Bereiding van fructose

-~ - 1-A.G. van den Bergh

H. de Jongh

Algemene Inleiding.

Ch~mische ~ard en eigenschappen van fructo~e.

met momo,saccharide fructose, ook we 1 laevulose genoemd, is een ketohexose met de volgende st ru ct uur:

De_ keto~vonn ia in evenwicht met de cycloacetaal-vonn.Fructose is dus een linksdraaiende s:uiker en behoort tot de d-reeks.

G··

Onder de ttzoetheid"van een suiker wordt volgens paul (1) verstaan,het getal, dat aangeeft hoev:eel gvam saccharose in een volume water opgelost zou illoeten wordenropdat de oplossing even

"

zo zoet smaakt als de oplossing van een gram van de te onderzoe-ken zoetsto·f in het gelijke volume w~ter o.pgelost.De zoetheid

, ,

van saccharose wordt dus op een gesteld.Volgens Paul geldt dan: zoetheid

glucose

_0,35

fructose 1,Q;5

saccharo~~~ 1,00

(~}Bkimer en Sale komen'Vtot de co.nclusie dat fructose driemaal zo zoet is als glucose,maar zij vinden een hogere waarde ten op-z ichte van saccharose, name lij k: glucose 50, sacc harose 100, fruc-tose 150.

Over het algemeen komen de verschillende waarnemingen over de zoetheid van deze suiker slechts .in grote lijnen overeen,het-geen blijkt uit onderstaande cijfers:

saccharose fructose Paul 100 105 Skinner en Sale 100 150 Deert" (3)i 100 120 Biester (.4), 100 ₁₇₃ Traegel _{( 5'~'} 100 loB

u

-- -- -- --- -

- - -- - - -... ,,. .... ,".-q

-2

-Volgens latere onderzoekingen door Rohnnan (6) is fructose 40:~ zoeter dan saccharoae.

Fructose _ is dus ongeveer driemaal zo zoet als gluc.ose en "aannerkelijk zoeter" dan gewone su.iker.

Behalv,.e de grotere zoetheid heeft fructose als voordelen dat het meer dan saccharose het vermogen heeft om in jams en stropen aroma te binden en vast te houden (6).Verder heeft het minder neiging tot versuikering in jams en stropen.Vro-eger dacht men dat fructose voor diabetici voordelen had boven saccharose

(8,9).

Op den duur is echter gebleken, dat dit niet juist is {6}.

De nog zeer hoge prijs van fructose

($2-,

per lb.) is de re-den~dat fructose nog niet in de huishouding en in jams e.d.kan worden gebruikt.Bij fabricage op grote schaal (hetgeen nog

ner-gens gebeurt), bijvoo rbeeld bij een d~gproductie van 1 ton uit ruwe bietsuiker,zou het volgens RollIman (6) mogelijk moeten zijn, fructose te produceren voor ca. $0,5 per lb.

Tenslotte wijzen wij op het lllogelijke belang van fructose a Is grondsta:.f voor de chelll is che indust rie •

Uit ketohexosen kan immers door verhitti.ng met verdund zuur hydroxymethylfurfural worden verkregen,dat voor de bereiding

, van kunststoffen van het type nylon en phenol-formaldehyd van be lang kan zij n.

c

-

c

\I

11

1-

10\-' C-c C-C=o

~ '0'"

H

Grondstoffen voor de bereiding van fructose. (101

Als grondstoffen voor de bereiding van fructose komen in aanmerking: Ie Cichorei. 2e Top1namb~r (aardpeer). ,e Dahlia-kno·llen.

4

e ru.we s ... ike r (saccharose),.

Hiervan zijn Topinamboer en ruwe suiker wel de belangrijksten.

De aardpeer als grondstof.

De aardpeer (Hellanthus tubero:sus,Top:tnrunboer en in het En-gels of Amerikaans Jerusalem Artichoke geheten) is afkomstig uit

- - - ---~---.

-3-Noord-Amerika"waar zij nu nog in het wild groeit.Nadat zij in de e

17 eeUw in Frankrijk was ingevoerd, verspreidde zij zich weldra over de verschillende delen van Europa .De aardpeer is over het al-gemeen zeer gemakkelijk te kweken :1:n gebieden waar de temperatuur gelaatigd is en de regenval niet te groot en zij stelt geen hoge eisen aan de bodem.Zij vormt o,nder de grond spitse, vaak vertakte stengel-knollen.Dezen nu vormen de bron van de poly- en

monosac-cbariden waaruit fructose kan wurden bereid.

Scblubacb en Knoop {11, 12} gaven als chemische samenstelling van de knollen: inuline dilae vaan di-fructose-anhydride di-arabaan saccharose laevulose+glucose

%

op droge stof 10-15 20-3 0 5-10 1

6,4

1,9

Bij een gemiddeld knolgewicht van 21,8 gr.werd gevonden een ge-middelde waarde van 15~9% rtlducerende suikers,waarvan

13,23%

laevulose.De samenstelling van de knollen is dus niet eenVOudig. Als cult uurplant beef't de aardpeer nuoit een grote 'betekenis ge-had.Zij wordt namelijk alleen voor veevoeder verbo·uwd.Zo worden

6

op het ogenblik 1n Frankrijk jaarlijks 3.10 ton aardperen ge-kweekt als veevoeder.ln vele landen heeft men met succes aard-peren vergist waarbij gemiddeld 80-85 liter

96%

alcohol per ton werd verkregen.

~en bezwaar van de aardpeer,vooral met het oog op eventuele ve rwe rking op'rruct ose op grote schaal, is het fe it dat de opa lag van de knollen vrij veel moeilijkheden o·plevert .Door het ontbre-ken van een beschelw6nde kurklaag,zoals bij aardappel en suiker-biet, staan zij bij bewaren gemakkelijk water af' en schrompelen in.Bovenuien rotten zij vrij snel.

Deze bezwaren zijn voor een deel te ondervangen door de

"

- - - - -- - - -- - -

-,,"'I \

o

-

4

-te la-ten zit-ten of in -te kuilen.

Bij deze mettode van opslag blijft ecbter een ander bezwaar bestaan, namelijk de chemlscte verandering welke in de knol ge-durende de wintermaanden plaats vindt.Dan treedt narnelijk naast een verlfes aan totaal suiker een zeer nadelige verandering op

in do verhouding láevulose-glucose.

Ook deze laatste bezwaren kunnen o,ndervangen worden door de knollen na de oogst direct te drogen (8,9) • Dan treedt geen ver-lies aan suiker op en de gedroogde snijdsels kunnen onbeperkt bewaard Vlorden • Indien er bij het droge n inve rs ie opt re edt, is dit geen bezwaar, daar. de ve rkregen sappen later tocb gehydroly-zeerd worden.Een goede opslag van aardperen zal dus vrij kost-baar zijn.

Saccharose als grondstof.

Zoals later uitvoerig zal worden besproken, kan fructose uit saccharose worden verkregen door inversie en daaropvolgende scheiding van glucose.

~

In landen als Nederland,waar zeer veel suikerbieten worden verbouwd en waar door overbevolking een tekort aan bouwland is ontstaan, ligt bet gebruik van bietsuiker als bron voor de berei-ding van fructose ,meer voor de hand dan de verbouwen verwer-king van aardperen.Hiertoe zouden immers tientallen hectaren met aardperen raOeten worden beplant om een product le op groter schaal mogelijk te loaken.Verder Vlormen om genoemde redenen de moeilijkheden bij de opslag van aardperen een groot bezwaar.

Indien ruwe suiker als bron voor de bereiding van fructose zou worden gekozen,zou bet mogelijk zijn dat de suikerfabrieken na afloop van de "bietencampagne" een deel van de geproduceerde ruwe suiker verder zouden verwerken op fructose.De bereiding

,

van fructose uit saccbarose zal ecbter alleen dan lonend kunnen zijn, als ook de glucose wordt opgewerkt tot een gekristalliseerd product.

u

)

-

-5-C1cbore i a Is grondst of.

In Duitsland werd vrij veel cichorei verbouwdj uit de wortel werd namelijk het koffie "ersatz" verkregen.

In de cichorei wortel is fructose in hoofdzaak In de vorm van inu1ine aanwezig (10,4-15,7%1.

Bij verwerking van de wortels op fructose (door hydrolyse) het blad van de plant als veevoeder dienst doen.

In 1918 heeft men in Duitsland inderdaad op kleine schaal fructose uit cichorei wortels bereid.

Dahlia-knollen als grondstof.

De knollen van de dahlia bevatten ook fructose 1n de vorm van 1nu1ine.

Dahlia ts spe le11 echter als snijbloemen zulk een belangrijke

rol,dat de verwerking der knollen op fructose zeker niet ren-da be 1 zal zij n.

Volgens Mc.G1umphy

(

-'1

6

)

lenen cichorei en dahlia-knollen zich niet voor een gemechaniseerde verbouwing op grote schaal.

