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Verfahren zur Herstellung von zuckerhaltigen Lösungen
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aus pflanzlichen Rohstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von zuckerhaltigen Lösungen aus pflanzlichen Rohstoffen durch saure
Hydrolyse des Rohstoffs mit anschließender Extraktion der gebildeten Zucker.
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Pflanzliche Rohstoffe, z.B. Holz, Nußschalen, Einjahrespflanzen usw.
bestehen hauptsächlich aus Lignin, Zellulose und Hemizellulose. Die Zellulose und
Hemizellulose sind aus Kohlehydraten aufgebaut, wobei in der Zellulose hauptsächlich
Hexosen enthalten sind, während in der Hemizellulose Pentosen vorherrschen. Durch
eine saure Hydrolyse können die ursprünglich in polymerer Form vorliegenden Kohlehydrate
als monomere Zucker in Lösung gebracht werden. Wegen dieser Zucker finden Pflanzen
oder Pflanzenteile als Rohstoff eine steigende Beachtung. So wird z.B, aus den Hydrolysaten
solcher Rohstoffe die Pentose D-(+)-xy:lose gewonnen und durch Hydrierung in den
Zuckeralkohol Xylit umgewandelt, der bereits in großen Mengen produziert wird. Weiterhin
werden zuckerhaltige Hydrolysate durch Fermentation zu Protein umgesetzt, das wiederum
als Viehfutter dient oder zur menschlichen Ernährung verwendet werden kann.
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Die Hydrolyse von Holz und anderen pflanzlichen Rohstoffen mit Säuren
ist ein bekannter Verfahrensschritt, ebenso die Gewinnung der bei der Hydrolyse
gebildeten Zucker durch Extraktion mit Wasser. Eine Übersicht über derartige Verfahren
gibt Th. Riehm in "Die Hefen, Bd. II, S. 82 - 113 (1962).
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~weiterhin ist in der DT-PS 15 67 350 ein solches Verfahren beschrieben
und in der DT-OS 24 58 386 eine Vorrichtung hierzu.
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Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die Auswaschung oder Extraktion
der gebildeten Zucker nach der Hydrolyse durch Perkolation geschieht, d.h. der pflanzliche
Rohstoff wird, gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur, mit dem zur Extraktion noAsendigen
Waschwasser oder auch mit dünner Zuckerlösung aus vorangegangenen Extraktionsstufen
versetzt und die angereicherte Zuckerlösung danach wieder abgezogen. Dabei kann
diese Auswaschung kontinuierlich oder absatzweise und im Gegenstrom geschehen.
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Teilweise wird das Abziehen der Zuckerlösung aus dem Rohstoff durch
Erhöhung des Dampf- oder Gasdruckes über der Flüssigkeit unterstützt.
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Bei einer 4rbeitaveise nach den genannten Verfahren und unter Hydrolysebedingungen,
bei denen nur die Hemizellulosen aufgeschlossen werden, gelingt es, unter Beachtung
von wirtschaftlichen Gesichtspunkten, etwa 70 % der im Rohstoff vorhandenen Pentosen
aussusaschen. Eine Erhöhung der Pentoseausbeute nach den bekannten Verfahren ist
durch Verschärfung der Hydrolysebedingungen mfar möglich, jedoch werden dabei bereits
Hexosen aus der Zellulose freigesetzt. Dadurch ergeben sich außerordentliche Schwierigkeiten
bei der Trennung von Hexosen und Pentosen, wenn die beiden Produkte, wie in den
meisten Fällen üblich, getrennt weiterverarbeitet werden sollten.
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Die bei der Extraktion des Rohstoffes gewonnenen Zuckerlösungen enthalten
meistens nicht mehr als 9 , Zucker. Eine Erhöhung der Konzentration ist in gewissen
Grenzen zwar möglich, dabei geht aber die Zuckerausbeute zurück. Für eine Weiterverarbeitung
der Lösungen zu reinen Produkten, wie z.B. bei der Herstellung von Xylose und Xylit,
wirken sich solch geringe
Konzentrationen nachteilig auf den Energieverbrauch
und damit auf die Kosten bei der Eindampfung der Lösungen aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese und andere Nachteile
der bekannten Verfahren zu vermeiden und die Wirtschaftlichireit bei der Herstellung
von zuckerhaltigen Lösungen aus pflanzlichen Rohstoffen zu erhöhen. Insbesondere
soll durch das vorgeschlagene Verfahren die durch die Hydrolyse aus dem Rohstoff
freigesetzten Zucker in hoher Reinheit und Ausbeute gewonnen werden. Außerdem soll
durch die Erfindung eine Erhöhung der Zucerkonzentration in den Lösungen bewirkt
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den pflanzlichen
Rohstoff in der Extraktionsstufe durch Einwirkung mechanischer Kräfte entwässert.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt man das
Extrahieren des Rohstoffs mit Wasser in mehreren Stufen durch.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß man
in jeder Stufe während des Extrahierens durch Einwirkung mechanischer Kräfte entwässert.
