EP4269687A1

EP4269687A1 - Method for the production of cellulose and for obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus micanthus

Info

Publication number: EP4269687A1
Application number: EP22170092.5A
Authority: EP
Inventors: Hendrikus Wilhelmus Johannes Antonius VAN HOOF
Original assignee: Wepa Professional GmbH
Current assignee: Wepa Professional GmbH
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-11-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff und zur Gewinnung von Lignin aus einer Lignocellulose aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus, wobei die Rohstoffpflanzen mittels eines Hochkonsistenz-Pulpers in zumindest einer ersten mechanischen Bearbeitungsstufe zerkleinert und unter Zugabe von Wasser und einer alkalischen Chemikalie aufgelöst werden, so dass ein lignocellulosehaltiger Faserbrei erhalten wird, wobei die Cellulose aus dem Faserbrei mittels einer Pressvorrichtung von einer ligninhaltigen Schwarzlauge getrennt wird, so dass gepresste Cellulose erhalten wird, die durch Hinzugabe von Wasser und CO<sub>2</sub> gewaschen wird, wobei der gewaschenen Cellulose Enzyme oder Enzymmischungen zugesetzt werden, und wobei die Cellulose entwässert wird, so dass zur Weiterverarbeitung geeigneter Zellstoff erhalten wird. Die Schwarzlauge wird auf einen TDS-Wert zwischen 15 und 45% aufkonzentriert und in einem Reaktor neutralisiert, wobei Ligninpartikel, insbesondere Ligninflocken, gebildet werden, die von der Flüssigkeit getrennt werden. Die abgeschiedenen Ligninpartikel werden in einem weiteren Reaktor gewaschen und protoniert und das protonierte Lignin wird abgeschieden und getrocknet.The invention relates to a method for producing pulp and for obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus, wherein the raw material plants are comminuted using a high-consistency pulper in at least a first mechanical processing stage and dissolved with the addition of water and an alkaline chemical, so that a lignocellulose-containing fiber pulp is obtained, the cellulose from the fiber pulp being separated from a lignin-containing black liquor by means of a pressing device, so that pressed cellulose is obtained, which is washed by adding water and CO<sub>2</sub>, where Enzymes or enzyme mixtures are added to the washed cellulose, and the cellulose is dewatered so that pulp suitable for further processing is obtained. The black liquor is concentrated to a TDS value between 15 and 45% and neutralized in a reactor, forming lignin particles, in particular lignin flakes, which are separated from the liquid. The deposited lignin particles are washed and protonated in another reactor and the protonated lignin is deposited and dried.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff und zur Gewinnung von Lignin aus einer Lignocellulose aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus.The present invention relates to a method for producing pulp and for obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus.

Für die Herstellung von Papier, Hygienepapier oder Faservliesstoffmaterialien, die häufig auch als Non-Wovens bezeichnet werden, wird Zellstoff verwendet. Bei diesem Zellstoff handelt es sich um eine faserige Masse, die durch einen chemischen Aufschluss von Pflanzenfasern, die Lignocellulose enthalten, hergestellt wird. Der Zellstoff besteht zu einem überwiegenden Teil aus Cellulose.Pulp is used to produce paper, sanitary paper or fiber non-woven materials, often referred to as non-wovens. This pulp is a fibrous mass that is produced by chemically digesting plant fibers that contain lignocellulose. The pulp consists predominantly of cellulose.

Lignocellulose enthält neben Cellulose auch Lignin. Dieses Lignin bildet einen Abfallstoff, der in geeigneter Weise aus der Lignocellulose extrahiert werden muss, damit die für die Herstellung des Zellstoffs erforderliche Cellulose in einer möglichst hohen Reinheit erhalten werden kann.In addition to cellulose, lignocellulose also contains lignin. This lignin forms a waste material that must be appropriately extracted from the lignocellulose so that the cellulose required for the production of the pulp can be obtained in the highest possible purity.

Um für die Zellstoffherstellung aus einer Lignocellulose das Lignin zumindest weitgehend zu lösen und möglichst reine Cellulose zu erhalten, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Faseraufschlussverfahren bekannt. Ein wichtiges, weltweit vorherrschendes Verfahren ist der alkalische Sulfatprozess, der häufig auch als Kraft-Prozess bezeichnet wird, da mit diesem Verfahren festere Zellstofffasern erhalten werden können. Bei diesem Sulfatprozess werden zum Beispiel Hackschnitzel aus Holz über mehrere Stunden unter einem erhöhten Druck von etwa 7 bis 10 bar mit Natronlauge, Natriumsulfid und Natriumsulfat erhitzt. Die Delignifizierung der Lignocellulose erfolgt typischerweise bei Temperaturen von 170°C und darüber.In order to at least largely dissolve the lignin for pulp production from lignocellulose and to obtain the purest possible cellulose, different fiber pulping processes are known from the prior art. An important process that is prevalent worldwide is the alkaline sulfate process, which is often also referred to as the Kraft process because this process can produce stronger pulp fibers. In this sulfate process, wood chips, for example, are heated over several hours under an increased pressure of around 7 to 10 bar with caustic soda, sodium sulfide and sodium sulfate. The Delignification of lignocellulose typically occurs at temperatures of 170°C and above.

Andere aus dem Stand der Technik bekannte Faseraufschlussverfahren sind der Sulfitprozess, der Soda-Prozess sowie der Organosolv-Prozess.Other fiber pulping processes known from the prior art are the sulfite process, the soda process and the Organosolv process.

Für die Zellstoffherstellung wird sehr häufig Holz verwendet. Es ist aber auch möglich, für die Zellstoffherstellung nicht-hölzerne Rohstoffpflanzen zu verwenden. Beispiele für nicht-hölzerne Rohstoffpflanzen sind Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus. Exemplarische Pflanzenarten der Pflanzengattung Miscanthus sind Miscanthus sinensis, Miscanthus sacchariflorus sowie Miscanthus x giganteus. Bei Miscanthus x giganteus handelt es sich um einen Hybrid aus Miscanthus sinensis und Miscanthus sacchariflorus. Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus zeichnen sich insbesondere durch ein schnelles Wachstum und durch eine günstige Kohlenstoffdioxidbilanz aus, so dass sie auch unter kommerziellen Aspekten von großer Bedeutung sind.Wood is very often used for pulp production. However, it is also possible to use non-wood raw material plants for pulp production. Examples of non-woody raw material plants are raw material plants of the plant genus Miscanthus. Exemplary plant species of the plant genus Miscanthus are Miscanthus sinensis, Miscanthus sacchariflorus and Miscanthus x giganteus. Miscanthus x giganteus is a hybrid of Miscanthus sinensis and Miscanthus sacchariflorus. Raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus are particularly characterized by rapid growth and a favorable carbon dioxide balance, so that they are also of great importance from a commercial perspective.

Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus können lokal angebaut werden und zwischen Januar und April geerntet werden. Die geernteten Pflanzen werden üblicherweise zu Pflanzenballen gepresst und mit einem Feuchtigkeitsgehalt zwischen 5 und 15 % gelagert. Diese Pflanzenballen können sofort nach der Ernte verwendet oder aber für die spätere Verwendung gelagert werden. Pflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus sind gegenüber einem Schädlingsbefall relativ robust. Daher kann der Einsatz von Pestiziden beim Anbau auf ein Minimum beschränkt werden, um ökologische Schäden zu vermeiden. Nur im ersten Jahr nach der Anpflanzung werden Pestizide eingesetzt, um ein Überwuchern der Jungpflanzen durch Unkraut zu verhindern. Im zweiten Jahr, in dem die erste Ernte stattfindet, finden sich keine Spuren der verwendeten Pestizide mehr im Pflanzenrohmaterial. Pflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus können etwa 20 Jahre lang jedes Jahr geerntet werden, ohne dass zusätzliche Pestizide oder Düngemittel eingesetzt werden müssen.Raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus can be grown locally and harvested between January and April. The harvested plants are usually pressed into plant balls and stored with a moisture content between 5 and 15%. These plant balls can be used immediately after harvest or stored for later use. Plants of the plant species Miscanthus x giganteus are relatively robust against pest infestation. Therefore, the use of pesticides in cultivation can be kept to a minimum to avoid ecological damage. Pesticides are only used in the first year after planting to prevent weeds from overgrowing the young plants. In the second year, when the first harvest takes place, none are found Traces of the pesticides used more in the plant raw material. Plants of the Miscanthus x giganteus plant species can be harvested every year for about 20 years without the need for additional pesticides or fertilizers.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff und zur Gewinnung von Lignin aus einer Lignocellulose aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus zur Verfügung zu stellen, mittels dessen Zellstoff und Lignin mit besonders vorteilhaften Eigenschaften erhalten werden können.The object of the present invention is to provide a method for producing pulp and for obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus, by means of which pulp and lignin with particularly advantageous properties can be obtained.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff und zur Gewinnung von Lignin aus einer Lignocellulose aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The solution to this problem is a process for producing pulp and for obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus with the features of claim 1. The subclaims relate to advantageous developments of the invention.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Zellstoff und zur Gewinnung von Lignin aus einer Lignocellulose aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus umfasst die Schritte:

