DE102019117573A1

DE102019117573A1 - Process for the production of thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials and their use

Info

Publication number: DE102019117573A1
Application number: DE102019117573.9A
Authority: DE
Inventors: Thilo Lehmann
Original assignee: LMENGINEERING GmbH; Verein Zur Foerderung Agrar und Stadtoekologischer Projekte Asp E V; Verein Zur Forderung Agrar- und Stadtokologischer Projekte (asp) E V
Current assignee: LMENGINEERING GmbH; Verein Zur Foerderung Agrar und Stadtoekologischer Projekte Asp E V; Verein Zur Forderung Agrar- und Stadtokologischer Projekte (asp) E V
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien, die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung zur Herstellung eines Pflanzensubstrats, eines Dämmstoffes, eines Kompositmaterials, eines Filtermaterials, eines Adsorptions- oder Absorptionsmittels eines Nahrungs- oder Arzneimittels, bevorzugt für Tiere, oder Tiereinstreus.The invention relates to a method for producing thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials, the thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials, a device for carrying out the method and the use of the method or the device for producing a plant substrate , an insulating material, a composite material, a filter material, an adsorbent or absorbent of a food or drug, preferably for animals, or animal litter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien, die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung zur Herstellung eines Pflanzensubstrats, eines Dämmstoffes, eines Kompositmaterials, eines Filtermaterials, eines Adsorptions- oder Absorptionsmittels, eines Nahrungs- oder Arzneimittels, bevorzugt für Tiere, oder Tiereinstreus.The invention relates to a method for producing thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials, the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials, a device for performing the method and the use of the method or the device for producing a plant substrate , an insulating material, a composite material, a filter material, an adsorbent or absorbent, a food or pharmaceutical, preferably for animals, or animal litter.

Torf ist aufgrund des hohen Porenanteils, der hohen Wasserspeicherfähigkeit, der Strukturstabilität und der Langzeitstabilität, der hohen lonenaustauschbarkeit und des geringen Nährstoffgehalts seit den 1960er-Jahren der mit großem Abstand wichtigste Ausgangsstoff für die Herstellung hochwertiger Kultursubstrate für den Erwerbs- und Freizeitgartenbau. Derzeit werden 12 Millionen Kubikmeter Torf pro Jahr für die Produktion von Kultursubstraten in Deutschland eingesetzt (Hehmann et al. 2017).Due to its high porosity, high water storage capacity, structural stability and long-term stability, high ion exchangeability and low nutrient content, peat has been by far the most important raw material for the production of high-quality growing media for commercial and horticultural horticulture since the 1960s. Currently, 12 million cubic meters of peat are used annually for the production of growing media in Germany (Hehmann et al. 2017).

Aufgrund der vorhandenen Umwelt- und Klimaprobleme soll Torf in Deutschland und der EU nur noch eingeschränkt gestochen und verbraucht werden und damit die Verwendung von Torf in Kultursubstraten und Blumenerden mittelfristig reduziert und perspektivisch eingestellt werden. Dieses Ziel ist auch im nationalen Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung (BMU, 2016) festgeschrieben.Due to the existing environmental and climate problems, peat should only be cut and consumed to a limited extent in Germany and the EU, and thus the use of peat in growing media and potting soil should be reduced in the medium term and discontinued in the future. This goal is also set out in the Federal Government's National Climate Protection Plan 2050 (BMU, 2016).

Alternative Ausgangsstoffe zu finden, die Torf in Kultursubstraten gleichwertig ersetzen können, wird daher zu einer zentralen Herausforderung für den Erwerbs- und Freizeitgartenbau.Finding alternative raw materials that can equally replace peat in growing media is therefore becoming a key challenge for commercial and horticultural horticulture.

Aktuell werden als organische Torfersatzprodukte in der EU vorrangig kompostierte Materialien (Grüngutkomposte und Rindenhumus), Holzfasern bzw. -häcksel und Kokosprodukte (Kokosfasern und Kokosstaub) eingesetzt (Schmilewski 2017). Die Torfersatzprodukte, wie Holzfasern, haben im Vergleich zu Torf verbesserte Werte hinsichtlich pH-Wert, Wasserbindevermögen und Luftporenvolumen und weisen zusätzlich einen höheren Zersetzungsgrad, eine beschleunigte Humifizierung, eine geringere Strukturstabilität und damit Stickstoffimmobilisierung auf.Currently, composted materials (compost and bark humus), wood fibers or chaff and coconut products (coconut fibers and coconut dust) are primarily used as organic peat substitute products in the EU (Schmilewski 2017). Compared to peat, peat substitute products, such as wood fibers, have improved values in terms of pH, water-binding capacity and air pore volume and also have a higher degree of decomposition, accelerated humification, lower structural stability and thus nitrogen immobilization.

WO 9503371 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Torfgranulatersatzmaterials aus Holzhäckseln oder Pflanzenrinde bei erhöhten Temperaturen unter Zusatz einer wässrigen Alkalilösung, um Hitze-labile Pflanzenpathogene abzutöten und zumindest teilweise Lignin zu lösen. Weiterhin beschreibt WO 9503371 A1 das Mahlen des Rindenmaterials zur Trennung der Cellulosefasern. WO 9503371 A1 describes a method for producing a peat granulate substitute material from wood chippings or plant bark at elevated temperatures with the addition of an aqueous alkali solution in order to kill heat-labile plant pathogens and at least partially dissolve lignin. Further describes WO 9503371 A1 grinding the bark material to separate the cellulosic fibers.

EP0923854B1 offenbart ein Verfahren und einen Extruder zur Herstellung eines Torfersatzproduktes aus Lignocellulose-haltigen Materialien durch einen physikalischchemischen Aufschluss durch Beaufschlagung mit Heißdampf. EP0923854B1 discloses a method and an extruder for the production of a peat substitute product from lignocellulose-containing materials by means of a physico-chemical digestion through the application of superheated steam.

Holzfasern werden mittels Aufschlussanlagen, wie in Doppelschneckenextrudern thermomechanisch oder in Refinern hydrothermal, gewonnen. Die Faserstruktur ist gewollt und bedingt den torfähnlichen Charakter. Die Fasern bzw. Faserbündel weisen eine Länge von maximal ca. 25 mm auf, ähnlich den Torfprodukten. Vorteilhaft weisen Holzfasern nur geringe Gehalte an Nährstoffen und Ballastsalzen sowie Schadstoffen auf und sind frei von pflanzenpathogenen Keimen. Weiterhin vorteilhaft verursachen Holzfasern im Gegensatz zu kompostierten Materialien keine Probleme durch einen hohen, stark gepufferten pH-Wert und haben vorteilhafte physikalische Eigenschaften.Wood fibers are obtained by means of digestion systems, such as thermomechanically in twin-screw extruders or hydrothermally in refiners. The fiber structure is intentional and causes the peat-like character. The fibers or fiber bundles have a maximum length of approx. 25 mm, similar to peat products. Wood fibers advantageously only have low levels of nutrients and ballast salts and pollutants and are free from phytopathogenic germs. In contrast to composted materials, wood fibers also advantageously cause no problems due to a high, strongly buffered pH value and have advantageous physical properties.

