DE60022087T2

DE60022087T2 - Verfahren zum kontinuierlichen abtrennen von pflanzlicher biomasse in einer flüssigen phase und in einer feststoffhaltigen phase mit breiartiger konsistenz

Info

Publication number: DE60022087T2
Application number: DE2000622087
Authority: DE
Inventors: Graeme Hansen; Stefan Grass
Original assignee: 2B BIOTEC AG
Current assignee: 2B BIOTEC AG
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: RU2002119206A; ATE301936T1; EP1110461A1; JP2003517825A; HUP0203905A2; AU1875901A; EP1239740A1; CN1230089C; CA2393431A1; NZ519465A; US20030096044A1; CN1409604A; PL356779A1; WO2001045523A1; EP1239740B1; DE60022087D1; BR0016493A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Auftrennen einer pflanzlichen Biomasse in eine Flüssigphase und in eine Feststoffe enthaltende Phase von breiartiger Konsistenz. Sowohl die Flüssigphase als auch die Feststoffe enthaltende Phase sind für eine weitere Verwendung vorgesehen, d. h. sie sind von industriellem Wert. Das Ausgangsmaterial des Verfahrens ist pflanzliche Biomasse, die im Wesentlichen in einem feuchten Zustand genommen wird.
Pflanzliche Biomasse, auf die das Verfahren der Erfindung angewendet werden kann, kann entweder in einem natürlich feuchten Zustand oder in einem industriell verarbeiteten feuchten Zustand genommen werden.
Ein Beispiel für pflanzliche Biomasse, die in einem industriell verarbeiteten feuchten Zustand genommen wird, ist verbrauchtes Getreide, genauer verbrauchtes Getreide, das bei der Herstellung von Bier, Whisky oder dergleichen verwendet wurde.
Ein Beispiel für pflanzliche Biomasse, die in ihrem natürlich feuchten Zustand aufgenommen wird, ist frisches Rohmaterial, aus dem Futter hergestellt wird, genauer Gras von Weideland. Allgemeiner sind Beispiele für Biomasse in einem natürlich feuchten Zustand, die in Betracht gezogen werden können, frische Pflanzen oder Teile von Pflanzen mit besonders hohem Proteingehalt und/oder Zuckergehalt und deren frische Rückstände. Dies umfasst insbesondere Klee, Luzerne und Gras (wie oben erwähnt), aber auch Bohnenpflanzen, Sojabohnen, Sorghum, Senf, Grünkohl, Rüben, Bananenblätter, Bagasse, Traubenhäute, Hülsen/Häute, Fruchtrückstände, wie beispielsweise Rückstände von Zitrusfrüchten und verdorbenen Früchten und ebenso rankende Wasserpflanzen, wie beispielsweise Entengrütze und Wasserhyazinthe, und viele andere dieser Art.
Es ist beispielsweise aus der US-A-3,684,520 und/oder der FR-A-2 294 647 und/oder der FR-A-2 294 648 bekannt, klein gehackte frische blättrige Grünpflanzen oder andere klein gehackte pflanzliche Biomasse, die im Wesentlichen in ihrem natürlich feuchten Zustand genommen wird, zunächst in einem Mixer, um gewünschte Additive einzuführen, und dann in einer Presse zu verarbeiten, um einen Abpresssaft, aus dem Proteine und/oder Chlorophyll extrahiert werden können, und einen Pressenkuchen, der ökonomisch getrocknet werden kann, herzustellen.
In der US-A-3,684,520 ist genauer offenbart, dass das Pressen eine Zerstörung der natürlichen Pflanzenstruktur verursacht, was es verschiedenen Substanzen, die normalerweise durch den strukturellen Aufbau der Pflanze voneinander isoliert sind, erlaubt, wechselseitig in Kontakt zu kommen, was dazu führt, dass einige dieser Substanzen einen Abbau erfahren.
In der FR-A-2 294 647 und/oder der FR-A-2 294 648 wird genauer offenbart, dem Mixer Abpresssaft zuzuführen, der von der Presse zurückgeführt wird, um dem auszupressenden Material den zurückgeführten Abpresssaft zuzuführen, wobei der Zweck ist, die Wärme und, falls vorhanden, die Chemikalien, die in dem zurückgeführten Saft enthalten sind, zu nutzen. Zu dem Gewicht des jeweils zurückgeführten Pressensafts wird angegeben, dass es ungefähr das Dreifache des Trockengewichts der jeweils verarbeiteten Biomasse ist und dass es auch kleiner als das Gewicht des Abpressafts ist, der jeweils für die Produktextraktion ausgegeben wird. Es wird auch offenbart, die Biomasse vor der Mischoperation einem mechanischen Desintegrationsschritt zu unterwerfen, wie beispielsweise einer Dilazeration oder dem Brechen in einer Hammermühle.
Ein dem zuvor erwähnten Stand der Technik in gewisser Weise ähnlicher Prozess ist auch aus der EP-A-0 213 605 bekannt, bei dem Biomasse aus Zuckerrohr (nicht Bagasse) einer trockenen Fraktionierung zur Herstellung jeweils einer faserigen und einer nicht faserigen Fraktionen unterworfen wird, wobei die faserige Fraktion den Sclerenchyma-Zellen entspricht und Rinden und Fasergefäßbündel aufweist und die nicht faserige Fraktion den Parenchyma-Zellen entspricht. Stücke von Zuckerrohr werden zuerst der desintegrierenden Wirkung von Klingen unterworfen, um zerhacktes Material mit Dimensionen von 2 bis 6 cm zu erhalten, dann getrocknet und anschließend fraktioniert. Die nicht faserige Fraktion ist ein Feststoffmaterial von hohem Zuckergehalt, das für das Füttern von Tieren oder als Rohmaterial für die Zuckerproduktion geeignet ist. Faserproduktion ist kein offenbartes Objekt dieses Prozesses.
In der GB-A-1 377 438 ist genauer offenbart, die pflanzliche Biomasse, die in einem natürlich feuchten Zustand bereitgestellt wird, in einen Behälter einzuführen, der mit rotierenden Klingen versehen ist, und dazu einen Anteil des wässrigen Safts zurückzuführen, der von der pflanzlichen Biomasse abgetrennt wurde, um so die Größe des Rohmaterials, das in dem wässrigen Saft suspendiert ist, zu reduzieren. Der Prozess weist vier Hauptoperationen auf: Ausbildung von grünem Saft; Separation von chloroplastischen Proteinen von dem grünen Saft, wobei ein Rückstand verbleibt, der als klarer Saft bezeichnet wird; Abtrennung von zytoplasmischen Proteinen von dem klaren Saft, wobei ein Rückstand verbleibt, der als brauner Saft bezeichnet wird; und Konzentration von braunem Saft, um entweder einen Sirup zu ergeben oder zu der ersten Operation zurückgeführt zu werden. Das Gewicht der zurückgeführten Flüssigkeit beträgt das Ein- bis Dreifache des Gewichts der pflanzlichen Biomasse (bei der es sich um Luzerne handelt). Zu dem Prozess wird angegeben, dass er einen wertvollen Saft und einen Trockenanteil zurücklässt, der für die Fütterung von Tieren geeignet ist. Faserproduktion ist kein offenbartes Objekt dieses Prozesses.
In der US-A-4,468463 wird genauer offenbart, Dung einem Zerkleinerer zuzuführen und hierzu einen Anteil des wässrigen Safts zurückzuführen, der von dem Dung abgetrennt wurde.
Um eine fließende Suspension von pflanzlicher Biomasse in wässrigem Saft für die Faserproduktion zu verarbeiten und da die Fasern in der Biomasse Zellwandungen ausbilden, die wertvolle organische Substanzen, wie beispielsweise Proteine und andere gewünschte Produkte in den Zellen einschließen, ist irgendeine zerkleinernde Aktion erforderlich, um die Zellwandungen zu desintegrieren, um so die wertvollen organischen Substanzen freizusetzen und ihre Bergung zu erlauben.