De verschillende bereidingsmethoden van fructose. 1.Bereiding uit aardperen

De meesten van de in de aardpeer aanwezige polysacchariden zijn vrij goed in water oplosbaar (inuline cet mlnst~.VolgenB een Amerikaanse wethode worden de knollen na schoonspuiten met water,maChlnaal tot snijdsel verwerkt.Deze snijdsels worden tot moes gekollerd in een kolle rgang en dan wordt het "ruwsap" er

uit verkregen door centrifugeren of persen.Door aanzuren van dit ruwsap tot ca 1/5 N zuur (met ~SQ4) en

30

,

minuten verwar-men op 7o-8oPC worden de polysacchariden gehydrolyseerd.Gecoa-guleerde eiwitten e.d.worden afgefiltreerd.Het filtraat wordt met kalk alkalisch gemaakt (PH 7,5-8) en gevormd caS04 wordt

a 1"ge fi lt ree rd. De fruct ose wordt da n b ij lage t empe rat uu r nee r-geslagen als calciumfructosaat: C6E1206.CaO.H2Q; en kan zo' van andere monosacchar:1iden en veront re inigingen worden ges che lden.

-

6

-Om een goed filtreerbaar calciurafructo,saat te verkr:Ljgen,moet

men op speciale wijze te werk gaan zoals bij de door ons gevolg-de methogevolg-de nog uitvoerig zal worgevolg-den beschreven. Na a.f.filtreren

van het ca1ciumfructosaat wordt dit in suspensie gebracbt en vervolgens met koolzuur ont leed,waarbij dus caC0

3

en fru~tos:e­

oplossing worden gevormd.Na af'.flltreren van het Caco:, wo~rdt het

"'dunsap" ingedampt tot

88-9o

oBrix.]n ee n krista llisat or kan nu

deze stroop, na enten tot kristallisatie wo,rden gebracht.(Ook

dit zal later nogllitvoerig worden beschreven);.

Li tt e ra tUil r : ( 13,

11+,.

15 ,.16 , 17, 18, 19,2 Q, 2 1,.22 )/ •

2.Bereiding uit sacclJarose. (ruwe sUiker).

P'rincipe: Een verdi.U1de suil{ero,plassing wordt geinverteerd

met verdund zuur (p 1-2) bij ca 65°C gedurende 30 ... 60 minuten

H

o

en na a.floop van de inve rs Ie en a.fkoe ling tot ca.

15

C wordt de

v,erkregen invert-oplossing geneutraliseerd.Uit de zo verkregen

op1oss1ng van frllctose en glucoae kan nu .fructose wo,rden

gepre-cipitoerd door bij lagt;, ternpt::ratuur kalkmelk toe te voegen

zo-!.lat weer C

6

H1206 .aaO.E20 als onoplosbaar calc iumfructosaat van

het apl0,sbare ca1c1um.glucosaat door filtrat ie kan wo'rden ges

chef-den.Dit calciun.fruetos,aat wordt nu op de o:nder 1 bescbreven

wij-ze weer ontleed en verwerkt op kris,tal-.fructo:se.Lltteratuur:

(6,23,2J-4-,25,26) •

j.Bereiding van fructose uit Cichorei o.f Dahliakno,llen.

Hierbij wordt eerst de lnuline geisoleerd. h~

Na schoonwassen wor!.len de wortels a.f knollen tot

~ge-0,

sneden en in een diffusiebatterij bij 75-80 C geëxtraheerd.Het

ruwsap wordt gekalkt en gecarbonateerd bij nIet te hoge temp,

e-ratuur v:oor v:erwijJ.erlng van eiwitten e.d.Vervolg~ns wordt het

sap lngedampt,.g'esulf.'iteerd en na filtreren verder ingedampt

tot ca 400Bx .. Ult het zo verkregen diksap beginnen ziC'h bij

koe-len en roeren de inuline-kristalkoe-len af te scheiden.Ou goede kristallisatie te krijgen moet de oplossing vlak voor het be-gin ervan kort op 94-9-5°C worden verhit .Het zo verkregen illU-11ne kan nu worden gehydrolyseerd door het met een gelijke

hoe-

-7-veelhe:Ld water in een autoclaaf onder geringe o'verdruk met

0,1%

. zoutzuur te verwannen. ~a toev:oegen van loog tot z'Na~ure reac-tie wo,rdt nQg ontkleurd en tenslotte wordt een zuivere fructase-o.plossing verkregen,waaruit weer op de gebruikelljke wijze stroop'

of kristal-fructose kan worden bereid.

Bovengenoemde bereidingsmethoden zijn slechts op semi-tech-nische schaal of met laboratoriun apparatuur uitgevoerd.

L1 tt e ra tuur: (2 7 , 2 8,2 1,22 ,.29 ,

3

0 ,

3

1 ,

3

2 ,

33, 34) •

Door Jackson (36) werd het volgende overzicht gegeven:

Dahlia + ext raet ie Biet-melasse. I inversie Aardpeer ext

~actie

I I

i de1'e cat ie en "1'il t rat ie 1'ilt

I

rat ie

,

filtraat y hydrolyse -filt ratie neut ra liaat ie

I

-

.

inuline _{. ,} y hydrolyse y neut rs.lisat ie

filt

~

at

ie V \'

1'iltrat le concent rat ie

-

l

f

-CaC0

3

>-- precipitat ie ~ ! filtratie I Y fructosaat-koek v carbonatat ie _, t 1'il t rat le l I

met CaO ....o(

--

t

filtraat zuivere fructose-oplossing ~

I

I

i

I

I

I I I concentratie I f 1 °kristal 1isat ie...c.

1

r

melà,sse I 'f concent rat le t 20kristallisat ie

,

I t

t

kristallen

t

1 __ melas se kristallen.

-

8-Het gekozen proces en mot iverlng van de keuze.

Als gro'ndstoffen komen in aanmerking: saccharose en

aard-peren.Op grond van verlk illende speciaal in ons land aanwezige

omstandigheden hebben wij onze keuze bepaald op de bereiding

v:an frl.lct ose uit rl.lwe biet-suiker.

Als belangrijkste facto.ren die tot deze keuze hebben geleid

kunnen worden genoemd:

le.De grote verbouw van suikerbieten in Nederland.

2e .De mogelijkheid ow na af'loop van de suikerbieten-campagne

een deel van de geproduceerde rl.lwe suiker op :f'ructose te

ver-!

t

~·Ó·

\./

'J-

y' werken.

t~\

y"'

e

\'V'"tJ v_y rI'

3

.Het tekort in ons land aan bo'uwland voor het kweken van

aard-..

, ~

'~tV ,'ti' peren o:f cichorei.

~

V

~o/ \1(" ,

4

6 .Bezwaren en kosten bij de eventuele opslag van aardperen. '

~~):;

~l\

5

e • Het feit dat voor de reiniging en de ver'lverking van aardperen

\ t"'?

,~ .

-9-Bereiding van fr\.lctose uit saccharose.

---

-

----

---

-

--

-

---

-

-

-

-

--

---

..

mIe iding.

\1 ~vulose data are lackingtl,I,H;:rkte Bates

(14l

in 19,8 op en

sindsdie n is er niet ve el .vel?B.nderd.De ontbrekende gegevens ston-den tot 1950 een ontwikkeling van de prodo.lctie van fructose op grote schaal sterk In de weg.In 1950 publiceerde Rohnnan (6), een artikel onder de naam.:"Large scale production of levulose" ; de ~nhOUd behelsde de beschrijving van een kleine pilatplant,waar-bij althans enige gegevens bekend werden over de bereiding van

fructose uit s uiker.GeC'ombineerd met de gegevens, die Rahrlich en Tödt (26) en een patent van Mc Glumphy verschaffen

(,7,,8)

,

.-vormde deze kennis de basis voor de opstelling van ons fabrieks-schema.

Wij zullen achtereenvolgens bespreken: a} Principe van de methode.

'D} De inversie van saccharose en de neutralisatie.

c) Het precipiteren van fructose als calciuzafructosaat. d)! Het ontleden van cal<ll'urnfructo·saat tot fructose.

e) Het c:Q:nc~ntreren van de fructo:se-oplo'ssing en het krlstalli-seren van fructose.

r1

Het ont leden van tt glucosaat" tot tI glucose" •

g) het concentreren van de gl'\.lcose-oplossing en het krlstalli-seren van glucose.

a) Principe van de methode:

,

Een van de oudste methoden OLl glucQ,se en fructose

tescbef-den,lsfiie van Dubr'o.lnfaut (139) .Deze methode werd als meest geschik-te voor de p.11ot-plant gekozen.

De chemie van dit pro'ces bestaat uit:

le .Het inverteren van een suikeroplossing met zuur.

2 e .Het neutraliseren van de invert-oplossing met een base. ,e .Het precipiteren van fructose met CaU.

4

e .Het terugwinnen van fructose uit calciU!Ill-fructosaat door ca rbonat at ie •

-10-e

5 .Ret conc:entreren van de fructose-oplossing en het

krlstal-liseren van dd fr~ctose.

'1 Fabricage schema: Saccharose

1

'i Invers ie -.<"' -_ .- -- zuur+Water V Neut ralisat ie - - -Na OR ,... ~ PTecip:Ltat ie ~- - (;aO, V Filtrat ie 7 Carbonatat ie -+ CO2 y Filtrat le 1 Verdamping 7 Kristallisat :1e

td

.

InversIe en neutralisatie:

Saccharose kan op drifj manifjren geinverteerd worden: e

1 .doo r verdund zuur.

e

2 .door invertase •

e

3

.door 10'nen-uitwisselaars.

