AT500706A1 - Verfahren zum aufschliessen von biomasse - Google Patents

Description

  B o s c h r o i b u n g
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufschliessen von Biomasse, in dem bei einer Temperatur zwischen 180 und 230[deg.]C die Biomasse mit heissem Wasser in Berührung gebracht und teilweise in diesem gelöst wird, wobei die Behandlung in einem Reaktionsgefäss erfolgt, welchem das Wasser in flüssigem Zustand zugeführt wird. Die Behandlungsdauer solcher Verfahren liegt meist zwischen 2 und 20 Minuten. Je nach Bedingungen und Verfahrensart können dabei ca. 25 bis 60 % der Biomasse in Lösung gebracht werden. Die Lösung enthält fast die gesamte Hemicellulose, einen unterschiedlich grossen Anteil an Lignin und eine geringe Menge der Cellulose. Der feste Rückstand besteht weitgehend aus Cellulose und dem restlichen Lignin.
Das auf diese Weise aufgeschlossene Material lässt sich sehr gut enzymatisch verzuckern.

   Die erhaltenen Zucker können in eine Vielzahl von Produkten, wie Alkohol, Pharmazeutika, Plastikstoffe etc., umgewandelt werden.
Je nach der Vorbehandlung der Biomasse unterscheidet man derzeit grundsätzlich zwei Verfahren.
Dampf- Vorbehandlung: Solange bei der Dampf-Behandlung keine wesentliche Kondensation auftritt lässt sich nur die Hemicellulose (ca. 25% der ursprünglichen Biomasse) in Lösung bringen. Bildet sich während der Behandlung eine stärkere wässerige Phase, können bis zu 40 % der Biomasse darin aufgelöst sein.
Der entscheidende Nachteil der Dampf-Behandlung liegt in dem Umstand begründet, dass das Ausmass der Dampfkondensation sehr schwer zu bestimmen bzw. einzustellen ist. Dadurch wird es fast unmöglich, eine üblicherweise gewünschte hohe Löslichkeit der Biomasse sicherzustellen.

   Darüber hinaus kann es bei schnellem Dampfablassen, wie es z.B. beim sogenannten Dampf-Explosionsverfahren auftritt, zum Trocknen der Biomasse kommen, wodurch die anschliessende enzymatische Verzuckerung sehr behindert wird.
Das zweite Verfahren ist das A[alpha]uasolv- Verfahren. Bei diesem Verfahren wird nur mit heissem Wasser bis zu ca. 60% der Biomasse in Lösung gebracht. Die Wiedergewinnungsrate (der Anteil der abgebauten Biomasse in der Lösung und im Rückstand) liegt sehr hoch und ist meist über 95%. Die enzymatische Verzuckerung ist ebenfalls sehr hoch und liegt meist nahe dem theoretischen Maximum.
52884 - 11 /fr Während des Aquasolv-Verfahrens schrumpft das Biomasse-Bett im Reaktionsgefäss. Bei weniger dichten Materialien, wie z.B.

   Stroh, sinkt das Volumen des Bettes auf ca. 50% des ursprünglichen Volumens.
Ein Nachteil des Aquasolv-Verfahrens liegt im hohen Heisswasser-Verbrauch, der gleichbedeutend mit einem relativ hohen Energieverbrauch ist. Bei der Verwendung von Stroh lässt sich meist nur ein Füllgrad von 10% im Reaktionsgefäss erreichen. Dies bedeutet, das sich in einer angenommen 100 Liter Pilotanlage 10 kg Stroh und 90 kg bzw. Liter Wasser befinden. Die Bedingungen sind deutlich günstiger bei der Verwendung von dichteren Materialien, wie Bagasse, Holzschnitzel usw.
Durch die Erfindung sollen die bisher bekannten Verfahren kombiniert werden.

   Gegenüber dem Dampfbehandlungsverfahren besteht der wesentliche Unterschied darin, dass eine definierte Menge flüssigen Wassers in das Reaktorgefäss eingebracht wird und in diesem beispielsweise durch Umpumpen mit der gesamten Biomasse in Berührung kommt. Gegenüber dem Aquasolv-Verfahren besteht der Unterschied darin, dass die gesamte zur Behandlung einer Füllung des Reaktorgefässes eingesetzte Menge an flüssigem Wasser nur 20 - 50 % des Reaktorvolumens ausmacht, und im Reaktorvolumen dauernd Dampf, Biomasse und flüssiges Wasser vorhanden sind.

   Die Erfindung vereinigt die Vorteile der beiden bekannten Verfahren, indem einerseits ein hoher Anteil der Hemicellulose in Lösung gebracht, andererseits eine hochkonzentrierte Lösung erzielt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren soll die Nachteile der beschriebenen bisherigen Verfahren vermeiden und dadurch die Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses sicherstellen. Es muss daher ermöglicht werden, dass
1. der Füllgrad, d.h. der Anteil an heissem Wasser pro Gewicht an Biomasse, jederzeit optimal eingestellt werden kann, und gleichzeitig
2. während der Reaktionszeit eine gleichmässige Benetzung der Biomasse sichergestellt ist.
Durch die in der Zeichnung dargestellte Anlage lassen sich die angeführten Forderungen erreichen. Anhand eines Verfahrensablaufes wird gleichzeitig die Anlage beschrieben: a) Die beiden Boiler 1 , 2 werden z.B. auf 200[deg.]C aufgeheizt.

