ge object on the basis of renewable biomass and the dimensionally stable object from renewable biomass is shown as an example as a method for manufacturing a container and as a container.
  • the invention relates in the same way to comparable dimensionally stable objects that not only have the function or design of a container.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment of a dimensionally stable object 10 from renewable biomass based on a container that was produced with the inventive method for producing a dimensionally stable object 10.
  • the container has, for example, a base body 11 with a receiving area 12, which is formed by a bottom 13 and a border 14, which is a cohesive side wall 14 hanging.
  • Fig. 2 shows a process diagram for the production of a dimensionally stable object 10 comprising the following steps: (I) providing renewable biomass 15, the renewable biomass 15 containing at least fibers 16 with lignin 17, in particular cellulose fibers with lignin 17, hemicelluloses and cellulose, and wherein the regrowing biomass is selected from the group of lignocellulose-containing annual plants, comprising at least lignin-containing middle lamellae, cell wedges, primary and secondary walls, (II) crushing the regrowing biomass 15, (III) moving the regrowing biomass 15 with water, (IV) Vorbe Treatment of the regrowing biomass 15 by essentially converting the regrowing biomass 15 into biomass fibers 18 while retaining a large part of the lignin 17 in the fibers 16, and with the removal and removal of at least part of the cellulose and the hemicelluloses, the relative proportion of the lignin 17 increasing will, (v ) Providing the biomass fibers 18 in (VI) a shaping process with a - not shown
  • the cellulose and the hemicelluloses are at least partially removed from the process, in that the cellulose and the hemicelluloses are at least partially dissolved out of the regrowing biomass 15, and that the lignin 17 is removed as completely as possible during the transfer of the regrowing biomass 15 is preserved in biomass fibers.
  • Fig. 4 the structure of the cells is shown schematically and the whereabouts of the lignin 17 when the cell wall or the middle lamella 21 is broken open. In this process, the basic structure is usually - deviating from the schematic illustration in Fig. 3 and Fig.
  • the cell is at least partially destroyed, as a result of which the cellulose and hemicelluloses predominantly contained in the primary and secondary walls are at least partially dissolved out.
  • the process is also carried out in an aqueous solution, which promotes the discharge of the corresponding cellulose and hemicelluloses.
  • the pretreatment (IV), starting from the renewable biomass leaves 50% to 100%, preferably 60% to 90%, of the lignin 17, 10% to 90%, preferably 30% to 70%, of the cellulose and 10 % to 70%, preferably 30% to 50%, of the hemicelluloses in the biomass fibers 18.
  • the process step of crushing the biomass 15 can be followed by a further process step (11a), in which the crushed or used biomass 15 is sorted.
  • Sorting (IIa) means, in particular, that dirt and impurities are removed from the manufacturing process in this step, as well as checking whether a uniformly desired comminution (II) has taken place in the preceding step. If necessary, excess or too small biomass 15 can be discharged after growing.
  • the aim of crushing (II) and sorting (IIa) is to produce a starting material that is as homogeneous as possible to provide the raw material for the further process.
  • Process steps (I), (II) and (IIa) can preferably be carried out locally independently of the other process steps for producing the dimensionally stable object 10.
  • the step of crushing (II) or sorting (11a) can also be left out if the (I) biomass 15 provided already has a corresponding size or the desired quality requirements for the method according to the invention.
  • the method step of sorting (11a) is carried out in particular by means of at least one sorter and/or by means of at least one hydrocyclone (cleaning). More preferably, a plurality of such devices can be arranged in series or in parallel.
  • the pre-treatment (IV) of the regrowing biomass 15 into biomass fibrous materials 18 is preferably carried out by means of (IVa) mechanical processing, the mechanical processing (IVa) comprising grinding the regrowing biomass 15 .
  • the mechanical treatment (IVa) is preferably carried out by means of a refiner with refining plates - not shown in detail in the figures - with a plate spacing of the refining plates of the refiner being selected in the range from 0.05 mm to 5 mm, preferably in the range from 0 1 mm to 0.5 mm, and wherein a substance density of the regrowing biomass is selected in the range from 0.5% to 10%, preferably in the range from 1% to 5%.
  • the pre-treatment (IV) of the renewable biomass 15 into biomass fibers 18 is carried out by means of a high-temperature steam digestion process (IVb) that provides steam, the temperature of the steam used being in the range of 150 °C to 280 °C, preferably in the range of 175 °C to 250 °C, and the digestion time using steam is in the range from 10 s to 900 s, preferably in the range from 20 s to 300 s.
  • the high-temperature steam digestion process (IVb) is simplified and only shown schematically as a secondary process step under the Pretreatment (IV) shown in FIG.
  • the high-temperature steam digestion process (IVb) can also be carried out as an independent process step and, for example, be carried out continuously or in a batch process.
  • the comminuted lignocellulose-containing annual plants are broken up in such a way that their lignin-containing middle lamellae 21, the cell interstices and the primary and secondary walls are at least partially broken open, with the lignin 17 being retained as completely as possible during the conversion of the regrowing biomass 15 into biomass fibers and being exposed for subsequent crosslinking during the thermal treatment (VII).
  • FIG. 4 schematically shows the regrowing biomass 15 of a lignocellulose-containing annual plant after its pretreatment (IV), whereby the exposed lignin 17 becomes clear.
  • use of the lignin 17 is given by the availability.
  • FIG. 1 In a comparison with FIG.
  • the exposed lignin 17 is preferably at least essentially completely designed and set up to produce an irreversible connection (VIII) of the molded object, the accessibility of the lignin 17 being increased.
  • the pre-treatment (IV) of the renewable biomass 15 into biomass fibers 18 is carried out by means of a low-temperature steam digestion process (IVc) that provides steam, the temperature of the steam used being in the range of 100° C. to 200° C., preferably in the range of 120°C to 175°C, and wherein the steam digestion time is in the range of 50s to 1500s, preferably in the range of 100s to 900s.
  • IVc low-temperature steam digestion process
  • the low-temperature steam digestion process (IVc) is simplified and only shown schematically as a secondary process step under the pretreatment (IV) in FIG.
  • the low-temperature steam digestion process (IVc) can also be carried out as an independent process step and, for example, be carried out continuously or in a batch process.
  • a post-processing of the biomass fibrous materials 18 can be provided after the pretreatment (IV).
  • steps (II) and (11a) can be provided.
  • the steps preferably include sorting and/or crushing of the biomass fibers 18 in order to provide further quality control of the renewable biomass 15 produced by the pretreatment or the mechanical processing.
  • the Process steps are carried out in particular by means of at least one sorter and/or at least one hydrocyclone (cleaning).
  • FIG. 2 shows a further preferred embodiment of the method according to the invention for the production of dimensionally stable objects 10, in which the pre-treatment (IV) of the renewable biomass 15 into biomass fibrous materials 18 takes place by means of a high-yield digestion process (IVd), preferably by a carbonate digestion process wherein the temperature in the high-yield pulping process is in the range of 100°C to 215°C, preferably in the range of 135°C to 175°C, and wherein the pulping time is in the range of 15 min to 150 min, preferably in the range from 20 min to 60 min, and wherein a dissolving agent is used with a concentration in the range from 5% to 35%, preferably in the range from 10% to 25%, preferably Na 2 CO 3 in solution is used as the dissolving agent.
  • a high-yield digestion process IVd
  • a carbonate digestion process wherein the temperature in the high-yield pulping process is in the range of 100°C to 215°C, preferably in the range of
  • the high-yield digestion process (IVd) with the specific exemplary embodiment of the carbonate digestion process is simplified and only shown schematically as a secondary process step under the pretreatment (IV).
  • the high-yield digestion process (IVd) can also be carried out as an independent process step and can be carried out, for example, continuously or in a batch process.
  • the process steps of the pretreatment (IV) or (IVa) to (IVd) can preferably be carried out downstream of grinding (IVa'), the grinding being carried out by means of a refiner with grinding plates, with a plate spacing of the grinding plates of the refiner in the range of 0.05 mm to 5 mm is selected, preferably in the range from 0.1 mm to 0.5 mm, and wherein a substance density of the regrowing biomass is selected in the range from 0.5% to 10%, preferably in the range from 1 % until 5 %.
  • the subsequent grinding (IVa′) is shown in the process diagram for the secondary process steps (IVa) to (IVd), stylized.
  • FIGS. 3 and 4 show a simplified representation of a plant cell compound 19 with a plurality of plant cells 20 .
  • Each of the cells 20 usually has a cell wall (middle lamella) 21 and a cell cavity (lumen) 22 .
  • Each of the individual cells 20 can be different expressed as part of an individual fiber 16 of the regrowing biomass 15 or as a cross-sectional view of a fiber 16 which is connected to other cells 20 via the cell wall 21 or the middle lamella to form the plant cell composite 19 .
  • the lignin 17 is regularly arranged in annual plants containing lignocellulose; the main occurrence of the lignin is in the middle lamella and the gusset 25, which represents the area where several middle lamellae converge.
  • FIG. 3 shows a natural cell network 19 before pretreatment (IV) with the method according to the invention.
  • the cells 20 are firmly connected to the lignin 17 and form a rigid cell network 19 which is not soluble in water.
  • FIG 4 shows a cell assembly 19 during or after the pretreatment (IV), in which the cell assembly 19 is at least partially exposed (“torn open”), which is indicated by the stylized cracks 24 in the cell wall 21 area.
  • the pretreatment (IV) converts the regrowing biomass 15 into biomass fibrous materials 18, with the structure of the cell composite 19 being changed by the cell walls 21 or the lignin-containing areas of the middle lamella and the gusset 25 being at least partially exposed.
  • the cells 20, that is, the fibers 16 are no longer present as a complex cell composite 19, but the outer surfaces 23 of the exposed cell wall areas 21 have been made available by the pretreatment.
  • the lignin 17 of the cell wall 21 can be made available for the further process, in particular for the shaping process (VI) and the subsequent crosslinking (VIII), whereby the formation of a dimensionally stable object 10 according to the invention is made possible.
  • the conversion of the lignin 17 contained in the fibers 16 of the biomass fibrous materials 18 to the outer surface of the fibers 16 can be seen at least in regions.
  • the lignin 17 is not necessarily “relocated” to the outer surface 23 of the fibers 16 (locally), but rather the lignin 17 is accessible due to the tearing open of the cell composite 19, whereby subsequent crosslinking (VIII) in the course of the shaping process (VI) and the thermal treatment (VII) to form the dimensionally stable object 10 is made possible.