Ein Problem stellt allerdings die leichte mikrobielle Abbaubarkeit dar. Dadurch kommt es zu starken Sackungsverlusten sowie zu einer erheblichen Stickstoffimmobilisierung. Bei Holzfasern ist dieses Problem trotz langjähriger intensiver Forschungsaktivitäten noch immer nicht gelöst (Carlile et al. 2015). Die mikrobielle Abbaubarkeit birgt ein hohes Kulturrisiko für den Gärtner und verursacht Schwierigkeiten in der Logistik, da die Substrate kaum lagerfähig sind, weshalb der volumenmäßige Anteil von Holzfasern - wie auch bei anderen Cellulose-reichen Ausgangsmaterialien - auf etwa 20 Vol.-% bis 30 Vol.-% begrenzt ist. Um diesen Anteil zu steigern, muss die mikrobielle Abbaubarkeit deutlich verringert werden (Gruda 2012).One problem, however, is the easy microbial degradability. This leads to severe sagging losses and considerable nitrogen immobilization. In the case of wood fibers, this problem has still not been solved despite many years of intensive research activities (Carlile et al. 2015). The microbial degradability poses a high cultural risk for the gardener and causes difficulties in logistics, since the substrates can hardly be stored, which is why the proportion of wood fibers - as with other cellulose-rich starting materials - is around 20% to 30% by volume .-% is limited. In order to increase this proportion, the microbial degradability must be significantly reduced (Gruda 2012).

Weiterhin werden eine Vielzahl unterschiedlicher Biomasse- und Faserpflanzen, u. a. Hanf (Cannabis), Durchwachsene Silphie (Silphium perfoliatum), Sida (Sida hermaphordita), Topinambur (Helianthus tuberosus), Schilfrohr (Phragmites australis), Riesenchinaschilf (Miscanthus x giganteus), Pappel (Populus), Weide (Salix) oder Blauglockenbaum (Paulownia tomentosa), auf ihre Eignung als Substratausgangsstoff geprüft ( Lohr et al. 2014, Grießer 2016, Hehmann et al. 2017 ). Allerdings spielen diese Stoffe bisher mengenmäßig nur eine untergeordnete Rolle.Furthermore, a large number of different biomass and fiber plants, including hemp (cannabis), streaky silphie (Silphium perfoliatum), Sida (Sida hermaphordita), Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus), reed (Phragmites australis), giant chinese reed (Miscanthus x giganteus), poplar ( Populus), willow (Salix) or bluebell tree (Paulownia tomentosa), tested for their suitability as a substrate raw material ( Lohr et al. 2014, Grießer 2016, Hehmann et al. 2017 ). However, these substances have only played a subordinate role in terms of quantity.

Eine mögliche Alternative bietet der Einsatz von Biokohlen oder Pflanzenkohle, auch „Terra Preta“, in Kultursubstraten. Biokohlen werden energetisch aufwendig durch pyrolytische Verkohlung von Pflanzenmaterialien oder durch hydrothermale Carbonisierung (HTC) erzeugt. Vorteilhaft kann bei der Herstellung von HTC-Kohle auch feuchte Biomasse (z. B. Grünkernschnittabfälle oder Gärreste aus Biogasanlagen) umgesetzt werden (Lohr et al. 2015). Biokohle stellt aufgrund der pyrogenen Kohlenstoffdioxidabscheidung und -speicherung ein potentielles Mittel zur Kompensation von Kohlenstoffdioxidemissionen dar. Erst durch eine Kompostierung in Partikelform (staubähnlich) mit ca. 10 % Massenanteil weist die Biokohle und HTC-Kohle keine denitrifizierende Wirkung mehr auf, sondern pflanzenverfügbare Stickstoffverbindungen, wie z. B. Ammoniumverbindungen. Vorteilhaft weisen Biokohlen ein eingeschränktes Zersetzungsverhalten auf und können durch eine teilweise poröse Struktur Wasser, Mineralien und Dünger, aber nachteilig auch Gifte einlagern.A possible alternative is the use of biochar or biochar, also known as "terra preta", in growing media. In terms of energy, biochars are generated by pyrolytic carbonization of plant materials or by hydrothermal carbonization (HTC). Moist biomass (e.g. green core waste or fermentation residues from biogas plants) can also be used to advantage in the production of HTC coal (Lohr et al. 2015). Biochar represents due to the pyrogenic Carbon dioxide capture and storage represent a potential means of offsetting carbon dioxide emissions. Only through composting in particle form (similar to dust) with approx. 10% mass fraction does biochar and HTC coal no longer have a denitrifying effect, but plant-available nitrogen compounds, such as. B. ammonium compounds. Advantageously, biochar has a limited decomposition behavior and can store water, minerals and fertilizer due to a partially porous structure, but disadvantageously also poisons.

Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von Torfersatzprodukten mit einer verbesserten Langzeitstabilität bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide a method for producing peat substitute products with improved long-term stability.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch das Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien umfassend die Schritte

a) Bereitstellen mindestens eines Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials,
b) Vortemperierung des mindestens einen Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials mittels Heißdampf,
c) Thermomechanische Modifizierung mittels Bioextruder und
d) Torrefizierung.

According to the invention, the object is achieved by the method for producing thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials comprising the steps

a) providing at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial,
b) preheating of the at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial by means of superheated steam,
c) Thermomechanical modification using a bioextruder and
d) torrefaction.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren umweltschonend. Vorteilhaft weisen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien eine hohe Porosität, einen verringerten Zersetzungsgrad, ein höheres Speichervermögen, insbesondere Wasserspeichervermögen; und verbesserte Dämmeigenschaften als unmodifizierte Biomaterialien auf. Weiterhin vorteilhaft weisen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien eine gute Durchwurzelbarkeit, Pflanzenverträglichkeit und Kationenaustauschkapazität auf.The method according to the invention is advantageously environmentally friendly. The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials produced with the method according to the invention advantageously have a high porosity, a reduced degree of decomposition, a higher storage capacity, in particular water storage capacity; and improved insulation properties than unmodified biomaterials. The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials produced with the method according to the invention also advantageously have good rooting properties, plant compatibility and cation exchange capacity.

Bevorzugt erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Reihenfolge der Schritte a), b), c) und d).The process according to the invention is preferably carried out with a sequence of steps a), b), c) and d).

In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das mindestens eine Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial aus Holz, Holzstoff, Rinden, Bambus, Hanf (Cannabis), Durchwachsene Silphie (Silphium perfoliatum), Sida (Sida hermaphordita), Topinambur (Helianthus tuberosus), Schilfrohr (Phragmites australis), Riesenchinaschilf (Miscanthus x giganteus), Pappel (Populus), Weide (Salix), Blauglockenbaum (Paulownia tomentosa), pflanzlichen Verarbeitungsrückständen und Reststoffen ausgewählt.In embodiments of the method according to the invention, the at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial made of wood, wood pulp, bark, bamboo, hemp (cannabis), streaked silphie (Silphium perfoliatum), Sida (Sida hermaphordita), Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) , Reed (Phragmites australis), giant chinese reed (Miscanthus x giganteus), poplar (Populus), willow (Salix), bluebell tree (Paulownia tomentosa), plant processing residues and residues.

Unter dem Begriff „Reststoffe“ werden verholzte Pflanzenmaterialien verstanden, die bei der Grünschnittaufbereitung oder Kompostierung als Grobanteil abgetrennt werden, bevorzugt ausgesiebt werden (Siebüberlauf).The term “residues” refers to lignified plant materials that are separated as a coarse fraction during green waste processing or composting, preferably sieved out (sieve overflow).

Bevorzugt sind Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterialien verholzte Pflanzenmaterialien. Unter einem verholzten Pflanzenmaterial wird ein aus der Natur gewonnenes Pflanzenmaterial mit Lignineinlagerungen in den Zellwänden verstanden.Cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials are preferred, lignified plant materials. A woody plant material is understood to mean a plant material obtained from nature with lignin deposits in the cell walls.

In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das mindestens eine verholzte Pflanzenmaterial aus Holz, Holzstoff, Rinden, Bambus und pflanzlichen Verarbeitungsrückständen ausgewählt.In embodiments of the method according to the invention, the at least one woody plant material is selected from wood, wood pulp, bark, bamboo and plant processing residues.

Vorteilhaft kann auch qualitativ schlechtes Holz, insbesondere von Rotfäule befallenes Holz, für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.Wood of poor quality, in particular wood infested with red rot, can also advantageously be used for the method according to the invention.