   Alle Ventile sind geschlossen. b) Der Reaktor 3 wird mit Biomasse, z.B. mit gehäckseltem Stroh, gefüllt. c) Der Boiler 1 liefert Dampf über Ventil 4 in den Reaktor. Mit teilweise geöffneten Ventilen 7, 8 und an Leitungswasser angeschlossenem Wärmetauscher 12 kann die ursprüngliche Luft des Reaktors und soviel Kondenswasser abgelassen werden, bis das Innere des Reaktors bei der gewünschten Temperatur ist. Dann werden die Ventile 4 und 7 geschlossen. d) Durch Öffnen des Ventils 5 wird heisses Wasser über die Düse 10, die die Flüssigkeit gleichmässig auf die Oberfläche der Biomasse verteilt, in den Reaktor geleitet. Die Menge des Wassers, das dem Reaktor zugeführt werden soll (z.B. 25% des Reaktorvolumens) kann mittels der Fluss-Messanlage 11 bestimmt werden.

   Ventil 5 wird geschlossen. e) Durch den Boiler 2 (geöffnetes Ventil 6) wird mittels der Pumpe 13 die Flüssigkeit des Reaktors durch die Düse 14 auf das Biomasse-Bett gesprüht. f) Nach der gewünschten Zeit (z.B. 10 Minuten) wird die Pumpe 13 abgestellt. g) Die Reaktorflüssigkeit wird über die Ventile 7, 8 und den Kühler 12 abgelassen. h) Der feste Biomasse-Rückstand wird über den Kugelhahn 15, ev.

   mit kaltem Wasser (KW) oder mit Hilfe einer Lanze, die durch den Deckel des Reaktors geführt wird, abgelassen.
Wird das Verfahren nur bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt, können der Boiler 1 und der Wärmetauscher 2 in einem Gerät zusammengefasst werden.
Anstatt, wie dargestellt, die insgesamt vorgesehene Heisswassermenge mittels der Pumpe 13 im Kreislauf durch den Reaktor zu führen, kann die gesamte Behandlung auch bei einem einzigen Durchgang der vorgesehenen Wassermenge erfolgen. In diesem Fall wird die Heisswassermenge langsam und kontinuierlich während der ganzen Reaktionszeit, vorzugsweise 20 Minuten, oben ins Reaktionsgefäss eingeleitet, über die Biomasse gleichmässig verteilt und unten im selben Ausmass wieder abgelassen, gekühlt und aufgefangen.

   Der feste Rückstand an Biomasse wird in konventioneller Weise aus dem Reaktionsgefäss entnommen.
Innsbruck, am 28. Juli 2004 jr die Anmelder: Die Vertreter: N. Torg^ier<H[theta]>(TM)
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Claims (3)

P a t e n t a n s p r ü c h e:

1. Verfahren zum Aufschliessen von Biomasse, in dem bei einer Temperatur zwischen 180[deg.]C und 230[deg.]C die Biomasse mit heissem Wasser in Berührung gebracht und teilweise in diesem gelöst wird, wobei die Behandlung in einem Reaktionsgefäss erfolgt, welchem das Wasser in flüssigem Zustand zugeführt wird, wobei die gesamte zur Behandlung einer Füllung des Reaktionsgefässes eingesetzte Menge an flüssigem Wasser 20 % bis 50 % des Reaktorvolumens ausmacht und im Reaktorvolumen dauernd Dampf, Biomasse und flüssiges Wasser vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zuleiten von flüssigem Wasser das Innere des Reaktors mit heissem Wasserdampf erhitzt und gebildetes Kondenswasser abgelassen wird, solange bis das Innere des Reaktors die Aufschlusstemperatur erreicht.

1. Verfahren zum Aufschliessen von Biomasse, in dem bei einer Temperatur zwischen 180 [deg.]C und 230 [deg.]C die Biomasse mit heissem Wasser in Berührung gebracht und teilweise in diesem gelöst wird, wobei die Behandlung in einem Reaktionsgefäss erfolgt, welchem das Wasser in flüssigem Zustand zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte zur Behandlung einer Füllung des Reaktorgefässes eingesetzte Menge an flüssigem Wasser 20 - 50 % des Reaktorvolumens ausmacht, und im Reaktorvolumen dauernd Dampf, Biomasse und flüssiges Wasser vorhanden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bis, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Reaktorgefäss laufend abgezogen und der Biomasse wieder von oben zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bis, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Reaktorgefäss laufend abgezogen und der Biomasse wieder von oben zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser während der ganzen Reaktionszeit von oben in das Reaktionsgefäss eingeleitet und unten abgelassen, gekühlt und aufgefangen wird.

Innobruck, am 28. Juli 2004*

FüNdie Anmelder: Die Vertreter:

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Dr. Dipl.-Wg. SteplnanVöfirjger

52884-11 /fr P a t e n t a n s p r ü c h e:

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser während der ganzen Reaktionszeit von oben in das Reaktionsgefäss eingeleitet und unten abgelassen, gekühlt und aufgefangen wird.

Innsbruck, am 19. Oktober 2005

-FJir Dr. Ortwin Bobleter: Mag. Dr^Günther Bonn:

Die Vertreter:<¯>

Dr Dr. <EMI ID=5.1> <->52884 38/vk