  • the method step of the shaping process (VI) which is shown stylized in Fig.
  • the object tool which in a preferred embodiment is designed and set up as a shaping tool and as a pressing tool corresponding to the shaping tool, the biomass fiber materials 18 are formed in the molding tool to form the article molding and are pressed with the pressing tool to form a pressing tool pressure, the pressing tool pressure being in the range from 0.5 bar to 22 bar, preferably in the range from 1 bar to 8 bar.
  • the shaping process (VI) is preferably selected from one or more of the following processes: injection molding processes, extrusion processes, pressing processes or deep-drawing and blow molding processes.
  • the properties of the dimensionally stable object 10 can preferably be adjusted by means of the pretreatment (IV) of the renewable biomass 15 into biomass fibers 18 in connection with the shaping process (VI) and/or the thermal treatment (VII) in such a way that the hardness, the dimensional stability and/or or the water resistance can be varied depending on the temperature, the pressing pressure, the consistency and/or the freeness.
  • the individual process steps can be adapted and controlled accordingly.
  • Such parameters are preferably adjusted on the basis of known process steps, with the lignin 17 being made available for use in the crosslinkability in the shaping process (VI) or for the thermal treatment (VII).
  • the thermal treatment (VII) of the molded article preferably takes place with the formation of a drying pressure on the molded article, the drying pressure being in the range from 0.3 bar to 10 bar, preferably in the range from 0.5 bar to 5 bar.
  • the thermal treatment (VII) of the molded article can also be carried out without the formation of a drying pressure on the molded article.
  • the thermal treatment (VII) preferably takes place at a temperature in the range from 70.degree. C. to 250.degree. C., preferably in the range from 130.degree. C. to 200.degree.
  • the provision (V) of the biomass fibers 18 in the shaping process (VI) and during the thermal treatment (VII) of the biomass fibers 18 no additional organic and/or inorganic adhesives added. More preferably, no additives are added during the pretreatment (IV) of the renewable biomass 15, the provision (V) of the biomass fibrous materials 18 in the shaping process (VI) and during the thermal treatment (VII) of the biomass fibrous materials 18. Particularly preferably, neither organic and/or inorganic adhesives nor additives are added to the entire method for producing the dimensionally stable object 10 .
  • the method for producing a dimensionally stable object 10 is preferably carried out only with the raw materials of the renewable biomass 15, with water being included as the solvent.
  • the raw materials of the renewable biomass 15 are preferably selected from at least one or a combination of the long-fiber lignocellulose-containing plants, in particular from grasses, cereals, straw, bast, leaf, seed and seed husk fibers and/or wood, particularly preferably from miscanthus, hemp, Straw, oat hull, flax, sisal and/or bamboo.
  • the raw materials come particularly preferably from agricultural residues that are not accessible for primary use.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes (10), mit den folgenden Schritten: Bereitstellen von nachwachsender Biomasse (15), (I), wobei die nachwachsende Biomasse (15) zumindest Fasern (16) mit Lignin (17), insbesondere Cellulosefasern mit Lignin (17), Hemicellulosen und Cellulose enthalten, Zerkleinern der nachwachsenden Biomasse (15), (II), Versetzen der nachwachsenden Biomasse (15) mit Wasser (III), Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) durch im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) unter Beibehaltung eines Großteils des Lignins (17) in den Fasern (16), und unter Herauslösen und Austragen zumindest eines Teils der Cellulose sowie der Hemicellulosen, wobei der relative Anteil des Lignins (17) erhöht wird, Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in einem Formgebungsprozess (VI) mit einem Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines Gegenstandformlings, thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) enthaltenen Lignins (17) an die Außenfläche (23) der Fasern (16), Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung (VIII) des Gegenstandformlings durch Vernetzung der Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) untereinander mittels des Lignins (17). Die Erfindung betrifft auch einen entsprechenden formstabilen Gegenstand (10).

Description

Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes aus nachwachsender Biomasse und formstabiler Gegenstand
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes, vorzugsweise eines Behälters, aus nachwachsender Biomasse.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen formstabilen Gegenstand aus nachwachsen der Biomasse.
Verfahren zur Herstellung formstabiler Gegenstände, insbesondere Behälter, sowie formstabile Gegenstände aus nachwachsenden Rohstoffen sind seit vielen Jahren aus dem Stand der Technik bekannt und werden vor allem im Bereich der Einwegver packungen oder Einweggenstände eingesetzt. Derartige Einwegverpackungen oder Einweggenstände werden in der Regel zum Aufbewahren, Transportieren oder Ver packen von Lebensmitteln und sonstigen Konsumgütern eingesetzt. Weiter finden sich Verfahren zur Herstellung formstabiler Gegenstände oder formstabile Gegenstände aus nachwachsenden Rohstoffen mit einem Verwendungszweck außerhalb des Verpackungsbereichs, insbesondere in der Lebens- oder Konsumgüterindustrie. Die formstabilen Gegenstände können dabei grundsätzlich eine Vielzahl an Gegenständen ersetzen, die derzeit aus Kunststoffen oder anderen dauerhaften Materialien hergestellt werden. Derartige formstabile Gegenstände werden sowohl vom Endkunden als auch von den herstellenden Unternehmen nachgefragt, um einerseits Gegenstände auf nachhaltiger Basis zu verwenden oder um Produkte in Gegenständen auf nachhaltiger Basis bereitzustellen.
Bei den Verpackungsmaterialien im Bereich der Lebensmittelindustrie besteht der überwiegende Anteil der eingesetzten Verpackungs- und Transportmaterialien auf Basis von Kunststoffen, wobei davon der größte Anteil auf Einwegverpackungen entfällt. In den vergangenen Jahren sind vermehrt Bestrebungen aufgekommen, den Anteil an recycelten oder biologisch abbaubaren Kunststoffen sukzessive zu erhöhen, obwohl weiterhin der Anteil an Kunstoffen aus fossilen Rohstoffen deutlich dominiert. Um den Anteil an fossilen Rohstoffen zu reduzieren, wird branchenübergreifend versucht, einen höheren Anteil an holz- bzw. papierbasierten Rohstoffen als Ausgangs produkte für die herzustellenden Produkte sowie für die Verpackungs- oder Transport- gegenstände einzusetzen. Neben den überwiegend positiven Umweltfaktoren der auf Basis nachwachsender Biomasse hergestellten Gegenstände, was beispielsweise auf eine Reduzierung der entstehenden Treibhausgase und der Restmüllvermeidung zurückzuführen ist, weisen die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) auch einige fundamentale Nachteile gegenüber den bekannten Produkten aus Kunststoff, Metallen, Glas etc. auf.
Die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) sind regelmäßig deutlich in der Dauerhaftigkeit gegenüber den „herkömmlichen“ Produkten unterlegen; insbesondere weisen die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) unter anderem aufgrund hygroskopischer Materialeigenschaft en der eingesetzten Rohstoffe ein nachteiliges Verhalten im Zusammenhang mit Feuchtigkeit auf.
Als Ausgangsstoffe dienen für die bekannten Produkte auf Basis der nachwachsenden Rohstoffe in der Regel Faserstoffe, die aus Holz gewonnen werden. Derartige Faser zellen weisen unterschiedliche Schichten auf und bestehen hauptsächlich aus Cellul ose, Hemicellulosen und Lignin. In den jeweiligen Schichten liegen unterschiedliche Mengenanteile der bekannten chemischen Bestandteile Cellulose, Hemicellulosen und Lignin vor. Die größten Anteile weisen Cellulose (ca. 50 Prozent) und die Hemicellu losen (ca. 30 Prozent) auf. Das Lignin durchzieht alle Schichten und weist in der Nähe des Lumens eine sehr geringe Konzentration auf, während der Großteil des Lignins in der Mittellamelle angesiedelt ist und schwer zugänglich ist. Allgemein stellt die Holz faser eine pflanzliche Zelle dar, die vergleichbar auch bei den lignocellulosehaltigen Einjahrespflanzen analog aufgebaut ist. Sie besteht aus mehreren Primär- und Sekun därwänden, welche den inneren Hohlraum, das Lumen, umschließen. Den äußeren Ring nennt man Mittellamelle und dieser dient in erster Linie zur Anbindung an die angrenzenden weiteren Zellen und besteht überwiegend aus dem wasserunlöslichen Lignin. Eine Trennung der einzelnen Faserbestandteile ist naturgemäß mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Bei den bekannten bestehenden Verfahren aus der Papierindustrie lag der Fokus in der Regel auf dem Herauslösen der Ligninbestand teile. Dadurch sollte eine Faser-Faser-Bindung auf Basis sogenannter Wasserstoff brückenbindungen erreicht werden. Diese Bindungsart ist jedoch sehr stark wasser- empfindlich, zudem werden bestimmte Festigkeitseigenschaften, wie die Biege- und Druckfestigkeit, stark negativ beeinflusst.
Die bekannten formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) eignen sich in der Regel nicht für einen dauerhaften Einsatz im feuchten Milieu, wodurch eine Vielzahl an Verwendungszwecken wegfällt. Um diesen naturgegebenen Nachteil bei der Verwendung nachwachsender Biomasse auszugleichen, werden regelmäßig in einem oder mehreren der Verfahrensschritte zur Herstellung derartiger formstabiler Gegenstände Stoffe hinzugefügt, was eine Optimierung der Oberfläche oder der physikalischen Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes bewirken soll. Der Einsatz von Zusatzstoffen im Verarbeitungsprozess hat allerdings regelmäßig zur Folge, dass einerseits die Verarbeitbarkeit erschwert wird, indem beispielsweise weitere Verfahrensschritte vorgenommen werden müssen oder dass andererseits die anschließende Recycling- oder Kompostierfähigkeit der entsprechend hergestellten formstabilen Gegenstände nicht mehr gegeben ist. Die Mischung von nachwachsen den mit nichtnachwachsenden Rohstoffen führt häufig zu dem weiteren Nachteil, dass Mischstoffe oder Verbundwerkstoffe (Kompositmaterialien, Verbundmaterialien) entstehen, die sich aus ökonomischen oder verfahrenstechnischen Gesichtspunkten nicht mehr trennen lassen können und daher im weiteren Verlauf nicht einmal mehr der Kreislaufwirtschaft zur Verfügung stehen. Derartige Produkte können daher regelmäßig im letzten Schritt nur noch der thermischen Verwertung zugeführt werden, wodurch wiederum ursprünglich zu vermeidende Treibhausgase entstehen.
