Verfahren zur Darstellung von Glukose durch Behandlung von Zellulose enthaltendem Material finit verdünnten Säuren unter Druck. Gegenstand des Hauptpatentes ist ein Verfahren zur Darstellung von nicht für Nahrungszwecke bestimmter Glukose durch Behandlung von Cellulose enthaltendem Ma terial mit verdünnten Säuren unter Druck. Das den Gegenstand vorliegender Erfindung bildende Verfahren ist eine weitere Verbes serung und Ausgestaltung des genannten Verfahrens und bezweckt, die schädliche Zuckerzersetzung noch weiter einzuschrän ken, wodurch eine höhere Ausbeute oder auch eine höhere Zuckerkonzentration ermöglicht wird.
Wie schon bekannt, ist die auftretende Zuckerzersetzung eine Funktion der Zeit, der der gebildete Zucker der Einwirkung von Säure und Hitze ausgesetzt bleibt (Verweil zeit). Eine Entfernung des Zuckers mit sehr grosser Geschwindigkeit ist zwar nach dem alten Verfahren möglich, jedoch nur unter Anwendung grosser Flüssigkeitsmengen, was aber weniger wirtschaftlich ist. Es stellte sich somit die Aufgabe, die Verweilzeit durch andere Mittel so zu ver kürzen, dass ein Vermehren des Flüssigkeits quantums nicht nötig wird.
Nach dem bekannten Verfahren werden bis 80 % Zucker der Theorie gewonnen, und zwar in Form, einer 4%igen Zuckerlösung. Aus 100 kg Holz beträgt die theoretische Ausbeute an Zucker rund 60 kg, in der Praxis jedoch nur etwa 48 kg (reduzieren den Zucker).
Abgesehen von einem kleinen Rest unabgebauter Cellulose dürften die feh lenden 12 kg durch Zersetzungsvorgänge ver loren gehen, und zwar etwa die Hälfte hier von durch Zuckerzersetzung innerhalb der Partikelchen des Ausgangsmaterials und die andere Hälfte, also etwa 6 kg, auf dem Wege durch den Perkolator.
Die genannten Zahlen sind nicht all gemein gültig und hängen unter anderem von Holzart und Teilchengrösse ab. Der hohe Betrag für die Zersetzung innerhalb des Teil- chens ist dadurch zu erklären, dass nach dem alten Verfahren der Zucker verhältnismässig lange braucht, um aus den Teilchen heraus zu diffundieren und in die Strömung zu ge langen. Die Abkürzung dieser intrapartiL-u- laren Verweilzeit und die rasche und scho nende Entfernung des Zuckers muss somit zu besseren Ausbeuten führen.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperatur während der Druckerhitzung schwanken gelassen wird, so dass die Entfer nung des gebildeten Zuckers erleichtert, die Eiufschliessung des Materials gefördert und einer Zuckerzersetzung entgegengewirkt wird.
Eine einfache, aber sehr wirkungsvolle Massnahme zur Abkürzung der Verweilzeit des Zuckers und zur Steigerung der Zucker- ,ausbeute besteht in der Verwendung verhält nismässig kalter Schübe. Beim Verfahren nach dem Hauptpatent befindet sich das Cel- lulosematerial periodisch in Ruhe in halb feuchtem, von Dämpfen umgebenem Zustand. In den Poren der Teilchen befindet sich na turgemäss mehr oder weniger Feuchtigkeit, die durch Kapillarkrä.fte festgehalten wird.
Fliesst ein Schub bei einer Temperatur, die etwa 10 bis 20 kälter ist als das Cellulose- material, durch den Perkolator, so tritt im Be reich des Schubes, insbesondere unterhalb des Schubes, Temperatur- und Druckverminde rung ein, die zur Folge hat, dass in den Ka pillaren der Teilchen sich Dampf entwickelt, der vorhandene Flüssigkeit aus den Teilchen heraustreibt. Auf diese Weise wird der in den Teilchen vorhandene Zucker sehr rasch aus dem Innern der Teilchen herausgebracht und gelangt in den Schub, der ihn aus dem Reaktionsgefäss, dem Perkolator, transportiert. Die unter höherem Druck stehende Schub flüssigkeit kann dann von neuem wieder in die Kapillaren eindringen.
