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Verfahren zur Verzuckerung von Holz, Torf und anderen pflanzlichen
Stoffen mit verdünnten Säuren. Es ist bereits bekannt, Holz, Torf und andere zellulosehaltigen
Stoffe durch Erwärmen mit verdünnten Säuren zu verzuckern. Da nach Versuchen von
Flechsis und anderen Forschern die Zellulose gegen verdünnte Säuren sehr widerstandsfähig
ist, so w«rde die Hydrolyse der Zellulose und zellulosehaltigen Materialien vorzugsweise
in Autoklaven bei erhöhter Temperatur und Druck ausgeführt (Ullmann, Enzyklopädie
der technischen Chemie, Bd. t). Nach eingehenden Untersuchungen von Simonsen, Körner
u. a. lassen sich bei der Hydrolyse von Zellulose und Holz mit verdünnter Schwefelsäure
die besten Ausbeuten an Zucker bei ungefähr 8 Atm. und einer Säurekonzentration
von o,5 Prozent erzielen. Bei Temperaturen unterhalb 120 C verläuft nach den bisher
vorliegenden Versuchen die Verzuckerung von Zellulose, Holz usw. nur sehr langsam
und unvollständig. So erhielt S i m o n s e n beispielsweise mit verdünnter Schwefelsäure
bei x,3 Atm. nach q. Stunden nur 2,5 Prozent Zucker.
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Es ist nun gefunden worden, daß unter geeigneten Bedingungen schon
bei zoo° C, d. h. in offenem Gefäß und unter gewöhnlichem Drucke, eine rasche und
nahezu vollständige Verzuckerung erreicht werden kann. Wesentlich hierfür ist, daß
der Säuregehalt des Reaktionsgemisches (oder genauer die Wasserstoffsionenkonzentration)
in bestimmten, unten festgelegten Grenzen gehalten sowie eine bestimmte Temperatur
nicht überschritten wird und daß durch mechanisches Rühren oder andere geeignete
Maßregeln für ein intensives Durchmischen der Reaktionsmasse gesorgt wird. Außerdem
ist es von großer Wichtigkeit, daß die angeführten Bedingungen gleichzeitig zur
Anwendung gelangen, da das Außerachtlassen des einen oder des anderen der angeführten
Arbeitsfaktoren das Endergebnis wesentlich beeinträchtigt.
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Bei Einhaltung der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Arbeitsweise
lassen sich höhere Ausbeuten an vergärbarem Zucker erzielen als bei Anwendung erhöhter
Temperaturen und Drucke in Autoklaven.
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Zum Vergleich seien die Ergebnisse der Versuche mit Torf angeführt:
Bei Einwirkung verdünnter Schwefelsäure auf jungen Sphagnum-Torf in Autoklaven bei
3 Atm. wurden nach Untersuchungen von Freilitzen und Tollens im günstigsten Falle
ungefähr 2o Prozent der organischen Substanz des angewandten Torfes verzuckert,
während nach dem vorliegenden Verfahren aus dem gleichen Ausgangsmaterial in offenen
Gefäßen sich leicht eine Verzuckerung von 25 bis .28 Prozent erzielen läßt, wie
aus folgendem Beispiel ersichtlich
Ein hölzernes Faß von ungefähr
300 1 Fassungsraum wurde mit go 1 Wasser, .1,8 kg Schwefelsäure (52 g) und 16 kg
Sphagnum-Torf mit 25 Prozent Wassergehalt gefüllt. Das Reaktionsgemisch wurde mit
offenem Dampf ungefähr 5 Stunden bis zur Siedetemperatur erhitzt, wonach 150 kg
einer breiigen, leicht beweglichen Masse erhalten wurden, die aus 7 kg ungelöstem
Rückstand und 140 1 einer Lösung mit einem Gehalt von 22,2 g Zucker pro Liter bestand,
was einer Verzuckerung von 26 Prozent der Torftrockensubstanz entspricht.
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Aus der erhaltenen breiigen Masse kann durch übliche Filtrationsverfahren,
-wie Abnutschen oder Abpressen, unter einem Druck von ungefähr 2 bis 3 Atm. leicht
die Hauptmasse der Lösung getrennt werden. Um die in dieser enthaltene Säure sowie
die Wärme besser ausnutzen zu können und andererseits Lösungen mit erhöhtem Zuckergehalt
zu erhalten, wird das heiße Filtrat zweckmäßig zur Behandlung von frischem Torf
verwendet. Auf diese Weise kann man z. B. nach dreifacher Ausnutzung derselben Lösung
ohne weiteren Zusatz von Säure und mit verhältnismäßig geringem Brennstoffverbrauch
ein Filtrat mit einem Zuckergehalt von 6o bis 70 g pro Liter erhalten.