In dem oben erwähnten Stand der Technik wird diese zerkleinernde Aktion durch Pressen, Zerdrücken und/oder Zerhaken erreicht, was dazu führt, dass die Fasern ungeregelt zerkleinert werden. Darüber hinaus trennt diese Art von Behandlung nicht die Fasern voneinander und vereinzelt sie nicht. Außerdem ist vom Pressen bekannt, dass es eine eher ineffiziente Methode zum Trocknen ist, wenn es auf pflanzliches Material angewandt wird, das einen erheblichen Prozentsatz an vollständigen Zellen mit unzerstörten Zellwandungen aufweist.
Ein bekannter Typ von Zerkleinerungsvorrichtung ist verwendbar, um Zellwandungen zu desintegrieren und Fasern von kleinem Durchmesser voneinander zu trennen, während die Faserlänge zumindest im Wesentlichen beibehalten wird. Zerkleinerungsvorrichtungen dieses speziellen Typs sind z. B. in dem veröffentlichten Patentdokumenten bzw. Patentanmeldungsdokumenten bzw. Gebrauchsmusterdokumenten DE-A-2 338 964, DE-B-3 231 168, DE-A-3 533 255, EP-B-0 134 697, DE-U-78-19825 und DE-U-78-08695 offenbart, und derartige Verkleinerungsvorrichtungen können z. B. von der Siefer Maschinenfabrik GmbH & Co. KG, D-42551 Velbert (Deutschland) gekauft werden, siehe z. B. (unter anderem) deren industrieller Anwendung TRIGONAL^® Typ SM 290. Im Wesentlichen ist eine Zerkleinerungsvorrichtung dieses speziellen Typs eine Rotationszerkleinerungsvorrichtung mit mindestens einer Zerkleinerungsstufe, die aus einander zugeordneten Stator- und Rotorelementen besteht, wobei diese über einen zugehörigen aktiven Spalt der Stufe voneinander beabstandete aktive Oberflächen aufweisen, wobei die Oberflächen einander über den zugehörigen aktiven Spalt gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jede der Oberflächen mit Schneidelementen versehen ist, die in den zugehörigen aktiven Spalt gerichtet sind und darin mit einer Schneidkante enden, wobei ein effektiver Scherspalt der Zerkleinerungsstufe als der kleinste Annäherungsabstand zwischen den jeweiligen Schneidkanten der einen und der anderen aktiven Oberflächen in dem zugehörigen aktiven Spalt der jeweiligen Stufe beim Betrieb der Zerkleinerungsvorrichtung definiert ist.
Konventionell wird einer Zerkleinerungsvorrichtung dieses speziellen Typs eine Suspension des zu zerkleinernden Produkts in irgendeiner Trägerflüssigkeit oder irgendeinem Trägermedium zugeführt. Soweit es pflanzliche Biomasse betrifft, erfordert dies, dass irgendeine wässrige Flüssigkeit zugesetzt wird, da die natürliche Feuchtigkeit der pflanzlichen Biomasse nicht ausreichend sein wird, um die benötigte Suspension bereitzustellen, da durch die zerkleinernde Wirkung eine Paste herstellt würde, die dazu neigen würde, die Zerkleinerungsvorrichtung zu verstopfen. Aus offensichtlichen ökonomischen Gründen wird die Menge der zugegebenen wässrigen Flüssigkeit günstiger Weise so klein, wie es technisch für die ordnungsgemäße Operation der Zerkleinerungsvorrichtung möglich ist, gehalten werden, d. h. nicht mehr, als für die ordnungsgemäße Handhabung des Materials erforderlich ist, betragen, was bedeutet, dass die pflanzliche Biomasse der Zerkleinerungsvorrichtung als recht konzentrierte Suspension der pflanzlichen Biomasse in einem wässrigen Fluid zugeführt wird, s. beispielsweise die Lehre der oben erwähnten GB-A-1 377 438, bei der das Gewicht der zurückgeführten Flüssigkeit ein- bis dreimal so groß wie das Gewicht der pflanzlichen Biomasse ist. So wird die Zerkleinerungsvorrichtung einen Brei von zerkleinertem Biomassematerial suspendiert in wässrigem Saft erzeugen. Dieser Brei wird anschließend in wässrigen Saft und breiartige Masse aufgetrennt, von denen beide anschließend im bestmöglichen Umfang verwendet werden.
Überraschenderweise ist herausgefunden worden, dass dann, wenn die Betriebsweise einer Zerkleinerungsvorrichtung des oben beschriebenen Typs so modifiziert wird, dass wesentliche mehr zugesetztes wässriges Fluid verwendet wird, als für eine ordnungsgemäße Handhabung des Materials, d. h. für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Zerkleinerungsvorrichtung nötig ist, diese Modifikation, d. h. die Verwendung von viel mehr zugesetztem wässrigen Fluid die Kapazität der Zerkleinerungsvorrichtung verbessert, Fasern von kleinem Durchmesser voneinander zu vereinzeln, aber dennoch die Faserlänge in dem resultierenden Brei beizubehalten, und auch auf die Zellen der pflanzlichen Biomasse einzuwirken, um sie zu öffnen, und um es ihrem Inhalt zu erlauben, in den wässrigen Saft freigesetzt zu werden.
Um diese Effekte zu erreichen, weist eine letzte Zerkleinerungsstufe der Zerkleinerungsvorrichtung einen effektiven Scherspalt auf, dessen Weite größer als etwa das Zehnfache einer vorbestimmten maximalen Faserdicke ist, die herzustellen ist, um in der Feststoffe enthaltenden Phase zu enden.
Diese überraschenden Effekte scheinen durch die Erzeugung eines Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der fließenden Suspension hervorgebracht zu werden, wobei der Gradient ausreichend ist, um einen Schereffekt zu verursachen, der so auf die Zellen in der pflanzlichen Biomasse einwirkt, dass er sie öffnet und es ihrem Inhalt erlaubt, in den wässrigen Saft freigesetzt zu werden, was einen Rückstand zurücklässt, der im Wesentlichen aus Fasern besteht. Es wird geglaubt, dass der Schereffekt die Fasern dazu bringt, in der Strömungsrichtung ausgerichtet zu werden, und sie so daran hindert, quer zu ihrer Längserstreckungsrichtung in der Zerkleinerungsvorrichtung geschnitten zu werden.
Ähnliche überraschende Effekte treten jedoch auch in einem Scherapparat auf, der frei von jeglichen Schneidelementen ist. Solche ein Scherapparat weist mindestens eine Scherstufe auf, die aus jeweiligen Stator- und Rotorelementen besteht, welche einander zugeordnet sind und jeweilige Scherflächen aufweisen, die voneinander über einen zugeordneten effektiven Scherspalt der Stufe beabstandet sind, wobei die scherenden Oberflächen angeordnet sind, um einander über den zugehörigen effektiven Scherspalt gegenüber zu liegen.
Somit beruhen die überraschenden Effekt nicht nur auf einer erhöhten Strömung von Trägerflüssigkeit durch einen Verarbeitungsapparat, der Schneidelemente aufweist, und auf der gleichzeitigen Verdünnung des Breis; die gnannten überraschenden Effekte beruhen, wie oben gesagt, im Wesentlichen auf der Erzeugung eines Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Suspension, die durch den Verarbeitungsapparat fließt, wobei der Gradient einen scherenden Effekt verursacht, der auf die Zellen der pflanzlichen Biomasse wirkt. Es wird angenommen, dass der starke scherende Effekt auch die Struktur der Zellen in der Biomasse aufbricht, was den hohen Prozentsatz an Ausbeute an wertvollen Produkten in dem wässrigen Saft des Prozesses, wie beispielsweise Proteinen und/oder Chlorophyll sowie andere organischer Produkte, die beispielsweise verwendbar sind, um Fermentationsprodukte oder Biogas zu erzeugen, erklären würde. Dies würde auch erklären, warum in der breiartigen Masse, die aus dem Brei hergestellt wird, der aus dem Verarbeitungsapparat fließt, zum Beispiel durch Abpressen leicht ein niedriger Wassergehalt erreicht wird – es wird angenommen, dass die durch Scherung aufgebrochene Struktur der Zellen in den Fasern dazu führt, dass die letztgenannten weniger Wasser enthalten und somit leichter zu trocknen sind, als dies bislang möglich war.
