DE2358407C3 - Verfahren zur Herstellung von Xyloselösungen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von XyloselösungenInfo
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Description
D-( + )-Xylose und ihr Hydrierungsprodukt, der Xylit, haben eine nicht unerhebliche technische Bedeutung.
Xylose kann z. B. in der Nahrungsmittelindustrie für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, während Xylit
lieh als ein sehr gutes Süssungsmittel für Diabetiker erwiesen hat.
Es ist bekannt, Laubholz, z. B. mit Mineralsäure, wie Salzsäure oder Schwefelsäure, bei Normaldruck oder
Überdruck (vgl. z.B. OE-PS 2 66 865 und GB-PS 9 22 685) oder mit Oxalsäure (DT-OS 19 35 934)
aufzuschließen. Beide Verfahren haben als Aufschlußverfahren, die nur mit Säure arbeiten, den Nachteil, daß
das Laubholz, wenn es mit der Säure behandelt wird, noch die gebundene Essigsäure enthält, und außerdem
auch noch Ligninverbindungen, die durch die Säurebehandlung in Lösung gehen. Wenn man die nach
Abtrennung des Rückstandes des sauren Aufschlusses erhaltene Lösung zu Xylit reduzieren will, so muß die
Essigsäure vorher entfernt werden, da durch die Essigsäure die Ausbeute an Xylit vermindert wird. Man
kann aber die Essigsäure nicht einfach neutralisieren, weil die durch die Neutralisation erhaltenen Salze
wiederum bei der katalytischen Reduktion stören wurden. Außerdem kann der Rückstand des sauren
Aufschlusses, das sogenannte Cellolignin, nicht verwertet werden. In der US-PS 35 65 687 wird die Herstellung
von Xylose aus Baumwollsaathülsen beschrieben, wobei zunächst das Rohmaterial mit einer 0,1- bis 1,0%igen
Alkalilösung, vorzugsweise Ammoniaklösung, bei einem Druck zwischen Atmosphärendruck und einer Atmosphäre
Überdruck erhitzt wird und der Rückstand dieser Behandlung mit Schwefelsäure erhitzt wird. Bei
diesem bekannten Verfahren soll die Essigsäure durch Hindurchleiten von Wasserdampf durch die Lösung, die
man nach Aufschluß mit Schwefelsäure erhält, entfernt werden.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Verfahren zum Aufschließen von Laubholz, das einmal die
vollständige Ausnutzung des Ausgangsmaterials gestattet und zum anderen eine höhere Xyloseausbeute ergibt,
so daß das Verfahren wirtschaftlich ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Xyloselösungen durch Aufschluß von
Laubholz mit Mineralsäure, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Laubholz zunächst mit einer
Alkalihydroxidlösung, deren Konzentration weniger als 4 Gewichtsprozent beträgt, behandelt, die Flüssigkeit
abtrennt, den festen Rückstand in bekannter Weise mit Mineralsäure aufschließt und die erhaltene Xyloselösung
von dem festen Rückstand des Mineralsäurcaufschlusses abtrennt.
Durch die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gebundene Essigsäure abgespalten,
sie geht als Alkaliacetat in Lösung, ebenso wie Stoffe ligninähnlicher Natur, die sich sonst bei der späteren
Isolierung der Xylose nach der zweiten erfindungsgemäßen Stufe störend auswirken würden. Zwar ist es
bekannt, Hemicellulosen dadurch zu gewinnen, daß man
Laubholz mit 4°/oiger NaOH extrahiert (vgl. z.B. Niküin, Die Chemie des Holzes, 1955, S. 199).
Hierbei gehen jedoch die Hemicellulosen in Lösung und sind dann schwierig von der Essigsäure und den
ligninähnlichen Stoffen zu trennen. Arbeitet man dagegen entsprechend der ersten Stufe des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit weniger als 4gewichtsprozentiger Alkalihydroxidlösung, so wird das Pentosan nicht
gelöst sondern kann als Teil des Rückstandes von der Lösung, die das Alkaliacetat und die ligninähnlichen
Stoffe enthält getrennt werden.
