DE2729919A1

DE2729919A1 - Sugar soln. extn. from plant raw material - in multistage aq. extn. with screw extruders

Info

Publication number: DE2729919A1
Application number: DE19772729919
Authority: DE
Inventors: Pedro Dipl Ing Gutmann; Gisbert Dipl Ing Kiltz; Hans Joachim Dr Schmidt
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1977-07-02
Filing date: 1977-07-02
Publication date: 1979-01-04
Also published as: JPS5414530A

Abstract

Sugar contg. solns. are produced from plant raw material by acid hydrolysis of the raw material followed by the extn. of the produced monomeric sugar. The extn. is carried out with water, pref. in several stages, and mechanical force, e.g. a screw extruder, is used to dewater the material between each stage. The profitability is increased because the sugar is recovered with a higher purity and better yield. The sugar concn. in the solns. is also increased.

Description

Verfahren zur Herstellung von zuckerhaltigen Lösungen Process for the preparation of sugary solutions

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. from vegetable raw materials The invention relates to a method for the production of sugary solutions from vegetable raw materials by acidic Hydrolysis of the raw material with subsequent extraction of the sugars formed.

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.Vegetable raw materials, e.g. wood, nutshells, annual plants, etc. consist mainly of lignin, cellulose and hemicellulose. The cellulose and Hemicelluloses are made up of carbohydrates, with cellulose being the main one Hexoses are contained, while pentoses predominate in hemicellulose. By Carbohydrates, which are originally in polymeric form, can undergo acid hydrolysis be brought into solution as monomeric sugars. Because of these sugars find plants or parts of plants as raw materials are attracting increasing attention. For example, the hydrolyzate becomes such raw materials the pentose D - (+) - xy: obtained loosely and by hydrogenation in the Sugar alcohol converted to xylitol, which is already produced in large quantities. Farther sugar-containing hydrolysates are converted into protein by fermentation, which in turn serves as fodder or can be used for human consumption.

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).The hydrolysis of wood and other vegetable raw materials with acids is a well-known process step, as is the extraction of the hydrolysis sugar formed by extraction with water. An overview of such procedures gives Th. Riehm in "Die Hefen, Vol. II, pp. 82-113 (1962).

~weiterhin ist in der DT-PS 15 67 350 ein solches Verfahren beschrieben und in der DT-OS 24 58 386 eine Vorrichtung hierzu.~ Furthermore, such a process is described in DT-PS 15 67 350 and in DT-OS 24 58 386 a device for this.

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.All these processes have in common that washing out or extraction the sugar formed after hydrolysis occurs through percolation, i.e. the vegetable Raw material is mixed with the extraction agent, if necessary at elevated temperature Wash water or with a thin sugar solution from previous extraction stages added and the enriched sugar solution then withdrawn again. Here can this leaching takes place continuously or intermittently and in countercurrent.

Teilweise wird das Abziehen der Zuckerlösung aus dem Rohstoff durch Erhöhung des Dampf- oder Gasdruckes über der Flüssigkeit unterstützt.Partly this is done by drawing off the sugar solution from the raw material Supports increase in the vapor or gas pressure above the liquid.

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.If you are working according to the procedures mentioned and under hydrolysis conditions, in which only the hemicelluloses are broken down, it succeeds if you take into account from an economic point of view, about 70% of the pentoses present in the raw material wash out. An increase in the pentose yield according to the known method is by tightening the hydrolysis conditions mfar possible, but are already Hexoses released from the cellulose. This creates extraordinary difficulties in the separation of hexoses and pentoses, when the two products, as in the in most cases it is common to process them separately.

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.Contain the sugar solutions obtained during the extraction of the raw material mostly no more than 9, sugar. There is an increase in concentration in certain Limits are possible, but the sugar yield is reduced. For further processing the solutions to pure products, e.g. in the production of xylose and xylitol, affect such minor Concentrations adversely affect energy consumption and thus the cost of evaporation of the solutions.