S1: Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus werden einem Hochkonsistenz-Pulper zugeführt,
S2: die Rohstoffpflanzen werden mittels des Hochkonsistenz-Pulpers in zumindest einer ersten mechanischen Bearbeitungsstufe zerkleinert und unter Zugabe von Wasser und einer alkalischen Chemikalie aufgelöst, so dass ein lignocellulosehaltiger Faserbrei erhalten wird,
S3: die Cellulose wird aus dem Faserbrei mittels einer Pressvorrichtung, insbesondere mittels einer Schneckenpresse, von einer ligninhaltigen Schwarzlauge getrennt, so dass gepresste Cellulose erhalten wird,
S4: die gepresste Cellulose wird durch Hinzugabe von Wasser und CO₂ gewaschen,
S5: der gewaschenen Cellulose werden Enzyme oder Enzymmischungen, insbesondere cellulose- und/oder ligninmodifizierende Enzyme oder Enzymmischungen, zugesetzt,
S6: die Cellulose wird mittels einer Pressvorrichtung, vorzugsweise mittels einer Schneckenpresse, entwässert, so dass zur Weiterverarbeitung geeigneter Zellstoff erhalten wird,
S7: die Schwarzlauge wird auf einen TDS-Wert zwischen 15 und 45%, vorzugsweise zwischen 25 und 35%, aufkonzentriert,
S8: die Schwarzlauge wird in einem Reaktor neutralisiert, wobei Ligninpartikel, insbesondere Ligninflocken, gebildet werden,
S9: die Ligninpartikel werden, vorzugweise mittels eines Dekanterseperators, von der Flüssigkeit getrennt,
S10: die im Verfahrensschritt S9 abgeschiedenen Ligninpartikel werden in einem weiteren Reaktor gewaschen und protoniert,
S11: das protonierte Lignin wird abgeschieden und, insbesondere mittels einer Schnelltrocknungseinrichtung, getrocknet.

A method according to the invention for producing pulp and for obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus comprises the steps:

S1: Raw material plants of the plant genus Miscanthus are fed to a high-consistency pulper,
S2: the raw material plants are crushed using the high-consistency pulper in at least a first mechanical processing stage and dissolved with the addition of water and an alkaline chemical, so that a lignocellulose-containing pulp is obtained,
S3: the cellulose is separated from the pulp from a lignin-containing black liquor by means of a pressing device, in particular by means of a screw press, so that pressed cellulose is obtained,
S4: the pressed cellulose is made by adding water and CO ₂ washed,
S5: enzymes or enzyme mixtures, in particular cellulose and/or lignin-modifying enzymes or enzyme mixtures, are added to the washed cellulose,
S6: the cellulose is dewatered using a pressing device, preferably using a screw press, so that pulp suitable for further processing is obtained,
S7: the black liquor is concentrated to a TDS value between 15 and 45%, preferably between 25 and 35%,
S8: the black liquor is neutralized in a reactor, whereby lignin particles, in particular lignin flakes, are formed,
S9: the lignin particles are separated from the liquid, preferably using a decanter separator,
S10: the lignin particles deposited in process step S9 are washed and protonated in a further reactor,
S11: the protonated lignin is deposited and dried, in particular using a rapid drying device.

Anstelle eines Zellstoffkochers, wie er im Stand der Technik bei der Zellstoffherstellung sehr häufig zum Einsatz kommt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Hochkonsistenz-Pulper für die Zellstoffherstellung aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus verwendet. Eine Vorbehandlung der Rohstoffpflanzen ist dabei in vorteilhafter Weise nicht erforderlich.Instead of a pulp digester, as is very often used in the prior art for pulp production, the method according to the invention uses a high-consistency pulper for pulp production from the raw material plants of the plant genus Miscanthus. Advantageously, pretreatment of the raw material plants is not necessary.

Es hat sich gezeigt, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus ein Zellstoff mit ungebleichter Cellulose erhalten werden kann, wobei die Cellulose eine hellere Farbe im Vergleich zu herkömmlichen, ungebleichten Cellulosen aufweist. Vorzugsweise werden Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus verwendet.It has been shown that by means of the process according to the invention, a pulp with unbleached cellulose can be obtained from the raw material plants of the plant genus Miscanthus, the cellulose having a lighter color compared to conventional, unbleached cellulose. Raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus are preferably used.

Die fertigen Cellulosefasern haben eine Faserlänge zwischen 0,5 und 1,5 mm und eine durchschnittliche Dicke von etwa 15 bis 25 Mikrometern. Der in Anspruch 1 angegebene TDS-Wert ist ein chemischer Parameter und repräsentiert - als Abkürzung für den englischen Ausdruck "total dissolved solids" - die Menge aller nichtflüchtigen Stoffe, die im Lösungsmittel (Wasser) der Schwarzlauge enthalten sind. Der TDS-Wert wird in der Fachwelt häufig auch als Gesamttrockenrückstand bezeichnet.The finished cellulose fibers have a fiber length between 0.5 and 1.5 mm and an average thickness of about 15 to 25 micrometers. The TDS value specified in claim 1 is a chemical parameter and represents - as an abbreviation for the English expression " total dissolved solids " - the amount of all non-volatile substances contained in the solvent (water) of the black liquor. The TDS value is often referred to by experts as the total dry residue.

Der Zellstoff mit der Cellulose aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus, insbesondere der Pflanzenart Miscanthus x giganteus, der in der erfindungsgemäßen Weise hergestellt wird, kann in vorteilhafter Weise über einen langen Zeitraum gelagert werden, ohne dass die Cellulose dabei merklich abgebaut wird. Weiterhein hat es sich gezeigt, dass der Zellstoff aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus, insbesondere der Pflanzenart Miscanthus x giganteus, vorteilhafte antimikrobielle und antioxidative Eigenschaften aufweist. Diese vorteilhaften Eigenschaften sind sehr wahrscheinlich auf das in der Cellulose verbleibende (verfahrenstechnisch unvermeidbare) Rest-Lignin zurückzuführen, welches antimikrobielle und antioxidative Eigenschaften aufweist.The pulp with the cellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus, in particular the plant species Miscanthus x giganteus, which is produced in the manner according to the invention, can advantageously be stored over a long period of time without the cellulose being noticeably broken down. Furthermore, it has been shown that the pulp from the raw material plants of the plant genus Miscanthus, in particular the plant species Miscanthus x giganteus, has advantageous antimicrobial and antioxidant properties. These advantageous properties are most likely due to the residual lignin remaining in the cellulose (which is unavoidable from a technical point of view), which has antimicrobial and antioxidant properties.