Bevorzugt ist das mindestens eine verholzte Pflanzenmaterial aus pflanzlichen Verarbeitungsrückständen, insbesondere Nussschalen, Sägerestholz und Holz aus Kurzumtriebsplantagen ausgewählt. Viele dieser Pflanzenmaterialien fallen vorteilhaft als Abfall bzw. preiswerte Reststoffe an.The at least one lignified plant material is preferably selected from plant processing residues, in particular nutshells, sawmill residues and wood from short rotation plantations. Many of these plant materials are advantageously produced as waste or inexpensive residues.

Das mindestens eine Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial wird bevorzugt zerkleinert eingesetzt, z. B. als Hackschnitzel, Pellets, Späne, Fasern, Holzmehl oder Pulver.The at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial is preferably used in comminuted form, e.g. B. as wood chips, pellets, shavings, fibers, wood flour or powder.

In einer Ausführungsform erfolgt die Vortemperierung in Schritt b) ohne Heißwasser.In one embodiment, the preheating in step b) takes place without hot water.

Zweckmäßig erfolgt die Vortemperierung in Schritt b) bei einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 105°C.The preheating in step b) is expediently carried out at a temperature in the range from 60.degree. C. to 105.degree.

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Vortemperierung in Schritt b) mittels Heißwasser.In an alternative embodiment, the preheating in step b) takes place by means of hot water.

In einer Ausführungsform erfolgt die Vortemperierung in Schritt b) in einer Temperiereinheit, bevorzugt einem Turmerhitzer oder Wasserbad. In einer Ausführungsform erfolgt die Vortemperierung in Schritt b) für 3 min bis 6 min, bevorzugt 4 min.In one embodiment, the preheating in step b) takes place in a temperature control unit, preferably a tower heater or water bath. In one embodiment, the preheating in step b) takes place for 3 minutes to 6 minutes, preferably 4 minutes.

Unter einem „Bioextruder“ wird eine Aufschlussapparatur und ein Intensivmischer für biologisches Material verstanden. Erfindungsgemäß erfolgt bei der thermomechanischen Modifizierung mittels Bioextruder eine Auffaserung des temperierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterials. Vorteilhaft erfolgt bei der thermomechanischen Modifizierung mittels Bioextruder durch wechselnde Druck-Entspannungszonen ein Aufschluss bis ins Zellgefüge, Zellwände werden perforiert, Bindekräfte im Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial werden verringert, das Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial plastifiziert und Inkrusten, insbesondere Lignin, aus den Zellen gelöst. Zweckmäßig ist an Zonen mit höherem Druck eine höhere Temperatur gebunden und bei Entspannung erfolgt unter Dampfdruck ein Zellaufschluss längs der Zelle.A “bioextruder” is a digestion apparatus and an intensive mixer for biological material. According to the invention, during the thermomechanical modification by means of a bioextruder, the temperature-controlled one frays Cellulosic and / or hemicellulosic biomaterials. The thermomechanical modification by means of bioextruders advantageously results in a breakdown into the cell structure through alternating pressure relaxation zones, cell walls are perforated, binding forces in the cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterial are reduced, the cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial plasticizes and incrustations , especially lignin, is released from the cells. A higher temperature is expediently bound to zones with higher pressure and, when the pressure is released, cells are disrupted along the cell under steam pressure.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien ist der Bioextruder ein Doppelschneckenextruder, insbesondere ein Doppelschneckenextruder wie in DE 10 2012 200 167 B4 offenbart.In one embodiment of the method according to the invention for the production of thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials, the bioextruder is a twin screw extruder, in particular a twin screw extruder as in FIG DE 10 2012 200 167 B4 disclosed.

Zweckmäßig erfolgt die thermomechanische Modifizierung bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 200 °C, bevorzugt im Bereich von 160 °C bis 180 °C.The thermomechanical modification is expediently carried out at a temperature in the range from 100.degree. C. to 200.degree. C., preferably in the range from 160.degree. C. to 180.degree.

In Ausführungsformen erfolgt die thermomechanische Modifizierung für 5 s bis 60 s, je nach Drehzahl und Gangzahl.In embodiments, the thermomechanical modification takes place for 5 s to 60 s, depending on the speed and number of gears.

Unter einer „Torrefizierung“ wird eine thermische Modifizierung von Biomaterialien, insbesondere Pflanzenmaterialien, ohne Luftzufuhr verstanden. Dabei kommt es zu einer Zersetzung der Biomaterialien, insbesondere einem Abbau von Cellulose und/oder Hemicellulose, und zu einer Trocknung der Biomaterialien und Austragung flüchtiger Stoffe, insbesondere Terpene. Vorteilhaft wird die massen- und volumenbezogenen Energiedichte des Biomaterials sowie die Transportwürdigkeit erhöht. In einer Ausführungsform erfolgt eine Reduzierung des Gewichts im Bereich von 25 Masse-% bis 26 Masse-%. Weiterhin vorteilhaft wird durch die Torrefizierung die mikrobiologische Abbaubarkeit der Biomaterialien verringert und damit die Stabilität erhöht.A “torrefaction” is understood to mean a thermal modification of biomaterials, in particular plant materials, without the supply of air. This leads to a decomposition of the biomaterials, in particular a breakdown of cellulose and / or hemicellulose, and to a drying of the biomaterials and the discharge of volatile substances, in particular terpenes. The mass and volume-related energy density of the biomaterial as well as the transportability are advantageously increased. In one embodiment, the weight is reduced in the range from 25% by mass to 26% by mass. The torrefaction also advantageously reduces the microbiological degradability of the biomaterials and thus increases the stability.

Zweckmäßig wird durch die Torrefizierung eine Hygienisierung erreicht, wodurch pathogene Keime, Pilze und/oder Pflanzensamen in den Biomaterialien abgetötet werden.The torrefaction expediently achieves a hygienization, whereby pathogenic germs, fungi and / or plant seeds in the biomaterials are killed.

Vorteilhaft wird durch die Torrefizierung keine Kompostierung der thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien nötig, wohingegen bei durch eine Pyrolyse hergestellte Biokohle und HTC-Kohle eine Kompostierung in Partikelform (staubähnlich) mit ca. 10 % Massenanteil bis zu einem Jahr nötig ist, um die Pflanzenverfügbarkeit des Substarts herzustellen.The torrefaction advantageously means that no composting of the thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials is necessary, whereas biochar and HTC charcoal produced by pyrolysis require composting in particle form (similar to dust) with a mass fraction of around 10% for up to one year is to establish the plant availability of the substrate.

Zweckmäßig erfolgt die Torrefizierung bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 300 °C, bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 180 °C bis 260 °C. Vorteilhaft wird bei Temperaturen unter 300°C eine Verkrustung der Zellen und die Bildung kristalliner Verbindungen verhindert.The torrefaction is expediently carried out at a temperature in the range from 100.degree. C. to 300.degree. C., preferably at a temperature in the range from 180.degree. C. to 260.degree. At temperatures below 300 ° C, encrustation of the cells and the formation of crystalline compounds are advantageously prevented.

In Ausführungsformen erfolgt die Torrefizierung für 2 min bis 20 min, bevorzugt 3 min bis 6 min. Vorteilhaft wird durch den Einsatz zerkleinerter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien und/oder den Voraufschluss bei der thermomechanischen Modifizierung in Schritt c) eine wesentliche Verkürzung der Verweilzeit der Torrefizierung erreicht. Weiterhin vorteilhaft wird der Energieeinsatz gegenüber groben Material wesentlich verringert.In embodiments, the torrefaction takes place for 2 minutes to 20 minutes, preferably 3 minutes to 6 minutes. The use of comminuted cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials and / or the pre-digestion in the thermomechanical modification in step c) advantageously results in a significant reduction in the residence time of the torrefaction. The use of energy is also advantageously reduced significantly compared to coarse material.

