DK177818B1 - Fremgangsmåde til behandling af en biomasse med et indhold af lignocellulose - Google Patents

Abstract

Der beskrives en fremgangsmåde til behandling af en biomasse (for eksempel halm) med et indhold af lignocellulose, så cellulose og hemicellulose gøres tilgængelig for videre forarbejdning, typisk en nedbrydning, uden behov for energikrævende opslæmning af biomassen i vand. Fremgangsmåden omfatter gentagne komprimeringer af biomassen i en reciprokerende stempelpresse, hvor der til stadighed tilføres løs biomasse ind i et stempellammer foran et stempel, der fører den løse biomasse ind i et rørformet reaktionskammer hvor biomassen komprimeres for etablering af dampeksplosion samt autohydrolyse under en samtidig forskydning af komprimeret biomasse gennem aktionskammeret. Biomassen kan efter komprimeringen tilsættes til flydende husdyrgødning, flydende spildevandsslam med videre i et biogasanlæg for en efterfølgende biogasproces.

Description

Fremgangsmåde til behandling af en biomasse med et indhold af lignocellulose Opfindelsens område

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til behandling af en biomasse (for eksempel halm) med et indhold af lignocellulose, så cellulose og hemicellulose gøres tilgængelig for videre forarbejdning, typisk en nedbrydning, som fortrinsvis er en enzymatisk nedbrydning. Opfindelsen angår mere specifikt en fremgangsmåde hvor behandlet lignocellulose anvendes til fremstilling af biobrændsler som for eksempel ethanol, butanol, hydrogen, metanol og biogas.

Opfindelsen er fremkommet i forbindelse med behandling af halm. Opfindelsen er derfor flere steder forklaret under henvisning til halm; men det er ved disse forklaringer forstået, at tilsvarende fordele opnås med andre former for biomasse der indeholder lignocellulose.

Opfindelsens baggrund Første generations bioethanol produceres hovedsageligt på basis af kornafgrøder som hvede og majs samt sukkerrør. Dette skyldes, at korn og sukkerrør indeholder lettilgængelige kulhydrater som stivelse, der ganske enkelt kan omdannes til sukker, som efterfølgende forgæres til ethanol.

Denne produktion kritiseres imidlertid for at omdanne gode fødevarer til energi og i øvrigt ikke at være bæredygtig. Derfor har der gennem en årrække været forsket i at udnytte afgrøderester fra fødevareproduktionen til produktion af biobrændsel, særligt bioethanol. Forskningen har især beskæftiget sig med omdannelse af halm og træflis til bioethanol. Denne type ethanol betegnes som 2. generations bioethanol eller ’’cellu-losic ethanol”.

Biomasse, som hvedehalm og halm fra andre kom- og majsafgrøder, og træ består i hovedtræk af cellulose, hemicellulose og lignin, hvorfor det også under et kaldes lignocellulose.

Cellulose er en lineær homogen polymer af op til 15.000 glucoseenheder bundet sammen med β-1,4-glucosidbindinger. Hemicellulose er derimod en heterogen forgrenet polymer med en længde på op til 200 enheder, som kan bestå af f.eks. arabinose, xylose, galactose, mannose og glucose.

Lignin udgør et netværk dannet ved polymerisering af monomererne p-coumarylalkohol, coniferylalkohol og sinapylalkohol. Det komplekse netværk af lignin omkapsler og er med til at binde cellulose og hemicellulose sammen. Herved forstærkes strukturen af plantecellevæggen og den beskyttes mod nedbrydning i naturen, f.eks. svampe- eller insektangreb. Generelt indeholder lignocellulose ca. 35-50 % cellulose, 20-30 % hemicellulose og 15-30 % lignin.

Der er dog stor forskel på de forskellige planters indhold, ligesom sammensætningen af hemicellulose og lignin er meget artsbestemt. Generelt indeholder træ mere lignin og mindre hemicellulose end halm, og hvor hemicellulose i halm hovedsagelig består af arabinose og xylose, indeholder den i nåletræ mest mannose og kun lidt xylose.

Udnyttelse af lignocellulose som substrat for diverse fermenteringsprocesser forudsætter en forudgående nedbrydning af cellulose og hemicellulose til deres respektive monomerer. Første trin i denne proces er en termokemisk behandling af lignocellulosen, hvorved lignin frigives og hemicellulose og cellulose delvist opløses eller gøres mere tilgængelig for enzymer.

Enzymerne til nedbrydning af lignocellulose kan inddeles i to hovedgrupper - cellula-ser og hemicellulaser. Det sidste trin i nedbrydningen af cellulose er spaltningen af cellobiose til to glucosemolekyler med enzymet β-glucosidase. Hemicelluloses mere heterogene struktur betyder, at der kræves et større antal forskellige enzymer for at nedbryde det fuldstændigt til sukkermolekyler. Et eksempel på en sådan kompleks enzymblanding er Novozymes Cellic.CTec3, som netop indeholder forskellige cellula-ser og hemicellulaser samt øvrige hydrolytiske enzymer.

Som nævnt er første trin i udnyttelse af lignocellulose en forbehandling og typisk en termo-kemisk forbehandling. Blandt en lang række af sådanne forskellige termo kemiske forbehandlingsmetoder hører dampeksplosion eller i fagsproget ’’steam-explosion”. Denne proces kombineres med tilsætning af vand og katalysatorer som syrer og baser eller gasarter som ilt og svovldioxid.

Forbehandling af biomasser som halm og træflis til fremstilling af flydende biobrændstoffer, især ethanol, har været genstand for en meget betydelig forskningsindsats, og der foreligger således en massiv mængde videnskabelig litteratur på området.

Indenfor de senere år er dominerende biokemiske metoder beskrevet. Der skal ikke forsøges en samlet fremstilling af disse arbejder her, men det skal dog påpeges, at flere grupper peger på autohydrolyse som en foretrukken teknologi, fordi den ikke baserer sig på kemikalier, fordi dannelse af inhibitorer er beskeden og fordi biomasse med relativt højt tørstofindhold kan behandles. Den foretrækkes tillige af de fleste forfattere over en våd-oxidaton, hvor der tilsættes ilt til processen.

Autohydrolyse benævnes forskelligt, men kaldes ofte termisk hydrolyse, steaming eller steamexplosion uanset, at eksplosionsdelen ikke nødvendigvis er en fordel for hydrolysen eller findeling af materialet. Metoden har grænseflader til ’’liquid hot water treatment” afhængigt af vandmængden og ”wet oxidation” såfremt ilt indgår i processen.

Den videnskabelige litteratur peger endvidere på anvendelsen af en række kemikalier som katalysatorer eller til hydrolyse af lignocellulose, herunder svage og stærke syrer og baser samt en række gasarter som SO2, CO2, O2, NH3, H2O2, O3. Hertil kommer anvendelse af enzymer enten industrielt fremstillede eller som en biologisk forbehandling.

De tekniske installationer, der anvendes til sådanne termokemiske forbehandlinger af lignocelluloseholdige biomasser, er kun udført i enkelte eksempler.

