DE2744067A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen hydrolyse von pflanzlichen stoffen - Google Patents

Description

• "Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Hydrolyse
• von pflanzlichen Stoffen" Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Gewinnung von Zuckern aus pflanzlichen Rohstoffen und Rückständen durch Hydrolyse mit verdünnten Siuren. Es geht dabei sowohl um die aus den Pentosanen der Pflanzenstoffe entstehende Xylose als auch um die aus der Cellulose entstehende Glukose.
• Während die Xylosc in Anwesenheit verdünnter Säuren schon bei Temperaturen bis 130°C durch die Spaltung der Xylanketten und gleichzeitige Anlagerung von Wassermolekülen gebildet wird, sind für die Spaltung der Celluloseketten zu Glukose Temperaturen um 180 0C erforderlich.
• Zur Zeit werden derartige Zucker nach den verschiedensten, diskontinuterlichen Verfahren mit veralteten Techniken und entsprechend geringen Ausbeuten nus Holzabfällen hergestellt. Die Zuckerausbeute wird dabei neben der Temperatur und der Síiurekonzentration auch sehr wesentlich von der jeweiligen Verfahrenstechnik beeinflußt.
• So ist es zum Beispiel sehr wichtig, daß die Zucker nach ihrer Entstehung möglichst schnell aus der l?calctionszone entfernt werden, da sie sonst entweder dehydratisiert werden oder repolymerisieren.
• Ijydrolyse und Extraktion sowie der Abtransport des gebildeten Zuckers sollten also möglichst gleichzeitig stattfinden.
• Bei allen bisher bekannten VorschL ilJcn kontinuierlicher Hydrolyseverfahren vrird diese Forderung nicht berücksichtigt.
• Es ist ein klassisches Perkolationsverfahren bekannt, bei dem der Abtransport der gebildeten Zucker gewährleistet ist. 3ieses Verfahren ist jedoch (Iiskontinuierlich. Die zu behandelnden Stoffe werden von der Saure durchströmt und befinden sich dabei in Ruhelage. Dadurch sind die Reaktionsbedingungen nicht homogen . In den Randzonen der Reaktionsbehälter ist die Hydrolyse statisch, es kommt zur Karamelbildung und damit zur Verkrustung der Behälter. Durch diese inhomogenen Reaktionsbedingungen wird die mittlere, erzielbare Zuckerausbeute stark reduziert. Außerdem bedingt dieses diskontinuierliche Verfahren erheblich höhere Investitionskosten als ein kontinuierliches, da für das Füllen und Leeren der Behälter sowie für die Aufheizung und Abkühlung des Inhalts jeweils sehr viel Zeit benötigt wird. Bcim kontinuierlichen Verfahren fallen diese Zeiten weg, sodaß das erforderliche Behältervolumen wesentlich klciner ist.
• Die meisten bisher erprobten oder vorgeschlagenen, @ kontinuierlichen Verfahren haben außerdem einen rclativ hohen Säureverbrauch gemeinsam und ihre Realisierung scheiterte an technischen Schwierigkeiten.
• Der Erfindung wurde daher folgende Aufgabe zugrundegelegt: Verfahren und Vorrichtung sollten bei homogenen und dynamischen Hydrolyse- und Extraktionsbedingungen höhere Zuckerausbeuten mit geringeren Betriebskosten (Säureverbrauch) und geringstem technischem Risiko ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß so gelöst, daß der Rohstoff nach der Austreibung der in ihm enthaltenen Luft kontinuierlich in eine Reaktionszone eingebracht wird und diese nach unten durchwandert.
• Dabei strömt ihm die heiße @ Säure aufwärts entgegen, sodaß die abgcspaltenden Zucker kontinuicrlich weggeführt und am oberen Ende der Reaktionszone aus dein Beh iltcr Wogezogen werden. Durch eine geeignete Ausführung der Behälterkonstruktion wird eine über den gesamten Querschnitt konstante Strömungsgeschwindigkeit beider @hasen erreicht, sodaß auch die Reaktionsbedingungen homogen sind und es nicht zu Karamelbildungen kommen kann. Die Forderung nach einem möglichst geringen Säureverbrauch kann so erfüllt werden, daß flüchtige Säuren verwendet werden. Dicsc Sliurcn können aus dem abgezogenen Hydrolysat durch Aus -dampfung ausgetrieben und in den unteren Teil des Reaktionsbchälters zurückgeführt werden.
• Die Erfindung weist gegenüber andercn Verfahren folgende Vorteile auf: 1. Höchstmögliche Zuckerausbeute bei geringstem Söureverbrauch 2. Die Vorrichtung kann sowohl für aie Vorhydrolysc (Spaltung der Hemicellulosen) als auch für die tlaupthydrolyse (Spaltung der Cellulose) eingesetzt werden. Das jeweilige Verfahren wird dabei durch die Temperatur bestimmt.
• 3. Die technologische Einfachheit des Verfahrens erlaubt den Einsatz unkomplizierter und bewährter Verfahrenstechniken.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung werden nachstehend unter BezuGnahme auf die Zeichnung (Fig. 1) näher erläutert.
• Der zu behandelnde Rohstoff wird in einen Vordämpfbehälter 1 Geleitet, wo dle im Stoff enthaltene Luft durch Wasserdampf verdrängt und ersetzt wird. Dabei wird der Stoff durch den über die Ringleitung 2 eingespeisten Dampf auf etwa 1000C erwärmt. Die Luft wird dabei nach oben verdrängt.
• Der entlüftet Rohstoff gelangt über eine Druckschleuse 3 in den Reaktor 5,7,8,9. Die Drehzahl der Druckachleuse wird von einer Niveausonde 4 Gesteuert.
