DE10041071C2 - Verfahren zur Überwachung von thermo-mechanischen Holzaufschlussprozessen - Google Patents

Verfahren zur Überwachung von thermo-mechanischen Holzaufschlussprozessen

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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.
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.
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/.
Qualitative Betrachtung der Trennmethode:
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 1000 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.
Literaturliste
/1/ Chemometrie, M. Otto, Weinheim: VCH, 1997, S. 222-226 und 287-303
/2/ Einführung in die organische Chemie, F. Klages, 3. Auflage, Walter de Gruyter, S. 359-361
/3/ Wasser-Struktur und Dynamik, M. Klose, J. I. Naberuchin, Akademie-Verlag Berlin
1986
, S. 133-169
/4/ Partial Least Squares Regression: A Tutorial; P. Geladi, B. R. Kowalski; Analytica Chimia Acta, 185 (
1986
) 1-17
/5/ CROSS-Validatory Estimation of the Number of Components in Factor and Principal Components Models, S. Wold; Technometrics, Vol. 20, No. 4, November 1978, S. 397-405
/6/ Analytische Chemie, G. Schwedt, Georg Thieme Stuttgart New York, 1995, S. 318-323

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 durchge­ führt werden.
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 eine Faserplattenherstellung überwacht wird.
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