Der Zellstoff, der aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus, insbesondere der Pflanzenart Miscanthus x giganteus, hergestellt wird, hat überdies sehr gute Weichheitseigenschaften, ohne jedoch an Festigkeit zu verlieren. Dieses sind eigentlich widersprüchliche Eigenschaften. Die ungebleichten Fasern haben darüber hinaus eine sehr helle Farbe. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene spezielle Enzymbehandlung, wie sie aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist, sorgt in vorteilhafter Weise für die Festigkeit, die Weichheit und die Helligkeit der Zellstofffasern. Dabei werden Enzyme oder Enzymmischungen verwendet, welche die Festigkeit, die Weichheit und die Helligkeit (also die Weiße) der Zellstofffasern verbessern.The pulp, which is produced from raw material plants of the plant genus Miscanthus, in particular the plant species Miscanthus x giganteus, also has very good softness properties, but without losing its strength. These are actually contradictory properties. The unbleached fibers also have a very light color. The special enzyme treatment provided in the process according to the invention, which is not known from the prior art, advantageously ensures the strength, softness and brightness of the cellulose fibers. Enzymes or Enzyme mixtures are used that improve the strength, softness and brightness (i.e. whiteness) of the pulp fibers.

Durch das Ligningewinnungsverfahren wird Lignin mit einer hohen Ausbeute erhalten. Infolge des Niedrigenergie-Zellstoffherstellungsverfahrens bleibt das Lignin in vorteilhafter Weise sehr nativ. Es hat sich gezeigt, dass dadurch ein geringerer intermolekularer Abbau des Lignins erfolgt, was in vorteilhafter Weise zu einem schwachen Geruch und niedrigeren Glasübergangstemperaturen führt. Durch die schonende Verarbeitung und den vollständigen Verzicht auf schwefelhaltige Komponenten bei der Zellstoffherstellung, wie sie insbesondere bei den aus dem Stand der Technik bekannten Sulfatverfahren eingesetzt werden, entsteht so ein geruchsarmes und helles Lignin.Through the lignin extraction process, lignin is obtained with a high yield. As a result of the low energy pulp production process, the lignin advantageously remains very native. It has been shown that this results in less intermolecular degradation of the lignin, which advantageously leads to a weak odor and lower glass transition temperatures. The gentle processing and complete elimination of sulfur-containing components in pulp production, as used in particular in the sulfate processes known from the prior art, result in a low-odor and light-colored lignin.

In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die alkalischen Chemikalien im Verfahrensschritt S2 den Rohstoffpflanzen in einem Konzentrationsbereich von 1 bis 10 mol [OH^-]/kg Rohstoffpflanzen, vorzugsweise von 2 bis 7 mol [OH^-]/kg Rohstoffpflanzen und insbesondere von 3 bis 5 mol [OH^-]/kg Rohstoffpflanzen zugegeben werden. Beispielsweise kann zu Natronlauge (NaOH) verwendet werden. Alternativ können zum Beispiel auch alkalische Kaliumhydroxide oder Calciumhydroxide verwendet werden.In one embodiment it can be provided that the alkaline chemicals in process step S2 are supplied to the raw material plants in a concentration range of 1 to 10 mol [OH ^- ]/kg raw material plants, preferably from 2 to 7 mol [OH ^- ]/kg raw material plants and in particular from 3 to 5 mol [OH ^- ]/kg raw material plants are added. For example, caustic soda (NaOH) can be used. Alternatively, for example, alkaline potassium hydroxides or calcium hydroxides can also be used.

Vorzugsweise kann die Reaktionstemperatur im Verfahrensschritt S2 so gewählt werden, dass sie etwa 60°C bis etwa 100°C, vorzugsweise 70°C bis 90°C, beträgt. Damit ist die Reaktionstemperatur im Verfahrensschritt S2 erheblich geringer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftprozessen beziehungsweise Sodaprozessen.Preferably, the reaction temperature in process step S2 can be chosen so that it is about 60 ° C to about 100 ° C, preferably 70 ° C to 90 ° C. The reaction temperature in process step S2 is therefore significantly lower than in the kraft processes or soda processes known from the prior art.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der Verfahrensschritt S2 unter Atmosphärendruck ausgeführt wird. Damit ist auch der Druck wesentlich geringer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftprozessen beziehungsweise Sodaprozessen.In an advantageous embodiment, it is possible for method step S2 to be carried out under atmospheric pressure. This means that the pressure is also significantly lower than in the kraft processes or soda processes known from the prior art.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass im Verfahrensschritt S2 in einer zweiten mechanischen Bearbeitungsstufe eine zweite mechanische Behandlung ausgeführt wird, bei der dem Faserbrei, vorzugsweise mittels einer Fräspumpe, zusätzliche mechanische Energie zugeführt wird. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die möglicherweise noch im Faserbrei enthaltenen Rohstoffpflanzenstücke und Schäben zerkleinert werden und die Fasern zu stärkeren und weicheren Fasern fibrillieren können. Vorzugsweise wird bei der zweiten mechanischen Behandlung eine Energie zwischen 20 und 80 kWh/Tonne in den Faserbrei eingebracht. Vorzugsweise liegt der Energieeintrag zwischen 40 und 60 kWh/Tonne.In a particularly advantageous embodiment, it is proposed that in method step S2 a second mechanical treatment is carried out in a second mechanical processing stage, in which additional mechanical energy is supplied to the fiber pulp, preferably by means of a milling pump. This advantageously ensures that the raw material plant pieces and shives that may still be contained in the fiber pulp are shredded and the fibers can fibrillate into stronger and softer fibers. During the second mechanical treatment, an energy of between 20 and 80 kWh/ton is preferably introduced into the fiber pulp. The energy input is preferably between 40 and 60 kWh/ton.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der gewaschenen Cellulose im Verfahrensschritt S5 zwischen 70 und 140 g/Tonne, vorzugsweise zwischen 80 und 100 g/Tonne, der Enzyme oder Enzymmischungen zugesetzt werden.In a preferred embodiment, it is proposed that between 70 and 140 g/ton, preferably between 80 and 100 g/ton, of the enzymes or enzyme mixtures be added to the washed cellulose in process step S5.

Vorzugsweise können die Enzyme oder Enzymmischungen aus einer Gruppe ausgewählt sein, die aus Cellulasen, Peroxidasen, Amylasen, Laccasen oder Mischungen hieraus besteht.Preferably, the enzymes or enzyme mixtures can be selected from a group consisting of cellulases, peroxidases, amylases, laccases or mixtures thereof.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Reaktionstemperatur im Verfahrensschritt S8 so gewählt werden, dass sie zwischen 50°C und 100°C, vorzugsweise zwischen 70°C und 90°C, liegt. Während dieser chemischen Reaktion im Verfahrensschritt S8 wird die Temperatur vorzugsweise etwa eine Stunde lang auf diesem Temperaturwert gehalten (Primärreaktion). Die Schwarzlauge wird im Reaktor vorzugsweise mit einer definierten Rührgeschwindigkeit gerührt, um ein schnelles Partikelwachstum zu verhindern, aber die Bildung festerer, kompakterer Partikel zu fördern. Wenn ein voreingestellter pH-Wert, insbesondere ein pH-Wert von 8, erreicht ist, wird die Rührgeschwindigkeit reduziert. Die auf diese Weise gebildeten kompakten Partikel können nun in einem Zeitraum von etwa einer Stunde (Sekundärreaktion) zu größeren Partikeln wachsen und dabei die Flocken bilden. Der Druck während der gesamten Reaktion liegt zwischen 1,0 und 3,0 bar, vorzugsweise zwischen 1,5 und 2,0 bar.In a preferred embodiment, the reaction temperature in process step S8 can be chosen so that it is between 50 ° C and 100 ° C, preferably between 70 ° C and 90 ° C. During this chemical reaction in process step S8, the temperature preferably becomes approximately one Held at this temperature value for an hour (primary reaction). The black liquor is preferably stirred in the reactor at a defined stirring speed in order to prevent rapid particle growth but to promote the formation of firmer, more compact particles. When a preset pH value, in particular a pH value of 8, is reached, the stirring speed is reduced. The compact particles formed in this way can now grow into larger particles within a period of about one hour (secondary reaction) and thereby form the flakes. The pressure throughout the reaction is between 1.0 and 3.0 bar, preferably between 1.5 and 2.0 bar.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Reaktionstemperatur während des Verfahrensschritts S10 so gewählt wird, dass sie zwischen 50° und 100°C, vorzugsweise zwischen 70°C und 90°C, liegt.In an advantageous embodiment, it is proposed that the reaction temperature during process step S10 is chosen so that it is between 50 ° and 100 ° C, preferably between 70 ° C and 90 ° C.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass während des Lignin-Waschprozesses im Verfahrensschritt S10 eine Ultraschallentschäumung durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Ultraschallentschäumung der Lignin-Waschprozess in vorteilhafter Weise beschleunigt werden kann.In a particularly advantageous embodiment, it is possible for ultrasonic defoaming to be carried out during the lignin washing process in method step S10. It has been shown that this ultrasonic defoaming can advantageously accelerate the lignin washing process.