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Im Rahmen der Erfindung setzt man zum Entwässern des pflanzlichen
Rohstoffs Schneckenpressen ein.
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Das Verfahren der Erfindung kann sowohl absatzweise als auch vollkontinuierlich
durchgeführt werden, wobei man das Extrahieren des Rohstoffs un V oder die Entwässerung
kontinuierlich durchführt.
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Uberraschendenfeise zeigte sich, daß durch die Erfindung die Ausbeute
an Zucker erheblich gesteigert werden kann. Es werden
bei einer
Arbeitsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Ausbeuten an Zucker von deutlich
über 90 r0' erhalten.
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Selbst bei einer Verminderung der zur Extraktion venzendeten Waschwassermenge,
was eine Erhöhung der Zuckerkonzentration in der Lösung zur Folge hat, werden Zuckerausbeuten
gefunden, die weit über den Ausbeuten der bisher bekannten Verfahren liegen.
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Das erfindungsgemaße Verfahren ist nachstehend am Beispiel einer kontinuierlichen,
vierstufigen Arbeitsweise beschrieben und anhand der Zeichnung näher erläutert.
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In der Fig. bedeuten: 1 Zufuhr hydrolysierter Rohstoff, 2 Aufgabetrichter,
5 Dosiereinrichtung, 4 Mischbehalter erste Extralrtionsstufe, 5 mechanische Entwässerung
erste Extraktionsstufe, 6 SIischbehälter zweite Eftraktionsstufe, 1 mechanische
Entwässerung zweite Extraktionsstufe, 8 Mischbehälter dritte Extraktionsstufe, 2
mechanische Entwässerung dritte Extraktionsstufe, 10 Mischbehalter vierte Extraktionsstufe,
11 mechanische Entwässerung vierte Extraktionsstufe, 12 Behälter für extrahierten
und entwässerten Rohstoff, 13 Austrag für extrahierten und entwässerten Rohstoff,
14 Wasserbehälter, 15 Pumpe zur Förderung des Wassers, 16 Leitung für Wasser, 17
Pumpe zur Förderung der Zuckerlösung aus der vierten Extraktionsstufe, 18 Leitung
für Zuckerlösung in die dritte Extraktionsstufe, 19 Pumpe zur Förderung der Zuckerlösung
aus der dritten Extraktionsstufe, 20 Leitung für Zuckerlösung in zweite Extraktionsstufe,
21 Pumpe zur Förderung der Zuckerlösung in erste Extraktionsstufe, 22 Leitung für
Zuckerlösung in erste Extraktionsstufe, 25 Leitung für aufkonzentrierte Zuckerlösung
und 24 Sammelbehälter für aufkonzentrierte Zuckerlösung.
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Der hydrolysierte Rohstoff wird bei 1 über einen Aufgabetrichter 2
einer Dosiereinrichtung, in der Zeichnung als Dosierschnee
'je 3
dargestellt, zugeführt. Im Mischbehälter der ersten E=tra tionsstufe 4 wird dem
Rohstoff über die i'eitung 22 dünne Zuckerlösung aus nachfolgender zweiter Lx-traktionsstufe
zugegeben. Von hier aus gelangt der Rohstoff gemischt mit der dünnen Zuckerlösung
in die mechanische Entwässerung 5, in der Zeichnung dargestellt durch eine Schneckenpresse.
Die aufkonzentrierte Zuckerlösung verläßt die Schneckenpresse über die Leitung 23
und wird im Behälter 24 gesammelt, von wo aus sie einer weiteren VemYendung zugeführt
werden kann. Der entçässerte Rohstoff aus der ersten Extraktionsstufe wird durch
die Schneckenpresse 5 in den Mischbehälter 6 gefördert, dort mit der über die Leitung
20 zugeführten dünnen Zuckerlösung aus der nachfolgenden dritten Stufe gemischt,
und das Gemisch gelangt von da zur mechanischen Entwässerung in die Schneckenpresse
7 der zweiten Extraktionsstufe. Die aus der Presse ablaufende Zuckerlösung wird
mit der Pumpe 21 über die Leitung 22 zur ersten Extraktionsstufe gepvzpt. Völlig
analog wird in der dritten Extraktionsstufe gearbeitet (£lischebehälter 8, Schneckenpresse
9, Zuführleitung 18, Pumpe 19). In der vierten und letzten Extraktionsstufe wird
der entwässerte Rohstoff durch die Schneckenpresse 9 in den Mischbehälter 10 gefördert
und dort mit Wasser aus dem Behälter 14, das mit der Pumpe 15 über die Rohrleitung
16 in den ttischbehälter 10 gepumpt wird, gemischt. Die letzte mechanische Entwässerung
geschieht in der Schneckenpresse 11, von wo aus der extrahierte Rohstoff über den
Behälter 12 und die Austragsleitung 13 die Anlage verläßt. Die sehr dünne Zuckerlösung
aus der vierten Ertraktionsstufe wird aus der Schneckenpresse 11 mit der Pumpe 17
über die Leitung 18 in die dritte Extraktionsstufe zurückgefördert.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entwässerung
des Rohstoffes unter Einwirkung mechanischer Kräfte müssen nicht notwendigerweise
Schneckenpressen eingesetzt werden.