Det mest kendte apparat er SunOptas staketech hydrolysator, som benyttes på det første kommercielle anlæg til produktion af bioetanol baseret på halm. Denne maskine har et vandretliggende reaktionskammer med en snegl, der fører halmen fremad under højt tryk og temperatur og tillader den at eksplodere ud i en tilhørende ekspansionsbeholder med hyppige intervaller, dvs. med få sekunders mellemrum. Drifts temperatur og tryk er henholdsvis 190-210° C og 15-20 bar.

Atlas Stord hydrolysator til hydrolyse af fjer benytter et andet princip, såkaldt plug flow, hvor reaktionskammeret er et lodret stående kammer med en ventil i bunden som åbner og lukker med få sekunders interval. Overtrykket i reaktionskammeret får således de hydrolyserede fjer til at eksplodere ud i en ekspansionsbeholder. Reaktionskammeret er således ikke med akselgennemgang. Drifts temperatur og tryk er henholdsvis 160-180° C og 6-10 bar.

Endeligt har Villavicencio (1987) publiceret en opfindelse til termokemisk behandling af fibre i kraft af flere reaktionskamre. Biomassen tilføres via transportsnegle, der tillige fungerer som modtryksventiler, til det første reaktionskammer.

Fælles for samtlige teknikker er at 1) der tilføres varme fra en eksterm varmekilde, særligt ved hjælp af varmt vand eller damp; 2) der tilføres vand i form af vand eller damp til processen således, at tørstofindholdet maksimalt er 30-40 % i reaktionskammeret og typisk 10 %; 3) vand eller damp tilsættes som en nødvendig forudsætning for behandling ved høje temperaturer i niveauet 160-220°C.

Teknikkens virkemåde, og som navnet ’’dampeksplosion” tilsiger, er en mekanisk opbrydning af biomassens fibre ved en dampeksplosion forårsaget af et pludseligt trykfald fra f.eks. 20 bar til atmosfæretryk. Vands tilstandsform ved f.eks. 200°C under tryk er som flydende vand, men når trykket pludseligt falder til atmosfæretryk overgår en andel af vandet til dampform, det vil sige også det vand som findes i alle dele af plantefibrene. Når dette vand eksploderer i cellulosefibrene oprives biomassen mekanisk. Denne oprivning bidrager til at gøre lignocellulosens bestanddele af cellulose og hemicellulose tilgængelig for videre forarbejdning, som for eksempel enzymatisk nedbrydning.

Konventionel dampeksplosion gennemføres ofte ved temperaturer i intervallet 160-220°C og tilsvarende tryk på 0,60-4,83 MPa. Behandlingstiden varierer fra nogle få sekunder til adskillige minutter før materialet udsættes for atmosfærisk tryk via en eksplosiv dekompression. Processen forårsager nedbrydning af hemicellulose og transformation af lignin på grund af den høje temperatur. Hemicellulose nedbrydes af eddikesyre og andre organiske syrer, som dannes under behandlingen - altså via såkaldt autohydrolyse. Lignin nedbrydes ikke i samme grad, men omfordeles på fiberoverfladerne som et resultat af smeltning og depolymerisation / repolymerisation reaktioner.

Udover disse kemiske effekter har damp eksplosion også en rent mekanisk eller fysisk effekt, idet materialet eksploderer og fragmenterer, hvorved den tilgængelige overflade forøges.

Teknikken gennemføres som nævnt ved tilsætning af vand til biomassen, enten i form af vand eller i form af damp, eller en kombination heraf og opvarmning af blandingen. De høje temperaturer opnås ved opvarmning med varmt vand eller damp.

Den højeste tørstofkoncentration der opnås med disse systemer er ca. 30-40 %, typisk væsentligt mindre, hvilket kræver store tekniske installationer på grund af vandmængden og biomassens voluminøse struktur. Selv en presset halmballe har en densitet på ca. 150 kg/m3, hvilket ikke er meget.

En afgørende udfordring ved teknikken er de store mængder vand og energi, der medgår til forbehandlingen samt de nødvendigvis store installationer til trykbeholdere, ventiler, rør, snegle med videre.

Dette medfører også væsentlige ulemper ved biogasanlæg, idet den store vandtilførsel med halmen belaster et biogasanlægs hydrauliske kapacitet, og idet energiforbruget reducerer netto-energiproduktionen og omkostningseffektiviteten.

Et biobrændsel kan også være tilvejebragt i form af biogas. Hidtil har biomasse, fortrinsvis i form af halm, ikke været anvendt til biogasfremstilling Det er ikke kendt, at halm anvendes til biogasformål. Det er blot bekendt, at halm indgår i biogasanlæg i den udstrækning halm anvendes som strøelse i husdyrproduktionen, og i det omfang den heraf følgende husdyrgødning afgasses.

Det er i og for sig ganske overraskende, at der ikke anvendes halm til biogasformål. I lyset af, at husdyrgødning, dvs. i alt væsentligt kvæg- og svinegylle, er flydende med et tørstofindhold mellem 4-8 %, er der plads til ekstra tørstof i biogasanlægget - især halm.

Halm er et vanskeligt materiale at håndtere. Det er stærkt slidende, særdeles vandskyende, og det har en meget lav densitet, det vil sige mindre end 100 kg per m3. Håndtering af halm i enhver sammenhæng, og særligt i biogasanlæg, kræver derfor en særlig teknik.

Desuden består halm overvejende af cellulosefibre, som er krystallinske polymerer af (l-4)-P-D-glucose. Heri indgår hemicellulose, som på tilsvarende vis er en amorf og delvist krystallinsk polymer bestående af (l-4)-P-xylose. Hemicellulose indgår i både fibre og cellevægge. Lignin, en tredje vigtig komponent i halm, er en polymer af phenoler. Såvel hemicellulose som lignin beskytter cellulosen mod ’’vejr og vind”, og i denne sammenhæng mod nedbrydning af enzymer og mikroorganismer.

For at udnytte halm effektivt i et biogasanlæg er det således nødvendigt at forbehandle halmen for at oplukke halmens fibre og gøre lignocelluloses bestanddele tilgængelige for nedbrydning. Som nævnt ovenfor vil dette være energikrævende og nødvendiggøre anvendelsen af voluminøse anlæg.

Opfindelsens formål

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at anvise en fremgangsmåde til behandling af en biomasse (for eksempel halm) med et indhold af lignocellulose, så cellulose og hemicellulose gøres tilgængelig for enzymatisk nedbrydning, specielt med henblik på fremstilling af biobrændsler som for eksempel ethanol og biogas.

Beskrivelse af opfindelsen

Dette opnås ifølge den foreliggende opfindelse med en fremgangsmåde, der er særpræget ved, at omfatte trin for: - gentagne komprimeringer af biomassen i en reciprokerende stempelpresse, hvor der til stadighed tilføres løs biomasse ind i et stempelkammer foran et stempel, der fører den løse biomasse ind i et rørformet reaktionskammer hvor biomassen komprimeres for etablering af en mekanisk inducering af vanddampeksplosion samt autohydrolyse under en samtidig forskydning af komprimeret biomasse gennem reaktionskammeret.