Soweit der so behandelte verdünnte Brei aufgeteilt worden ist, scheinen sowohl der resultierende wässrige Saft als auch die breiartige Masse Eigenschaften aufzuweisen, die bislang nicht erreicht wurden und die sie industriell wertvoller machen als wässriger Saft und breiartige Masse, die aus einem konzentrierten Brei erhalten wurden, wie unten detaillierter beschrieben werden wird.
Entsprechend ist es ein Objekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, bei dem pflanzliche Biomasse einem Prozess unterworfen wird, der die Erzeugung eines Gradienten von Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der strömenden Suspension umfasst, wobei der Gradient ausreichend ist, um auf die Zellen der pflanzlichen Biomasse einzuwirken, um diese Zellen zu öffnen und um es einem Inhalt derselben zu erlauben, in den wässrigen Saft freigesetzt zu werden, während ein Rückstand zurückbleibt, der im Wesentlichen aus Fasern besteht und der in der Feststoffe enthaltenden Phase endet, wobei der so hergestellte wässrige Saft und die breiartige Masse industriell wertvoller sind, genauer ihre Verwendung technisch oder ökonomisch gegenüber dem bevorzugt ist, was bis jetzt erreicht worden ist.
Es ist ein anderes Objekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, bei dem der Brei in eine Feststoffe enthaltende Phase von breiartiger Konsistenz, bei der es sich um eine Fasern enthaltende Masse handelt, und in eine Flüssigphase aufzuteilen, die ein wässriger Saft ist, wobei die breiartige Masse einen großen Anteil an wertvollen langen dünnen Fasern enthält, die ökonomischer getrocknet werden können und die zu interessanteren Verwendungen als bislang in der Lage sind, wobei der wässrige Saft eine einfache Abtrennung oder direkte Verwendung von wertvollen organischen Substanzen, wie beispielsweise Proteinen, Chlorophyll, fermentierbaren Produkten usw., die aus den Zellen stammen, erlaubt.
Es ist noch ein weiteres Objekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, bei dem der ökonomische Aspekt des Umsatzes an Energie, Eingangs- und Ausgangsmaterialien insgesamt optimiert werden kann, und bei dem laufend signifikant weniger Frischwasser in das System eingeführt wird, als es dem Fluss von wässrigem Fluid durch den den Gradient erzeugenden Verarbeitungsapparat entspricht, und bei dem alle resultierenden Produkte, d. h. alles von dem wässrigen Saft und der breiartigen Masse verwendet wird, und es keine nennenswerte Menge an Abfallprodukten gibt.
Diese Objekte werden gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der Kombination der Verfahrensschritte erreicht, die in dem Patentanspruch 1 definiert sind, wobei bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens in den abhängigen Ansprüchen definiert sind.
Einige spezielle Aspekte des Verfahrens gemäß der Erfindung sind die folgenden:
Die Suspension der Biomasse in der Trägerflüssigkeit wird vorzugsweise durch mehr als das vierfache der Trägerflüssigkeit, die allein im Hinblick auf konventionelle technische und ökonomische Betrachtungen erforderlich wäre, verdünnt. Mit anderen Worten ist die verwendete Menge an Trägerflüssigkeit viel größer als gewöhnlich, vorzugsweise fünfmal so groß wie die übliche Menge.
Optional kann die pflanzliche Biomasse, die als Ausgangsmaterial geliefert wird, vor dem Einführen in den Verarbeitungsapparat, genauer gesagt bevor sie mit der Trägerflüssigkeit angemischt wird, zur Reduktion in ihrer Größe vorgeschnitten werden, um ihre Zuführung zu erleichtern. Typischerweise besteht das Material nach der Größenreduktion aus lang gestreckten dünnen Stücken, deren Länge etwa 5 cm nicht übersteigt. Dieses Vorschneiden kann weggelassen werden, wenn die pflanzliche Biomasse aus kurzfasrigem Material, wie beispielsweise verbrauchtem Getreide besteht.
Um den Verarbeitungsapparat zu schützen, kann es jeglichem Begleitmaterial, das dichter als pflanzliche Biomasse ist und das in dem Ausgangsmaterial enthalten sein mag, beispielsweise Steinen, Kies, Sand, Staub und anderen ähnlichen Materialien, erlaubt werden, sich durch Schwerkraft von der Mischung des Ausgangsmaterials und dem wässrigen Saft abzusetzen, wobei diese Auftrennung selbstverständlich durch die hohe Verdünnung des Ausgangsmaterials in der Mischung erleichtert wird.
Nach der Passage durch den Verarbeitungsapparat wird der Brei aus Biomasse suspendiert in der Trägerflüssigkeit, der aus dem Verarbeitungsapparat heraus fließt, in wässrigen Saft und breiartige Masse aufgetrennt, und der wässrige Saft wird seinerseits in zwei Anteile aufgeteilt. Ein erster dieser Anteile wird zurückgeführt, um als Trägerflüssigkeit wieder in dem Verarbeitungsapparat verwendet zu werden. Der andere oder zweite Anteil wird z. B. für die Extraktion von wertvollen Produkten verwendet. Außerdem weist die Menge dieses zweiten Anteils des wässrigen Safts, der vorgesehen ist, den Prozess zu verlassen, einen Wassergehalt auf, der ungefähr das Wassergleichgewicht aufrecht erhält und der sowohl der Menge des Wassers, das in den Prozess in Form von Feuchtigkeit, die in der pflanzlichen Biomasse enthalten ist, welche als Ausgangsmaterial bereitgestellt wird, eintritt, als auch der Menge an Wasser, das den Prozess in Form von Feuchtigkeit, die in der breiartigen Masse enthalten ist, verlässt, entspricht.
Kurz gesagt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren (a) ungefähr dieselbe Menge an Fluid (hauptsächlich Wasser) jeweils in den Prozess in Form von Feuchtigkeit, die in der pflanzlichen Biomasse, welche als Ausgangsmaterial bereitgestellt wird, enthalten ist, eintreten und den Prozess in Form von wässrigem Flüssigkeitsrückstand der Extraktion von wertvollen Produkten aus dem wässrigen Saft und in der Form von Feuchtigkeit, die in der breiartigen Masse enthalten ist, verlassen; und (b) eine viel größere Menge an Fluid gleichzeitig durch den Verarbeitungsapparat strömen als gleichzeitig in den Prozess eintreten und diesen verlassen, wie oben gesagt wurde.
Konkret wird die Menge an Fluid, das zum Fließen durch den Verarbeitungsapparat gebracht werden wird, von dem Feststoffgehalt der bereitgestellten pflanzlichen Biomasse abhängen, d. h. dem gelieferten Ausgangsmaterial, das jeweils in den Prozess eintritt, und sie wird auf Werte vom etwa 20- bis etwa 500-fachen, vorzugsweise vom etwa 50- bis etwa 200-fachen (Gewicht/Gewicht) des Trockengehalts des Materials eingestellt werden. So wird die Menge des Fluids, das zum Strömen durch den Verarbeitungsapparat gebracht wird, viel größer sein als die ungefähr gleich großen Fluidmengen, die in den Prozess eintreten bzw. diesen verlassen.