Geeignet sind alle an sich bekannten
Vorrichtungen, mit deren Hilfe eine mechanische Kraft auf den Feststoff ausgeübt
wird und die damit den Feststoff entwässern. Eine Schneckenpresse hat sich jedoch
für die Durchführung des Verfahrens als besonders geeignet ervriesen.
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Es ist nicht erforderlich, das Verfahren kontinuierlich und mehrstufig
durchzuführen. Oftmals ist der Prozeß der vorhergehenden Hydrolyse diskontinuierlich,
der hydrolysierte pflanzliche Rohstoff fällt chargenweise an. Die Extraktion des
Rohstoffes kann deshalb auch chargemseise erfolgen und folglich auch die erfindungsgemäße
mechanische Entwässerung des Rohstoffs. Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung,
daß das erfindungsgemäße Verfahren, einstufig oder mit einer von vier Stufen verschiedener
Stufenzahl durchgeführt werden kann. Die optimale Stufenzahl wird durch wirtschaftliche
Gesichtspunkte vorÓegeben .
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Beispiel 1 13,5 kg Bagasse mit einem Feuchtiglceitsgehalt von 12,6
Gew.% und einem Pentosegehalt von 31,2 Gew.5'o i.T. wird mit 2 %iger Scht;efelsäure
30 min lang bei 135 0C hydrolysiert. Der hydrolysierte Rohstoff wird absatztseise,
vierstufig im Gegenstrom mit 35 1 Wasser extrahiert, wobei der Feststoff in jeder
Stufe mit Hilfe einer Schneckenpresse auf einen Feuchtigkeitsgehalt z'1,ischen 60
und 65 % entwässert wird.
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Die anfallende zuckerhaltige Lösung hat einen Zuckergehalt von 8,1
Gew.% und der Bagasse-Rückstand enthält danach noch 2,9 Gew.5' Pentosen i.T.
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Ein Vergleichsversuch unter identischen Bedingungen, jedoch ohne erfindungsgemäße
Entwässerung mit einer Schneckenpresse
(Feuchtigkeitsgehalt im Rohstoff
ca. 82 Gew.%), ergab einen Zuc'ergehalt in der Lösung von nur 7,1 Gew.% und der
Bagasse-Rückstand enthielt noch 12,3 Gew.% Pentosen i.T.
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Beispiel 2 13,5 kg Bagasse wurden unter den gleichen Bedingungen wie
in Beispiel 1 hydrolysiert. Die Extraktion erfolgt ebenfalls absataçeise, vierstufig
im Gegenstrom und unter Entwässerung mit einer Schneckenpresse, jedoch werden nur
20 1 Wasser für die Extraktion verwendet.
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Der Gehalt an Zucker in der erhaltenen Lösung beträgt 13,4 Gew.%,
der Pentosegehalt im Rückstand 7,4 Gew.% i.T.
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Der gleiclle Versuch, jedoch ohne erfindungsgemäße mechanische Entwässerung
ergab folgende Werte: Zuckergehalt in der Lösung: 8,2 Gew.% Pentosegehalt im Rückstand:
19,9 Gew.°o i.T.
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Beispiel 3 32,5 kg zerkleinerte Buchenholzhackschnitzel ohne Rindenanteile
mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 31,2 Ge. und einem Pentosegehalt von 24,2 Gew.%
i.T. werden mit 1,5 einer Schwefelsäure 45 min lang bei 140°C hydrolysiert. Das
hydrolysierte Buchenholz wird absatzweise, dreistufig im Gegenstrom mit 40 1 Wasser
extrahiert, wobei der Feststoff in jeder Stufe mit Hilfe einer Schneckenpresse auf
einen Feuchtigkeitsgehalt von ca, 50 Gew.% entwässert wird.
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Folgende Ergebnisse werden erzielt: Zuckergehalt in der Lösung: 11,2
Gew.% Pentosegehalt im Rückstand: 1,8 Gew.%
Der gleiche Versuch,
jedoch ohne erfindungsgemäße mechanische Entwässerung (Feuchtigkeit im Feststoff
68 - 70 Gew.%) ergab folgende Werte: Zuckergehalt in der Lösung: 8,9 Gew.% Pentosegehalt
im Rückstand: 7,4 Gew.%
L e e r s e i t e