In einer Ausführungsform erfolgt die Torrefizierung unter Sauerstoff-Reduzierung. Unter einer „Sauerstoff-Reduzierung“ wird ein Gasgemisch umfassend Sauerstoff mit einem Anteil von maximal 20 Vol.-%, bevorzugt unter 10 Vol.-%, verstanden.In one embodiment, the torrefaction takes place with a reduction in oxygen. An “oxygen reduction” is understood to mean a gas mixture comprising oxygen with a proportion of at most 20% by volume, preferably less than 10% by volume.

In bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Torrefizierung unter einer Wasserdampfatmosphäre, bevorzugt durch eine Einleitung von Heißdampf; und/oder unter Gaszufuhr, bevorzugt durch eine Zufuhr von Argon, Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff. Bevorzugt erfolgt die Torrefizierung unter einer Wasserdampfatmosphäre durch eine Einleitung von Heißdampf.In preferred embodiments, the torrefaction takes place under a steam atmosphere, preferably by introducing superheated steam; and / or with a gas supply, preferably by a supply of argon, carbon dioxide or nitrogen. The torrefaction is preferably carried out under a steam atmosphere by introducing superheated steam.

Bevorzugt wird das mindestens eine Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial weiterhin zur Erzeugung des Heißdampfes in Schritt b) und/oder einer Temperaturerhöhung zur thermomechanischen Modifizierung in Schritt c) und/oder einer Temperaturerhöhung zur Torrefizierung in Schritt d) verwendet. Vorteilhaft wird für die thermomechanische Modifizierung und die Torrefizierung Energie aus dem Stoffstrom heraus verwendet.The at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial is preferably also used to generate the superheated steam in step b) and / or a temperature increase for thermomechanical modification in step c) and / or a temperature increase for torrefaction in step d). Energy from the material flow is advantageously used for the thermomechanical modification and torrefaction.

In einer weiteren Ausführungsform werden 5 Masse-% bis 20 Masse-% des Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials zur Erzeugung des Heißdampfes verwendet.In a further embodiment, 5% by mass to 20% by mass of the cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial are used to generate the superheated steam.

Vorteilhaft ist eine Erzeugung des Heißdampfes durch das mindestens eine Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial ein umweltschonendes Verfahren.A generation of the superheated steam by the at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial is an environmentally friendly method.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Temperaturerhöhung in Schritt b), in Schritt c) und/oder in Schritt d) durch einen Wärmetauscher, bevorzugt betrieben mit Thermoöl oder einem anderen geeigneten Energieträger.In a further embodiment, the temperature is increased in step b), in step c) and / or in step d) by means of a heat exchanger, preferably operated with thermal oil or another suitable energy source.

In einer Ausführungsform werden bei der Torrefizierung anfallende Brüden kondensiert. Unter „Brüden“ wird ein Wasser-gesättigtes Gas oder Gasgemisch verstanden, welches unter anderem bei einem Trocknungsverfahren von Feststoffen, insbesondere Biomaterialien, entsteht. Bevorzugt erfolgt die Kondensation der Brüden mit einer Brüdenkondensationseinheit. Unter einer „Brüdenkondensationseinheit“ wird eine Apparatur zur Kondensation der Brüden und Ableitung nicht-kondensierbarer Gase oder Gasgemische verstanden.In one embodiment, vapors produced during torrefaction are condensed. “Vapors” are understood to mean a water-saturated gas or gas mixture which, among other things, arises from a drying process for solids, in particular biomaterials. The vapors are preferably condensed using a vapor condensation unit. A “vapor condensation unit” is understood to mean an apparatus for condensing the vapors and discharging non-condensable gases or gas mixtures.

Bevorzugt werden bei der Brüdenkondensation anfallende sekundäre Inhaltsstoffe des Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials, insbesondere Isoprenoide oder aromatische Begleitstoffe, aufgefangen. Bei der Brüdenkondensation anfallende Isoprenoide können unter anderem Harze, Kautschuk oder ätherische Öle, insbesondere Terpene, sein. Bei der Brüdenkondensation anfallende aromatische Begleitstoffe können unter anderem Phenole, Gerbstoffe oder Flavonoide sein. Vorteilhaft wird durch die Verwertung bei der Brüdenkondensation anfallender sekundärer Inhaltsstoffe des Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials, insbesondere als ätherisches Öl oder Pflanzenstärkungsmittel; die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht.Secondary constituents of the cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial, in particular isoprenoids or aromatic accompanying substances, are preferably collected during the vapor condensation. Isoprenoids obtained during vapor condensation can be, inter alia, resins, rubber or essential oils, especially terpenes. Aromatic accompanying substances occurring during vapor condensation can include phenols, tannins or flavonoids. The utilization of secondary constituents of the cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial, in particular as essential oil or plant tonic, which occurs during vapor condensation is advantageous; the economy of the process according to the invention is further increased.

Besonders bevorzugt erfolgt eine Nutzung der Brüdenkondensationswärme zur Erzeugung des Heißdampfes in Schritt b) und/oder einer Temperaturerhöhung zur thermomechanischen Modifizierung in Schritt c). Vorteilhaft wird durch die Nutzung der Brüdenkondensationswärme zur Erzeugung des Heißdampfes ein umweltschonendes Verfahren erhalten.The heat of vapor condensation is particularly preferably used to generate the superheated steam in step b) and / or to increase the temperature for thermomechanical modification in step c). An environmentally friendly process is advantageously obtained by using the heat of vapor condensation to generate the superheated steam.

In weiteren Ausführungsformen umfasst das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt, wobei der weitere Schritt eine enzymatische Modifizierung der thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien, bevorzugt nach dem Schritt d), ist. Bevorzugt werden zur enzymatischen Modifizierung Oxidoreduktasen, besonders bevorzugt Oxygenasen und/oder Laccasen; Weißfäulepilze und/oder Bakterien verwendet. Vorteilhaft wird durch die enzymatische Modifizierung die Hydrophobizität der thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien verringert.In further embodiments, the method comprises at least one further step, the further step being an enzymatic modification of the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials, preferably after step d). Oxidoreductases, particularly preferably oxygenases and / or laccases, are preferred for enzymatic modification; White rot fungi and / or bacteria used. The enzymatic modification advantageously reduces the hydrophobicity of the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials.

Bevorzugt erfolgt die enzymatische Modifizierung der thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien durch Aufsprühen einer Enzymlösung.The enzymatic modification of the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials is preferably carried out by spraying on an enzyme solution.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt, wobei der weitere Schritt eine Beladung der thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien mit Nährstoffen nach dem Schritt d) ist. Bevorzugt werden zur Beladung mit Nährstoffen stickstoffhaltige Reststoffe aus der Landwirtschaft, insbesondere Gärreste; Lebensmittelindustrie, insbesondere Vinasse; oder tierische Reststoffe, insbesondere Schafwolle; verwendet.In a further embodiment, the method comprises at least one further step, wherein the further step is loading the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials with nutrients after step d). For loading with nutrients, nitrogenous residues from agriculture, in particular fermentation residues, are preferred; Food industry, especially vinasse; or animal residues, especially sheep's wool; used.

Gegenstand der Erfindung sind auch thermisch modifizierte Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterialien erhältlich durch das erfindungsgemäße Verfahren.The invention also relates to thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials obtainable by the process according to the invention.

