DE2906977C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung wäßriger Zuckerlösungen aus zuckerhaltigen Pflanzenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5.

Bei dem aus der DE-OS 26 33 339 bekannten Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art wird das zerkleinerte Pflanzenmaterial im Gegenstrom zu einer Extraktionsflüssigkeit durch den Aufschlußbehälter geführt, was apparativ zu erheblichen Komplikationen und damit zu einem relativ geringen Wirkungsgrad des bekannten Verfahrens führt

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren der in Frage stehenden

ίο Art zu schaffen, welches ohne erhebliche apparative Komplikationen mit großem Wirkungsgrad durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zuerst aufgeschlossen und in einer nachgeschalteten Abtrenn- und Waschstufe extrahiert wird. Hierdurch können erfindungsgemäß die apparativen Komplikationen des gleichzeitigen Aufschließens und Extrahierens im Gegenstrom vermieden und ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden.

Gemäß einer vorteilhaften, den Wirkungsgrad weiter erhöhenden Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt das Aufschließen und Extrahieren kontinuierlich, wobei vorzugsweise das Extrahieren zunächst durch Abtrennen in einem Verdichtungsbereich des aufgeschlossenen Pflanzenmaterials und anschließend durch Auswaschen des aufgeschlossenen Pflanzenmaterials erfolgt.
Es i^t außerdem erfindungsgemäß zweckmäßig, das Aufschließen in Gegenwart von Enzymen durchzuführen. Während bei dem Verfahren der DE-OS 26 33 339 ausweislich der Beschreibung ein Abbau von Tri- und Disacchariden nicht stattfindet, ist es gerade die Absicht des erfindungsgemäßen Hinzusetzens von Enzymen, einen Abbau von Polyglucosiden bis zum Monosaccharid Glucose zu erreichen und so einen möglichst hohen Anteil an Polyglucosiden in eine schnell und leicht vergärbare Form zu überführen. Nach dem Verfahren der Erfindung lassen sich Polyglucoside, z. B. der Stärkeapteil in Zuckermais und Zuckerhirse, Dextrane in verdorbenem Zuckerrohr, Dextrine und Hemicellulosen in Zuckerrohr und Agaven sowie andere Polyglucoside in hier nicht im einzelnen aufgeführten Pflanzen zu vergärbarem Zucker abbauen. Nach diesem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, bisher nicht verwertbare pflanzliche Rohstoffe zur Ethanolherstellung zu verarbeiten, wobei erhebliche Ausbeuten an vergärbaren Zuckerlösungen erzieh werden. Die Ausbeutesteigerungen können, je nach Art des eingesetzten Pflanzenmaterials und seines Gehaltes an Ce-Zuckern in den leichter abbaubaren Polysaccariden bis zu 100% erreichen. Auf diese Weise lassen sich die Rohstoffkosten für die Herstellung vergärbarer Zuckerlösungen entsprechend senken, und das Angebot an Rohstoffen für die Gewinnung vergärbarer Zuckerlösungen wird erheblich vergrößert.

Erfindungsgemäß geeignete Enzyme sind insbesondere temperaturbeständige ot-Amylasen, Glucosidasen, Hemicellulasen, Detranasen und Cellulasen. Nach Maßgabe des speziell verwendeten Enzyms werden die Reaktionsbedingungen diesem Enzym, oder umgekehrt, angepaßt. Die angewendete Enzymmenge ist ebenfalls von den vorgenannten Reaktionsparametern abhängig. Die Aktivität der Enzym-Handelsprodukte ist nicht einheitlich angegeben; häufig wird in SKB-Einheiten (Molzahl gebildete Glucose pro Zeiteinheit pro Mengeneinheit) angegeben.

Die Aktivität der gehandelten Enzympräparate

schwankt leider außerordentlich stark und reicht z. B. von Cellulasepräparaten von nur lOSKB/1 bis zu Amylasepräparaten von 1 00 000 SKB/1. In der Praxis empfiehlt es sich, durch einige Vorversuche festzustellen, wo die Grenze des wirtschaftlich vertretbaren Aufwandes nach Maßgabe der erzielten Ausbeutesteigerung an vergärbarem Zucker überschritten wird.