Man geht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus von Laubholz, wie Buchen-, Birken-, Pappel-, Ulmen-.
Weiden-, Erlen-, Eschen- oder Eibenholz, wobei Buchen- und Birkenholz bevorzugt sind. Diese haben
einen durchschnittlichen Gehalt von 23 bis 25% Pentosanen, der zum größten Teil aus Xylan besteht.
In der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet man als Alkalihydroxid, vorzugsweise Natrium- oder Kaliumhydroxid, insbesondere Natriumhydroxid.
Die Alkalihydroxidkonzentration in der Lösung soll weniger als 4 Gewichtsprozent, vorzugsweise
weniger als 3 Gewichtsprozent, insbesondere 0,5 bis 2 Gewichtsprozent, betragen. Man arbeitet z. B. mit 0,7
bis 1,2, insbesondere 1 Gewichtsprozent. Man verwendet soviel Alkalihydroxidlösung, daß auf 1 Mol im Holz
gebundene Essigsäure 1,33 bis 2 Mol Alkalihydroxid entfallen. Die bei der ersten Verfahrensstufe verwendete
Temperatur ist ohne wesentliche Bedeutung, man kann bei Zimmertemperatur bis zur Siedetemperatur
der Alkalihydroxidlösung arbeiten. Man arbeitet bei Atmosphärendruck, Überdruck ist nicht notwendig. Als
Lösungsmittel verwendet man vorzugsweise Wasser.
Man kann während der ersten Verfahrensstufe portionsweise etwas Wasserstoffperoxid zusetzen, insgesamt
7 bis 12 Gewichtsprozent vorzugsweise 10%, bezogen auf das Trockengewicht des Holzes.
Am Ende der ersten Verfahrensstufe wird die Flüssigkeit von dem festen Rückstand getrennt. Die
Aufarbeitung der schwach alkalischen Flüssigkeit zeigt. daß diese kein Pentosan enthält, wohl aber die gesamte
im Laubholz gebunden vorhandene Essigsäure als Alkaliacetat. Man kann die flüssige Phase, nachdem man
sie mit Alkalihydroxid wieder auf die erfindungsgemäß zu verwendende Alkalihydroxidkonzentration gebracht
hat, erneut in der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzen und so durch mehrmaliges
Benutzen mit Alkaliacetat anreichern, so daß eine Gewinnung der Essigsäure aus der Lösung dann
aussichtsreich erscheint.
In der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Rückstand der ersten Stufe, der Pentosan und Cellolignin enthält, mit Mineralsäure bei erhöhter
Temperatur, gegebenenfalls unter Anwendung von Überdruck, weiter aufgeschlossen.
Man kann hierbei z.B. mit H2SO4, HCI oder HBr
arbeiten, z. B. in Wasser, vorzugsweise mit H2SO4. Beim Arbeiten oihne Druck verwendet man vorzugsweise 1,5
bis 6,0gew.%ige HCI oder HBr oder 1,5 bis 6 vol.°/oige H2SO4 und ein Verhältnis von Flüssigkeit zu Feststoff
von 3 bis 6 Raumteilen. Die Temperatur ist erhöht und
betrügt vorzugsweise 50 bis I25°C man benötigt dann
eiwa 2 bis 4 Stunden für die zweite Stufe des erfindungsgenijiöcn Verfahrens
Bei Arbeilen unter Druck verwendet man vorzugsweise einen Druck von bis zu 4 atü, insbesondere 1 bis 3
atü. wobei die Temperatur vorzugsweise 125 bis 135°C
beträgt Die Säurekonzentration beträgt vorzugsweise 0,2 bis 0.6 Gewichtsprozent HCl oder HBr oder 0,2 bis
0,6 Volumprozent H2SO«. Das Verhältnis von Flüssigkeit
zu Feststoff soll vorzugsweise 4:1 bis 7:1 Raumtfcile/Feststoffgewicht betragen. Die benötigte
Zeit beträgt etwa 1 bis 2 Stunden.