Egal, ob nun der Verarbeitungsapparat als rotierende Zerkleinerungsvorrichtung oder als scherender Apparat der oben beschriebenen Art ausgebildet ist, macht es die große Menge des Fluids, das dazu gebracht wird, in dem Verarbeitungsapparat zu zirkulieren, möglich, dass der letztere so konstruiert und eingestellt werden kann, dass er eine Endstufe mit einem recht großen effektiven Scherspalt aufweist. Konkret wird der effektive Scherspalt nach einer Anzahl von Parametern optimiert werden, die die Art der pflanzlichen Biomasse, die als geliefertes Ausgangsmaterial verwendet wird, die Art des verwendeten Verarbeitungsapparats, die Rotationsgeschwindigkeit des letzteren und die wechselseitige Anordnung seiner aktiven Oberflächen umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind. Der effektive Scherspalt wird typischerweise so eingestellt werden, dass er eine Weite aufweist, die größer als etwa das 10-fache einer vorbestimmten maximalen Faserbreite ist, die herzustellen ist, um in der Feststoff enthaltenden Phase zu enden, und vorzugsweise weist der effektive Scherspalt in jeder Stufe des verarbeitenden Apparats eine Weite auf, die größer als etwa 1 mm ist.
Durch Berücksichtigung der Fluidströmung und des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der fließenden Suspension stellt selbst ein solch recht großer effektiver Scherspalt eine starke scherende Wirkung auf das Biomaskenmaterial bereit, das in dem wässrigen Saft suspendiert ist, was in die Herstellung von Fasern aus dem Biomassematerial von beibehaltener Faserlänge und z. B. von langen dünnen Fasern von typischerweise einigen cm Länge und bis zu ein paar Zehntelmillimeter im Durchmesser resultiert. Bis jetzt konnten solche dünnen Fasern aus Biomassematerial nicht ökonomisch aus Biomassematerial in einer Zerkleinerungsvorrichtung hergestellt werden, und es war nicht bekannt, dass sie überhaupt in einem Scherapparat hergestellt werden könnten.
Die langen dünnen Fasern, die jetzt aus dem Biomassematerial mittels der Erfindung hergestellt werden können, machen es möglich, den Faseranteil des Biomassematerials in neuen Weisen und für neue Produkte zu nutzen, die anders sind als bislang. Beispielsweise ist es jetzt möglich, über die übliche Produktion von kleinen biokompatiblen Pellets, wie beispielsweise Futterpellets hinauszugehen und größere biokompatible Produkte von hoher Festigkeit für den Gartenbau, den Hausbau und ähnliche Zwecke herzustellen, beispielsweise Matten, Vliese, Platten, Pressteile und extrudierte Teile.
Die Erfindung wird jetzt unten in größerem Detail und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben und beispielhaft belegt werden, wobei
1 einen Längsschnitte durch eine zerkleinernde Stufe einer Rotationszerkleinerungsvorrichtung gemäß der Offenbarung der EP-B-0 134 697 zum Zweck der Illustrierung des Stands der Technik zeigt; und
2 ein Blockdiagramm ist, das schematisch die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung illustriert.
In 1 ist ein beispielhafter Verarbeitungsapparat in Form einer Rotationszerkleinerungsvorrichtung des Stands der Technik gemäß der Offenbarung der EP-B-0 134 697 gezeigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Es ist ein Längsschnitt durch einen Teil der Rotationszerkleinerungsvorrichtung 1 gezeigt, der einer Zerkleinerungsstufe entspricht, die allgemein mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. In dieser Zerkleinerungsstufe 2 sind ein Statorelement 3 und ein Rotorelement 4 einander zugeordnet und weisen jeweilige aktive Oberflächen 5 und 6 auf, die voneinander durch einen zugehörigen aktiven Spalt 7 der Stufe 2 beabstandet sind, wobei die aktiven Oberflächen 5 und 6 einander über den zugehörigen aktiven Spalt 7 gegenüberliegend angeordnet sind. Die aktiven Oberflächen 5 und 6 sind jeweils mit zugehörigen Schneidelementen 8 und 9 ausgerüstet, die in den zugehörigen aktiven Spalt 7 gerichtet sind und die darin jeweils mit entsprechenden Schneidkanten 10 und 11 enden.
Wenn die Rotationszerkleinerungsvorrichtung 1 betrieben wird, verursacht dies eine Variation der Distanz zwischen den Schneidkanten 10 und 11, die an dem Stator 3 bzw. dem Rotor 4 angeordnet sind, und die dementsprechend an der einen oder anderen aktiven Oberfläche 5 und 6 angeordnet sind. So kann ein effektiver Scherspalt als kleinster Annäherungsabstand zwischen den letzteren Schneidkanten 10 und 11 innerhalb des zugehörigen aktiven Spalts 7 der Zerkleinerungsstufe 2 definiert werden. Dieser effektive Scherspalt hat eine in 2 mittels von zwei Hilfslinien illustrierte Weite, die parallel zueinander als Verlängerung der jeweiligen Schneidkanten 10 und 11 gezogen sind und die voneinander durch einen mit dem Bezugszeichen x versehenen Abstand beabstandet sind; somit sollte verstanden werden, dass der effektive Scherspalt durch das Bezugszeichen x bezeichnet wird, und die Weite des effektiven Scherspalts den Wert oder das Maß von x hat.
Ein anderer beispielhafter Verarbeitungsapparat, der jedoch nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, ist als Scherapparat der oben beschriebenen Art ausgeführt, zu dem Daten unten im Beispiel 4 gefunden werden können.
In 2 sind die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Blockdiagramms illustriert.
Es sollte verstanden werden, dass im Folgenden die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung der Reihe nach beschrieben werden, aber das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist so gemeint, dass es kontinuierlich ausgeführt wird, und somit laufen im kontinuierlichen Betrieb die Verfahrensschritte zusammen und gleichzeitig ab, und die angegebenen Mengen müssen als Strömungsmengen verstanden werden, wobei die Strömungsraten derselben miteinander verglichen werden können, beispielsweise durch Gewicht pro Zeiteinheit.
Es sollte verstanden werden, dass im Folgenden die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen Verarbeitungsapparat beschrieben werden, der als eine Zerkleinerungsvorrichtung des oben beschriebenen Typs ausgeführt ist und unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, dass dies aber nur ein Beispiel ist, und ein anderes Beispiel einer Ausführungsform des Verarbeitungsapparats ein Scherapparat des oben offenbarten Typs sein kann.
Block 21 illustriert ein geliefertes Ausgangsmaterial, das letztendlich den Verfahrensschritten der vorliegenden Erfindung unterworfen wird und aus pflanzlicher Biomasse besteht, die im Wesentlichen in ihrem natürlichen Feuchtezustand genommen wird.
Zum Zwecke des Beispiels kann dieses gelieferte Ausgangsmaterial z. B. Gras von Weideland sein. In diesem Fall illustriert Pfeil 22, dass das gelieferte Ausgangsmaterial einer Schneidemaschine 23 irgendeines bekannten und geeigneten Typs zugeführt wird, um darin einer Vorschneideoperation unterworfen zu werden, um in der Größe reduziert zu werden, wie es notwendig sein kann, um die nachfolgenden Verfahrensschritte durchzuführen. Typischerweise besteht das vorgeschnittene Grasmaterial nach der Reduktion in der Größe aus zerschnittenen Grasblättern, deren Länge beispielsweise etwa 5 cm nicht überschreitet.
Das vorgeschnittene Material, das aus der Schneidemaschine 23 austritt, wird durch einen Pfeil 24 als einem Konditionierbehälter zuzuführen gezeigt, der allgemein mit 25 bezeichnet ist. Wie 2 schematisch illustriert ist, weist der Konditionierbehälters 25 angeordnet in seinem oberen Teil eine Mischzone 26 auf, die mit Rührmitteln 27 ausgestattet ist, und der Konditionierbehälter 25 weist auch eine Absetzzone 28 auf, die unterhalb der Mischzone 26 angeordnet ist.