Het is gebleken dat de eerste methode het beste is, ondanks

het probleem van corroa.ie,groot zuurverbruik en vo·ming van

zou-ten bij neut ralisat ie .Bij de de rde methode t reedt name lijk plaat-selijk een te hoge zuurgraad op,waardoor het rendement aan fruc-tose sterk daalt door ont leding .Ook het werken met invertase brengt industrieel te grote moeilijkheden mee vergeleken bij

het gebruik van verdund z~ur.

Als zuur wordt HCI gebruikt in zOdanige concentratie,dat de oJploss ing 0, IN wordt.

De invers ie vindt in dit z ure milieu plaats gedurende rvihr

bij 65°C,waarna tot kamertemperatuur wordt afgekoeld.

-11

-NaOll-oploss 1ng g'ebruikt .De geneutraliseerde oplossing pompt men in een ops lagtank, waarin de concent rat le op"V20 gew.% aan a ui-ker wo'rdt gebracht.

c) De preclp1tat ie van fructose als calc1um-fructosaat:

Er zijn verscheidene problemen bij de precipitatie van cal-c iura- frucal-ct osaat uit invert-oploss ing·, .• De prOblemen, die zowe 1 betrekking hebben op filtratie-snelheid ala op het rendement van de calcium-fructosaat vorming,z ij n de volgende:

le.De verhouding kalkjoplo,aslng en de snelheid waarmee de beide oploas ingen worden toegevoegd.

e

2 .De zuiverheid en de aard van de kalk. ,e.De temperat uur van de oploss ing.

Volgens de reactie vergelijking Oa( OH)2 +

ls een overmaat CaO gunstig voor het verloop van de reactie. Exper:L.nenteel werd vastgesteld,dat bij een overmaat kalk van

<

,0%

zeer we inig naers lag wordt ve rkregen, te rw ij 1 een ave nnaat

kalk

)150%

ook onnodig is .Bij deze kalkconcentratie precipiteert meer dan 80~~ van de fructose.

De filtratie-sndlheid hangt in sterke mate af van de over-maat kalk.Proeven toonden aan,dat de filtratie-tijd minimaal was bij een ovennaat van 104% en toenam bij een grotere overmaat. het rendement van de fr·.,(c:t08d-precipitat ie bedroeg: bij deze over-maat kalk

74%.

Rohrlich en TÖdt constateerden"dat de precipitat ie van cal-clum-fructosaat pas zo volledig mo:gelijk 18,als ook de verzadi-ging van de glucose lllet CaO heeft plaats gehad.Zij public·eerden de volgende tabel=

op foog. suiker OaOjf'ruc;tose to-egevoeg.de CaO 16,0 26,0

)5,0

45,0

55,0

60,,0

0

.

,,2

Q~52

0,70

0,.90 1,10 1,20 Po·lar:1inet ris ch g.evonden glu.cose

%

,4-:8

67,4

7Q1,0

74.4

72,

Q, Polar1lnet rlS'ch gevanden fructose

%

-55,0

66,0 69,8

77,0

80,0

~----.--- - - - .

u

-12-Zij bevelen daarom een caOjfructo.se verhouding aan

(gewichts-hoeveelheden) ;>1 en <2 .. hetge~n neerkom.t op een overmaat c:aO

van-93% (theoretisch na~elijk 31 g oavjloo g suiker nodig).

[Bij ons schema hielden we ons aan de p1lotplant.gegevens

t

104%)J.

Een quantitatieve scheiding van glucose en fructose is

ten-gevolge van de oplosbaarheid van c:B.lciu:nfructosaat in

calcium-gluc:osaat oplossing niet uitvoerbaar.OOlk Jackson c.s.

consta-teerden dit reeds (1+0).

Va:lgens hohrlich en Tädt is voor het bereiden van fructose en glucose door inversie van saccharose nodig:

o

11

Inversie bij

,..,65

a met behulp van een kleine hoeveelheid

zuur (3 cm 3 gec.Bel/loo, g suiker),.

21

Geleidelijke precipitatie van fructose als calciumfructosaat.

3) Verhouding aaO/fructose moet >1 zijn.

}+), Scheiding van calciumglucasaat en calciucllfructo'saat moet

bin-nen 30 minuten na de precipitatie gebeuren.

5) Oa Ic iumglucosaat en -fructo,saat moot en zo spoedig moge lij k,

liefst direct, ont leed worden met _{OÛ2 •}

6) De precipitatie van calciumfructosaat :Ls het volledigst bij

lage temperatuur (-0°0),.

Deze voorzorgsmaatregelen moeten genomen worden in verband met

U

de éllkali-gevoe lighe id van fructose en glucose .Onder invloed

van alkali treedt nawelijk glutose-vonning,omzetting in andere

suikers en ontleding op,die bij het onderzoek van La:bry de

Bruyn en Alberda van Ekensteyn geconstateerd ls

(47).

Onder dez~ voorzorgen werkend,werci uit 1 kg suike r 983,4 g

in de vona van oploss:-ing va.n glucose + fructose verkregen.De

glucose-oplossing,(die

564 .. 6

g suiker bevat) bevat nog 82,2 g

fructose,terwijl de fructose-oplossing (die 417,8 g suiker

be-vat1 prac·tisch vrij van glucose is.

Rohnnan ging ook de invloed na van de temperatuur op do ontleding van de suiker en de oplosbaarheid van het neerslag.

r

I

-13-s uike r-op lo-13-s-13-s ing,

97%

van de fruct ose kon warden gewonnen .Tempe-raturen tussen 10 en

16°c

bleken het voordeligst.Boven

16°c

werd de oxydatie van de suikers versneld.

Volgens Rohnnan bIe ek de rt::}eds bekende oplasbaarhe ld van calciumf'ructasaat in glucosaat-oplossing (41), een lineaire af-hankelijkheid te vertonen.Omdat echter de meer verdunde oplos-singen een groter te filtreren volume meebrengen,werken deze f'actoren elkaar tegen .Tens lott e we rd ge constateerd, dat een

con-~

cent rat le va n .}:

~

.

::. d':i';!

r

~

•

.!

~~!~

.

D~

_

"l?

los S 1 ng. de opt

1-male omstandigheid was.

u

Roersnelheid en contacttijd hadden geen invloed op het f'ruc-tose-rendement,maar wel op de f'iltratieduur.Matig roeren en een

iÄ/

contact tussen vaste stof en oplo,ssing van ininste#, 30 minuten bleken voordelig.

Qn de precipitatie-reactie te stimuleren werden kleine hoe-veelheden calchunfl'ucta.saat als entkristallen toegevoegd.Beter is het volgens Mc,Glûtnphy (37) ~n eerst te zorgen voor calcium-fructa.saatkiemen en daarop het zich nieuw vo'nnende calciumfruc-tosaat te laten neerslaan onder vonning van een g'rof kristallijn

nee rslag. Deze react ie kan cont inu verlope n doo r gebruik te ;:na-ken van bet apparaat van Hixon en Mc , Glurnphy (38) ,dat in de "Be-schrijving van het schema" besproken zal worden.

De filtratie werd met een tlOliver"f'ilter uitgevoerd,onder voortdurend uitwassen.Bet bleek zeer noodzakelijk om het neer-s lag terdege uit te waneer-sneer-sen om de oploneer-sbare anorganineer-scbe zouten te ven/ijderen~die sterk de neiging hadden om in het

calcium-fructosaat achter te blijven.

Rohnaan werkte de glucose-filtraten niet op,al wees hij er .el op, dat bij de productie op grote schaal dit wel gedaan zou worden in verband met de zeer hoge zuiverheid van de glucose.

In ons schema werd dan ook dit filtraat op glucosemonohydraat

en glucosest roop verwerkt.

De aard en de zuiverheid van de kalk bleken de reactie aan-zienlijk te beinvloeden.Een constante toevoer van eenzelf'de

sa-A

u

-

14

-beste zij nj d<lS een eigen cont inu-we rke nde ka lkoven is daarvoo r ideaal.

d} Het ontleden vall calciumfructosaat tot fructose:

Het toevoegen van oxaalzuur,zwav;'_{elzuur of' CO2-gas aan de}

gesuspendeerde Ca- of' Ba-suikerverbindingen als middel om de

\

s ulker vrij te maken is reeds lang voor de winning van saccharose uit

bekend.Het Steffen-proces bietn1'lasse is een goed voor-beeld hiervan.Men neemt aan dat de reactie met C02 als volgt verloopt:

C6B1206.0aO.xH20 + 00'2 ~ C6 H12 0

6 ,.

:x1120. + caC0

3 (\2), 002-gas wordt in een suspens ie van calciumfructosaat in water geleid .. De meest efficiënte manier 18 deze suspensie in een car-bonatat :ie-tank te Ie iden onder recirculat ie, tot volledige con-versie bereikt is.~ telllperatUu.r van de carbonatatie-tank wordt

o

op 10-16 C gehouden door lUiddel van pekelkoeling.

Na volledige oLlzetting wordt gefiltreerd over een "0Iiver" f'ilter.De CaCO~-koek wordt suiKervrij gewassen en weggegooid. Bij een grote product ie zou event ueal de koek tot CaO en CO

2 verwerkt kunnen worden.in de kalkoven.

Filtraat en waswater geven tenslotte een lo-15%ige fructose-oploss ing.

