WO2024089004A1 - Verfahren und vorrichtung zum behandeln eines pflanzlichen rohstoffs - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum behandeln eines pflanzlichen rohstoffs Download PDF

Info

Publication number
WO2024089004A1
WO2024089004A1 PCT/EP2023/079575 EP2023079575W WO2024089004A1 WO 2024089004 A1 WO2024089004 A1 WO 2024089004A1 EP 2023079575 W EP2023079575 W EP 2023079575W WO 2024089004 A1 WO2024089004 A1 WO 2024089004A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
raw material
reactor chamber
plants
reactor
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/079575
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marzena Poraj-Kobielska
Judit HARSANYI
Matthias TIRSCH
Frank Hentschel
Original Assignee
Hochschule Zittau/Görlitz
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule Zittau/Görlitz filed Critical Hochschule Zittau/Görlitz
Publication of WO2024089004A1 publication Critical patent/WO2024089004A1/de

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/04—Pulping cellulose-containing materials with acids, acid salts or acid anhydrides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C9/00—After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
    • D21C9/001—Modification of pulp properties
    • D21C9/007—Modification of pulp properties by mechanical or physical means
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D21H11/12—Pulp from non-woody plants or crops, e.g. cotton, flax, straw, bagasse

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for treating a plant raw material, for example for the parameter-controlled microbial digestion of bast fibers.
  • Bast fibres are increasingly being used to produce textiles and composite materials because they are much more environmentally friendly than other fibres made from plastics.
  • Bast fibers in the sense of the invention are fibers that can be obtained from bast fiber plants such as hemp, flax, ramie, kenaf, jute or nettle.
  • Bast fibers are elongated and thick-walled cells, which means that they only have a very narrow cell space or lumen. They are not lignified and are present in the form of multicellular fiber bundles in the bast of the bast fiber plants.
  • the bast fibers are arranged in a ring around the stem pith and run lengthways along the shoot axis.
  • the bast fibers are obtained from bast strips or bast ribbons.
  • the bast strips can reach a length of 2 m to 2.5 m and a width of 12 mm to 25 mm.
  • Bast strips in turn, consist of several bast fibers with a cross-section of up to 1 mm, which in turn are made up of elementary fibers with a cross-section of 5 pm to 20 pm.
  • the physiological function of the bast fibers is to give the plant strength and stability.
  • the main task is to separate the fibers from the woody stem pulp.
  • the process of separating the bast fibers from the plant stem is called fiber extraction.
  • Different techniques are used for fiber extraction, including mechanical and/or chemical processes.
  • the bast fibers were traditionally dewooded by hand, but also mechanically, in the steps of breaking, swinging and hackling.
  • the breaking process the woody stems of the roasted and dried fiber plants are broken into smaller pieces by repeated mechanical action.
  • a flax breaker or a grater was used for this purpose. Roasting, e.g.
  • water roasting or field roasting (dew roasting)
  • field roasting is a pre-digestion process in which biological digestion takes place, with the help of which the germs, bacteria and fungi present on the plants are minimized.
  • dewooding the detachment of bast from the stem, is made easier and the separation of the fibers is promoted. This happens because the microorganisms (bacteria, fungi) on the plants destroy the natural adhesives of the plant fibers, in particular pectins and sometimes also hemicelluloses and lignins, and expose the fine cellulose fibers.
  • retting was carried out either in the field (dew roasting) or in open water (water roasting). Water roasting can be carried out in warm water, especially when it takes place in containers, with the increased temperature promoting the solubility of the pectins and other saccharides.
  • Swinging is the process by which the small pieces of wood and short and therefore lower quality fibres that arise during the breaking process are separated from the high quality long fibres. This was traditionally done using a swing knife, later using swinging machines and swinging turbines.
  • a peeling process is described in DE 10 2015 110 227 A1. It proposes a method for obtaining fibers in which the bast is washed off the stem using at least one or more high-speed liquid jets. Before treatment, in particular after the separation of woody components and in particular after an initial cleaning, the plant fibers are subjected to water retting or moist or wet pre-digestion.
  • EP 0 745 709 A1 describes a device for mechanically breaking down flax fibers using sawtooth sets (rollers fitted with saw teeth).
  • mechanical dewooding processes are characterized by the fact that they result in an undesirably high proportion of dust and shives and a strong shortening and damage to the fibers, which ultimately significantly limits the use of the fibers obtained.
  • the dew retting and the water retting have in common that they are very time-consuming (several weeks), dependent on the weather, difficult to control and associated with considerable environmental concerns (DE 10 2006 013 657 A1).
  • the heavy The controllability of the microbial processes means that the optimal retting time, during which the bast can be easily separated from the stem and the fibers are easy to separate but not yet damaged, is also difficult to determine or can only be determined by taking regular samples.
  • Another problem with retting is that the microorganisms or their enzymes do not act selectively, which can mean that not only the cement substances such as pectins, hemicelluloses and lignins, but also the "useful" fiber substances such as cellulose can be attacked and destroyed by the microorganisms. This can ultimately lead to a deterioration in the fiber quality and a reduction in the fiber yield.
  • the cementing substances such as pectins and lignins must be removed from the tissue structure of the plant cell walls (mainly the middle lamella).
  • tissue structure of the plant cell walls mainly the middle lamella.
  • Physical digestion processes include those that use ultrasound, microwaves, or steam pressure. These techniques require special plant technology that requires high pressures and temperatures and are therefore associated with high energy consumption and considerable costs.
  • a pulping process using steam and microwaves is disclosed in DE 19 617 909 A1, among others.
  • such a treatment of the fibers or fiber plants is not selective. As a result, damage to the valuable fiber substances during the pulping process cannot be ruled out.
  • Biological pulping processes basically roasting - involve the use of special microorganisms and/or their enzymes that are particularly efficient in breaking down pectins or lignins.
  • WO 02/092 887A1 discloses the use of isolated aerobic and anaerobic bacteria in biological digestion, in particular for the removal of pectins.
  • WO 2006/100560 A1 discloses a fiber digestion plant with a reactor, a closure device and a control system as well as a method for the microbial extraction of plant fibers.
  • the fiber-containing material is covered with a liquid for roasting, whereby the fiber-containing material is decomposed under anaerobic conditions.
  • the special feature is that the roasting takes place after the vibration.
  • the fibers are mechanically pre-stressed before roasting and an increased proportion of short fiber waste results.
  • the stems can be peeled off, but this is entails increased labour and is only applicable to plant raw materials with stems.
  • CN 101 050 549 A discloses a fiber digestion plant with a reactor in which the fiber-containing material is covered by a liquid. Aerobic conditions are created in the reactor by supplying oxygen. The oxygen supply is energy-intensive. In addition, a targeted introduction of microorganisms is necessary. The process can lead to disadvantageous fiber properties and is usually accompanied by an unpleasant odor.
  • a first aspect of the invention relates to a method for treating a plant raw material.
  • the plant raw material can be, for example, hemp plants, flax plants, nettle plants, ramie plants, kenaf plants, jute plants, banana plants, palm lily plants or pineapple plants or any mixture of the plants mentioned.
  • the method can preferably be used for treating plants with a fiber content, e.g. bast fiber plants.
  • the method comprises the following steps: a) providing a plant raw material, b) completely covering the plant raw material with a fluid, c) fermenting and/or decomposing the plant raw material under anaerobic conditions, whereby acids are formed and released into the fluid, d) at least partially removing the acidic fluid and e) adding further fluid.
  • the fluid can be a liquid.
  • the fluid can be water or a mixture of water and, for example, lactic acid bacteria, which is also called fermentation liquid.
  • the process can be used in particular to obtain bast fibers.
  • the process can also be used to obtain from leaf fibres, e.g. from the leaf sheaths of the banana plant or from the palm lily.
  • the proposed process can be used in the anaerobic fermentation of any organic biomass, e.g. for the purpose of providing short-chain organic acids. This significantly expands the range of potential applications.
  • the plant raw material can be provided, for example, by conveying the plant raw material, such as bundles of hemp stalks, into a reactor with at least one reactor chamber or by placing it in a reactor chamber of a reactor.
  • the reactor is also referred to below as a container.
  • the reactor can be filled discontinuously and emptied accordingly, i.e. the process can be carried out discontinuously.
  • the process can be carried out continuously, for example by continuously feeding the plant raw material into the reactor chamber using a conveying device, e.g. a conveyor belt, and continuously removing it after the fermentation and/or decomposition process has been completed.
  • the plant-based raw material is then completely covered by the fluid, for example by conveying the plant-based raw material into an already existing fluid and/or subsequently adding fluid.
  • the reactor can have an opening, the opening representing a connection to the environment, which can be decoupled from the environment by means of a closure device in such a way that an anaerobic environment is created in the reactor space and the plant raw materials in the reactor are subject to a fermentation, decomposition process or a combination of these.
  • a control device or control and a sensor can be provided, with measured values being recorded by means of the sensor, with means being provided by means of which the process values can be regulated within a definable value range.
  • the closure device can be a gas lock with a connection, wherein a gas sensor is provided by means of which the oxygen and/or the nitrogen content is determined, wherein the nitrogen content in the gas lock is regulated by means of the control system. Furthermore, a pH sensor for measuring the pH value of the fluid and a filter for separating acids can be provided, whereby the fluid is passed through the filter as soon as the pH value falls below a value between 5.8 and 3.5.
  • anaerobic conditions enable the conversion of pectin and other organic substances into short-chain organic acids, particularly acetic acid and lactic acid, through the activity of hydrolytic and fermenting microorganisms.
  • intermediate metabolic products such as butyric acid, propionic acid, valeric acid and caproic acid can be formed during fermentation. Which acids are formed and in what quantities depends in particular on the plant raw material in question. The acids formed are released into the fluid.
  • microorganisms e.g. bacteria
  • the microorganisms can preferably be added together with the plant raw material, i.e. microorganisms that occur naturally on the plants can be used for the fermentation and/or decomposition process. Inoculation with microorganisms or an additional addition of microorganisms can advantageously be omitted, which makes the proposed process cost-effective. Sterilization is also not necessary at any point in the process.
  • the pH value of the fluid drops from the initial pH of around 8 to pH 5.8 to 3.5, whereby reaching this pH value requires different residence times. After reaching the pH value of 5.8 to 3.5, the activity of the fermenting bacteria gradually ceases, which means that no more organic material (especially pectin and hemicelluloses) is decomposed.
  • At least a partial exchange of liquid is necessary to stimulate the microorganisms to resume their activity, namely the decomposition of organic material, especially pectin and hemicellulose.
  • part of the acidic liquid in the fermenter is removed and replaced with fresh water. This reduces the Concentration of organic acids in the container, which consequently leads to an increase in the pH value.
  • the liquid exchange can be carried out at specified times, for example depending on the pH value as described below, periodically or continuously.
  • the liquid exchange can be carried out in such a way that a predeterminable liquid level in the reactor is kept as constant as possible. More preferably, the liquid exchange can be carried out in such a way that the plant raw material is always completely covered with the fluid and anaerobic conditions always prevail.
  • bast fiber plants e.g. tied in bundles
  • the bundles can be placed in the reactor or container standing up, lying down or hanging using a device.
  • the container can be filled with a fluid so that the plants to be digested are completely covered by the fluid.
  • the container is sealed from the environment in such a way that anaerobic conditions are created in the container. This is necessary so that the fermentation - the roasting - can take place optimally.
  • the resulting biomass can be separated from the fluid and rinsed with water, for example, for neutralization and cleaning. If a fibrous plant raw material is used, the fibers can then be separated from the stems. This separation can take place either in the wet or dried state, i.e. the biomass or fibers can be dried before and/or after separation.
  • the method may comprise filtering the acidic fluid.
  • Filtration can be carried out using a filter.
  • the filter can be a flow-through filter and, for example, have a filter surface with a pore size of 0.2 pm to 0.9 pm.
  • the filter can be permeable to short-chain organic acids such as acetic acid, lactic acid, propionic acid and/or butyric acid. This allows unreacted biomass and microorganisms to remain in the flowing fluid, while the acids formed can be removed.
  • the extracted acidic liquid can be passed through a filter with an average pore size of 0.2 pm to 0.9 pm. This ensures that unreacted biological material and the beneficial bacteria can be retained and returned to the container. This allows the formed microculture to remain in the container so that the fermentation and/or decomposition process can proceed without interruption. This can simplify process control. In addition, products of consistent quality are obtained.
  • the acidic fluid can be separated using vacuum filtration.
  • This has the advantage that the organic acids are not only removed, but also enriched at the same time, i.e. the water is removed from the acid solution that is removed. The more concentrated acid solution can then be used more advantageously for material and/or energy purposes.
  • water also passes through the filter, which is why the permeate usually has to be "concentrated" in a subsequent process step before it can be used again.
  • the method can comprise determining the pH value of the fluid, e.g. by means of a pH sensor, wherein the liquid exchange, i.e. the at least partial removal of the acidic fluid and the addition of further fluid, is carried out as soon as a pH threshold value in a range between 3.5 and 5.8 is undershot.
  • the fluid exchange will be carried out repeatedly until the pH value of the fluid no longer changes, for example for a predeterminable period of time.
  • a time period can be specified for a possible change in the pH value, ie it can be specified, for example, that the fluid exchange is to be carried out repeatedly until the pH value no longer changes or changes only slightly, for example by less than 0.2 or less than 0.1, over a period of 3 days.