Vorteilhaft weisen die erfindungsgemäßen thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien eine große Oberfläche und ein großes Luftporenvolumen, einen geringen Zersetzungsgrad, ein hohes Speichervermögen, insbesondere Wasserspeichervermögen; eine geringe Stickstoffimmobilisierung und gute Dämmeigenschaften auf. Weiterhin vorteilhaft weisen die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien eine gute Durchwurzelbarkeit, Pflanzenverträglichkeit und Kationenaustauschkapazität auf.The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials according to the invention advantageously have a large surface area and a large air pore volume, a low degree of decomposition, a high storage capacity, in particular water storage capacity; low nitrogen immobilization and good insulation properties. The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials also advantageously have good root penetration, plant compatibility and cation exchange capacity.

Somit weisen die erfindungsgemäßen thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien einen torfähnlichen Charakter auf, wobei die Stabilität im Vergleich zu Torf erhöht ist.Thus, the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials according to the invention have a peat-like character, the stability being increased compared to peat.

Die Pflanzenverträglichkeit wird mittels Pflanzenkeim-Test nach ISO 17126 und Test der Hemmwirkung auf das frühe Pflanzenwachstum nach DIN ISO 11269-2 bestimmt. Die Stickstoffimmobilisierung wird mittels Zöttl-Test bestimmt.The plant compatibility is determined by means of the plant germ test according to ISO 17126 and the test of the inhibitory effect on early plant growth according to DIN ISO 11269-2. The nitrogen immobilization is determined using the Zöttl test.

Weiterhin vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien frei von pathogenen Keimen, Pilzen und/oder Pflanzensamen.The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials according to the invention are also advantageously free from pathogenic germs, fungi and / or plant seeds.

Gegenstand der Erfindung sind auch thermisch modifizierte Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien erhalten durch das erfindungsgemäße Verfahren.The invention also relates to thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials obtained by the process according to the invention.

In Ausführungsformen weisen die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien eine Rohdichte im Bereich von 50 g/l bis 150 g/l, einen Porenanteil im Bereich von 92 Vol.-% bis 98 Vol.-%, eine Wasseraufnahmekapazität im Bereich von 60 Vol.-% bis 92 Vol.-%, eine Luftaufnahmekapazität im Bereich von 48 Vol.-% bis 75 Vol.-% und/oder einen Zersetzungsgrad im Bereich von 20 Masse-% bis 40 Masse-% auf.In embodiments, the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials have a bulk density in the range from 50 g / l to 150 g / l, a pore proportion in the range from 92% by volume to 98% by volume, a water absorption capacity in Range from 60 vol .-% to 92 vol .-%, an air absorption capacity in the range from 48 vol .-% to 75 vol .-% and / or a degree of decomposition in the range from 20 mass% to 40 mass%.

In Ausführungsformen weisen die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien Faserbündel mit einer Länge im Bereich von 1 bis25 mm, bevorzugt 1 mm bis 15 mm, auf. Vorteilhaft bedingt die Faserstruktur verbesserte Eigenschaften, u. a. einen geringen Zersetzungsgrad, ein hohes Speichervermögen, insbesondere Wasserspeichervermögen; und gute Dämmeigenschaften; gegenüber partikelförmigen Pflanzensubstraten, wie Biokohle.In embodiments, the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials have fiber bundles with a length in the range from 1 to 25 mm, preferably 1 mm to 15 mm mm, on. The fiber structure advantageously results in improved properties, including a low degree of decomposition, a high storage capacity, in particular water storage capacity; and good insulation properties; compared to particulate plant substrates such as biochar.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder zur Herstellung der thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien umfassend

i) eine Temperiereinheit,
ii) einen Bioextruder, wobei der Bioextruder mit der Temperiereinheit verbunden ist,
iii) eine Einheit zur Torrefizierung, wobei die Einheit zur Torrefizierung mit dem Bioextruder verbunden ist.

The invention also provides a device for carrying out the method according to the invention or for producing the thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials

i) a temperature control unit,
ii) a bioextruder, the bioextruder being connected to the temperature control unit,
iii) a unit for torrefaction, the unit for torrefaction being connected to the bioextruder.

In einer Ausführungsform ist die Temperiereinheit ein Turmerhitzer oder ein Wasserbad. Bevorzugt ist die Temperiereinheit mit einer Dosiereinheit verbunden.In one embodiment, the temperature control unit is a tower heater or a water bath. The temperature control unit is preferably connected to a metering unit.

Unter einem „Bioextruder“ wird eine Aufschlussapparatur und ein Intensivmischer für biologisches Material verstanden. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Bioextruder ein Doppelschneckenextruder, insbesondere ein Doppelschneckenextruder wie in DE 10 2012 200 167 B4 offenbart.A “bioextruder” is a digestion apparatus and an intensive mixer for biological material. In one embodiment of the device according to the invention, the bioextruder is a twin screw extruder, in particular a twin screw extruder as in FIG DE 10 2012 200 167 B4 disclosed.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Einheit zur Torrefizierung mit einem Heißdampferzeuger oder Wärmetauscher verbunden. In weiteren Ausführungsformen ist der Heißdampferzeuger oder Wärmetauscher mit der Einheit zur Torrefizierung und dem Bioextruder und/oder der Temperiereinheit verbunden. Bevorzugt ist der Heißdampferzeuger oder Wärmetauscher mit der Einheit zur Torrefizierung und dem Bioextruder und der Temperiereinheit verbunden.In a further embodiment, the torrefaction unit is connected to a superheated steam generator or heat exchanger. In further embodiments, the superheated steam generator or heat exchanger is connected to the torrefaction unit and the bioextruder and / or the temperature control unit. The superheated steam generator or heat exchanger is preferably connected to the torrefaction unit and the bioextruder and the temperature control unit.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einheit zur Torrefizierung mit einer Brüdenkondensationseinheit verbunden.In a preferred embodiment, the torrefaction unit is connected to a vapor condensation unit.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Brüdenkondensationseinheit weiterhin mit der Temperiereinheit und/oder dem Bioextruder und/oder der Dosiereinheit verbunden. Bevorzugt ist die Brüdenkondensationseinheit weiterhin mit der Temperiereinheit und dem Bioextruder verbunden.In a further embodiment, the vapor condensation unit is also connected to the temperature control unit and / or the bioextruder and / or the metering unit. The vapor condensation unit is preferably also connected to the temperature control unit and the bioextruder.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Einheit zur Torrefizierung einen Injektor zur Einleitung eines Gases, bevorzugt Kohlenstoffdioxid, Argon, Stickstoff oder Heißdampf.In a further embodiment, the torrefaction unit comprises an injector for introducing a gas, preferably carbon dioxide, argon, nitrogen or superheated steam.

Bevorzugt ist die Einheit zur Torrefizierung weiterhin mit einer Einheit zur enzymatischen Modifizierung verbunden.The unit for torrefaction is preferably also connected to a unit for enzymatic modification.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Pflanzensubstrats, eines Dämmstoffes, eines Kompositmaterials, eines Filtermaterials, eines Adsorptions- oder Absorptionsmittels, insbesondere eines Ölbinders; eines Nahrungs- oder Arzneimittels, insbesondere für Tiere, oder Tiereinstreus.Another aspect of the invention relates to the use of the method according to the invention or the device according to the invention for producing a plant substrate, an insulating material, a composite material, a filter material, an adsorbent or absorbent, in particular an oil binder; of a food or drug, especially for animals, or animal litter.

Die Herstellung eines Ölbinders erfolgt zum Abbau bzw. zur Entfernung von Ölverschmutzungen von der Wasseroberfläche in Meeren, Flüssen, Binnengewässern sowie Rückhaltebecken oder Abwasserbehandlungsanlagen. Durch den Einsatz von biologisch abbaubaren Ölbindern wird die Kontamination der Gewässer, in die der Binder ausgebracht wird, verhindert.An oil binder is produced to break down or remove oil pollution from the surface of the water in seas, rivers, inland waterways and retention basins or wastewater treatment plants. The use of biodegradable oil binders prevents contamination of the waters into which the binder is applied.