Als niet zeer zorgvuldig gewerkt wordt, is hierna een

zuive-U

ring met behulp van kat ionen-en anionen· uitw isse laars nodig om de resten anorganiscte zouten te verwijderen, daar deze de krls-tallisatie van de fructose verhinderen.ln ons schema is dit zorgvuldig werken verondersteld en zijn daarom deze ionen-uit-wisselaars niet opgenomen.Bovendien slaagden Herzfeld (25),Hoche

(28) en Mc Glumphy c.s. (38) er reeds in uit de waterige oplos-sing fructose te verkrijgen zonder gebruik te makeD van de ionen uitw isse laars.

e) Het concent reren van de frllctose-op 1055 ing. De krista llisat ie van de fruct ose.

Voor het indampen van de fructose-oplossing tot een stroop van ....,88 gew.% fructose wordt een s imple-effect verdamper gebruikt.

-15-Het koken heeft plaats bij ... 3SoC.Bij een temperatuur.>5o o C wordt

de carsmelisatie en de ontleding in de hand gewerkt.De ingedikte stroop wordt in een horizontale kristallisator ntet koeling door middel van een draaiend koellichaam gekoeld.De temperatuur wordt

zó gereg~ld,dat deze van 3BoC tot kamertemperatuur daalt,met een

o

snelheid van -1 Cj·uur.üp dit pl.lnt wordt geënt met zuivere

fruc-tose-kristallen.De hele kristallisatie neemt 3-5 dagen in beslag.

Bij de kristallisst ie wordt de groots.te hinder o:ndervonden van

~

glucose,die door slechte controle of door slordig werken is mee-gekomen.

De massecuite wordt vervolgens gecent rifugeerd en zorgvul-tlig gedroogd in een kastdroger.De moederloog gaat terug naar de kristallisat ie.

Gemiddeld werd in de pilotplant fructose verkregen met een

zuiverheid van 99% en

0,1%

as; zorgvuldige controle verhoogde

de z uiverhe id.

Vreemd genoeg werden door Battis van de proeven in de

pilot-plant geen rendern~nten venneld.Wij hielden ons hiervoor aan de

gegevens van Rohrlich en TÖdt.

tr1

Het ontletlen van de tlglucosaat"-oploss1ng tot gluc()\se

(+ fructo.se).

Ook de omzetting van \tglucosaat" tot gluco,se (+ fructose)

wordt door middel van continue carbonatatie tot een PH

6

bewerk~

stelllgd. Na het bere iken van de juiste PH wordt over een" Ollve rlt_ filter gefilt reerd, de CaC0

3-koek suike rvrij . gewassen en bij een

grote productie eventueel tot CaO en CO₂ verwerkt in de

kalk-oven.

Filtraat'" waswater geven eenfV_{6%ige glucose}

(+fructose)-oplossing.Voor wij de verdere opwerking van de glucose-oplos-sing behandelen,zullen wij eerst de chemische en physische eigen-schappen van de glucose bespreken •

- - - .

-16-Chemische en physische eigenschappen van glucose.

d.Glucose,dextrose of' druivensuiker C

6li1206 is een aldohexose : H

C4.~~

I

I I

. .Ni

8pt

Olt-",,--,+"'t

D(+) GLCJCOSE .

liet is een witte,kristallijne sUiker,die

30%

minder zoet

is dan s~ccharose.ln vrije toestand komt het zeer veel in de

natuur voor in vruchten en plantensappen.

In oploss ing komt glucose in e en aantal isomere vormen voor,

~-en~-vonn inbegrepen.In kristallijne toestand scheidt zich

~-glucose uit waterige oplossing beneden 500C als monohydreat

af';boven

50

0

0 vormt zich watervrije glucose.Boven 115°C scheidt

z ich ~dext roae watervrij af. Deze drie kristallijne modificat ies

worden op commerciële schaal geproduceerd,het~-monohydreat ls

het meest voorkomende product.

Alsoc:.-glucose in water wordt opgelost,neemt de optische rotatie langzaam af tot na zekere tijd een constante waarde

wordt waargenomen. Deze ve ra nde ring in opt is ehe . rotat ie noemt

men mutarotatie;deze wordt versneld door verwarmen of in aan-wezigheid van zuren of basen.Anderzijds stijgt de optische

ro-tat ie van vers opgeloste ~ -glucose .Deze bereikt een constante

w.aarde, die identiek is met de waarde,die doorOC-glucose bereikt

wordt.ln dit punt bestaat er een evenwicht tussen de twee

iso-meren,waarbij 60,% glucose in de(->-vorrn aanwezig. is.Dit evenwicht

wordt niet noemenswaardig verá.nderd binnen ruime.temperatuur

en concent ret ieg renzen (42).

Omstreeks 1922 vond W.B.Newkirk een practische oplossing

va.n het probleem om economisch ~r:1:~tallijne. glucose te krijgen,

. J

die vrij was van ingesloten moederloog.Hij ging de invloed na

van de va riabeIen die bij de kristallisat ie van

--- -

-

-17-en ontwikke 1de e-17-en p ract is che methode voor de fabricage van zuiver glucose-monohydraat,die tot op heden in gebruik is (43)

g) Concent rat ie van de glucose-oploss ins. Kristallisat ie van de glucose.

Boewel we in ons geval te maken hebben met een glucose-op-lossing (die een kleine hoeveelheid fructose bevat),die vrij is van eiwit resten en vetzuren en ook niet blootgesteld geweest is aan hoge temperaturen zoals de gehydrolyseerde zetmeel-op~

loss1ng,moeten we toch wel ionenuitwisselaars toepassen voor de vezwijdering van de anorganische zouten (NaCl voornamelijk), die bij ~et uitwassen van de calciumfructosaat-koek practisch volledig in de glucosaat-op1ossing komen.Over de kationen.en anionen-uitwisselaars spreken we nog in de "Beschrijving van het schema" (blz.2Z).

De gere inigde glucose-oplos s ing wo reit door aftapdamp uit het Ie verdamperlichaam (105°'C) opgewarmd van IS tot 102°C. Het indikken tot stroop vanN 7SoBx.vindt plaats in een

triple--effect verdamper.

Wij vonden geen speciale voorzorgen vermeld in verband met de temperatuur,zoals bij fructose.Daarom namen wij deze nonnale wijze van indampen,maar achtten het toch raadzaam om het

dik-sap een beende rkoolfilter te laten passeren om eventueel door

V

caramelisatie ontstane gekleude producten te verwijderen.Als temperatu\.4.r van het 3elichaam namen weIV65°C aan.

Het gevormde diksap wordt gekoeld in een koelbak met roterend koellichaam,van 65°C tot"" 5o oC,waarna het in een kristallisator wordt af'ge1aten.Hier wordt het gemengd met gekristalliseerde glucose, bij voo rkeur in de vorm van kristalma~lla dat bij de

laatste batch gevormd is.Dit magma heeft ten opzichte van droge entkrlsta11en het voordee1,dat er in de verse oplossing glucose zowel in de vaste als in de vloeibare phase in status nascendi voorkomt,en deze toestand heeft de grootste activiteit om de~

u

·

-18-kri&tallisatie vlot te doen verlopen.Aangeraden wordt,4o%

achter te laten in de kristallisator en 60% vers diksap toe te voegen.

Het ve rse diksap wordt bij voorkeur toegevoegd voordat r..et magma de kans heeft gekregen volledig af te koelen en vast te worden,om bovengenoemde reden.De temperatuur waartoe het

dik-,

sap wordt afgekoeld, wordt zo be rekend, dat na menging hie rvan met het magma de temperatuur"'40 oC bedraagt.Deze temperatuur

ligt in het gebied, waarin glucose-monohydraat stabiel is (<500C), zodat dit ook ontstaat .Bovendie n is gebleken, dat deze kristal-modificat ie het minst gehinde rd \vordt doo r aanwezige onzuiver-heden, zodat het ook om die reden bij voo rkeur als monohydniat

wordt afgescheiden.

De kristallisatie neant normaal ongeveer 30 uur in beslag, gedurende de eerste uren wordt de temperatuur op-40°0 gehouden I is de kristallisatie eerunaal goed begonnen,dan kan verder af-gekoeld worden door middel van koelwater in het koellichaam.

Na arIaten van 60% van de gevormde kristalmassa,wordt deze gecentrifugeerd en de afgecentrifugeerde suiker gedroogd tot een vochtgehalte van 8%.Dit is iets minder dan het theoretisch %age van 9,1% voor 1 mol. krista1water;de reden hiervoor is

het voo rkomen van het aan elkaar kleven van de glucosekristallen. De droge s uike r, die een z ui ve rhe id van 99,8% kan be re iken, wo rdt op maat gezeerd en verpakt.De arges1ingerde stroop wordt als glucosestroop opgevangen en als ZOdanig afgeleverd.

-19-'*

Beschrijving van het schema.

---Als grondstof' wordt 2 ton ruwe bietsuiker naar de stortbak

(D

getransporteerd,van waar het via de transportgoot @naar de

11 sme 1ter"

(1)

gaat .Als "sme lter"wordt gebruikt een "We

rkspoor"-kristalllsator met een roterende, door stoom verwarmde' spiraal.