Med den foreliggende opfindelse opnås således en effektiv fremgangsmåde til at etablere et første trin i processen for udnyttelse af lignocellulose som substrat for diverse processer, idet vandets eksplosion ved den mekanisk inducerede vanddampeksplosion bevirker at cellulosefibrene oprives mekanisk. Denne oprivning gør lignocellulose bestanddele af cellulose og hemicellulose tilgængelig for efterfølgende enzymatisk nedbrydning til deres respektive monomerer.

En kontinuerlig tilførsel af biomassen og en samtidig forskydning af komprimeret biomasse gennem og ud af reaktionskammeret muliggør en kontinuerlig proces i et anlæg hvor der kun er behov for en behandlingsenhed der har et meget begrænset volumen. Således kan en stempelpresse, der har kapacitet til at behandle 1 ton biomas-se/time have en størrelse på under 3 kubikmeter. En videreudvikling til større maskiner kan yderligere optimere dette forhold.

Stempelslaget påvirker biomassen med et tryk mellem 500-3000 bar særligt mellem 1000 - 2500 bar. Herved komprimeres biomassen til 500 - 1000 kg/m3 og påvirkes direkte mekanisk. Samtidigt afsættes stemplets kinetiske energi i halmen i form af varme.

Varmedannelsen i biomassen opstår fortrinsvis på grund af friktion mellem biomassen og reaktionskammerets vægge samt intern friktion i biomassen. Varmedannelsen bevirker en stor opvarmning af reaktionskammerets vægge samt en mindre opvarmning af biomassen. Væggene opvarmes typisk til mellem 110-200 °C. Biomassen til mellem 60-170 °C, dog bliver temperaturen lokalt over 200 °C. Komprimeringen i reaktionskammeret bevirker at der opstår rigtigt mange lokale dampeksplosioner.

Eftersom dette vand er under tryk forbliver det på flydende form indtil stemplet føres tilbage før nyt stempelslag. Ved tilbageførsel eksploderer vandet og biomassen påvirkes som ved dampeksplosion. Dette gentages et antal gange indtil komprimeret biomasse er ført så langt frem i kompressionskammeret, at stempelslag ikke længere påvirker denne biomasse.

Varmepåvirkning og dampeksplosionen medfører en vis autohydrolyse af biomassen, det vil sige at damp ved høj temperatur delvist opløser lignocellulosen ved en hydroly-tisk proces. Der generes i autohydrolysen organiske syrer som sænker pH til 4-6 typisk pH 5.

Processen udmærker sig ved at være meget energiøkonomisk da der ikke er behov for opvarmning af store vandmængder.

Sammenfattende kan man sige at dampeksplosion er en teknik med flere samvirkende effekter: effekt af høj temperatur (dvs. dannelse af organiske syrer, lignin smelter), effekt af autohydrolyse (hemicellulose og delvist lignin nedbrydes via aktivitet af blandt andet eddikesyre) samt effekt af en mekanisk oprivning.

En mekanisk presse er opbygget som en excenterpresse. Mekaniske presser omfatter en konstant roterende drivmekanisme, der omsætter en roterende bevægelse til en re-ciprokerende bevægelse af et stempel ved hjælp af en excentrik. Stemplet har to yderstillinger. I den ene stilling er stemplets presseflade placeret i et stempelkammer eller også kaldet forkomprimeringskammer med det materiale, som ønskes forbehandlet, især ved komprimering til en briket, og i den anden yderstilling er stemplets presseflade placeret i indløbet til en åben konisk dyse ved siden af forkomprimeringskammeret. På sin vej fra den ene yderstilling til den anden skubber stemplet noget af materialet fra kammeret foran sig ind i dysen. De for hvert slag af stemplet komprimerede og forbehandlede materialemængder, eller i konkrete situationer dannede biobriketter, skubbes kontinuerligt ud gennem dysens udløb. Mekaniske presser opererer med et langt større tryk end hydrauliske presser, idet der opnås et tryk på mindst 800 bar. I en biobriket fremstillet i en hydraulisk presse er bindingen af det biologiske materiale primært mekanisk og sekundært ved adhæsion, mens bindingen af det biologiske ma teriale i en biobriket fremstillet i en mekanisk presse primært ved adhæsion og sekundært mekanisk. Nærværende opfindelse anvendes indenfor teknikområdet mekaniske briketpres semaskiner, da den vedrører højkapacitetsfremstilling af biobriketter eller forbehandling af biomateriale.

Der kendes reciprokerende mekaniske briketpressemaskiner til fremstilling af briketter, hovedsageligt briketter af træ, eller andre anvendelige biologiske materialer såsom tekstil, MDF støv, plantefibre, halm, hamp, bark, papir, pap, kulstøv, husholdningsaffald, husdyrgødning eller slam. Briketterne kan primært bruges til indfyring i fastbrændselsfyr til eksempelvis boligopvarmning. Materialet er typisk et restprodukt fra træindustrien i form af savsmuld eller spåner.

Materialet skal have et fugtindhold på 5% til 20 %, typisk 6% til 16%. Der er her tale om vægt%. Materialet bliver komprimeret i matricen under stort tryk og deraf følgende høj temperatur. Det biologiske materiale indeholder celler, der blandt andet omfatter vand, cellulose og lignin. Formålet med sammentrykningerne er at aktivere ligninet, som efter afkøling sørger for at binde materialet (biobriketten) sammen. Under anvendelse som forbehandling og eventuel tilsætning af organisk syre er dette grundlag for ekstraktion af lignin og dermed blotlæggelse af cellulose og hemicellulose fibre for videre forarbejdning. Det stigende tryk i det biologiske materiale påfører cellerne en temperaturstigning, der gør at vandet i cellen overgår til dampform ved en dampeksplosion, hvorved cellens væg nedbrydes og ligninet frigøres. Dampeksplosionerne påbegyndes ved et tryk på ca. 400-500 bar og fortsætter, mens trykket stiger til den maksimale værdi på over 2.000 bar. Hvis fugten kommer under 6 % er der normalt ikke tilstrækkelig fugt i materialet til at danne tilstrækkelig med dampeksplosioner til, at der kan opstå en binding. Hvis fugten kommer over 16 % bliver dampeksplosionerne normalt så kraftige at processen skyder briketterne i stykker og disse slynges ud af maskinen eller bagud i systemet. Dette kan være en fordel som forbehandling, idet netop forbehandling ønskes snarere end dannelse af en egentlig briket.

Som det fremgår af ovenstående opnås en mere fuldstændig nedbrydelse af cellerne under dannelse af briketten i en mekanisk briketpresse på grund af det højere tryk.

Mængden af lignin, der frigøres til efterfølgende sammenbinding af biobriketten er væsentligt højere.