Weitere Nachteile der formstabilen Gegenstände auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) liegen neben der verschlechterten hygroskopischen Eigenschaft in den schlechteren mechanischen Materialeigenschaften gegenüber den „herkömmlichen“ Produkten für vergleichbare Verwendungszwecke. Zu den verschlechterten Materialeigenschaften zählen unter anderem die verminderte Festigkeitseigenschaft, Elastizität, Härte oder Sprödigkeit. Viele der bekannten formstabilen Gegenstände aus nachwachsender Biomasse werden darüber hinaus mit ungeeigneten oder abgekürzten Verfahrens schritten erzeugt, z. B. wird zur Erreichung eines „natürlichen“ Produkts auf essentielle Hilfsstoffe oder Additive verzichtet, wodurch einerseits die obigen verschlechterten Materialeigenschaften entstehen und andererseits Endprodukte mit minderwertiger Ästhetik (Oberfläche, Sauberkeit, Verfärbungen) erzeugt werden. Sofern bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von formstabilen Gegenständen aus nach wachsender Biomasse auf zusätzliche Klebstoffe, Bindemittel oder andere Zuschlag stoffe verzichtet wird, sind die entstehenden Produkte nur für einen sehr begrenzten Verwendungszweck geeignet und nicht mit den „herkömmlichen“ Produkten, z. B. auf Basis von Kunststoffen, aufgrund der begrenzten Materialeigenschaften konkurrenz fähig.
Bei den bekannten formstabilen Gegenständen auf Basis nachwachsender Biomasse (respektive holz- oder papierbasierte Verpackungs- oder Transportgegenstände) gibt es neben den technischen Eigenschaften der Produkte zudem Interessens- bzw. Real- Konflikte bei den einzusetzenden Rohstoffen. In der Umweltökonomie spricht man da her auch von Nutzenkonkurrenz. Ein bekanntes Beispiel ist die Teller-Tank-Diskussion bei der Erzeugung von Biokraftstoffen, die sich ebenfalls auf die zu verwendenden Rohstoffe für formstabile Gegenstände übertragen lässt. Das Grundproblem besteht darin, dass häufig Rohstoffe als Ersatzprodukte von fossilen Produkten verwendet werden, die anderenorts der Lebensmittelindustrie (z. B. Weizen-, Mais- oder Kartoffelstärke) entzogen werden, wodurch nicht nur die Preise steigen und Mono kulturen beim Anbau befördert werden, sondern auch die Verfügbarkeit der entspre chenden Rohstoffe bzw. der Lebensmittel reduziert werden. Um diesem Problem entgegenzutreten, sind bereits Verpackungen bekannt, die aus Pflanzenabfällen hergestellt werden, für die keine primäre Nutzung mehr vorgesehen ist.
Es sind beispielsweise Verpackungen aus Pflanzenabfällen aus der Landwirtschaft bekannt, die zunächst maschinell zerkleinert werden. Der durch Wasserzusatz ent stehende Faserbrei wird in Formen gebracht und anschließend unter dem Einsatz eines Pressdrucks entwässert. Dabei entstehen einfache Verpackungen, z. B. Eier pappen, die in der Regel keine guten Eigenschaften gegenüber externen Einflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck-, Biege- oder Zugbelastung, Sonneneinstrahlung etc. aufweisen. Eine erhöhte Dauerhaftigkeit der durch dieses Verfahren erzeugten Verpackungen kann durch Zugabe von Additiven wie beispielsweise Harzen, Kleber, Leime etc. erreicht werden, wodurch - wie bereits oben erwähnt - die Kompostier- barkeit, Recyclingfähigkeit sowie weitere Nutzung der Rohstoffe ausgeschlossen ist.
Die aus dem Stand der Technik bekannten formstabilen Gegenstände sind daher entweder nicht ausreichend haltbar bzw. weisen nur unzureichende physikalische Eigenschaften auf, wenn die Produkteigenschaften auf die in den natürlichen Ausgangsstoffen enthaltenen Kohlenhydrate-Bausteine (Cellulose, Stärke etc.) basieren; oder sind nicht mehr als natürliche / kompostierbare formstabile Gegen stände anzusehen, wenn zusätzliche Bindemittel und Additive den Herstellungs verfahren hinzugefügt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes, vorzugsweise eines Behälters, bereitzustellen, bei dem der formstabile Gegenstand einerseits gute und gewünschte Materialeigenschaften aufweist, insbesondere verbesserte Festigkeits- und Wasserresistenzeigenschaften gegenüber den bekannten Produkten aus nachwachsender Biomasse, und das andererseits bedarfsgerecht, kostengünstig und zuverlässig ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, umfassend die folgenden Schritte, gelöst: Bereitstellen von nachwachsender Biomasse, wobei die nachwach-sende Biomasse zumindest Fasern mit Lignin, insbesondere Cellulosefasern mit Lignin, Hemicellulosen und Cellulose enthalten, und wobei die nachwachsende Biomasse aus der Gruppe der lignocellulosehaltigen Einjahrespflanzen ausgewählt ist, umfassend zumindest lignin haltige Mittellamellen, Zellzwickel, Primär- und Sekundärwände, Zerkleinern der nach wachsenden Biomasse, Versetzen der nachwachsenden Biomasse mit Wasser, Vorbe handlung der nachwachsenden Biomasse durch im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe unter Beibehaltung eines Großteils des Lignins in den Fasern, und unter Herauslösen und Austragen zumindest eines Teils der Cellulose sowie der Hemicellulosen, wobei der relative Anteil des Lignins erhöht wird, Bereitstellen der Biomassefaserstoffe in einem Formgebungsprozess mit einem Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines Gegenstandformlings, thermi sche Behandlung des Gegenstandformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern der Biomassefaserstoffe enthaltenen Lignins an die Außenfläche der Fasern, Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung des Gegenstand formlings durch Vernetzung der Fasern der Biomassefaserstoffe untereinander mittels des Lignins.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist überraschenderweise festgestellt worden, dass das Lignin bei dem Herstellungsverfahren eines formstabilen Gegenstandes positive Eigenschaften besitzt, indem die phenolischen Makromoleküle des Lignins mit ihren funktionalen Seitengruppen als Bindemittel für die zu erzeugenden formstabilen Gegenstände fungieren. Das Lignin muss dazu nicht vollständig aus den Biomasse- faserstoffen herausgelöst werden, sondern kann und soll in der Faserstruktur erhalten bleiben. Ein überraschender positiver Effekt ist darüber hinaus gegeben, wenn Teile der Cellulose sowie der Hemicellulosen aus dem Faserverbund der nachwachsenden Biomasse herausgelöst und ausgetragen werden. Auf diese Weise wird ein höherer Gesamtanteil von Lignin in der bereitgestellten Biomassefaserstoffe angereichert, um die überraschenden Eigenschaften des Lignins und seiner Vernetzung in Verbindung mit den verbleibenden Faserbestandteilen anzuwenden und auszuführen. Das Lignin, als 3-dimensionales Makromolekül, wird während des Verarbeitungsprozesses an die Außenflächen der Fasern der Biomassefaserstoffe überführt und angereichert, um anschließend bei der Erzeugung über seinen Glas-Transition-Point (Fließpunkt) zu der irreversiblen Vernetzung der in dem Gegenstandsformling enthaltenen Fasern beizutragen. In der Folge weisen die daraus resultierenden formstabilen Gegenstände positive Materialeigenschaften, wie beispielsweise hohe Festigkeitswerte, positive Wasserwiderstandseigenschaften, homogene Materialeigenschaften etc., auf. Auf diese Weise werden bei den durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten formstabilen Gegenständen umfangreiche Vorteile in Bezug auf die Materialeigenschaften, gegenüber den Produkten aus dem Stand der Technik, erzeugt. Durch den natürlichen Ursprung des Lignins ist darüber hinaus eine Kompostierbarkeit der formstabilen Gegenstände sowie eine sekundäre Nutzung als Rohstoff für weitere Produktgruppen, beispielsweise im Bereich der Holzwerkstoffindustrie, gegeben. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise jeweils in Abhängigkeit von der zu verwendende nachwachsende Biomasse ausgewählt sein. Dabei ist es weiter bevorzugt je nach Ausgangsmaterial möglich, dass einzelne Verfahrensschritte ausgelassen bzw. zusammengelegt werden. Es ist insbesondere zum Erzeugen eines formstabilen Gegenstandes wichtig, dass bei der Vorbehandlung eine teilweise „Freilegung“ bzw. eine teilweise Verfügbarkeit des Lignins gegeben ist, wodurch eine anschließende Aktivierung mit der Vernetzung der Faserbestandteile ausführbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt, wobei besonders bevorzugt einzelne Teilschritte, wie beispielsweise die Vorbehandlung oder die Zerkleinerung kontinuierlich durchgeführt werden und der Formgebungsprozess oder die thermische Behandlung kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der formstabilen Gegenstände erfordert einen geringen Komplexitätsgrad bei den verfahrenstechnischen Schritten, so dass ein kostengünstiger Betrieb möglich ist, was wiederum zu kostengünstigen Endprodukten führt. Vorzugsweise wird für das erfindungsgemäße Verfahren nur ein Eintrag an Wasser, Wärme sowie elektrische Energie für Antriebsmotoren benötigt, wodurch hohe Kosten von Prozesschemikalien oder weiteren Zusatzstoffen, wie Füll oder Klebstoffe, vermieden werden.
Bei der Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse durch eine im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe unter Beibe haltung zumindest eines Großteils des Lignins in den Fasern, verbleibt vorzugsweise mindestens 50 % des in den eingesetzten Fasern enthaltenen Lignins aus der nach wachsenden Biomasse in dem Biomassefaserstoff.