Bij het op gang brengen van het proces wordt de suiker in deze "smelter" gemengd met een kleine hoeveelheid water; dit dient om het melassehuidje van de ruwe suikerkristallen op te lossen. De zo behandelde ruwe suikennassa wordt gecentrifugeerd in een

"Reineveld"-centrif'uge

®

(zelflossend}; de hierbiJ

afgeslin-gerde afi'1nagestroop treedt bij het verdere verloop van het

pro.-U

ces in de plaats van bovengenoemd water.Van tijd tot tijd dient

een gedeelte van deze stroop afgelaten te worden in verband met

de vervuiling en dus weer water gesuppleerd,te worden.

u

Tijdens centrifugeren wordt de suiker gedekt met stoom.On de twee minuten wordt de centrifuge afgere.nd en stort ca 48 kg

suiker in de er onder staande menger ~(van hetzelfde type

In de ,nenger wordt aan de nog resterende 1887 kg suiker, die geleidelijk wordt aangevoerd,1887 1 water toegevoegd.De zo verkregen

500ax

stroop wordt continu afgelaten 1n de "blow-up"

tanks @,waarvan er twee zijn die afwisselend gevuld en geleegd

worden on een continue werkwijze te verkrijgen.Beide tanks wor-den achtereenvolgens gev'u1d met

1250

1 stroop .Deze wordt nu

ge-raff1:neerd door in elk van de tanKS

5

19%ige kalkmelk toe te

vo~gen (zie kalkblusser

@

)&n door stoom door te blazen.(ln

de filtrat ie te bespoedigen wordt totaal 20 kg filter-aid

toe-gevoegd van het type Hyflo-Supercel.Vervolgens wordt gefiltreerd over een ·'Sparklerl1

-platenfilter

CD .

De nunmers in bet verslag verwijzen naar de nummering in het schema.

-20-'

Het filtraat wordt ontkleurd loet behulp van een beenderkool-filter

®

en wordt gepompt in roestvrij stalen invers ietanks

(2) .

<lil continu te kunnen werken nemen wij twee tanks .Tijdens het vullen hiervan wordt opgewannd tot

66°c.

De voor de inve rs ie noodzake lij ke zoutz uur-concent rat ie be-draagt o,lN (Pnl).Het water dat nodig is om deze

zuurconcentra-,

,

tie te bereiken,wordt voor het toevoegen aan de suiker~oplossing, gebruikt om het geconcentreerde zoutzuur te verdunnen .. Per tank wordt ca 2500 1 water en 28,.3 1 geconcentreerd zoutzuur (s .g.

1,19) toegevoegd.De inversieduurbedraagt 30 minuten.

De geinverteerde oplossing wordt geneutraliseerd tot een PH6 met

140,39

1 5N.NaOH$ dit geschiedt eveneens in twee roest-vrij stalen tanks@ • Na afloop van de neutralisatie wordt een

lj

suiker-oplossing verkregen,die ca 21% aan totaal suiker bevat. Voor wij het proces verde r vervolgen zullen wij eerst de kalkoven en de kalkmelk bereiding bespreken.

Zoals in het hoofdstuk "De bereiding van fructose" werd aangegeven,is voor de fructose-glucose scheiding een overmaat van 104% CaO ten opzichte van de suikers noodzakelijk.Hierop

is de dagproductie aan kalk gebaseerd.De kalkoven

®

is bere-kend op een dagproductie van 600kg CaO.

De

oven 1s opgebouwd uit een cylindrische stalen mantel

lJ

met een chamotte voering, die door een dunne kiezelgoer laag

hiervan gescteiden is. De vulling bestaat uit zuiver kalksteen

met 10% cokes toeslag.Deze vulling wordt gebrand bij een' tempe-ratuur van 90ooC; de doorlooptijd bedraagt .3-5 dagen.Het gele-verde gas bevat 40~ GU

2.0it gas wordt van vliegas bevrijd door een koo lz uur wasser

@

en dient voor de carbonatat ie.

De kalk,welke continu wordt gelost,wo.rdt in een breker ge-broken

®

en in een roterende kalktrommel

@

geblust en van stenen ontdaan.De gebluste kalk wordt tot 9%ige kalkmelk verdund en opges lagen in tank

@.

·

-21-De scheiding van fructose en glucose heeft plaats in het precipitatie vat

~

.In de juiste verhouding,regelbaar door een vlotter-mechanisrue,worden uit

@

en

®

respect ievelljk 9%1ge kalkmelk en 2l%ige invert-oplossing gedoseerd.

@,@

en

®

zijn stalen tanks die met behulp van pekel worden ge-koeld.De koelspiralen zijn op de buitenwand gelast en voorzien van een 1solat 1emantel.

In het reactie-vat

~

worden de beide oplossingen tangen-tiaal onderin ingevoerd.Bij het begin van het proces wordt een hoeveelheid calciUUlfructosaat-entkristallen bereid door een boe-veelheid invert-oplossing langzaam. in de vereiste hoeboe-veelheid kalkmelk te laten lopen; wanneer deze eerste kiemen gevonnd zijn, vindt het proces op de genoemde wijze plaats.

Het kristallijne calciumfructosaat,gesuspendeerd in de "glu-cosaat"-oplossing,wordt aan de bovenzijde van het reactie vat afgevoerd naar een "Oliver-filter

®

.Hier wordt 1100 kg cal-ciumfructosaat afgefiltreerd en met onthard water uit gewassen. De calciumfructosaat-koek wordt afgeschraapt en in de opslag-tank

®

met onthard water in suspensie gebracht (tot ca l7°B.x). Deze suspensie wordt cont inu naar de carbonatatie

®

gepompt.

+

De carbonatat ie-tank wordt uiwendig gekoeld op 10-15°C om dezelfde redenen als genoemd bij de precipitatie.

Door een snelle CO

2 stroom (geleverd door de ka.lkoven) wordt de suspensie volgens het principe van de gaslift omhoog gevoerd en via de carbonateur gecirculeerd tot de ont leding volledig is.

De regeling van de PH hee.ft plaats door middel van een

automa-t ische PHregelaar.Wordt de PH te hoog, dan wordt een regelklep geopend die lucht suppleert in de CO2 tot de PH de juiste waar-de

6

weer bereikt heeft.

De fru.ctose-oplossing waarin CaC0

3

gesuspendeerd ls,wordt

via een opslagtank

®

naar een "uliver"-filter

@

afgevoerd.

" fÎ7\

Het filtraat wordt voor het indampen in een tank

Ö

opgeslagen. Door het waswater is de concent rat ie teruggelopen tot ongeveer

o

15 Bx.

- - -- - - - -- - - --

-\...-'

-22-simple-ef'fect verdamper

@

ingedampt tot Soo 1 stroop van ca o

88

Bx.Het indampen vindt onder zodanig vacuum plaats,dat de verdamping bij ongeveer 38°C kan plaats vinden.Temperaturen ho-ger dan

48°c

bevorderen volgens Rohrman caramelisatie en ontle-ding.De verwarming van de verdamper heeft plaats met behulp van warm water van ongeveer

60

o C,dat door circulatie door een warm-tewisselaar

®

,met stoom opgewarmd wordt.

De fructosest roop laat men af in een raest vrij sta Ie n kris-tallisator

®

waar de kristallisat ie plaats vindt zoals be-scbreven in het vorige r.oofdstuk (blz .15) • In verband met de kristallisatie-duur,die ca. drie dagen bedraagt ,hebben wij zes kristallisatoren in gebruik.

Wanneer de kristallisat ie voldoende voortgang r.eeft gevon-den wordt de mass ecuite gecent rifugee rd in een "Re ineve ld"" cen-t rifuge

®

.De afges lingerde stroop wordt teruggevoerd in de kristal11sator.De fructosekristallen worden in een droogkast

@

met warme lucht gedroogd.

Tenslotte wordt verkregen ca 790 kg fructose met een zuiver-he 1d van ca

99%.

Hèt filtraat afkomstig van \t01iver"-filter

@

,de "gluco-saatUoplossing wordt via een vacuumtank

®

naar de carbonata-tie

@

gevoerd, die op overeenko:nst ige wijze plaats vindt als bij de fructosaat-oplossing (koeling is hierbij niet

noodzake-l~jk.De glucose-oplossing waarin CaC0

3 gesuspendeord is,wordt op-geslagen in tank

@

en van hieruit gefiltreerd over een "Oli-ver" -filter

@.

Het filtraat bevat bet bij de neutralisatie ontstane NaGI, naast andere anorganiscr.e zouten.Door middel van kationen- en anionen-uitwisselaars

®

worden deze' verwijderd.Als kationen-uitwisselaar wordt gebruik gemaa.crt van" Dusariet" j dit wordt ge-regenereerd met een 3%ige Hel-oplossing.Als ánionenuitwisselaar gebruiken wij "AsmitIl ; de regeneratie hiervan heeft plaats met een 3%ige NauH-oplossing.

De gezuiverde glucose-oplossing wordt opgeslagen in een

,

-23-

·

6%ige gluc'ose-oplossing na voorwarmen :net aftapstoom in de voor-wanner

@

ingedikt tot 87) 1 76°Bx stroop.Teneinde bij een zo

laag mogelijke temperatuur in te dampen,wordt gestreefd naar een zo hoog mogelijk vacuum.

Bet diksap wordt na koeling tot 500C in

®

van eventueel ontstane gekleurde ontledingsproducten ontdaan in een beender-koolf"11ter

®.