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.The invention is based on these and other disadvantages to avoid the known processes and the economy in production increase of sugary solutions from vegetable raw materials. In particular the proposed method is intended to reduce the hydrolysis of the raw material released sugars can be obtained in high purity and yield. Also should caused by the invention an increase in the sugar concentration in the solutions will.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den pflanzlichen Rohstoff in der Extraktionsstufe durch Einwirkung mechanischer Kräfte entwässert.This object is achieved by the fact that the vegetable Raw material dehydrated in the extraction stage by the action of mechanical forces.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt man das Extrahieren des Rohstoffs mit Wasser in mehreren Stufen durch.According to an advantageous embodiment of the invention, this is done Extract the raw material with water in several stages.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß man in jeder Stufe während des Extrahierens durch Einwirkung mechanischer Kräfte entwässert.A preferred development of the invention is that you dehydrated at each stage during extraction by the action of mechanical forces.

Im Rahmen der Erfindung setzt man zum Entwässern des pflanzlichen Rohstoffs Schneckenpressen ein.In the context of the invention is used to dewater the vegetable Raw material screw presses.

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.The process of the invention can be both batchwise and fully continuous be carried out, whereby one extracts the raw material un V or the dehydration performs continuously.

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.Surprisingly, it was found that the invention improves the yield in sugar can be increased considerably. It will at a Procedure according to the process according to the invention yields of sugar of clear received over 90 r0 '.

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.Even if the amount of wash water used for extraction is reduced, which results in an increase in the sugar concentration in the solution, the sugar yields found that are far above the yields of the previously known processes.

Das erfindungsgemaße Verfahren ist nachstehend am Beispiel einer kontinuierlichen, vierstufigen Arbeitsweise beschrieben und anhand der Zeichnung näher erläutert.The inventive method is shown below using the example of a continuous, four-stage mode of operation described and explained in more detail with reference to the drawing.

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.In the figure: 1 feed hydrolyzed raw material, 2 feed funnel, 5 dosing device, 4 mixing containers, first extrusion stage, 5 mechanical drainage first extraction stage, 6 SI mixing tanks, second eftraction stage, 1 mechanical Dewatering second extraction stage, 8 mixing vessels third extraction stage, 2 mechanical dewatering third extraction stage, 10 mixing vessels fourth extraction stage, 11 mechanical dewatering fourth extraction stage, 12 containers for extracted and dewatered raw material, 13 discharge for extracted and dewatered raw material, 14 water tank, 15 pump for pumping water, 16 pipe for water, 17 Pump for conveying the sugar solution from the fourth extraction stage, 18 line for sugar solution in the third extraction stage, 19 pump for conveying the sugar solution from the third extraction stage, 20 line for sugar solution in the second extraction stage, 21 Pump for conveying the sugar solution in the first extraction stage, 22 line for Sugar solution in the first extraction stage, 25 line for concentrated sugar solution and 24 collecting containers for concentrated sugar solution.

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.The hydrolyzed raw material is at 1 via a feed hopper 2 a metering device, in the drawing as metering snow '3 each shown, fed. In the mixing container of the first E = tra tion stage 4 is the Raw material via the line 22 thin sugar solution from the subsequent second extraction stage admitted. From here, the raw material is mixed with the thin sugar solution into the mechanical dewatering 5, shown in the drawing by a screw press. The concentrated sugar solution leaves the screw press via line 23 and is collected in the container 24, from where it is sent for further use can be. The dehydrated raw material from the first extraction stage is through the screw press 5 conveyed into the mixing container 6, there with the over the line 20 added thin sugar solution from the subsequent third stage mixed, and from there the mixture reaches the screw press for mechanical dewatering 7 of the second extraction stage. The sugar solution draining from the press becomes gepvzpt with the pump 21 via the line 22 to the first extraction stage. Fully The third extraction stage is carried out analogously (liquid container 8, screw press 9, supply line 18, pump 19). In the fourth and final extraction stage is the dewatered raw material is conveyed through the screw press 9 into the mixing container 10 and there with water from the container 14, which is connected to the pump 15 via the pipeline 16 is pumped into the table container 10, mixed. The last mechanical drainage happens in the screw press 11, from where the extracted raw material over the Container 12 and the discharge line 13 leaves the system. The very thin sugar solution The fourth extraction stage is converted into the screw press 11 with the pump 17 conveyed back via line 18 to the third extraction stage.