Vorzugsweise kann optional ein weiterer Verfahrensschritt S12 vorgesehen sein, bei dem die im Verfahrensschritt S11 erhaltene Flüssigkeit regeneriert wird. Die Flüssigkeit wird dabei vorzugsweise mit Calciumhydroxid gemischt. Die Karbonate verbinden sich mit dem [OH^-] aus dem Calciumhydroxid. Diese Reaktion bildet eine flüssige alkalische Chemikalie und festes Calciumkarbonat, welches ausfällt und leicht von der Flüssigkeit getrennt werden kann. Das CO₂ wird somit in Form von Calciumkarbonat gespeichert. Die Reaktionszeit beträgt etwa 1 Stunde bei einer Reaktionstemperatur: zwischen 50 - 100°C, vorzugsweise zwischen 70 - 90°C. Die auf diese Weise wiedergewonnene alkalische Chemikalie kann nachfolgend für den Faseraufschluss von Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus, insbesondere der Pflanzenart Miscanthus x giganteus, nach dem hier beschriebenen Verfahren wiederverwendet werden.Preferably, a further process step S12 can optionally be provided, in which the liquid obtained in process step S11 is regenerated. The liquid is preferably mixed with calcium hydroxide. The carbonates combine with the [OH ^- ] from the calcium hydroxide. This reaction forms a liquid alkaline chemical and solid calcium carbonate, which precipitates and can be easily separated from the liquid. The CO ₂ is thus stored in the form of calcium carbonate. The reaction time is about 1 hour at a reaction temperature: between 50 - 100°C, preferably between 70 - 90°C. The alkaline chemical recovered in this way can subsequently be reused for the fiber pulping of raw material plants of the plant genus Miscanthus, in particular the plant species Miscanthus x giganteus, using the method described here.

Gemäß Anspruch 14 wird eine Verwendung eines gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellten Zellstoffs zur Herstellung von Hygienepapierprodukten, insbesondere Tissue-Papier, oder Faservliesstoffmaterialien vorgeschlagen. Die Hygienepapierprodukte oder Faservliesstoffmaterialien können zu 100% aus Fasern des mittels des hier vorgestellten Verfahrens hergestellten Zellstoffs hergestellt werden. Allgemein können die Hygienepapierprodukte oder Faservliesstoffmaterialien einen Anteil von > 0 Gew.% bis zu 100 Gew.% des gemäß dem Verfahren hergestellten Zellstoffs aufweisen. Die Hygienepapierprodukte oder Faservliesstoffmaterialien zeichnen sich insbesondere durch ihre Weichheit, ihre hohe Festigkeit und ihre helle Farbe aus.According to claim 14, a use of a pulp produced according to a method according to one of claims 1 to 13 for the production of sanitary paper products, in particular tissue paper, or nonwoven fiber materials is proposed. The sanitary paper products or nonwoven materials can be made from 100% fibers of the pulp produced using the process presented here. In general, the sanitary paper products or nonwoven materials can have a proportion of >0% by weight up to 100% by weight of the pulp produced according to the process. The hygiene paper products or fiber nonwoven materials are characterized in particular by their softness, their high strength and their light color.

Neben Fasern aus dem Zellstoff, der mittels des hier vorgestellten Verfahrens aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus, insbesondere der Pflanzenart Miscanthus x giganteus, hergestellt wurde, können in weiteren Ausführungsformen zusätzlich auch Zellstofffasern anderen Ursprungs, wie zum Beispiel primäre Zellstofffasern hölzernen Ursprungs beziehungsweise primäre Zellstofffasern nicht-hölzernen Ursprungs und/oder sekundäre Zellstoffasern, die aus Altpapier gewonnen werden (Deinking-Zellstoff, kurz: DIP), zur Herstellung von Hygienepapierprodukten, insbesondere Tissue-Papier, oder Faservliesstoffmaterialien verwendet werden.In addition to fibers from the pulp that was produced using the method presented here from the raw material plants of the plant genus Miscanthus, in particular the plant species Miscanthus x giganteus, in further embodiments, pulp fibers of other origins, such as primary pulp fibers of wooden origin or primary pulp fibers cannot be used -wooden origin and/or secondary pulp fibers obtained from waste paper (deinking pulp, DIP for short), used for the production of sanitary paper products, in particular tissue paper, or fiber nonwoven materials.

Die antioxidativen und antibakteriellen Eigenschaften der Cellulose machen den Zellstoff besonders geeignet für die Verwendung zur Herstellung von Feuchttüchern, die aus einem Faservliesstoffmaterial hergestellt werden und sich auch für Kreislauflösungen, wie zum Beispiel für Rücknahmeprogramme für gebrauchte Produkte, die aus einem Zellstoff mit dieser Cellulose hergestellt worden sind, eignen.The antioxidant and antibacterial properties of cellulose make the pulp particularly suitable for Use for the production of wet wipes made from a fibrous non-woven material and also suitable for circular solutions such as take-back programs for used products made from a pulp containing this cellulose.

Gemäß Anspruch 15 wird eine Verwendung eines gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gewonnenen Lignins zur Herstellung von Beschichtungsmaterialien, Klebstoffen, Pigmenten, Füllstoffen oder Farben vorgeschlagen.According to claim 15, a use of a lignin obtained according to a process according to one of claims 1 to 13 for the production of coating materials, adhesives, pigments, fillers or paints is proposed.

Weitere Merkmale und Vorteile eines Ausführungsbeispiels der Erfindung werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 nachfolgend beschrieben. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die Einzelheiten eines Verfahrens zur Herstellung von Zellstoff und zur Gewinnung von Lignin aus einer Lignocellulose aus Rohstoffpflanzen der Pflanzengattung Miscanthus veranschaulicht.Further features and advantages of an embodiment of the invention are described with reference to Fig. 1 described below. Fig. 1 is a schematic representation illustrating details of a process for producing pulp and obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus.

Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren werden für die Zellstoffherstellung und für die Gewinnung von Lignin Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus, die zur Pflanzengattung Miscanthus gehört, verwendet. Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus haben unter anderem den Vorteil, dass sie schnellwachsend sind und gegenüber einem Schädlingsbefall relativ robust sind. Daher kann der Einsatz von Pestiziden auf ein Minimum beschränkt werden, um ökologische Schäden beim Anbau der Pflanzen zu vermeiden. Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus können etwa 20 Jahre lang jedes Jahr geerntet werden, ohne dass zusätzliche Pestizide oder Düngemittel eingesetzt werden müssen.In the process described below, raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus, which belongs to the plant genus Miscanthus, are used for pulp production and for the extraction of lignin. Raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus have the advantage, among other things, that they are fast-growing and relatively robust against pest infestation. Therefore, the use of pesticides can be kept to a minimum to avoid ecological damage when growing the plants. Raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus can be harvested every year for around 20 years without the need to use additional pesticides or fertilizers.

