DE2735995C2

DE2735995C2 - Verfahren zur Reinigung technischer Zuckerlösungen

Info

Publication number: DE2735995C2
Application number: DE2735995A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. 4040 Neuss Quentin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-10
Filing date: 1977-08-10
Publication date: 1982-06-09
Also published as: BE869660A; IT1097669B; DE2735995A1; FR2400064A1; AT362327B; ATA512778A; IT7826481A0; US4211579A; NL7808274A; DK351878A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung technischer Zuckerlösungen durch Adsorption der Nichtzuckerstoffe an Ionenaustauschern, insbesondere an Kationenaustauschern in der Calciumform.

Technische Zuckerlösungen, z. B. Melassen, fallen üblicherweise als Endablauf bei der Zuckergewinnung aus Zuckerrüben und Zuckerrohr an. Melasselösungen enthalten in bekannter Zusammensetzung Nichtzuckerstoffe, die eine Kristallisation des Zuckers aus der Melasse verhindern und abgetrennt werden müssen, wenn man den Zucker aus der Melasse kristallin gewinnen will.

Es ist bereits bekannt, die Nichtzuckerstoffe durch Ionenausschluß mit Hilfe von schwach vernetzten Kationenaustauschern in der Alkaliform mit der Produktfolge Nichtzucker-Zucker abzutrennen (DTOS 22 32 093).

Es sind auch Verfahren bekannt, mit denen technische Zuckerlösungen durch Flüssigkeitsverteilungschromatografie an Kationenaustauschern in der Calciumform in Zucker- und Nichtzuckerstoffe aufgetrennt werden (DT-AS 23 62 211, DT-AS 25 18 284).

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Verfahren liegt in der starken Verdünnung der Lösungen beim Durchlaufen der Trennsäulen. Bei der für diese Verfahren erforderlichen Strömungsrichtung von oben nach unten und den notwendigen großen Säulendurchmessern lassen sich Unregelmäßigkeiten beim Durchströmen der Säulen nicht vermeiden. Die Strömungsverhältnisse werden dabei durch das abwechselnde Quellen und Schrumpfen der Harze und die hohe Eingangskonzentration der zu reinigenden Ausgangslösungen weiterhin nachteilig beeinflußt. Die Folge hiervon sind eine starke Vermischung der Lösungen mit dem vor- und nachlaufenden Wasser und eine entsprechend geringe Konzentration der Zucker- und Nichtzuckerfraktion.

Der geringe Trockensubstanzgehalt der Zucker-und Nichtzuckerfraktion erfordert einen beträchtlichen Aufwand für die bei der weiteren Verarbeitung notwendige Konzentrierung. Das gilt sowohl hinsichtlich der Anlagekosten wie auch der laufenden Energiekosten. Letztere machen einen wesentlichen Teil der Betriebskosten dieser Verfahren aus.

ίο Bei den niedrigen Konzentrationen wird überdies das Adsorptionsvermögen der Harze nur zu einem geringen Teil ausgenutzt Dies macht den Einsatz großer Harzmengen bei entsprechend hohen Anlagekosten notwendig und führt zu den beim Betrieb großer Säulen allgemein auftretenden Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist die Reinigung technischer Zuckerlösungen durch Adsorption der Nichtzuckerstoffe an Ionenaustauschern unter Vermeidung der bei dem bekannten Verfahren eintretenden starken Verdünnung der Lösung und der damit verbundenen nachteiligen Auswirkungen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sich beim Betreiben der Harzsäule die zu reinigende Lösung stets unterhalb des zu verdrängenden oder des verdrängenden Wassers befindet. Hierzu wird die Ausgangslösung, beispielsweise Melasse von unten in die mit einem schwach vernetzten, stark sauren Kationenaustauscher in der Calciumform gefüllte Säule eingeführt. Nach dem Verdrängen des in der Säule befindlichen Wassers wird am Kopf der Säule die gereinigte Zuckerlösung abgezogen. Anschließend wird die Säule von oben mit Wasser eluiert und nach dem Verdrängen der in der Säule befindlichen Ausgangslösung am Fuß der Säule die Nichtzuckerlösung abgezogen.