Erfahrungsgemäss haben die kalten Schübe ausserdem noch den Vorteil, verhältnismässig geschlossen zu fliessen, und zwar mit verhält nismässig grosser Geschwindigkeit. Das Durch fliessen der Schübe durch den Perkolator wird dadurch noch beschleunigt, dass von oben Dampf nachgedrückt wird, der eine höhere Temperatur hat als das Cellulose- material und dementsprechend auch einen höheren Druck als der im Perkolator vorher herrschende.
Die durch den zuströmenden Dampf hervorgerufene Drucksteigerung kann etwa 2 atm. betragen. Auf diese Weise ist es möglich, in wenigen Minuten den Schub durch eine 10 m hohe Schicht gepressten Cellulosematerials zu drücken.
Die oben erwähnte Anwendung kalter Schübe Lind das Nachpressen mit Dampf würde zur Folge haben, dass der Perkolator im obern Teil eine höhere Temperatur erhält als im untern. Daraus würde sich ergeben, dass die Reaktion im obern Teil des Cellu- losematerials rascher verläuft als im untern, also ein ungleichmässiger Abbau, der das Ge samtresultat beeinträchtigt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zur Beseitigung dieses Mangels während der Ruheperiode von un ten Dampf einzublasen, entweder durch einen geeigneten Dämpfring am untern Konus des Perkolators oder durch das Filter selbst, das hierfür, wie später beschrieben wird, beson ders eingerichtet sein muss.
Zweckmässig wird das Dämpfen von un ten auch noch während des Einlaufens des Schubes in den obern Teil des Perkolators fortgesetzt, was bewirkt, dass der Schub zu nächst noch nicht in das Material eindrin gen kann, da der dem Schub entgegenströ- mende Dampf dies verhindert. Sobald der Schub sich ganz im Perkolator befindet, kann unten das Dämpfen abgestellt werden und von oben Überdruckdampf zuströmen, wie dies bereits beschrieben wurde.
Mit der Änderung von Temperatur und Druck in der beschriebenen Weise kann auch ein Verschieben der Säurekonzentration mit Vorteil angewandt werden.
Werden Schübe verwendet, deren Säure konzentration im untern Teil erheblich ge ringer ist als im obern Teil, so hat dies den Vorteil, dass der schwachsaure Teil des Schu bes die Entfernung des Zuckers besorgt, wäh rend der stärker saure obere Teil des Schu bes grossenteils an dem Material haften bleibt und während der Ruheperiode den Fortgang der Verzuckerungsreaktion be wirkt. Der untere schwachsaure Teil des fol genden Schubes trifft dann auf das Mate rial, das den stärker sauren Teil des vorher gehenden Schubes aufgesaugt hat und das dadurch entstehende höhere Konzentrations potential zwischen der Flüssigkeit in den Teilchen und der Flüssigkeit ausserhalb der Teilchen begünstigt die Entfernung des Zuckers aus den Teilchen.
Ausserdem hat die Anwendung ungleich saurer Schübe in der besprochenen Weise den Vorteil der Säure ersparnis, da der Abtransport des Zuckers mit dem säurearmen oder säurefreien Teil des Schubes erfolgt. Die Geschwindigkeit der Reaktion wird damit im wesentlichen durch die Säurekonzentration des obern Teils des Schubes bestimmt, der grossenteils am Material haften bleibt.
Die Anwendung verschiedener Säurekon zentrationen kann aber auch in der Weise erfolgen, dass der Säuregehalt der Schübe gesteigert wird, mit andern Worten, dass der nachfolgende Schub jeweils einen etwas höheren Säuregehalt hat als der voran gehende.
In der Praxis wird zweckmässigerweise dabei so verfahren, dass anfangs verhältnis mässig geringe Säurekonzentrationen zur An wendung kommen, dafür aber entsprechend höhere Temperaturen.
Die beiden Massnahmen, die Anwendung von Schüben, die in sich eine ungleichmässige Säurekonzentration besitzen, wie auch die Anwendung von Schüben mit steigendem Säuregehalt, können beide gleichzeitig an gewandt werden. An Stelle eines Schubes, dessen Säuregehalt im obern Teil höher ist als im untern Teil, können selbstverständlich auch zwei Schübe treten, wovon der erste säurearm bezw. säurefrei und der zweite säurereich ist, wobei die beiden Schübe-zweck- mässig in kurzer Zeit aufeinander folgen.
