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Verfahren zur Druckbehandlung von pflanzliehen Rohstoffen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckbehandlung von pflanzlichen Rohstoffen, die einer chemischen Vorbehandlung nicht unterworfen worden sind, zwecks Herstellung von zellstoff- ähnlichem Material und/oder aus diesem ausgepressten Flüssigkeiten. Sie ist insbesondere geeignet zur Entfernung von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Saft, Harz, Zucker, medizinischen Substanzen usw. aus den cellulosehaltigen Stoffen von solchen lebenden Pflanzen, wie beispielsweise Baumholz, Getreidehalmen, Zuckerrohr, Bananenstengel, Blätter, wie beispielsweise von Aloe, Hanf usw., Wurzeln, Stielen, Gräsern und andern Pflanzenstoffen, die eine verhältnismässig zähe, längliche Faserstruktur aufweisen.
Die Erfindng bezweckt, ein Verfahren zu schaffen, wodurch die flüssigen und die festen Bestandteile pflanzlicher Stoffe oder anderer Materialien in schnellwirkender Weise voneinander getrennt werden können, wodurch z. B. eine im wesentlichen vollständige Entfernung flüssiger Stoffe bei einem einzigen Durchgang des Rohstoffes durch eine geeignete Einrichtung erzielt werden kann. Es können dadurch wertvolle Flüssigkeiten und Cellulose aus verschiedenen Substanzen gewonnen werden, aus denen die Gewinnung beider Substanzen oder mindestens einer bislang unmöglich oder unpraktisch war, und es können diese Stoffe in Formen erhalten werden, in den sie bisher nicht auf den Markt gekommen sind.
Erfindungsgemäss werden die Rohstoffe einer Druckbehandlung in einer Ring-und Walzenpresse bei Drücken von 700 bis 18. 000 kg je Zentimeter der Linie höchsten Pressdruckes unterworfen, wobei die Rohstoffe von unten her so zwischen Ring und Walze der Presse hindurchgeführt werden, dass der darauf ausgeübte nachgiebige Druck allmählich in der Längsrichtung der Faserstruktur der Ausgangsstoffe fortschreitet und genügt, um den grösseren Teil der hierin enthaltenen Flüssigkeit bei einer einzigen Anwendung des Druckes auszupressen.
Vorteilhafterweise werden dabei die Rohstoffe der Pressbehandlung unterworfen, solange noch im wesentlichen der ganze ursprüngliche Flüssigkeitsgehalt vorhanden ist, so dass dieser Flüssigkeitsgehalt während des Zeitpunktes der höchsten Druckwirkung als Schutzpolster dient und verhindert, dass die Ausgangsstoffe zu einer kompakten Masse zusammengepresst werden oder dass die enthaltenen Fasern zerbrochen werden und mit der weiteren Wirkung, dass die ausgetriebene, wegströmende Flüsigkeit auch die bei der Pressbehandlung entstehende Hitze wegleitet.
Wenn als Rohstoffe Blätter, wie beispielsweise Aloe, verwendet werden oder Halme oder Stengel wie beispielsweise Banenenstengel, oder Getreidehahne oder Zuckerrohr, Stiele, Wurzeln, Gras, dann können sie unmittelbar in die Maschine in der Längsrichtung des Blattes, Halmes usw. vorzugsweise mit dem dünnen Ende vorwärts eingeschoben werden. Wenn es sich um dicke Rohstoffe, wie beispielsweise Holz von Bäumen, handelt, dann kann dieses vorher in Streifen oder Bretter geschnitten werden.
Wenn die Rohstoffe grün oder frisch abgeschnitten sind, dann wird gewöhnlicherweise ihr natürlicher Flüssigkeitsgehalt genügend Flüssigkeit freiwerden lassen, um die gewünschten Bestandteile wegzuspülen oder wegzubefördern und eine Überhitzung der cellulosehaltigen Stoffe oder deren Veränderung hintanzuhalten und diese während der zur Herbeiführung der mechanischen Trennung angewendeten, sehr grossen Druckbeanspruchung sozusagen gegeneinander zu polstern. Wenn aber die Rohstoffe zu trocken sind, dann können sie durch Eintauchen in Wasser oder andere geeignete Flüssigkeiten angefeuchtet werden.