Die geernteten Rohstoffpflanzen können zum Beispiel zu Pflanzenballen gepresst und mit einem Feuchtigkeitsgehalt zwischen 5 und 15 % gelagert werden. Dabei können die Pflanzenballen die geernteten Rohstoffpflanzen vollständig enthalten oder zum Beispiel auch mechanisch vorbehandelte, insbesondere gehäckselte Rohstoffpflanzen, enthalten. Die Pflanzenballen können sofort nach der Ernte verwendet werden oder für die spätere Verwendung gelagert werden.The harvested raw material plants can, for example, be pressed into plant balls and stored with a moisture content of between 5 and 15%. The plant bales can contain the harvested raw material plants completely or, for example, also contain mechanically pretreated, in particular chopped raw material plants. The plant balls can be used immediately after harvest or stored for later use.

Um Lignin aus einer Lignocellulose aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus zu gewinnen und Zellstoff herzustellen, wird nachfolgend ein Verfahren näher erläutert, bei dem eine Kombination aus chemischen, thermischen, mechanischen und enzymatischem Verfahrensschritten eingesetzt wird, um eine hohe Qualität des ungebleichten Zellstoffs zu erreichen und auch Lignin mit vorteilhaften Eigenschaften zu erhalten.In order to obtain lignin from a lignocellulose from the raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus and to produce pulp, a process is explained in more detail below, in which a combination of chemical, thermal, mechanical and Enzymatic process steps are used to achieve high quality of the unbleached pulp and also to obtain lignin with advantageous properties.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden die Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus einem Hochkonsistenz-Pulper zugeführt. Ein derartiger Hochkonsistenz-Pulper wird normalerweise für das Recycling und die Aufbereitung von Altpapier verwendet. Die Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus können dem Hochkonsistenz-Pulper zum Beispiel in Form der oben erwähnten Pflanzenballen zugeführt werden, die die geernteten Rohstoffpflanzen vollständig enthalten können oder bereits mechanisch vorbehandelte, insbesondere gehäckselte, Rohstoffpflanzen enthalten können. Von diesen Pflanzenballen wird vor der Zuführung in den Hochkonsistenz-Pulper jeweils ein Bindedraht entfernt, der dafür sorgt, die Pflanzenballen in ihrer Form zu halten.In a first process step S1, the raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus are fed to a high-consistency pulper. Such a high consistency pulper is normally used for recycling and processing waste paper. The raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus can be fed to the high-consistency pulper, for example in the form of the above-mentioned plant balls, which can contain the harvested raw material plants completely or can already contain mechanically pre-treated, in particular chopped, raw material plants. A binding wire is removed from each of these plant balls before they are fed into the high-consistency pulper, which ensures that the plant balls are kept in their shape.

In einem nächsten Verfahrensschritt S2 werden die Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus mittels des Hochkonsistenz-Pulpers mechanisch zerkleinert und aufgelöst. Dabei werden den Rohstoffpflanzen recycelte und/oder frische alkalische Chemikalien, die für einen Faseraufschluss notwendig sind, zugegeben. Beispielsweise kann zu diesem Zweck Natronlauge (NaOH) verwendet werden. Alternativ können zum Beispiel auch alkalische Kaliumhydroxide oder Calciumhydroxide verwendet werden.In a next process step S2, the raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus are mechanically comminuted and dissolved using the high-consistency pulper. Recycled and/or fresh alkaline chemicals, which are necessary for fiber pulping, are added to the raw material plants. For example, sodium hydroxide solution (NaOH) can be used for this purpose. Alternatively, for example, alkaline potassium hydroxides or calcium hydroxides can also be used.

Die alkalischen Chemikalien werden in einem Konzentrationsbereich von 1 bis 10 mol [OH^-]/kg Rohstoffpflanzen (Miscanthus x giganteus), vorzugsweise in einem Konzentrationsbereich von 2 bis 7 mol [OH^-]/kg Rohstoffpflanzen und insbesondere in einem Konzentrationsbereich von 3 bis 5 mol [OH^-]/kg Rohstoffpflanzen zugegeben. Zusammen mit den alkalischen Chemikalien wird den Rohstoffpflanzen auch Wasser, welches eine Temperatur von etwa 60°C bis etwa 100°C aufweist, zugegeben. Die Reaktionstemperatur beträgt in diesem Verfahrensschritt S2 etwa 60°C bis etwa 100°C, vorzugsweise 70°C bis 90°C. Die gesamte Reaktionsdauer beträgt etwa 30 bis 120 Minuten unter Atmosphärendruck. Vorzugsweise liegt die gesamte Reaktionsdauer zwischen 45 und 70 Minuten. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass das Lignin aus der Lignocellulose extrahiert und aufgelöst wird, wobei in vorteilhafter Weise keine zusätzliche Erwärmung erforderlich ist.The alkaline chemicals are used in a concentration range of 1 to 10 mol [OH ^- ]/kg raw material plants (Miscanthus x giganteus), preferably in a concentration range of 2 to 7 mol [OH ^- ]/kg raw material plants and in particular in a concentration range of 3 to 5 mol [OH ^- ]/kg raw material plants added. Together with the alkaline ones Chemicals are also added to the raw material plants, including water that has a temperature of around 60°C to around 100°C. The reaction temperature in this process step S2 is about 60°C to about 100°C, preferably 70°C to 90°C. The total reaction time is approximately 30 to 120 minutes under atmospheric pressure. The total reaction time is preferably between 45 and 70 minutes. These measures ensure that the lignin is extracted from the lignocellulose and dissolved, advantageously no additional heating being required.

Während der gesamten Reaktionsdauer übt der Hochkonsistenz-Pulper eine Scherbeanspruchung auf die Fasermasse der Rohstoffpflanzen aus. Diese Scherbeanspruchung bildet eine erste mechanische Behandlung und bewirkt die Zerkleinerung der Rohstoffpflanzen, so dass ein Faserbrei unter milden Umgebungsbedingungen (Temperatur- und Druckbedingungen) im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftverfahren beziehungsweise Sodaverfahren entsteht. Der Energiebedarf des Hochkonsistenz-Pulpers für die Durchführung des Verfahrensschritts S2 liegt zwischen 30 und 90 kWh/Tonne, vorzugsweise zwischen 50 und 90 kWh/Tonne.During the entire reaction period, the high-consistency pulper exerts shear stress on the fiber mass of the raw material plants. This shearing stress forms a first mechanical treatment and causes the raw material plants to be comminuted, so that a fiber pulp is created under mild environmental conditions (temperature and pressure conditions) in comparison to the kraft processes or soda processes known from the prior art. The energy requirement of the high-consistency pulper for carrying out process step S2 is between 30 and 90 kWh/ton, preferably between 50 and 90 kWh/ton.

Ferner wird in diesem Verfahrensschritt S2 eine zweite mechanische Behandlung ausgeführt, bei der dem Faserbrei, vorzugsweise mittels einer Fräspumpe, unter den alkalischen Umgebungsbedingungen und unter den milden Temperaturbedingungen zusätzliche mechanische Energie zugeführt wird, um die möglicherweise noch im Faserbrei enthaltenen Rohstoffpflanzenstücke und Schäben zu zerkleinern und die Fasern zu stärkeren und weicheren Fasern zu fibrillieren. Mittels der Fräspumpe wird Energie für die mechanische Nachbehandlung zwischen 20 und 80 kWh/Tonne in den Faserbrei eingebracht. Vorzugsweise liegt der Energieeintrag zwischen 40 und 60 kWh/Tonne.Furthermore, in this process step S2, a second mechanical treatment is carried out, in which additional mechanical energy is supplied to the pulp, preferably by means of a milling pump, under the alkaline ambient conditions and under the mild temperature conditions, in order to crush the pieces of raw material plants and shives that may still be contained in the pulp and to fibrillate the fibers into stronger and softer fibers. Using the milling pump, energy for mechanical post-treatment between 20 and 80 kWh/ton is introduced into the fiber pulp. The energy input is preferably between 40 and 60 kWh/ton.

In einem Verfahrensschritt S3 wird die Cellulose mittels einer Pressvorrichtung, insbesondere mittels einer Schneckenpresse, von dem ligninreichen alkalischen Wasser, das nachfolgend auch als Schwarzlauge bezeichnet wird, getrennt. In diesem Verfahrensschritt S3 wird somit neben der gepressten Cellulose auch Schwarzlauge erhalten.In a process step S3, the cellulose is separated from the lignin-rich alkaline water, which is also referred to below as black liquor, by means of a pressing device, in particular by means of a screw press. In this process step S3, black liquor is also obtained in addition to the pressed cellulose.