Nach dem Ende dei zweiten Verfahrensstufe wird der Ansatz filtriert. Die Flüssigkeit kann zu Xylose oder
unmittelbar zu Xylit verarbeitet werden. Hat man in der :s
zweiten Stufe mit Schwefelsäure gearbeitet, so kann man mit Calciumoxid, Calciumcarbonat oder bevorzugt
mit Bariumcarbonat in der berechneten Menge neutralisieren. Man erhält dann nach Abtrennung des
Niederschlages eine Xyloselösung, die man sofort /u Xylit reduzieren kann, während man bisher /ur
Entfernung von Essigsäure die Lösung eindicken oder über Ionenaustauscher leiten mußte.
Aus dem unlöslichen Rückstand der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man zunächst
Lignin gewinnen, indem man den Rückstand mit organischen Lösungsmitteln, wie Methanol oder Aceton
extrahiert. Die Lösung dieser Extraktion enthält dann das Lignin, das man durch Eindunsten gewinnt. Man
erhält ein nicht polymerisiertes Lignin, das thermoplastisch und sehr reaktionsfähig ist, die Substanz kann als
Grundsubstanz für Farbstoffe und Schädlingsbekämpfungsmittel dienen.
Der nach der Behandlung mit dem organischen Lösungsmittel verbleibende Rückstand kann zu Zeilstoff
verarbeitet werden.
1. 1000 g grobes Buchenholzmehl (als Trockensubstanz
gerechnet) werden bei Raumtemperatur mit 81 l%iger wäßriger Natriumhydroxidlösung (80 g
NaOH) versetzt. Der Ansatz wird 10 Minuten gerührt und dann titriert, wobei sich zeigt, daß fast
40 g NaOH verbraucht worden sind, was dem Gehalt an gebundener Essigsäure im Holz entspricht.
Anschließend wird noch 30 bis 60 Minuten auf dem Wasserbad auf 70 bis 90"C erhitzt. Jetzt
beträgt der NaOH-Verbrauch etwa 55 bis 60 g.
Die dunkelbraune Lösung wird abgesaugt und der Rückstand bis zum Verschwinden dor alkalischen
Reaktion mit H2O gewaschen.
Nach dem Ansäuern des Filtrates mit verdünnter H2SO4 wird ein Niederschlag von etwa 20 g erhalten, der kein Xylan, aber 18% OCHj enthält und sich als lösliches Lignin erweist. Die saure Lösung wird nun im Vakuum zum dünnflüssigen Sirup eingedunstet. Das Destillat enthält 60 g Essigsäure (entsprechend 42 g im eingesetzten Holz gebundenem Acetyl).
Nach dem Ansäuern des Filtrates mit verdünnter H2SO4 wird ein Niederschlag von etwa 20 g erhalten, der kein Xylan, aber 18% OCHj enthält und sich als lösliches Lignin erweist. Die saure Lösung wird nun im Vakuum zum dünnflüssigen Sirup eingedunstet. Das Destillat enthält 60 g Essigsäure (entsprechend 42 g im eingesetzten Holz gebundenem Acetyl).
Der Sirup wird mit CaCOi neutralisiert, um die Schwefelsäure zu binden, und dann mit Methanol
behandelt, das nach dem Eindunsten eine dunkelbraune, in verschiedenen organischen Lösungsmit·
teln lösliche Substanz im Gewicht von etwa 90 g hinterläßt, die keine Xylose, aber 10,9% OCHi
enthält. Sie ist sehr reaktionsfähig.
2. Der Holzrückstand beträgt etwa 849 g und enthält 28% Xvlan. Er wird mit der 5- bis /fachen
Raummenge an 0.5voL%iger wäßriger Schwefelsäure
2 Stunden im Autoklav bei 2 bis 23 atü und 125 bis 132°C gerührt. Man saugt ab, wäscht gut mit
Wasser und neutralisiert das Fittrat mit der be.-echneten Menge CaCO3 oder BaCOi Die
erhaltene Lösung ist im Gegensatz zu den üblichen Hydrolysenlösungen sehr hell gefärbt und frei von
Essigsäure. Zur Entfärbung sind nur sehr geringe Mengen Aktivkohle notwendig. Nach dem Konzentrieren
der Lösung kann sofort ohne Isolierung der Xylose hydriert werden. Wegen der Anwesenheit
von D-Glukose und geringen Mengen anderer Zucker (z. B. Mannose, L-Arabinose und L-Rhamnose)
ist es jedoch ratsam, die Xylose zunächst aus/ukristallisieren, wobei eine Xylose-Ausbeute
von bis zu 16%, berechnet auf die ursprünglich angewandte Holzsubstanz, erhalten wird.