Diese allmähliche Steigerung der Säure konzentration ist geeignet, die in den frühe ren Anmeldungen erwähnte Temperaturstei gerung ganz oder teilweise zu ersetzen. Es hat sich ergeben, dass die Steigerung der Temperatur und der Säurekonzentration mit Vorteil in der Weise erfolgt, dass die erhaltene Zuckerlösung annähernd konstante Konzentration hat oder sich stetig etwas verringert. So ist es zum Beispiel zweck mässig, bei Beginn des Prozesses die Zucker konzentration bei 7 % zu halten und im Ver lauf des Prozesses stetig bis auf 3 % zu sen ken. Am Schluss des Prozesses fällt dann die Konzentration plötzlich ganz ah, woran das Ende der Reaktion deutlich zu erkennen ist.
Die nach dem vorgenannten Verfahren angewandten Schübe müssen in einem gewis sen Verhältnis zur Grösse der Füllung stehen. Es zeigt sich als zweckmässig, dass anfangs ein besonders grosser Schub angewendet wurde, dessen Grösse allerdings auch von der Feuchtigkeit des Materials abhängt. Pro Tonne Holztrockensubstanz soll beim ersten Schub etwa 1 m3 Flüssigkeit treffen; je nachdem das Material trocken oder feucht ist, kann der Schub grösser oder kleiner be messen werden.
Der nachfolgende Schub kann schon um einen Drittel kleiner sein, und es zeigt sich, dass im Verlaufe des Prozesses die Schübe noch weiter verkleinert werden können, etwa in demselben Massstabe, als das Volumen der Füllung des Perkolators durch das Verzuckern der Zellulose und den Ab transport des Zuckers sich verringert. Auch die Zeitabstände zwischen den kleineren Schüben gegen Ende des Prozesses können kleiner werden.
Es ist aus den Arbeiten des Anmelders bekannt, dass die nach dem Perkolationsver- fahren erhaltenen Zuckerlösungen noch hö heren Zucker enthalten können, z. B. Cello- biose, die durch Nachhydrolyse zu Glukose abgebaut werden können. Demzufolge wurde auch bereits vom Anmelder vorgeschlagen, die Nachhydrolyse durch Verzögerung der Abkühlung durchzuführen.
Die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Zuckerlösungen zeigen die Ei gentümlichkeit, dass in den ersten Fraktionen die Nachhydrolyse sehr wirksam ist, bei den mittleren Fraktionen abnimmt und bei den Endfraktionen weniger Erfolg zeitigt. In folgedessen wird mit Vorteil die Nachhydro lyse insbesondere bei den ersten Fraktionen durchgeführt. Die Nachhydrolyse kann noch im untern Teil des Perkolators ausgeführt werden, indem der Schub bei zirka 155 eine kurze Zeit, z. B. 30 Minuten, belassen wird, bei Gegenwart von 0,4%iger Schwefel säure.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist jedoch, die nachzuhydro- lysierende Flüssigkeit aus dem Perkolator austreten zu lassen und auf<B>100'</B> zu kühlen und in diesem Zustande in gewöhnlichen Behältern, etwa in Holzbottichen, aufzube wahren.
Es zeigt sich dabei, dass etwa das erste Zehntel des abgebauten Zuckers bei 90 bis<B>100'</B> und einer Schwefelsäurekonzentra- tion von 0,4 % einer Nachhydrolyse von un gefähr 24 Stunden bedarf, während für das zweite und dritte Zehntel schon eine um je einige Stunden kürzere Zeit genügt. Die an zuwendenden Zeiten der Nachhydrolyse sind selbstverständlich sehr von der Temperatur und auch von der Säurekonzentration ab hängig, und zwar ungefähr einfach umge kehrt proportional der Säurekonzentration.
Die Nachhydrolyse kann auch in eigenen Behältern unter Druck bei Temperaturen über<B>100'</B> erfolgen, z. B. durch einstündiges Erhitzen bei 145 bei einer Säurekonzentra tion von 0,4% H#.S04.