In einem Verfahrensschritt S4 wird die im vorhergehenden Verfahrensschritt erhaltene gepresste Cellulose mit Wasser und CO₂ gewaschen, um so den pH-Wert zu neutralisieren und eventuelle Verunreinigungen zu entfernen.In a process step S4, the pressed cellulose obtained in the previous process step is washed with water and CO ₂ in order to neutralize the pH and remove any impurities.

Ferner werden der gewaschenen Cellulose in einem nachfolgenden Verfahrensschritt S5 geeignete Enzyme oder Enzymmischungen, bei denen es sich insbesondere um cellulose- und/oder ligninmodifizierende Enzyme oder Enzymmischungen handelt, zugesetzt, um die Weichheit, die Festigkeit und die Helligkeit (also die Weiße) der Cellulosefasern zu erhöhen. Die Enzyme beziehungsweise Enzymmischungen sind vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Cellulasen, Peroxidasen, Amylasen, Laccasen oder Mischungen hieraus besteht.Furthermore, suitable enzymes or enzyme mixtures, which are in particular cellulose and/or lignin-modifying enzymes or enzyme mixtures, are added to the washed cellulose in a subsequent process step S5 in order to improve the softness, strength and brightness (i.e. the whiteness) of the cellulose fibers to increase. The enzymes or enzyme mixtures are preferably selected from a group consisting of cellulases, peroxidases, amylases, laccases or mixtures thereof.

In diesem Verfahrensschritt S5 werden zwischen 70 und 140 g/Tonne, vorzugsweise zwischen 80 und 100 g/Tonne des Enzyms beziehungsweise der Enzymmischung der gewaschenen Cellulose zugesetzt. Die Reaktionszeit der Enzyme beträgt vorzugsweise mindestens eine Stunde. Der pH-Wert nach dem Waschen und während der enzymatischen Behandlung liegt zwischen 7 und 10, vorzugsweise zwischen 8 und 9.In this process step S5, between 70 and 140 g/ton, preferably between 80 and 100 g/ton, of the enzyme or enzyme mixture are added to the washed cellulose. The reaction time of the enzymes is preferably at least one hour. The pH value after washing and during the enzymatic treatment is between 7 and 10, preferably between 8 and 9.

Der fertige und somit für eine spätere Weiterverarbeitung geeignete Zellstoff wird in einem Verfahrensschritt S6 dadurch erzeugt, dass die in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltene Cellulose mittels einer Pressvorrichtung, vorzugsweise mittels einer Schneckenpresse, entwässert wird. Der Zellstoff kann anschließend für die spätere Weiterverarbeitung gelagert oder auch sofort zum Beispiel für die Herstellung von Hygienepapierprodukten, insbesondere Tissue-Papier, oder Faservliesstoffmaterialien, die häufig auch als Non-Wovens bezeichnet werden, verwendet werden.The finished pulp, which is therefore suitable for later further processing, is produced in a process step S6 by dewatering the cellulose obtained in the manner described above using a pressing device, preferably using a screw press. The pulp can then be stored for later further processing or can also be used immediately, for example, for the production of sanitary paper products, in particular tissue paper, or nonwoven materials, which are often also referred to as non-wovens.

Es hat sich gezeigt, dass mittels des hier beschriebenen Verfahrens aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus ein Zellstoff mit ungebleichter Cellulose hergestellt werden kann, wobei die Cellulose eine hellere Farbe im Vergleich zu herkömmlichen, ungebleichten Cellulosen aufweist. Die fertigen Cellulosefasern, welche im Zellstoff enthalten sind, haben eine typische Faserlänge zwischen 0,5 und 1,5 mm und eine durchschnittliche Dicke von etwa 15 bis 25 Mikrometern.It has been shown that using the process described here, a cellulose with unbleached cellulose can be produced from the raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus, with the cellulose having a lighter color compared to conventional, unbleached cellulose. The finished cellulose fibers contained in the pulp have a typical fiber length of between 0.5 and 1.5 mm and an average thickness of about 15 to 25 micrometers.

Der Zellstoff mit der Cellulose aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus, der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt wurde, kann in vorteilhafter Weise über einen langen Zeitraum gelagert werden, ohne dass die Cellulose dabei merklich abgebaut wird. Wahrscheinlich ist dieses auf das in der Cellulose verbleibende, verfahrenstechnisch unvermeidbare Rest-Lignin zurückzuführen, welches antioxidative und antimikrobielle Eigenschaften aufweist. Diese Eigenschaften machen die Cellulose besonders geeignet für die Verwendung in Feuchttüchern, die aus einem Faservliesstoffmaterial hergestellt werden und sich auch für Kreislauflösungen, wie zum Beispiel für Rücknahmeprogramme für gebrauchte Produkte, die aus einem Zellstoff mit dieser Cellulose hergestellt worden sind, eignen.The pulp with the cellulose from the raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus, which was produced in the manner described above, can advantageously be stored over a long period of time without the cellulose being noticeably broken down. This is probably due to the unavoidable residual lignin remaining in the cellulose, which has antioxidant and antimicrobial properties. These properties make the cellulose particularly suitable for use in wet wipes made from a fibrous nonwoven material and also suitable for closed-loop solutions, such as take-back programs for used products made from a pulp containing this cellulose.

Der Zellstoff mit der Cellulose, die aus den Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus hergestellt wurde, hat überdies sehr gute Weichheitseigenschaften, ohne jedoch an Festigkeit zu verlieren.The pulp with cellulose, which was made from the raw materials of the plant species Miscanthus x giganteus, also has very good softness properties, but without losing its strength.

Nachfolgend sollen weitere Verfahrensschritte erläutert werden, mittels derer das Lignin aus der Schwarzlauge, welche nach der Durchführung des Verfahrensschritts S3 die Pressvorrichtung, insbesondere die Schneckenpresse, verlässt, gewonnen werden kann.Further process steps will be explained below, by means of which the lignin can be obtained from the black liquor, which leaves the pressing device, in particular the screw press, after carrying out process step S3.

Die Schwarzlauge enthält üblicherweise noch eine geringe Menge an Fasern der Rohstoffpflanzen. Diese Fasern werden zunächst in einem Verfahrensschritt S7, beispielsweise durch eine oder mehrere Filtrationsstufen oder durch eine Zentrifugation, aus der Schwarzlauge entfernt. Anschließend wird die Schwarzlauge auf einen TDS-Wert von etwa 30 % aufkonzentriert. Die konzentrierte Schwarzlauge enthält das gelöste Lignin. Der TDS-Wert ist ein chemischer Parameter und repräsentiert - als Abkürzung für den englischen Ausdruck "total dissolved solids" - die Menge aller nichtflüchtigen Stoffe, die im Lösungsmittel (Wasser) der Schwarzlauge enthalten sind. Der TDS-Wert wird in der Fachwelt häufig auch als Gesamttrockenrückstand bezeichnet. Allgemein kann der TDS-Wert (Gesamttrockenrückstand) der Schwarzlauge bei dem hier vorgestellten Verfahren zwischen 15 und 45%, vorzugsweise zwischen 25 und 35%, liegen.The black liquor usually still contains a small amount of fiber from the raw material plants. These fibers are first removed from the black liquor in a process step S7, for example through one or more filtration stages or through centrifugation. The black liquor is then concentrated to a TDS value of around 30%. The concentrated black liquor contains the dissolved lignin. The TDS value is a chemical parameter and represents - as an abbreviation for the English expression " total dissolved solids " - the amount of all non-volatile substances contained in the solvent (water) of the black liquor. The TDS value is often referred to by experts as the total dry residue. In general, the TDS value (total dry residue) of the black liquor in the process presented here can be between 15 and 45%, preferably between 25 and 35%.