In einer Ausführungsform sind Arzneimittel insbesondere für Tiere, Arzneimittel für eine orale Applikation, insbesondere zur Behandlung des Magen-Darm-Trakts, z. B. Kohletabletten.In one embodiment, medicaments are especially for animals, medicaments for oral administration, especially for the treatment of the gastrointestinal tract, e.g. B. charcoal tablets.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren oder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Pflanzensubstrat, Dämmstoff, Filtermaterialien, Adsorptions- oder Absorptionsmittel, Tiereinstreu, in Holz-Plastik-Kompositmaterialien (Wood-Plastic-Composites, WPC), Faser-Zement-Verbindungen oder Faser-Ton-Verbindungen.Another aspect of the invention relates to the use of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials produced by the method according to the invention or with the device according to the invention as a plant substrate, insulating material, filter materials, adsorbents or absorbents, animal litter, in wood-plastic composite materials ( Wood-plastic composites, WPC), fiber-cement compounds or fiber-clay compounds.

Vorteilhaft schont die Verwendung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien als Pflanzensubstrat die Ressource Torf und trägt damit zum Erhalt von Torfmooren als Lebensraum und Kohlenstoffdioxidspeicher bei. Weiterhin vorteilhaft weisen die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien eine höhere Langlebigkeit als unmodifizierte Biomaterialien auf, wodurch geringe Mengen des Torfersatzproduktes in Pflanzensubstraten eingesetzt werden müssen. Weiterhin vorteilhaft ermöglichen die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien den Humusaufbau bzw. eine Bodenverbesserung im Erwerbs- und Freizeitgartenbau.The use of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials as a plant substrate advantageously protects the resource peat and thus contributes to the preservation of peat bogs as a habitat and carbon dioxide storage. The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials also advantageously have a longer service life than unmodified biomaterials, as a result of which small amounts of the peat substitute product have to be used in plant substrates. The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials also advantageously enable humus build-up or soil improvement in commercial and horticultural horticulture.

Vorteilhaft weisen die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien eine Nährstoffzusammensetzung auf, welche geeignet für den Gartenbau ist und eine Langzeitdüngung ermöglicht. Weiterhin vorteilhaft erfolgt deren Herstellung mit einer geringeren Kohlenstoffdioxidemission, da ein höherer Anteil Kohlenstoff in den Biomaterialien erhalten bleibt. Durch den geringen Zersetzungsgrad werden Emissionen im Vergleich zu Torf oder anderen nicht torrefizierten Biomaterialien in Pflanzensubstraten verringert. Torrefizierte langzeitstabile Faserstoffe sind eine Kohlenstoffdioxidsenke.The thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials advantageously have a nutrient composition which is suitable for horticulture and enables long-term fertilization. Also advantageously takes place their manufacture with lower carbon dioxide emissions, since a higher proportion of carbon is retained in the biomaterials. The low degree of decomposition reduces emissions compared to peat or other non-torrefied biomaterials in plant substrates. Torrefied fibers with long-term stability are a carbon dioxide sink.

Vorteilhaft bieten die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien einen günstigen Lebensraum für Mikroorganismen.The thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials advantageously offer a favorable habitat for microorganisms.

Aufgrund des Ausgangsstoffes der Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien für die Herstellung von Pflanzensubstraten können lokale Wirtschaftskreisläufe genutzt und nachhaltige Landnutzungskonzepte ermöglicht werden.Due to the raw material of the cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials for the production of plant substrates, local economic cycles can be used and sustainable land use concepts can be made possible.

Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.To implement the invention, it is also expedient to combine the embodiments and features of the claims described above.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.The invention will be explained in more detail below on the basis of a few exemplary embodiments and associated figures. The exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it.

Es zeigt die

1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend eine Dosiereinheit (4), die das mindestens eine Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial (7) in die Temperiereinheit (1) dosiert, einen Bioextruder (2), eine Einheit zur Torrefizierung (3), in der die thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien (8) erhalten werden, einen Heißdampferzeuger (5), welcher mit der Temperiereinheit (1), dem Bioextruder (2) und der Einheit zur Torrefizierung (3) verbunden ist; und eine Brüdenkondensationseinheit (6), welche Brüden bei der thermomechanischen Modifizierung in dem Bioextruder (2) und der Torrefizierung auffängt und kondensiert, wodurch sekundäre Inhaltsstoffe des Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials (9) gewonnen werden, und die Brüdenkondensationswärme in die Temperiereinheit (1) und die Dosiereinheit (4) leitet.

It shows the

1 a scheme of a device according to the invention comprising a dosing unit ( 4th ), which contain at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial ( 7th ) into the temperature control unit ( 1 ) dosed, a bioextruder ( 2 ), a torrefaction unit ( 3 ), in which the thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials ( 8th ), a superheated steam generator ( 5 ), which is connected to the temperature control unit ( 1 ), the bioextruder ( 2 ) and the torrefaction unit ( 3 ) connected is; and a vapor condensation unit ( 6th ), which vapors during the thermomechanical modification in the bioextruder ( 2 ) and the torrefaction and condenses, whereby secondary ingredients of the cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterial ( 9 ) and the vapor condensation heat in the temperature control unit ( 1 ) and the dosing unit ( 4th ) directs.

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Holzfasern mit einer Leistung für 12 m³/h:Process for the production of thermally modified wood fibers with an output for 12 m ³ / h:

Das Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Holzfasern erfolgt mit einer Vorrichtung nach 1. Vorzerkleinerte Biomasse (7), insbesondere Hackschnitzel aus Fichtenholz in einer Kantlänge 30x30x10 mm (G30), wird mit einem Fördergerät (Radlader, Gabelstapler, Band, Schnecke u.a.) in eine Dosiereinheit (4) aufgegeben. Diese ist ein Kratzkettendosierermit einem Volumen von 12 m³. Mittels am Boden befindlichem drehzahlgeregeltem Grundkratzsystem wird die Biomasse kontinuierlich langsam gefördert. Ein in Front befindliches schräges Kratzerband, das höhenverstellbar ist und damit einen einstellbaren Spalt zum Grundkratzerband bildet, sorgt für einen geregelten Austrag und eine einstellbare Dosiermenge ohne Brückenbildung und unregelmäßige Abrisse.The process for the production of thermally modified wood fibers takes place with a device according to 1 . Pre-shredded biomass ( 7th ), in particular wood chips made of spruce wood with an edge length of 30x30x10 mm (G30), is fed into a dosing unit with a conveyor (wheel loader, forklift, belt, screw etc.) 4th ) given up. This is a scraper chain feeder with a volume of 12 m ³ . The biomass is continuously and slowly conveyed by means of a speed-controlled basic scraper system located on the floor. An inclined scraper belt in the front, which is height adjustable and thus forms an adjustable gap to the basic scraper belt, ensures a regulated discharge and an adjustable dosage without bridging and irregular breaks.

Die Biomasse fällt in eine Temperiereinheit (1), ein temperiertes, isoliertes Wasserbad mit 95°C bis 100°C. Die Biomasse verweilt mindestens 5 Minuten im Wasserbad, wird erhitzt, erweicht und benetzt. Dabei erreichen die Hackschnitzel eine Temperatur von ca. 90°C. Die Biomasse wird durch eingebaute Paddel unter das Wasser gedrückt und nach der Verweilzeit durch eh nach oben führendes Kratzerband aus dem Wasserbad gefördert. Überschusswasser wird wieder in das Wasserbad zurückgeführt. Ständig wird Heißwasser, dass mit der Biomasse ausgetragen wird, nachgeführt. Das Wasserbad ist isoliert und eingehaust. Schwere Störstoffe (Steine, Metalle u.a.) sinken im Wasserbad ab und werden seitlich nach oben mittels Kratzerband oder Schnecke ausgetragen.The biomass falls into a temperature control unit ( 1 ), a temperature-controlled, insulated water bath with 95 ° C to 100 ° C. The biomass remains in the water bath for at least 5 minutes, is heated, softened and wetted. The wood chips reach a temperature of approx. 90 ° C. The biomass is pressed under the water by built-in paddles and, after the dwell time, is conveyed out of the water bath by a scraper belt that leads upwards anyway. Excess water is returned to the water bath. The hot water that is discharged with the biomass is constantly fed. The water bath is insulated and enclosed. Heavy contaminants (stones, metals, etc.) sink in the water bath and are discharged laterally upwards by means of a conveyor belt or a screw.