Unter „formstabilen Gegenstand“ im Sinne der Erfindung sind grundsätzlich sämtliche Gegenstände zu verstehen, die mittels bereitgestellter Biomassefaserstoffe herstellbar sind. Dazu zählen insbesondere Behälter, wobei die Behälter für eine Vielzahl an Funk tionen einsetzbar sind. Derartige formstabile Gegenstände bzw. Behälter sind auch allgemein unter den Begriffen Verpackungsmaterialien, Einweg- und Mehrwegver packungen, (Einweg-)Geschirr, (Einweg-)Schalen, (Einweg-)Teller, (Einweg-)Becher, „To-Go“-Verpackungen oder dergleichen bekannt. Die formstabilen Gegenstände umfassen dabei explizit hohlraumbildende Gegenstände als auch Gegenstände mit Vollmaterialien. Relativ dünnwandige formstabilen Gegenstände sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt herzustellen, bevorzugt Dicken im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, wobei ebenfalls dickere und dünnere Gegenstände mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.
„Nachwachsende Biomasse“ ist im Sinne der Erfindung sämtliche Biomasse, die aus nachwachsenden Ressourcen stammt. Unter nachwachsender Biomasse fällt insbe sondere auch der Zusatz von nicht-nachwachsender Biomasse, wie beispielsweise Altpapier oder recycelte Fasern, wobei diese maximal bis zu 25 Gewichtsprozenten enthalten sind. Die nachwachsende Biomasse besteht vorzugsweise aus Agrarrest stoffen, die in der Regel nicht primär genutzt werden.
„Zerkleinern“ der nachwachsenden Biomasse bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der eingesetzte Rohstoff derart zerkleinert wird, damit dieser den nachfolgenden Pro zessen zuführbar ist. Dabei kann sich die Größe des „Zerkleinerns“ abhängig von den nachgelagerten Verfahrensschritten unterscheiden. „Zerkleinern“ wird beispielsweise auch unter den Begriffen schneiden, zerbrechen, hacken, raspeln, schaben, (ab-)tren- nen, kürzen oder separieren synonym verwendet. Das Zerkleinern führt regelmäßig zu Segmenten mit einer Länge von 0,5 cm bis 15 cm, wobei explizit auch längere und kürzere zerkleinerte Segmente nachwachsender Biomasse von der Begrifflichkeit umfasst sind.
Das Versetzen der nachwachsenden Biomasse mit Wasser kann alternativ auch mit wasserähnlichen Lösungsmitteln erfolgen oder mit Flüssigkeiten, die überwiegend Wasser enthalten, aber neben Wasser noch weitere (natürliche) Bestandteile auf weisen.
„Herauslösen und Austragen zumindest eines Teils der Cellulose sowie der Hemi- cellulosen“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der Anteil Cellulose sowie der Hemicellulosen im Rahmen der Vorbehandlung verringert wird, zumindest stärker verringert wird als der Anteil des Lignins. Das Herauslösen und Austragen kann einerseits gesteuert und aktiv erfolgen oder andererseits im Rahmen des Vorbe handlungsprozesses als nebengeordneter Effekt auftreten. Es ist jedoch im Sinne der Erfindung zweckdienlich, dass zumindest ein Teil der Cellulose und der Hemicellulosen erhalten bleiben, vorzugsweise ca. 20 % bis 70 %.
Unter „Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung durch Vernetzung“ im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass nicht der gesamte formstabile Gegen stand eine irreversible Verbindung durch Vernetzung aufweisen muss, aber zumindest derart mittels des Lignins vernetzt ist, dass bereichsweise eine irreversible Verbindung entsteht, wodurch die entsprechenden positiven Materialeigenschaften bei dem formstabilen Gegenstand erzeugt werden.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung die Hemicellulosen und die Cellulose zumindest teilweise aus dem Verfahren ausgetragen werden, indem die Cellulose sowie die Hemicellulosen zumin dest teilweise aus der nachwachsenden Biomasse herausgelöst werden, und dass das Lignin möglichst vollständig beim Überführen der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe erhalten bleibt. „Zumindest teilweise aus der nachwachsenden Biomasse herausgelöst“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass mindestens 10 % der Cellulose und/oder der Hemicellulosen aus der nachwachsenden Biomasse im Rah men der Vorbehandlung ausgetragen werden. Der relative Anteil der ausgetragenen Cellulose sowie der Hemicellulosen ist höher als der potentielle ausgetragene Anteil des Lignins. Unter „Herauslösen“ ist sowohl die beabsichtigte als auch die unbeab sichtigte Verringerung des Anteils der Faserbestandteile zu verstehen, die im Rahmen der Vorbehandlung auftreten bzw. auftreten können. Eine Reduktion des Anteils der Cellulose sowie der Hemicellulosen erhöht den relativen Anteil des Lignins in dem Zwischenprodukt, dem Biomassefaserstoff, wodurch die überraschenden positiven Eigenschaften des Lignins im Zuge der Herstellung der formstabilen Gegenstände auftreten.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung ausgehend von der nachwachsenden Biomasse 50 % bis 100 %, vorzugsweise 60% bis 90 %, des Lignins, 10 % bis 90 %, vorzugsweise 30 % bis 70 %, der Cellulose sowie 10 % bis 70 %, vorzugsweise 30 % bis 50 %, der Hemicellulosen in den Biomassefaserstoffen verbleiben. Bei einer Verringerung der entsprechenden Cellulose sowie der Hemicellulosen entstehen in Abhängigkeit von der Verringerung unterschiedlich hohe relative Anteile des Lignins im Biomassefaserstoff.
In der Regel weist der formstabile Gegenstand bei höheren relativen Ligninanteilen verbesserte Widerstandsfähigkeiten gegenüber externen Einflüssen wie Feuchtigkeit, Biege- und Druckbelastung etc. auf, wobei jedoch insbesondere die Vernetzung bei höheren Ligninanteilen verstärkt ausgebildet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehand lung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels einer mechani schen Aufbereitung erfolgt, wobei die mechanische Aufbereitung eine Mahlung der nachwachsenden Biomasse umfasst. Die mechanische Aufbereitung weist den Vorteil auf, dass einerseits aus der Papierindustrie schon eine Vielzahl an Prozessen und Vorrichtungen bekannt sind, die für eine mechanische Aufbereitung zugrunde gelegt werden können und andererseits bietet die mechanische Aufbereitung die Möglichkeit einer bedarfsgerechten Veränderung der Faserstruktur der in der nachwachsenden Biomasse enthaltenen Fasern. Als mechanische Aufbereitungsmittel sind unterschied liche Vorrichtungen denkbar, wobei vorzugsweise das Mahlen der Fasern mittels Refiner vorgenommen wird. Auf diese Weise kann eine bekannte Technologie der mechanischen Aufbereitung verwendet werden, um eine Veränderung der Fasern nach den entsprechenden Kriterien des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzunehmen.
Dabei ist lediglich die mechanische Aufbereitung zwar grundsätzlich aus der papier verarbeitenden Industrie bekannt, jedoch wird dort ein unterschiedliches Ziel mit der mechanischen Aufbereitung verfolgt, da bei dortigen Prozessen eine Fibrillierung der Cellulose für eine Wasserstoffbrückenbildung erfolgen soll. Das Freilegen oder eine Anreicherung des Lignins in den Außenbereichen der Zellen und Fasern ist dabei unerwünscht. Die genannten Wasserstoffbrücken sind jedoch sehr wasserempfindlich und bilden auch keine hohen mechanischen Festigkeitseigenschaften aus, wie es bei den durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten formstabilen Gegen ständen gegeben ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Aufbereitung mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Platten abstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugs weise im Bereich von 1 % bis 5 %. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Möglichkeit bereitgestellt, um eine Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse zu Biomasse faserstoffen bereitzustellen. Neben dem Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners, der je nach zu mahlendem nachwachsendem Rohstoff und/oder je nach gewünschtem Mahlgrad bedarfsgerecht einstellbar ist, kann vorzugsweise auch die Auswahl der Mahlplatten einen Einfluss auf die Biomassefaserstoffe haben. Die Mahlplatten können dabei vorzugsweise unterschiedliche Geometrien aufweisen, die veränderbar sind. Zur Erzeugung einer intensiveren Mahlung werden vorzugsweise geringere Plattenabstän de ausgewählt und zur Durchführung einer „schonenderen“ Mahlung können weiter bevorzugt größere Plattenabstände ausgewählt werden. Besonders bevorzugt kann der Vorgang der Vorbehandlung mittels mechanischer Aufbereitung durch die Refiner wiederholt werden, wobei die erzeugte gemahlene Biomasse anschließend bei unter schiedlichen oder gleichen Plattenabstände erneut der mechanischen Aufbereitung zugeführt wird. Insgesamt wird die nachwachsende Biomasse bevorzugt durch die Refiner-Behandlung derart bearbeitet, dass das Lignin überwiegend (> 50 %) im Faser verbund verbleibt bzw. zur späteren Vernetzung zur Verfügung steht. Die Stoffdichte kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei bei einer höheren Stoffdichte in der Regel ein größerer Plattenabstand der Mahlplatten zu wählen ist.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels eines einen Dampf bereitstellenden Hochtemperaturdampfaufschlussprozesses, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 150 °C bis 280 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 175 °C bis 250 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 10 s bis 900 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 s bis 300 s. Somit findet bereits eine Erweichung der eingesetzten Fasern statt, wodurch unter anderem die nachgeordnete mechanische Aufbereitung mit geringerem Energieeintrag durch geführt werden kann. Weiter wird bereits durch die Temperaturzufuhr eine Erweichung des Lignins ausgebildet, um eine (verbesserte) Verfügbarkeit des Lignins bei der anschließenden Vernetzung bereitzustellen. Die Dauer des Temperatureintrags sowie die Höhe der Temperatur kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei in der Regel eine intensivere Vorbehandlung ausgebildet wird, je länger und höher der Temperatureintrag ist. Der Hochtemperaturdampfaufschlussprozess kann bevorzugt für nachwachsende Biomasse eingesetzt werden, die als Ausgangs produkt eine höhere Steifigkeit bzw. eine Pflanzenfaserstruktur von höherer Kom plexität besitzt, was insbesondere bei Mehrjahrespflanzen wie beispielsweise Hölzern oder bei komplexeren Gräsern wie z. B. Bambus der Fall ist. Insbesondere die hohen Temperaturen bei der Vorbehandlung haben überraschenderweise zu einer verbesser ten Verfügbarkeit des Lignins bei einem gleichzeitigen Austragen der Cellulose sowie der Hemicellulosen geführt. Durch die hohen Temperaturen, das heißt, bei über 150 °C bis 175 °C ist insbesondere eine Zugänglichkeit des in der Mittellamelle vorliegenden Lignins gegeben, was eine anschließende Vernetzbarkeit fördert. Vorzugsweise erfolgt die Vorbehandlung mittels eines Steam-Explosion-Verfahrens, bei dem eine Wasser dampfbehandlung bei der entsprechenden nachwachsenden Biomasse aus ligno- cellulosehaltigen Einjahrespflanzen bereitgestellt wird.