Genauer gesagt wird das vorgeschnittene Material, das aus der Schneidemaschine 23 austritt, wie durch den Pfeil 24 gezeigt ist, der Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25 zugeführt. Wie durch einen Pfeil 29 gezeigt ist, wird zu dieser Mischzone 26 auch ein wässriger Saft zugeführt, der durch einen Block 30 illustriert ist. Wie unten beschrieben werden wird, wird dieser wässrige Saft zu der Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25 aus einem nachfolgenden Schritt des Verfahrens zurückgeführt. Mit Hilfe der Rührmittel 27 werden das Material und der wässrige Saft, die der Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25, wie durch die Pfeile 24 bzw. 29 gezeigt ist, zugeführt wurden, miteinander verrührt, um daraus innerhalb der Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25 eine Mischung herzustellen. Bei dem Gras von Weideland, das zu Beispielszwecken als Ausgangsmaterial genommen wurde, ist dieses Vermischen durch die Vorschneideoperation möglich gemacht worden, die zuvor, wie oben beschrieben wurde, in der Schneidemaschine 23 stattgefunden hat.
Wenn aus dem Grund eines weiteren Beispiels ein Ausgangsmaterial genommen wird, das natürlich aus kurzfaserigem Material besteht, z. B. wenn das Ausgangsmaterial verbrauchtes Getreide ist, kann die Vorschneideoperation und die Schneidemaschine 23 weggelassen werden. So wird in diesem Fall der Pfeil 22 direkt in den Pfeil 24 übergehen, d. h. das gelieferte Ausgangsmaterial 21 wird direkt in die Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25 zugeführt werden.
Einige Fremdmaterialien, wie beispielsweise Steine, Kies, Sand, Staub und andere ähnliche Materialien können zusammen mit dem gelieferten Ausgangsmaterial 21 in den Konditionierbehälter 25 eingetreten sein. Solches Begleitmaterial ist allgemein dichter als pflanzliche Biomasse und wird sich durch Schwerkraft von der Masse des Ausgangsmaterials und des wässrigen Safts trennen, während das Mischen fortschreitet. Das abgetrennte Fremdmaterial wird dann aus der Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25 zu der Absetzzone 28 des Konditionierbehälters 25 absinken, um darin gesammelt zu werden und anschließend entladen und entsorgt zu werden, wie es durch Pfeil 31 illustriert ist.
Die Mischung des Ausgangsmaterials und des wässrigen Safts, von der das Fremdmaterial entfernt worden ist, wird aus der Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25 einer Zerkleinerungsvorrichtung 33 zugeführt, wie durch einen Pfeil 32 illustriert ist, während die Zerkleinerungsvorrichtung 33 betrieben wird. Die Zerkleinerungsvorrichtung 33 kann von demselben Typ wie die Rotationszerkleinerungsvorrichtung 1 sein, die oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, oder sie kann irgendein Äquivalent davon sein, z. B. kann sie ähnlich einem Scheibenrefiner sein, der in der Papierindustrie gemeinhin verwendet wird.
Die Operation der Zerkleinerungsvorrichtung 33 auf die Mischung des Ausgangsmaterials und des wässrigen Safts, die ihr zugeführt wird, erzeugt letztlich einen Brei aus zerkleinertem Biomassematerial suspendiert in wässrigem Saft.
Dieser Brei wird dann von der Zerkleinerungsvorrichtung 33 einem Separator 35 zugeführt, wie durch einen Pfeil 34 illustriert ist. In diesem Separator 35 wird der Brei in einen wässrigen Saft, wie durch einen Pfeil 36 illustriert ist, und breiartige Masse, wie durch einen Pfeil 37 illustriert ist, aufgetrennt. Diese breiartige Masse weist eine breiartige Konsistenz auf und wird letztendlich von dem Separator 35 für eine weitere Verwendung entfernt, wie durch einen Block 38 illustriert ist, zu dem der Pfeil 37 führt.
Typischerweise gilt für Gras von Weideland, das in dieser Beschreibung zu Beispielszwecken als geliefertes Ausgangsmaterial dient, aber auch für viele andere Ausgangsmaterialien, dass die entfernte breiartige Masse 38 als rohes nasses Faserausgangsmaterial von breiartiger Konsistenz für die Herstellung von Faserprodukten mit hoher Festigkeit dank der darin enthaltenen langen dünnen Fasern verwendet wird. Wie oben erwähnt wurde, sind solche Produkte biokompatibel und können in vorteilhafter Weise groß ausgebildet werden, so dass sie für verschiedene Gartenbau-, Hausbau- oder andere Zwecke verwendet werden können, z. B. bei der Herstellung von Matten, Vliesen, Platten, Pressteilen und extrudierten Teilen.
Optional können andere organische Produkte auch aus der entfernten breiartigen Masse 38, z. B. durch Fermentation und/oder Enzymabbau des rohen nassen Faserausgangsmaterials extrahiert werden.
Der wässrige Saft, der von dem Separator 35 entfernt wird, wie durch Pfeil 36 illustriert ist, wird an einem Verzweigungspunkt 39 in zwei ungleiche Anteile aufgeteilt, einen Hauptanteil, der durch einen Pfeil 40 illustriert ist, und einen Nebenanteil, der durch einen Pfeil 41 illustriert ist. Im kontinuierlichen Betrieb und somit als pro Zeiteinheit zu verstehen, wird das Gewichtsverhältnis des Hauptanteils des wässrigen Safts (Pfeil 40) zu dem Nebenanteil des wässrigen Safts (Pfeil 41) so gewählt, dass eine ungefähre Gewichtsbalance zwischen dem Wasser auf der einen Seite, das sowohl in dem wässrigen Saft des Nebenanteils (Pfeil 41) als auch in Form von Feuchtigkeit in der entfernten breiartigen Masse (Pfeil 37) enthalten ist, und dem Wasser auf der anderen Seite, das in Form von Feuchtigkeit in der pflanzlichen Biomasse, die als Ausgangsmaterial zu verarbeiten ist (Pfeil 22 und/oder Pfeil 24) enthalten ist, bereitgestellt wird.
Der Hauptanteil des wässrigen Safts, der von dem Separator 35 entfernt wird, wird zu der Mischzone 26 des Konditionierbehälters 25 zurückgeführt (Pfeil 40). Für den Fall, dass bei dem Prozess eine Temperatursteuerung erforderlich ist, ist es möglich, den zurückgeführten wässrigen Saft zur Steuerung der Temperatur zu verwenden.
Der Nebenanteil des wässrigen Safts wird von dem Separator 35 für die nachfolgende Verwendung entfernt (Pfeil 41), zu der unten ein Beispiel beschrieben werden wird.
Typischerweise gilt für Gras von Weideland, das zu Beispielszwecken in dieser Beschreibung als geliefertes Ausgangsmaterial verwendet wird, aber auch für viele Ausgangsmaterialien, dass zum Erreichen der gewünschten sehr starken Scher- und Zerkleinerungswirkung und zum Herstellen der gewünschten langen dünnen Fasern aus dem Biomassematerial, das Gewichtsverhältnis (pro Zeiteinheit) des Hauptanteils des wässrigen Safts zu dem Nebenanteil des wässrigen Safts vorzugsweise auf größer als 4:1 eingestellt wird, d. h. die Strömungsrate des Hauptanteils des wässrigen Safts (Pfeil 40) wird mehr als viermal so schwer wie die Nebenrate des wässrigen Safts (Pfeil 41) sein.
Außerdem gilt typischerweise für Gras von Weideland, das zu Beispielszwecken in dieser Beschreibung als geliefertes Ausgangsmaterial verwendet wird, aber auch für viele andere Ausgangsmaterialien, das die Zerkleinerungsvorrichtung 33 vorzugsweise in solcher Weise konstruiert und betrieben werden kann, dass eine letzte Zerkleinerungsstufe derselben einen effektiven Scherspalt aufweist, dessen Weite (die in 1 als x bezeichnet ist) so eingestellt wird, dass sie größer als etwa 1 mm ist.
Die Verwendung des Nebenanteils des wässrigen Safts, der von dem Separator 35 entfernt wird, kann beispielsweise mit einer Verarbeitung beginnen, die durch einen Block 42 illustriert ist, zu dem ein Pfeil 41 führt, und die z. B. Operationen so wie Erhitzen, pH-Einstellung, Absetzen und dgl. umfasst, um organische Produkte, wie beispielsweise Proteinprodukte, auszufällen. Die verarbeitete Mischung wird dann, wie durch Pfeil 43 illustriert ist, einem Separator, wie beispielsweise einem Dekanter, einem Filter, einer Zentrifuge oder dgl. zugeführt, die durch Block 44 illustriert ist, um die ausgefällten organischen Produkte von dem Restfluid zu separieren.