Als Ergebnis der Erfindung werden im wesentlichen alle Säfte, Harze und andern Flüssigkeiten und in den Pflanzenstoffen enthaltenen herauspressbaren Stoffe abgetrennt nnd die Cellulose verbleibt
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in losem, porösem und faserigem Zustand und kann vorteilhaft zur Erzeugung von Papier, Wandplatten, Kunstseide, Cellulosefolien und andern handelsüblichen Celluloseprodukten verwendet werden. Der Umstand, dass hohe Drücke plötzlich zur Wirkung gelangen, hat offenbar zur Folge, dass die Zellen zersprengt und die darin enthaltenen Flüssigkeiten freigemacht werden, wodurch Cellulose in sehr porösem faserigem Zustand zurückbleibt.
Dadurch, dass die Rohstoffe in der Längsrichtung durch die Druckzone hindurchgeführt werden, besteht das Bestreben, die Fasern in der Längsrichtung auseinanderzuspalten, wodurch eine Verkürzung der Fasern während der Anwendung des Druckes auf das Mindestmass herabgesetzt wird. Das Zersprengen der Poren und Zellen, das sich aus dem Umstand ergibt, dass der Druck auf die unzusammendrückbaren Flüssigkeiten in den Zellen und Poren des behandelten Materials vorteilhafterweise schneller zur vollen Wirkung gebracht wird, als dieses ausweichen kann, bewirkt ein Zerreissen von innen her und eine Ausdehnung der Stoffe, wodurch das Volumen der sich bei der Behandlung ergebenden Masse gegenüber dem ursprünglichen Volumen sehr vergrössert wird.
Die Grösse des angewendeten Druckes kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Ausmass des Entfernens der Flüssigkeiten und der Verwendung, welche das cellulosehaltige Material finden soll, gewählt werden. Beispielsweise ist die Faserlänge bei der Verwendung der Cellulose in der Kunstseidenindustrie oder beim Verbrennen nicht wesentlich, und es können die höchsten Drücke angewendet werden, um ein nahezu vollständiges Entfernen der Flüssigkeiten zu bewirken. Für die Verwendung des Produktes zur Erzeugung von Papier hingegen ist es wünschenswert, weniger hohe Drücke anzuwenden, um eine übermässige Verkürzung der Faserlänge und ein übermässiges Erhitzen der festen Bestandteile zu vermeiden.
Der erforderliche Druck kann auf die pflanzlichen Rohstoffe, die im Naturzustand verschiedenartige Bestandteile enthalten, in der Weise zur Wirkung gebracht werden, dass diese Bestandteile im wesentlichen in den gleichen Mengenverhältnissen und in dem gleichen Zustand daraus entfernt werden, in welchem sie in der lebenden Substanz vorhanden sind. Infolgedessen können diese Bestandteile in richtigen und geeigneten Mengenverhältnissen sowie mit den zugehörigen Enzymen und Kanalysatoren für Verdauung gewonnen werden. Die Stärkekörper und Proteine der Pflanzenstoffe können dadurch mit den Enzymen in solcher Weise vereinigt werden, dass ihre Verdaubarkeit unterstützt wird und hochwertige Lebensmittel für menschlichen und tierischen Verbrauch geschaffen werden. Die
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die Pflanzenzucht von Vorteil sind.
Die Möglichkeit, Enzyme, andere Katalysatoren usw. aus dem Rohstoff abzusondern, ergibt zugleich den Vorteil, dass eine Beeinträchtigung der Güter der Cellulose vermieden wird, welche sonst leicht eintritt, wenn die genannten Stoffe in den verarbeiteten, also nicht mehr lebenden Stoffen verbleiben ; der nach dem Pressen verbleibende Celluloserest hat infolge der vorgesehenen Behandlung eine grössere Haltbarkeit. Es können diese Flüssigkeiten in Gestalt einer Emulsion oder einer kolloidalen Suspension gewonnen werden, die unter gewöhnlichen Bedingungen verhältnismässig stabil ist, aus welcher aber wiederum wertvolle Bestandteile mit Hilfe verschiedener Massnahmen gewonnen werden können, welche für die Zerlegung von Emulsionen oder kolloidalen Suspensionen geeignet sind.