  • an unchanged pH value can also be considered if the change in the pH value is less than 5% or less than 2% compared to a pH value of a previous pH measurement at an interval of at least 12 h or at least 24 h.
  • the step of exchanging the liquid can be repeated several times until the pH value does not drop again despite an exchange, or the bast fibers easily detach from the stem and can then be easily separated mechanically. In order to determine this optimal point in time, regular checks of the pH value or continuous pH determination are recommended.
  • the method may comprise regulating the temperature of the fluid to a temperature in a temperature range between 15 °C and 38 °C.
  • a temperature sensor can be provided to measure the fluid temperature, whereby the fluid can be passed through a heat exchanger for temperature control as soon as the target temperature exceeds or falls below a value between 15 °C and 38 °C.
  • the vessel or reactor and its contents can be tempered to a temperature of 15 °C up to 38 °C if required. In general practice, this temperature has proven to be optimal for the fermentation process. Lower process temperatures can also be used, but this may increase the roasting time required.
  • the method can comprise circulating the fluid, e.g. by means of a circulation pump.
  • the contents of the container can be circulated during fermentation using a pump.
  • the circulation also ensures that the plants in the container are continuously washed, which can promote the detachment of the bast strips from the woody stem pulp and also the separation of the fiber bundles from each other.
  • the slight movement of the container contents can cause the continuous removal of the already decomposed or partially decomposed biological material from the plant surface. This can counteract the formation of slime layers. Slime layers can absorb the microbial processes.
  • Fiber pulping is also described in DE 10 2017 011 741 A1.
  • the method may comprise carding fibers of the vegetable raw material obtained after completion of the liquid exchange.
  • Carding can be carried out with the fibres that have been separated from the stems and preferably after drying the fibres.
  • Aggressive dewooding crushing and removal of the lignified stem pith
  • crushers, scissors and hackles or machines as described in WO 2012/ 006 118 A2 (impact pulping) is not necessary either before or after microbial pulping.
  • the fibres obtained after the liquid exchange has ended can be carded directly, i.e. immediately, without the need for further fibre pulping.
  • the process presented here enables gentle but extremely efficient fibre pulping, with the fibres obtained being largely free of surface adhesions or contamination by dust and shives.
  • the light carding of the fibre bundles or bast strips microbially pulped according to the proposed process is sufficient to obtain fine, elastic but tear-resistant fibres. Thanks to the absence of harsh mechanical techniques for breaking down and cleaning the fibres, the process presented here does not damage the fibre structure or shorten the fibres.
  • the bast fibres can be easily separated from the stem pith, e.g. manually or, for example, by means of a high-speed liquid jet, as described in DE 19 703 634 B4.
  • the process can involve material or energy utilization of the acidic fluid.
  • the energy utilization can include the generation of biogas.
  • the acidic liquid from the container can be recycled for material or energy.
  • Energy recycling can be achieved by generating biogas, which can be used to provide electricity and/or heat.
  • the electricity generated and the waste heat can be fed directly into the digestion process. This represents an important economic advantage. and also offers the possibility of environmentally friendly energy production from renewable raw materials.
  • the plant raw material can be provided fresh or green and/or dried.
  • both green, i.e. fresh, and dry material can be fed into the process according to the invention.
  • no vibrating takes place before the plant raw material is completely covered with the fluid, i.e. process steps b) to e) can be carried out before vibrating.
  • the fiber plants to be digested can be pretreated mechanically, e.g. using crushers, before microbial digestion.
  • mechanical pretreatment is not absolutely necessary.
  • a further aspect of the invention relates to a device for treating a plant-based raw material.
  • the device has a reactor, the reactor having the following: at least one reactor chamber that can be filled with a fluid, an opening designed to supply a plant-based raw material into the reactor chamber, a closure device designed to close the opening in such a way that an anaerobic environment can be formed in the reactor chamber, a fluid removal device designed to remove the fluid from the reactor chamber, and a fluid supply device designed to supply the fluid to the reactor chamber.
  • the proposed device can, for example, be suitable for carrying out the proposed method explained above. Therefore, the above explanations for explaining the method also serve to describe the device. The advantages of the method are correspondingly associated with the device.
  • the device can be designed as a fiber digestion plant.
  • An exemplary fiber digestion plant for the microbial digestion of bast fibers from plant-based raw materials, in which plant-based raw materials such as hemp stalk bundles are treated, comprises a reactor with at least one reactor chamber that is filled with a fluid.
  • the reactor has an opening, the opening representing a connection to the environment, which is decoupled from the environment by means of a closure device, so that an anaerobic environment is created in the reactor space and the plant raw materials in the reactor are subject to a fermentation, decomposition process or a combination of these.
  • At least one control and one sensor can be provided, with measured values being recorded by means of the sensor, with means being provided by means of which the measured values can be regulated within a definable value range.
  • the fluid removal device can be based on the principle of negative pressure filtration, so that the acidic fluid can be removed from the reactor chamber by means of negative pressure filtration.
  • the device can comprise a filter designed to filter the fluid to be removed by means of the fluid removal device.
  • the filter can be a flow filter that can have a filter surface with a pore size of 0.2 pm to 0.9 pm and is permeable to short-chain organic acids such as acetic acid, lactic acid, propionic acid and/or butyric acid.
  • the filter can be designed in particular for separating acids, and the fluid can be pumped through the filter using a pump.
  • the device can have a control device.
  • the control device can be designed to generate and output control signals based on a pH value of a fluid present in the reactor chamber, which cause at least partial removal of the fluid from the reactor chamber and addition of further fluid to the reactor chamber.
  • control device can be designed to generate and output control signals based on a temperature of the fluid present in the reactor chamber, which cause heating or cooling of the fluid in the reactor chamber.
  • the device can have a pH sensor for measuring the pH value of the fluid and a temperature sensor for measuring the fluid temperature.
  • the pH The sensor and/or the temperature sensor can be in a signal-technical operative connection with the control device, so that sensor signals generated by the sensors can be transmitted to the control device, received by the control device and processed by the latter.
  • the control signals are processed based on instructions or a code programmed in the control device according to one or more routines.
  • the generated control signals are output to actuators in response to the processed sensor signals and bring about the described measures, ie the removal and addition of fluid and/or the heating or cooling of the fluid.
  • a pump e.g. a circulation pump
  • a circulation pump can be provided as an actuator for temperature control, wherein the fluid for temperature control can be pumped through a heat exchanger by means of a circulation pump.
  • At least one pump e.g. a pressure pump, can also be provided as an actuator for pH control, by means of which fluid is pumped out of the reactor or into the reactor.
  • the device can comprise a circulation pump designed to circulate the fluid in the reactor chamber.
  • the closure device can be a gas lock with a gas connection, whereby the nitrogen content in the gas lock can be regulated via the gas connection.
  • a gas sensor can be provided by means of which the oxygen and/or nitrogen content can be determined.
  • the nitrogen content in the gas lock can be regulated based on the nitrogen content determined by the gas sensor.
  • the control device can be designed to generate and output control signals based on the sensor signal of the nitrogen sensor, which bring about a change in the nitrogen content in the gas lock.
  • the tightness of the gas lock can be checked using the oxygen content. If the oxygen content is too high, it can be assumed that outside air is entering the system, which means that the gas lock is not tight. As this can have a negative impact on the desired anaerobic conditions, appropriate countermeasures, such as repairing or replacing the gas lock, would be advisable.
  • the closure device can be designed as a rotary valve. This enables the proposed method to be carried out continuously in a simple manner.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a device for treating a plant raw material in the form of a fibre pulping plant
  • Figure 2 shows an exemplary fibre pulping plant for a continuous process
  • Figure 3 shows a flow chart of an exemplary process.
  • FIG 1 shows a schematic diagram of an embodiment of a device for treating a vegetable raw material 20 in the form of a fiber pulping plant 1.
  • the fiber pulping plant 1 can be used, for example, to carry out the method 100 for treating a vegetable raw material 20 described below with reference to Figure 3.
  • the fiber digestion plant 1 has a reactor 2 with a reactor chamber 3, which serves to accommodate the plant raw material 20 or fiber raw material to be digested and in which the microbial digestion takes place by means of anaerobic fermentation.
  • the plant raw material 20 is used as a bundle.
  • the reactor chamber 3 can be filled with a fluid 13, e.g. water, possibly mixed with bacterial cultures.
  • the filling level h of the fluid 13 during operation of the fiber pulping system 1 is marked with the letter h in Fig. 1.
  • the filling level h can be influenced by fluid removal by means of the fluid removal device 27 and fluid supply by means of the fluid supply device 28.
  • reactor 2 also called fermenter
  • reactor 2 can be adapted to the fiber raw material to be digested or to the fiber requirement.
  • several containers can be connected in parallel.
  • a removable holder can be used, which in the exemplary embodiment is designed as a basket 7.
  • the feed device 14 and the removal device 15 for feeding and removing the plant material are only shown schematically with arrows in Fig. 1.
  • Stainless steel for example, is suitable as a construction material for the reactor 2 and its components, but in principle also glass, plastic or GRP. Insulation can be useful depending on the selected operating temperature.
  • a filter 4 with an average pore size of 0.2 pm to 0.9 pm enables the separation of the acidic fluid 24 with short-chain organic acids such as acetic acid, lactic acid, propionic acid and butyric acid as well as the retention of unreacted biomass and microorganisms.
  • This filter 4 is used when part of the acidic liquid is exchanged for fresh water in order to increase the pH value in the fermenter.
  • the filter 4 consists of a ceramic membrane filter with an average pore size of max. 0.2 to 0.9 pm.
  • the task of the filter is to separate organic acids as well as to retain fermenting microorganisms and unreacted biomass.
  • the filter 4 is a flow-through filter, whereby the retained Microorganisms and undecomposed biomass are pumped back into reactor 2.
  • a pressure pump 8 enables the fluid 13 to be supplied to the filter 4.
  • the pressure pump 8 upstream of the filter 4 applies a sufficiently high pressure to the acidic liquid taken from the reactor chamber 3 in order to achieve optimum filter performance.
  • the reactor chamber 3 is filled and emptied via the opening 6.
  • the filling and emptying can be done manually or with the help of an automated device.
  • the digested plants can be removed from the reactor 2 via the opening 6 manually or with the help of an automated device.
  • the opening 6 can be closed by means of a closure device 17 in such a way that anaerobic conditions can be created in the reactor chamber 3.
  • the opening 6 is closed by means of a gas lock which is designed in such a way that an anaerobic process can take place in the reactor.
  • the gas lock can be a hood which is filled with nitrogen.
  • a circulation pump 9 primarily enables the slow movement of the fluid 13 for the purpose of heating it to the desired process temperature via the external heat exchanger 5.
  • the function of the external heat exchanger 5 is to temper the fluid to the desired digestion temperature.
  • Another aim of the circulation is to create homogeneous conditions in terms of acid concentration, temperature and microbial activity in the reactor chamber 3. Furthermore, the circulation serves to remove decomposed plant particles from the surface of the plants and to loosen the connection between the broken down fibers and the stem pulp.
  • the control device 12 regulates the temperature in the reactor 2 and the flow rates through the pressure pump 8 or the filter 4, as well as the circulation pump 9 for circulating the fluid 13 through the heat exchanger 5.
  • corresponding control signals 26a, 26b are generated and transmitted to the pumps 8, 9.
  • the control is based on the measured values from the temperature sensor 11 and the pH sensor 10, which are transmitted to the control device 12 by means of sensor signals 25a, 25b.
  • Further control signals 26d can be generated by the control device 12 and transmitted to the fluid supply device 28 in order to effect a supply of fresh fluid 13 and to maintain the fill level h.
  • the control device 12 also receives sensor signals 25c from a gas sensor 22, with which the gas composition in the gas lock or closure device 17 can be determined. Based on the gas composition, the control device 12 generates a control signal 26c, which is transmitted to a gas connection 23 in order to regulate a gas supply to the gas lock.
  • the microbial digestion process presented here is suitable for the extraction of fibres from all plant raw materials
  • the microbial digestion process presented here is suitable for the extraction of plant stems, since these are not destroyed by the proposed process.
  • the process also enables the extraction of short-chain organic acids such as acetic acid and lactic acid, possibly also propionic acid and butyric acid, as well as other acids that are produced during fermentation from the microbially converted plant material.
  • short-chain organic acids such as acetic acid and lactic acid, possibly also propionic acid and butyric acid, as well as other acids that are produced during fermentation from the microbially converted plant material.
  • the energy recovery can be achieved by producing biogas and converting it into electricity and heat.
  • the electrical and thermal energy provided can be fed into the microbial digestion or used in other ways. In this way, the energy required for the digestion process or fiber extraction can be reduced.
  • the digestion is carried out in an airtight reactor 2. There is no negative impact on the environment.
  • the acidic liquid extracted in the proposed process can (and should) be fully used or reprocessed in downstream processes. This is a significant advantage over all digestion processes currently in use.
  • the microbial digestion is intensified by regulating the acid concentration (or pH value). This increases the fiber yield and the further processability of the fibers - ultimately the fiber quality - improves.
  • Figure 2 shows a continuously operating fiber pulping plant 1 with a feed device 14 for bundled plant material, ie bundles, as plant raw material 20.
  • the bundles are fed through the opening 6a, above which a Gas lock 17a, is arranged, into the reactor 2 or its reactor chamber 3.
  • the reactor chamber 3 is filled with the fluid.