Wie bereits erwähnt, ist die Nachhydro lyse insbesondere bei dem in der ersten Halb zeit des Verfahrens gebildeten Zucker vor teilhaft; bei der zweiten Halbzeit bietet die Nachhydrolyse keinen bedeutenden Gewinn bezw. ist sogar schädlich. Es kann daher die Nachhydrolyse auf den in der ersten Halb zeit gewonnenen Zucker beschränkt werden.
Nach erfolgter Nachhydrolyse kann ohne weiteres Neutralisation, Filtration und Küh lung der Würze erfolgen: Die Abkühlung der Würzen kann in bekannter Weise auf dem Wege des Wärmeaustausches mit Fiischwasser für die Perkolation vorgenom men werden.
Die absolute Verweilzeit des Zuckers kann, wie die Praxis zeigt, nicht beliebig verkürzt werden, sie hat ein natürliches Mi nimum. Die Geschwindigkeit der Entfernung des Zuckers aus den Teilchen und aus dem Perkolator hat also ihre natürlichen Gren zen. Es ist, wie die Erfahrung zeigt, zweck mässig, durch Anwendung schonender Reak tionsbedingungen (niedrige Temperatur und Säure), den Prozess so langsam verlaufen zu lassen, dass die Reaktionszeit mehr als 12 Stunden beträgt. Das Verhältnis zwischen Verweilzeit und Gesamtreaktionszeit wird dadurch günstiger und die Ausbeute höher.
Ein weiteres Mittel, um die Verweilzeit des Zuckers innerhalb der Teilchen abzukür zen - in diesem Falle absolut - besteht in der Verwendung von kurzfaserigem Mate rial. Soweit nicht Holzabfälle, wie Säge späne etc. zur Anwendung kommen, und die Zerkleinerung von Scheiten, Knüppeln und dergleichen stattfindet, erwies es sich als zweckmässig, durch Traspeln (Hirnschnitt) das Holz in kurzfaserige Plättchen zu zer kleinern, deren Faserlänge nur wenige Milli meter beträgt und deren Durchmesser 1 bis 2 cm sein kam.
Diese Plättchen legen sich dann beim Einfüllen in den Perkolator hori zontal, so dass die Fasern mehr oder weniger senkrecht stehen und leicht von der durch fliessenden Flüssigkeit durchdrungen werden können. Die intrapartikulare Verweilzeit wird dadurch abgekürzt.
Eine Vorrichtung zur Ausübung des Ver fahrens ist auf der beiliegenden Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform veran schaulicht.
Im Unterteil eines Perkolators 1 ist die Dämpfvorrichtung vorgesehen, die beispiels weise aus dem Ringkörper 2 besteht, wäh rend zwischen dem Perkolatorabschluss 3 und dem untern Ende des Konus 4 der eigent liche Verschluss, der nicht dargestellt ist, ein geschaltet wird. Der Ringkörper 2 besitzt einen in der Wandung liegenden Kanal 5 und aus diesem düsenartig austretende, in das Innere mündende Kanäle 6. Der Dampf kommt aus der Speiseleitung 7 und wird durch ein Ventil 8 geregelt.
Neben dieser Vorrichtung ist es aber auch zweckmässig, den im Konus des Perkolators 1 vorgesehenen Filter zum Dämpfen zu verwenden, da dieses gleichzeitig den Vorteil mit sich bringt, eine Reinigung des Filters durch Aufschliessung der Poren herbeizuführen. Das Filter be steht aus säurefesten porösen Filtersteinen aus granuliertem Material, Steinen, Kunst harzen oder dergleichen. Zweckmässig wer den die Steine so ausgebildet, dass die klein sten Öffnungen sich an der Innenseite be finden. Diese Filtersteine 9 liegen auf der Schicht 10, die zur Auskleidung des Perkola- tors dienen. Es ist nun besonders zweck mässig, in dieser Schicht Rillen und Nuten 11 vorzusehen, so dass die Filtersteine nicht vollkommen kompakt auf der Unterlage 10 aufliegen.