Die separierten organischen Produkte werden dann, wie durch Pfeil 45 illustriert ist, für eine nachfolgende Verwendung entfernt. Die entfernten organischen Produkte werden allgemein durch einen Block 46 illustriert und letztlich solchen Operationen, wie Trocknen durch Wärme und nachfolgender Extraktion von organischen Produkten und Wiedergewinnen der Wärme unterworfen.
Seinerseits enthält das Restfluid immer noch lösliche organische Produkte. So wird das Restfluid, wie durch einen Pfeil 47 illustriert ist, einem Behälter für die anaerobe Fermentation, der durch einen Block 48 illustriert ist, zugeführt, um wie in konventionellen Queranlagen durch Fermentation Biogas, dessen Entfernung und Abförderung durch einen Pfeil 49 illustrierte ist, und geklärtes Wasser, dessen Entfernung und Abförderung durch Pfeil 51 illustriert ist, zu produzieren. Das entfernte Biogas wird allgemein durch einen Block 50 illustriert und kann zur Produktion von Verbrennungswärme verwendet werden, die dann, z. B. zur Temperatursteuerung des zurückgeführten wässrigen Safts (Pfeil 40) und/oder zum Trocknen der extrahierten organischen Produkte (Block 46) und/oder zum Trocknen der entfernten breiartigen Masse 38 und/oder der hieraus hergestellten Faserprodukte, zu dem Prozess zurückgeführt wird. Das entfernte geklärte Wasser, wird allgemein durch einen Block 52 illustriert und kann abgeführt und/oder zu dem Prozess zurückgeführt werden, wie es sinnvoll ist.
Alternativ können einige Fälle der Extraktion von organischen Produkten, die voranstehend diskutiert wurden, Enzymabbau und gleichzeitige Produktion von Enzymabbauprodukten umfassen.
Resultate, die durch Durchführen des Verfahrens und der Verfahrensschritte der Erfindung erhalten werden, werden im Folgenden beispielhaft belegt, wobei die Rohfaser gemäß der Weender-Methode bestimmt ist, d. h. die im Folgenden angegebenen Mengen enthalten keine Hemizellulose.
Beispiel 1
7692 kg einer Mischung aus frischem Klee und Gras (früher Schnitt), die 13 % Trockenmasse enthielt, welche ihrerseits 20,5 % Rohprotein und 16,9 % Rohfasern enthielt, wurde gemäß dem Verfahren und den Verfahrensschritten der Erfindung, wie sie im Voranstehenden offenbart wurden, verarbeitet.
Dieses Ausgangsmaterial wurde dem Prozess innerhalb etwa 2,5 h zugeführt, wobei während dieser Zeit etwa 100 m³ wässriger Saft (der Hauptstromanteil des wässrigen Safts) dem Konditionierbehälter zugeführt und zu diesem rückgeführt wurde, und etwa 6,2 m³ wässriger Saft (der Nebenstromanteil des wässrigen Safts) der nachfolgenden Verwendung zugeführt wurde, was ein Verhältnis von etwa 16:1 bezogen auf das Gewicht zwischen dem jeweiligen Haupt- und Nebenanteil des wässrigen Safts ergibt. Die Ausgabe an geklärtem Wasser betrug etwa 5,7 m³. In der Zerkleinerungsvorrichtung hatte der effektive Schwerspalt eine Weite von etwa 2 mm, und die mittlere resultierende Strömungsgeschwindigkeit des wässrigen Safts durch den effektiven Scherspalt wurde zu etwa 7 bis 10 m/s berechnet.
Die geborgenen Produktfraktionen waren wie folgt:

• 888 kg Faserprodukt nach Auftrennung und Pressen, das 42 % Trockenmasse enthielt, die ihrerseits 17,9 % Rohprotein und 31,4 % Rohfasern enthielt. Trocknen dieses Faserprodukts würde ungefähr 1230 MJ Wärme erfordern.
• 75 kg nasses Proteinprodukt, das 32 % Trockenmasse enthielt, die ihrerseits 38,3 % Rohprotein und 6,4 % Rohfasern enthielt. Trocknen dieses Produkts würde ungefähr 2060 MJ Wärme erfordern.
• Etwa 6000 kg Flüssigkeit, die etwa 5500 kg Wasser, 370 kg wasserlösliche organische Substanz und 72 kg andere Substanzen enthielt. Verarbeiten dieser Flüssigkeit könnte 185 m³ Biogas produzieren, was mindestens etwa 4500 kWh an elektrischer Energie und etwa 2250 MJ an Wärmenergie ergäbe, die zur Trocknung der oben erwähnten Produkte zurückgeführt werden könnte.

Es wird aus den obigen Resultaten deutlich, dass bei diesem Beispiel das Gewicht des fortlaufend zurückgeführten wässrigen Safts etwa das 100-fache des Trockengewichts der verarbeiteten pflanzlichen Biomasse beträgt.
Das Faserprodukt enthielt Fasern mit einer mittleren Länge von 5 bis 30 mm und einem mittleren Durchmesser von weniger als 0,1 mm, was ein Faserprodukt mit vorteilhaften Bindungseigenschaften ergibt. Ein Kaltpressen des Faserprodukts (bis zu etwa 8 × 10⁵ N/m²) ohne jegliche Zugabe von Bindemittel erlaubte die Herstellung von Platten von unterschiedlicher Dicke und Dichte (bis zu 600 kg/m³ nach dem Trocknen). Solche Platten waren (ggf. nach weiterer Verarbeitung) für Anwendungen, wie beispielsweise Konstruktion (Wärme- und Schallisolationsmaterial, Fußbodenmaterial zum Halten kleiner Tiere, beispielsweise Kaninchen) und Gartenbau (Substratmaterial zum Ziehen, Wässern und Düngen von Pflanzen) geeignet. Das Faserprodukt ist beispielsweise auch für die Herstellung von biologisch abbaubaren Verbundmaterialien, Matten, Pressteilen, Pflanzentöpfen und für die Herstellung von Futter, das insbesondere für Pferde und Kaninchen verwendbar ist, geeignet.
Das Proteinprodukt enthielt etwa 35 bis 40 % Rohprotein und hatte Eigenschaften, die es sehr geeignet als Futter für Schweine, Geflügel oder andere Tiere machten. Außerdem würde es eine weitere Verarbeitung dieses Proteinprodukts erlauben, wertvolle organische Substanzen, wie beispielsweise Chlorophyll, Linolsäuren, Fruktane usw. abzutrennen und zu konzentrieren.
Beispiel 2
Ein Schlag von 3314 kg frisch geschnittener Dauerweide (später Schnitt), der 18,5 % Trockenmasse enthielt, wurde in einer Weise ähnlich derjenigen verarbeitet, die in Beispiel 1 beschrieben ist. Die Verarbeitungstemperatur betrug 60 °C, und der effektive Scherspalt betrug 2 mm.
Das Ausgangsmaterial wurde innerhalb von etwa 1,5 h mit einem Gesamtflüssigstrom von etwa 88 m³ (dem Hauptstromanteil des wässrigen Safts) verarbeitet. Eine Gesamtmenge von etwa 2,1 m³ des wässrigen Safts wurde der nachfolgenden Verwendung zugeführt, was ein Verhältnis von etwa 42:1 bezogen auf das Gewicht zwischen dem jeweiligen Haupt- und Nebenanteil des wässrigen Safts ergibt. Die mittlere resultierende Strömungsgeschwindigkeit des wässrigen Safts durch den effektiven Scherspalt wurde zu etwa 8 bis 10 m/s berechnet.