Biomaterialet forlader briketpressen som en kontinuerlig stang. Hvert stempelslag tilføjer så at sige en ’’skive” biomasse til strengen af materiale, der dannes brudflader mellem hver skive. Mekaniske pressere anvendes typisk ved større installationer fra ca. 200kg/time og op til ca. 2.500 kg/time. På en mekanisk presse kan det ønskede modtryk derfor kun justeres ved at montere en dyse med anden konicitet eller med en variabel klemdyse. Som følge af, at den mekaniske presse drives af elmotorer og ikke en hydraulisk motor, er der kun et mindre energitab i maskinen, og forholdet mellem produktion og strømforbrug er derfor optimalt. Livscyklus på en mekanisk presse er væsentligt længere end på en hydraulisk presse.

Det er muligt at udøve opfindelsen som en decentral løsning, det vil sige at komprimering for dannelse af briketter foretages et sted, og at briketterne opbevares og transporteres senere til et anlæg for nedbrydning som for eksempel et biogasanlæg eller bio-ethanol anlæg.

Med opfindelsen er det muligt at komprimere biomasse til høj densitet, at tilføre varme via mekanisk kinetiske energi, at undgå vandtilsætning, og at benytte en biomassens naturlige vandindhold på ca. 5-20 % og typisk 6-16 % til gentagne damp eksplosioner. Herved bliver processen rationel ved at det udelukkende er biomassen som behandles ved høje temperaturer - og ikke en stor mængde vand- og at dette sker i meget små reaktionskamre.

Kompression af træ og halm er kendt fra presning af dette materiale til briketter eller piller for efterfølgende afbrænding. Det er imidlertid ikke kendt at optimere den mekaniske kompression til anvendelse som mekanisk induceret dampeksplosion af biomasse så cellulose og hemicellulose gøres tilgængelig for enzymatisk nedbrydning, før forgæring til ethanol eller andet biobrændstof.

Ved nærværende opfindelse opnås en meget høj specifik densitet af halmen mellem 800-1200 kg/m3, typisk en bulk densitet på mellem 500 og 600 kg/m3, hvilket reduce- rer størrelsen af reaktionskammeret ganske væsentligt (på grund af høj specifik densitet) og behovet for eventuel transport til et centralt forarbejdningsanlæg (på grund af høj bulk densitet). Blandt de særlige fordele der opnås ved nærværende opfindelse er således et kompakt reaktionskammer. Der benyttes ganske få liter reaktorvolumen, o dvs. mindre end 50 1 og typisk omkring 10 1, mod ofte flere m i øvrige systemer (5 -10 m3 eller derover).

Tilsætning af vand undgås, og biomassen, for eksempel i form af halm, behandles derfor ved sit naturlige vandindhold på 5-20 %, typiske mellem 6-16 %. Dette reducerer energibehovet ganske væsentligt eftersom vands varmekapacitet er ca. 4,2 J/g K, medens varmekapacitet af tørt halm og træ er ca. 1,2 J/g K. En typisk vandtilsætning på 10 gange halmens vægt ved termo-kemisk forbehandling øger derfor energiforbruget ca. 40 gange i den direkte proces.

Såfremt det er hensigtsmæssigt i en given proces kan lignin ekstraheres efter mekanisk dampeksplosion, men da ved temperaturer under 100°C og typisk omkring 50-80°C. Lignin kan ekstraheres med vand alene eller med syrer eller baser efter kendte forskrifter for ekstraktion af lignin. Her anvendes typisk organiske syrer som mælkesyre, citronsyre eller eddikesyre som eventuelt kan tilsættes før pressen og bidrage til hydrolyse såvel som ekstraktion af lignin.

Halmen påvirkes med større mekanisk intensitet, dels påvirkes halmen direkte af stempelslagene under kompression, og dels påvirkes halmen af gentagne dampeksplosioner. Dette medfører en langt bedre tilgængelighed for enzymer under den efterfølgende enzymatiske reaktion såsom forflydning og forsukring før ethanolforgæringen og dermed et mindre behov for enzymtilsætning.

Der forefindes en række kommercielle enzymer til forflydning og forsukring af cellu-lose/hemicellulose. Det anslås, at forbruget kan reduceres til under 50 % og typisk til 20 % af et normalt forbrug ved konventionelt termo-kemisk behandlet halm.

Varmebehandlingen af biomassen indrettes så den foregår ved temperaturer i intervallet fra 40 °C til 240 °C, fortrinsvis med typisk målbare temperaturer fra 60°C til 170°C, og særligt i intervallet mellem 60°C og 120°C. Behandlingstiden kan indrettes mellem 1- 30 min og særligt mellem 1 og 5 min. Idet alene halmen opvarmes og behandles i et kompakt reaktorkammer er der ingen praktiske grænser for varmebehandlingen som funktion af temperatur og tid. Behandlingen kan optimeres uden at være begrænset af disse hensyn. Ved behov for længere tids varmebehandling, herunder hydrolyse, forlænges dysen i et rør eller isoleret transportsnegl, der tillader en opholdstid i 1-2 timer eller mere. Typisk kan der være et behov for supplerende varmebehandling og hydrolyse i en time ved 90°C.

Halmen opnår en forøget vandsugende evne. Det viser sig at halm kan optage mellem 2- 15 gange sin egen vægt i vand og typisk mellem 5-10 gange sin egen vægt.

Halmen bliver direkte blandbar med vand og enzymer. Tilsætning af overfladeaktiver stoffer er normalt ikke nødvendig for at fremme blanding med vand og enzymers virkning.

Der opnås en betydelig opløsning af lignin pga. varme og tilstedeværelse af ilt under behandlingen. Partialtrykket af ilt i vand er ca. 2 x 10"5 atmosfære (1 atm = 101,325 kPa); partialtrykket af ilt i atmosfæren er ca. 2 x 10"1; partialtrykket er således 104 gange større i atmosfæren end i iltmættet vand. Derfor tilsættes ilt under vådoxidation under tryk, dvs. 5-20 atm, typisk 10 atm, men fortsat er der begrænset adgang til iltens reaktion med lignin pga. tilsætningen af store mængder vand til processen. Under mekanisk damp eksplosion udsættes halm og den omgivende atmosfære med ca. 20 % ilt for et tryk på de nævnte max. 2000 - 2500 bar. Derfor er ilten langt mere reaktiv end under konventionel våd oxidation, og lignin destrueres derfor i højere grad.

Halmen kan i øvrigt imprægneres med gasarter og/eller baser eller syrer, jf. de oven-fomævnte termokemiske metoder til forbehandling af lignocellulose, før indføring i stempelkammeret. Dette kan ske i en mixer eller en frit faids blander.

Endeligt kan enzymer og vand tilsættes efter behandlingen ved hjælp af en dyse, der sprayer blandingen over den tørre halm i en frit faids blander. Herved vil enzymer og vand fordeles jævnt over halmen og dennes nye særlige vandsugende evne vil særligt fordele fugt og enzymer i alle dele af halmen.

Denne opfugtede halm med enzymer kan nu forflydes(hydrolyseres) og tilsættes en enzym-membranreaktor, hvor cellulose og hemicellulose endeligt forsukres til sukker oligo og monomerer. I reaktoren vil de tilknyttede membraner tilbageholde lignin og andre uomsatte stoffer, medens sukkerne passerer til ethanol forgæring. I andre opsætninger kan det være en fordel at forgære den samlede blanding af lignin, sukker mv. -en såkaldt ’’whole slurry” - og separere efter forgæring og destillation. Dette afhænger især af mængden af lignin i biomassen.