Es kann aber auch die Unterlage vollkommen eben ausgebildet werden und an den Filtersteinen 9 Erhöhungen vorgesehen sein, bezw. ein Netzwerk zwischen beiden an gebracht werden. Von besonderem Vorteil ist es, die Filtersteine aus einem granulierten, säurefesten Material herzustellen, dessen Teilchen durch Kunstharze derart miteinan der verbunden sind, dass noch eine genügende Porosität verbleibt. Dies hat den Vorteil, dass der zwischen der Auskleidungsschicht 10 und den Filtersteinen 9 eingeleitete Dampf leichter hindurchtreten kann und anderseits den Vorteil, dass die durch die Filtersteine 9 hindurchdringende Säure ebenso leicht den Weg zum Austritt findet.
Unter den Filter steinen sind Öffnungen 12 vorgesehen, an welche Rohrleitungen 13 angeschlossen sind, die in eine Ringleitung 14 münden. Aus die ser Ringleitung führt ein Stutzen 15 heraus und eine Rohrleitung 16 hinein. In der Rohr leitung 16 ist ein Abschlussventil 17 vor gesehen. Von diesem Abschlussventil 1'l kann Dampf durch die Rohrleitung 18 in die Ringleitung 14 und damit in die Leitun gen 13 eingelassen werden. Im Ablaufstut zen 15 ist eine Schauvorrichtung 18 vor gesehen, durch welche es ermöglicht 'wird, festzustellen, ob vom Perkolator her noch saure Flüssigkeit fliesst, zum Zwecke, die Dampfzufuhr aufzudrehen.
Diese ScEauvor- richtung kann auch in den Rohrleitungen 1.3 vorgesehen werden. Da die Zuckerwürze die Neigung hat, die Schaugläser zu verschmie ren und undurchsichtig zu machen, ist es zweckmässig, Glaseinsätze 19 vorzusehen, die in das Innere der Rohrleitung 15 hervortre ten und die dauernd von der strömenden Würze umspült werden, so dass diese Gläser stets sauber sind.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Wenn sich die Bedienung an der Schauöffnung 18 überzeugt hat, dass keine saure Würze oder keine Schübe mehr vom Perkolator herfliessen, so kann entweder das Ventil 8 oder das Ventil 17, oder es können beide aufgedreht werden.
Der, bei 8 eintre tende Dampf wird dann vom Fuss des Per kolators her durch Austritt aus den Düsen 6 in das Innere des Perkolators strömen, wäh rend der vom Ventil 17 herkommende Dampf durch die Zufuhrleitung 16, die Ringleitung 14, die Steigleitungen 13 durch die Öffnun gen 12 und, durch die Filtersteine 9 gelangt und sich hier durch die Kanäle 11 auf die gesamte Konusfläche verteilt, durch die Fil tersteine hindurchdringt, diese gleichzeitig reinigt und in das Innere des Perkolators gelangt.
Das Verfahren kann auf alle Arten von Cellulosematerial, also auf Holz, Torf usw. Anwendung finden. Es kann mit beliebigen Säuren und Säuremischungen durchgeführt werden, sofern die Säurelösung eine genü gende Wasserstoffionenkonzentration besitzt. Ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung der dargestellten Anordnung bei einem Per kolator von 20 000 Litern Inhalt ist im nach stehenden wiedergegeben.
<I>Grösse des</I> Perkolators: 20 000 Liter In halt.
-Angewandt: 5000 kg Holztrockensub- stanz, 50 m3 Wasser, 400 kg 50%ige Schwe felsäure (50 mg 0,4%ige Schwefelsäure).
Versuchsbedingungen: Die Zulaufzeit be trägt 5 Minuten, Ablaufzeit und Arbeits pause betragen je 20 Minuten, Gesamtreak- tionszeit 14 Stunden. Es werden 20 Schübe von 5 bis 1,8 m3 Grösse allmählich abnehmend angewandt. Temperatur ansteigend von 150 bis 190 C.
Ausbeuten: Bezogen auf Ilolztrockensub- stanz: 53 % reduzierender Zucker bezw. 43 % vergärbarer Zucker bezw. 27 Liter Sprit aus 100 kg Holztrockensubstanz.
Konzentration der Würze: 5,3 % redu zierender Zucker, 4,3 % vergärbarer Zucker.