Die geborgenen Produktfraktionen (keine Separation von Proteinen) waren wie folgt:

• 1167 kg Faserprodukt mit einem Trockengehalt von 33 %.
• 2,1 m³ wässrigem Saft, der 135 kg chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) enthielt, welcher in etwa 70 m³ Biogas umgewandelt werden könnte.

Ein Waschen der Fasern erlaubte es, den Stickstoffgehalt auf weniger als 0,7 Gewichts % zu reduzieren und die chemischen Sauerstoffverbraucher, die für die Biogasproduktion verfügbar sind, deutlich zu erhöhen. Das Gewicht des zurückgeführten Safts war 153-mal so groß wie das Trockengewicht der verarbeiteten pflanzlichen Biomasse.
Beispiel 3
1260 kg frisch verbrauchtes Getreide, das 21 % Trockenmasse enthielt, die ihrerseits 24,2 % Rohprotein und 14,8 % Rohfasern enthielt, wurde gemäß dem Verfahren und den Verfahrensschritten der Erfindung verarbeitet, wie sie voranstehend offenbart sind.
Erneut wurde dieses Ausgangsmaterial dem Prozess binnen etwa 16 min. zugeführt, wobei während dieser Zeit etwa 13,2 m³ wässriger Saft (der Hauptstromanteil des wässrigen Safts) dem Konditionierbehälter zugeführt und zu diesem zurückgeführt wurde und etwa 0,46 m³ wässriger Saft (der Nebenstromanteil des wässrigen Safts) der nachfolgenden Verwendung zugeführt wurde, was ein Verhältnis von 28,7:1 bezogen auf das Gewicht zwischen dem jeweiligen Haupt- und Nebenanteil des wässrigen Safts ergibt. In der Zerkleinerungsvorrichtung wies der effektive Scherspalt eine Weite von etwa 2 mm auf, und die mittlere resultierende Strömungsgeschwindigkeit des wässrigen Safts durch den effektiven Scherspalt wurde zu etwa 8 bis 10 m/s berechnet.
Die geborgenen Produktfraktionen waren wie folgt:

• 536 kg Faserprodukt, das 28 % Trockenmasse enthielt, die ihrerseits 11,5 % Rohprotein und 20,7 % Rohfasern enthielt.
• 59 kg nasses Proteinprodukt, das 35 % Trockenmasse enthielt, die ihrerseits 62,0 % Rohprotein und 4,4 % Rohfasern enthielt.
• Etwa 1800 kg Flüssigkeit, die 56 kg wasserlösliche organische Substanzen und Asche enthielt.

Es wird aus den obigen Resultaten deutlich, dass in diesem Beispiel das Gewicht des fortlaufend zurückgeführten wässrigen Safts etwa 50-mal so groß wie das Trockengewicht der verarbeiteten pflanzlichen Biomasse ist.
Das Faserprodukt enthielt Fasern mit einer mittleren Länge von 3 bis 6 mm und einem mittleren Durchmesser von etwa 0,5 mm. Dieses Faserprodukt war geeignet für Verwendungen, wie beispielsweise als Substitut für Torf oder für die Verbrennung.
Das Proteinprodukt enthielt etwa 66 % Rohproteine und hatte Eigenschaften, die es sehr geeignet als Futter oder (nach weiterer Verarbeitung) selbst für den menschlichen Verbrauch und auch als Füllstoff in Produkten, wie beispielsweise biologisch abbaubaren Kunststoffen, machten.
Die obigen Beispiele stellen ein Verständnis des Verfahrens der Erfindung bereit, wie sie im Vorangehenden offenbart ist. Dennoch sollte verstanden werden, dass die Zusammensetzung und der Feuchtegehalt des Rohmaterials sowie die Zusammensetzung, die Ausbeute und der Feuchtegehalt der resultierenden Produkte einer erheblichen Variation unterworfen sein können, die zum Teil auf die Variation der Betriebsbedingungen zurückzuführen sein kann, beispielsweise auf die Temperatur der Zuführung bei dem Auftrennschritt oder die Bedingungen, die für das Entwässern des Faserprodukts verwendet werden.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wird ein Scherapparat verwendet, der eine Scherstufe aufweist, die aus einem Stator und einem Rotor besteht, die beide eine konische Form mit einem Basisdurchmesser von etwa 20 cm und einer Höhe von etwa 10 cm aufweisen (was einen Winkel von etwa 90 ° an der Spitze des Konus ergibt) und die koaxial einander gegenüber liegend angeordnet sind, wobei der Rotor in den Stator vorsteht. Die konischen Oberflächen des Rotors und des Stators sind jeweils mit einer rauen Schicht aus gegossenem mineralischen Siliziumcarbid von etwa 12 mm Dicke und etwa 1,8 μm Faltigkeit bzw. Oberflächenrauheit bedeckt, und diese rauen Oberflächen sind voneinander durch einen konischen Scherspalt von jeder gewünschten Weite bis zu etwa 2 mm, vorzugsweise etwa 5 mm bis etwa 1,5 mm, am meisten bevorzugt von mindestens etwa 1 mm, entfernt. Der Rotor wird mit ungefähr 4800 Umdrehungen/min. gedreht. Der Stator ist abgeschnitten, so dass er eine axiale Öffnung aufweist, an der der wässrige Saft axial in den Scherapparat mit etwa 25 m³ pro Stunde eingeführt wird, so dass er letztlich radial an der Basis des konischen Spalts ausgetragen wird.
Wenn diesem Scherapparat ein Brei, der etwa 1 Gewichts-% Trockenmasse basierend auf einer Mischung aus frischem Klee und Gras (früher Schnitt) wie in Beispiel 1 oder aus frisch geschnittener Dauerweide (später Schnitt) wie in Beispiel 2 zugeführt wird, wird das resultierende Faserprodukt Fasern mit einer mittleren Länge von etwa 10 mm bis etwa 40 mm und einem mittleren Durchmesser von weniger als etwa 0,1 mm enthalten, was ein Faserprodukt mit vorteilhaften Bindungseigenschaften wie in den Beispielen 1 und 2 ergibt.

x: Weite des effektiven Scherspalts
1: Rotationszerkleinerungsvorrichtung
2: Zerkleinerungsstufe
3: Statorelement
4: Rotorelement
5: aktive Oberfläche des Statorelements 3
6: aktive Oberfläche des Rotorelements 4
7: aktiver Spalt der Stufe 1
8: Schneidelement der aktiven Oberfläche 5
: des Stators 3
9: Schneidelement der aktiven Oberfläche 6
: des Rotors 4
10: Schneidkante des Schneidelements 8
11: Schneidkante des Schneidelements 9
21: angeliefertes Ausgangsmaterial
22: Zuführung von Ausgangsmaterial
23: Schneidemaschine
24: Zuführung von vorgeschnittenem Material
25: Konditionierbehälter
26: Mischzone des Konditionierbehälter
27: Rührmittel in der Mischzone
28: Absetzzone des Konditionierbehälters
29: Zuführung von wässrigem Saft
30: wässriger Saft
31: Abfuhr und Entfernung von Fremdstoff
32: Zuführung einer Mischung aus der Mischzone
33: Zerkleinerungsvorrichtung
34: Zuführung von Brei von der Zerkleinerungsvorrichtung
35: Separator
36: wässriger Saft von dem Separator
37: breiartige Masse von dem Separator
38: entfernte breiartige Masse
39: Verzweigungspunkt
40: Hauptströmungsanteil
41: Nebenströmungsanteil
42: Verarbeitung des wässrigen Safts
43: Zufuhr von verarbeitetem wässrigen Saft
44: Separator
45: Zufuhr von organischen Produkten
46: Entfernte organische Produkte
47: Zufuhr von Restfluid
48: Vorrichtung zur anaeroben Fermentation
49: Austrag von Biogas
50: entferntes Biogas
51: Austrag von geklärtem Wasser
52: entferntes geklärtes Wasser

Claims

Verfahren zum kontinuierlichen Auftrennen einer pflanzlichen Biomasse in eine Flüssigphase, die im Wesentlichen aus einem wässrigen Saft besteht, und in eine Feststoffe enthaltende Phase von breiartiger Konsistenz, wobei beide Phasen zur weiteren Verwendung vorgesehen sind, wobei die pflanzliche Biomasse in einem natürlich feuchten Zustand bereitgestellt und einem rückgeführten Anteil des wässrigen Safts zur Suspension darin zugemischt wird und wobei die fließende Suspension der pflanzlichen Biomasse in dem wässrigen Saft zur Faserherstellung verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeiten die Erzeugung eines Gradienten der Fließgeschwindigkeit innerhalb der fließenden Suspension umfasst, wobei der Gradient ausreichend ist, um auf Zellen der pflanzlichen Biomasse einzuwirken, um diese Zellen zu öffnen und um es einem Inhalt derselben zu erlauben, in den wässrigen Saft freigesetzt zu werden, während ein Rückstand zurückbleibt, der im Wesentlichen aus Fasern besteht und der in der Feststoffe enthaltenden Phase endet.