Man kann die Hydrolysenlösung aber auch mittels Vergärung von den Hexosen befreien (Methods in Carbonhydrate Chemistry. Vol. I. S. 88).
Der Rückstand der sauren Hydrolyse beträgt etwa 635 % und besitzt noch 7 bis 9% schwerlösliches Xylan
Man kann die Hydrolysenlösung aber auch mittels Vergärung von den Hexosen befreien (Methods in Carbonhydrate Chemistry. Vol. I. S. 88).
Der Rückstand der sauren Hydrolyse beträgt etwa 635 % und besitzt noch 7 bis 9% schwerlösliches Xylan
1. 100 κ grobes Birkenholzmehl (als Trockensubstanz
gerechnet) werden mit 600ecm einer 1.33%igen wäßngtn Natriumhydroxidlösung (8 g NaOH)
versetzt. Der Ansatz wird auf dem Wasserbad b0 bis 90 Minuten auf 50 bis 650C erwärmt: dabei laßt
man in kleinen Portionen 10 ecm H:O:-Lösung
(35%ig) hinzufließen.
Nach Beendigung der Reaktion wird abgesaugt und mit Wasser nachgewaschen. Es verbleiben 81.5 g
einer hellgelblichen Substanz, die 30.1% Xylan und 5,7% OCHi enthält.
Das riltrat wird im Beispiel 1 aufgearbeitet. Der Essigsäuregehalt des Holzes wird zu etwa b%
bestimmt.
Die a<JS dem Filtrat isolierten Produkte haben infolge der oxydativen Einwirkung des Wasserstoffperoxids
nur ähnliche Eigenschaften wie die aus dem Fiilrat des Beispiels 1 isolierten Produkte.
Sie enthalten aber ebenfalls kein Xylan. Die nochmalige Wiederverwendung des Filtrats
zwecks Anreicherung der Essigsäure ist möglich.
2. Der Rückstand von 81,5 g der Alkalihydroxidbehandlung wird mit 400 ecm 4vol.%iger wäßriger
Schwefelsäure 2 Stunden bei Atmosphärendruck im ölbad von 130 bis 135°C erhitzt. Man saugt ab,
wäscht mit Wasser nach, neutralisiert die hellgelbe Lösung mit der berechneten Menge CaCOi.
konzentriert im Vakuum und fügt dem Konzentrat bis zur Trübung Methanol hinzu, wobei Reste von
Calciumsalzen ausfallen. Nach weiterem Konzentrieren im Vakuum zum dünnflüssigen Sirup läßt
man auskristallisieren. Man erhält etwa 16 g reine Xylose.
1. 200 g grobes Birkenholzmehl (als Trockensubstanz gerechnet) werden mit 21 lgew.%iger wäßriger
Natriumhydroxidlösung (20 g NaOH) (1 ecm der Lösung entsprechen 2,48 ecm n/10 HCI) 10 Minuten
bei Raumtemperatur gerührt. Danach beträgt der Titer von 1 ecm Lösung 1,2 ecm n/10 HCI. Nach
sechsstündigem Stehenlassen des Ansatzes beträgt der Titer von 1 ecm der Lösung 0.9 und nach 30
Minuten Erhitzen auf 65 bis 700C 0,85ecm n/10
HCI. Es werden also 13,2 g NaOH verbraucht, für 4ie Abspaltung der Acetylgruppe sind 8 g NaOH
erforderlich.
Nach dem Absaugen, Waschen mit H2O und Trocknen verbleiben etwa 170 g Rückstand mit
18,8% Xylan und 7.7% OCH3.