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Vorbehandlung die zerkleinerten lignocellulosehaltigen Einjahrespflanzen derart aufgebrochen werden, dass deren ligninhaltige Mittellamellen, die Zellzwickel und die Primär- sowie Sekundärwände zumindest teilweise aufgebrochen werden, wobei das Lignin möglichst vollständig beim Überführen der nachwachsenden Biomasse in Bio massefaserstoffe erhalten bleibt und zur anschließenden Vernetzung bei der thermi schen Behandlung freigelegt wird. In den sich an die Vorbehandlung anschließenden Verfahrensschritten ist eine Nutzung des Lignins dadurch gegeben, dass deren pheno- lische Makromolekülstruktur für die Ausbildung eines formstabilen Gegenstandes ein gesetzt wird. Durch die Freilegung des Lignins aus der Mittellamelle ist eine Nutzung eines größeren Anteils des Lignins erst möglich, da in den herkömmlichen Verfahren lediglich eine sporadische Entfaltung der Eigenschaften des Lignins durch eine unzu reichende Verfügbarkeit gegeben ist. In den vorbekannten Verfahren, z. B. Zellstoff herstellung nach dem Sulfatverfahren, wird das Lignin aus der Zelle in der Regel möglichst vollständig abgetrennt und ausgeschleust oder verbleibt innenliegend und unzugänglich in der Mittellamelle, z. B. TMP- oder Holzschliffverfahren, um einen Kontakt mit weiteren Zellbestandteilen und eine Aktivierung des Lignins zu verhindern.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das freigelegte Lignin zumindest im Wesentlichen vollständig zur Erzeugung einer irrever siblen Verbindung des Gegenstandsformlings ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Zugänglichkeit des Lignins erhöht wird. Dies führt zu einer verbesserten und einer möglichst vollständigen Umsetzung bzw. Vernetzung des Lignins während der thermi schen Behandlung, wodurch besonders vorteilhafte Eigenschaften bei der Erzeugung des formstabilen Gegenstandes gegeben sind.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels eines einen Dampf bereitstellenden Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozesses erfolgt, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 100 °C bis 200 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 120 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 50 s bis 1.500 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 100 s bis 900 s. Somit findet bereits eine Erweichung der eingesetzten Fasern statt, wodurch unter anderem die nachgeordnete mechanische Aufbereitung mit geringerem Energieeintrag durchgeführt werden kann. Weiter wird bereits durch die Temperaturzufuhr eine Erweichung des Lignins ausgebildet, um eine Verfügbarkeit des Lignins bei der anschließenden Vernetzung bereitzustellen. Die Dauer des Tempera tureintrags sowie die Höhe der Temperatur kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faser aufbereitung variiert werden, wobei in der Regel eine intensivere Vorbehandlung ausgebildet wird, je länger und höher der Temperatureintrag ist. Der Niedrigtempera turdampfaufschlussprozess kann bevorzugt für nachwachsende Biomasse eingesetzt werden, die als Ausgangsprodukt eine geringere Steifigkeit bzw. eine Pflanzenfaser struktur von geringer Komplexität besitzt, was insbesondere bei Einjahrespflanzen wie z. B. Gräsern oder Stroh der Fall ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe mittels eines Hochausbeute-Aufschlussverfahrens, bevorzugt durch ein Carbonataufschluss verfahren, wobei die Temperatur bei dem Hochausbeute-Aufschlussverfahren im Bereich von 100 °C bis 215 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 135 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer im Bereich von 15 min bis 150 min liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 min bis 60 min, und wobei ein Aufschlussmittel mit einer Konzen tration im Bereich von 5 % bis 35 % eingesetzt wird, vorzugsweise im Bereich von 10 % bis 25 %, vorzugsweise wird als Aufschlussmittel Na2CC>3 in Lösung eingesetzt. Die Auswahl und die Höhe der Konzentration des Aufschlussmittels sowie Dauer des Temperatureintrags und die Höhe der Temperatur kann in Abhängigkeit von der einge setzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei in der Regel eine intensivere Vorbehandlung ausgebildet wird, je höher die Konzentration des Aufschlussmittels ist sowie je länger und höher der Temperatureintrag ist. Das Hochausbeute-Aufschlussverfahren kann bevorzugt für nachwachsende Biomasse eingesetzt werden, die als Ausgangsprodukt eine höhere Steifigkeit bzw. eine Pflanzenfaserstruktur von höherer Komplexität besitzt, was insbesondere bei Mehrjahrespflanzen wie beispielsweise Hölzern oder bei komplexeren Gräsern wie z. B. Bambus der Fall ist.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbehandlung nachgelagert eine Mahlung durchgeführt wird, wobei die Mahlung mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Platten abstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugs weise im Bereich von 1 % bis 5 %. Auf diese Weise ist eine umfangreichere Möglich keit gegeben, um eine tiefergehende Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse zu Biomassefaserstoffen bereitzustellen. Neben dem Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners, der je nach zu mahlendem nachwachsendem Rohstoff und/oder je nach gewünschtem Mahlgrad bedarfsgerecht einstellbar ist, kann vorzugsweise auch die Auswahl der Mahlplatten einen Einfluss auf die Biomassefaserstoffe haben. Zur Erzeu gung einer intensiveren Mahlung werden vorzugsweise geringere Plattenabstände ausgewählt und zur Durchführung einer „schonenderen“ Mahlung können größere Plattenabstände ausgewählt werden. Vorzugsweise kann der Vorgang der Vorbe handlung mittels mechanischer Aufbereitung durch die Refiner wiederholt werden, wobei die erzeugte gemahlene Biomasse anschließend bei unterschiedlichen oder gleichen Plattenabständen erneut der mechanischen Aufbereitung zugeführt wird. Insgesamt wird bevorzugt die Faser durch die Refiner-Behandlung derart vorgenom men, dass das Lignin überwiegend (> 50 %) im Faserverbund verbleibt bzw. zur späteren Vernetzung zur Verfügung steht. Die Stoffdichte kann in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der zu erzielenden Faseraufbereitung variiert werden, wobei bei einer höheren Stoffdichte in der Regel ein größerer Plattenabstand der Mahlplatten zu wählen ist.
Weiter bevorzugt ist der Vorbehandlung mindestens ein weiterer Verfahrensschritt zur erneuten Sortierung und/oder Zerkleinerung der erzeugten Biomassefaserstoffe nachgelagert angeordnet. Durch die Sortierung und/oder Zerkleinerung wird eine weitere Möglichkeit zur Überprüfung und/oder Homogenisierung des erzeugten Rohstoffes für die Herstellung der formstabilen Gegenstände bereitgestellt. Auf diese Weise sind einheitlichere und qualitativ hochwertigere Produkte erzeugbar, die einen hohen Reinheitsgrad aufweisen. Störstoffe und unerwünschte Partikel, die möglicher weise durch die Vorbehandlung in den Stofffluss aufgenommen wurden, können zudem durch die Sortierung und/oder die Zerkleinerung erkannt und aus dem Prozess ausgeschleust werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Formgebungsprozess mit dem Gegenstandswerkzeug durchgeführt wird, das als ein Formwerkzeug und als ein zu dem Formwerkzeug korrespondierendes Presswerkzeug ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Biomassefaserstoffe in dem Formwerkzeug zu dem Gegenstandsformling geformt werden und mit dem Presswerkzeug unter Ausbildung eines Presswerkzeugpressdrucks gepresst werden, wobei der Presswerk zeugpressdruck im Bereich von 0,5 bar bis 22 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 8 bar. Die Ausführung des Formgebungsprozesses durch das Gegenstands werkzeug erhöht die Formgebung und die Einheitlichkeit bei dem Prozess. Die Ausbil dung des Gegenstandswerkzeugs als ein Formwerkzeug mit einem korrespondieren den Presswerkzeug stellt eine zuverlässige Möglichkeit dar, um konstante Qualitäten bei der Herstellung eines formstabilen Gegenstands zu liefern. Durch die Ausbildung des Presswerkzeugdrucks erfolgt bereits eine Entwässerung bei der Herstellung, wodurch eine anschließende Trocknungsdauer reduziert wird. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Formgebungsprozess ausgewählt ist aus einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahren: Spritzgussverfahren, Extrusionsverfahren, Pressverfahren oder Tiefzieh- und Blasformverfahren. Bevorzugterweise wird je nach herzustellendem formstabilem Gegenstand der entsprechende Formgebungsprozess ausgewählt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Vorbehand lung der nachwachsenden Biomasse in Biomassefaserstoffe in Verbindung mit dem Formgebungsprozess und/oder der thermischen Behandlung derart die Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes einstellbar sind, dass die Härte, die Formstabilität und/oder die Wasserfestigkeit, in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Pressdruck, der Stoffdichte und/oder dem Mahlgrad, variierbar sind. Auf diese Weise kann durch eine Anpassung der Parameter im Verfahren zur Herstellung des formstabilen Gegenstandes selektiv auf die einzelnen mechanischen Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes eingegangen werden. Es kann beispielsweise durch eine längere Mahldauer die Beschaffenheit der Fasern variiert werden, was in einem verbesserten Freilegen des Lignins resultiert, wodurch u. a. die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts anpassbar sind. Die weiteren Parameter können je nach eingetragener Biomasse sowie verwendeten Prozessen unterschiedlich ausfallen.
In einerweiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die thermische Behandlung des Gegenstandformlings unter Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformlings, wobei der Trocknungspressdruck im Bereich von 0,3 bar bis 10 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bar bis 5 bar. Auf diese Weise wird eine schnellere Trocknung herbeigeführt. Weiterhin können vorzugsweise weitere Mittel und/oder Verfahrensschritte vor- oder nachgelagert vorhanden sein, um eine verbesserte Trocknung vorzunehmen oder um weitere Materialeigenschaften in dem formstabilen Gegenstand einzubringen, beispielsweise eine Oberflächenbehandlung.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die thermische Behandlung des Gegenstandformlings ohne Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling. Das verringert die Energiekosten im Zusammenhang mit der Herstellung des formstabilen Gegenstandes und führt zu einer Kostenersparnis sowie zu einer schonenderen Trocknung. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 250 °C erfolgt, vorzugsweise im Bereich von 130 °C bis 200 °C. Durch den Einsatz einer thermischen Behandlung ist regelmäßig ein deutlich planbarer sowie verkürzter Trock nungsvorgang des Gegenstandsformling gegeben, wodurch eine bedarfsgerechte Herstellung unter bekannten Trocknungsparametern ausgeführt werden kann. Die Dauer und Höhe des Temperatureintrags können in Abhängigkeit von der eingesetzten nachwachsenden Biomasse und/oder in Abhängigkeit von der Größe oder Form des Gegenstandsformling individuell ausgewählt und angepasst sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Anteil des Lignins in den Fasern der nachwachsenden Biomasse im Bereich 5 % bis 45 % liegt, vorzugsweise im Bereich von 15 % bis 35 %. Der Anteil des Lignins ist dabei überwiegend abhängig von der einzusetzenden nachwachsenden Biomasse und kann je nach herzustellendem formstabilem Gegenstand entsprechend eingesetzt und ausgewählt werden. Bei formstabilen Gegenständen, die eine hohe Vernetzbarkeit benötigen, wird vorzugsweise eine nachwachsende Biomasse mit einem hohen Ligningehalt ausgewählt, wobei bei formstabilen Gegenständen mit geringen benötig ten Festigkeitseigenschaften auch nachwachsende Biomasse mit einem geringeren Ligningehalt eingesetzt werden kann.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse, dem Bereitstellen der Biomassefaserstoffe in dem Formgebungsprozess und bei der thermischen Behand lung der Biomassefaserstoffe keine zusätzlichen organischen und/oder anorganischen Klebstoffe hinzugefügt werden. Damit ist eine problemlose Kompostierbarkeit der form stabilen Gegenstände gegeben, wodurch insbesondere eine einfache Entsorgung oder ein einfaches Recycling ermöglicht werden. Ferner führt der Verzicht auf Klebstoffe trotzdem zu gleichbleibenden qualitativen und mechanischen Eigenschaften mit einer einhergehenden Kostenersparnis bei der Herstellung der formstabilen Gegenstände, da Klebstoffe einen hohen Kostenanteil bei der Produktion darstellen.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung der nachwachsenden Biomasse, dem Bereitstellen der Biomasse faserstoffe in dem Formgebungsprozess und bei der thermischen Behandlung der Biomassefaserstoffe keine Additive hinzugefügt werden. Damit ist eine problemlose Kompostierbarkeit der formstabilen Gegenstände gegeben, wodurch insbesondere eine einfache Entsorgung ermöglicht wird. Fernerführt der Verzicht auf Additive trotzdem zu gleichbleibenden qualitativen und mechanischen Eigenschaften mit einer einhergehenden Kostenersparnis bei der Herstellung der formstabilen Gegenstände, da Additive einen hohen Kostenanteil bei der Produktion darstellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe der nachwachsenden Biomasse ausgewählt sind aus mindestens einem oder einer Kombination der langfaserigen lignocellulosehaltigen Pflanzen, insbesondere aus Gräsern, Getreide, Stroh, Bast-, Blätter-, Samen- und Samenhülsenfasern und/oder Holz, besonders bevorzugt aus Miscanthus, Hanf, Stroh, Haferspelze, Flachs, Sisal und/oder Bambus. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein geringfügiger Anteil der eingesetzten Rohstoffe Sekundärfasern mit einem Gewichtsanteil von maximal 25 % sein.
Die Aufgabe wird auch durch einen formstabilen Gegenstand, vorzugsweise einen Behälter, hergestellt durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 gelöst.
Weitere zweckmäßige und/oder vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen sowie bevorzugte Verfahrensschritte ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung formstabiler Gegenstände bzw. des formstabilen Gegenstandes werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen formstabilen Gegenstandes in einer Ansicht von schräg oben,
Fig. 2 ein Verfahrensschema für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Verfahrens zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes,
Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines typischen Aufbaus eines Lignin enthaltenen pflanzlichen Zellverbunds und Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines typischen Aufbaus eines freigelegten Lignin enthaltenen pflanzlichen Zellverbunds.
Anhand der vorgenannten Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes sowie der erfindungsgemäße formstabile Gegenstand näher beschrieben.
Das in den Zeichnungen dargestellte Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Ge genstandes auf Basis nachwachsender Biomasse sowie der formstabile Gegenstand aus nachwachsender Biomasse ist exemplarisch als Verfahren zur Herstellung eines Behälters sowie als Behälter abgebildet. Die Erfindung bezieht sich in gleicher Weise auf vergleichbare formstabile Gegenstände, die nicht nur die Funktion oder Ausgestal tung eines Behälters aufweisen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines formstabilen Gegenstandes 10 aus nachwachsender Biomasse anhand eines Behälters, der mit dem erfindungs gemäßen Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes 10 erzeugt wurde. Der Behälter weist beispielhaft einen Grundkörper 11 mit einem Aufnahme bereich 12 auf, der durch einen Boden 13 und eine Umrandung 14, die eine zusam menhängende Seitenwand 14 darstellt, gebildet ist.
Fig. 2 zeigt ein Verfahrensschema zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes 10 umfassend die folgenden Schritte: (I) Bereitstellen von nachwachsender Biomasse 15, wobei die nachwachsende Biomasse 15 zumindest Fasern 16 mit Lignin 17, insbesondere Cellulosefasern mit Lignin 17, Hemicellulosen und Cellulose enthalten, und wobei die nachwachsende Biomasse aus der Gruppe der lignocellulosehaltigen Einjahrespflanzen ausgewählt ist, umfassend zumindest ligninhaltige Mittellamellen, Zellzwickel, Primär- und Sekundärwände, (II) Zerkleinern der nachwachsenden Bio masse 15, (III) Versetzen der nachwachsenden Biomasse 15 mit Wasser, (IV) Vorbe handlung der nachwachsenden Biomasse 15 durch im Wesentlichen Überführung der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 unter Beibehaltung eines Großteils des Lignins 17 in den Fasern 16, und unter Herauslösen und Austragen zumindest eines Teils der Cellulose sowie der Hemicellulosen, wobei der relative Anteil des Lignins 17 erhöht wird, (V) Bereitstellen der Biomassefaserstoffe 18 in (VI) einem Formgebungsprozess mit einem - in den Figuren nicht im Detail gezeigten - Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines - ebenfalls in den Figuren nicht im Detail gezeigten - Gegenstandformlings, (VII) thermische Behandlung des Gegen standformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern 16 der Biomassefaserstoffe 18 enthaltenen Lignins 17 an die Außenfläche der Fasern 16,
(VIII) Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung des Gegenstand formlings durch Vernetzung der Fasern 16 der Biomassefaserstoffe 18 untereinander mittels des Lignins 17.
Vorzugsweise werden bei der Vorbehandlung (IV) die Cellulose sowie die Hemicellu- losen zumindest teilweise aus dem Verfahren ausgetragen, indem die Cellulose sowie die Hemicellulosen zumindest teilweise aus der nachwachsenden Biomasse 15 herausgelöst werden, und dass das Lignin 17 möglichst vollständig beim Überführen der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe erhalten bleibt. In der Fig. 4 ist schematisch der Aufbau der Zellen dargestellt und der Verbleib des Lignins 17 beim Aufbrechen der Zellwand bzw. der Mittellamelle 21. Bei diesem Vorgang wird in der Regel die Grundstruktur - abweichend von der schematischen Abbildung der Fig. 3 und Fig. 4 - der Zelle zumindest teilweise zerstört, wodurch entsprechend die überwiegend in der Primär- und Sekundärwand enthaltenen Cellulose sowie Hemicellulosen zumindest teilweise herausgelöst werden. Das Verfahren wird zudem in einer wässrigen Lösung durchgeführt, was ein Austragen der entsprechenden Cellulose und Hemicellulosen begünstigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform verbleibt bei der Vorbehandlung (IV) ausgehend von der nachwachsenden Biomasse 50 % bis 100 %, vorzugsweise 60% bis 90 %, des Lignins 17, 10 % bis 90 %, vorzugsweise 30 % bis 70 %, der Cellulose sowie 10 % bis 70 %, vorzugsweise 30 % bis 50 %, der Hemicellulosen in den Biomassefaserstoffen 18.
Wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 gezeigt, kann dem Verfahrensschritt des Zerkleinerns der Biomasse 15 ein weiterer Verfahrensschritt (lla) nachgelagert ange ordnet sein, bei dem eine Sortierung der zerkleinerten bzw. der eingesetzten Biomasse 15 erfolgt. Eine Sortierung (lla) bedeutet insbesondere, dass Schmutz- und Störstoffe bei diesem Schritt aus dem Herstellungsverfahren abgeführt werden sowie die Über prüfung, ob eine gleichmäßig gewünschte Zerkleinerung (II) in dem vorgelagerten Schritt erfolgt ist. Ggf. kann eine Abführung von zu großer oder zu kleiner nach wachsender Biomasse 15 vorgenommen werden. Das Ziel bei der Zerkleinerung (II) sowie bei der Sortierung (lla) besteht darin, einen möglichst homogenen Ausgangs- rohostoff für das weitere Verfahren zur Verfügung zu stellen. Die Verfahrensschritte (I), (II) sowie (lla) können vorzugsweise örtlich unabhängig von den weiteren Verfahrens schritten zur Herstellung des formstabilen Gegenstandes 10 durchgeführt werden. Je nach bereitgestellter Biomasse 15 kann auch der Schritt des Zerkleinerns (II) oder die Sortierung (lla) ausgespart werden, falls die bereitgestellte (I) Biomasse 15 bereits eine entsprechende Größe oder die gewünschten Qualitätsanforderungen für das erfin dungsgemäße Verfahren aufweist. Der Verfahrensschritt der Sortierung (lla) wird insbesondere mittels mindestens eines Sortierers und/oder mittels mindestens eines Hydrozyklon (Cleanerung) ausgeführt. Weiter bevorzugt kann eine Mehrzahl derartiger Vorrichtungen in Reihe oder Parallel angeordnet sein.