Verfahren nach Anspruch 1, das die Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen eines Konditionierbehälters (25), der eine Mischzone (26) aufweist, die mit Rührmitteln (27) ausgestattet ist; – Zuführen (24) der pflanzlichen Biomasse (21) in die Mischzone (26) des Konditionierbehälters; – Zuführen (19) von wässrigem Saft (30), der von einem vorhergehenden Schritt des Verfahrens zurückgeführt wird, in die Mischzone (26) des Konditionierbehälters; – Rühren (27) der pflanzlichen Biomasse und des wässrigen Safts, die in der Mischzone (26) des Konditionierbehälters (25) enthalten sind, um eine Mischung derselben zu erzeugen; – Bereitstellen einer Verarbeitungsvorrichtung (33) in der die fließende Suspension der pflanzlichen Biomasse in dem wässrigen Saft zur Faserherstellung verarbeitet wird; – Zuführen der Mischung (32) aus der Mischzone (26) des Konditionierbehälters (25) in die Verarbeitungsvorrichtung (33) während des Betriebs der letzteren, um einen Brei von verarbeitetem Biomassematerial suspendiert in wässrigem Saft zu erzeugen; – Zuführen des Breis (34) von der Verarbeitungsvorrichtung (33) zu einem Separator (35) zum Aufteilen des Breis in wässrigen Saft und breiartige Masse; – Entfernen der breiartigen Masse (37) aus dem Separator (35) zur weiteren Verwendung der entfernten breiartigen Masse; – Entfernen des wässrigen Safts (36) aus dem Separator (35); – Aufteilen des entfernten wässrigen Safts (39) in jeweils einen Hauptanteil (40) und einen Nebenanteil (41); – Zurückführen (29) des wässrigen Safts (30) des Hauptanteils (40) in die Mischzone (26) des Konditionierbehälters (25); und – Bereitstellen des wässrigen Safts des Nebenanteils (41) zur Verwendung (42 bis 52); dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptanteil (40) und der Nebenanteil (41) des entfernten wässrigen Safts (36) so eingestellt werden, dass sie ein wechselseitiges Gewichtsverhältnis aufweisen, das für einen ungefähren Gewichtsausgleich zwischen dem Wassergehalt, der auf der einen Seite sowohl in dem wässrigen Saft des kleineren Anteils (41) und in Form der Feuchtigkeit der entfernten breiartigen Masse und der auf der anderen Seite in Form der Feuchtigkeit in der pflanzlichen Biomasse (22), die als Ausgangsmaterial (21) bereitgestellt wird, vorhanden ist, sorgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Verarbeitungsvorrichtung eine Rotationszerkleinerungsvorrichtung (1) mit mindestens einer Zerkleinerungsstufe (2) ist, die von jeweiligen Stator (3)- und Rotor (4)-Elementen ausgebildet wird, welche einander zugeordnet sind und jeweils aktive Oberflächen (5 bis 6) aufweisen, die voneinander über einen aktiven Spalt (7) der Stufe (2) beabstandet sind, wobei die Oberflächen (5 bis 6) angeordnet sind, um sich über den zugehörigen aktiven Spalt (7) einander gegenüberzuliegen, wobei jede der Oberflächen (5 bis 6) mit Schneidelementen (8 bis 9) versehen ist, die in den zugehörigen aktiven Spalt (7) gerichtet sind und darin jeweils mit einer jeweiligen Schneidkante (10 bis 11) enden, wobei ein effektiver Scherspalt einer Zerkleinerungsstufe (2) als ein kleinster Annäherungsabstand zwischen den jeweiligen Schneidkanten (10 bis 11) der einen und der anderen aktiven Oberfläche (5 bis 6) in dem zugehörigen aktiven Spalt (7) der Zerkleinerungsstufe (2) definiert ist, wenn der Zerkleinerer (1) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine letzte Zerkleinerungsstufe (2) des Zerkleinerers einen effektiven Scherspalt (7) aufweist, dessen Weite größer als das 10-fache einer vorbestimmten maximalen Faserdicke ist, die hergestellt wird, um in der Feststoffe enthaltenden Phase zu enden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Verarbeitungsvorrichtung eine Schervorrichtung ist, die mindestens eine Scherstufe aufweist, die aus jeweiligen Stator- und Rotorelementen ausgebildet ist, die einander zugeordnet sind und jeweilige Scherflächen aufweisen, welche durch einen zugehörigen effektiven Scherspalt der Stufe voneinander beabstandet sind, wobei die Oberflächen angeordnet sind, um einander über den zugehörigen effektiven Scherspalt gegenüberzuliegen, dadurch gekennzeichnet, dass eine letzte Scherstufe der Schervorrichtung einen effektiven Scherspalt aufweist, dessen Weite größer als das 10-fache einer vorbestimmten maximalen Faserweite ist, die hergestellt wird, um in der Feststoffe enthaltenden Phase zu enden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei in jeder Stufe der Verarbeitungsvorrichtung der effektive Scherspalt eine Weite aufweist, die größer als 1 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Konditionierbehälter (25) vorgesehen ist, der eine Absetzzone (28) aufweist, welche unterhalb der Mischzone (26) angeordnet ist und in der, während die Mischung des Ausgangsmaterials (24) und des wässrigen Safts (29) gerührt wird, jegliches Begleitmaterial, das dichter als die pflanzliche Biomasse ist und das in den Konditionierbehälter (25) zusammen mit dem Ausgangsbiomassematerial (21) eingetreten (24) sein wird, absinken kann, um sich durch Schwerkraft von der gerührten Mischung abzutrennen und um aus der Mischzone (26) des Konditionierbehälters (27) zur Absetzzone (28) des Konditionierbehälters (25) abzusinken, um darin gesammelt und anschließend entsorgt (31) zu werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Gewichtsverhältnis des Hauptanteils (40) des wässrigen Safts zu dem Nebenanteil (41) des wässrigen Safts größer als 4:1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zugeführte (22) pflanzliche Biomasse (21) zur Reduktion in der Größe vorgeschnitten (23) wird, bevor sie der Mischzone (26) des Konditionierbehälters (25) zugeführt (24) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die entfernte breiartige Masse (38) für die Herstellung von Faserprodukten verwendet wird und optional für die Extraktion anderer organischer Produkte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der wässrige Saft des Nebenanteils (41) für die Extraktion von organischen Produkten (44 bis 46) verwendet wird (42 bis 43).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der wässrige Saft des Nebenanteils (41) für die Fermentation (48) von organischen Produkten und die gleichzeitig erfolgende Herstellung von Biogas (49 bis 50) verwendet wird, das verwendet wird, um Verbrennungswärme bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Verbrennungswärme zum Trocknen der Faserprodukte (38) und/oder der extrahierten organischen Produkte (46) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Extraktion der organischen Produkte (45 bis 46) eine Fermentation oder einen enzymatischen Abbau und eine gleichzeitige Herstellung von Fermentations- bzw. Enzymabbauprodukten umfasst.