Für die Durchführung im großtechnischen Maßstab ist z. B. ein Amylasepräparat mit 20 000 SKB/] gut geeignet, das in einer Menge von 1 I pro 5 t Stärke dzw. Polyglucoside (Verweilzeitmenge) zu überraschend erhöhten Ausbeutesteigerungen führt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 5 genannten, aus der DE-OS 26 33 339 ' ϊ bekannten Art zu schaffen, die einen optimalen Materialfluß unter gleichzeitig vollständiger Abdichtung des unter Druck stehenden Aufschlußbehälters gegen die äußere Atmosphäre ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Eintrags- und Austragseinrichtung des Aufschlußbehälters jeweils als Stopfschnecke ausgebildet ist. Hierdurch wird ein kontinuierlicher Materialfluß gewährleistet, wobei gleichzeitig durch den in der Eintragseinrichtung ausgebildeten Materialpropf eine praktisch vollständige Abdichtung des Aufschlußbehälters erreicht wird.

Außerdem wird der Leckdampfverlust der erfindungsgemäßen Eintrags- und Austragseinrichtung gegenüber den aus der DE-OS 26 33 339 bekannten Ventilen erheblich verringert. 3d

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in einer Gehäuseinnenwand der Stopfschnecken Längsrippen vorgesehen, die ein Mitdrehen des Materials in der Schnecke verhindern.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jeweils zwischen der Eintragseinrichtung und dem Aufschlußbehälter und zwischen der Austragseinrichtung und einer als Wascheinrichtung ausgebildeten nachfolgenden Einrichtung zum Abtrennen der wäßrigen Zuckerlösungen ein Absperrorgan vorgesehen. Die Innenwand dieses Absperrorgans muß vollkommen glatt und ohne Kanten sein, die den Materialfluß behindern und zu einem Aufstauen des Pflanzenmaterials führen könnte. Die «5 Absperrorgane dienen dazu, während des Anfahrvorgangs den Aufbau eines dichten Materialstopfens zu ermöglichen und bei Betriebsstörungen einen Abschluß des Aufschlußdruckbehälters nach außen zu gestatten.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung betreffen die Einrichtung zum Abtrennen der wäßrigen Zuckerlösungen, die insbesondere als Gegen-/Kreuzstromwaschanlage und/oder als im Stopfbereich der als Stopfschnecke ausgebildeten Austragseinrichtung angeordneter Siebmantel ausgebildet ist.

Zur Verbesserung der Wärmebilanz der Einrichtung und damit einer Energieeinsparung ist der Austragseinrichtung eine Rückgewinnungseinrichtung zur Nutzung der in den Brüden enthaltenen Wärmeenergie und zur Gewinnung eines Brüdenkondensats nachgeschaltet.

Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zuckersaftgewinnung, b5

Fig. 2 einen vergrößerten Teilausschnitt von Fig. 1,

Fig. 3 einen weiteren vergrößerten Teilausschnitt von Fi g. !,und

F i g. 4 eine andere Ausfuhr ungsform der Vorrichtung zur Zuckersaftgewinnung.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt ein Transportband 1, das das vorzerkleinerte Pflanzenmaterial einem Eintrags- bzw. Dosierbunker 2 zuführt Dc Eint.-agsbunker 2 läuft nach unten konisch zu und besitzt auf einer Welle 3 einen Dosierschneckengang 4, der das Pflanzenmaterial einer Stopfschnecke 5 zuführt Die Welle 3 ist weiterhin mit einem Schneckenband 6 oder Krählarmen 7, T ausgerüstet, die sich in geringem Abstand zur Innenwand des Eintragsbunkers 2 bewegen und ein Anhaften des Pflanzenmaterials und eine Brückenbildung verhindern. Die Schneckenwelle 3 wird über ein Regelgetriebe 11 durch einen Motor 52 angetrieben.

Wie in F i g. 2 im einzelnen zu erkennen ist, besteht zwischen dem Dosierschneckengang 4 und dem Schneckengang 8 der Stopfschnecke 5 eine Unterbrechung, wodurch verhindert wird, daß sich grobfasriges Pflanzenmaterial zwischen Schneckengang und Bunkerwand klemmt und die Vorrichtung damit außer Funktion setzt. An der Innenwand des Schneckengehäuses der Stopfschn-icke 5 sind Längsrippen 59 vorgesehen, um das Mitdrehen des zur Abdichtung erforderlichen Materialstopfens zu verhindern.