De nye tekniske midler til brug ved dampeksplosion af biomasse, fortrinsvis halm, omfatter et stempel. Dette vil være monteret på en krumtap for etablering af den reci-prokerende bevægelse, der fører løs biomasse halm fra et stempelkammer ind i et reaktionskammer. Dette er fortrinsvis dannet af et åbent rør med en tragtformet dyse, hvor biomassen komprimeres med et tryk mellem 500 og 3000 bar, særligt mellem 1000 og 1500 bar.

Modtryk etableres ved hjælp af biomassen (halmen), der ophobes og komprimeres i reaktionskammeret og som føres gennem kompressionskammeret i komprimeret form samt af friktionen mellem biomassen og kammerets væg.

Længde på reaktionskammeret og isolation heraf tilpasses efter behov i henhold til varighed af temperaturpåvirkning. Kammeret forsynes med varmekappe således, at temperaturen kan justeres efter behov.

Det fortrækkes at biomassen (halmen) snittes til nogle få cm strå-længde. Ligeledes foretrækkes det, at der fortages en rensning af biomassen for sten og sand andre fremmedlegemer inden komprimeringen.

Pressen forsynes med temperatur og trykmålere efter behov.

Temperaturen i halm reguleres ved hjælp af stemplets slagkraft, køling af reaktionskammer samt isolation af reaktionskammer.

Den færdigbehandlede komprimerede halm kan smuldres efterfølgende og ligner igen snittet halm af fremtoning, det er dog væsentligt blødere. Halmen har imidlertid helt ændret karakter efter behandlingen og er bl.a. blevet vandsugende. Halmen kan opsuge mellem 2-15 gange sin egen vægt særligt 5-10 gange sin egen vægt.

Det er herved muligt at tilsætte enzymer og vand samtidigt for eksempel via spray dyser i en fritfaids-blander eller anden blander. Vand og enzymer fordeles derved jævnt i halmen.

Det er tillige muligt at tilsætte halmen i komprimeret form og direkte til en bioreaktor, termo-reaktor, kemo-reaktor, termo-kemisk reaktor eller anden reaktor. Det er desuden muligt at tilsætte halmen til flydende husdyrgødning, flydende spildevandsslam mv. før en biogasproces, hvor halmen da i biogasreaktoreme vil omdannes til biogas med maksimalt udbytte.

En fremgangsmåde ifølge opfindelsen kan anvendes ved forbehandling af halm til brug ved biogasfremstilling. Et typisk biogasanlæg, som afgasser 100.000 tons flydende husdyrgødning, og som leverer gassen til et decentralt kraftvarmeværk, kan - med rette teknik - uden væsentlige nye investeringer i selve biogasanlægget tillige udnytte f.eks. 10.000 tons halm årligt. Herved vil biogasproduktionen forøges fra ca. 2,5 mio. m3 fra husdyrgødningen med ca. 4 mio. m3 fra halmen til i alt 6,5 mio. m3 årligt. Fremgangsmåden giver mulighed for en væsentlig forøgelse af biogasproduktionen i eksisterende anlæg.

Den samlede effekt af mekanisk damp-eksplosion omfatter mekanisk kompression, varmebehandling, damp-eksplosion, ilt oxidation og autohydrolyse.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan for eksempel udøves på følgende måde, der er beskrevet ud fra halm, men som kan anvendes analogt på andre lignocelluloseholdi-ge biomasser.

Processen forud for mekanisk dampeksplosion begynder med indfødningen af tørt snittet halm, tørt savsmuld eller lignende lignocellulose i et stempelkammer. Et stem- pel på en krumtap fører løs halm ind i et rørformet reaktionskammer. Stemplet føres frem og tilbage af krumtap og fører ny halm ind i reaktionskammeret ved hvert slag. Komprimeret halm skubbes gennem røret af ny tilførsel af halm og kompression af denne.

Halmen kan imprægneres med gasarter, syrer eller baser efter behov før indføring i stempelkammeret. Herved kan autohydrolysen forstærkes og pH sænkes yderligere i det behandlede materiale, dvs. til pH 1-4 typisk pH 2. Alternativt kan der tilsættes base og der gennemføres således en basisk hydrolyse i tilgift til de mekanisk inducerede effekter.

Den komprimerede halm kan smuldres efterfølgende og er således åben for tilsætning af vand og enzymer i en frit faids blander eller anden blander.

Den behandlede halm tilsættes en biogasproces, bioethanolproces eller anden forgæringsproces eller forarbejdningsproces til fremstilling af biobrændstof, organiske syrer, eller andet organisk bioprodukt som papir, industrikemikalie, foderstof eller andet.

Kommercielle mekaniske komponenter kan benyttes til opfindelsen, herunder linjer til håndtering af halm i form af bigballer, inklusive transportbånd, oprivning, findeling til en ønsket partikelstørrelse ved hjælp af hammermøller, frasortering af sten, sand og andre urenheder før mekanisk dampeksplosion.

Således kan tillige kommercielle briketpressere benyttes, efter modifikation til at yde de procesparametre, som er nødvendige for at inducere dampeksplosion i halm og lignede biomasse.

Efter den mekaniske dampeksplosion kan materialet indpasses i produktion af bio-ethanol, biogas eller anden form for biobrændstof, typisk vil det være bioethanol. Ved produktion af bioethanol er der to principielle systemer, som enten benytter materialet direkte i ethanolprocessen eller som benytter en ekstraktion af lignin før ethanolpro-cessen.

Endeligt kan det forhold udnyttes, at forarbejdningen resulterer i en kompression af materialet til høj densitet på flere måder. For det første kan en efterfølgende behandling i termo-kemisk eller anden reaktor ske ved høj densitet, idet halmen er komprimeret og i det hele tage kan indføres i en reaktor (som f.eks. en bioreaktor). Men det kan tillige udnyttes, at biomassen, f.eks. halm kan indsamles lokalt og forarbejdes i lokale decentrale forarbejdningsstationer, hvor det lagres i komprimeret form før det transporteres til et centralt forarbejdningsanlæg f.eks. et bioethanol-anlæg.

Den lokale forarbejdning omfatter således indsamling af f.eks. halm i mængder på 10.000 - 50.000 tons eller lignende, forarbejdning i halmlinje, presse mv. som beskrevet i opfindelsen samt indvejning, registrering, og kvalitetssikring før lagring lokalt. Det bemærkes, at her udnyttes forarbejdning og kompression til en samlet logistisk løsning af indsamling af størrelsesordenen 0,5 - 1 million tons halm eller mere til et centralt bioethanolanlæg.

Desuden benyttes tilsætning af syre, base eller gasarter som katalysator i forarbejdningen, men samtidigt som an ti mi krobi el agent under lagringen. Herved undgås at biomassen angribes af mikroorganismer under lagring - biomassen er helt enkelt konserveret. Samtidigt er den renset, registreret og kvalitetssikret via den samlede forbehandling og lagret som sådan i forhold til art og kvalitet.

