DE10041071A1 - Verfahren zur Überwachung von thermo-mechanischen Holzaufschlussprozessen - Google Patents
Verfahren zur Überwachung von thermo-mechanischen HolzaufschlussprozessenInfo
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Abstract
Verfahren zur Überwachung von thermo-mechanischen Holzaufschlussprozessen, bei dem die Konzentration von in Produktionswässern enthaltenen Stoffgruppen mit unterschiedlichen Verhältnissen polarer und unpolarer Gruppen mittels quantitativer Trennung durch den Einsatz unterschiedlicher Lösungsmittel bestimmt wird und diese Konzentrationen als Referenz für spektroskopische Messverfahren an den Prozesswässern verwendet werden.
Description
Die Kontrolle und Steuerung von Produktionsprozessen unter
Nutzung des thermo-mechanischen Holzaufschlusses stellen ein
großes Anwendungspotential neuer Sensorkonzepte dar. Gegen
wärtig werden häufig nur Off-Line-Messungen der jeweiligen
Messobjekte, wie Kontrolle und Bewertung der Rohstoffe, Un
tersuchung der anfallenden Produktionswässer, Eigenschaften
der Produkte oder ähnliches durchgeführt, die einen hohen fi
nanziellen und zeitlichen Aufwand erfordern. Die Messergeb
nisse liegen meist mit einer großen zeitlichen Retardierung
vor, so dass ein Einfluss auf den betrachteten Produktions
prozess nicht mehr möglich ist.
In Fig. 1 wird ein typischer thermo-mechanischer Aufschluss
von Holz nach dem Stand der Technik dargestellt. Die im Stand
der Technik angegebenen Lösungen der holzverarbeitenden In
dustrie werden meist durch Off-Line-Messungen im Industrie
labor hinsichtlich weniger Messgrößen untersucht, die z. B.
für die Abwasserreinigung (Phenolgehalt, Trockensubstanz) be
deutsam sind. Sie ermöglichen jedoch meist keine Kontrolle
und Steuerung der Produktionsprozesse. Diese Messgrößen haben
zudem oftmals keine Auswirkung auf beispielsweise spektrale
Daten und sind damit prinzipiell zur Prozessführung nicht
verwendbar, oder es würde auf dieser Basis viel Zeit erfor
dern und wäre mit enormen finanziellen Aufwendungen verbun
den. Häufig müssen die Analysen in einem externen Labor zuge
kauft werden, so dass der Anwender nicht in der Lage ist, Ka
librationsmodelle selbst zu optimieren oder bei sich verän
dernden Produktionsparametern eigene selbst zu erstellen.
Dies mindert das potentielle Kaufinteresse für ein solches
Mess- und Regelsystem.
Das Ziel der Erfindung ist die Optimierung des Produktions
prozesses von thermomechanischem Zellstoff.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch den Gegenstand des
Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent
nommen werden.
Die Erfindung stellt Referenzdaten zur Messung für Konzentra
tionen von Stoffgruppen in Produktionswässern beim thermo
mechanischen Holzaufschluss zur Verfügung, nachdem eine quan
titative Trennung der Komponenten entsprechend deren Löslich
keit in unterschiedlichen Lösungsmitteln erfolgt und die In
formationen daraus zur Kalibrierung der aktuellen Messung
verwendet werden.
Es ist vorteilhaft für die Messungen an den Produktionswäs
sern die Infrarot-Spektroskopie einzusetzen. Jedoch ist zur
Implementierung eine sogenannte Kalibration durchzuführen,
die die erhaltenen spektralen IR-Daten in Beziehung zu den
Produktionsparametern oder Eigenschaften des Messobjektes
setzen. Die Applikation der Infrarot-Spektroskopie in die
sem Industriebereich stellt neue Möglichkeiten der Entwick
lung von On- und In-Line Mess- und Regelsystemen zur Prozess
kontrolle, der Qualitätssicherung und von Prozess-Optimie
rungen zur Verfügung.