Zwischen der Stopfschnecke 5 und einem Aufschlußdruckbehäl.er 21 befindet sich ein Absperrorgan 10. Dieses Absperrorgan dient einerseits zur Abdichtung des Aufschlußbehälters 21 nach außen, und andererseits wird durch das beim Anfahrvorgang der Vorrichtung geschlossene Absperrorgan 10 der für die Abdichtung erforderliche Materialstopfen zwischen der Stopfschnecke 5 und dem Aufschlußbehälter 21 gebildet.

Über die Stopfschnecke 5 gelangt das Pflanzenmaterial in den Aufschlußbehälter 21. In Fig. 1 besteht der Aufschlußbehälter aus einem liegenden, zylindrischen Druckbehälter 72 mit Ein- und Austragsstutzen 23, 24 für das Pflanzenmaterial und einer Bandschnecke 25, die den gleichmäßigen, zwangsweisen Transport durch den Aufschlußbehälter 21 besorgt, wobei i:i radialer Richtung eine Durchmischung stattfindet und die aufzuwendende Energie für den Materialtransport gering bleibt. Um Materialstau und tote Ecken im Aufschlußbehälter 21 zu vermeiden, ist am Behäiterende im Bereich des Austragsstutzens 24 die Bandschnecke 25 unterbrochen und hinter dem Austragsstutzen 24 ein gegenläufiges Schneckenstück 26 vorgesehen. Diese Ausi'ührungsform ist bei kleineren Anlagen und besonders dann von Vorteil, wenn das zu verarbeitende Material nach der Vorzerkleinerung und während des thermischen Aufschlusses eine mehr breiige Konsistenz hat und einen hohen Stärkeanteil enthält. Durch die Anordnung wird eine gute Durchmischung des Materials mit den zugesetzten Chemikalien und Enzymen und ein rascher Ablauf der Reaktion erreicht.

Die Beschickung des Aufschlußbehälters 21 erfolgt entweder füllstand- oder gewichtsabhängig über eine Füllstandsregelung oder durch Regelung des Behälterinhaltsgewichtes.

Durch entsprechende Lagerung des Aufschlußbehälters 21 auf einer Waage 27 kann eine stetige Regelung der Beschickung, vorzugsweise durch Änderung der Drehzahl der Stopfschnecke 5, erreicht werden. Die Ba..dschnecke 25 des Aufschlußbehälters 21 wird über ein Regelgetriebe 28 durch einen Motor 29 angetrieben. Durch Drehzahländerung kann die Vorschubgeschwindigkeit der Bandschnecke 25 und damit die Verweilzeit des Materials im Aufschlußbehälter 21 variiert werden.

Über den gesamten Aufschlußbehälter 21 sind in F i g. 1 nicht eingezeichnete Anschlüsse zum Einbringen von Heißdampf/Heißwasser, Chemikalien und Enzymen sowie für den Anschluß der notwendigen meß- und regeltechnischen Einrichtungen angebracht, wobei der Dampf hauptsächlich tangential und damit parallel zur Behälterwand einströmt. Hierdurch werden lokale Überhitzungen vermieden und eine gleichmäßige Verteilung des Dampfes erreicht.

Durch Kompensatoren 30,30' wird die Gewichtsmessung des Aufschlußbehälters 21 ermöglicht.

In F i g. 4 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem senkrecht stehenden Aufschlußbehälter 31 dargestellt. Diese Ausführungsform ist besonders für größere Anlagen wegen ihres geringen Platzbedarfs von Vorteil. Das Material gelangt wieder in einen Eintragsbunker 2, der sich von der bereits beschriebenen Ausführungsform insoweit unterscheidet, als er keine Stopfschnecke, sondern eine Dosierschnecke 5' mit einem Dosierschneckengang 8' enthält. Über diese Dosierschnecke 5' gelangt das Material in eine Eintragsstopfschnecke 42. Auf der von einem Motor 48 über ein Regelgetriebe 47 angetriebenen Welle der Eintragsstopfschnecke 42 befinden sich im Bereich unter der Dosierschnecke 5' Paddel 43, im übrigen Bereich ein Voilschneckengang 44 mit abnehmender Steigung.