  • the conveyor belt 19 conveys the bundles 20 through the reactor chamber 3, whereby the bundles are completely in the fluid 13.
  • the bundles 20 are removed from the reactor 2 again via the removal device 15 or the opening 6b with the hood 17b arranged above it. From there, the bundles 20 are transported to the next processing step, as described above and below.
  • FIG 3 shows a flow chart of an exemplary method 100 for treating a plant-based raw material 20, e.g. bast fiber plants.
  • the method 100 can be carried out, for example, with the fiber processing plant explained with reference to Figure 1 or 2.
  • the plant-based raw material 20 After the plant-based raw material 20 has been provided in step 101, it is completely covered with a fluid 13 in step 102 and an anaerobic environment is created so that a fermentation and/or decomposition process begins in step 103, whereby acids are formed and released into the fluid 13.
  • the fluid is circulated (step 104) and the temperature of the fluid 13 is regulated to a temperature in a temperature range between 15 °C and 38 °C (step 105).
  • the pH value of the fluid is determined in step 106; this decreases with ongoing fermentation and/or decomposition due to the acids formed and released into the fluid 13.
  • a check is made as to whether the pH value changes over a predeterminable period of time, e.g. a period of 3 days. It can therefore be checked within the specified period of time whether a change in the pH value occurs. If this is the case, i.e. if the pH value changes, a check is made in step 108 as to whether the determined pH value falls below a pH threshold value, e.g. a pH value of 5.0. If this is the case, the now acidic fluid 13 is filtered off and at least partially removed in steps 109 and 110. The removed acidic fluid 13 can be used as a material or for energy in step 114.
  • a pH threshold value e.g. a pH value of 5.0
  • step 111 additional or new fluid 13 is added so that the fill level h remains essentially constant.
  • the method 100 is then continued with the steps 103,104 and 105, ie the fermentation or decomposition is continued under circulation and tempering.
  • step 108 If, however, it is determined in step 108 that the pH threshold value has not yet been exceeded but continues to change, the method 100 is initially continued unchanged with steps 103, 104 and 105.
  • step 107 If it is determined in step 107 that the pH value remains unchanged over the predeterminable period of time, it can be assumed that the fermentation and/or decomposition process is complete and that a biomass with digested fibers is now present.
  • the biomass is removed from the reactor in step 112 and then rinsed with water in step 113. This can then be followed by further processing, e.g. by separating the fibers from the stem before and/or after drying.
  • a method for the microbial extraction of bast fibers or fibers from plant raw materials in which plant raw materials, such as hemp stalk bundles, are conveyed in a reactor with at least one reactor chamber so that they are completely covered by a fluid, the reactor having an opening, the opening representing a connection to the environment which, by means of a closure device, decouples the reactor chamber from the environment in such a way that an anaerobic environment is created in the reactor chamber and the plant raw materials in the reactor are subject to a fermentation, decomposition process or a combination of these, and that at least one control and one sensor are provided, measured values being recorded by means of the sensor, means being provided by means of which the measured values can be regulated within a definable value range.
  • closure device is a gas lock with a connection
  • a gas sensor is provided by means of which the oxygen and/or the nitrogen content is determined, wherein the nitrogen content in the gas lock is regulated by means of the control system.
  • a pH sensor is provided for measuring the pH value of the fluid and a filter is provided for separating acids, wherein the fluid is passed through the filter as soon as the pH value falls below a value between 5.8 and 3.5.
  • Fiber digestion plant for the microbial digestion of bast fibers from plant raw materials, in which plant raw materials, such as hemp stalk bundles, are treated, comprising a reactor with at least one reactor chamber filled with a fluid, the reactor having an opening, the opening forming a connection to the environment which can be decoupled from the environment by a closure device, so that an anaerobic environment is created in the reactor chamber and the plant raw materials in the reactor are subject to a fermentation, decomposition process or a combination of these, and that at least one control and one sensor are provided by means of which measured values are recorded, means being provided by means of which the processes in the reactor can be regulated within a definable value range.
  • Fiber digestion system according to sentence 5, wherein the closure device is a gas lock with a connection, wherein a gas sensor is provided by means of which the oxygen and/or the nitrogen content can be determined and the nitrogen content in the gas lock can be regulated via the connection.
  • Fiber pulping system according to sentence 5 or 6, wherein a pH sensor for measuring the pH value of the fluid and a filter for separating acids are provided, wherein the fluid can be pumped through the filter by means of a pump.
  • Fiber pulping system according to one of the sentences 5 to 7, wherein a temperature sensor is provided for measuring the fluid temperature, wherein the fluid can be pumped through a heat exchanger by means of a circulation pump for temperature control.
  • the filter is a flow-through filter having a filter surface with a pore size of 0.2 pm to 0.9 pm and is permeable to short-chain organic acids such as acetic acid, lactic acid, propionic acid and/or butyric acid, wherein unreacted biomass and microorganisms remain in the flowing fluid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren (100) zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs (20) angegeben. Das Verfahren (100) weist die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen eines pflanzlichen Rohstoffs (20), (101), b) vollständiges Überdecken des pflanzlichen Rohstoffs (20) mit einem Fluid (13), (102), c) Fermentieren und/oder Zersetzenlassen des pflanzlichen Rohstoffs (20) unter anaeroben Bedingungen, wobei Säuren gebildet und in das Fluid (13) abgegeben werden (103), d) zumindest teilweises Entnehmen des säurehaltigen Fluids (24), (108) und e) Hinzufügen von weiterem Fluid (13), (110). Daneben wird eine Vorrichtung (1) zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs (20) angegeben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs, beispielsweise zum parametergesteuerten mikrobiellen Aufschluss von Bastfasern.
Bastfasern werden immer häufiger zur Herstellung von Textilien und Verbundwerkstoffen eingesetzt, da diese wesentlich umweltfreundlicher sind als andere Fasern aus Kunststoffen.
Bastfasern im Sinne der Erfindung sind Fasern, die aus Bastfaserpflanzen wie z. B. Hanf, Flachs, Ramie, Kenaf, Jute oder Brennnessel gewonnen werden können. Bastfasern sind langgezogene und dickwandige Zellen, wodurch sie nur einen sehr engen Zellraum bzw. Lumen besitzen. Sie sind unverholzt und liegen in Form von mehrzelligen Faserbündeln im Bast der Bastfaserpflanzen vor. Die Bastfasern sind ringförmig um das Stängelmark angeordnet und verlaufen in Längsrichtung entlang der Sprossachse.
Die Bastfasern werden aus Baststreifen bzw. Bastbändern gewonnen. Bei Hanf können die Baststreifen eine Länge von 2 m bis 2,5 m erreichen und eine Breite von 12 mm bis 25 mm aufweisen. Baststreifen wiederum bestehen aus mehreren Bastfasern mit einem Querschnitt von bis zu 1 mm, welche ihrerseits aus Elementarfasern mit einem Querschnitt von 5 pm bis 20 pm aufgebaut sind. Die physiologische Funktion der Bastfasern besteht darin, der Pflanze Festigkeit und Stabilität zu verleihen.
Bei der Gewinnung von Bastfasern besteht die Hauptaufgabe darin, die Fasern vom verholzten Stängelmark zu trennen. Das Herauslösen der Bastfasern aus dem Pflanzenstängel wird als Faseraufschluss bezeichnet. Für den Faseraufschluss werden unterschiedliche Techniken, u. a. mechanische und/oder chemische Verfahren, verwendet. Die Entholzung der Bastfasern erfolgte traditionellerweise von Hand, aber auch maschinell, in den Arbeitsschritten Brechen, Schwingen und Hecheln. Beim Brechen werden die verholzten Stängel der gerösteten und getrockneten Faserpflanzen durch mehrmalige mechanische Einwirkung in kleinere Stücke zerbrochen. Beim Flachs wurde dafür früher eine Flachsbreche oder ein Reibebock verwendet. Das Rösten, z. B. als Wasserröste oder auch Feldröste (Tauröste), ist ein Voraufschlussverfahren bei der ein biologischer Aufschluss erfolgt, mithilfe dessen die an den Pflanzen befindlichen Eigenkeime, Bakterien, Pilze, minimiert werden. Weiterhin wird die Entholzung, das Lösen von Bast vom Stängel, erleichtert, und es wird die Vereinzelung der Fasern begünstigt. Dies geschieht dadurch, dass die auf den Pflanzen befindlichen Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) die natürlichen Klebstoffe der Pflanzenfasern, insbesondere Pektine und teilweise auch Hemicellulosen und Lignine, zerstören, und die feinen Cellulosefasern freilegen. Traditionellerweise wurde die Röste entweder auf dem Feld (Tauröste) oder in offenen Gewässern (Wasserröste) durchgeführt. Die Wasserröste kann, insbesondere dann, wenn sie in Behältern stattfindet, in warmem Wasser durchgeführt werden, wobei die erhöhte Temperatur die Löslichkeit der Pektine und weiterer Saccharide begünstigt.
Als Schwingen bezeichnet man den Vorgang, bei dem die beim Brechen anfallenden kleine Holzteile sowie kurze und daher qualitativ minderwertigere Fasern von den qualitativ hochwertigen Langfasern getrennt werden. Dies erfolgte traditionell mithilfe eines Schwingmessers, später mit Schwingmaschinen und Schwingturbinen.
Das Hecheln wird in der DE 34 14437 A1 beschrieben. Das Prinzip des Hechelns beruht darauf, dass die gebrochenen und mit Schwinge vorbehandelten Faserpflanzen, z. B. Flachs, mehrmals schleudernd durch eine Art Eisenbürste/Nadelrost, bestehend aus einem Brett mit spitz zulaufenden Stiften/Nadeln, gezogen werden, wobei die Faserbündel immer weiter vereinzelt und damit verfeinert werden.
Ein Schälverfahren wird in der DE 10 2015 110 227 A1 beschrieben. Dabei wird ein Verfahren zur Fasergewinnung vorgeschlagen, bei dem mithilfe von mindestens einem oder mehreren Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahlen der Bast vom Stängel heruntergespült wird. Vor der Behandlung, insbesondere nach der Abtrennung von hölzernen Bestandteilen und insbesondere nach einer ersten Reinigung, werden die Pflanzenfasern einer Wasserröste oder einem feuchten oder nassen Voraufschluss unterzogen.
Aus der DE 10 2013 013 657 A1 ist eine weiteres automatisiertes Schälverfahren bekannt, bei dem die Bastrinde mithilfe eines „Bastschälers“ bzw. mittels Zugkraft vom Stängel getrennt wird. Dieses Verfahren kann auch an ungeröstetem Faserrohmaterial angewendet werden. In der WO 2012/ 006 118 A2 wird ein Verfahren des Prallaufschlusses beschrieben, bei dem die Brechung des Stängels mithilfe von an Rollen und Walzen angebrachten Schneidelementen oder Kanten herbeigeführt wird. Dieser Vorgang bewirkt, dass der Stängel in kleinere Stücke zerbricht und vom Fasermaterial getrennt wird. Anstelle von Schwingen und Hecheln sind moderne Entholzungsmaschinen zum Zwecke der Reinigung der Fasern mit Schüttlern und Sieben ausgestattet. Weiterhin können die Schäben- und Staubanteile beispielsweise mit einer über Druckstrahldüsen geleitete Waschflüssigkeit (meist Wasser) abgewaschen werden. Weiterhin sind Entholzungsmaschinen bekannt, welche u.a. Tauchbäder und Ultraschall verwenden, um die Effizienz der Entholzung zu steigern.
Ein weiteres Verfahren ist aus der DE 19 703 634 A1 bekannt, bei dem ein Tauchbad mit Natriumhydroxid, Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahlen und Ultraschall bei der Entholzung und Reinigung von Bastfasern zum Einsatz kommen.
Zur weitergehenden Vereinzelung/Streckung und Reinigung der Fasern können Techniken wie Kämmen, Kardieren oder spezielle Sägezahnvorrichtungen eingesetzt werden. In der EP 0 745 709 A1 wird eine Vorrichtung zum mechanischen Aufschluss von Flachsfasern mittels Sägezahngarnituren (mit Sägezähnen bestückten Walzen) beschrieben.
Mithilfe gängiger mechanischer Aufschlussverfahren ist die Erhöhung des Verhältnisses von Faserlänge zu Faserdicke, d. h. die Vereinzelung der Fasern, nur begrenzt möglich.
Des Weiteren ist es meistens notwendig, die Fasern vor dem mechanischen Aufschluss zu trocknen. Restfeuchtigkeitsgehalte über 17 % wirken sich negativ auf das Ergebnis der Entholzung aus. Sowohl das Trocknen als auch der Betrieb der speziellen Aufschlussmaschinen ist mit erheblichem Energieaufwand verbunden.
Weiterhin zeichnen sich die mechanischen Entholzungsverfahren dadurch aus, dass sie einen unerwünscht hohen Staub- und Schäbenanteil und eine starke Kürzung sowie Schädigung der Fasern zum Ergebnis haben, was in letzter Konsequenz die Anwendung der gewonnenen Fasern deutlich einschränkt.