Da die zu reinigende Lösung mit ihrem gegenüber Wasser hohen spezifischen Gewicht von unten in die Säule eingeführt wird, tritt keine nennenswerte Vermischung mit dem zu verdrängenden Wasser ein. Die gereinigte Zuckerlösung fällt mit einer hohen

«ο Konzentration an. Gleichzeitig erreichen die Nichtzuckerstoffe eine hohe Konzentration in der Porenflüssigkeit des Harzes. Dies führt zu einer guten Ausnutzung des Adsorptionsvermögens und zu einer hohen Konzentration der Nichtzuckerlösung beim Eluieren der Säule.

Durch das Füllen der Säule mit der zu reinigenden Lösung von unten und das Eluieren mit Wasser von oben erfolgt das Schrumpfen des Harzes (in der Lösung) von unten nach oben und das Quellen (in Wasser) von oben nach unten. Hierdurch werden Spannungen und Unregelmäßigkeiten in der Dichte der Austauschermasse weitgehend verhindert. Dies begünstigt eine gleichmäßige Durchströmung der Harzsäule und gestattet die Arbeit mit hohen Eingangskonzentrationen.

Um bei einem möglichst geringen Säulenvolumen einen guten Reinigungseffekt zu erreichen, ist es vorteilhaft, nach dem Abführen der gereinigten Zuckerlösung eine Zwischenfraktion in etwa der gleichen Größe abzuziehen und als Vorlauf für den nächsten Zyklus aufzugeben. Diese Fraktion erscheint im nächsten Zyklus als gereinigte Lösung. Sie hat praktisch die doppelte Säulenlänge durchlaufen und weist den gewünschten hohen Reinheitsgrad auf.

Als zweckmäßig hat es sich ferner erwiesen, die Reinigung in zwei Stufen in getrennten und hintereinander geschalteten Austauschergefäßen durchzuführen. In der ersten Stufe erfolgt vorwiegend der Austausch der in den zu reinigenden Lösungen enthaltenen Alkaliio-

nen gegen Calciumionen (Austauschstufe) und in der zweiten Stufe die Adsorption der Nichtzuckerstoffe (Adsorptionsstufe). Das Verhältnis der Harzmengen der beiden Stufen soll dabei etwa dem umgekehrten Verhältnis der Austausch-zur Adsorptionskapazität des Harzes für die zu reinigende Lösung entsprechen. Bei dieser Arbeitsweise braucht nicht die gesamte Säule, sondern nur die Austauschstufe mit einer Calciumsalzlösung regeneriert zu werden.

Da das Eluieren der Harzsäule von oben nach unten erfolgt, durchläuft die Nichtzuckerlösung vor ihrem Austritt aus der Säule die Austauschstufe. Dabei wird der größte Teil der vom Austauscher aufgenommenen Aikaliionen durch die Calciumionen der Nichtzuckerlösung wieder verdrängt. Hierbei wirkt sich die hohe Konzentration der Nichtzuckerlösung besonders günstig aus. Bei der nachfolgenden Regeneration braucht nur noch ein geringer Teil der ursprünglich vom Austauscher aufgenommenen Alkaliionen mit Calciumsalzlösung verdrängt zu werden. Dies führt zu einem entsprechend niedrigen Regenerationsmittelaufwand und einer nur geringen Abwüssermenge.

Zur weiteren Verbesserung der erfindungsgemäßen Arbeitsweise ist es vorteilhaft, die Säulen hintereinander geschaltet zu betreiben, d. h. jeweils mit zwei Austauschstufen und zwei Adsorptionsstufen zu arbeiten. Auf diese Weise kann das Überführen der Zwischenfraktion und das anschließende Verdrängen der noch in den Säulen befindlichen Ausgangslösung direkt von Säule zu Säule ohne besondere Zwischengefäße erfolgen. Durch eine entsprechende Schaltung der einzelnen Stufen kann dabei ein Eindringen von Alkaliionen in die Adsorptionsstufe weitgehend vermieden werden. Hierzu wird nach dem Abführen der gereinigten Zuckerlösung und der Zwischenfraktion die in der Säule befindliche restliche Ausgangslösung zunächst aus der Adsorptionsstufe der ersten Säule in die Austauschstufe der zweiten Säule verdrängt. Diese Lösung durchläuft somit zweimal die Austauschsstufe, und zwar beim zweiten Mal unmittelbar nach der Regeneration dieser Stufe. Erst anschließend wird die Ausgangslösung aus der ersten Austauschstufe in die zweite Austauschstufe verdrängt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung eines zweistufigen Doppelsäulen-Austauschers;