Die Trennung der Stoffgruppen ist einfach durchzuführen und
stellt in kürzester Zeit Referenzdaten bereit, die Auswirkun
gen auf die spektralen Daten haben, da sie direkt mit den
Konzentrationen einer bestimmten Molekelgruppe verknüpft
sind.
Die Vorteile des quantitativen Trennverfahrens sind:
Mit geringen zeitlichem und personelle Aufwand können Refe renzdaten zur Kalibration spektraler Daten bereitgestellt werden. In sehr kurzer Zeit kann eine sehr große Zahl von Proben untersucht werden. Die Ergebnisse treten in den Spekt ren in Form der Konzentrationen der Molekülgruppen auf und sind somit z. B. in Infrarot-Spektren in Form des Lambert- Beer'schen-Gesetzes verknüpft. Der Anwender ist in der Lage, diese Analyse in einem nur einfach ausgerüsteten Industrielabor durchzuführen. Damit kann er Kalibrationen selbst vornehmen und schnell auf Änderungen der Produktionsparameter, beispielsweise durch den Einsatz einer neuen Holzsorte, reagieren.
Mit geringen zeitlichem und personelle Aufwand können Refe renzdaten zur Kalibration spektraler Daten bereitgestellt werden. In sehr kurzer Zeit kann eine sehr große Zahl von Proben untersucht werden. Die Ergebnisse treten in den Spekt ren in Form der Konzentrationen der Molekülgruppen auf und sind somit z. B. in Infrarot-Spektren in Form des Lambert- Beer'schen-Gesetzes verknüpft. Der Anwender ist in der Lage, diese Analyse in einem nur einfach ausgerüsteten Industrielabor durchzuführen. Damit kann er Kalibrationen selbst vornehmen und schnell auf Änderungen der Produktionsparameter, beispielsweise durch den Einsatz einer neuen Holzsorte, reagieren.
Zur Analyse wird folgendermaßen vorgegangen:
Einer definierten Menge des Prozesswassers wird ein organi sches Lösungsmittel hinreichender Menge zugegeben. Infolge der unterschiedlichen Löslichkeiten der enthaltenen Komponen ten kommt es zu Ausfällungen bei vorbestimmten Verhältnissen des Wassers und des organischen Lösungsmittels, die mit Ana lysenmethoden der Chemie, wie beispielsweise Zentrifugierung, Dekantierung, vom Filtrat getrennt werden. Sowohl die Nieder schläge, als auch das Filtrat werden eingedampft und deren Massen gravimetrisch bestimmt. Aus den bekannten Volumen der Ausgangslösung wird dann auf die Konzentrationen der Kompo nenten in der Ausgangslösung gefolgert.
Einer definierten Menge des Prozesswassers wird ein organi sches Lösungsmittel hinreichender Menge zugegeben. Infolge der unterschiedlichen Löslichkeiten der enthaltenen Komponen ten kommt es zu Ausfällungen bei vorbestimmten Verhältnissen des Wassers und des organischen Lösungsmittels, die mit Ana lysenmethoden der Chemie, wie beispielsweise Zentrifugierung, Dekantierung, vom Filtrat getrennt werden. Sowohl die Nieder schläge, als auch das Filtrat werden eingedampft und deren Massen gravimetrisch bestimmt. Aus den bekannten Volumen der Ausgangslösung wird dann auf die Konzentrationen der Kompo nenten in der Ausgangslösung gefolgert.
Der erfinderische Schritt besteht in der Bestimmung der Kon
zentrationen von Stoffgruppen mit unterschiedlichen Verhält
nissen polarer und unpolarer Gruppen in Produktionswässern
der holzverarbeitenden Industrie als Referenzmethode spektro
skopischer Messungen. Dabei wird die relativ einfache Zusam
mensetzung dieser Wässer ausgenutzt, die zum Großteil aus or
ganischen Bestandteilen bestehen. Organische Moleküle besit
zen einen unterschiedlichen Anteil polarer (z. B. OH-Gruppe)
und unpolarer (z. B. Aromatsystem) Molekülreste, die in ent
scheidendem Maße deren Lösungseigenschaften bestimmen. Siehe
Literaturstelle /2/ und /3/.
