DE3312450A1

DE3312450A1 - Zweistufiges verfahren zur herstellung von furfurol und glucose aus cellulosehaltigen stoffen durch saure hydrolyse

Info

Publication number: DE3312450A1
Application number: DE19833312450
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Knauth; geb. Trachte Isabel 7758 Meersburg Knauth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-04-07
Filing date: 1983-04-07
Publication date: 1984-10-11
Also published as: DE3312450C2

Description

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von
Furfurol und Glucose aus cellulosehaltigen Roh- und Reststoffen durch saure Hydrolyse.
Das Furfurol entsteht durch Dehydratation der bei der Hydrolyse aus dem Pentosan gebildeten Pentose. Die Glucose entsteht durch Hydrolyse der Cellulose.
Man unterscheidet die Hydrolyse mit verdünnten Säuren bei Temperaturen zwischen 100 und 2000C und die Hydrolyse mit konzentrierten Säuren bei Temperaturen zwischen 20 und 60"C.
Bei der Hydrolyse mit verdünnten Säuren stehen dem Vorteil des geringen Säureverbrauches erhebliche Nachteile gegenüber.
Die hohen Temperaturen bewirken neben der Zuckerbildung dessen Zerfall. Um die Verluste in Grenzen halten zu können, muß die Hydrolyse deshalb in mehreren Stufen durchgeführt werden Die Substrate haben demzufolge nur geringe Konzentrationen. Energie- und Wasserverbräuche sind entsprechend hoch. Hohe Drücke und Temperaturen bedingen auch hohen Verschleiß der Werkstoffe für die Reaktionsapparate.
Die Hydrolyse mit konzentrierten Säuren ist nahezu verlustfrei und kann in nur einer Stufe durchgeführt werden. Verschleißprobleme gibt es nicht.
Die hohe Säurekonzentration bei der Hydrolyse macht allerdings eine Säurerückgewinnung unumgänglich, die wiederum hohe Wasser-und Energieverbräuche mit sich bringt. Trotz Säurerückgewinnung ist der Säureverbrauch erheblich. Ein schwieriges Problem bildet die gleichmäßige Verteilung der Säure in den zu hydrolysierenden Stoffen.
Die Dehydratation der Pentose zu Furfurol wird derzeit ausnahmslos mit verdünnten Säuren bei Temperaturen zwischen 150 und 2000C durchgeführt.
Es sind zweistufige Verfahren bekannt, bei denen zuerst die Pentosane zu Pentosen hydrolysiert und diese dann in einer zweiten Stufe in der Suspension dehydratisiert werden. Dabei werden Ausbeuten von 60 - 75% erreicht, der Rest zerfällt bei Nebenreaktionen in der Flüssigphase. Der Energieaufwand für die Aufkonzentrierung des Furfurols ist erheblich.
Der vorliegenden Erfindung wurden folgende Aufgaben zugrundegelegt: 1. Es sollen die Vorteile der verschiedenen Hydrolyseverfahren erhalten und deren Nachteile eliminiert werden.
2. Dabei sollen die Aufwendungen für die maschinelle Ausrüstung und die thermische Energie so gering wie möglich gehalten werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß so gelöst, daß man das zu hydrolysierende Material mit verdünnter Säure imprägniert, dann die Säure durch Trocknung des Materials soweit aufkonzentriert, daß die Hydrolyse der Pentosane zu Pentose bei Temperaturen unter 1000C durchgeführt werden kann, diese vollständig durchführt und danach die Säure durch weitere Trocknung soweit aufkonzentriert, daß die Pentosen bei Temperaturen um 1000C zu Furfurol dehydratisiert werden können.
Die Erfindung vereint die Vorteile der vorgenannten Verfahren schließt deren Nachteile weitgehend aus und weist zusätzlich folgende Vorteile auf: 1. Durch die Trocknung der vorhydrolysierten Stoffe steigt die Pentosekonzentration so hoch, daß das bei der Dehydratisierung entstehende Furfurol direkt verdampft und verlustfrei abgezogen werden kann.
2. Bei der Trocknung werden mit dem Wasser die bei der Vorhydrolyse gebildete Essigsäure und andere Extraktstoffe abgezogen und können dann aufkonzentriert werden. Nebenreaktionen mit dem Furfurol oder der Glucose sind ausgeschlossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand eines Anwendungsbeispiels beschrieben werden.
Ein zu Hackschnitzeln oder Häckseln vorzerkleinerter Rohstoff wird bei etwa 1050C mittels Dampf entlüftet'und anschließend durch Eintauchen in eine verdünnte Säure imprägniert. Dabei wird die Säure gleichmäßig an der inneren Oberfläche des Stoffes verteilt. Die Säurekonzentration im Stoff beträgt beispielsweise 5%, das Verhältnis Feststoff zu Flüssigkeit 1 : 1,5.
Nun wird das Fest/Flüssig - Verhältnis mittels Lufttrocknung auf 1 : 0,4 erhöht. Die Säurekonzentration steigt dann auf etwa 20% an. Bei dieser Konzentration können die Stoffe durch Erhitzen auf 950C vorhydrolysiert werden. Nach etwa 1 Stunde sind die Pentosane in Pentosen umgesetzt. Aus den Acetylgruppen hat sich Essigsäure gebildet, die mit anderen, flüchtigen Extraktstoffen in der anschließenden Trocknung ausgetrieben wird. Dabei steigt das Verhältnis Fest/Flüssig von 1 : 0,6 auf 1 : 0,25. Die Säurekonzentration erreicht 50%. Durch Erhitzen des Stoffes auf ca. 1000C werden die Pentosen zu Furfurol dehydratisiert, das verdampft und abgezogen wird. Gleichzeitig beginnt die Hydrolyse der Cellulose zu Glucose. Nach 60 Minuten ist die Hydrolyse abgeschlossen. Der Stoff wird durch Zugabe von Wasser abgekühlt und in eine fließfähige Suspension verwandelt, deren Zuckergehalt zwischen 15 und 20% liegt. Die Suspension wird nun neutralisiert und kann in einer Äthanolfermentation entzuckert werden. Nach der Fermentation wird der Alkohol ausdestilliert. Danach wird der feste Rückstand aus der Schlempe abfiltriert und zwecks Dampferzeugung verbrannt. Die klare Schlempe wird zur Verdünnung des hydrolysierten Stoffes wiederverwendet.

Claims

Patentansprüche 1Zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Furfurol und Glucose aus cellulosehaltigen Stoffen durch saure Hydrolyse, dadurch gekennzeichnet, daß man das zu hydrolysierende Material mit verdünnter Säure imprägniert, dann die Säure durch Trocknung des Materials soweit aufkonzentriert, daß die Hydrolyse der Pentosane zu Pentose bei Temperaturen unter 1000C durchgeführt werden kann, diese vollständig durchführt und danach die Säure durch weitere Trocknung soweit aufkonzentriert, daß die Pentosen bei Temperaturen um 1000C zu Furfurol dehydratisiert werden können.
2. Verfahren nach Anpsruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe zwischen Vor- und Haupthydrolyse zerfasert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung der Stoffe nach der Furfurolbildung solange fortgesetzt wird, bis die während der Furfurolbildung aus der Cellulose entstehende Glucose oder nur ein Teil davon zu Hydroxymethylfurfurol umgewandelt ist.