F i g. 2 die einzelnen Verfahrensstufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in zwei Harzsäulen I und II durchgeführt, die jeweils wiederum in eine Austauschstufe IA, UA und eine Adsorptionsstufe Iß, IIßunterteilt sind.

Die Austauschersäulen 1 und II sind mittels Leitungen 1 bis 25 verbunden, in denen Ventile 25 bis 45 eingebaut sind.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt:

Beim Anfahren der Anlage (Fig.2 — Stufe 1) wird die zu reinigende Ausgangslösung über Leitungen 1, 2 und 3 der Austauscherstufe IA und weiterhin über Leitung 4 der Adsorptionsstufe Iß zugeführt. Dabei sind außer den Ventilen 25,31,39 und 37 alle übrigen Ventile geschlossen. Das in der Säule I befindliche Wasser wird von der von unten zugeführten Ausgangslösung verdrängt und über Leitung 7 abgeführt. Hat die Ausgangslösung das Venti! 37 erreicht, so wird dieses geschlossen und über die Leitung 8 mit dem Ventil 36 die gereinigte Zuckerlösung abgezogen. Anschließend werden die Ventile 36 und 39 geschlossen sowie die Ventile 40, 35, 28, 32, 42 und 44 geöffnet Jetzt wird die Zwischenfraktion über die Leitungen 9, 10, 10a, 11, 12 und 13 der Säule Il und damit der Austauschstufe UA und der Adsorptionsstufe Ilß zugeführt Hierdurch wird ein Teil des in der Säule II befindlichen Wassers verdrängt und über die Leitung 16 abgeführt Damit ist die Stufe 2 des Arbeitsverfahrens beendet Jetzt wird zur

ίο Stufe 3 übergegangen. Hierzu werden außer den Ventilen 38,39,33,28,32,42 und 44 alle übrigen Ventile geschlossen. Gleichzeitig wird über Leitung 18 Wasser der Säule I zugeführt Die in der Adsorptionsstufe Ilß befindliche Lösung wird über die Leitungen 4,19,10a, 11 und 12 der Austauschstufe UA und weiterhin der Adsorptionsstufe llß zugeführt Gleichzeitig wird über Leitung 16 das noch in der Säule II befindliche Wasser abgezogen. Wenn die Zuckerlösung das Ventil 44 erreicht hat, wird dieses geschlossen und über Leitung 17 und Ventil 45 die gereinigte Lösung abgezogen. Außerdem wird die in der Adsorptionsstufe Iß befindliche Nichtzuckerlösung von dem oben über Leitung 18 zugeführten Wasser nach unten verdrängt. Hat die Nichtzuckerlösung den unteren Bereich der Adsorptionssture Iß erreicht, dann wird zum Übergang auf Stufe 4 Ventil 33 geschlossen und die Ventile 31,27. 28 geöffnet, so daß die in der Austauschstufe IA befindliche Lösung in die Austauschstufe UA befördert werden kann. Hat die Nichtzuckerlösung den unteren Bereich der Austauschstufe IA erreicht, dann wird zum Übergang auf Stufe 5 Ventil 27 geschlossen und Ventil 26 geöffnet. Über Leitung 20 wjrd sodann die Nichtzuckerlösung abgezogen. Zum Übergang auf die Regenerationsstufe 6 sind nur die Ventile 30, 28, 33, 21 und 26 geöffnet, und gleichzeitig wird über Leitungen 21, 11, 10a, 19 und 4 der Austauschstufe \A eine Calciumsalzlösung zur Regenerierung zugeführt, die sodann über Leitung 20 abgeführt wird. Vor der Regenerierung wird die Stufe IA noch rückgespült und nach der Regenerierung zur Beseitigung der noch vorhandenen Salzlösung ausgewaschen. Nach Abschluß der Regenerierung ist die Stufe \A mit Wasser gefüllt.