Aus dem Filtrat können etwa 12 g Essigsäure und wenig Ameisensäure isoliert werden. Durch Fällung mit verdünnter Schwefelsäure und Aufarbeilen wie in Beispiel I werden 2 lösliche Fraktionen von a) 3.2 g mit 0% Xylose und 8,1% OCHj sowie von b) etwa 15 g, die ebenfalls frei von Xylose ist und 15% OCHa enthält, isoliert.
Die 170 g Rückstand werden mit 1 1 4vol.%iger. wäßriger Schwefelsäure 2 1/2 Stunden bei 130 bis 135° C Ölbadtemperatur unter Rückfluß erhitzt. Man saugt ab, versetzt die hellgelblich-grünliche Lösung mit der berechneten Menge CaCOs oder BaCOj bis zum pH-Wert von 3. koazentriert im Vakuum und läßt auskristallisieren. Man erhält 16% Xylose, berechnet auf das Ausgangsmaterial.
Aus dem Filtrat können etwa 12 g Essigsäure und wenig Ameisensäure isoliert werden. Durch Fällung mit verdünnter Schwefelsäure und Aufarbeilen wie in Beispiel I werden 2 lösliche Fraktionen von a) 3.2 g mit 0% Xylose und 8,1% OCHj sowie von b) etwa 15 g, die ebenfalls frei von Xylose ist und 15% OCHa enthält, isoliert.
Die 170 g Rückstand werden mit 1 1 4vol.%iger. wäßriger Schwefelsäure 2 1/2 Stunden bei 130 bis 135° C Ölbadtemperatur unter Rückfluß erhitzt. Man saugt ab, versetzt die hellgelblich-grünliche Lösung mit der berechneten Menge CaCOs oder BaCOj bis zum pH-Wert von 3. koazentriert im Vakuum und läßt auskristallisieren. Man erhält 16% Xylose, berechnet auf das Ausgangsmaterial.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung von Xyloselösungen durch Aufschluß von Laubholz mit Mineralsäure, dadurch gekennzeichnet, daß man das Laubhoiz zunächst mit einer Alkalihydroxidlösung, deren Konzentration weniger als 4 Gewichtsprozent beträgt, behandelt, die Flüssigkeit abtrennt den festen Rückstand in bekannter Weise mit Mineralsäure aufschließt und die erhaltene Xyloselösung von dem festen Rückstand des Mineralsäureaufschlusses abtrennt.'5
Priority Applications (11)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732358407 DE2358407C3 (de) | 1973-11-23 | Verfahren zur Herstellung von Xyloselösungen | |
IT29246/74A IT1025544B (it) | 1973-11-23 | 1974-11-08 | Processo per disgregare legno di latifoglie |
US05/523,455 US3954497A (en) | 1973-11-23 | 1974-11-13 | Hydrolysis of deciduous wood |
JP49130900A JPS5083400A (de) | 1973-11-23 | 1974-11-13 | |
GB4988074A GB1468388A (en) | 1973-11-23 | 1974-11-18 | Process for the hydrolysis of decidous wood |
CH1543674A CH595450A5 (de) | 1973-11-23 | 1974-11-20 | |
CH1543774A CH599394A5 (de) | 1973-11-23 | 1974-11-20 | |
FR7438254A FR2252408B3 (de) | 1973-11-23 | 1974-11-21 | |
FI3368/74A FI56712C (fi) | 1973-11-23 | 1974-11-21 | Foerfarande foer aotervinning av ligning och cellulosa |
FI3367/74A FI59121C (fi) | 1973-11-23 | 1974-11-21 | Foerfarande foer framstaellning av xylos av loevtrae genom upploesning i tvao steg |
JP49135072A JPS5077554A (de) | 1973-11-23 | 1974-11-22 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732358407 DE2358407C3 (de) | 1973-11-23 | Verfahren zur Herstellung von Xyloselösungen |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2358407A1 DE2358407A1 (de) | 1975-05-28 |
DE2358407B2 DE2358407B2 (de) | 1976-04-01 |
DE2358407C3 true DE2358407C3 (de) | 1976-11-18 |
Family
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