Anhand von schematischen Figuren werden Ausführungsbeispiele
beschrieben:
Fig. 1 zeigt eine Darstellung des thermo-mechanischen Auf
schlussprozesses von Holz am Beispiel der Produkti
on von Faserplatten,
Fig. 2 zeigt eine Darstellung des Löslichkeitsverhaltens
von Molekülen mit unterschiedlich polaren und unpo
laren Resten in Abhängigkeit der Polarität des ver
wendeten Lösungsmittels,
Fig. 3 zeigt den Beginn der Ausfällung von Glucose ver
schiedener Konzentrationen in Abhängigkeit des Vo
lumenverhältnisses Aceton zu Wasser,
Fig. 4 zeigt eine Darstellung der Vorgehensweise der Ana
lyse des Siebwassers beim thermo-mechanischen Auf
schluss von Holz zur Faserplattenproduktion,
Fig. 5 zeigt, im oberen Bild die Konzentrationen des Filt
rates und des Niederschlages von 6 Proben des be
trachteten Prozesses, ermittelt mit den obigen Re
ferenzverfahren; im unteren Bild die Darstellung
der Produktionsparameter, variiert entsprechend ei
nes Versuchsplanes, bei der Probennahme,
Fig. 6 zeigt das Ergebnis der PLS-Kalibrierung zur Vor
hersage der Konzentration des Filtrates im Siebwas
ser mit Hilfe von NIR-Spektren,
Fig. 7 zeigt den Vergleich der ATR-Spektren der Aus
gangslösung, des Niederschlages und des Filtrates
zur qualitativen Bewertung des eingesetzten Trenn
verfahrens,
Fig. 8 zeigt eine Darstellung des prinzipiellen Ergebnis
ses der Dünnschicht-Chromatographie der Ausgangslö
sung, des Niederschlages und des Filtrates.
Die Applikation der Infrarot-Spektroskopie in diesem In
dustriebereich stellt neue Möglichkeiten der Entwicklung von
On- und In-Line Mess- und Regelsystemen zur Prozesskontrolle,
der Qualitätssicherung und von Prozess-Optimierun
gen zur Verfügung. Jedoch muss zur Implementierung eine soge
nannte Kalibration durchgeführt werden, die die erhaltenen
spektralen IR-Daten in Beziehung zu den Produktionsparame
tern oder Eigenschaften des Messobjektes setzen. Dies erfor
dert eine Analyse des betrachteten Messobjektes, die im fol
genden als Referenzverfahren bezeichnet wird und quantitative
Werte zur Verfügung stellt, mit denen eine Kalibration durch
geführt werden kann. Für eine Nutzung dieser Technik ist ein
entscheidendes Kriterium für den Anwender, dass das Referenz
verfahren schnell, zuverlässig und mit vertretbarem Aufwand
im Industrielabor durchgeführt werden kann.
Obiges Bild zeigt am Beispiel der Produktion von Faserplatten
einen typischen thermo-mechanischen Aufschluss von Holz. Ziel
in dieser konkreten Anwendung ist die Optimierung des Produk
tionsprozesses von Faserplatten, indem am Messpunkt 'M' eine
Infrarot-Sensorik eingesetzt wird, die z. B. Konzentrationen
von Stoffgruppen im anfallenden Siebwasser bestimmt. Entspre
chende Kalibrationsmodelle könnten z. B. den Gehalt an Lignin
im Siebwasser liefern, das dann durch entsprechende chemisch-
biologische Verfahren zur Verklebung der Fasern aktiviert
wird. Hierdurch könnte der Einsatz von zusätzlichen Harz mi
nimiert und damit eine Produktionsoptimierung erzielt werden.
Zur Erstellung der Kalibrationen zwischen den Spektren und
einem Referenzverfahren können chemometrische Verfahren (PCR,
PLS, neuronale Netze, etc.) eingesetzt werden /1/.