De glucosestroop wordt afgevoerd in een "Werkspoortt-kriatal-lisator

®

waarin de kristallisat ie plaats heeft op de bespro-ken wijze (blz. 17) .Hierbij is aangenomen da·t de kristallisat le van glucose-monohydre.at moge lijk is in aanwez ig.he id van e en kIe i-ne hoev'ee lhe id fruct ose.

De massecuite,die 1070 kg glucose (+fructose) bevat,wordt af-ge cent rifug.e erd in een cent rifuge

® .

De afges linge rde

glucose-st roop wordt a Is zodanig op de ma rkt gebracht.

De vocht :tge glucosekristallen worden in een droogkast

®

met wanne lucht gedroo gd.

De gedroogde kristallen van het monohydraat (+fructose) worden op maat gezeefd en verpakt.

, -24-·

Litterat uur.

1. Paul,Chem.Ztg.!t.2 70'5 (1921) en A.Boemer,Handbuch der

Le-bensrnitte1 Chemie Bd j 38Q e.v.(19-j8).

2. Skinne r ~ n Sa1e, J. Ind • Eng • Chem.

1bt

522 (1922). ").' De err, Int .Sugar J.Ebt 481 (1922).

4

Biester,Wood en Wahlin,Am.J.Physiol.

12 3

87 '19251. 5. O.Sprengler,A.Traegel,Z.Ver.D.Zuckerind. ~ 1 ~\1927). 6. F.A.Rohnnan, Sugar J.

1..3

n02 11-18 (1950) •..

7 •• B.~.P.Widmark,Kg1.fysiogn1f.Sal1skap.Lund.Forh.

1

22-3 1 (1937). 8 C.von Noorden "Die Zuckerkrankheit" 436 (1917).

9. J0811n "Diabet1c ~etabo1isill with h1gh and low diets" Carnegie lnat .Wash.Pub. ~ 211 (1923>.

10. U1lrnann "Enzyk10padie ~er technischen Chemie"bl.434 -e.v.

11. H.H.Schlubach,H.Knoop,Liebi~s Ann.

ill

208 {193'2T:

12. H.Knoop,Llebigs Ann. 520 34 '19351.

1,. R. F .Jacks on, C. G .Si1sbee, M. J • P roff1tt, Hu r. of Stand .Sc i .Pape r

i l i

(1926).

14. F.Bates "Facta about Sugar" VGll.:S:S nOl 38 (1938). 15. P.Vergnaud,J ,P1geot,Am.Octroo:fi 2::n31t--2,5 (1948);.

16. J .R.Me G1umr.hy" J

.w

.E.~chinge r, J .H.Buchanan, R.l\l.Hixon, lind.

Eng.Chem. ~ 41 (19.?2)/.

17. NI •• T.Proffltt,J.A.Bo,gan,R.F.Jackson, J.Research Nat.Bur.St.

11

6 15-24 (19,6).

Research Paper 931. 18. id.

12

263-85 (1937).

Research Paper 1025.

19. C.I.eyst, D.R.P. 674089 (1939),.

20. M .Arvldsaon, Socker Hand1.

,g

.

,49-55 (1946 )'. 21. Coffaroon A.G. D.R.P. 801146.

22. " " Zwitsers Octrooi 2711a2. 23. Ha rding, J • Am. Chem • So-o:.

Lili.

1765 (1922).

" Sugar,gj 406, b'36 (19·2,).

24. H.I.Watennan,A.Rooseboom,E.L.Oberg, Chem.Weekb1.

R.2

50 (1928). 25. A.Hertzfeld,R.Passer, D:.l\.P. 38 1 575 (\1922)/.

26. M.Rohrl1ch,F.'l'Odt, C:hem.Ztg.

11±

750-1, 758-62 (195o~).

27.

Crookewith, Ann.!±2 184 {18431.

28. B.Hoche, Z.Ver.D.Zucker-Ind.Band 1Q 821-31 (1926)/. 29. J.Vocu, Chem.Obzor 22 201-3 (,19471.

30. Sehering, Brits Octrooi 272876. 31. W. C .Arsem, Am. Oc:t rooi 176,oSo

32. Schering Kahlbaum A.G. Frans Octrooi 702771. 3? • , , , , , , D. R. P. 51.t4o;56 •

34. I.G1,Farben A.G. D.R.P. 57480-3.

35. P .K.Bobkow, Z .Spiritus Ind. j2 97-98 (19361. 36. R. F. Jacks on, Am .Oct rooi 2007971.

37. J.H.id,c Glumphy,J.W.Eichinger, Ind.Eng.Chem. gj l20'3 (193 1 ). 38. J .E.Me Glumphy, R.M.Hlxon, J.W .Elchinger,J .H.Buchanan

Am. Oct rooi 19706<l? ~ 1931). • .

I~!-

..

M.Dubrun~aut,Ann.Chim.phys. 21 169 (1847l.

4""

R.P.Jackson, J .A.it'latthews, J .of Bl.!r.Oif' Stand.

15

,1.1-

1 (1935). 41. R. F. Jacks on, Nat .Bur. of Stand. Pape r 20' 584

U924) •

42. R.E.K1rk en D.F.Othmer, lmcyc10pedia of Chem.Technology vo1.4,961.

43.

W.B.Newkirk, Am.OctrooJ llt-7 1347 (192

3).

1+4.

"

"

"

1508569 (1924J.

Lt5.

"

"

"

1521830_{, (1925).}

46.

J .B.!dc G1-umphy, Iowa State College J .Sci •

..2

331 (193 1 }. 47. C-.A..Lobry de Bruyn,W.A1berda van Ekensteyn,

Rec.Trav.Chim.1lt 20' (1895) •.

" - , , , , 16 257-274 (189·71.

-1- H.de Iongh.

Berekening van de fructose-droogkast.

De natte fructose wordt in een droogkast gedroogd.Hiertoe

worden de kristallen in een dunne laag in hakken ui tgespreid en laat men er Wfl,rme lucht over circuleren.

De droogkast ziet er in principe als volgt uit:

D€ lucht waarmee de fructose gedroogd wordt, wordt door middel van een ventilator in circulatie gehracht en tussen de verwarmings-buizen door gezogen;oe huizen worden verwärmd met stoom.

Aangenomen werd dat hi.i A voortdurend 10% verse lucht (gew.% van de totale hoeveelheid circulerende lucht ),wordt toegelaten

4 kOt!;;::;:se

Van 60 0F,met een re1.vochtigheid van 70%,terwi,il hi.i B 10% lucht wordt afgevoerd met een temperatuur van 120 0F en rel. vochtigheid 90% .•

Verder werd aangenomen dat de fructose, zoals oeze uit de centrifuge komt,4% water hevat en moet worden gedroogd tot 0,4%

water.

Aan-.9.!:oge fructose kan onze fahriek per 24 uur 7RR Kg leveren. De te drogen hoeveelheid fructose hedraagt dus,hi.i 4% water op natte stof,R20,8 ~g.ln verhand met de henodigde tiid voor vullen

en legen van de droogkast,heh ik A8.ngenomen dat deze 820,H Kg

fructose in 20 uur worrien gedroogd tot 791 r~ product met

0,4i

water.De in 20 uur te v~.rdam~!Lho~'y'ee).heid water is dus ?9,7 Kg,

het 8~en overeenkomt met 3 , 2~1~~L~ur.

Daar over korrelp-,rootte en structuur van fructose kristallen niets hekend is,heh ik rleze hi.i de herekening huiten heschouwing

gelaten.

Alvorens nu de henodi~:de hoeveelheid lucht en rie henonigde

warmte q te herekenen,werd aRngenomen (lat de circulerende lucht ( +10% verse lucht) (loor de huizenhundel wordt opgewarmd tot

l6o oF,en dat deze lucht y lh.H20 per lh.droge lucht hevat.

u

u

Lucht van 60°F en rel.v.70% hevat: 0,0078 lh.H

20/1b.oroge lucht. Lucht van 120°F en rAl. v. 90% hevat: 0,0729 lh.H

20/1b.(lroF;e lucht. Voor het luchtmengsel dat oe war~tewisselaar hinnentrAedt

(10% verse lucht +90% circulerende lucht)geldt:

r

---0,0729 x 0.9 + 0, 007 Hxo, 1 ==y

y:;::0,0664 lh H₂0/1h droge lucht. Dus de henodigàe lucht om het product te drogen hedrFtagt:

~93,

28 -;:---_-; 504 6 lh/uur.

0,07L ~,ouu4 '

lJus is aan verse lucht noriig: 50,5 lh/uur (lo:î). Jd

r

1- (./ 0 --I----

0,

L--I De totft8.l hen06if:,(Je_~~_:r:mte2~1_~:

Ie Warmte nodi~ om het water op te Vl'Armen van 60-120 F en in

°

namr om te zetten van 120°F. _-,

e 0

°

2 Warmte noài,;;_" - om oe verse lucht van 60 F 01' ;l ?o F " /

De s.w.'c ) voor lucht die 0,07rl lh

P

de "Humioity chart" gevonoen: 0, ?4?