Process for the preparation of glucose by treating cellulose-containing material finitely diluted acids under pressure. The main patent relates to a method for the preparation of glucose not intended for food purposes by treating cellulose-containing material with dilute acids under pressure. The process forming the subject of the present invention is a further improvement and refinement of the process mentioned and aims to further restrict the harmful sugar decomposition, which enables a higher yield or a higher sugar concentration.
As already known, the sugar decomposition that occurs is a function of the time that the sugar formed remains exposed to the action of acid and heat (dwell time). Removal of the sugar at a very high speed is possible according to the old method, but only with the use of large amounts of liquid, which is less economical. The task was thus to shorten the residence time by other means so that an increase in the liquid quantum is not necessary.
According to the known process, up to 80% theoretical sugar is obtained, in the form of a 4% sugar solution. The theoretical yield of sugar from 100 kg of wood is around 60 kg, but in practice only around 48 kg (reduce the sugar).
Apart from a small residue of undegraded cellulose, the missing 12 kg are likely to be lost through decomposition processes, about half here through sugar decomposition within the particles of the starting material and the other half, i.e. about 6 kg, on the way through the percolator.
The figures mentioned are not generally valid and depend on the type of wood and particle size, among other things. The high amount for the decomposition within the particle can be explained by the fact that, according to the old process, the sugar needs a relatively long time to diffuse out of the particles and get into the flow. The shortening of this intraparticular residence time and the rapid and gentle removal of the sugar must therefore lead to better yields.
The method according to the present invention is characterized in that the temperature is allowed to fluctuate during the pressure heating, so that the removal of the sugar formed is facilitated, the opening of the material is promoted and sugar decomposition is counteracted.
A simple but very effective measure to shorten the residence time of the sugar and to increase the sugar yield is to use relatively cold bursts. In the method according to the main patent, the cellulose material is periodically at rest in a semi-moist state surrounded by vapors. There is naturally more or less moisture in the pores of the particles, which is retained by capillary forces.
If a thrust flows through the percolator at a temperature that is about 10 to 20 colder than the cellulose material, then in the area of the thrust, in particular below the thrust, a decrease in temperature and pressure occurs, which has the consequence that Vapor develops in the capillaries of the particles, which drives liquid out of the particles. In this way, the sugar present in the particles is very quickly removed from the interior of the particles and reaches the thrust which transports it out of the reaction vessel, the percolator. The thrust fluid, which is under higher pressure, can then penetrate the capillaries again.
Experience has shown that the cold bursts also have the advantage of flowing relatively closed, and that at a relatively high speed. The flow of the thrusts through the percolator is accelerated by the fact that steam is pushed in from above, which has a higher temperature than the cellulose material and accordingly a higher pressure than that prevailing in the percolator.
The pressure increase caused by the incoming steam can be around 2 atm. be. In this way it is possible to push the thrust through a 10 m high layer of pressed cellulose material in a few minutes.
The above-mentioned use of cold thrusts and subsequent pressing with steam would result in the percolator receiving a higher temperature in the upper part than in the lower part. The result would be that the reaction in the upper part of the cellulose material proceeds more rapidly than in the lower part, that is, an uneven breakdown which affects the overall result.
It has proven to be advantageous to eliminate this deficiency by blowing in steam from underneath during the rest period, either through a suitable damping ring on the lower cone of the percolator or through the filter itself, which, as will be described later, must be specially set up for this.
The damping from below is expediently continued even while the thrust is entering the upper part of the percolator, which means that the thrust cannot penetrate the material at first, as the steam flowing in the opposite direction to the thrust prevents this. As soon as the thrust is completely in the percolator, the steaming can be switched off below and overpressure steam can flow in from above, as has already been described.
With the change in temperature and pressure in the manner described, a shift in the acid concentration can also be used with advantage.
If batches are used whose acid concentration in the lower part is considerably lower than in the upper part, this has the advantage that the weakly acidic part of the batch removes the sugar, while the more acidic upper part of the batch largely remains on remains adhering to the material and the progress of the saccharification reaction acts during the rest period. The lower weakly acidic part of the following thrust then hits the material that has absorbed the more acidic part of the previous thrust and the resulting higher concentration potential between the liquid in the particles and the liquid outside the particles favors the removal of the sugar from the particles.
In addition, the use of unevenly acidic bursts in the manner discussed has the advantage of saving acid, since the sugar is transported away with the low-acid or acid-free part of the burst. The speed of the reaction is essentially determined by the acid concentration of the upper part of the thrust, which for the most part remains attached to the material.