Vorzugsweise erfolgt die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels (IVa) einer mechanischen Aufbereitung, wobei die mechanische Aufbereitung (IVa) eine Mahlung der nachwachsenden Biomasse 15 umfasst. Die mechanische Aufbereitung (IVa) wird bevorzugt mittels eines - in den Figuren nicht im Detail gezeigten - Refiners mit Mahlplatten ausgeführt, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels eines einen Dampf bereitstellenden Hochtemperaturdampfaufschlussprozesses (IVb), wobei die Tempe ratur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 150 °C bis 280 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 175 °C bis 250 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 10 s bis 900 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 s bis 300 s. Der Hochtemperaturdampfaufschlussprozess (IVb) ist vereinfacht und nur schematisch als nebengeordneter Verfahrensschritt unter der Vorbehandlung (IV) in der Fig. 2 dargestellt. Der Hochtemperaturdampfaufschlussprozess (IVb) kann in einer bevorzugten Ausführungsform auch als unabhängiger Verfahrensschritt ausgeführt werden und dabei beispielsweise kontinuierlich oder im Batch verfahren durchgeführt werden.
Vorzugsweise werden bei der Vorbehandlung (IV) die zerkleinerten lignocellulosehalti- gen Einjahrespflanzen derart aufgebrochen werden, dass deren ligninhaltige Mittel- lamellen 21 , die Zellzwickel und die Primär- sowie Sekundärwände zumindest teilweise aufgebrochen werden, wobei das Lignin 17 möglichst vollständig beim Überführen der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe erhalten bleibt und zur an schließenden Vernetzung bei der thermischen Behandlung (VII) freigelegt wird. In der Fig. 4 ist schematisch die nachwachsende Biomasse 15 einer lignocellulosehaltigen Einjahrespflanze nach deren Vorbehandlung (IV) dargestellt, wodurch das freigelegte Lignin 17 deutlich wird. In den weiteren Verfahrensschritten ist eine Nutzung des Lignins 17 durch die Verfügbarkeit gegeben. Bei einem Vergleich mit der Fig. 3, wo eine Freilegung des Lignins 17 noch nicht gegeben ist, wird deutlich, dass eine größere Kontaktfläche gegeben ist und eine erhöhte Aktivierung des potentiell verfügbaren Lignins 17 in der nachwachsenden Biomasse 15 kann bereitgestellt werden. Vorzugs weise ist das freigelegte Lignin 17 zumindest im Wesentlichen vollständig zur Erzeu gung einer irreversiblen Verbindung (VIII) des Gegenstandsformlings ausgebildet und eingerichtet, wobei die Zugänglichkeit des Lignins 17 erhöht wird.
Bei einerweiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels eines einen Dampf bereitstellenden Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozesses (IVc), wobei die Tempe ratur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 100 °C bis 200 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 120 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 50 s bis 1.500 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 100 s bis 900 s.
Der Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozess (IVc) ist vereinfacht und nur schema tisch als nebengeordneter Verfahrensschritt unter der Vorbehandlung (IV) in der Fig. 2 dargestellt. Der Niedrigtemperaturdampfaufschlussprozess (IVc) kann in einerweiteren bevorzugten Ausführungsform auch als unabhängiger Verfahrensschritt ausgeführt werden und dabei beispielsweise kontinuierlich oder im Batch verfahren durchgeführt werden.
In einerweiteren bevorzugten - in den Figuren nicht gezeigten - Ausführungsform, kann an die Vorbehandlung (IV) eine Nachbearbeitung der Biomassefaserstoffe 18 bereitgestellt werden. Dazu können insbesondere weitere Verfahrensschritte, vergleichbar mit den Schritten (II) sowie (lla) vorgesehen sein. Die Schritte beinhalten vorzugsweise eine Sortierung und/oder eine Zerkleinerung der Biomassefaserstoffe 18, um eine weitere Qualitätskontrolle der durch die Vorbehandlung bzw. der mechani schen Aufbereitung erzeugten nachwachsenden Biomasse 15 bereitzustellen. Die Verfahrensschritte werden insbesondere mittels mindestens eines Sortierers und/oder mindestens eines Hydrozyklon (Cleanerung) ausgeführt.
In der Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Herstellung formstabiler Gegenstände 10 gezeigt, in dem die Vorbe handlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 mittels eines Hochausbeute-Aufschlussverfahrens (IVd) erfolgt, bevorzugt durch ein Carbonat aufschlussverfahren, wobei die Temperatur bei dem Hochausbeute-Aufschluss- verfahren im Bereich von 100 °C bis 215 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 135 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer im Bereich von 15 min bis 150 min liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 min bis 60 min, und wobei ein Aufschlussmittel mit einer Konzentration im Bereich von 5 % bis 35 % eingesetzt wird, vorzugsweise im Bereich von 10 % bis 25 %, vorzugsweise wird als Aufschlussmittel Na2C03 in Lösung eingesetzt. Das Hochausbeute-Aufschlussverfahren (IVd) mit dem konkreten Ausführungsbeispiel des Carbonataufschlussverfahrens ist vereinfacht und nur schematisch als nebengeordneter Verfahrensschritt unter der Vorbehandlung (IV) dargestellt. Das Hochausbeute-Aufschlussverfahren (IVd) kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch als unabhängiger Verfahrensschritt ausgeführt werden und dabei beispielsweise kontinuierlich oder im Batch verfahren durchgeführt werden.
Den Verfahrensschritten der Vorbehandlung (IV) bzw. (IVa) bis (IVd) kann vorzugs weise nachgelagert eine Mahlung (IVa') durchgeführt werden, wobei die Mahlung mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsender Biomasse im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugs weise im Bereich von 1 % bis 5 %. In der Fig. 2 ist daher bei den nebengeordneten Verfahrensschritten (IVa) bis (IVd), stilisiert die nachgelagerte Mahlung (IVa') in dem Verfahrensschema dargestellt.
Der Vorgang der Vorbehandlung (IV) bei der nachwachsenden Biomasse ist auf Zellebene in den Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt dabei eine vereinfachte Darstellung eines pflanzlichen Zellverbunds 19 mit einer Mehrzahl an pflanzlichen Zellen 20. Jede der Zellen 20 weist in der Regel eine Zellwand (Mittellamelle) 21 und einen Zellhohlraum (Lumen) 22 auf. Jede der einzelnen Zellen 20 kann anders ausgedrückt als Teil einer einzelnen Faser 16 der nachwachsenden Biomasse 15 bzw. als Querschnittsansicht einer Faser 16 angesehen werden, die über die Zellwand 21 bzw. die Mittellamelle mit weiteren Zellen 20 zu dem pflanzlichen Zellverbund 19 verbunden ist. Im Bereich der Zellwand 21 bzw. der Mittellamelle ist bei lignocellulose- haltigen Einjahrespflanzen regelmäßig das Lignin 17 angeordnet; das Hauptvorkommen des Lignins befindet sich dabei in der Mittellamelle und der Zwickel 25, was den Bereich des Zusammenlaufens von mehreren Mittellamellen darstellt. Es existieren Zellwandbereiche 21 mit unterschiedlich hohen Ligninanteilen, insbesondere in Bereichen mit einem Zusammentreffen von mehreren Zellwandbereichen 21. In der Fig. 3 ist ein natürlicher Zellverbund 19 vor der Vorbehandlung (IV) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Die Zellen 20 sind fest mit dem Lignin 17 verbunden und bilden einen starren Zellverbund 19, der im Wasser nicht löslich ist.
In der Fig. 4 ist ein Zellverbund 19 während bzw. nach der Vorbehandlung (IV) gezeigt, in dem der Zellverbund 19 zumindest teilweise freigelegt („aufgerissen“) ist, was durch die stilisierten Risse 24 im Bereich Zellwand 21 angedeutet ist. Durch die Vorbehand lung (IV) erfolgt eine Überführung der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomasse faserstoffe 18, wobei die Struktur des Zellverbunds 19 verändert wird, indem die Zellwände 21 bzw. die ligninhaltigen Bereiche der Mittellamelle und der Zwickel 25 zumindest teilweise freigelegt werden. Die Zellen 20, das heißt, die Fasern 16 sind nicht mehr als komplexer Zellverbund 19 vorhanden, sondern die Außenflächen 23 der freigelegten Zellwandbereiche 21 wurden durch die Vorbehandlung verfügbar gemacht. Auf diese Weise kann das Lignin 17 der Zellwand 21 für das weitere Verfahren, insbesondere für den Formgebungsprozess (VI) und die anschließende Vernetzung (VIII), verfügbar gemacht werden, wodurch die Ausbildung eines erfindungsgemäßen formstabilen Gegenstandes 10 ermöglicht wird. In dem Vorgang des Freilegens des Lignins 17 durch das Aufreißen des Zellverbunds 19 kann somit anders ausgedrückt, zumindest bereichsweise das Umsetzen des in den Fasern 16 der Biomassefaserstoffe 18 enthaltenen Lignins 17 an die Außenfläche der Fasern 16 gesehen werden. Das Lignin 17 wird nicht zwangsläufig an die Außenfläche 23 der Fasern 16 (örtlich) „umgesetzt“, sondern durch das Aufreißen des Zellverbunds 19 ist vielmehr eine Zugänglichkeit des Lignins 17 gegeben, wodurch eine anschließende Vernetzung (VIII) im Zuge des Formgebungsprozesses (VI) und der thermischen Behandlung (VII) zur Ausbildung des formstabilen Gegenstandes 10 ermöglicht wird. Der Verfahrensschritt des Formgebungsprozesses (VI), der stilisiert in der Fig. 2 dar gestellt ist, wird mit dem Gegenstandswerkzeug durchgeführt, das in einer bevorzugten Ausführungsform als ein Formwerkzeug und als ein zu dem Formwerkzeug korrespon dierendes Presswerkzeug ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Biomassefaser stoffe 18 in dem Formwerkzeug zu dem Gegenstandsformling geformt werden und mit dem Presswerkzeug unter Ausbildung eines Presswerkzeugpressdrucks gepresst werden, wobei der Presswerkzeugpressdruck im Bereich von 0,5 bar bis 22 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 8 bar. Bevorzugterweise ist der Formgebungs prozess (VI) ausgewählt aus einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahren: Spritzgussverfahren, Extrusionsverfahren, Pressverfahren oder Tiefzieh- und Blas formverfahren.