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Die Anwendung der abgepreßten sauren Zuckerlösung zur Verarbeitung
weiterer Teile des Rohmaterials ist bereits vorgeschlagen worden (Patent 118j40),
hat jedoch bisher keine praktische Bedeutung gehabt, da der bei der ersten Operation
gebildete Zucker bei erneuter Anwendung der Lösung infolge der hohen Arbeitstemperatur
wieder zum größten Teil zersetzt wird. Erst durch die vorliegende Erfindung wird
eine erneute Anwendung der abgepreßten Zuckerlösung praktisch möglich, da bei der
relativ niederen Reaktionstemperatur eine Zersetzung des schon vorhandenen Zuckers
ausgeschlossen ist, wie durch besondere Kontrollversuche festgestellt wurde.
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Bei dem im Beispiel angegebenen Verhältnis von verdünnter Säure und
Torf ist das Reaktionsgemisch nach erfolgter Hydrolyse so leicht beweglich und flüssig,
daß durch das Sieden eine zur raschen und vollständigen Verzuckerung des Torfes
genügende Durchmischung der Reaktionsmasse erreicht wird. Durch Anwendung von mechanischem
Rühren und beim Arbeiten in geschlossenen Gefäßen unter mäßigem Druck und bei einer
ungefähr i20° nicht übersteigenden Temperatur kann die Zeitdauer der Hydrolyse sowie
das Verhältnis von Säure zu Torf noch herabgesetzt werden, wobei die Zuckerkonzentration
natürlich entsprechend steigt und auch die Ausbeute an Zucker noch etwas erhöht
wird. In dieser Hinsicht angestellte Kontrollversuche haben ergeben, daß die bei
loo° erhaltenen sauren Lösungen ohne merkliche Zersetzung des in ihnen enthaltenen
Zuckers 2 bis 3 Stunden auf 12o° erhitzt werden können; bei x25° werden innerhalb
2 Stunden schon gegen 5 Prozent Zucker unter Bildung organischer Säuren und Humusstoffe
zerstört.
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Vollständig befriedigende Resultate wurden auch bei der Verzuckerung
von Holz und Moos mit i bis 3 Prozent Schwefelsäure oder 0,5 bis 2 Prozent Salzsäure
unter gewöhnlichem Drucke erhalten. So wurde beispielsweise beim Kochen eines Gewichtsteiles
Fichtenspäne mit 8 Gewichtsteilen 2prozentiger Schwefelsäure im Laufe von 2 Stunden
eine Lösung erhalten, die 24 g Zucker im Liter enthielt, was bei einem Wassergehalt
der Späne von 22 Prozent einer Verzuckerung von 25 Prozent der Holztrockensubstanz
entspricht.
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Bei der Hydrolyse der verschiedenen Moosarten unter denselben Versuchsbedingungen
wurden Verzuckerurgsgrade von 32 bis 48 Prozent von 'der Trockensubstanz, bei Renntiermoos
(Flechte) sogar 57 Prozent erhalten. Somit ist festgestellt, daß die Verzuckerung
von Holz, Torf und Moos sich vollständig befriedigend schon bei loo° ausführen läßt.
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Gegenüber den bisher bekannten Verfahren der Verzuckerung von Holz,
Torf usw. weist das gemäß vorliegender Erfindung folgende beträchtliche Vorzüge
auf: i. Erhöhung der Zuckerausbeute infolge Verminderung der Verluste durch Zersetzung
bei erhöhter Temperatur, 2. Möglichkeit in offenen hölzernen Gefäßen zu arbeiten
bzw. in geschlossenen Apparaten einfacher Bauart, die auf einen Druck von höchstens
i bis 2 Atm. berechnet sind, was die Anschaffungskosten und dementsprechend die
Amortisationsquote beträchtlich herabsetzt, 3. erhebliche Brennstoffersparnis, die
durch die Herabsetzung der Temperatur von 18o auf 10o bzw. 12o° bedingt ist, was
naturgemäß den Dampfverbrauch entsprechend vermindert, 4. weitere Brennstoffersparnis
sowie eine Verminderung des Schwefelsäureverbrauches und der zur Neutralisation
(bei der weiteren Verarbeitung) erforderlichen Kreide oder Kalke infolge der Anwendung
der heißen Filtrate zur weiteren Behandlung von frischem Ausgangsmaterial.