Die Schwarzlauge wird in einem Verfahrensschritt S8 in einem Reaktor neutralisiert. Bei diesem Neutralisationsprozess werden aus Ligninpartikeln kompakte Ligninflocken gebildet, die sich später leicht in einem Dekanterseparator separieren lassen. Als Neutralisationsmittel wird vorzugsweise CO₂ verwendet, welches in den Reaktor gepumpt wird, um mit den alkalischen Salzen in der Schwarzlauge chemisch zu reagieren. Die CO₂-Zufuhr wird vorzugsweise automatisch gestoppt, wenn die chemische Reaktion abgeschlossen ist.The black liquor is neutralized in a reactor in a process step S8. During this neutralization process, compact lignin flakes are formed from lignin particles, which can later be easily separated in a decanter separator. CO ₂ is preferably used as a neutralizing agent, which is pumped into the reactor in order to react chemically with the alkaline salts in the black liquor. The CO ₂ supply is preferably stopped automatically when the chemical reaction is complete.

Bei dieser chemischen Reaktion bilden sich Karbonate und Wasser, wodurch der pH-Wert der Schwarzlauge gesenkt wird. Durch die Senkung des pH-Werts wird das Lignin protoniert, wodurch sich die Löslichkeit dieses großen Moleküls verringert. Das Lignin tritt aus der Lösung aus und bildet dabei die Ligninflocken.This chemical reaction forms carbonates and water, which lowers the pH of the black liquor. By lowering the pH, the lignin is protonated, reducing the solubility of this large molecule. The lignin comes out of the solution and forms the lignin flakes.

Während dieser chemischen Reaktion im Verfahrensschritt S8 wird die Temperatur eine Stunde lang auf etwa 80°C gehalten (Primärreaktion). Die Schwarzlauge wird im Reaktor mit einer definierten Rührgeschwindigkeit gerührt, um ein schnelles Partikelwachstum zu verhindern, aber die Bildung festerer, kompakterer Partikel zu fördern. Wenn der eingestellte pH-Wert von 8 erreicht ist, wird die Rührgeschwindigkeit reduziert. Die auf diese Weise gebildeten kompakten Partikel können nun in einem Zeitraum von etwa einer Stunde (Sekundärreaktion) zu größeren Partikeln wachsen und dabei die Flocken bilden. Allgemein kann die Reaktionstemperatur im Verfahrensschritt S8 zwischen 50°C und 100°C, vorzugsweise zwischen 70°C und 90°C, liegen. Der Druck während der Reaktion liegt zwischen 1,0 und 3,0 bar, vorzugsweise zwischen 1,5 und 2,0 bar. Für die gesamte Reaktionsdauer (etwa 2 Stunden) ergibt sich, dass die Primärreaktion etwa 1 Stunde andauert und die Sekundärreaktion ebenfalls etwa 1 Stunde andauert.During this chemical reaction in process step S8, the temperature is kept at approximately 80 ° C for one hour (primary reaction). The black liquor is stirred in the reactor at a defined stirring speed to prevent rapid particle growth but to promote the formation of stronger, more compact particles. When the set pH value of 8 is reached, the stirring speed is reduced. The compact particles formed in this way can now grow into larger particles within a period of about one hour (secondary reaction) and thereby form the flakes. In general, the reaction temperature in process step S8 can be between 50 ° C and 100 ° C, preferably between 70 ° C and 90 ° C. The pressure during the reaction is between 1.0 and 3.0 bar, preferably between 1.5 and 2.0 bar. For the entire reaction time (about 2 hours), the primary reaction lasts about 1 hour and the secondary reaction also lasts about 1 hour.

In einem Verfahrensschritt S9 werden die als Ligninflocken vorliegenden Ligninpartikel, vorzugweise mittels eines Dekanterseparators, von der Flüssigkeit getrennt.In a method step S9, the lignin particles present as lignin flakes are separated from the liquid, preferably by means of a decanter separator.

Die im Verfahrensschritt S9 dekantierten und dadurch von der Flüssigkeit getrennten Ligninfeststoffe werden nachfolgend in einem weiteren Verfahrensschritt S10 in einem weiteren Reaktor zum Waschen in Wasser dispergiert. Als Waschchemikalie wird eine Säure verwendet. Dabei kann es sich um eine organische oder eine anorganische Säure handeln. Vorzugsweise wird Schwefelsäure verwendet. Der pH-Wert wird auf 4 gesenkt, um das Lignin weiter zu protonieren und um Silikate und andere anorganische Stoffe zu entfernen.The lignin solids decanted in process step S9 and thereby separated from the liquid are subsequently converted into a further reactor in a further process step S10 Wash dispersed in water. An acid is used as a washing chemical. This can be an organic or an inorganic acid. Sulfuric acid is preferably used. The pH is lowered to 4 to further protonate the lignin and to remove silicates and other inorganic substances.

Während dieser Reaktion werden einige Restcarbonate in andere Salze umgewandelt und setzen dabei CO₂ frei. Die Freisetzung von CO₂ verursacht eine Schaumbildung, welche die Zugabe der Säure verzögert. Um die Säurezugabe und somit auch den Waschprozess des Lignins zu beschleunigen, wird vorzugsweise eine Ultraschallentschäumung verwendet. Die Reaktionstemperatur während des Verfahrensschritts S10 liegt zwischen 50° und 100°C, vorzugsweise zwischen 70°C und 90°C. Die Reaktionszeit beträgt vorzugsweise etwa 1 Stunde.During this reaction, some residual carbonates are converted into other salts, releasing _CO2 . The release of CO ₂ causes foam formation, which delays the addition of the acid. In order to accelerate the addition of acid and thus also the washing process of the lignin, ultrasonic defoaming is preferably used. The reaction temperature during process step S10 is between 50° and 100°C, preferably between 70°C and 90°C. The reaction time is preferably about 1 hour.

Das protonierte Lignin wird in einem nachfolgenden Schritt Verfahrensschritt S11, insbesondere mittels eines Feststoffdekanters, dekantiert und - vorzugsweise mithilfe einer Schnelltrocknungseinrichtung - getrocknet. Der Feuchtigkeitsgehalt des Lignins nach der Trocknung beträgt vorzugsweise 1 bis 10%, insbesondere zwischen 2 bis 4%. Die Ligninreinheit liegt zwischen 90 und 99,5%, insbesondere zwischen 95 und 99%.The protonated lignin is decanted in a subsequent step, process step S11, in particular using a solids decanter, and dried - preferably using a rapid drying device. The moisture content of the lignin after drying is preferably 1 to 10%, in particular between 2 to 4%. The lignin purity is between 90 and 99.5%, especially between 95 and 99%.

Die Flüssigkeit, die den Feststoffdekanter im vorhergehenden Schritt verlässt, wird in einem optionalen Verfahrensschritt S12, der weiter unten noch näher erläutert werden wird, für die chemische Regeneration verwendet.The liquid that leaves the solids decanter in the previous step is used for chemical regeneration in an optional process step S12, which will be explained in more detail below.

Das hier vorgestellte Verfahren zur Herstellung von Zellstoff aus Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus in Kombination mit dem nachgeschalteten Schwarzlaugen-Verfahren zur Gewinnung von Lignin führt zu einem sehr nativen Lignin mit einigen besonderen Eigenschaften.The process presented here for the production of pulp from raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus in combination with the downstream black liquor process Extraction of lignin results in a very native lignin with some special properties.

Der milde Prozess führt zu einem geringeren Abbau der Lignin-Moleküle, da ein großer Anteil an β-O-4-Verkettungen vorhanden ist, sowie zu geringerer Oxidation und Kondensation des Lignins. Das Ergebnis sind große Lignin-Moleküle mit einem hohen Molekulargewicht.The mild process leads to less degradation of the lignin molecules due to the presence of a large proportion of β-O-4 chains, as well as less oxidation and condensation of the lignin. The result is large lignin molecules with a high molecular weight.