H?O/lh dr.l.hevat

B.T.U/lh.oF.

te hrengen.

werd uit

Vol~ens Regnaul t heörR.8_~t de hoeveelheid wA.rmte (in Kcal)

/f'

\ \ \ \ 1 !

j

r ,

i

nooig om 1 Kg water op te ViRrme'1 van o-tOCen om te zetten in

d p"mp van t OC." Q = 606, 5 + 0,305t

Door hiervan F,ehruik te maken en om te rekenen in B.T.U.en

in lb werd voor oe onder Ie genoemde warmteinhoud gevonden:

I

3,28 x 1089,8 R.T.U./uur

D _{e warm eonder} t - 2e _genoemd ₎ h _{e raag} d t

0,242 x 50,5 (120- 60 )=753,26 R. T •

u.

/J..l

-

Hr

.

Dus q is I

r

{)

1 ,- b -L _____ --- --- --- ---

--q==3574,54+733,26

=

4307,H _Bi.U./Uur.

Bepaling van oe temperatuur waarmerle de lucht komt in ne

warmtewisselaFtr.

I

//

De temperatuur van het luchtmengsel van 90% circulerende lucht van 120°F en 10% verse lucht van GoOF welke de warmtewisselaRr

hinnen treedt, kan als volgt worden gevonden:

Van het luchtmengsel,dat 0,0664 lh H₂0/1h dr.l. hevat, is de

s.w.: 0,270 B.T.U./lb.oF. Van de circulerende en de verse lucht zi.in de s.w. resp. 0,276 en 0,242 B.T.U./lh.oF. Dan geldt

0,9 x 120 x 0,276+ 0,1 x 60 x 0,242

=

0,270 x t

°

.:L=-~6

F.

De lucht wordt dus opgewarmd van 115,60F tot 160°F.

Bepaling van de afmetingen der hakken in de droogka.st. Te drogen is rv 820 Kg fructose (nat) in ?o uur,ous 41 Kg/uur. Stel s.g. 1,5, dan is dit 27 nm3/uur.

u

~-3-·

van 1,5 cm dan klmnen deze bevatten 27dm3.Als de

hak

~

en

hoven

elkaAT op een onderlinge afstand van 9cm;.::::o,3 voet worden

op-gesteld, zie figuur,dan wordt het doorstroomd oppervlak tussen

de bakken : 1,64 x 2-6 x 1,64 x 0,05 =2,79 sq.ft.

1

-<

I, b'f /lO( t.

-1

~

1--

I

___ . __ . ____ . _ _ 1 ._. _ _ . __ 1

(1,5 cm=o,o5ft).

~, __ . _ _ _ _ - -I

doo rsnede..L luchtst room

V

t -

.-~ _ _ _ . __ J ...: '/ ::; .. - .. - . _ _ _ _ -1 .1." 5 (., <0 <-< . ../ 'l1

",-Al vorens nu over te gas.n tot de herekening van het henoo igd e

V.O.

en overorachtscoHfficienten,wil ik eerst de

hoofdvergelij-kingen toelichten.

De hOQfovergelijkingen voor wa.rmteoverdracht.

Beschouwen wij het algemene geval van warmteoverdracht van

een warme vloeistof A door een wano op een vloeistof B ,door

convectie en conductie,dan geldt:

dg=U.dA.~t ( 1 )

Waarin :U=Overall-coëfficient van warmte overdracht.(B.T.U./uur.sq.ft.).

d q= warmteoverdracht per ti .ici s eenheid (B. T.

u.

luur) •

dA

=

wa.rmte overdragend oppervlak.

Wann eer wi.i I/U ct e totale weers tand noemen, dan kunn en wi.i ct eze

samengesteld denken als de som van meerdere plaatselijke standen.Aan de hand van onderstaande figuur kunnen wi.i deze

weer-standen onderscheiden. V~1I1qh~it Inq.

WC\ \')C\

1\

d.n ti --'~-1---

-'.

Iflt'

A

.tt , X w : : r<! ~ 1 i '. \V I \ 1 , I I 1-[

I

I " t·_, I!

J3

A ~--

\'

til

Aan oe zi,ide van vloeistof A geldt voor oe overdracht door

de vloeistof :

dq= h'.dA'hT' (? ) •

h' is de plaatseli,ike wfl.rmteoverrlrachtscoëfficient.

Voor overdracht door de vaste wand geldt

:-dq :;h .dA .A t .

u

~'

k

waarin hw x w a l s kw= thermische geleidbaarheid v. d. wand. dA

==

log. gemidri eYà oJlpervlak.

w

Voor de vuilafzettingslaag geldt analoog:

waarin Voor de k h

=~

d· x overgracht in vloeistof B dq= h' I . dA' '.6.. t' , . gelr1t analoog

( 4 )

( 5 )

Uit (1),t2),(3),t4),ent5) volgt dus)vb.t=6.t'

.

da

ar

+

~\'l+ b.t";

(1 A t::. t ciq 1 dA dA U=h'dA' + h dA w w dA dA

+

~A'·'+ h' 'dA"

o

Dus de overall-weerstand

1

=

R:::: R' + Rw -+ Rd + R' I . U

Als R' etc. de plaatselijke weerstannen voorstellen.

In het door mij te berekenen geval is slechts sprake van drie

weerstand en, dus

1 _ U.A -1 h A u u x + w

+

k .A w gem. 1 h.A. 1 1 ( 6 ) ( 7 )

Voor het geval dat de vloeistoffen A en B in geliik-of tegen-stroom aan weerszi.iden van de wand stromen zal er een temperatuur verandering aanwezig zi.in in oe stroomrichting. Daarom is het

nodig om de vergelijking (1) te integreren. Bi'; een constant doorstroomd opperv1ak,zijn de stroomsnelheden constant en zi,in dus de overnrachtscoëfficienten afhankelijk van de physische

eigenschappen van de vloeistoffen (welke weer van de temperatuur

afhangen) .Daar temperatuur en temperatuurverschil door energie

en ma teriaal-halans en met q in ver hand staan, zi .in 0 ok U en At van q afhankeli .ik. De variahelen word en daarom als volgt gescJ'lei-den

r~=fclA

J

Ü.6t

Voor b.v. tegenstroom gelclt voor de energie-halans (hij verwaar-lozing van kinetische energie verliezen en warmte verliezen ) :

dq=w'c'cit' + wf'c"clt" ( 9 )

Als w is de vloeistofmassa die per tijdseenheid doorstroomt en c is s.w.Na integratie van (9) blijkt de,t q (voor constante s.w.) recht evenrerltg is met t'en.t " (dus ook met het verschilAt).

In grafiek : I 11' I _.---I I

t

I

til

r---

t" I ' I t"

--_.

t I I I

---'"

(\\u lil .----= '11 te I ,. nto'I~~ 0 ~ -- Cf_v

;"5-

'

Voor de helling van ót als functie van q,geldt

o

Uit (l)enllo) volgt

t 10 )

Voor U constant, levert integratie (tussen 6 t

l en Ät 2 ,en tussen o en A ) : ( ) lln t2 _ ó t2 ... ót l A U t 1 - q'o Als nu: q -U .A.6t 0 - m (1' )

d~n is het logarithmisch gemiddelde temperatuur versc~il ~t

m

(11)

Schatting van het benodigde verwarmend oppervlak :

Voor warmte overdracht van condenserende stoom op lucht, ligt

U in het gebied 2 - 10 l volgens lvic Adams ) .Gekozen werd U:::: 4

(nl. voor niet te snelle lucht stroom zal U wel aan de lage

kant li_fSr> -'.c.;en ).

Als stoom werd genomen, stoom van ?400F (24,9 lh/sq.tt.inch). D~,n is Dt _ m-Met ver~elijking

(1'+

o 100,7 F q

=

U. A. Ll tm • volgt 4307,8 =4.A.loo, 7

A

= 10,6 s9.~!.

Gekozen werd een stalen huis VRn 3/4 inch uitwendige diameter.

o,5H4 inch inwenriige riiameter.

'Vandoikte

=

0,083 inch. Buitenorpervlak in sq.ft./ft. lenr:;te:o,1963

BinnenoppervlRk in sQ.ft ./ft. len~te : 0,152R

In verhand met riR afmetin~en van de hak~en werd als lengte

gekozen 1,64 ft. Dus per huis: 1,64 x 0,1963

=

0,3?? sq.ft.

Het henodigclf: A,antal huiz8n vrorrit clus lOL.§. :::: 33 huizen.

Genomen

~erden

36 buizen en wel 12 rijen van 0, 32? clrie huizen

hoven elkaar. Bi ,; de verd ere h~reken ingen ,,'pro het aan tal ri.i en

huizent'als variahele genomen (de lengte is nodig voor hepaling

van de aeqiuivalent-diameter ).

Be!ek~rli!J.g._.Y~lJ __ d e a8911i vf.\,len t-d iameter D

e

,

U

.;:. r ( : " :::.) L I

'tr---

-6-. , ,- -- - - --- - ' - - ' f,(-.Lflf.

Doors troomde or'-rervlak= 0, 57 x l, 64 - 1,04 x 0,19

=0, 541 sq.ft. Pevochtigde ómtrek==R x 1,64+ 2 x 0,52- 6 x 0,062

==

13,79 ft. Nu is D _4 À het cloorstroomrle oppervlak e- -bevochtigde omtrek. 0,157 ft.

p-e ~ehruikte ver~lijkingen :

In de droogkast hehhen wij te maken met een vochtige lucht-stroom loodrecht op een horizontale huizenhundel,wA.A.rin condense-rende stoom.

