Titel: Wernekinck, über die Wirkung der Knochenkohle bei der Zuckerfabrication.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1872, Band 203, Nr. XV. (S. 60–66)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj203/ar203015

XV. Ueber die Wirkung der Knochenkohle bei der Zuckerfabrication; von E. Wernekinck in Tula (Rußland).

Für die Zuckerfabrication war es von der größten Bedeutung, als die wunderbaren Eigenschaften der schwarzgebrannten Knochen erkannt und letztere wegen derselben in den Fabrikbetrieb zum Reinigen der Zuckersäfte eingeführt wurden, und nicht ganz mit Unrecht nennt man häufig die Knochenkohle „die Seele der Zuckerfabrication“. Gleichwohl ist nicht zu verkennen, daß die Verwendung des Spodiums manche Schwierigkeiten und Nachtheile mit sich bringt, die sich um so mehr und häufiger geltend machen, als über das Wesen der Wirkung eine klare und richtige Vorstellung eigentlich doch bisher nicht existirte. Ohne Zweifel würde es jetzt eine große Umwälzung in der Zuckerfabrication, eine bedeutende Vereinfachung des Betriebes herbeiführen, wenn die Knochenkohle entbehrlich zu machen wäre und deren Wirkungen anderweitig erreicht würden. – Um aber ein solches Ziel nur anstreben zu können, muß zunächst klar gelegt und festgestellt werden, worin das |61| Wesen der Knochenkohle besteht, und worauf die bekannten Eigenschaften derselben gegründet sind.

Es ist erstaunlich, auf wie viele, sich oft widersprechende Erklärungen, auf welche oft sonderbar erscheinenden Ansichten die Techniker in dieser Hinsicht gekommen sind, und unwillkürlich erinnert man sich an Goethe's Ausspruch: „Gewöhnlich glaubt der Mensch, wenn er nur Worte hörte, es müsse sich auch Etwas dabei denken lassen.“

Eine, die bei Verwendung der Knochenkohle vorkommenden Erscheinungen umfassende und in der That erklärende Theorie ist bis jetzt nicht in der Technik aufgestellt oder wenigstens nicht bekannt geworden. Bei dem Mangel einer solchen Theorie folgte man bei Aufbereitung und Wiederbelebung der Knochenkohle mehr oder weniger empirisch gewonnenen Auffassungen, wobei nicht in Abrede gestellt werden soll, daß bei den Operationen chemische Agentien an und für sich richtig angewendet wurden. – Von mehreren Seiten dazu aufgefordert, übergebe ich im Folgenden der öffentlichen Beurtheilung eine von mir aufgestellte Theorie, welche ich dem Verfahren bei Verwendung und Wiederbelebung der Knochenkohle in der Zuckerfabrication seit langen Jahren mit Erfolg zu Grunde gelegt habe.

Gewöhnlich sagt man, die Knochenkohle wirke durch Flächenanziehung, was auch durchaus nicht bestritten werden kann. Die Vorstellung welche an diese allgemeine Erklärung geknüpft wird, als würde die Reinigung z.B. von Zuckersäften dadurch bewirkt, daß dieselben in den Poren der Kohle mit einer großen Fläche in Berührung kommen, ist, wenn man der Sache nur einige Aufmerksamkeit schenkt, ganz unklar, und führt uns dem Verständniß der Vorgänge um keinen Schritt näher. Die Flächenanziehung, die Attraction der Körper untereinander, sind allgemein bekannte Erscheinungen, welche physikalischen Gesetzen folgen; eine der interessantesten und wichtigsten Naturkräfte ist aber die Molecular-Attraction gasförmiger Körper an festen, und diese ist es, welche wir zunächst in Betracht zu ziehen haben. Aus dem Gesetze der Molecularbewegungen gasförmiger Körper folgt, daß Gase an den Flächen fester Körper sich verdichten, und da eine Naturkraft nicht aufgehoben werden kann, so ist ein fester Körper nicht denkbar, ohne eine an seinen Flächen verdichtete Gasschicht; ebenso wenig ist denkbar, daß an den Flächen der Poren eines porösen Körpers nicht eine gleiche Verdichtung statt haben sollte. In der That ist es ja auch allbekannt, daß die Knochenkohle (ein solcher poröser Körper) das 50fache und noch mehr ihres Volumens an gasförmigen Körpern aufsaugt, und um so mehr je leichter |62| das aufgenommene Gas durch Druck in flüssigen oder festen Zustand übergeführt werden kann.