Die Tauröste und die Wasserröste haben gemeinsam, dass sie sehr zeitaufwändig (mehrere Wochen), witterungsabhängig, schwer kontrollierbar und mit erheblichen Umweltbedenken verbunden sind (DE 10 2006 013 657 A1 ). Die schwere Kontrollierbarkeit/Steuerbarkeit der mikrobiellen Prozesse hat zur Folge, dass die optimale Röstdauer, bei der der Bast sich leicht vom Stängel lösen lässt und die Fasern gut vereinzelbar, aber noch nicht beschädigt sind, ebenfalls schwer bzw. nur durch regelmäßige Probenahmen zu bestimmen ist. Ein weiteres Problem bei der Röste besteht darin, dass die Mikroorganismen bzw., deren Enzyme nicht selektiv wirken, was zur Folge haben kann, dass nicht nur die Kittsubstanzen wie Pektine, Hemicellulosen und Lignine, sondern auch die „nützlichen“ Fasersubstanzen wie Cellulose von den Mikroorganismen angegriffen und zerstört werden können. Dies kann letzten Endes die Beeinträchtigung der Faserqualität und die Verminderung der Faserausbeute verursachen.
Um die Vereinzelung/Verfeinerung der Fasern zu bewirken, müssen die Kittsubstanzen wie Pektine und Lignine aus der Gewebestruktur der pflanzlichen Zellwände (hauptsächlich der Mittellamelle) entfernt werden. Um dies zu erreichen, können verschiedene chemische, physikalische und biologische Verfahren oder auch deren Kombination eingesetzt werden.
Bei den chemischen Verfahren werden verschiedene Chemikalien, wie Natronlauge, Borax, Ammoniak, Trinatriumphosphat, Tenside eingesetzt, deren Wirkung teilweise durch erhöhte Drücke und Temperaturen verstärkt wird.
Solche Verfahren werden u. a. in den Patentschriften EP 0 861 347 B1 , DE 19 905 121 A1 und EP 0 706 585 B1 beschrieben. Die Verwendung von Chemikalien ist aus ökologischem Aspekt nicht vorteilhaft. Weiterhin erfordert der Einsatz der zum Teil sehr aggressiven Substanzen die Verwendung von chemikalienbeständigen Anlagen, Maschinen und Behältern. So wird auch in der DE 10 2004 036 112 A1 darauf hingewiesen, dass die Rückgewinnung der eingesetzten Chemikalien oder Chemikalienmischungen aus ökonomischer Sicht meist nicht sinnvoll ist. Darüber hinaus führt die chemische Behandlung der Fasern zu verminderten Festigkeiten der gewonnenen Fasern.
Unter den physikalischen Aufschlussverfahren sind insbesondere diejenigen zu nennen, bei denen Ultraschall, Mikrowelle, oder Dampfdruck eingesetzt werden. Diese Techniken erfordern spezielle Anlagentechnik, bei denen hohe Drücke und Temperaturen erforderlich und die deshalb mit einem hohen Energieaufwand und erheblichen Kosten verbunden sind. Ein Aufschlussverfahren, bei dem Dampf und Mikrowellen zum Einsatz kommen, wird u. a. in der DE 19 617 909 A1 offenbart. Hinzukommt, dass eine derartige Behandlung der Fasern bzw. Faserpflanzen, nicht selektiv wirkt. Dadurch ist die Schädigung der wertvollen Fasersubstanzen während des Aufschlussvorgangs nicht auszuschließen.
Biologische Aufschlussverfahren - im Grunde genommen die Röste - schließen die Verwendung von speziellen Mikroorganismen und/oder deren Enzyme ein, die besonders effizient im Abbau von Pektinen oder Ligninen sind.
Aus der DE 619779 C ist ein Röstverfahren mithilfe des Pektin zersetzenden Bakteriums Pectinobacter amylophilum bekannt.
In der DE 10 2006 013 657 A1 wird ein Röstverfahren beschrieben, bei dem der Aufschluss der Fasern mithilfe selektierter alkalophiler Bakterien der Gattungen Bacillus und Xanthomonas erfolgt.
Weiterhin offenbart die WO 02/ 092 887A1 die Anwendung von isolierten aeroben und anaeroben Bakterien im biologischen Aufschluss, insbesondere zur Entfernung der Pektine.
Die Kombination der vorgestellten Aufschlussverfahren wird u. a. in folgenden Patentschriften beschrieben: EP 0 706 585 B1 , US 2004 / 0 191 888 A1 , DE 10 2007 030 576 A1 , DE 11 2005 001 792 B4.
Aus der DE 10 2017 011 741 A1 ist ein Verfahren für einen enzymatisch-tensidischen Faseraufschluss von Baststreifen bekannt, der vorsieht, dass Baststreifen oder Bastfasern an einem Ende durch eine Halterung gehalten und in einen Behälter geführt werden, um dort in einer Flüssigkeit fermentiert, gewaschen und gespült zu werden.
Des Weiteren sind aus der WO 2006/ 100560 A1 eine Faseraufschlussanlage mit einem Reaktor, einer Verschlussvorrichtung und einer Steuerung sowie ein Verfahren zur mikrobiellen Gewinnung von pflanzlichen Fasern bekannt. In dem Reaktor wird das faserhaltige Material zum Rösten mit einer Flüssigkeit überdeckt, wobei unter anaeroben Bedingungen das faserhaltige Material zersetzt wird. Die Besonderheit besteht dabei darin, dass das Rösten nach dem Schwingen stattfindet. Dies hat den Nachteil, dass die Fasern vor dem Rösten mechanisch vorbelastet werden und ein erhöhter Anteil an Kurzfaserabfall resultiert. Alternativ können die Stängel abgeschält werden, was jedoch einen erhöhten Arbeitsaufwand mit sich bringt und nur für pflanzliche Rohstoffe mit Stängel anwendbar ist.
Die CN 101 050 549 A offenbart eine Faseraufschlussanlage mit einem Reaktor, in dem das faserhaltige Material von einer Flüssigkeit bedeckt wird. Durch Sauerstoffzufuhr werden im Reaktor aerobe Bedingungen geschaffen. Die Sauerstoffzufuhr ist energetisch aufwändig. Außerdem ist ein gezieltes Einbringen von Mikroorganismen erforderlich. Das Verfahren kann zu nachteiligen Fasereigenschaften führen und geht üblicherweise mit einer Geruchsbelästigung einher.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs anzugeben, mit denen die vorstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise vermieden werden können. Wünschenswert wäre insbesondere, ein umweltverträgliches und energetisch vorteilhaftes Aufschlussverfahren, um Pflanzenfasern und weitere Pflanzenbestandteile gewinnen zu können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungen dieser Lösungen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs. Bei dem pflanzlichen Rohstoff kann es sich beispielsweise um Hanfpflanzen, Flachspflanzen, Brennnesselpflanzen, Ramiepflanzen, Kenafpflanzen, Jutepflanzen, Bananenpflanzen, Palmlilienpflanzen oder Ananaspflanzen oder eine beliebige Mischung der genannten Pflanzen handeln. Vorzugsweise kann das Verfahren zum Behandeln von Pflanzen mit Faseranteil, z. B. Bastfaserpflanzen, genutzt werden.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen eines pflanzlichen Rohstoffs, b) vollständiges Überdecken des pflanzlichen Rohstoffs mit einem Fluid, c) Fermentieren und/oder Zersetzenlassen des pflanzlichen Rohstoffs unter anaeroben Bedingungen, wobei Säuren gebildet und in das Fluid abgegeben werden, d) zumindest teilweises Entnehmen des säurehaltigen Fluids und e) Hinzufügen von weiterem Fluid.
Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um eine Flüssigkeit handeln. Das Fluid kann Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und z. B. Milchsäurebakterien sein, was auch Fermenterflüssigkeit genannt wird. Das Verfahren kann insbesondere zum Gewinnen von Bastfasern genutzt werden. Das Verfahren kann daneben auch für die Gewinnung von Blattfasern, z. B. aus den Blattscheiden der Bananenpflanze oder aus der Palmlilie, angewendet werden.
Außer zum mikrobiellen Aufschluss von Fasern kann das vorgeschlagene Verfahren bei der anaeroben Fermentation jeglicher organischen Biomasse, z. B. zum Zwecke der Bereitstellung von kurzkettigen organischen Säuren, eingesetzt werden. Dadurch lässt sich der Bereich potenzieller Anwendungsgebiete erheblich erweitern.
Das Bereitstellen des pflanzlichen Rohstoffs kann beispielsweise erfolgen, indem der pflanzliche Rohstoff, wie z. B. Hanfstängelbündel, in einen Reaktor mit mindestens einem Reaktorraum gefördert werden oder in einen Reaktorraum eines Reaktors eingelegt werden. Der Reaktor wird nachfolgend auch als Behälter bezeichnet.
Mit anderen Worten kann der Reaktor diskontinuierlich befüllt und entsprechend wieder geleert werden, d. h. das Verfahren kann diskontinuierlich durchgeführt werden. Alternativ kann das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden, indem beispielsweise der pflanzliche Rohstoff mittels einer Fördereinrichtung, z. B. einem Förderband, dem Reaktorraum kontinuierlich zugeführt und nach Abschluss des Fermentations- und/oder Zersetzungsprozesses kontinuierlich entnommen werden.
Anschließend wird der pflanzliche Rohstoff vollständig von dem Fluid überdeckt, beispielsweise in dem der pflanzliche Rohstoff in ein bereits vorhandenes Fluid gefördert wird und/oder nachfolgend Fluid zugeführt wird.
Der Reaktor kann eine Öffnung aufweisen, wobei die Öffnung eine Verbindung zur Umgebung darstellt, die mittels einer Verschlussvorrichtung gegenüber der Umgebung derart entkoppelbar ist, dass im Reaktorraum eine anaerobe Umgebung entsteht und die pflanzlichen Rohstoffe im Reaktor einem Fermentations-, Zersetzungsprozess oder einer Kombination aus diesen, unterliegen. Es können eine Steuerungseinrichtung bzw. Steuerung und ein Sensor vorgesehen sein, wobei mittels des Sensors Messwerte erfasst werden, wobei Mittel vorgesehen sind, mittels denen die Prozesswerte in einem definierbaren Wertebereich regelbar sind.
In einer Ausführungsvariante kann die Verschlussvorrichtung eine Gasschleuse mit einem Anschluss sein, wobei ein Gassensor vorgesehen ist, mittels dem der Sauerstoff und/oder der Stickstoffgehalt ermittelt werden, wobei der Stickstoffgehalt in der Gasschleuse mittels der Steuerung geregelt wird. Weiterhin kann ein pH-Sensorzur Messung des pH-Wertes des Fluids und ein Filter zur Abscheidung von Säuren vorgesehen sein, wobei das Fluid durch den Filter geleitet wird, sobald der pH-Wert ein Wert zwischen 5,8 und 3,5 unterschreitet.
Nach dem vollständigen Überdecken des pflanzlichen Rohstoffs mit dem Fluid wird der pflanzliche Rohstoff fermentiert und/oder zersetzt. Dies erfolgt unter anaeroben Bedingungen, d. h. unter Sauerstoffausschluss (= anaerobe Verhältnisse) beginnt nun die Fermentation der eingebrachten Pflanzen. Diese anaeroben Bedingungen ermöglichen während der Fermentation durch die Tätigkeit hydrolytischer sowie gärender Mikroorganismen die Umwandlung von Pektin und anderer organischer Substanzen in kurzkettige organische Säuren, insbesondere Essigsäure und Milchsäure. Weiterhin können während der Fermentation intermediäre Stoffwechselprodukte wie Buttersäure, Propionsäure, Valeriansäure, Capronsäure entstehen. Welche Säuren und in welchen Mengen entstehen, hängt insbesondere von dem jeweiligen Pflanzenrohstoff ab. Die gebildeten Säuren werden in das Fluid abgegeben.
Die Mikroorganismen, z. B. Bakterien, können bevorzugt zusammen mit dem pflanzlichen Rohstoff zugeführt werden, d. h. es können für den Fermentations- und/oder Zersetzungsprozess Mikroorganismen genutzt werden, die natürlicherweise auf den Pflanzen vorkommen. Ein Impfen mit Mikroorganismen bzw. eine zusätzliche Zugabe von Mikroorganismen kann vorteilhaft entfallen, was das vorgeschlagene Verfahren kostengünstig macht. Auch eine Sterilisation ist an keiner Stelle des Verfahrens notwendig.
Infolge der Entstehung organischer Säuren sinkt der pH-Wert des Fluids von dem anfänglichen ca. pH 8 auf pH 5,8 bis 3,5, wobei die Erreichung dieses pH-Wertes unterschiedlich lange Verweilzeiten benötigt. Nach dem Erreichen des pH-Wertes von 5,8 bis 3,5 stellt sich die Tätigkeit der gärenden Bakterien allmählich ein, was bedeutet, dass kein organisches Material (insb. Pektin und Hemicellulosen) mehr zersetzt wird.
In einem weiteren Schritt ist daher ein zumindest teilweiser Flüssigkeitsaustausch notwendig, um die Mikroorganismen wieder dazu anzuregen ihre Tätigkeit, nämlich die Zersetzung von organischem Material, insb. Pektin und Hemicellulose, erneut aufzunehmen. Dazu wird ein Teil der im Fermenter befindlichen säurehaltigen Flüssigkeit entnommen und durch frisches Wasser ersetzt. Dadurch sinkt die Konzentration der organischen Säuren im Behälter, was konsequenterweise zur Erhöhung des pH-Wertes führt.