Ifølge en speciel udførelsesform er fremgangsmåden ifølge opfindelsen særpræget ved, at biomassen efter passage ud af reaktionskammeret føres direkte til en reaktor, som vælges blandt en til en enzymreaktor, termokemisk reaktor, termoreaktor, ke-moreaktor, bioreaktor eller anden reaktor.

Ifølge en speciel udførelsesform er fremgangsmåden ifølge opfindelsen særpræget ved, at biomassen efter passage ud af reaktionskammeret lagres lokalt og efterfølgende behandling foretages i et centralt anlæg.

T egningsbeskri velse I det følgende vil opfindelsen blive forklaret nærmere under henvisning til den medfølgende tegning, hvor

Figur 1 viser en principiel opbygning af en stempelpresse til brug ved etablering af mekanisk dampeksplosion i en biomasse,

Figur 2 viser et diagram til illustration af forskellige udførelsesformer for en fremgangsmåde ifølge opfindelsen,

Figur 3 viser et diagram til illustration af princip i udnyttelse af mekanisk dampeksplosion som en teknik til samtidig forbehandling og indfødning af halm i en biogasreaktor; alternativt direkte eller indirekte indfødning i termisk-, kemisk-, termokemisk-, eller anden bio-reaktor,

Figur 4 viser et diagram til illustration af princip i udnyttelse af mekanisk dampeksplosion som forbehandling af halm før en bioethanolproces samt hovedprincipperne i bioethanolproces sen og hvor lignin ekstraheres i enzym reaktor, Figur 5 viser et diagram til illustration af princip i udnyttelse af mekanisk dampeksplosion som forbehandling af halm før en bioethanolproces samt hovedprincipperne i bioethanolproces sen og hvor lignin fjernes ved en presning,

Figur 6 viser et diagram til illustration af princip ved integration af mekanisk induceret damp-eksplosion i en bioethanolproces, som indeholder en typisk termokemisk eller anden reaktor til forbehandling, og Figur 7 viser en principiel opbygning af et biogasanlæg hvori der anvendes en stempelpresse til etablering af mekanisk dampeksplosion i en biomasse som forbehandling af biomassen før indføring i en bioreaktor.

Detaljeret beskrivelse af opfindelsen

Figur 1:

Illustrerer den tekniske indretning og virkemåden af mekanisk dampeksplosion af halm før en biogasproces.

I figur 1 anvendes følgende referencenumre: 11 er et stempelkammer; 12 er et stempel; 13 er en krumtap; 14 er løs halm; 15 er et reaktionskammer (rør) og 16 er komprimeret halm.

Figur 2:

Illustrerer et flowdiagram for udnyttelse af opfindelsen til produktion af bioethanol ud fra halm. Halmen 1) modtages, oprives og renses i en halmlinje før behandling i 2) presse samt eventuel supplerende hydrolyse før 3) oprivning af komprimeret halm til løs halm. Denne løse halm kan nu sprayes med eller tilsættes en passende blanding af vand og enzymer for gennemførelse af 4) blanding og forflydning, også kaldet dedikeret hydrolyse. Hydrolytiske enzymer tilsættes vand, og denne enzym-vand blanding tilsættes halmen således, at tørstofindholdet er optimalt i forhold til såvel hydrolyse som de resterende processer i den samlede bioethanol produktion. Det bemærkes, at opfindelsen gør det muligt at justere tørstof-vand-enzymforhold optimalt, idet halmen er forbehandlet i tør tilstand og ikke skal afvandes før hydrolyse, f.eks. fordi halmen ikke er blevet forbehandlet via konventionel damp-eksplosion i store mængder vand. Forflydningen, eller den dedikerede hydrolyse, sker optimalt i temperaturintervallet 40-80°C, typisk 50-55°C og ved pH 4-7, typisk pH 5,0-5,5. Varigheden af den dedikerede hydrolyse er 1-100 timer, typisk 24-72 timer, særligt 48 timer. Denne dedikerede hydrolyse kan udstrækkes yderligere via en membran enzymreaktor, hvor hydrolysen udstrækkes til en komplet nedbrydning af sukkerpolymere til sukker oligo- og monomere. Der opretholdes temperaturer og pH som er optimale for hydrolysen i membranreaktor, og en tilknyttet membran tillader alene opløste sukker oligo- og monomere at passere membranen, medens lignin, uomsat halm og enzymer tilbageholdes i enzymreaktor. Enzymmembran-systemet består typisk af en screening via en vibrerende sigte, tromlesigte, eller mikrosigte for tilbageholdelse af grovere partikler i enzymreaktor, typisk partikler mellem 10-200 pm (mikro meter), nærmere 50-150 pm og typisk under 100 pm. Dette screenede materiale filtreres nu over en membran, typisk en ultra-filtrations membran (UF-membran) med porestørrelser 10-100 nm (nano meter), nærmere 25-75 nm, og typisk omkring 50 nm. Sådanne membraner har en molekyleafskæring ’’molecular weight cut off (MWCO)” på 5-15.000 Dalton og typisk omkring 10.000 Dalton. Denne membran tillader sukker at passere, medens lignin tilbageholdes og udgør et lignin koncentrat. I en foretrukken konfiguration kombineres UF-filtration med en RO-filtration, hvorved de opløste sukkerarter koncentreres før forgæring, og hvor permeatet, det rene vand, recirkuleres til enzymreaktor eller før denne. Det koncentrerede sukker tilsættes 6) bioreaktor for forgæring til bioethanol, efterfølgende destillation mv. Processen omkring 5) enzym membranreaktor kan bestå af screening eller UF-membran alene eller i kombination, ligesom membran-systemet kan indehol de RO-filtration. Den vigtigste fordel, der knytter sig til systemet, er, at de opløste sukkerater - altså produktet af enzymaktiviteme - fjernes kontinuerligt, hvorved pro-duktinhibering af enzymerne elimineres. Desuden afkobles opholdstiden i enzym-membranreaktor af biomasse-partikler fra den hydrauliske opholdstid, hvilket også medvirker til en fuldstændig hydrolyse af biomassen. Endeligt koncentreres sukkerne i RO-anlæg til en optimal koncentration på 10-30%, typisk omkring 20%, hvilket sikrer en optimal ethanolkoncentration under forgæring og destillation.