Voor de luchtzijde gelàt dan :

h .D u e k f

,

O,33(Cp~;f

y

₍

D

e

v

e

f

)O'b

I'f

( 12)

Wa,Etrin : h.D/k = Nusselt getal

c~/k Prandtl ~etA.l

D.

V.e

/!'=Reynolris f';etal

Vergeli .iking (12) i E7'ge ld ig voor 10 of meer ri.i en hui zen (ver-I

springend )en voor een Heynolds-getal) 2000 (nus voor turbulent en overgan~s gebied).

k

f== thermische geleidha8.rheid hi.i t~B. 1'. U. /hV" .sq. ft. Of per ft). t f

==

f i 1 m - tem per a tuur : t f

-=

t s - 0, 5 (t s - t).

t _s

=

oppervlak-temperatuur _- l hui tenkan t) •

t

=

log. gem. temperatuur van èI e luchtstroom.

f1f= viscositeit bi.j tf (in lh/hr.ft.).

V ::. snelheid van de luchtstroom in ft./hr.

ef=het s.g. bi,i tf (in lb/Cu.ft.)

Binnen de buizen geldt, voor stoom die practisch in rust is:

0,725 ( 2 \ 3

)1

e

f /\ k f g 4 n M D. ( t - t ) / - 1 SV S (13) Hi er in zl.ln

À=

la.ten te cond ensa tiewarmte van de stoom hi.1 verzad igings-temperatuur (in B.T.U./lh.).

n

==

aantal rijen huizen.

g ::::. versnelling van de zwaartekrR.cht Di

=

inwendige diameter van de buizen.

8 2

u

·-7- .

tf

=

temperatuur van de condensaatfilm__=tsv- 0,75 ' t_sv- t_s ). t sv= verzadip<;ingstemperatuur van de stoom.

t

=

wand-temperatuur aan hinnenzijde.

s

De snelheid V van de luchtstroom.

Nemen wij aan oat de circulerende lucht met een snelheid van

5 ft./sec. door de warmtewisselaar wordt gezogen, hij een door -stroom oppervlak tussen de huizen van :0,541 sq.ft.,dan is het aantal Cu.ft. dat per sec. doorstroomt :

5 x 0,541

=

2,70 Cu.ft.

Het doorstroom oppervlak tussen de hakken is 2,79 sq.ft., dus is de luchtsnelheid 2,70/2,79=rvl ft./sec.

Bij deze snelheid zal de fructose niet weggehIazen worden.

Aanvankelijke resultaten ner herekeningen.!.

De logari thrr. j sch gemirl(i elri e temrerRtUlJr van ei e 1 uch ts troom ,

welke oT'p.e'·-I3.rmd worn t V8.n 115, Ó 0J:.' tot 160 oF, heeiraR.f)t

b. tm= 1~_Q-=-_11-,,-5 ... ~6 __

2,31n 160

115,6

'Vanneer wi.i rie temperr-üuur Vl'tn het hui ten- en hinr

enoT'per-o 0

vlak schatten or 215 F resp. ??o F, volgt voor (Je

filmtempera-tuur aan de huitenzi.ide : t

f

==

t s -o,5(t -s t).

t r =215-0,5(2l5-137).= 1760F

De temperatuur van de condenswaterfilm wordt : tr= t - 0, 7 5 (t - t )

sv sv s

t

r==240-0,75(240-220)

=

2~50F.

Wanneer met deze aannamen van de hinnen en

huitenwand-tempe-~ raturen U werd herekend, werd gevonden :

U=4,49 B.l:.U./hr.sq.ft.oF.

De contr6le or de wandtemperaturen juist geschat waren,

lever-de echter ongunstige resultaten op :

Immers moet gelden : l/h

ót

=

u

26t

1+1

+

1

h. h h!

1 U W

Ri.i henA.fJ er:!Ïm.(Y 'ü·elri _{o ~} t : I/U = l/h. ₁

+

l /h _U

+

l /h _w

~.á.t is het lop.. temreratn1Jr r;eminr,elrie: 100,7 OF

( 14 )

Voor h ,h.,h werrien gevoneien : h ~ 4,49, h.= 139rl en h

=

3749.

11 1 w ' U 1 W

P..et ternrerR.tulJrv;-rval DAn cl e 1 'lcb tzi .in eis dAn :

Ó t

=

100, 7 x 5, o? / 4, 49 -= 1110F

Volp.ens aanname zou dit 215_137=7P.°F moeten zi.in.De

con-clusie is dus ciat de ~Fl.nn8me van de wand temperaturen onjuist was.

u

.'

-8-Ook de resultA.ten va.n de contröle va~ het temperA.tuur verval in

de huizen wan'l'Iniet in overeenstemming met de 2.angenomen

wfJ.ndtempe-raturen

Bi'; suhstitutie van U=4,49 in (l'Lwaarhij het aantal ri,ien

huizen als variahel e werd genomen,werden de volgende resultaten

hereikt : q= U x t x A. (A=n x arp. van rlrie huizen).

4307,8

=

4,49 x 100,7 x n x 0,966

n.:: 9,8 huizenTri,ien.

Dit is wel iets a8n

oe

lage kant, want vergelijking (lZ)geldt

voor 10 of ~eer rijen.

Uiteindelijke herekeningen en resultaten :

Uit de aanvankelijke herekeningen was wel duidelijk,dat het

temperatuurverval Ran de huitenzijde veel groter moet worden ge

-nomen,m.a.w.dR.t de weerstand prA.ctisch geheel aan de luchtzi.ide

li 6t. Naar ar-mleid ing hiervan werd en ancl ere wél.no temperaturen ge

-kozen;als temperaturen van hi"1nen- en hui tenoTJpervlA.k werden ge

-nomen resp. 2380F en 2370F.Het temperatuurverval ziet er nu als

volgt uit:

Berekening van h •

u Lucbt Stoom :<31'r --"'I'~' ,,24(' 'F

De filmtemperatuur aan de hui tenzi,ide is dan :

tf = t - 0, 5 (t - t)

s s

tf

=

237 - 0, 5( ?37 - 137)= lA70F

De physische constanten hij tf : ~

a)

e

hiJ 0,0664 lh H

20 /lb d,r. 1.

=

0,059 Cu.ft./lb.

h)

~ Daar de viscositeit van vochtige lucht hij 187°F niet

werd gevonden,werd gehruik gemaakt van de volgende formule

Waarin

voor de ~\ van gasmengsels :

/ '

~IN

I

VM

l

+

tI

N2

1{M

2

- NPI + N2W2

~1: voor"lucht" hi.i 187°F

/'1; voor waterdamp hi.i lR7°F

(15)

NI en

N

₂ zijn de molfracties,lucht en

water-damp.

MI ~n hl? zijn de moleculairgewichten.

Gevonden werd :rl=0,0205 centipoises (aangenomen

dat dit droge lucht is).

Voor waterdamp :tl=0,0120 centipoises.

MI

=

28,8 _M2

=

18

werd

IV

-

-9-

·

waterdamp.Op één mol .totaal : 0,904 mol lucht,en 0,096 mol

waterdamp. Dus NI = 0,904 en N

2= 0,096.Substitutie in {15) :

1"'=

o,904.o,0205.V2H:8'+o,096.o,oI20VI8'= 0,0198 c.p, 0,904. V28,f-f + 0,096.VlR'

~in lh/hr.ft. 0,019H.2,42= 0,0479.

c) De thermische geleid haarheid van lucht hi ,i een hepaa.ld e vochtigheid kon niet worden gevonnen.

Voor "lucht" werd gevonden k=o,oIRo B ... T.U./hr.sq.ft. oF per ft. (aangenomen werd weer dat dit voor droge lucht gelat ).

Voor waterda.mp :k= o, 0147.

Op grond van het gew. %-ane H

20 damp in de lucht werd voor kaangenomen,: hij 6,?3~ waterdamp

k=0,0623.0,0147+0,9R3.0,oH30 = 0,0177 H.T.U. /hr.sq.ft. OF per ft. d) c_p= 0,27 voor lucht met 0,0664 Ih H₂0/Ih.rlr.I.

e) D ::= 0,157 ft. e

f) V

=

5ft./sec.= 18000 ft.jhr.

Voordat deze gegevens werden gesuhstitueerd,werd nagegaan of het Reynolds-getal groter dan 2000 W8>S (voorwaarde hi.i(12) ) :

(d imensiüoos ). Substitutie in (12): h .0,157 u 0,0177 ( .!. 0 b 0,33 ' 0, '270.0,0479

)3

(0480,R7) , . 0,0177 log h

=

0,65002 u h u=4.467 B.T.U.!hr.sq.ft. Berekening van h .• _{- - 1}

De temperatuur van de condenswater-film in de buis is nu tf -_- t _sv - 0, 75 ( t _sv - t ). _s

tf=240- o,75(240_23R)= ?3H,50F

De henodigde physische constanten a) k voor condenswp,ter hij t

f

=

0,424 _~ B.T.U./hr.sq.ft. OF per ft. h) evoor water hij tf~59,136 Cu.ft./lh.

c) f voor water bi.i t

f

=

0, 590 lh/hr. ft.

d) Àvoor stoom bi.i de verzA.digingstemperatuur t24ooF)

À:952,2 B.T.U./lh.

e) Aan tal huizen ri .i en n

=

12

f)

g)

Inwend ige ct iameter

=

0,0487 ft.

8 2