Die erweichten Hackschnitzel werden durch das nach oben laufende Kratzerband einem modifizierten Bioextruder (2) zugeführt. Durch seine Anordnung und Form der gegenläufigen robusten Schnecken erfolgt eine Auffaserung durch einen thermo-mechanischen Prozess. Die ineinanderlaufenden Schnecken bilden große Volumina und Engstellen, wo sie aneinander kämmen. Damit entstehen Druck- und Entspannungszonen. Bei jeder Umdrehung wird das große Volumen an den Engstellen verdichtet und vorbeigeführt. Das erzeugt eine höhere Temperatur mit nachfolgender Entspannung. Der in den Zellen und der Biomasse gebildete Dampfdruck schließt die Zellstrukturen auf (mehrfacher Steam-Explosion-Effekt). Längs der Zellwand wird bis ins Zellgefüge aufgefasert. Es bilden sich Zellstrukturen, Faserbündel und Öffnungen in der Zellwand. Die Desintegration mit wechselnden Temperaturzuständen, Walkprozessen und Druckwechselverhältnissen lösen Lignine an und auf und führen zu einer vergrößerten Oberfläche. Die Faser wird dabei auf Grund der Reibung und durch den thermo-mechanischen Effekt erhitzt und bis in die Zellstruktur aufgelöst. Dabei entsteht Brüden.The softened wood chips are transferred to a modified bioextruder ( 2 ) supplied. Due to its arrangement and shape of the robust counter-rotating screws, the fibers are frayed by a thermo-mechanical process. The intertwining screws form large volumes and narrow spaces where they mesh with one another. This creates pressure and relaxation zones. With each rotation, the large volume is compressed and moved past the narrow passages. This creates a higher temperature with subsequent relaxation. The vapor pressure formed in the cells and the biomass opens up the cell structures (multiple steam explosion effect). Along the cell wall, fibers are drawn into the cell structure. Cell structures, fiber bundles and openings in the cell wall are formed. The disintegration with changing temperature conditions, flexing processes and pressure change conditions loosen and dissolve lignins and lead to an enlarged surface. The fiber is heated due to the friction and the thermo-mechanical effect and dissolved into the cell structure. This creates vapors.

Der modifizierte Bioextruder (2) ist ein MSZ B 110 S3 mit verlängertem Schneckensystem. Ihm wird die Torrefizierungseinheit (3) nachgeschaltet. Diese ist ähnlich einem Doppelschneckenextruder aufgebaut, allerdings mit zwei Schnecken vom Durchmesser 500mm. Sie laufen aneinander mit einer Länge von bis 5m, entsprechend des durchzusetzenden Volumens. Die wählbare Drehzahl sichert eine Verweilzeit von ca. 10 Minuten. Das Gehäuse ist gekapselt und druckfest ausgeführt bis max. 40 bar. Vom Bioextruder (2) wird das vorverdchtete aufgefaserte Substrat dosiert gekapselt zugeführt. Der Austrag aus der Torrefizierungseinheit erfolgt über eine querliegende Schnecke, die gegen einen Kegel drückt. Dieser Kegelgegendruck ist einstellbar, ebenso die Drehzahl der Austragsschnecke. Das sichert das ungeregelte Austragen des Substrates und des Dampfdruckes. Die Torrefizierung erfolgt mittels Dampf, der regelbar zwischen 220 °C bis 300 °C eingetragen werden kann. Über einstellbare Druckventile werden überschüssige Brüden in eine Brüdenkondensationseinheit (6) abgeführt. Diese Einheit dient der Abkühlung des Dampfes an gekühlten Flächen und der Nutzung der beinhalteten Energie zur Aufheizung des Wasserbades der Temperiereinheit. Das kalte, zuzuführende Wasser dient der Kondensation und Wärmeabführung.The modified bioextruder ( 2 ) is an MSZ B 110 S3 with an extended screw system. The torrefaction unit ( 3 ) downstream. This is similar to a twin screw extruder built up, but with two screws with a diameter of 500mm. They run together with a length of up to 5m, according to the volume to be enforced. The selectable speed ensures a dwell time of approx. 10 minutes. The housing is encapsulated and made pressure-resistant up to max. 40 bar. From the bioextruder ( 2 ) the suspected frayed substrate is supplied encapsulated and dosed. The discharge from the torrefaction unit takes place via a transverse screw that presses against a cone. This cone counter pressure can be adjusted, as can the speed of the discharge screw. This ensures the uncontrolled discharge of the substrate and the vapor pressure. The torrefaction takes place by means of steam, which can be regulated between 220 ° C and 300 ° C. Excess vapors are discharged into a vapor condensation unit ( 6th ) discharged. This unit is used to cool the steam on cooled surfaces and to use the energy it contains to heat the water bath of the temperature control unit. The cold water to be supplied is used for condensation and heat dissipation.

Bei der Kondensation während der Torrefizierung entstehen Terpene, die als Pflanzenstärkungsmittel und für die Bekämpfung von Ungeziefer (Blattläuse) eingesetzt werden können (9).The condensation during torrefaction creates terpenes that can be used as plant strengtheners and to combat vermin (aphids) (9).

Das aus der Torrefizierungseinheit (3) kommende faserige Torfersatzmaterial (8) wird auf ein belüftetes Siebband zur Abkühlung und Trocknung abgelegt und kann weiterführend in BigBags, Säcken oder lose verarbeitet und als Torfersatz dem Substrat beigemischt werden.That from the torrefaction unit ( 3 ) upcoming fibrous peat substitute material ( 8th ) is placed on a ventilated sieve belt for cooling and drying and can be further processed in BigBags, sacks or loose and added to the substrate as a peat substitute.

Die notwendige Wärme wird aus dem Ausgangssubstratstrom, hier Hackschnitzel, in einer Ofenanlage zur Dampferzeugung gewonnen.The necessary heat is obtained from the starting substrate stream, here wood chips, in a furnace to generate steam.

In einer alternativen Ausführung wird der Strom aus einem mit Heizöl betriebenen Stromaggregat hergestellt und die Abwärme für den Prozess genutzt, das Kühlwasser für die Wasserbaderwärmung und die Abgase für die Torrefizierung. Damit wäre die Anlage autark auch mobil oder semimobil einsetzbar.In an alternative embodiment, the electricity is generated from a generator set that runs on heating oil and the waste heat is used for the process, the cooling water for heating the water bath and the exhaust gases for torrefaction. This means that the system can also be used autonomously in a mobile or semi-mobile manner.

Zitierte NichtpatentliteraturNon-patent literature cited

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Lohr D, Richter D, Meinken E (2014) Siebrückstände aus der Faserhanfaufbereitung als Torfersatzstoff. Versuche im deutschen Gartenbau 2014. Zierpflanzen, 1-6 . Lohr D, Richter D, Meinken E (2014) Sieve residues from fiber hemp processing as a peat substitute. Trials in German horticulture 2014. Ornamental plants, 1-6 .