Hierdurch wird das Material soweit komprimiert, daß sich ein dichtender Stopfen ausbildet. Über einen Kompensator 45 und eine Absperrvorrichtung 46 gelangt das Material in einen Aufschlußbehältcr 31. Dieser ist in der gezeigten Ausführungsform als siloartiger vertikaler Druckbehälter ausgebildet und entspricht im Prinzip einer vergrößerten Ausführung des Eintragsbunkers. Der Aufschlußbehälter 31 besteht aus einem zylindrischen und einem unteren konischen Teil mit einem angeflanschten Mantelrohr 35 einer Dosierschnecke 38. Auf einer Welle 32 der Dosierschnecke 38, die über ein Regelgetriebe 39 von einem Motor 40 angetrieben wird, befindet sich eine Transportschnecke 34 mit geringem Durchmesser und eine schmale Bandschnecke 33 und/oder Krählarme 36, 36'. Der Materialfluß durch den Aufschlußbehälter 31 erfolgt unter der Wirkung der Schwerkraft; die Transportschnecke 34 egalisiert den Materialfluß, während die Bandschnecke 33 und/oder Krählarme 36, 36' ein Anhaften des Materials an der Behälterinnenwand und eine Brückenbildung verhindern. Das Aufschlußbehälter 31 ist mit Anschlüssen 41, 4Γ für das Einbringen von Heißdampf/Heißwasser, Chemikalien und Enzymen sowie für die erforderlichen Meß- und Regeleinrichtungen versehen; über eine Wiegeeinrichtung 37, 37' wird sein Gewicht und sein Füllungsgrad gemessen.

Der Austrag aus dem Aufschlußbehälter 21 (Fig. 1) oder 31 (Fig.4) erfolgt über eine Stopfschnecke 51 (Fig.3) mit Ein- und Austragsstutzen 53, 54. Die Stopfschnecke 51 besitzt Schneckengänge 5Z die erst hinter dem Eintragsstutzen 53 beginnen und über ein Regelgetriebe 55 durch einen Motor 56 (F i g. 1 und 4) angetrieben werden. Im Bereich des Eintragsstutzens 53 befinden sich Paletten oder Paddel 57, die das Material dem Schneckengang 52 zuführen. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß sich kein grobfaseriges Pflanzenmaterial zwischen Schneckengang und Schnekkengehäuse klemmt. An der Innenwand des Schneckengehäuses sind Längsrippen 59 vorgesehen, die ein Mitdrehen des Materials verhindern.

Im Stopfbereich 60 ist ein Siebmaterial 61 vorgesehen, durch den wäßrige Zuckerlösung über eine Leitung 63 und ein Ventil 64 abgezogen werden kann. Die obere Konzentration der anfallenden Zuckerlösung ist durch die Zellsaftkonzentration des eingesetzten Pflanzenmaterials gegeben.

H) Am Ende des Stopfbereiches 60 befindet sich ein Absperrorgan 62 mit gleicher Funktion wie das Absperrorgan 10 (F ig. 1).

Das über die Stopfschnecke 51 aus dem Aufschlußbehälter 21 (Fig. 1) oder 31 (Fig. 4) ausgetragene heiße Pflanzenmaterial wird einer Gegen-ZKreuzstrom-Waschanlage 70 mit mehreren Waschstufen zugeführt. Pumpen 71 sorgen für den Umlauf der Waschflüssigkeit. Das Waschwasser wird über eine Leitung 73 aufgegeben. In der Waschanlage 70 sorgt ein Transportband 74 für den Durchsatz des Pflanzenmaterials. Die gewünschte zuckerhaltige Lösung wird über eine Leitung 75 ausgetragen, während der Austrag des ausgewaschenen Pflanzenmaterials bei 76 erfolgt.
Die beim Austrag des heißen Pflanzenmaterial aus

2^r> der Stopfschnecke 51 (Fig.3) anfallenden Brüden können über einen Kompressor 81 (F i g. 1 und 4) abgesaugt, verdichtet und in einen Wärmeaustauscher 82 kondensiert werden. Das über eine Leitung 83 austretende Kondensat kann zur Senkung des Wasser-Verbrauchs wiederverwendet werden. Die bei 84 austretende aufgeheizte Wärmeaustauscherflüssigkeit dient zur Verbesserung der Wärmebilanz.