Diese Erfindung stellt eine einfache und reproduzierbare
Trennmethode zur Analyse von Produktionswässern beim thermo-
mechanischen Holzaufschlussverfahren bereit, deren Ergeb
nisse in Form von Konzentrationen unterschiedlicher Stoff
gruppen als Referenz für spektroskopische Messverfahren ver
wendet werden können.
Da der Einsatz der Spektroskopie bis zum bisherigen Zeitpunkt
nicht erfolgte, war die Notwendigkeit einer entsprechenden
Referenzanalytik, die in der Lage ist, die obigen Anforderun
gen zu erfüllen, nicht vorhanden.
Die Erfindung stellt Referenzdaten zur IR-Messung für Kon
zentrationen von Stoffgruppen in Produktionswässern beim
thermo-mechanischen Holzaufschluss zur Verfügung, nachdem ei
ne quantitative Trennung der Komponenten entsprechend deren
Löslichkeit in unterschiedlichen Lösungsmitteln zur Kalibrie
rung erfolgt ist.
Der erfinderische Schritt besteht in der Bestimmung der Kon
zentrationen von Stoffgruppen mit unterschiedlichen Verhält
nissen polarer und unpolarer Gruppen in Produktionswässern
der holzverarbeitenden Industrie als Referenzmethode spektro
skopischer Messungen. Dabei wird die relativ einfache Zusam
mensetzung dieser Wässer ausgenutzt, die zum Großteil aus or
ganischen Bestandteilen bestehen. Organische Moleküle besit
zen einen unterschiedlichen Anteil polarer (z. B. OH-Gruppe)
und unpolarer (z. B. Aromatsystem) Molekülreste, die in ent
scheidendem Maße deren Lösungseigenschaften bestimmen. Siehe
Literaturstelle /2/ und /3/.
Hauptsächlich sind monomere- und polymere Zucker mit einem
überwiegenden Anteil polarer Gruppen enthalten, aber auch
Komponenten, die sowohl polare, als auch unpolare Gruppen in
deren Molekülstruktur aufweisen (z. B. Bindungen zwischen dem
"Holzklebstoff" Lignin und den Zuckern). Dieser unterschied
liche Molekelaufbau bedingt die verschiedene Löslichkeit der
jeweiligen Komponenten in unterschiedlichen Lösungsmitteln.
Stoffe mit überwiegend polaren Gruppen lösen sich gut in Was
ser, jedoch nicht in organischen Lösungsmitteln wie z. B. Ace
ton oder Ether. Für Moleküle mit gemischten Anteilen tritt
eine vollständige Löslichkeit erst bei bestimmten Mischungen
des Lösungsmittels auf. Siehe hierzu Fig. 2.
Am Beispiel der Glucose wird die unterschiedliche Löslichkeit
in Abhängigkeit des Wasser/Aceton-Verhältnisses gezeigt.
Fig. 3 stellt die Abhängigkeit der Löslichkeit monomerer Glu
cose vom Volumenverhältnis Aceton/Wasser bei verschiedenen
Konzentrationen dar. Als Maß wurde der Beginn der Ausfällung
der Glucose in Form der Trübung der Lösung gewählt.
Man erkennt, dass ab einem gewissen Verhältnis der beiden Lö
sungsmittel das Löslichkeitsprodukt erreicht wird und die
Glucose beginnt auszufallen. Der Punkt hängt dabei von der
Konzentration der Lösung ab. Dies bedeutet auch, dass für ein
annähernd vollständiges Ausfällen der enthaltenen Glucose,
Aceton im Überschuss zugegeben werden muss. Damit muss ein
Analysenverfahren auch hinsichtlich der Wahl der Lösungsmit
telverhältnisse optimiert werden.
Man kann dieses Verfahren auch stufenweise anwenden, indem
die Niederschläge bei mehreren Stufen unterschiedlicher Pola
ritäten des Lösungsmittels bestimmt werden.