Vorzugsweise sind mittels der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15 in Biomassefaserstoffe 18 in Verbindung mit dem Formgebungsprozess (VI) und/oder der thermischen Behandlung (VII) derart die Eigenschaften des formstabilen Gegen standes 10 einstellbar, dass die Härte, die Formstabilität und/oder die Wasserfestigkeit, in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Pressdruck, der Stoffdichte und/oder dem Mahlgrad, variierbar sind. In dem Verfahrensschema der Fig. 2 können dazu die einzelnen Verfahrensschritte entsprechend angepasst und gesteuert werden. Die Anpassung derartiger Parameter erfolgt vorzugsweise auf Basis bekannter Verfahrens schritte, wobei das Lignin 17 für die Verwendung der Vernetzbarkeit im Formgebungs prozess (VI) bzw. für die thermische Behandlung (VII) verfügbar gemacht wird.
Bevorzugt erfolgt die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling, wobei der Trocknungspressdruck im Bereich von 0,3 bar bis 10 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bar bis 5 bar. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings auch ohne Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die thermische Behandlung (VII) bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 250 °C, vorzugsweise im Bereich von 130 °C bis 200 °C.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstan des 10 werden vorzugsweise bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Bio masse 15, dem Bereitstellen (V) der Biomassefaserstoffe 18 in dem Formgebungs prozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der Biomassefaserstoffe 18 keine zusätzlichen organischen und/oder anorganischen Klebstoffe hinzugefügt. Weiter bevorzugt werden bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse 15, dem Bereitstellen (V) der Biomassefaserstoffe 18 in dem Formgebungsprozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der Biomassefaserstoffe 18 keine Additive hinzuge- fügt. Besonders bevorzugt werden dem gesamten Verfahren zur Herstellung des form stabilen Gegenstandes 10 weder organische und/oder anorganische Klebstoffe noch Additive hinzugefügt. Vorzugsweise wird das Verfahren zur Herstellung eines formsta bilen Gegenstandes 10 nur mit den Rohstoffen der nachwachsenden Biomasse 15 ausgeführt, wobei Wasser als Lösungsmittel umfasst ist.
Die Rohstoffe der nachwachsenden Biomasse 15 sind vorzugsweise ausgewählt aus mindestens einem oder einer Kombination der langfaserigen lignocellulosehaltigen Pflanzen, insbesondere aus Gräsern, Getreide, Stroh, Bast-, Blätter-, Samen- und Samenhülsenfasern und/oder Holz, besonders bevorzugt aus Miscanthus, Hanf, Stroh, Haferspelze, Flachs, Sisal und/oder Bambus. Die Rohstoffe stammen besonders bevorzugt aus Agrarreststoffen, die der primären Nutzung nicht zugänglich sind.

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Herstellung eines formstabilen Gegenstandes (10), vorzugsweise eines Behälters, umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen von nachwachsender Biomasse (15), (I), wobei die nachwach sende Biomasse (15) zumindest Fasern (16) mit Lignin (17), insbesondere Cellulosefasern mit Lignin (17), Hemicellulosen und Cellulose enthalten, und wobei die nachwachsende Biomasse aus der Gruppe der lignocellulosehaltigen Einjahrespflanzen ausgewählt ist, umfassend zumindest ligninhaltige Mittellamellen, Zellzwickel, Primär- und Sekundärwände,
- Zerkleinern der nachwachsenden Biomasse (15), (II),
- Versetzen der nachwachsenden Biomasse (15) mit Wasser (III),
- Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) durch im Wesent lichen Überführung der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) unter Beibehaltung eines Großteils des Lignins (17) in den Fasern (16), und unter Herauslösen und Austragen zumindest eines Teils der Cellulose sowie der Hemicellulosen, wobei der relative Anteil des Lignins (17) erhöht wird,
- Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in einem Formgebungsprozess (VI) mit einem Gegenstandswerkzeug unter Ausbildung eines Gegenstandform lings,
- thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Umsetzen zumindest bereichsweise des in den Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) enthaltenen Lignins (17) an die Außenfläche (23) der Fasern (16),
- Erzeugen einer zumindest teilweise irreversiblen Verbindung (VIII) des Gegen standformlings durch Vernetzung der Fasern (16) der Biomassefaserstoffe (18) untereinander mittels des Lignins (17).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung (IV) die Cellulose sowie die Hemicellulosen zumindest teilweise aus dem Verfahren ausgetragen werden, indem die Cellulose sowie die Hemicellulosen zumindest teilweise aus der nachwachsenden Biomasse (15) herausgelöst werden, und dass das Lignin (17) möglichst vollständig beim Überführen der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe erhalten bleibt. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung (IV) ausgehend von der nachwachsenden Biomasse 50 % bis 100 %, vorzugsweise 60% bis 90 %, des Lignins, 10 % bis 90 %, vorzugsweise 30 % bis 70 %, der Cellulose sowie 10 % bis 70 %, vorzugsweise 30 % bis 50
%, der Hemicellulosen in den Biomassefaserstoffen (18) verbleibt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse
(15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels einer mechanischen Aufbereitung (IVa) erfolgt, wobei die mechanische Aufbereitung (IVa) eine Mahlung der nachwachsenden Biomasse (15) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Aufbereitung (IVa) mittels eines Refiners mit Mahlplatten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse (15) im Bereich von 0,5
% bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse
(15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels eines einen Dampf bereitstellenden Hochtemperaturdampfaufschlussprozesses (IVb) erfolgt, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 150 °C bis 280 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 175 °C bis 250 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 10 s bis 900 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 s bis 300 s.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung (IV) die zerkleinerten lignocellulosehaltigen Einjahrespflanzen derart aufgebrochen werden, dass deren ligninhaltige Mittellamellen, die Zellzwickel und die Primär- sowie Sekundärwände zumindest teilweise aufgebrochen werden, wobei das Lignin (17) möglichst vollständig beim Überführen der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe erhalten bleibt und zur anschließenden Vernetzung bei der thermischen Behandlung (VII) freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das freigelegte Lignin (17) zumindest im Wesentlichen vollständig zur Erzeugung einer irreversiblen Verbindung (VIII) des Gegenstandsformlings ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Zugänglichkeit des Lignins (17) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels eines einen Dampf bereitstellenden Niedrigtemperaturdampfaufschluss prozesses (IVc) erfolgt, wobei die Temperatur des eingesetzten Dampfes im Bereich von 100 °C bis 200 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 120 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer mittels des Dampfes im Bereich von 50 s bis 1.500 s liegt, vorzugsweise im Bereich von 100 s bis 900 s.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) mittels eines Hochausbeute-Aufschlussverfahrens (IVd) erfolgt, bevorzugt durch ein Carbonataufschlussverfahren, wobei die Temperatur bei dem Hochausbeute- Aufschlussverfahren (IVd) im Bereich von 100 °C bis 215 °C liegt, vorzugsweise im Bereich von 135 °C bis 175 °C, und wobei die Aufschlussdauer im Bereich von 15 min bis 150 min liegt, vorzugsweise im Bereich von 20 min bis 60 min, und wobei ein Aufschlussmittel mit einer Konzentration im Bereich von 5 % bis 35 % eingesetzt wird, vorzugsweise im Bereich von 10 % bis 25 %, vorzugs weise wird als Aufschlussmittel Na2CC>3 in Lösung eingesetzt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbehandlung (IV) nachgelagert eine Mahlung (IVa') durchgeführt wird, wobei die Mahlung (IVa') mittels eines Refiners mit Mahl platten ausgeführt wird, wobei ein Plattenabstand der Mahlplatten des Refiners im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, und wobei eine Stoffdichte der nachwachsenden Biomasse (15) im Bereich von 0,5 % bis 10 % ausgewählt wird, vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 5 %.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekenn zeichnet, dass der Formgebungsprozess (IVa) mit dem Gegenstandswerkzeug durchgeführt wird, das als ein Formwerkzeug und als ein zu dem Formwerk zeug korrespondierendes Presswerkzeug ausgebildet und eingerichtet ist, wobei die Biomassefaserstoffe (18) in dem Formwerkzeug zu dem Gegen standsformling geformt werden und mit dem Presswerkzeug unter Ausbildung eines Presswerkzeugpressdrucks gepresst werden, wobei der Presswerkzeug pressdruck im Bereich von 0,5 bar bis 22 bar liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 8 bar.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, dass der Formgebungsprozess (VI) ausgewählt ist aus einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahren: Spritzgussverfahren, Extrusions verfahren, Pressverfahren oder Tiefzieh- und Blasformverfahren.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, dass mittels der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15) in Biomassefaserstoffe (18) in Verbindung mit dem Formgebungsprozess (VI) und/oder der thermischen Behandlung (VII) derart die Eigenschaften des formstabilen Gegenstandes (10) einstellbar sind, dass die Härte, die Form stabilität und/oder die Wasserfestigkeit, in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Pressdruck, der Stoffdichte und/oder dem Mahlgrad, variierbar sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings unter Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling erfolgt, wobei der Trocknungspressdruck im Bereich von 0,3 bar bis 10 bar liegt, vor zugsweise im Bereich von 0,5 bar bis 5 bar.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die thermische Behandlung (VII) des Gegenstandformlings ohne Ausbildung eines Trocknungspressdrucks auf den Gegenstandformling erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ther mische Behandlung (VII) bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 250 °C erfolgt, vorzugsweise im Bereich von 130 °C bis 200 °C.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, dass der Anteil des Lignins (17) in den Fasern (16) der nachwachsen den Biomasse (15) im Bereich 5 % bis 45 % liegt, vorzugsweise im Bereich von 15 % bis 25 %.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15), dem Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in dem Formgebungsprozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der
Biomassefaserstoffe (18) keine zusätzlichen organischen und/oder anorganischen Klebstoffe hinzugefügt werden. 20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung (IV) der nachwachsenden Biomasse (15), dem Bereitstellen der Biomassefaserstoffe (18), (V) in dem Formgebungsprozess (VI) und bei der thermischen Behandlung (VII) der Biomassefaserstoffe (18) keine Additive hinzugefügt werden. 21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekenn zeichnet, dass die Rohstoffe der nachwachsenden Biomasse (15) ausgewählt sind aus mindestens einem oder einer Kombination der langfaserigen lignocellulosehaltigen Pflanzen, insbesondere aus Gräsern, Getreide, Stroh, Bast-, Blätter-, Samen- und Samenhülsenfasern und/oder Holz, besonders bevorzugt aus Miscanthus, Hanf, Stroh, Haferspelze, Flachs, Sisal und/oder Bambus. 22. Formstabiler Gegenstand (10), vorzugsweise ein Behälter, hergestellt durch ein
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21.
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