Der Flüssigkeitsaustausch kann zu festlegbaren Zeitpunkten, beispielsweise in Abhängigkeit des pH-Werts wie nachfolgend beschrieben, periodisch oder auch fortlaufend durchgeführt werden. Bevorzugt kann der Flüssigkeitsaustausch derart erfolgen, dass ein vorgebbares Flüssigkeitsniveau im Reaktor möglichst konstant gehalten wird. Weiter bevorzugt kann der Flüssigkeitsaustausch derart erfolgen, dass der pflanzliche Rohstoff stets vollständig mit dem Fluid bedeckt ist und stets anaerobe Bedingungen vorherrschen.
Beispielsweise können Bastfaserpflanzen, z. B. in Bündel gebunden, für den mikrobiellen Faseraufschluss in einem Reaktor platziert werden. Die Bündel können im Reaktor oder Behälter stehend, liegend oder mithilfe einer Vorrichtung hängend untergebracht werden. Der Behälter kann mit einem Fluid gefüllt sein oder werden, sodass die aufzuschließenden Pflanzen vollständig von Fluid bedeckt sind. Weiterhin ist der Behälter derart gegenüber der Umgebung verschlossen, dass im Behälter anaerobe Verhältnisse geschaffen werden. Dies ist notwendig, damit die Fermentation - die Röste - optimal vonstattengehen kann.
Nach Abschluss des Fermentations- und/oder Zersetzungsprozesses kann die resultierende Biomasse vom Fluid abgetrennt werden und u. a. zur Neutralisation und Reinigung mit beispielsweise Wasser gespült werden. Anschließend können im Falle der Verwendung eines faserhaltigen pflanzlichen Rohstoffs die Fasern von den Stängeln abgetrennt werden. Diese Abtrennung kann entweder im nassen oder getrockneten Zustand erfolgen, d. h. die Biomasse bzw. die Fasern können vor und/oder nach dem Abtrennen getrocknet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvananten kann das Verfahren ein Filtrieren des säurehaltigen Fluids umfassen.
Das Filtrieren kann mittels eines Filters erfolgen. Der Filter kann ein Durchflussfilter sein und beispielsweise eine Filterfläche mit einer Porengröße von 0,2 pm bis 0,9 pm aufweisen. Der Filter kann für kurzkettige organische Säuren wie Essigsäure, Milchsäure, Propionsäure und/oder Buttersäure durchlässig sein. Dies ermöglicht, dass nicht umgesetzte Biomasse sowie Mikroorganismen im durchfließenden Fluid verbleiben, während die gebildeten Säuren abgeführt werden können. Mit anderen Worten kann die entzogene säurehaltige Flüssigkeit durch einen Filter geleitet werden, dessen mittlere Porengröße 0,2 pm bis 0,9 pm betragen soll. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass nicht umgesetztes biologisches Material sowie die nützlichen Bakterien zurückgehalten und in den Behälter zurückgeführt werden können. Dadurch kann die ausgebildete Mikrokultur im Behälter verbleiben, sodass der Fermentations- und/oder Zersetzungsprozess unterbrechungsfrei ablaufen kann. Dies kann die Prozesssteuerung vereinfachen. Zudem werden Produkte gleichbleibender Qualität erhalten.
Alternativ kann die Abtrennung des säurehaltigen Fluids mittels Unterdruckfiltration erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass die organischen Säuren nicht nur abgezogen bzw. entfernt werden, sondern gleichzeitig angereichert, d. h. das Wasser wird aus der abgezogenen Säurelösung entfernt. Die höher konzentrierte Säurelösung lässt sich nachfolgend vorteilhafter stofflich und/oder energetisch weiterverwenden. Bei einer herkömmlichen Filtration geht hingegen Wasser mit durch den Filter, weshalb das Permeat anschließend in einem nachfolgenden Prozessschritt vor einer weiteren Verwendung zumeist „aufkonzentriert“ werden muss.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Ermitteln des pH-Werts des Fluids, z. B. mittels eines pH-Sensors, umfassen, wobei der Flüssigkeitsaustausch, d. h. das zumindest teilweise Entnehmen des säurehaltigen Fluids und das Hinzufügen von weiterem Fluid, durchgeführt werden, sobald ein pH-Schwellwert in einem Bereich zwischen 3,5 und 5,8 unterschritten wird.
Dadurch wird bewirkt, dass fortlaufend gute Bedingungen für den Fermentations- und/oder Zersetzungsprozess vorliegen und dieser unterbrechungsfrei stattfinden kann.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten wird der Flüssigkeitsaustausch solange wiederholt durchgeführt werden, bis sich der pH-Wert des Fluids, beispielsweise für eine vorgebbare Zeitdauer, nicht mehr ändert.
Für eine mögliche Änderung des pH-Werts kann eine Zeitdauer vorgegeben werden, d. h. es kann beispielsweise festgelegt werden, dass der Flüssigkeitsaustausch solange wiederholt durchgeführt werden, bis sich der pH-Wert über eine Dauer von 3 Tagen nicht mehr oder nur noch geringfügig, beispielsweise um weniger als 0,2 oder weniger als 0, 1 , ändert. Beispielsweise kann als unveränderter pH-Wert auch angesehen werden, wenn die Änderung des pH-Werts weniger als 5 % oder weniger als 2 % im Vergleich zu einem pH-Wert einer vorherigen pH-Wert-Messung im Abstand von mindestens 12 h oder mindestens 24 h beträgt.
Mit anderen Worten kann bei Bedarf der Schritt des Flüssigkeitsaustauschs mehrfach wiederholt werden, bis der pH-Wert trotz eines Austausches nicht erneut sinkt, oder die Bastfasern sich vom Stängel leicht lösen und anschließend mechanisch leicht vereinzeln lassen. Um diesen optimalen Zeitpunkt zu bestimmen, sind regelmäßige Kontrollen des pH-Werts oder eine fortlaufende pH-Bestimmung empfehlenswert.
Gemäß weiteren Ausführungsvananten kann das Verfahren ein Regeln der Temperatur des Fluids auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 15 °C und 38 °C aufweisen.
Hierfür kann ein Temperatursensor zur Messung der Fluidtemperatur vorgesehen sein, wobei das Fluid zur Temperaturregelung durch einen Wärmetauscher geleitet werden kann, sobald die Solltemperatur einen Wert zwischen 15 °C bis 38 °C über- oder unterschreitet.
Mit anderen Worten können der Behälter bzw. Reaktor und sein Inhalt bei Bedarf auf eine Temperatur von 15 °C bis zu 38 °C temperiert werden. Diese Temperatur erwiesen sich in der allgemeinen Praxis als optimal für den Fermentationsprozess. Niedrigere Prozesstemperaturen können ebenfalls verwendet werden, es kann sich dadurch jedoch die benötigte Röstdauer verlängern.
Gemäß weiteren Ausführungsvananten kann das Verfahren ein Umwälzen des Fluids, z. B. mittels einer Umwälzpumpe, aufweisen.
Um die Mikroorganismen im Fermenter gleichmäßig zu verteilen, und um die im Behälter evtl, vorhandenen Temperatur- und Konzentrationsunterschiede auszugleichen, kann der Inhalt des Behälters während der Fermentation mithilfe einer Pumpe umgewälzt werden. Die Umwälzung sorgt weiterhin dafür, dass die im Behälter befindlichen Pflanzen kontinuierlich umspült werden, was die Ablösung der Baststreifen vom verholzten Stängelmark und auch die Trennung der Faserbündel voneinander begünstigen kann. Gleichzeitig kann die leichte Bewegung des Behälterinhaltes das kontinuierliche Abtragen des bereits zersetzten oder teilzersetzten biologischen Materials von der Pflanzenoberfläche bewirken. Dadurch kann der Bildung von Schleimschichten entgegengewirkt werden. Schleimschichten können die mikrobiellen Prozesse deutlich hindern. Der Vorteil des Spülens während des biologischen
Faseraufschlusses wird auch in DE 10 2017 011 741 A1 beschrieben.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Kardieren von nach Beenden des Flüssigkeitsaustauschs erhaltenen Fasern des pflanzlichen Rohstoffs umfassen.
Das Kardieren kann mit den Fasern, die von den Stängeln abgetrennt wurden, und vorzugsweise nach dem Trocknen der Fasern erfolgen. Die aggressive Entholzung (Zerkleinerung und Entfernung des verholzten Stängelmarks) mithilfe von Brechern, Schwingen und Hecheln oder mit Maschinen wie beschrieben in WO 2012/ 006 118 A2 (Prallaufschluss) ist weder vor noch nach dem mikrobiellen Aufschluss notwendig. Mit anderen Worten können die nach dem Beenden des Flüssigkeitsaustauschs erhaltenen Fasern direkt, also unmittelbar, kardiert werden, ohne dass ein weiterer Faseraufschluss notwendig ist. Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht einen schonenden, aber äußerst effizienten Faseraufschluss, wobei die gewonnenen Fasern weitgehend frei von Oberflächenanhaftungen oder Verunreinigungen durch Staub und Schäben sind. Die leichte Kardierung der gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren mikrobiell aufgeschlossenen Faserbündel oder Baststreifen ist ausreichend, um feine, elastische, doch reißfeste Fasern zu erhalten. Dank dem Verzicht auf harsche mechanische Techniken zum Aufschluss und Reinigung der Fasern kommt es im hier vorgestellten Verfahren nicht zur Schädigung der Faserstruktur oder zur Kürzung der Fasern.
Nach dem mikrobiellen Aufschluss können die Bastfasern, z. B. manuell oder beispielsweise mittels eines Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahls, wie beschrieben in der DE 19 703 634 B4, leicht vom Stängelmark gelöst werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein stoffliches oder energetisches Verwerten des säurehaltigen Fluids aufweisen. Das energetische Verwerten kann hierbei ein Erzeugen von Biogas umfassen.
Mit anderen Worten kann die säurehaltige Flüssigkeit aus dem Behälter stofflich oder energetisch verwertet werden. Die energetische Verwertung kann über die Erzeugung von Biogas erfolgen, welches zur Bereitstellung von Strom und/oder Wärme verwendet werden kann. Der erzeugte Strom und die Abwärme können direkt dem Aufschlussprozess zugeführt werden. Dies stellt einen wichtigen ökonomischen Vorteil dar und bietet zudem die Möglichkeit der umweltfreundlichen Energieerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen.
Gemäß weiteren Ausführungsvananten kann der pflanzliche Rohstoff frisch bzw. grün und/oder getrocknet bereitgestellt werden.
Mit anderen Worten kann sowohl grünes, also frisches, als auch trockenes Material dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführt werden. Dies bedeutet, dass mit Ausnahme eines etwaigen Trocknens unbehandelter pflanzlicher Rohstoff direkt eingesetzt werden kann. Insbesondere erfolgt kein Schwingen, bevor der pflanzliche Rohstoff vollständig mit dem Fluid überdeckt wird, d. h. die Verfahrensschritte b) bis e) können vor einem Schwingen durchgeführt werden.
Die aufzuschließenden Faserpflanzen können jedoch bei Bedarf vor dem mikrobiellen Aufschluss mechanisch, z. B. mithilfe von Brechern, vorbehandelt werden. Eine mechanische Vorbehandlung ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs. Die Vorrichtung weist einen Reaktor auf, wobei der Reaktor Folgendes aufweist: mindestens einen Reaktorraum, der mit einem Fluid füllbar ist, eine Öffnung, ausgebildet zum Zuführen eines pflanzlichen Rohstoffs in den Reaktorraum, eine Verschlussvorrichtung, ausgebildet zum Verschließen der Öffnung derart, dass im Reaktorraum eine anaerobe Umgebung ausbildbar ist, eine Fluidentnahmeeinrichtung, ausgebildet zum Entnehmen des Fluids aus dem Reaktorraum, und eine Fluidzuführeinrichtung, ausgebildet zum Zuführen des Fluids zum Reaktorraum.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann beispielsweise zur Ausführung des obenstehend erläuterten vorgeschlagenen Verfahrens geeignet sein. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des Verfahrens auch zur Beschreibung der Vorrichtung. Mit der Vorrichtung sind die Vorteile des Verfahrens entsprechend verbunden.
Die Vorrichtung kann als Faseraufschlussanlage ausgebildet sein. Eine beispielhafte Faseraufschlussanlage zum mikrobiellen Aufschluss von Bastfasern aus pflanzlichen Rohstoffen, in der pflanzliche Rohstoffe, wie z. B. Hanfstängelbündel, behandelt werden, umfasst einen Reaktor mit mindestens einem Reaktorraum, der mit einem Fluid gefüllt ist. Der Reaktor weist eine Öffnung auf, wobei die Öffnung eine Verbindung zur Umgebung darstellt, die mittels einer Verschlussvorrichtung gegenüber der Umgebung entkoppelt, so dass im Reaktorraum eine anaerobe Umgebung entsteht und die pflanzlichen Rohstoffe im Reaktor einem Fermentations-, Zersetzungsprozess oder einer Kombination aus diesen, unterliegen. Es kann zumindest eine Steuerung und ein Sensor vorgesehen sein, wobei mittels des Sensors Messwerte erfasst werden, wobei Mittel vorgesehen sind, mittels denen die Messwerte in einem definierbaren Wertebereich regelbar sind.
Die Fluidentnahmevorrichtung kann auf dem Prinzip der Unterdruckfiltration basieren, so dass das säurehaltige Fluid mittels Unterdruckfiltration aus dem Reaktorraum abgeführt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Vorrichtung einen Filter, ausgebildet zum Filtrieren des mittels der Fluidentnahmeeinrichtung zu entnehmenden Fluids, aufweisen.
