185421. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés furfurol előállítására növényi anyagokból
185 421 2 A találmány tárgya új eljárás furfural előállítására növényi anyagokból. A találmány továbbá az eljárás megvalósítására alkalmas berendezésre vonatkozik. Az (I) képletű furfurolt az iparban igen széles körben alkalmazzák például szintetikus textilrostok, műanyagok, műgyanták és hasonló termékek előállítására. A furfuroit pentozán-tartalmú növényi anyagokból, így kukoricacsutkából, zab-, rizs- vagy gyapotpelyvából stb. állítják elő úgy, hogy a pentozánokat hidrolízissel pentózokká alakítják, majd a kapott pentózokból vízelvonással furfurolt képeznek. A lezajló reakciókat az (1) és (2) reakcióegyenlet szemlélteti. (CsHg04)n+H20 --------> nCsH10O5 (1) pentozán pentóz (C5H10O5)n------------------*nCsH40a+3nH20 (2) furfural Az 1 735 084 sz. Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi leírás szerint a pentozán-tartalmú növényi anyagokból úgy állítanak elő furfurolt, hogy a növényi anyagokat nem illékony, híg savval megnedvesített állapotban viszonylag nagy (4,2 kg/cm2 körüli) nyomáson gőzzel kezelik. A növényi anyagokra felvitt sav az (1) és (2) reakcióegyenlet szerinti bomlási folyamatban katalizátorként hat. A nyomás alatt végzett gőzkezelés során a pentozánok bomlásával egyidőben a bomlástermékként képződő furfural is kidesztillál az elegyből. Ezzel az eljárással azonban a furfural csak igen kis hoszammal állítható elő, így az eljárás gazdaságossági okokból kevéssé alkalmas a furfural nagyipari előállítására. Az 1 181 953 sz. francia szabadalmi leírásban ismertetett, javított eljárás szerint a növényi anyagokat lényegében két lépésben vetik alá gőzkezelésnek. Az ott ismertetett eljárás során a nyersanyagot először közel atmoszferikus nyomáson kezelik gőzzel, majd a második lépésben a gőzkezelést 2,8 kg/cm2 nyomáson kezdik és 7 kg/cm2 nyomáson fejezik be. Katalitikus hatású nem illékony savként például kénsavat, foszforsavat vagy alkánszulfonsavakat alkalmaznak; a savat a második kezelési lépésben és az előkezelési lépésben egyaránt hozzáadhatják a növényi anyagokhoz. Az eljárásban körülbelül 270 °C-ra túlhevített, 10,5 kg/cm2 nyomású gőzt használnak fel, és a furfurolt az elméleti mennyiség 68 %-ának megfelelő (azaz a feldolgozott növényi anyag száraz súlyára vonatkoztatva körülbelül 16 %-os) hozammal kapják. Az eljárás első lépése a második lépésben alkalmazottnál kisebb teherbírású készülékben is végrehajtható, a második lépést azonban a fellépő magas hőmérséklet és nyomás hatásának ellenálló feltáró berendezésben kell végrehajtani. Ennek az eljárásnak számos hátránya van; így például a furfurol hozama még mindig nem megfelelő, az alkalmazott magas hőmérséklet és nagy gőznyomás miatt legalább az eljárás második lépésében speciális, rendszerint igen költséges berendezésre van szükség, továbbá az eljárás robbanásveszélyes. A pentozánokban dús növényi anyagok savas közegben végzett hidrolízisén alapuló furfurol-gyártás egy további ismert módszere az úgynevezett „agrifuráneljárás” („Techniques de l’ingenieur — Genie chimique” 4. kötöt, J. 6020—1501. oldal). Az utóbbi eljárásban a hidrolízis során acél reaktorokba 10 bár nyomású gőzt injektálnak. A reaktorokban fejlődő furfuroltartalmű gőzök 5-6 súly % furfurolt tartalmaznak; ezért a technikai minőségű, 90 %-os furfural előállítása érdekében a kondenzált gőzöket viszonylag bonyolult és költséges azeotrop desztillálónak kell alávetni. Az eljárás során a felhasznált nyersanyag száraz súlyára vonatkoztatva 10-13 %-os hozammal kapják a furfurolt. Az eljárás hátránya tehát egyrészt az, hogy csak nagy nyomáson hajtható végre, következésképpen nyomásálió berendezéseket igényel, továbbá a furfurolt igen kis hozammal szolgáltatja, és a képződő furfurolból viszonylag költséges berendezés alkalmazásával, hosszadalmas és bonyolult eljárással lehet eltávolítani a vizet. A találmány értelmében a gyakorlat követelményeinek jobban megfelelő, pontosabban az ismert eljárásoknál lényegesen gazdaságosabb, új módszert biztosítunk furfurol előállítására. A találmány szerinti javított eljárásban a furfurol előállításához sem magas hőmérséklet, sem nagy nyomás alkalmazására nincs szükség. A találmány szerinti eljárás további előnye, hogy lehetővé teszi a furfurol gyártásában katalizátorként felhasznált sav visszanyerését és újbóli felhasználását. A találmány szerinti eljárással — a fentieken túlmenően — növelhető a furfurol hozama. A találmány szerinti eljárás további előnye, hogy a szokásosnál kevésbé költséges berendezésben is végrehajtható, és a berendezéselemeket nem szükséges magas hőmérséklet és nagy nyomás hatásával szemben ellenállóra tervezni. A találmány tárgya tehát javított eljárás furfurol előállítására pentozánokat tartalmazó növényi anyagokból. A találmány értelmében úgy járunk el, hogy az eljárás első lépésében a növényi anyagokban elvő pentozánokat tömény erős sav jelenlétében atmoszferikus nyomáson, 20—70 °C hőmérsékleten hidrolizáijuk, majd a kapott pentóz-oldatot a második lépésben 1—2 bár nyomáson, 110 °C-on vagy annál alacsonyabb hőmérsékleten, tömény savas közegben gőzzel kezeljük. A fenti két műveleti lépést előnyösen különálló reaktorokban végezzük A találmány szerinti eljárás során kapott furfurolt ezután megfelelő tisztítási műveleteknek vetjük alá. A növényi anyagok hidrolíziséhez a találmány szerinti eljárásban erős ásványi savként előnyösen illékony savat, célszerűen 5—6 normál sósavoldatot használunk fel (az azeotropos vizes sósavoldat koncentrációja kb. 20 súly%). A növényi anyagokat előnyösen 1—2 órán át hidrolizáljuk a tömény erős savval. Ha a hidrolízist csupán 1—2 óráig végezzük, kizárólag a pentozánok bomlanak le, míg ha a hidrolízist ennél hosszabb ideig folytatjuk, a felhasznált tömény erős sav a növényi anyag celluióz-komponenseit is megtámadja, és cukrok — elsősorban glükóz — képződéséhez vezet. Különösen előnyösen járunk el akkor, ha a hidrolízis során a reakció meggyorsítása céljából a reakcióelegyet keverjük. A találmány értelmében a keverést úgy végezzük, hogy az első lépésben kapott savas pentóz-oldatot visszavezetjük a növényi anyagból és tömény erős savból álló reakcióeiegybe. A találmány szerinti eljárás második lépésében a vízelvonáshoz felhasznált gőzt előnyösen körülbelül 100—110 °C-on vezetjük be. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 80 65 2