Im angeführten Beispiel wird das Ergebnis der Analyse von
Laugen dargestellt, die während der Produktion von Faserplat
ten als sogenanntes Siebwasser anfallen. Das Prinzip des Her
stellungsprozesses ist in Fig. 1 dargestellt. Holz wird durch
einen thermo-mechanischen Prozess in einem Refiner aufge
schlossen, die Holzfasern in Wasser aufgeschwemmt und an
schließend abgesiebt. Durch den Pressvorgang erfolgt dann die
Verfilzung und Verklebung der Holzfasern zu Platten, die
durch entsprechende Qualitätsparameter (z. B. Biegefestigkeit)
charakterisiert werden. Ziel ist die Entwicklung eines On-Li
ne-Messverfahrens, dass eine Kontrolle der Produktion der
Faserplatten ermöglicht, indem NIR-spektroskopische Messun
gen am anfallenden Siebwasser am Messpunkt 'M' erfolgen.
Im Rahmen der Untersuchungen wurde dazu die obige Referenz
analyse für diese Wässer angewendet, die eine Kalibration
zwischen den erhaltenen Spektren und den Daten der Referenz
analyse ermöglicht. Zudem sind durch die Referenzdaten leich
tere Schlussfolgerungen auf die Signifikanz von Stellgrößen
des Produktionsprozesses (Aufschlussgrad des Holzes, Holzart,
etc.) in Bezug auf deren Auswirkung auf die Zusammensetzung
des Siebwassers möglich. Die Analyse der Wässer erfolgte in 2
Stufen, deren Ablauf in Fig. 3 dargestellt ist. Einer defi
nierten Probenmenge wurde ein entsprechende Menge Aceton zu
gefügt. Dabei kommt es zu der oben beschriebenen Fällungsre
aktion. Nach dem Dekantieren werden der Niederschlag und das
Filtrat eingedampft und die Massen gravimetrisch bestimmt.
In Fig. 5 ist das Ergebnis der Analyse von sechs Siebwasser
proben dargestellt, die im Rahmen eines Versuchsplanes obigem
Produktionsprozess entnommen wurden. Gleichzeitig wurden die
zugehörigen NIR-Spektren im Spektralbereich von 1200 nm-
2400 nm in Transmission gemessen.
Fig. 5 zeigt die ermittelten Konzentrationen des Filtrates
und des Niederschlages während der Änderung der Prozesspara
meter SFC (Maß für den Aufschlussgrad des Holzes im Refiner)
und der Holzart. Die Konzentration des Filtrates nimmt im
Verlaufes des Versuches ab, hingegen zeigt die des Nieder
schlages ein Maximum, dass durch einen hohen Aufschlussgrad
erzeugt werden kann.
Aus Fig. 5 geht zudem hervor, dass direkte Korrelationen zu
den Prozessparametern SFC und Holzart nicht gegeben sind, da
die Messungen des Siebwassers z. B. durch Verdünnungseffekte
beeinflusst werden.
Fig. 6 zeigt am Beispiel des Filtrates, dass die ermittelte
Konzentration im Spektrum wiedergefunden werden kann. Dazu
wurde eine CROSS-Validierung der Spektren mit den Konzentra
tionen des Filtrates durchgeführt. Als Kalibrationsmethode
wurde das in der Chemometrie breit angewendete PLS (Partial-
Least-Squares) verwendet. Siehe hierzu Literaturstellen
/4/ und /5/.
Fig. 7 zeigt die Analyse der Ausgangslösung, des Filtrates
und des Niederschlages mittels MIR (mittleres Infrarot)-
Spektroskopie. Dargestellt ist das Fingerprintgebiet von 600 cm-1
bis 1800 cm-1 Wellenzahl, in dem die charakteristischen
Schwingungen von Molekülgruppen auftreten. Dabei wurde nach
gewiesen, dass im Niederschlag die Molekül-Gruppe der Schwin
gung bei 1515 cm-1, die mit der charakteristischen Schwingung
des unpolaren Aromaten identifiziert werden kann, vollständig
entfernt wurde. Dies bedeutet, dass eine vollständige Tren
nung hinsichtlich dieser Molekülgruppe mit dem oben beschrie
benen Trennverfahren erreicht werden konnte. Zudem treten die
Schwingungen der primären, sekundären und tertiären OH-Grup
pen, die im Bereich von 1.000 cm-1-1150 cm-1 auftreten (diese
werden vorwiegend den enthaltenen monomeren und polymeren Zu
ckern zugeordnet), hauptsächlich in den Spektren des Nieder
schlages auf.