Bei dem Filter kann es sich um einen Durchflussfilter handeln, der eine Filterfläche mit einer Porengröße von 0,2 pm bis 0,9 pm aufweisen kann und für kurzkettige organische Säuren wie Essigsäure, Milchsäure, Propionsäure und/oder Buttersäure durchlässig ist. Der Filter kann insbesondere zur Abscheidung von Säuren vorgesehen sein, wobei das Fluid durch den Filter mittels einer Pumpe pumpbar sein kann.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung aufweisen. Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, basierend auf einem pH-Wert eines in dem Reaktorraum vorhandenen Fluids Steuersignale zu generieren und auszugeben, die ein zumindest teilweises Entnehmen des Fluids aus dem Reaktorraum und ein Hinzufügen von weiterem Fluid in den Reaktorraum bewirken.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet sein, basierend auf einer Temperatur des in dem Reaktorraum vorhandenen Fluids Steuersignale zu generieren und auszugeben, die ein Erwärmen oder Kühlen des Fluids in dem Reaktorraum bewirken.
Weiterhin kann die Vorrichtung einen pH-Sensor zur Messung des pH-Werts des Fluids und einen Temperatursensor zur Messung der Fluidtemperatur aufweisen. Der pH- Sensor und/oder der Temperatursensor können in einer signaltechnischen Wirkverbindung mit der Steuerungseinrichtung stehen, sodass von den Sensoren erzeugte Sensorsignale an die Steuerungseinrichtung übertragen, von der Steuerungseinrichtung empfangen und von dieser verarbeitet werden können. Hierbei werden die Steuersignale basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuerungseinrichtung programmiertem Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen verarbeitet. Die generierten Steuersignale werden an Aktoren als Reaktion auf die verarbeiteten Sensorsignale ausgegeben und bewirken die beschriebenen Maßnahmen, d. h. das Entnehmen und Hinzufügen von Fluid und/oder das Erwärmen oder Kühlen des Fluids.
Als Aktor zur Temperaturregelung kann eine Pumpe, z. B. eine Umwälzpumpe, vorgesehen sein, wobei das Fluid zur Temperaturregelung durch einen Wärmetauscher mittels einer Umwälzpumpe pumpbar ist. Als Aktor zur pH-Wert Regelung kann ebenfalls mindestens eine Pumpe, z. B. eine Druckpumpe, vorgesehen sein, mittels derer Fluid aus dem Reaktor bzw. in den Reaktor gepumpt wird.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Vorrichtung eine Umwälzpumpe, ausgebildet zum Umwälzen des Fluids in dem Reaktorraum, aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Verschlussvorrichtung eine Gasschleuse mit einem Gasanschluss sein, wobei über den Gasanschluss der Stickstoffgehalt in der Gasschleuse regelbar ist.
Zusätzlich kann ein Gassensor vorgesehen sein, mittels dem der Sauerstoff- und/oder der Stickstoffgehalt ermittelbar ist. Der Stickstoffgehalt in der Gasschleuse kann basierend auf dem mittels des Gassensors bestimmten Stickstoffgehalts geregelt werden. Hierfür kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet sein, basierend auf dem Sensorsignal des Stickstoffsensors Steuersignale zu generieren und auszugeben, die eine Änderung des Stickstoffgehalts in der Gasschleuse bewirken.
Anhand des Sauerstoffgehalts kann die Dichtheit der Gasschleuse überprüft werden. Wird ein zu hoher Sauerstoffgehalt ermittelt, so ist von einem unerwünschten Eindringen von Außenluft, d. h. der Undichtheit der Gasschleuse, auszugehen. Da dies die gewünschten anaeroben Bedingungen negativ beeinflussen kann, wären entsprechende Gegenmaßnahmen, wie z. B. eine Reparatur oder ein Austausch der Gasschleuse, sinnvoll, Alternativ kann die Verschlussvorrichtung als Zellenradschleuse ausgebildet sein. Dies ermöglichst auf einfache Art und Weise eine kontinuierliche Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus den Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung ersichtlich, anhand derer die Erfindung nachfolgend näher erläutert wird. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze für eine Vorrichtung zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs in Form einer Faseraufschlussanlage;
Figur 2 eine beispielhafte Faseraufschlussanlage für ein kontinuierliches Verfahren;
Figur 3 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich außerdem, dass die Merkmale der hier beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs 20 in Form einer Faseraufschlussanlage 1 . Die Faseraufschlussanlage 1 kann beispielsweise zur Durchführung des nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebenen Verfahrens 100 zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs 20 genutzt werden. Die Faseraufschlussanlage 1 weist einen Reaktor 2 mit einem Reaktorraum 3 auf, der zur Aufnahme des aufzuschließenden pflanzlichen Rohstoffs 20 bzw. Faserrohmaterials dient und in dem der mikrobielle Aufschluss mittels anaerober Fermentation abläuft. Im Ausführungsbeispiel wird der pflanzlicher Rohstoff 20 als Bündel eingesetzt. Der Reaktorraum 3 kann mittels eines Fluids 13, z. B. Wasser, ggf. mit Bakterienkulturen versetzt, befüllt werden.
Der Füllstand h des Fluids 13 bei Betrieb der Faseraufschlussanlage 1 ist in Fig. 1 mit dem Buchstaben h gekennzeichnet. Der Füllstand h kann durch Fluidentnahme mittels der Fluidentnahmeeinrichtung 27 und Fluidzufuhr mittels der Fluidzuführeinrichtung 28 beeinflusst werden.
Die Dimensionierung des Reaktors 2, auch Fermenter genannt, ist an das aufzuschließende Faserrohmaterial oder entsprechend dem Bedarf an Fasern anpassbar. Für die Verarbeitung größerer Mengen an Faserrohstoff können mehrere Behälter parallelgeschaltet werden.
Zur Erleichterung der Be- und Entladung durch die Öffnung 6 des Reaktors 2 kann eine herausnehmbare Halterung verwendet werden, die im Ausführungsbeispiel als Korb 7 ausgebildet ist. Die Zuführeinrichtung 14 und die Entnahmeeinrichtung 15 zur Zuführung bzw. Entnahme des pflanzlichen Materials sind in Fig. 1 nur schematisch mit Pfeilen dargestellt. Als Konstruktionsmaterial für den Reaktor 2 und dessen Bestandteile eignet sich z. B. Edelstahl, prinzipiell auch Glas, Kunststoff oder GFK. Eine Isolierung kann je nach gewählter Betriebstemperatur sinnvoll sein.
Ein Filter 4 mit einer mittleren Porengröße von 0,2 pm bis 0,9 pm ermöglicht die Abtrennung des säurehaltigen Fluids 24 mit kurzkettigen organischen Säuren wie Essigsäure, Milchsäure, Propionsäure und Buttersäure sowie die Zurückhaltung von nicht umgesetzter Biomasse und Mikroorganismen. Dieser Filter 4 kommt dann zum Einsatz, wenn ein Teil der säurehaltigen Flüssigkeit zum Zwecke der Erhöhung des pH- Wertes in dem Fermenter gegen frisches Wasser ausgetauscht wird. Der Filter 4 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem keramischen Membranfilter mit einer mittleren Porengröße von max. 0,2 bis 0,9 pm. Die Aufgabe des Filters ist die Abtrennung von organischen Säuren sowie die Zurückhaltung von gärenden Mikroorganismen und nicht umgesetzter Biomasse. Der Filter 4 ist ein Durchlauffilter, wobei die zurückgehaltenen Mikroorganismen und nicht zersetzte Biomasse zurück in den Reaktor 2 gepumpt werden.
Eine Druckpumpe 8 ermöglicht die Zuführung des Fluid 13 zum Filter 4. Die dem Filter 4 vorgeschaltete Druckpumpe 8 beaufschlagt die aus dem Reaktorraum 3 entnommene säurehaltige Flüssigkeit mit einem hinreichend hohen Druck, um die optimale Filterleistung zu erreichen.
Über die Öffnung 6 erfolgt die Befüllung und Entleerung des Reaktorraums 3. Die Befüllung wie auch die Entleerung kann manuell oder mithilfe einer automatisierten Vorrichtung erfolgen. Die aufgeschlossenen Pflanzen können über die Öffnung 6 manuell oder mithilfe einer automatisierten Vorrichtung aus dem Reaktor 2 entnommen werden.
Die Öffnung 6 ist mittels einer Verschlussvorrichtung 17 derart verschließbar, dass im Reaktorraum 3 anaerobe Verhältnisse geschaffen werden können. Der Verschluss der Öffnung 6 erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels einer Gasschleuse, die derart ausgelegt ist, dass im Reaktor ein anaerober Prozess stattfinden kann. Die Gasschleuse kann eine Haube sein, die mit Stickstoff gefüllt ist.
Eine Umwälzpumpe 9 ermöglicht in erster Linie die langsame Bewegung des Fluids 13 zum Zwecke der Aufheizung über den externen Wärmetauscher 5 auf die gewünschte Prozesstemperatur. Die Funktion des externen Wärmetauschers 5 besteht in der Temperierung des Fluids auf die gewünschte Aufschlusstemperatur.
Ein weiteres Ziel der Umwälzung besteht darin, im Reaktorraum 3 homogene Verhältnisse hinsichtlich der Säurekonzentration, der Temperatur und der mikrobiellen Tätigkeit zu schaffen. Weiterhin dient die Umwälzung dazu, zersetzte Pflanzenteilchen von der Oberfläche der Pflanzen abzutransportieren, und die Verbindung zwischen den aufgeschlossenen Fasern und dem Stängelmark aufzulockern.
Die Steuerungseinrichtung 12 regelt die Temperatur im Reaktor 2 und die Durchflussmengen durch die Druckpumpe 8 bzw. den Filter 4, sowie die Umwälzpumpe 9 zur Umwälzung des Fluids 13 durch den Wärmetauscher 5. Hierfür werden entsprechende Steuersignale 26a, 26b generiert und an die Pumpen 8, 9 übertragen. Die Regelung basiert auf den Messwerten von Temperatursensor 11 und der pH-Sensor 10, die mittels Sensorsignalen 25a, 25b an die Steuerungseinrichtung 12 übertragen werden. Weitere Steuersignale 26d können von der Steuerungseinrichtung 12 generiert und an die Fluidzufuhreinrichtung 28 übertragen werden, um eine Zufuhr von frischem Fluid 13 und die Beibehaltung des Füllstands h zu bewirken.
Die Steuerungseinrichtung 12 empfängt zudem Sensorsignale 25c von einem Gassensor 22, mit dem die Gaszusammensetzung in der Gasschleuse bzw. Verschlussvorrichtung 17 ermittelt werden kann. Basierend auf der Gaszusammensetzung generiert die Steuerungseinrichtung 12 ein Steuersignal 26c, das an einen Gasanschluss 23 übertragen wird, um eine Gaszufuhr zur Gasschleuse zu regeln.
Nachfolgend werden einige Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens zusammengefasst:
Es kommen keine mechanischen Rührelemente zum Einsatz. Dadurch kann verhindert werden, dass das aufzuschließende Material sich um das Rührwerk wickelt. Es wird keine Energie für das Rühren benötigt. Die beim vorliegenden Verfahren verwendete schonende Bewegung des Fluids 13 mithilfe der Umwälzpumpe 9 erfüllt mehrere Aufgaben: Rühren; Beförderung des Fluids 13 zum Wärmetauscher und wieder zurück in den Reaktor 2; Umspülen und somit Reinigung und Lockerung der aufzuschließenden Fasern.
Die Entholzung des aufzuschließenden Materials - z. B. mithilfe eines Bastschälers wie beschrieben in DE 10 2013 013 657 A1 - ist vor dem mikrobiellen Aufschluss nicht notwendig.
Das hier vorgestellte mikrobielle Aufschlussverfahren ist zur Gewinnung von Fasern aus allen pflanzlichen Rohstoffen geeignet
Das hier vorgestellte mikrobielle Aufschlussverfahren ist zur Gewinnung von Pflanzenstängeln geeignet, da diese durch das vorgeschlagene Verfahren nicht zerstört werden.
Weiterhin ermöglicht das Verfahren neben der Bereitstellung von Fasern auch die Gewinnung von kurzkettigen organischen Säuren wie Essigsäure und Milchsäure, möglicherweise auch Propionsäure und Buttersäure, sowie weiteren Säuren, die während der Fermentation aus dem mikrobiell umgesetzten Pflanzenmaterial entstehen. Diese können entweder einer stofflichen oder einer energetischen Verwertung zugeführt werden. Die energetische Verwertung kann über die Erzeugung von Biogas und dessen Umwandlung in Strom und Wärme erfolgen. Die bereitgestellte Elektro- und Wärmeenergie kann dem mikrobiellen Aufschluss zugeführt oder anderweitig genutzt werden. Auf diese Weise lässt sich der Energieaufwand des Aufschlussprozesses bzw. der Fasergewinnung reduzieren.
Ein wichtiger ökonomischer Vorteil des hier vorgestellten mikrobiellen Aufschlusses gegenüber bestehenden Verfahren ergibt sich aus der gleichzeitigen Bereitstellung von Pflanzenfaserbündeln, Stängelmark und organischen Säuren für eine anschließende stoffliche /energetische Nutzung.