• In der Aufheizzone 5 wird der Stoff auf die Reaktionstemperatur aufgeheizt. Der erforderliche Dampf wird durch die Leitung 6 zugeführt.
• Pei Verwendung flüchtiger Säuren stellt sich in der Aufheizzone 5 ein Säure-Dampf-Gemisch ein, sodaß die Hydrolyse hier bereits beginnt.
• Der so aufgeheizte Stoff sinkt nun in die Hydrolyse- und Lxtraktionszone 7 ab, wo er von der aufsteigenden Säure durchströmt wird. Je nach Reaktionstemperatur werden hier die im Stoff enthaltenen Hemicellulose- bzw. Celluloscketten durch Anlagerung von Wassermolekülen zu ilonozuckern hydrolytisch gespalten. Die Säure hat dabei nur eine katalytische 'lSirkung.
• An die Reaktions-Extraktions-Zone 7 schließt sich nach unten die Waschzone 8 an, in der die in den extrahierten Stoffpartikeln verbliebene Säure durch gegenströnendes Heißwasser ausgewaschen wird. Der so extrahierte und ausgewaschene Stoffrückstand wandert nun weiter abwärts in die Verdünnungsæonc 9, wo er am Boden von einem Rührer 14 erfaßt den Reaktor verläßt und über eine Austragsleitung 11 in eine Abscheidevorrichtung 12 gelangt. Dort wird der Rückstand vom Transportwasser getrennt und verläßt das System über die Druckschleuse 13.
• Das Transportwasser fließt durch die Leitung 14 in den Auffangbehälter 15. Von dort wird es mit der Umwälzpumpe 16 durch die Leitung 17 zum Reaktoraustrag zurückgeführt, ein Teil davon wird durch die leitung 18 und dann durch den Reaktorboden in die Verdünnungszone 9 geleitet.
• Das erforderliche Waschwasser wird über die Leitung 19 in das System eingeleitet. Es wird zusammen mit dem Kreislaufwasser über den Ringraum 23 und die Pumpe 24 durch den Wärmetauscher 20 geleitet, wo es auf Waschtemperatur erhitzt wird. Von dort fließt das Wasser durch die Leitung 21, die Hohlwelle des Riihrers 10 und das aufgesteckte Rohr 22 in den untcren Bereich der Waschzone 8, den es in horizontaler und vcrtikaler Richtung durchströmt. t)ie Querströmung gewährleistet dabei eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit in der Waschzone 8.
• Am oberen Ende der Waschzone 8 wird das Waschwasser durch den Ringraum 25 aus dem Reaktor abgezogen. Eine Umwälzpumpe 26 fördert das mit der Kreislaufsäure vermischte Wasser durch die Leitung 27 in den Wärmetauscher 28, wo das Gemisch auf Reaktionstemperatur erhitzt wird. Die erforderliche Make-up-Säure wird über die Leitungen 35 und 36 in das System einGespeist. Die aufkonzentricrte Reaktionsflüssigkeit fließt durch das Zentralrohr 29 in den unteren Bereich der Reaktions-Extraktions-Zone 7 ein und durchströmt diesen in vertikaler und horizontaler Richtung. Auch hier bewirkt die erzwungene Querströmung eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit in der Rcaktions-Extralstions-Zone 7.
• Die aufwärtsströmende Reaktionsflüssigkeit reichert sich auf ihrem Weg durch die Stoffsäule mit gelöstem Zucker an und verläßt den Reaktor über den RinGraum 30. Durch die leitung 31 gelangt das Hydrolysat über den Entspannungszyklon 32 in das Ausdampfgefäß 33. Hier dampft die flüchtige Säure aus und wird vorn Gebläse 34 zusammen mit der Makeup-Säure in das System zurückgefördert.
• Das entsäuerte Hydrolysat fließt aus den Ausdampfgefäß 33 in den Vorratsbehälter 37. Von dort wird es mit einer Pumpe 58 zur Nachbehandlung gefördert.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur kontinuierlichen Hydrolyso pflanzlicher Stoffe mit verdünnten Säuren bei höheren Temperaturen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zu behandelnden Stoffe nach ihrer Entlüftung in einen vertikalen Reaktor kontinuierlich oben eingetragen, diesen nach unten durchwandernd von einer SAure im Gegenstrom durchströmt und dabei hydrolysiert und gleichzeitig extrahiert werden und anschließend in einer Waschzone mit heißem Wasser im Gegenstrom gewaschen und an dercn unteren Ende wieder kontinuierlich aus dem Reaktor ausgetragen werden.

   2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Waschwasser am oberen Ende der Waschzone radial abgezogen, mit Siure aufkonzentriert und zentral in etwa gleicher llöhe wieder zugegeben wird.

   5. Verfahren nach nen Ansprüchen 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung flüchtiger Säuren diese beim Entspannen des Hydrolysats ausgedampft und zur Aufkonzentrierung der Reaktionsflüssigkeit in das Reaktionssystem zurückgeführt werden.

   4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktions-Extraktions-Paum (5 + 7) und der Waschraum (8) sowie der Verdünnungsraum (9) in nur einem Gef.iß von oben nach unten hintereinander so angeordnet sind, daß zwischen diesen verschiedenen Prozeßräumen keine Transportmittel erforderlich sind.

   5. Vorrichtung nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Reaktions-Extraktions-7Jone (7) und der Waschzone (8) ein Ringraum (25) angeordnet ist, durch den das Waschwasser abgezogen werden kann.

   6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein zentrales Rohr (29) aufweist, das in den untcren Bereich der Reaktions-Extraktions-Zone mündet, durch welches die aufkonzentrierte Reaktionsflüssigkeit in den Reaktor zurückgeführt werden kann.