Mittels Dünnschichtchromatographie /6/ konnte ebenfalls der
Nachweis erbracht werden, dass eine Auftrennung von Komponen
ten des Siebwassers erfolgt.
Fig. 8 zeigt schematisch das Ergebnis dieser Analyse, dass
eine in der Ausgangslösung enthaltene Substanz im Nieder
schlag fehlt und vollständig im Filtrat vorhanden ist.
Zusammenfassung der Ergebnisse der Anwendung der beschriebe
nen Trennmethode als Referenz für die Erstellung von Kalibra
tionsmodellen:
Am Beispiel der NIR-Spektroskopie von Produktionswässern konnte die Anwendbarkeit der oben beschriebenen Trennmethode gezeigt werden. Die Analyse ist einfach durchzuführen und er fordert einen minimalen apparativen Aufwand. Die Ergebnisse liegen in kurzer Zeit mit hinreichender Genauigkeit vor und können mit den spektralen Daten korreliert werden, d. h. es können Kalibrationsmodelle erstellt werden. Das komplexe Stoffgemisch der organischen Komponenten kann mittels der NIR-Spektroskopie beurteilt werden.
Am Beispiel der NIR-Spektroskopie von Produktionswässern konnte die Anwendbarkeit der oben beschriebenen Trennmethode gezeigt werden. Die Analyse ist einfach durchzuführen und er fordert einen minimalen apparativen Aufwand. Die Ergebnisse liegen in kurzer Zeit mit hinreichender Genauigkeit vor und können mit den spektralen Daten korreliert werden, d. h. es können Kalibrationsmodelle erstellt werden. Das komplexe Stoffgemisch der organischen Komponenten kann mittels der NIR-Spektroskopie beurteilt werden.
/1/ Chemometrie, M. Otto, Weinheim: VCH, 1997
/2/ Einführung in die organische Chemie, F. Klages, 3. Auf lage, Walter de Gruyter
/3/ Wasser-Struktur und Dynamik, M. Klose, J. I. Naberu chin, Akademie-Verlag Berlin
/2/ Einführung in die organische Chemie, F. Klages, 3. Auf lage, Walter de Gruyter
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/6/ Analytische Chemie, G. Schwedt, Georg Thieme Stuttgart New York, 1995
/5/ CROSS-Validatory Estimation of the Number of Compo nents in Factor and Principal Components Models, S. Wold; Technometrics, Volo. 20, No. 4, November 1978
/6/ Analytische Chemie, G. Schwedt, Georg Thieme Stuttgart New York, 1995
Claims (5)
1. Verfahren zur Überwachung von thermo-mechanischen Hol
zaufschlußprozessen, bei dem die Konzentrationen von in
Produktionswässern enthaltenen Stoffgruppen mit unter
schiedlichen Verhältnissen polarer und unpolarer Gruppen
mittels quantitativer Trennung durch den Einsatz unter
schiedlicher Lösungmittel bestimmt wird und diese Kon
zentrationen als Referenz für spektroskopische Messver
fahren an den Prozesswässern verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die spektroskopischen
Messverfahren im infraroten Wellenlängenbereich ge
schieht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem im nahen (NIR) oder im
mittleren (MIR) infraroten Wellenlängenbereich gearbeitet
wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem die Konzentrationen der Stoffgruppen in den Prozess
wässern in einem Modell zur Vorhersage der Produktquali
tät verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem die Faserplattenherstellung überwacht wird.
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---|---|---|---|
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- 2000-08-22 DE DE10041071A patent/DE10041071C2/de not_active Expired - Fee Related
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- 2001-08-16 WO PCT/DE2001/003126 patent/WO2002016692A1/de active Application Filing
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