Eine geringere molekulare Zersetzung sowie der Verzicht auf schwefelhaltige Komponenten während des Faseraufschlusses der Rohstoffpflanzen bedeuten, dass weniger Monomere und flüchtige organische Verbindungen gebildet werden, was möglicherweise auch die Erklärung für den schwachen Geruch und für die helle Farbe des mittels des hier vorgestellten Verfahrens gewonnenen Lignins sein könnte. Durch die schonende Verarbeitung und den Verzicht auf schwefelhaltige Komponenten bei der Zellstoffherstellung entsteht so ein geruchsarmes Lignin. Das Molekulargewicht des Lignins liegt zwischen 6000 und 8000 g/mol mit einer Polydispersität zwischen 9 und 11. Weitere Analysen haben gezeigt, dass das Lignin eine verhältnismäßig niedrige Glasübergangstemperatur Tg aufweist.Lower molecular decomposition and the absence of sulfur-containing components during the pulping of the raw material plants mean that fewer monomers and volatile organic compounds are formed, which may also be the explanation for the weak smell and the light color of the lignin obtained using the process presented here could. The gentle processing and the avoidance of sulfur-containing components during pulp production result in a low-odor lignin. The molecular weight of the lignin is between 6000 and 8000 g/mol with a polydispersity between 9 and 11. Further analyzes have shown that the lignin has a relatively low glass transition temperature Tg.

Wie oben bereits erwähnt, hat das Lignin eine native Struktur. Aufgrund dieser nativen Struktur kann das Lignin in einem breiteren Anwendungsspektrum eingesetzt werden. Ferner ergeben sich in vorteilhafter Weise mehr Möglichkeiten zur Modifizierung des Lignins. Die helle Farbe und der schwache Geruch machen das Lignin besonders vorteilhaft für Anwendungen wie zum Beispiel die Herstellung von Beschichtungsmaterialien, Klebstoffen, Farben, Füllstoffen, Pigmenten usw.As mentioned above, lignin has a native structure. Due to this native structure, the lignin can be used in a wider range of applications. Furthermore, there are advantageously more options for modifying the lignin. The light color and weak odor make lignin particularly advantageous for applications such as the production of coating materials, adhesives, paints, fillers, pigments, etc.

Die im Verfahrensschritt S11 erhaltene Dekanterflüssigkeit kann nach der Lignin-Neutralisierung in einem optionalen Verfahrensschritt S12 zur Regenerierung der alkalischen Chemikalien weiterverarbeitet werden. Die Flüssigkeit wird mit Calciumhydroxid gemischt. Die Karbonate verbinden sich mit dem [OH^-] aus dem Calciumhydroxid. Diese Reaktion bildet eine flüssige alkalische Chemikalie und festes Calciumkarbonat, welches ausfällt und leicht von der Flüssigkeit getrennt werden kann. Das CO₂ wird somit in Form von Calciumkarbonat gespeichert. Die Reaktionszeit beträgt in diesem Verfahrensschritt S12 etwa 1 Stunde bei einer Reaktionstemperatur zwischen 50 und 100°C, vorzugsweise zwischen 70 und 90°C.After lignin neutralization, the decanter liquid obtained in process step S11 can be in an optional Process step S12 is further processed to regenerate the alkaline chemicals. The liquid is mixed with calcium hydroxide. The carbonates combine with the [OH ^- ] from the calcium hydroxide. This reaction forms a liquid alkaline chemical and solid calcium carbonate, which precipitates and can be easily separated from the liquid. The CO ₂ is thus stored in the form of calcium carbonate. The reaction time in this process step S12 is about 1 hour at a reaction temperature between 50 and 100 ° C, preferably between 70 and 90 ° C.

Die auf diese Weise wiedergewonnene alkalische Chemikalie kann nachfolgend für den Faseraufschluss von Rohstoffpflanzen der Pflanzenart Miscanthus x giganteus nach dem hier beschriebenen Verfahren wiederverwendet werden.The alkaline chemical recovered in this way can subsequently be reused for the fiber pulping of raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus using the process described here.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Gewinnung des Lignins (Verfahrensschritte S7 bis S11 beziehungsweise S12) der Zellstoffherstellung aus der im Verfahrensschritt S3 erhaltenen gepressten Cellulose (Verfahrensschritte S4 bis S6) nachgeschaltet. Grundsätzlich ist auch eine umgekehrte Reihenfolge möglich, so dass erst das Lignin gewonnen wird und anschließend der Zellstoff hergestellt wird. Die beiden Zweige des Verfahrens nach dem Verfahrensschritt S3 (also die Zellstoffherstellung einerseits und die Ligningewinnung andererseits) können auch parallel zueinander oder zeitlich unabhängig voneinander ausgeführt werden.In the exemplary embodiment described here, the extraction of the lignin (process steps S7 to S11 or S12) follows the pulp production from the pressed cellulose obtained in process step S3 (process steps S4 to S6). In principle, a reverse order is also possible, so that the lignin is obtained first and then the pulp is produced. The two branches of the process according to process step S3 (i.e. pulp production on the one hand and lignin production on the other) can also be carried out in parallel or independently of one another.

Claims

Process for producing pulp and for obtaining lignin from a lignocellulose from raw material plants of the plant genus Miscanthus, which comprises the following steps: S1: Raw material plants of the plant genus Miscanthus are fed to a high-consistency pulper,

S2: the raw material plants are crushed using the high-consistency pulper in at least a first mechanical processing stage and dissolved with the addition of water and an alkaline chemical, so that a lignocellulose-containing pulp is obtained,

S3: the cellulose is separated from the pulp from a lignin-containing black liquor by means of a pressing device, in particular by means of a screw press, so that pressed cellulose is obtained,

S4: the pressed cellulose is washed by adding water and CO ₂ ,

S5: enzymes or enzyme mixtures, in particular cellulose and/or lignin-modifying enzymes or enzyme mixtures, are added to the washed cellulose,

S6: the cellulose is dewatered using a pressing device, preferably using a screw press, so that pulp suitable for further processing is obtained,

S7: the black liquor is concentrated to a TDS value between 15 and 45%, preferably between 25 and 35%,

S8: the black liquor is neutralized in a reactor, whereby lignin particles, in particular lignin flakes, are formed,

S9: the lignin particles are separated from the liquid, preferably using a decanter separator,

S10: the lignin particles deposited in process step S9 are washed and protonated in another reactor,

S11: the protonated lignin is deposited and dried, in particular using a rapid drying device.

Method according to claim 1, characterized in that raw material plants of the plant species Miscanthus x giganteus are used.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the alkaline chemicals are supplied to the raw material plants in process step S2 in a concentration range of 1 to 10 mol [OH ^- ]/kg raw material plants, preferably from 2 to 7 mol [OH ^- ]/kg raw material plants and in particular from 3 to 5 mol [OH ^- ]/kg raw material plants are added.

Process according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reaction temperature in process step S2 is chosen so that it is about 60°C to about 100°C, preferably 70°C to 90°C.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that method step S2 is carried out under atmospheric pressure.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in method step S2 a second mechanical treatment is carried out in a second mechanical processing stage, in which additional mechanical energy is supplied to the fiber pulp, preferably by means of a milling pump.

Method according to claim 6, characterized in that in the second mechanical treatment an energy between 20 and 80 kWh/ton is introduced into the fiber pulp.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that between 70 and 140 g/ton, preferably between 80 and 100 g/ton, of the enzymes or enzyme mixtures are added to the washed cellulose in process step S5.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the enzymes or enzyme mixtures are selected from a group consisting of cellulases, peroxidases, amylases, laccases or mixtures thereof.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the reaction temperature in method step S8 is chosen so that it is between 50°C and 100°C, preferably between 70°C and 90°C.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the reaction temperature during method step S10 is chosen so that it is between 50° and 100°C, preferably between 70°C and 90°C.

Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that ultrasonic defoaming is carried out during the lignin washing process in method step S10.

Method according to one of claims 1 to 12, characterized by a method step S12, in which the liquid obtained in method step S11 is regenerated.

Use of a pulp produced according to a method according to one of claims 1 to 13 for the production of sanitary paper products, in particular tissue paper, or nonwoven materials.

Use of a lignin obtained according to a process according to one of claims 1 to 13 for the production of coating materials, adhesives, fillers, pigments or paints.