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.When carrying out the method according to the invention for dewatering of the raw material under the action of mechanical forces do not necessarily have to Screw presses are used. All known per se are suitable Devices with the help of which a mechanical force is exerted on the solid and thus dewater the solids. A screw press has however proved to be particularly suitable for carrying out the procedure.

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 .It is not necessary to run the process continuously and in several stages perform. Often the process of the previous hydrolysis is discontinuous, the hydrolyzed vegetable raw material is produced in batches. The extraction of the Raw material can therefore also be carried out in batches and consequently also according to the invention mechanical dewatering of the raw material. It is also within the scope of the invention, that the process according to the invention, one-step or with one of four different steps Number of stages can be carried out. The optimal number of stages is determined by economic Points of view given.

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.Example 1 13.5 kg bagasse with a moisture content of 12.6 % By weight and a pentose content of 31.2% by weight i.T. is mixed with 2% acidic acid Hydrolyzed at 135 ° C. for 30 min. The hydrolyzed raw material is sold, extracted four stages in countercurrent with 35 1 of water, the solid in each Stage with the help of a screw press to a moisture content z'1, ischen 60 and 65% is dehydrated.

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.The resulting sugary solution has a sugar content of 8.1 % By weight and the bagasse residue then still contains 2.9% by weight of 5 'pentoses i.T.

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.A comparative experiment under identical conditions, but without the invention Drainage with a screw press (Moisture content in the raw material approx. 82% by weight), resulted in a sugar content in the solution of only 7.1% by weight and the Bagasse residue still contained 12.3% by weight of pentoses i.T.

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.Example 2 13.5 kg of bagasse were made under the same conditions as hydrolyzed in Example 1. The extraction is also carried out in an absolute manner, in four stages in countercurrent and under dewatering with a screw press, however, will only be 20 1 water used for the extraction.

Der Gehalt an Zucker in der erhaltenen Lösung beträgt 13,4 Gew.%, der Pentosegehalt im Rückstand 7,4 Gew.% i.T.The sugar content in the solution obtained is 13.4% by weight, the pentose content in the residue 7.4% by weight i.T.

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.The same experiment, but without mechanical drainage according to the invention resulted in the following values: Sugar content in the solution: 8.2% by weight pentose content in the residue: 19.9% by weight i.T.

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.Example 3 32.5 kg of comminuted beech wood chips without any bark with a moisture content of 31.2 Ge. and a pentose content of 24.2% by weight i.T. are hydrolyzed with 1.5% sulfuric acid at 140 ° C. for 45 minutes. That hydrolyzed beech wood is batchwise, in three stages in countercurrent with 40 l of water extracted, the solid in each stage with the help of a screw press a moisture content of approx. 50 wt.% Is dewatered.

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 eThe following results are obtained: Sugar content in the solution: 11.2 % By weight pentose content in the residue: 1.8% by weight The same attempt but without mechanical drainage according to the invention (moisture in the solid 68-70% by weight) gave the following values: Sugar content in the solution: 8.9% by weight pentose content in the residue: 7.4% by weight L e r s e i t e

Claims

Claims 1. A process for the production of solutions containing sugar from vegetable raw materials through acid hydrolysis of the raw material with subsequent Extraction of the formed sugars, characterized in that the vegetable Raw material dehydrated in the extraction stage by the action of mechanical forces.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Extracting the raw material with water is carried out in several stages.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that one dehydrated at each stage during extraction by the action of mechanical forces.

4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that one uses screw presses to drain the vegetable raw material.

5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that one the extraction of the raw material and / or the dehydration is carried out continuously.