Es werden keine Chemikalien eingesetzt. So müssen nach dem Aufschluss keine Chemikalien oder Chemikalienmischungen aufwändig entsorgt oder recycelt werden.
Es werden - bis auf die Säurebeständigkeit - keine speziellen Anforderungen an die Aufschlussanlage gestellt. Es sind keine speziellen Maschinen für den Aufschluss notwendig. Dadurch können die Kosten für Energie und Investitionen deutlich verringert werden, was schließlich die Kosten der Fasergewinnung reduziert. Es sind keine hohen Temperaturen oder Drücke für den hiervorgestellten mikrobiellen Aufschluss notwendig. Dies bedeutet einen schonenden Faseraufschluss und einen verringerten Energiebedarf gegenüber den aus technischer, energetischer und ökonomischer Sicht teilweise sehr aufwendigen Aufschlussverfahren, die u. a. in DE 19 617 909 A1 und EP 0 115 172 B1 vorgestellt werden.
Der Aufschluss wird in einem luftdicht verschlossenen Reaktor 2 durchgeführt. Es entsteht dabei keinerlei negative Auswirkung auf die Umwelt. Die im vorgeschlagenen Verfahren entzogene säurehaltige Flüssigkeit kann (und soll) in nachgeschalteten Prozessen vollständig genutzt oder eingesetzt aufbereitet werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber allen derzeit praktizierten Aufschlussverfahren.
Der mikrobielle Aufschluss wird durch die Regulierung der Säurekonzentration (bzw. des pH-Wertes) intensiviert. Somit erhöht sich die Faserausbeute, und die weitere Verarbeitbarkeit der Fasern - letztendlich die Faserqualität - verbessert sich.
Figur 2 zeigt eine kontinuierlich arbeitende Faseraufschlussanlage 1 mit einer Zuführungseinrichtung 14 für gebündeltes Pflanzenmaterial, d. h. Bündel, als pflanzlichen Rohstoff 20. Die Bündel werden über die Öffnung 6a, über der eine Gasschleuse 17a, angeordnet ist, in den Reaktor 2 bzw. dessen Reaktorraum 3 gefördert. Der Reaktorraum 3 ist mit dem Fluid gefüllt.
Das Förderband 19 fördert die Bündel 20 durch den Reaktorraum 3, wobei die Bündel vollständig im Fluid 13 sind. Über die Entnahmeeinrichtung 15 bzw. die Öffnung 6b mit der darüber angeordneten Haube 17b gelangen die Bündel 20 wieder aus dem Reaktor 2. Von dort werden die Bündel 20 zum nächsten Bearbeitungsschritt, wie oben und nachfolgend beschrieben, transportiert.
Figur 3 zeigt ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens 100 zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs 20, z. B. Bastfaserpflanzen. Das Verfahren 100 kann beispielsweise mit der unter Bezugnahme auf Figur 1 oder 2 erläuterten Faseraufschlussanlage durchgeführt werden. Nach dem Bereitstellen des pflanzlichen Rohstoffs 20im Schritt 101 wird dieser im Schritt 102 vollständig mit einem Fluid 13 überdeckt und es wird eine anaerobe Umgebung erzeugt, so dass im Schritt 103 ein Fermentierungs- und/oder Zersetzungsprozess einsetzt, wobei Säuren gebildet und in das Fluid 13 abgegeben werden. Während des Fermentierens und/oder Zersetzenlassens wird das Fluid umgewälzt (Schritt 104) und die Temperatur des Fluids 13 wird auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 15 °C und 38 °C geregelt (Schritt 105).
Beispielsweise nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer wird im Schritt 106 der pH-Wert des Fluids ermittelt, der durch die gebildeten und in das Fluid 13 abgegebenen Säuren sich mit fortdauernder Fermentation und/oder Zersetzung verringert. Im Schritt 107 wird geprüft, ob sich der pH-Wert über einen vorgebbaren Zeitraum, z. B. einen Zeitraum von 3 Tagen ändert. Es kann also im festgelegten Zeitraum geprüft werden, ob eine Änderung des pH-Werts eintritt. Ist dies der Fall, ändert sich also der pH-Wert, so wird im Schritt 108 geprüft, ob der ermittelte pH-Wert einen pH-Schwellwert, z. B. einen pH- Wert von 5,0, unterschreitet. Ist dies der Fall, wird in den Schritten 109 und 110 das nunmehr säurehaltige Fluid 13 abfiltriert und zumindest teilweise entnommen. Das entnommene säurehaltige Fluid 13 kann im Schritt 114 stofflich oder energetisch verwertet werden.
Im Schritt 111 wird weiteres bzw. neues Fluid 13 hinzugefügt, so dass der Füllstand h im Wesentlichen konstant bleibt. Das Verfahren 100 wird anschließend mit den Schritten 103,104 und 105 fortgesetzt, d. h. die Fermentation bzw. Zersetzung werden unter Umwälzen und Temperieren fortgeführt.
Wird im Schritt 108 hingegen festgestellt, dass der pH-Schwellwert noch nicht unterschritten wird, sich aber weiterhin ändert, so wird das Verfahren 100 zunächst unverändert mit den Schritten 103,104 und 105 fortgesetzt.
Wird im Schritt 107 festgestellt, dass der pH-Wert über den vorgebbaren Zeitraum unverändert bliebt, so kann davon ausgegangen werden, dass der Fermentations- und/oder Zersetzungsprozess abgeschlossen ist und nunmehr eine Biomasse mit aufgeschlossenen Fasern vorliegt. Die Biomasse wird im Schritt 112 aus dem Reaktor entnommen und anschließend im Schritt 113 mit Wasser gespült. Danach kann sich eine. Weiterverarbeitung anschließen, z. B. durch Abtrennen der Fasern vom Stängel vor und/oder nach einem Trocknen.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind:
1. Verfahren zur mikrobiellen Gewinnung von Bastfasern oder Fasern aus pflanzlichen Rohstoffen, bei dem pflanzliche Rohstoffe, wie z. B. Hanfstängelbündel, in einem Reaktor mit mindestens einem Reaktorraum gefördert werden, so dass sie vollständig von einem Fluid überdeckt werden, wobei der Reaktor eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung eine Verbindung zur Umgebung darstellt, die mittels einer Verschlussvorrichtung den Reaktorraum gegenüber der Umgebung derart entkoppelt, dass im Reaktorraum eine anaerobe Umgebung entsteht und die pflanzlichen Rohstoffe im Reaktor einem Fermentations-, Zersetzungsprozess oder einer Kombination aus diesen, unterliegen, und dass zumindest eine Steuerung und ein Sensor vorgesehen sind, wobei mittels des Sensors Messwerte erfasst werden, wobei Mittel vorgesehen sind, mittels denen die Messwerte in einem definierbaren Wertebereich regelbar sind.
2. Verfahren nach Satz 1 , wobei die Verschlussvorrichtung eine Gasschleuse mit einem Anschluss ist, wobei ein Gassensor vorgesehen ist, mittels dem der Sauerstoff und/oder der Stickstoffgehalt ermittelt wird, wobei der Stickstoffgehalt in der Gasschleuse mittels der Steuerung geregelt wird. 3. Verfahren nach Satz 1 oder 2, wobei ein pH-Sensor zur Messung des pH- Wertes des Fluids und ein Filter zur Abscheidung von Säuren vorgesehen sind, wobei das Fluid durch den Filter geleitet wird, sobald der pH-Wert einen Wert zwischen 5,8 und 3,5 unterschreitet.
4. Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 3, wobei ein Temperatursensor zur Messung der Fluidtemperatur vorgesehen ist, wobei das Fluid zur Temperaturregelung durch einen Wärmetauscher geleitet wird, sobald die Solltemperatur einen Wert zwischen 15 °C bis 38 °C über- oder unterschreitet.
5. Faseraufschlussanlage zum mikrobiellen Aufschluss von Bastfasern aus pflanzlichen Rohstoffen, bei dem pflanzliche Rohstoffe, wie z. B. Hanfstängelbündel behandelt werden, umfassend einen Reaktor mit mindestens einem Reaktorraum, der mit einem Fluid gefüllt ist, wobei der Reaktor eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung eine Verbindung zur Umgebung bildet, die mit einer Verschlussvorrichtung gegenüber der Umgebung entkoppelbar ist, so dass im Reaktorraum eine anaerobe Umgebung entsteht und die pflanzlichen Rohstoffe im Reaktor einem Fermentations-, Zersetzungsprozess oder einer Kombination aus diesen, unterliegen, und dass zumindest eine Steuerung und ein Sensor vorgesehen sind, mittels dem Messwerte erfasst werden, wobei Mittel vorgesehen sind, mittels denen die Prozesse im Reaktor in einem definierbaren Wertebereich regelbar sind.
6. Faseraufschlussanlage nach Satz 5, wobei die Verschlussvorrichtung eine Gasschleuse mit einem Anschluss ist, wobei ein Gassensor vorgesehen ist mittels dem der Sauerstoff und/oder der Stickstoffgehalt ermittelbar ist und über den Anschluss der Stickstoffgehalt in der Gasschleuse regelbar ist.
7. Faseraufschlussanlage nach Satz 5 oder 6, wobei ein pH-Sensor zur Messung des pH-Werts des Fluids und ein Filter zur Abscheidung von Säuren vorgesehen sind, wobei das Fluid durch den Filter mittels einer Pumpe pumpbar ist.
8. Faseraufschlussanlage nach einem der Sätze 5 bis 7, wobei ein Temperatursensor zur Messung der Fluidtemperatur vorgesehen ist, wobei das Fluid zur Temperaturregelung durch einen Wärmetauscher mittels einer Umwälzpumpe pumpbar ist. 9. Faseraufschlussanlage nach einem der Sätze 5 bis 8, wobei der Filter ein Durchflussfilter ist, der eine Filterfläche mit einer Porengröße von 0,2 pm bis 0,9 pm aufweist und für kurzkettige organische Säuren wie Essigsäure, Milchsäure, Propionsäure und/oder Buttersäure durchlässig ist, wobei nicht umgesetzte Biomasse sowie Mikroorganismen im durchfließenden Fluid verbleiben.
Bezugszeichenliste
1 Faseraufschlussanlage
2 Reaktor
3 Reaktorraum
4 Filter
5 Wärmetauscher
6; 6a, 6b Öffnung
7 Korb
8 Druckpumpe
9 Umwälzpumpe
10 pH-Sensor
11 Temperatursensor
12 Steuerungseinrichtung
13 Fluid
14 Zuführungseinrichtung
15 Entnahmeeinrichtung
17; 17a, 17b Verschlussvorrichtung
19 Förderband
20 pflanzlicher Rohstoff
22; 22a, 22b Gassensor
23 Gasanschluss
24 säurehaltiges Fluid
25a, 25b, 25c Sensorsignal
26a, 26b, 26c, 26d Steuersignal
27 Fluidentnahmeeinrichtung
28 Fluidzuführeinrichtung
100 Verfahren
101 Bereitstellen eines pflanzlichen Rohstoffs
102 vollständiges Überdecken des pflanzlichen Rohstoffs mit einem Fluid 103 Fermentieren und/oder Zersetzenlassen des pflanzlichen Rohstoffs unter anaeroben Bedingungen, wobei Säuren gebildet und in das Fluid abgegeben werden
104 Umwälzen des Fluids 105 Regeln der Temperatur des Fluids auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 15 °C und 38 °C
106 Ermitteln des pH-Werts des Fluids
107 Prüfen, ob sich der pH-Wert ändert
108 Prüfen, ob der pH-Wert einen pH-Schwellwert unterschreitet 109 zumindest teilweises Entnehmen des säurehaltigen Fluids
110 Filtrieren des säurehaltigen Fluids
111 Hinzufügen von weiterem Fluid
112 Entnehmen der Biomasse
113 Spülen der entnommenen Biomasse 114 stoffliches oder energetisches Verwerten des säurehaltigen Fluids h Füllstand

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (100) zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs (20), das Verfahren (100) die folgenden Schritte aufweisend: a) Bereitstellen eines pflanzlichen Rohstoffs (20) (101 ), b) vollständiges Überdecken des pflanzlichen Rohstoffs (20) mit einem Fluid (13) (102), c) Fermentieren und/oder Zersetzenlassen des pflanzlichen Rohstoffs (20) unter anaeroben Bedingungen, wobei Säuren gebildet und in das Fluid (13) abgegeben werden (103), d) zumindest teilweises Entnehmen des säurehaltigen Fluids (24) (109) und e) Hinzufügen von weiterem Fluid (13) (111 ).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , aufweisend:
Filtrieren des säurehaltigen Fluids (24) (1109).
3. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: Ermitteln des pH-Werts des Fluids (13) (106), wobei die Schritte d) und e) durchgeführt werden, sobald ein pH-Schwellwert in einem Bereich zwischen 3,5 und 5,8 unterschritten wird.
4. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schritte d) und e) solange wiederholt durchgeführt werden, bis sich der pH- Wert des Fluids (13) nicht mehr ändert.
5. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: Regeln der Temperatur des Fluids (13) auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 15 °C und 38 °C (105).
6. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: Umwälzen des Fluids (13) (104).
7. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: Kardieren von nach Schritt e) erhaltenen Fasern des pflanzlichen Rohstoffs (20) .
8. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: stoffliches oder energetisches Verwerten des säurehaltigen Fluids (24) (114).
9. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Schritt a) der pflanzliche Rohstoff (20) frisch und/oder getrocknet bereitgestellt wird.
10. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der pflanzliche Rohstoff (20) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Hanfpflanzen, Flachspflanzen, Brennnesselpflanzen, Ramiepflanzen, Kenafpflanzen, Jutepflanzen, Bananenpflanzen, Palmlilienpflanzen und Ananaspflanzen.
11 . Vorrichtung (1 ) zum Behandeln eines pflanzlichen Rohstoffs (20), die Vorrichtung (1 ) aufweisend einen Reaktor (2) mit: mindestens einem Reaktorraum (3), der mit einem Fluid (13) füllbar ist, einer Öffnung (6; 6a, 6b), ausgebildet zum Zuführen des pflanzlichen Rohstoffs (20) in den Reaktorraum (3), einer Verschlussvorrichtung (17; 17a, 17b), ausgebildet zum Verschließen der Öffnung (6; 6a, 6b) derart, dass im Reaktorraum (3) eine anaerobe Umgebung ausbildbar ist, einer Fluidentnahmeeinrichtung (27), ausgebildet zum Entnehmen des Fluids (13) aus dem Reaktorraum (3), und einer Fluidzuführeinrichtung (28), ausgebildet zum Zuführen des Fluids (13) zum Reaktorraum (3).
12. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 11 , aufweisend: einen Filter (4), ausgebildet zum Filtrieren des mittels der Fluidentnahmeeinrichtung (27) zu entnehmenden Fluids (13).
13. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 11 oder 12, aufweisend eine Steuerungseinrichtung (12), die dazu ausgebildet ist, basierend auf einem pH-Wert eines in dem Reaktorraum (3) vorhandenen Fluids (13) Steuersignale (26a, 26b, 26c, 26d) zu generieren und auszugeben, die ein zumindest teilweises Entnehmen des Fluids (13) aus dem Reaktorraum (3) und ein Hinzufügen von weiterem Fluid (13) in den Reaktorraum (3) bewirken und/oder basierend auf einer Temperatur des in dem Reaktorraum (3) vorhandenen Fluids (13) Steuersignale (26a, 26b, 26c, 26d) zu generieren und auszugeben, die ein Erwärmen oder Kühlen des Fluids (13) in dem Reaktorraum (3) bewirken.
14. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, aufweisend: eine Umwälzpumpe (9), ausgebildet zum Umwälzen des Fluids (13) in dem Reaktorraum (3).
15. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Verschlussvorrichtung (17; 17a, 17b) eine Gasschleuse mit einem Gasanschluss (23) ist, wobei über den Gasanschluss (23) der Stickstoffgehalt in der Gasschleuse (22; 22a, b) regelbar ist
PCT/EP2023/079575 2022-10-24 2023-10-24 Verfahren und vorrichtung zum behandeln eines pflanzlichen rohstoffs WO2024089004A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022003958.3 2022-10-24
DE102022003958.3A DE102022003958A1 (de) 2022-10-24 2022-10-24 Verfahren zum parametergesteuerten mikrobiellen Aufschluss von Bastfasern

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024089004A1 true WO2024089004A1 (de) 2024-05-02

Family

ID=88600414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/079575 WO2024089004A1 (de) 2022-10-24 2023-10-24 Verfahren und vorrichtung zum behandeln eines pflanzlichen rohstoffs

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022003958A1 (de)
WO (1) WO2024089004A1 (de)

Citations (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE619779C (de) 1927-05-10 1935-10-07 Iwan A Makrinow Verfahren zum Roesten von Bastfaserpflanzen mittels Roesterreger der Pektingaerung
DE3414437A1 (de) 1984-04-17 1985-10-17 Füssener Textil AG, 8958 Füssen Verfahren und vorrichtung zum maschinellen hecheln von bast, insbesondere aus flachs oder hanf
EP0115172B1 (de) 1982-12-30 1989-03-08 The Procter & Gamble Company Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Flüssigkeiten aus porösem Material
EP0745709A1 (de) 1995-05-31 1996-12-04 Societe Cooperative De Teillage Du Neubourg Flachfaserflocken und Aufbereitungsverfahren
EP0706585B1 (de) 1993-06-30 1997-08-27 WINDI WINDERLICH GmbH Verfahren zum aufbereiten von sklerenchym-fasern, insbesondere flachs
DE19703634A1 (de) 1996-01-31 1997-10-30 Ecco Gleittechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung bzw. Behandlung von Fasern und Faserprodukten
DE19617909A1 (de) 1996-05-03 1997-11-13 Arnold Moebius Verfahren zum Aufschluß von Naturfaserrohstoffen
EP0861347B1 (de) 1995-11-17 2000-03-01 WINDI WINDERLICH GmbH Verfahren zur gewinnung von cellulosefasermaterial aus calciumpektinat-haltigem, pflanzlichem substrat
DE19905121A1 (de) 1999-02-01 2000-08-10 Max Olschewski Feinaufschluß von Bastfasern mittels Tensiden
WO2002092887A1 (en) 2001-05-17 2002-11-21 Hemp Tech Corporation A method of removing pectin in bast fiber
US20040191888A1 (en) 2001-07-10 2004-09-30 Clarke Adrian Francis K. Degumming of bast fibres
DE102004036112A1 (de) 2004-07-24 2006-02-16 Fachhochschule Kaiserslautern Verfahren zum Entbasten von Nesselfasern
WO2006100560A1 (en) 2005-03-21 2006-09-28 Gruppo Fibranova S.R.L. Process and system for retting plant fibre for textile use
DE102006013657A1 (de) 2006-03-24 2007-09-27 Micropro Gmbh Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern durch Mikroorganismen
CN101050549A (zh) 2007-04-28 2007-10-10 青岛大学 纯天然纤维生物制备装置
DE102007030576A1 (de) 2007-07-02 2009-01-08 Flasin Faser Gmbh Hochfestes Fasermaterial aus Naturfaser, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen
DE112005001792B4 (de) 2004-07-24 2009-08-06 Fh Kaiserslautern Verfahren zum Aufschließen von Bastfasern
WO2012006118A2 (en) 2010-06-28 2012-01-12 Bastlab, Inc. Fibrous plant stalk decorticator
DE102013013657A1 (de) 2013-08-16 2014-01-30 Bast & Faser GmbH Prenzlau Vorrichtung und Verfahren zur Isolierung von Bastrinde und Holzkörper aus einem Bastpflanzenstängel
WO2016012279A1 (de) * 2014-07-24 2016-01-28 Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz Verfahren zur herstellung von organischen verbindungen
DE102015110227A1 (de) 2015-06-25 2017-01-12 Egon Heger Verfahren zur Reinigung und/oder zur Vergrößerung des Verhältnisses von Faserlänge zu Faserdicke von Pflanzenfasern
DE102017011741A1 (de) 2017-12-19 2019-06-19 Hanffaser Uckermark eG Verfahren für einen enzymatisch-tensidischen Faseraufschluss von Baststreifen
CN104328144B (zh) * 2014-09-30 2019-06-28 中国热带农业科学院海口实验站 一种不明确混合菌群发酵木质纤维素生产己酸和辛酸的方法

Patent Citations (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE619779C (de) 1927-05-10 1935-10-07 Iwan A Makrinow Verfahren zum Roesten von Bastfaserpflanzen mittels Roesterreger der Pektingaerung
EP0115172B1 (de) 1982-12-30 1989-03-08 The Procter & Gamble Company Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Flüssigkeiten aus porösem Material
DE3414437A1 (de) 1984-04-17 1985-10-17 Füssener Textil AG, 8958 Füssen Verfahren und vorrichtung zum maschinellen hecheln von bast, insbesondere aus flachs oder hanf
EP0706585B1 (de) 1993-06-30 1997-08-27 WINDI WINDERLICH GmbH Verfahren zum aufbereiten von sklerenchym-fasern, insbesondere flachs
EP0745709A1 (de) 1995-05-31 1996-12-04 Societe Cooperative De Teillage Du Neubourg Flachfaserflocken und Aufbereitungsverfahren
EP0861347B1 (de) 1995-11-17 2000-03-01 WINDI WINDERLICH GmbH Verfahren zur gewinnung von cellulosefasermaterial aus calciumpektinat-haltigem, pflanzlichem substrat
DE19703634A1 (de) 1996-01-31 1997-10-30 Ecco Gleittechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung bzw. Behandlung von Fasern und Faserprodukten
DE19703634B4 (de) 1996-01-31 2009-09-10 Ecco Gleittechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung bzw. Behandlung von Fasern und Faserprodukten
DE19617909A1 (de) 1996-05-03 1997-11-13 Arnold Moebius Verfahren zum Aufschluß von Naturfaserrohstoffen
DE19905121A1 (de) 1999-02-01 2000-08-10 Max Olschewski Feinaufschluß von Bastfasern mittels Tensiden
WO2002092887A1 (en) 2001-05-17 2002-11-21 Hemp Tech Corporation A method of removing pectin in bast fiber
US20040191888A1 (en) 2001-07-10 2004-09-30 Clarke Adrian Francis K. Degumming of bast fibres
DE102004036112A1 (de) 2004-07-24 2006-02-16 Fachhochschule Kaiserslautern Verfahren zum Entbasten von Nesselfasern
DE112005001792B4 (de) 2004-07-24 2009-08-06 Fh Kaiserslautern Verfahren zum Aufschließen von Bastfasern
WO2006100560A1 (en) 2005-03-21 2006-09-28 Gruppo Fibranova S.R.L. Process and system for retting plant fibre for textile use
DE102006013657A1 (de) 2006-03-24 2007-09-27 Micropro Gmbh Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern durch Mikroorganismen
CN101050549A (zh) 2007-04-28 2007-10-10 青岛大学 纯天然纤维生物制备装置
DE102007030576A1 (de) 2007-07-02 2009-01-08 Flasin Faser Gmbh Hochfestes Fasermaterial aus Naturfaser, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen
WO2012006118A2 (en) 2010-06-28 2012-01-12 Bastlab, Inc. Fibrous plant stalk decorticator
DE102013013657A1 (de) 2013-08-16 2014-01-30 Bast & Faser GmbH Prenzlau Vorrichtung und Verfahren zur Isolierung von Bastrinde und Holzkörper aus einem Bastpflanzenstängel
WO2016012279A1 (de) * 2014-07-24 2016-01-28 Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz Verfahren zur herstellung von organischen verbindungen
CN104328144B (zh) * 2014-09-30 2019-06-28 中国热带农业科学院海口实验站 一种不明确混合菌群发酵木质纤维素生产己酸和辛酸的方法
DE102015110227A1 (de) 2015-06-25 2017-01-12 Egon Heger Verfahren zur Reinigung und/oder zur Vergrößerung des Verhältnisses von Faserlänge zu Faserdicke von Pflanzenfasern
DE102017011741A1 (de) 2017-12-19 2019-06-19 Hanffaser Uckermark eG Verfahren für einen enzymatisch-tensidischen Faseraufschluss von Baststreifen

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022003958A1 (de) 2024-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102206874B (zh) 一种亚麻脱胶方法及其脱胶用酶制剂
EP1448801A1 (de) Verfahren zum abtrennen von xylose aus xylanreichen lignocellulosen, insbesondere holz
EP1978086A1 (de) Verfahren zum Hybridaufschluss von lignocellulosehaltiger Biomasse
DE69707261T2 (de) Verfahren zur herstellung cellulosisches papierzellstoffs durch biodelignifizierung von pflanzenmassen
DE102006013657A1 (de) Verfahren zum Aufschluss von Naturfasern durch Mikroorganismen
DE102017222748B3 (de) Verfahren zum faseraufschluss von baobab-fasern
EP2243823A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Verteilung von Energie
CN103082393A (zh) 一种利用生化机械法由烟秆制备烟草薄片的方法
EP0060467B1 (de) Herstellung von Cellulose aus Holz oder anderen lignocellulosehaltigen Pflanzen durch mikrobiellen Abbau der Lignocellulose
CN106958044A (zh) 采用化学方法制取菌草浆纤维的方法
CN106758447B (zh) 一种生物超声波制备纺织纤维的方法
WO2024089004A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum behandeln eines pflanzlichen rohstoffs
DE3711813A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung und anaerober vergaerung biogen-organischer abfaelle
DE102017011741A1 (de) Verfahren für einen enzymatisch-tensidischen Faseraufschluss von Baststreifen
AT523202B1 (de) Verfahren und anlage zur gewinnung von zellulosefasern
DE102011113646B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zum hydrothermalen Aufschluss von getrockneten, verholzten Lignocellulose-haltigen Biomassen
EP3771771B1 (de) Vereinfachtes und effizientes verfahren zur gewinnung von cellulose
EP4065764A1 (de) Verfahren und anlage zur gewinnung von zellulosefasern
DE2746873A1 (de) Biologischer abbau von lignocellulose
Devi et al. Eco-fibers: product of agri-bio-waste recycling
Aisyah et al. Trends in natural fibre production and its future
EP3911609A1 (de) Verfahren zur reinigung von in einer anlage zur altpapieraufbereitung im kreislauf geführten prozesswasser mit enzymen
DE19603491A1 (de) Fasriger zelluloser Stoff
Biswas et al. Comparative study of various pre-treatment techniques for saccharifications of water hyacinth (eichhornia crassipes) cellulose
DE102009043908A1 (de) Verfahren zur Gewinnung von spinnfähigen Nesselfasern

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23798355

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1