Zu den genannten ausscheidbaren Bestandteilen gehören beispielsweise kolloidale Cellulose und andere wertvolle Stoffe.
Es ist bereits bekannt, Zuckerrohr und ähnliche Stoffe zwischen den. beiden äusseren Mantelflächen zweier Walzen hindurchzutreiben. Bei dieser Behandlungsweise wurden die Rohstoffe immer hintereinander durch eine Mehrzahl von Walzenpaaren hindurchgetrieben oder aber mehrmals zwischen den Walzen ein-und desselben Walzenpaares hindurch, um auf diese Weise ein Zermalmen und eine teilweise Ausscheidung der Flüssigkeiten aus dem Zuckerrohr zu erzielen. Diese Behandlung wird gewöhnlich noch durch eingeschobene Einweichung oder sonstige Tränkung der betreffenden Stoffe im Wasser begleitet, wodurch auch noch ein gewisser Lösungseffekt erzielt werden soll.
Bei dieser Arbeitsweise wird aber das Zuckerrohr zuerst zwischen Walzen hindurchgeführt, welche einen gewissen Abstand voneinander haben, der so bemessen ist, dass zunächst durch Zermalmen und Brechen die natürliche Form des Zuckerrohres beseitigt wird. Hierauf erst wird das Rohr durch anschliessende Walzenpaare getrieben, die näher zueinander eingestellt waren und durch die die Flüssigkeiten ausgepresst werden sollen. Es ist hieraus ersichtlich, dass bei dieser Arbeitsweise die zweite nachfolgende Druckanwendung auf einen cellulosehaltigen Körper einwirkt, aus welchem ein Teil der enthaltenen Flüssigkeiten bereits entfernt worden war.
Infolgedessen erfolgt die letzte Druckanwendung an einem Stoff, dessen Zellen schon teilweise ihre Flüssigkeit entleert haben und die darum durch die nunmehr erfolgende Druckwirkung zermalmt und zusammengepresst werden. Im Gegensatz dazu wird bei der Behandlung cellulosehaltigen Materials gemäss der vorliegenden Erfindung ein genügend starker Druck während eines einzigen Durchganges durch die Presse ausgeübt, damit der überwiegende Teil der darin enthaltenen Flüssigkeit entfernt wird.
Es sind ferner auch schon Ringwalzenpressen bekanntgeworden, wie sie bei der Erfindung verwendet werden, jedoch sind sie noch niemals dazu verwendet worden, um Druckkräfte auf faserige Stoffe anzuwenden, die in der Längsrichtung ihrer Fasern durch die Druckzone hindurchlaufen. Solche Ringwalzenpressen wurden für das Zermahlen von Gestein oder andern kristallinischen Stoffen, die
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gewissermassen zerstampft oder zerstossen werden sollen, verwendet, ferner zum Zerkleinern von Früchten, wobei aber nur verhältnismässig niedere Drücke notwendig waren, um die Säfte aus den Früchten auszupressen.
In der Zeichnung sind schematisch die zur Ausübung der bekannten Verfahren und jene für das erfindungsgemässe Verfahren dargestellt. Fig. 1 zeigt Walzen, etwa wie sie in der Zuckerindustrie verwendet werden und die sich mit ihren Aussenflächen berühren. Fig. 2 veranschaulicht die Art der Druckausübung gemäss der Erfindung, und Fig. 3 zeigt, wie der zwickelförmige Raum zwischen Ring und Innenwalze seine Lage während der Abwärtsbewegung des Ringes verändert.