However, different acid concentrations can also be used in such a way that the acid content of the thrusts is increased, in other words that the subsequent thrust has a slightly higher acid content than the previous one.
In practice it is expedient to proceed in such a way that initially relatively low acid concentrations are used, but correspondingly higher temperatures.
The two measures, the use of bursts, which have an uneven acid concentration in themselves, as well as the use of bursts with increasing acid content, can both be applied at the same time. Instead of one thrust, the acid content of which is higher in the upper part than in the lower part, two thrusts can of course also occur, the first of which is low in acid or low in acid. Acid-free and the second one is acid-rich, with the two episodes - appropriately - following one another in a short time.
This gradual increase in the acid concentration is suitable to completely or partially replace the temperature increase mentioned in the earlier applications. It has been found that the temperature and the acid concentration are advantageously increased in such a way that the sugar solution obtained has an approximately constant concentration or is steadily reduced somewhat. For example, it is advisable to keep the sugar concentration at 7% at the beginning of the process and to lower it continuously to 3% over the course of the process. At the end of the process, concentration suddenly drops completely, which clearly shows the end of the reaction.
The thrusts used according to the aforementioned process must be in a certain proportion to the size of the filling. It turns out to be useful that a particularly large thrust was used initially, the size of which, however, also depends on the moisture of the material. For each ton of dry wood substance, about 1 m3 of liquid should hit the first thrust; depending on whether the material is dry or damp, the thrust can be larger or smaller.
The subsequent thrust can already be a third smaller, and it turns out that in the course of the process the thrusts can be reduced even further, roughly to the same extent as the volume of the filling of the percolator through the saccharification of the cellulose and the removal of sugar decreases. The time intervals between the smaller bursts towards the end of the process can also become smaller.
It is known from the applicant's work that the sugar solutions obtained by the percolation process may contain higher sugar, e.g. B. cello- biosis, which can be broken down into glucose by post-hydrolysis. Accordingly, it has also already been proposed by the applicant to carry out the post-hydrolysis by delaying the cooling.
The sugar solutions prepared according to the present process show the peculiarity that the post-hydrolysis is very effective in the first fractions, decreases in the middle fractions and is less successful in the end fractions. As a result, the Nachhydro analysis is carried out with advantage, especially in the first fractions. The post-hydrolysis can still be carried out in the lower part of the percolator by applying the thrust at about 155 for a short time, e.g. B. 30 minutes, is left in the presence of 0.4% sulfuric acid.
Another preferred embodiment of the method, however, is to allow the liquid to be post-hydrolyzed to emerge from the percolator and to cool it to <B> 100 '</B> and to store it in this state in conventional containers, for example in wooden tubs.
It shows that about the first tenth of the broken down sugar at 90 to <B> 100 '</B> and a sulfuric acid concentration of 0.4% requires post-hydrolysis of about 24 hours, while for the second and third Tenth a time shorter by a few hours is enough. The times of post-hydrolysis to be used are of course very dependent on the temperature and also on the acid concentration, namely roughly simply the other way around, proportional to the acid concentration.
The post-hydrolysis can also be carried out in separate containers under pressure at temperatures above <B> 100 '</B>, e.g. B. by heating for one hour at 145 at an acid concentration of 0.4% H # .S04.
As already mentioned, the Nachhydrolysis is particularly advantageous for the sugar formed in the first half of the process; in the second half the post-hydrolysis offers no significant gain respectively. is even harmful. The post-hydrolysis can therefore be limited to the sugar obtained in the first half.
After post-hydrolysis, the wort can be neutralized, filtered and cooled without any problems: the wort can be cooled in a known manner by exchanging heat with fish water for percolation.
As practice shows, the absolute dwell time of the sugar cannot be shortened at will, it has a natural minimum. The speed at which the sugar is removed from the particles and from the percolator therefore has its natural limits. As experience shows, it is advisable to use gentle reaction conditions (low temperature and acid) to allow the process to proceed so slowly that the reaction time is more than 12 hours. The ratio between residence time and total reaction time is thereby more favorable and the yield is higher.