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BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: TemperiereinheitTemperature control unit
22: BioextruderBioextruder
33: Einheit zur TorrefizierungTorrefaction unit
44th: DosiereinheitDosing unit
55: HeißdampferzeugerSuperheated steam generator
66th: BrüdenkondensationseinheitVapor condensation unit
77th: mindestens ein Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiges Biomaterialat least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial
88th: torrefizierte Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterialientorrefied cellulosic and / or hemicellulosic biomaterials
99: Kondensierte BrüdenCondensed vapors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Hehmann D, Kraska T, Völkering G, Pude R (2017) Mehrjähige Biomassepflanzen als Ausgangsstoff für Kultursubstrate: Einfluss auf Substrateigenschaften und Pflanzenentwicklung. Bundesverband der Hochschulabsolventen/Ingenieure Gartenbau und Landschaftsarchitektur e. V. (BHGL) - 51 [0086]Hehmann D, Kraska T, Völkering G, Pude R (2017) Perennial biomass plants as starting material for growing media: Influence on substrate properties and plant development. Federal Association of University Graduates / Engineers Horticulture and Landscape Architecture e. V. (BHGL) - 51 [0086]
Lohr D, Meinken E (2015) Verbesserung der pflanzenbaulichen Eignung von HTC-Kohle durch eine Co-Kompostierung. Versuche im deutschen Gartenbau 2015. Gemüsebau, 1-5 [0087]Lohr D, Meinken E (2015) Improving the suitability of HTC coal for plant cultivation through co-composting. Trials in German horticulture 2015. Vegetable growing, 1-5 [0087]
Lohr D, Richter D, Meinken E (2014) Siebrückstände aus der Faserhanfaufbereitung als Torfersatzstoff. Versuche im deutschen Gartenbau 2014. Zierpflanzen, 1-6 [0088]Lohr D, Richter D, Meinken E (2014) Sieve residues from fiber hemp processing as a peat substitute. Trials in German horticulture 2014. Ornamental plants, 1-6 [0088]
Schmilewski G (2017) Growing media constituents used in the EU in 2013. International Symposium on Growing Media, Composting and Substrate Analysis - SusGro2015. Acta Horticulturae 1168, 85-92 [0089]Schmilewski G (2017) Growing media constituents used in the EU in 2013. International Symposium on Growing Media, Composting and Substrate Analysis - SusGro2015. Acta Horticulturae 1168, 85-92 [0089]

Claims

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien umfassend die Schritte a) Bereitstellen mindestens eines Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials, b) Vortemperierung des mindestens einen Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterials mittels Heißdampf, c) Thermomechanische Modifizierung mittels Bioextruder und d) Torrefizierung.A method for the production of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials comprising the steps a) providing at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial, b) preheating of the at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial by means of superheated steam, c) Thermomechanical modification using a bioextruder and d) torrefaction.

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial ausgewählt ist aus Holz, Holzstoff, Rinden, Bambus, Hanf, Durchwachsene Silphie, Sida, Topinambur, Schilfrohr, Riesenchinaschilf, Pappel, Weide, Blauglockenbaum und pflanzlichen Verarbeitungsrückständen.Process for the production of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials according to Claim 1 , characterized in that the at least one cellulosic and / or hemicellulosic biomaterial is selected from wood, wood pulp, bark, bamboo, hemp, streaky Silphie, Sida, Jerusalem artichoke, reed, giant cinchona, poplar, willow, bluebell tree and plant processing residues.

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Torrefizierung bei einer Temperatur im Bereich von 180 °C bis 260 °C erfolgt.Process for the production of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials according to Claim 1 or 2 , characterized in that the torrefaction takes place at a temperature in the range from 180 ° C to 260 ° C.

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, die Torrefizierung unter einer Wasserdampfatmosphäre und/oder unter Gaszufuhr, bevorzugt von Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff, erfolgt.Process for the production of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the torrefaction takes place under a water vapor atmosphere and / or with a gas supply, preferably of carbon dioxide or nitrogen.

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterial weiterhin zur Erzeugung des Heißdampfes in Schritt b) und/oder einer Temperaturerhöhung zur thermomechanischen Modifizierung in Schritt c) und/oder einer Temperaturerhöhung zur Torrefizierung in Schritt d) verwendet wird.Process for the production of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the at least one cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterial is also used to generate the superheated steam in step b) and / or a temperature increase for thermomechanical modification in step c) and / or a temperature increase for torrefaction in step d) becomes.

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Torrefizierung anfallende Brüden kondensiert werden.Process for the production of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that vapors occurring during torrefaction are condensed.

Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt umfasst, wobei der weitere Schritt eine enzymatische Modifizierung der thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien, bevorzugt nach dem Schritt d), ist.Process for the production of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the method comprises at least one further step, the further step being an enzymatic modification of the thermally modified cellulose- and / or hemicellulose-containing biomaterials, preferably after step d).

Thermisch modifizierte Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltige Biomaterialien erhalten durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials obtained by the method according to one of the Claims 1 to 7th .

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder zur Herstellung der thermisch modifizierten Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltigen Biomaterialien nach Anspruch 8 umfassend i) eine Temperiereinheit (1) ii) einen Bioextruder (2), wobei der Bioextruder (2) mit der Temperiereinheit (1) verbunden ist, iii) eine Einheit zur Torrefizierung (3), wobei die Einheit zur Torrefizierung (3) mit dem Bioextruder (2) verbunden ist.Device for carrying out the method according to one of the Claims 1 to 7th or for the production of the thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials according to Claim 8 comprising i) a temperature control unit (1) ii) a bioextruder (2), wherein the bioextruder (2) is connected to the temperature control unit (1), iii) a unit for torrefaction (3), the unit for torrefaction (3) with the bioextruder (2) is connected.

Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Temperiereinheit (1) mit einer Dosiereinheit (4) verbunden ist.Device according to Claim 9 , wherein the temperature control unit (1) is connected to a metering unit (4).

Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Einheit zur Torrefizierung (3) mit einem Heißdampferzeuger oder Wärmetauscher (5) verbunden ist.Device according to Claim 9 or 10 , wherein the torrefaction unit (3) is connected to a superheated steam generator or heat exchanger (5).

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Einheit zur Torrefizierung (3) mit einer Brüdenkondensationseinheit (6) verbunden ist.Device according to one of the Claims 9 to 11 , wherein the torrefaction unit (3) is connected to a vapor condensation unit (6).

Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Brüdenkondensationseinheit (6) weiterhin mit der der Temperiereinheit (1) und/oder dem Bioextruder (2) und/oder der Dosiereinheit (4) verbunden ist.Device according to Claim 12 , the vapor condensation unit (6) still being connected to that of the temperature control unit (1) and / or the bioextruder (2) and / or the dosing unit (4).

Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 zur Herstellung eines Pflanzensubstrats, eines Dämmstoffes, eines Kompositmaterials, eines Filtermaterials, eines Adsorptions- oder Absorptionsmittels, eines Nahrungs- oder Arzneimittels, bevorzugt für Tiere, oder Tiereinstreus.Use of the method according to one of the Claims 1 to 7th or the device according to one of the Claims 9 to 13th for the production of a plant substrate, an insulating material, a composite material, a filter material, an adsorbent or absorbent, a food or medicine, preferably for animals, or animal litter.

Verwendung thermisch modifizierter Cellulose- und/oder Hemicellulose-haltiger Biomaterialien hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 als Pflanzensubstrat, Dämmstoff, Filtermaterialien, Adsorptions- oder Absorptionsmittel, Tiereinstreu, in Holz-Plastik-Kompositmaterialien (Wood-Plastic-Composites, WPC), Faser-Zement-Verbindungen oder Faser-Ton-Verbindungen.Use of thermally modified cellulose and / or hemicellulose-containing biomaterials produced by the method according to one of the Claims 1 to 7th or with the device according to one of the Claims 9 to 13th as a plant substrate, insulating material, filter materials, adsorbents or absorbents, animal litter, in wood-plastic composite materials (wood-plastic composites, WPC), fiber-cement compounds or fiber-clay compounds.