Figur 3:

Illustrerer et flowdiagram for injektion af halm i biogasreaktor, hvor halmen modtages, oprives og rensens i en halmlinje før egentlig forbehandling i pressen. Den forbehandlede og komprimerede halm kan nu enten direkte eller indirekte tilføres en biogasreaktor, eller for den sags skyld anden reaktor. Her udnyttes det, at halmen såvel er forbehandlet, og derfor viskøs og let opløselig i reaktorvæsken, som komprimeret til høj specifik densitet på 0,5-1,5, nærmere 0,8-1,2 og typisk omkring 1. Det er centralt, at den komprimerede halm har en høj densitet, idet halmen derfor synker ind i væsken, hvor den i løbet af kort tid opslæmmes og fordeles i hele reaktorvæske-voluminet. Der dannes således ikke flydelag eller andet, der forhindrer omdannelse til biogas. Det er ligeledes centralt, at halmen har ændret karakter og er blevet stærkt viskøs - dvs. vandsugende -, idet denne egenskab tillader halmen at opslæmmes og fordeles i hele reaktorvæske-voluminet. Den direkte tilførsel kan ske ved at forbinde afgangs-røret, eller forlængerdysen, på pressen direkte til bioreaktor vel vidende, at her møder den komprimerede halmstreng i forlængerrøret en væske med et overtryk, der er proportionalt med væskehøjden i reaktor, f.eks. 1 bar eller mere. Imidlertid er den komprimerede halm i forlænger-røret så komprimeret og fremføres med så stort et overtryk (op til de nævnte 2000 bar) at halmen uden risiko for tilbageløb af væske, eller udstrømning af biogas, kan indføres i bunden af reaktor og derfor under væske-overfladen. Det er også muligt at tilføre halmen via andet sneglesystem, hvor en lang skråtstillet eller lodret transportsnegl fører halmen op til en kort skråtstillet fødesnegl, der udmunder under væskeoverfladen. Herved undgås ligeledes tilbageløb af væske samt at biogas undslipper. Halmen vil her ligeledes synke ned i reaktorvæsken og opslæmmes i løbet af kort tid. Med kort tid menes i løbet af 1-120 min, nærmere 30-90 min og typisk mindre end 1 time. Dette er kort tid i lyset af en typisk hydraulisk opholdstid i en biogasreaktor på 10-90 dage. Halmen kan ligeledes tilføres indirekte til bioreaktor via indblanding i anden biomasse, typisk flydende husdyrgødning, slam, spildevand og lignende, som tilføres bioreaktor via indpumpning. Der forefindes ofte en modtage grav eller modtage tank til flydende biomasse på et biogasanlæg, og her kan halmen tilsættes fra pressen, opslæmmes og indpumpes i bioreaktor med den øvrige biomasse. Såfremt forbehandling, kompression, lagring mv. foretages i decentrale opsamlingsstationer før transport til bioenergianlægget vil halmen typisk blive indført via anden transportsnegl eller andet slusesystem.

Figur 4:

Illustrerer et flowdiagram for en bioethanol proces konfiguration, hvor lignin fjernes efter forbehandling og før forgæring, jf. tillige Figur 2 (se denne). Forgæringen og destillationen er optimal, jf. beskrivelse under Figur 2, og idet forgæringen foregår uden væsentlige mængder lignin vil forgæringen resultere i en ren gær, der kan separeres fra destillatet ved centrifugering. Koncentratet fra centrifugen udgør en gærfraktion, medens rejektvandet udgør en tynd væskefraktion med rester af opløste sukker, gærceller, lignin mv., som med fordel kan afgasses i biogasreaktor for produktion af biogas samt for konditionering af væsken før RO-filtration og fremstilling af vinasse (K-gødning) til gødningsformål og rent vand til recirkulation. Eksempler på realistiske hovedtal for produktions strømme er anført i figuren. Input er 100.000 tons halm årligt eller 12,5 tons/h ved 8.000 driftstimer. Halmen antages bestående af 40 % cellulose, 30 % hemicellulose, 20 % lignin og 10 % vand.

Figur 5:

Illustrerer et flowdiagram for en situation hvor biomassen indeholder større mængder lignin og hvor der således er indført en specifik lignin ekstraktion efter forbehandling og før forgæring mv. Denne ligninekstraktion har den særlige fordel, at den forbehandlede halm, jf. opfindelsen, er tør og hygroskopisk og således kan tilsættes en væske, der er optimeret i forhold til ekstraktion af lignin. I en foretrukken konfiguration benyttes organiske syrer som citronsyre, mælkesyre, eddikesyre og lignende organiske syrer til ekstraktion af lignin ved 40-120°C, nærmere 60-100°C og typisk 80°C ved slut pH på 1-6, nærmere 2-4 og typisk pH3. Det bemærkes, at disse syrer kan tilsættes før pressen jf. opfindelsen; i givet fald tilsættes alene vand efter pressen for ligninekstraktion. Herved ekstraheres lignin og delvist hemicellulose samt kali-salte, medens rene cellulosefibre efterlades til det videre procesforløb. Ekstraktionen foregår ved, at en blanding af vand og organisk syre tilsættes den forarbejdede halm, hvorefter væsken efter henstand undergår mekanisk presning i et eller to trin. Cellulosefibrene går videre i processen, medens lignin-syreblandingen tilføres en biogasproces, hvor især hemicel-lulose og opløste sukkerarter samt de organiske syrer omsættes til biogas, medens lignin passerer biogasreaktor for efterfølgende at blive koncentreret via UF-membran. Efter UF-membran koncentreres K- salte i RO-membran, medens permeatet, det rene vand, recirkuleres til ny ekstraktion. De rene cellulosefibre tilføres enzymmembran-reaktor jf. figur 2 før forgæring og destillation, og endelig centrifugering for fremstilling af en ren gærfraktion. I figuren er anført eksempler på realistiske produktionstal og stofstrømme. Input er 100.000 tons halm årligt eller 12,5 tons/h ved 8.000 driftstimer. Halmen antages bestående af 40 % cellulose, 30 % hemicellulose, 20 % lignin og 10 % vand.

Figur 6:

Illustrerer mere detaljeret en såkaldt ’’whole slurry” proces konfiguration, hvor der efter forbehandling ikke sker en separation af lignin, men hvor hele den forbehandlede biomasse tilføres forgæring og destillation, og først efter destillationen separeres i hovedkomponenterne gær-celler, metan via en biogasproces, lignin og vinas se, hvor vinas se består af næringssalte, især kali, fosfor, og kvælstof. Konfigurationen indledes med indsamling og en første forarbejdning af halm via 1) en halmlinje, hvor halmen oprives til 1-20 cm, typisk 5-10 cm strålængder, og renses for urenheder via luftassisteret cyklon før en hammermølle, der yderligere reducerer strålængden til 0,1-5 cm typisk 1-2 cm før 2) forarbejdning i mekanisk presse, jf. opfindelsen herfor. Det er herunder muligt og sandsynligt, at halmen indsamles, forbehandles, kvalitetssikres, registreres, indvejes og lagres lokalt i decentrale opsamlingsstationer før transport til centralt bioenergianlæg. I det centrale bioenergianlæg tilsættes den komprimerede halm - altså i komprimeret form - en 3) termokemisk reaktor, hvor halmen efter behov tilsættes vand og udsættes for en supplerende hydrolyse via direkte injektion af damp således, at halmen udsættes for temperaturer mellem 60 - 220°C, typisk 120-180°C og især 140-60°C og inkuberes i passende tid, dvs. 1-120 min, typisk 10-60 min og især 30-40 min. Nu er halmen klar til 4) enzymatisk forflydning, også kaldet dedikeret hydrolyse, og passende enzymer tilsættes vand, og denne enzym-vand blanding tilsættes halmen således, at tørstofindholdet er optimalt i forhold til såvel hydrolyse som de resterende processer i den samlede bioethanol produktion. Det bemærkes, at opfindelsen gør det muligt at justere tørstof-vand-enzymforhold optimalt, idet halmen er forbehandlet i tør tilstand og ikke skal afvandes før hydrolyse. Det er på tilsvarende vis muligt at gennemføre en supplerende forbehandling i den nævnte termokemiske reaktor med et optimalt forhold mellem vand-tørstof og eventuelle katalysatorer. Forflydningen, eller den dedikerede hydrolyse, sker optimalt i temperaturintervallet 40-80°C, typisk 50-55°C og ved pH 4-7, typisk pH 5,0-5,5. Varigheden af den dedikerede hydrolyse er 1-100 timer, typisk 24-72 timer, særligt 48 timer. Forgæring og destillation 5, foregår i alt væsentligt som SSF forgæring (Simultaneous Saccharafication and Fermentation) altså samtidig forsukring og forgæring, og destillationen som vakuum dampdestillation, jf. kendte principper herfor. Et særligt træk er dog at forgæringen udstrækkes til 2-14 dage, typisk 8-12 dage og især 10 dage mod normalt 1-3 dage for konventionelt drevne anlæg. Dette for at opnå maksimal specifik ethanol produktion under samtidig hensyn til ligninindholdet i whole slurry systemet. Forgæring sker ved standard pH og temperaturer ligesom destillation sker ved standard betingelser herfor. Under separationen 6) indgår separation af gærceller fra destillatet via ny teknik tilpasset denne type destillat, med et indhold af gærceller. Destillatet udsættes for en ’’dissolved air flotation” altså injicerede og opløste luftbobler, der løfter gæren op til væskeoverfladen, hvor den bortledes fra væsken og centrifugeres. Herved opnås et rent gærsubstrat, der kan anvendes som proteinfoder. Restvæsken, med et indhold af opløst lignin, restmængder af sukker, gærceller og substrat tilføres en biofilm reaktor for produktion af biogas. Lignin passerer hovedsageligt biogasreaktoren, medens restsukker mv. omsættes til biogas. Efter bioafgasning indeholder væsken derfor en ren lignin fraktion og er velegnet til udfældning og ultra-filtration for separation af lignin. Der fremstilles herved en ren lignin fraktion. Samtidigt gør UF-filtrationen det muligt at separere opløste næringssalte fra restvæsken via en sluttelig RO-separation (RO: Reverse Osmosis; omvendt osmose) og inddampning. Koncentratet fra RO-separationen udgør vinasse, medens permeatet er rent vand, som recirkuleres til trin 3 og 4. Hermed er produktionsprocessen komplet og der fremstilles således bioethanol, gærsubstrat, methan, lignin og vinasse fra halmen.

Figur 7:

Illustrerer et anlæg, der omfatter en container 1 som indeholder en doseringssilo samt en presse af den type der er vist i Figur 1, to varmebehandling s snegle 2, et indførings-aggregat 3, en første conveyer 4, en bioreaktor 5, en påfyldningsenhed 6 samt en anden conveyer 7.

Det viste anlæg fungerer ved at biomasse i form af snittet halm, max længde 40 mm, fyldes i påfyldningsenheden 6.

Halmen føres videre via den anden conveyer 7 til doseringssiloen, der er en integreret del af containeren 1 og ned i pressen hvor der foretages en briketteringsproces. Efter briketteringsprocessen føres briketterne via et afgangsrør (også kaldet en forlængerdyse) på pressens reaktionskammer, til varmebehandlings sneglene 2. Varmebehandlingssneglene 2 kan indstilles i temperatur samt tiden for gennemløb. Varmebehandlingssneglene har en kapacitet på 750 - 1200 kg hvilket typisk svarer til en times produktion.

Conveyer 4 fører briketterne til indføringsaggregatet 3. Indføringsaggregatet 3 er udført med indføring af briketterne under væskeniveauet i bioreaktoren på en sådan måde at gas udslip fra bioreaktoren 5 ikke vil forekomme under indføringen af briketterne.

Alternativt kan briketterne af varmebehandlingssneglene 2 føres direkte fra stempelpressen ind i bunden af bioreaktoren 5 under væskeniveauet.

Claims (13)

1. Fremgangsmåde til behandling af en biomasse (for eksempel halm) med et indhold af lignocellulose, så cellulose og hemicellulose gøres tilgængelig for videre forarbejdning, typisk en nedbrydning, som fortrinsvis er en enzymatisk nedbrydning, kendetegnet ved at fremgangsmåden omfatter trin for: - gentagne komprimeringer af biomassen i en reciprokerende stempelpresse, hvor der til stadighed tilføres løs biomasse ind i et stempelkammer foran et stempel, der fører den løse biomasse ind i et rørformet reaktionskammer hvor biomassen komprimeres for etablering af en mekanisk inducering af vanddampeksplosion samt autohydrolyse under en samtidig forskydning af komprimeret biomasse gennem reaktionskammeret.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der opereres med tryk i biomassen på 500 til 3000 bar især mellem 1000 og 2500 bar under komprimeringen.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at stempelpressen indrettes så temperaturen i det mindste i en første del af reaktionskammeret er i intervallet fra 40 °C til 240 °C, fortrinsvis med typisk målbare temperaturer fra 60°C til 170°C, og særligt i intervallet mellem 60°C og 120°C.

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at biomassen imprægneres med gasarter og/eller baser eller syrer før indføring i stempelkammeret til forbehandling af lignocellulose.

5. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at enzymer og vand tilsættes efter komprimeringen og en efterfølgende oprivning af den komprimerede biomasse, fortrinsvis ved at blandingen af enzymer og vand sprayes over tør halm.

6. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at der den komprimerede biomasse oprives og smuldres efter passage ud af reaktionskammeret.

7. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at biomassen efter passage ud af reaktionskammeret føres til en enzymreaktor og en efterfølgende forgæring.

8. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at biomassen efter komprimeringen tilsættes til flydende husdyrgødning, flydende spildevandsslam med videre i et biogasanlæg for en efterfølgende biogasproces.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, kendetegnet ved, at der biomassen tilsættes ved et niveau under en overflade i biogasanlægget reaktortank.

10. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at der sker en supplerende hydrolyse efter biomassens passage ud af reaktionskammeret.

11. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at biomassen inden den tilføres stempelkammeret renses for sten, sand og andre urenheder.

12. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1 - 4 , kendetegnet ved, at biomassen efter passage ud af reaktionskammeret føres direkte til en reaktor, som vælges blandt en til en enzymreaktor, termokemisk reaktor, termoreaktor, kemoreak-tor, bioreaktor eller anden reaktor.

13. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1 - 4 , kendetegnet ved, at biomassen efter passage ud af reaktionskammeret lagres lokalt og efterfølgende behandling foretages i et centralt anlæg.