In der Waschanlage 70 wird die über die Leitung 73 eingespeiste Wassermenge so eingestellt, daß die Summe aus im Aufschlußbehälter 21 (Fig. 1) oder 31 (F i g. 4) zugegebenem Dampf und/oder Heißwasser und dem in der Waschanlage 70 zugegebenen Waschwasser etwa der Gewichtsmenge des eingesetzten Pflanzenmaterials gleich ist. Nach Maßgabe der in der Stopfschnekke 51 über die Leitung 63 abgezogenen Zuckermenge liegt dann die Konzentration der aus der Waschanlage über die Leitung 75 abgezogenen Zuckerlösung bei etwa 2 bis 20 Prozent, z. B. etwa 12 Prozent

Bei zu niedriger Konzentration der aus der Waschanlage ausgetragenen Zuckerlösung kann diese auch teilweise oder vollständig anstelle von Heißwasser in den Aufschlußbehälter 21 (Fig. 1) oder 31 (Fig.4) rückgespeist werden.

Das vorliegende Verfahren wird bei Temperaturen von 40 bis 150⁰C, vorzugsweise 100 bis 130° C durchgeführt, wobei sich Temperaturen von etwa 110 bis 115° C als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Die angewendeten Drücke ergeben sich aus den angewendeten Temperaturen und betragen demgemäß 1 bis 5 bar, vorzugsweise 1 bis etwa 3 bar und insbesondere 1 bis etwa 1,8 bar. Das Verfahren wird bei pH-Werten von 3 bis 9, vorzugsweise 5 bis 8, durchgeführt, wobei pH-Werte von etwa 63 bis 7,7 besonders vorteilhaft sind. Zur Erzielung dieser pH-Werte werden gegebenenfalls übliche Säuren (z. B. Schwefelsäure) oder Laugen (z.B. Alkalihydroxid) und Puffersubstanzen (z.B. Phosphate oder Acetate) verwendet Der angewendete pH-Wert richtet sich in erster Linie nach dem verwendeten speziellen Enzym.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung wäßriger Zuckerlösungen aus zuckerhaltigen Pflanzenteilen, bei dem zerkleinertes Pflanzenmaterial bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck aufgeschlossen und extrahiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst aufgeschlossen und in einer nachgeschalteten Abtrenn- und Waschstufe extrahiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschließen und Extrahieren kontinuierlich erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Extrahieren zunächst durch Abtrennen in einem Verdichtungsbereich des aufgeschlossenen Pflanzenmaterial und anschließend durch Auswaschen des aufgeschlossenen Piianzenmaterials erfolgt

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschließen in Gegenwart von Enzymen erfolgt.

5. Vorrichtung zur Gewinnung wäßriger Zuckerlösungen aus zuckerhaltigen Pflsnzenteilen mit einer Zerkleinerungseinrichtung für die Pflanzenteile, einer Transporteinrichtung für das zerkleinerte Pflanzenmaterial, einer Dosiereinrichtung, einem Behälter zum Aufschließen des Pflanzenmaterials und einer Einrichtung zum Abtrennen der wäßrigen Zuckerlösungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrags- und Austragseinrichtungen des Aufschlußbehälters (21) jeweils als Stopfschnecke (5, 51) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Gehäuseinnenwand der Stopfschnecken (5,51) Längsrippen (59) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen der Eintragseinrichtung (5) und dem Aufschlußbehälter (21) und zwischen der Austrageinrichtung (51) und einer als Wascheinrichtung (70) ausgebildeten nachfolgenden Einrichtung zum Abtrennen der wäßrigen Zuckerlösungen ein Absperrorgan (10,62) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abtrennen der wäßrigen Zuckeriösungen mindestens eine Gegen-ZKreuzstromwaschanlage aufweist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Stopfbereich (60) der als Stopfschnecke ausgebildeten Austragseinrichtung eine als Siebmantel (61) ausgebildete Einrichtung zum Abtrennen der wäßrigen Zuckerlösungen vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch eine der Austragseinrichtung (51) nachgeschaltete Rückgewinnungseinrichtung (81,82) zur Nutzung der in den Brüden enthaltenen Wärmeenergie und zur Gewinnung eines Brüdenkondensats.