In Fig. 1 bezeichnen die Buchstaben A und B die beiden Walzen, während F den Rohstoff bezeichnet, welcher durch die Druckzone hindurchgeführt werden soll.
Aus dem Kräfteplan der Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Rohstoff in dem Augenblick, in welchem er in die Druckzone eintritt, d. h. mit den Walzen A und B in Eingriff gelangt, Druckkräften unterliegt, welche in Richtung der beiden Radien ab und auf verlaufen. Diese Kräfte können in zwei Teilkräfte zerlegt werden, von denen die eine Teilkraft eb bzw. el rechtwinkelig zur Richtung g der Bewegung des Materials F verläuft, während die andere Teilkraft ae bzw. de der Richtung g der Bewegung des Rohstoffes F gerade entgegengesetzt ist.
Es geht hieraus hervor, dass ein sehr erheblicher Teil der aufgewandten Kräfte auf den Rohstoff in einer Richtung wirkt, der seiner gewünschten Bewegung entgegenwirkt, u. zw. ist dieser Betrag gleich der Summe der beiden Teilkräfte aM-de. Wenn also ungewöhnlich hohe Druckkräfte aufgewendet werden, so müssen bei einer solchen Anordnung die Teilkräfte, die der Bewegung des Rohstoffes in die Zone des hohen Druckes hinein entgegenwirken, so grosse Werte annehmen, dass die durch die Reibung bestimmten Triebkräfte, welche allein in der Lage wären, den Rohstoff in diese Lage hineinzuziehen, nicht ausreichen können, um diesen Zweck zu erreichen. Dies ist der Grund, warum z.
B. in der Zuckerindustrie die Notwendigkeit erkannt wurde, die ersten Walzen auf einen gewissen Abstand voneinander einzustellen, was zur Folge hat, dass die Kraft nur zu einem Teil zur Wirkung gelangt und der Rohstoff teilweise zermalmt wird. Hierauf erst wird es wiederholt stufenweise zunehmenden Pressungen unterworfen, um weiterhin Flüssigkeiten auszupressen.
Bei der Anwendung gemäss Fig. 2 hingegen wird der Rohstoff zwischen der Innenwalze D und der inneren Mantelfläche des Ringes E einer Ring-und Walzenpresse hindurchgeführt, wobei die Walze D mit grossem, aber federnd nachgiebigem Druck gegen eine Gegendruckwalze C gedrückt wird.
Bei dieser Anordnung verläuft der von der Innenwalze D ausgeübte Druck in der radialen Richtung hi, d. i. in einer Richtung, die im wesentlichen rechtwinkelig zu der Bewegungsrichtung des Materials F ist, so dass aus dieser Kraft hi keine Teilkraft entsteht, welche der Vorwärtsbewegung des Rohstoffes entgegenwirken würde.
Es ist jedoch auch eine ebenso grosse und entgegengesetzt wirkende Kraft vorhanden, welche durch den Ring E in Richtung gegen seinen Mittelpunkt, also entlang der Linie kj ausgeübt wird. Diese Kraft kj kann in zwei Teilkräfte kl und li zerlegt werden, welche rechtwinkelig bzw. parallel zu der Bewegungsrichtung des Rohstoffes F gerichtet sind, man bemerkt aber sofort, dass die Teilkraft kl, welche der Bewegungsrichtung des Rohstoffes F entgegengerichtet ist, erheblich kleiner ist als die Summe der Teilräfte ae-de im Falle der Anordnung gemäss Fig. 1.
Hieraus ergibt sich, dass es bei der erfindungsgemässen Anwendung der Druckkräfte auf den in seiner Längsrichtung sich vorwärts bewegenden Rohstoff so eingerichtet werden kann, dass die der Bewegung des Rohstoffes in die Hochdruckzone hinein entgegenwirkenden Teilkräfte kleiner sind als die den Rohstoff in die Zone hineinziehenden reibungsbestimmten Kräfte. Gerade durch die besondere Art und Weise, wie die Druckkräfte zur Anwendung gebracht werden, wird es nach dem vorliegenden Verfahren möglich, den überwiegenden Teil der enthaltenen Flüssigkeit aus den faserigen Stoffen zu entfernen und gleichzeitig die anfallenden cellulosehaltigen Fasern in einer gegenüber bisherigen Ergebnissen verbesserten Beschaffenheit zu gewinnen.