Another means of shortening the residence time of the sugar within the particles - in this case absolutely - consists in the use of short-fiber material. As long as wood waste such as sawdust etc. is not used, and the chopping of logs, billets and the like takes place, it has proven to be useful to shred the wood into short-fiber platelets, the fiber length of which is only a few millimeters and their diameter came to be 1 to 2 cm.
These platelets then lie horizontally when they are filled into the percolator, so that the fibers are more or less vertical and can easily be penetrated by the flowing liquid. This shortens the intraparticular residence time.
A device for exercising the process is shown on the accompanying drawing in an exemplary embodiment.
In the lower part of a percolator 1, the damping device is provided, the example consists of the ring body 2, while rend between the percolator 3 and the lower end of the cone 4, the actual closure, which is not shown, is switched on. The ring body 2 has a channel 5 located in the wall and channels 6 emerging from this like a nozzle and opening into the interior. The steam comes from the feed line 7 and is regulated by a valve 8.
In addition to this device, however, it is also useful to use the filter provided in the cone of the percolator 1 for steaming, since this also has the advantage of cleaning the filter by opening up the pores. The filter be made of acid-resistant porous filter stones made of granulated material, stones, synthetic resins or the like. It is practical if the stones are designed so that the smallest openings can be found on the inside. These filter stones 9 lie on the layer 10, which serve to line the percolator. It is now particularly useful to provide grooves and grooves 11 in this layer so that the filter stones do not lie completely compact on the base 10.
However, the base can also be made completely flat and elevations can be provided on the filter stones 9, respectively. a network can be established between the two. It is particularly advantageous to manufacture the filter stones from a granulated, acid-resistant material, the particles of which are connected to one another by synthetic resins in such a way that sufficient porosity still remains. This has the advantage that the steam introduced between the lining layer 10 and the filter stones 9 can pass through more easily and, on the other hand, the advantage that the acid penetrating through the filter stones 9 just as easily finds its way to the outlet.
Openings 12 are provided under the filter stones, to which pipes 13 are connected, which open into a ring line 14. From the water ring line a nozzle 15 leads out and a pipe 16 into it. In the pipe line 16, a shut-off valve 17 is seen before. From this shut-off valve 11, steam can be admitted through the pipe 18 into the ring line 14 and thus into the lines 13. A viewing device 18 is seen in the outlet pipe 15, by means of which it is possible to determine whether acidic liquid is still flowing from the percolator, for the purpose of turning up the steam supply.
This scauing device can also be provided in the pipelines 1.3. Since the wort has a tendency to smear the sight glasses and make them opaque, it is advisable to provide glass inserts 19 which protrude into the interior of the pipe 15 and which are constantly washed by the flowing wort, so that these glasses are always clean are.
The mode of operation of the device is as follows: If the operator at the inspection opening 18 is satisfied that no more acidic wort or no more puffs are flowing from the percolator, either the valve 8 or the valve 17 or both can be opened.
The steam entering at 8 will then flow from the foot of the percolator through the exit from the nozzles 6 into the interior of the percolator, while the steam coming from the valve 17 flows through the supply line 16, the ring line 14, the risers 13 through the Openings gene 12 and, passes through the filter stones 9 and is distributed here through the channels 11 over the entire conical surface, penetrates through the Fil terstones, this simultaneously cleans and gets into the interior of the percolator.
The process can be used on all types of cellulose material, i.e. on wood, peat, etc. It can be carried out with any acids and acid mixtures, provided that the acid solution has a sufficient hydrogen ion concentration. An embodiment using the arrangement shown with a per colator of 20,000 liters of content is shown below.
<I> Size of the </I> percolator: 20,000 liters.
-Applied: 5000 kg wood dry matter, 50 m3 water, 400 kg 50% sulfuric acid (50 mg 0.4% sulfuric acid).
Test conditions: The inflow time is 5 minutes, the drain time and work break are 20 minutes each, total reaction time 14 hours. 20 strokes of 5 to 1.8 m3 in size are used, gradually decreasing. Temperature increasing from 150 to 190 C.
Yields: Based on Ilolztdry substance: 53% reducing sugar or. 43% fermentable sugar or 27 liters of fuel from 100 kg of dry wood substance.
Concentration of the wort: 5.3% reducing sugar, 4.3% fermentable sugar.