Jetzt beginnt der Austauscherprozeß mit Stufe 7 in spiegelbildlicher Ausführung gegenüber Stufe 2. Bei entsprechender Schaltung der Ventile wird über Leitung 21 die zu reinigende Ausgangslösung der Austauschstufe UA zugeführt und weiterhin in di·' Adsorptionsstufe IIB geleitet. Bei entsprechend erreichtem Durchsatz wird sodann auf Stufe 8 übergewechselt, die spiegelbildlich der Stufe 3 entspricht. Des weiteren entsprechen die Stufen 9 bis 11 spiegelbildlich den Stufen 4 bis 6. Hat das Arbeitsverfahren die Stufe 11 erreicht, so wird wiederum auf Stufe 2 übergegangen, und es wird der einleitend beschriebene Prozeß erneut eingeleitet.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu erblicken, daß die Konzentrationen der abgezogenen Zuckerlösung und der Nichtzukkerlösung wesentlich höher sind als bei den bisher bekannten Verfahren, und daß die erforderlichen Harzmengen wesentlich unter denen der bekannten Anlagen liegen. Da der Austausch der in den Lösungen enthaltenen Alkaliionen gegen Calciumionen vorwiegend in der ersten Stufe und in der zweiten Stufe die Trennung in Zucker- und Nichtzuckerfraktionen erfolgt, ist es nicht erforderlich, die gesamte Säule mit einer Calciumsalzlösung zu regenerieren. Die Regeneration wird nur in der kleineren Austauschstufe durchgeführt.

Da das Eluieren der Säule von oben nach unten erfolgt, durchläuft die Nichtzuckerfraktion vor ihrem Austritt aus der Säule die Austauschstufe. Dabei wird ein großer Teil der vom Austauscher aufgenommenen Alkaliionen im Gegenstrom durch die Calciumionen der Nichtzukkerfraktion wieder verdrängt. Hierbei wirkt sich die hohe Konzentration der Nichtzuckerfraktion besonders günstig aus.

Bei der anschließenden Regeneration mit Calciumsalzlösung braucht nur noch ein geringer Teil der vom Austauscher aufgenommenen Alkaliionen verdrängt zu werden. Die Regeneration erfolgt dabei ebenfalls im

Gegenstrom.

Die Erfindung ist nicht an das dargestellte Ausführungsbeispiel gebunden. So ist es ohne weiteres denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren in einer einstufigen Säule bzw. in zwei einstufigen Säulen durchzuführen. Auch können drei Austauschstufen mit zwei Adsorptionsstufen betrieben werden, wobei sich eine Austauschstufe immer in der Regeneration befindet. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich betreibbar. Entsprechende Leitungen und Ventile sind dazu vorzusehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Reinigung technischer Zuckerlösungen durch Adsorption der Nichtzuckerstoffe an Ionenaustauschern, insbesondere an Kationenaustauschern in der Calciumform, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenaustauscher von unten mit der zu reinigenden Lösung beschickt, nach dem Verdrängen des Wassers die gereinigte Zuckerlösung am Kopf des Austauschers abgezogen wird und anschließend der Ionenaustauscher von oben mit Wasser eluiert und nach dem Verdrängen der in dem Austauscher befindlichen restlichen Ausgangslösung die Nichtzuckerlösung am Fuße des Austauschers abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsvorgang in zwei oder mehr Harzsäulen im Verbund hintereinander betrieben und nach der Regenerierung in spiegelbildlicher Folge fortgesetzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigende Lösung in jeder Harzsäule zunächst eine Austauscherstufe und so dann eine Adsorptionsstufe durchläuft und das Verhältnis der Harzmengen in der Austauscherstufe und der Adsorptionsstufe etwa dem umgekehrten Verhältnis der Austausch- zur Adsorptionskapazität des Harzes für die zu reinigende Lösung entspricht.