Bei der abgeänderten Ausführungsform gemäss Fig. 3 kann der Mittelpunkt des umlaufenden Ringes bei Einführung des Rohstoffes in die Druckzone seine Lage im Raum verändern. Die voll ausgezogenen Linien zeigen schematisch die gleiche Vorrichtungsanordnung wie Fig. 2. Die gestrichelten Linien zeigen mit einer gewissen Massstabübertreibung die Stellung der Walzen und des Ringes zueinander, sobald letzterer eine gewisse Abwärtsbewegung oder Schwenkung ausgeführt hat. Die Drehachse der Walze C ist festgelegt und erfährt darum keine Verschiebung im Raum. Wenn aber infolge der Einführung des Rohstoffes zwischen Innenwalze und Ring dieser aus der Stellung Ein die Stellung E übergeht, so rollt er sich dabei auf der Oberfläche der Walze C etwas ab und drängt gleichzeitig die Walze D einwärts in die Stellung D'.
Durch diese Veränderung der Lage des Ringes E bewegt sich auch die Stelle der engsten Annäherung oder Berührung zwischen Ring E und Walze D entlang des Ringes E in die Stellung p. Die Kraft jedoch, welche auf die Walze D ausgeübt wird, ist nichtsdestoweniger stets waagrecht gerichtet, und aus dem Kräfteplan ist ersichtlich, dass die Teilkraft mo etwas kleiner ist als die auf die Walze selbst ausgeübte Hauptkraft mm. Wenn also der Ring E in die Lage E' abwärts schwenkt, so wird ein Höchstwert der Kraft auf den Rohstoff einwirken, bevor er noch die Stelle der engsten Annäherung oder Berührung zwischen Ring und Walze erreicht.
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Hiedurch wird also ein bedeutsamer Vorteil hinsichtlich des Erfassens des Rohstoffes erreicht, der in die Hochdruckzone hineingezogen wird, denn während dieser Rohstoff sich in die Druckzone hineinbewegt, dient die mit den Buchstaben rs bezeichnete Strecke des Ringes als Hebel, der die Walze entgegengesetzt zu der auf sie ausgeübten Druckkraft nach rückwärts zurückzuschieben sucht. Infolge- dessen dient eine geringere Kraft als die höchste zur Bewegung der Walze erforderliche Druckkraft dazu, eben diese Walze zu bewegen. Während der Rohstoff in die Druckzone hineingezogen wird, wird er kräftig und doch schmiegsam erfasst, wodurch das Hineinziehen in die Zone mit so ungewöhnlich hoher Druckanwendung unterstützt wird.
Der Walzendruck wird in Abhängigkeit von dem in Behandlung stehenden Rohstoff und dem
Verwendungszweck des Endproduktes eingestellt. Beispielsweise ist bei der Behandlung von Aloe in grünem Zustand zur Gewinnung von langen Fasern zur Verwendung bei der Erzeugung von Seilen usw. eine Gesamtdruckkraft der Walze von etwa 9000 bis 13.000 kg auf eine Blattbreite von etwa 76 mm angemessen. Falls die Fasern zur Erzeugung von Papier verwendet werden sollen und eine vollständigere
Entfernung der Flüssigkeiten gewünscht wird, muss ein grösserer Druck angewendet werden. Wenn
Streifen aus Mchtenholz von etwa 6 mm Dicke zur Gewinnung von Cellulose für die Papiererzeugung behandelt werden sollen, dann wird zweckmässigerweise eine Druckkraft von 3600 bis 6300 kg auf jeden Zentimeter Breite des zu behandelnden Stoffes angewendet.
Falls dasselbe Holz zum Zwecke der Erzeugung von Cellulose für die Verwendung bei der Herstellung von Kunstseide oder Cellophan oder für andere Zwecke, wo Cellulose in Lösung übergeführt wird, behandelt werden soll, dann kann ein grösserer Druck bis zur 18.000 kg je Zentimeter Breite angewendet und eine vollständigere Abtrennung der Flüssigkeiten herbeigeführt werden.
Andere heimatliche, halbtropische und tropische Flora, wie beispielsweise Bananenstengel,
Pita, Maguay, Seidengras, Schneidegras, Rhabarber, Ananas, Ananashanf, Palmblätter und-pflanzen,
Zuckerrohr, Maisstengel, Baumwollstengel, Bambus und Fingerhut können in gleicher Weise zur Ge- winnung ihrer flüssigen und festen Bestandteile behandelt werden.
Bei der Behandlung von Zuckerrohr kann eine Druckkraft von etwa 18. 000 bis 23.000 kg je
Zuckerrohr (bei einem mittleren Durchmesser von etwa 37 bis 50 mm) angewendet werden. Die dabei abgeschiedene Flüssigkeit enthält etwa 90 bis 95% des verfügbaren Gehaltes des Rohres an Sucrose und Invertzucker. Hiebei ist der Extrakt viel reiner und konzentrierter, und es wird weniger Sucrose in Invertzucker verwandelt, als es bei der gewöhnlichen Behandlung mit heissen Einweichungen, Ein- tränkungen usw. der Fall ist. Das abgetrennte Mark kann bei der Herstellung von Glanzpapier, Spreng- mitteln usw. verwendet werden. Die Fasern sind nahezu weiss und in ausgezeichnetem Zustande zur
Verwendung bei der Vorbereitung von hochwertigem Papier, Kunstseide, Cellophan usw.
Bei der Behandlung von Bambus zur Gewinnung von Cellulose können Druckkräfte von etwa
16.000 bis 45.000 kg je Halm verwendet werden, u. zw. je nach der Stärke des Halmes und dem Ver- wendungszweck der gewonnenen Cellulose. Es kann wünschenswert sein, zuerst die Querteilungen (Knoten) mittels eines Schwanzhammers zu zerquetschen oder zu zermalmen, um eine übermässige
Beanspruchung der Lager bei den ungewöhnlich hohen Drücken zu vermeiden.
Bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens können auch Cellulosefasern aus Roh- stoffen mit kürzeren und schwächeren Fasern vermischt werden, so dass die physikalischen Eigenschaften des sich ergebenden Papiers usw. geändert werden können. Es können auch zwei oder mehrere Roh- stoffe gleichzeitig behandelt werden, wobei sich der Vorteil einer innigen Mischung derfesten undflüssigen
Bestandteile und auch der physikalischen oder chemischen Reaktionen zwischen den flüssigen und festen Bestandteilen ergibt.
Auch können lange Fasern, wie z. B. von Pita, von Ananasblättern, von Bananenstengeln, dem
Brei der in der Papiererzeugung verwendet wird, zugefügt werden, um die Bindekraft, die Zugfestig- keit und andere Eigenschaften des Papiers zu verbessern.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Druckbehandlung von pflanzlichen Rohstoffen, die einer chemischen Vorbehand- lung nicht unterworfen worden sind, wie z. B. Baumholz, Stengel, Blätter, Wurzeln, Stiele, Gräser und ähnliche Rohstoffe, zwecks Herstellung von zellstoffähnlichem Material und/oder aus diesem aus- gepressten Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe einer Druckbehandlung in einer
Ring-und Walzenpresse bei Drücken von 700 bis 18.000 kg je Zentimeter der Linie höchsten Pressdruckes unterworfen werden, wobei die Rohstoffe von unten her so zwischen Ring und Walze der Presse hin- durchgeführt werden, dass der darauf ausgeübte nachgiebige Druck allmählich in der Längsrichtung 'der Faserstruktur der Ausgangsstoffe fortschreitet und genügt,
um den grösseren Teil der hierin ent- haltenen Flüssigkeit bei einer einzigen Anwendung des Druckes auszupressen.