In der Knochenkohle befinden sich also ohne Zweifel gasförmige Körper in 50- und mehrfach verdichtetem Zustande, oder mit anderen Worten: die in die Poren der Knochenkohle als Gase aufgesogenen Körper befinden sich darin in einem Zustande, welchen dieselben unter einem Drucke von 50 und mehr Atmosphären annehmen würden.

Betrachten wir nun zunächst, was für Gase sich in den Poren der Knochenkohle vorfinden. Angenommen, daß während des Glühens der Knochenkohle alle Gase ausgetrieben wurden, was jedoch nicht ganz der Fall seyn dürfte, so nimmt die Aufsaugung derselben doch sofort ihren Anfang, sobald eine Erkältung der Kohle eintritt, und es bedarf einer längeren Zeit auch nach vollständiger Erkaltung bis das Aufsaugen von Gasen unmerklich wird. Während des Glühens der Knochenkohle enthält die dieselbe umgebende Luftschicht natürlich die gasförmigen Verbrennungsproducte des Kohlenstoffes, also Kohlensäure resp. Kohlenoxyd, und diese Gase sind es, welche zunächst in den Poren verdichtet werden. Bei weiterer Erkaltung wird dann atmosphärische Luft (Stickstoff und Sauerstoff) aufgesogen; es ist einleuchtend, daß dabei, analog bekannten Erscheinungen (z.B. bei dem Platinschwamm in der Wasserstoff-Zündmaschine), eine chemische Verbindung eingeleitet und das etwa vorhandene Kohlenoxydgas in Kohlensäure übergeführt wird. Eine weitere Menge atmosphärischer Luft wird in unveränderter Zusammensetzung in den Poren der Kohle verdichtet. Bei längerem Liegen geglühter Knochenkohle an der Luft findet in deren Poren, gleichwie an den Flächen fester Körper überhaupt, ein Austausch der Gase statt, und beispielsweise ist die hygroskopische Eigenschaft des Spodiums bekannt, welche darin besteht, daß die Feuchtigkeit der Luft als (condensirtes) Wassergas in den Poren aufgenommen wird, und daß dadurch nicht condensirbare Gase (z.B. Stickstoff), vielleicht auch ein Theil Kohlensäure ausgetrieben werden. Eine frische, gut geglühte Knochenkohle, an und für sich ein äußerst poröser Körper und bestehend aus basisch-phosphorsaurem Kalk, kohlensaurem Kalk und Kohle, enthält also in den Poren eingeschlossen: Kohlensäure, Sauerstoff und Stickstoff in verdichtetem Zustande, und ohne Zweifel müssen die Wirkungen und Eigenschaften der Knochenkohle dem Vorhandenseyn dieser Gase in diesem Zustande zugeschrieben werden. Eine an der Luft längere Zeit lagernde Knochenkohle verliert in vieler Beziehung an Wirksamkeit.

Von den Erscheinungen, welche bei Anwendung der Knochenkohle auftreten, sind es vornehmlich zwei, um derentwillen wir dieselbe in der |63| Zuckerfabrication so hoch schätzen, nämlich die Abscheidung von Kalk aus den Zuckersäften und die Entfärbung der letzteren.

Die Eigenschaft der Kohlensäure, sich mit Kalk zu der unlöslichen Verbindung von kohlensaurem Kalk zu vereinigen, ist zu bekannt, als daß sie angezweifelt werden könnte. Die Gegenwart von Kohlensäure in den Poren von Knochenkohle kann aber nicht bestritten werden, und es würde die Ausscheidung von Kalk auf die einfachste Weise dadurch erklärt seyn. – Gegen den Einwand, es könne sich löslicher doppelt-kohlensaurer Kalk bilden, spricht in Betracht der Constitution des Körpers der Knochenkohle, die Gegenwart des basisch-kohlensauren Kalkes.

Es ist kaum begreiflich, wie bei der so einfachen Lage der Sache und da doch die Eigenschaften der Kohlensäure hinlänglich genug bekannt sind, jemals andere Hypothesen der Kalkabscheidung aufgestellt werden konnten, denn wo immer Kalklösungen oder leicht zersetzbare Kalkverbindungen (Kalksaccharate) mit Kohlensäure in Berührung kommen, da muß eine Verbindung zu kohlensaurem Kalke und andererseits eine Zersetzung des Kalksaccharates stattfinden. Ohne Frage muß derselbe Vorgang bei der Filtration von kalkhaltigen Zuckersäften durch Knochenkohle eintreten, ja es kann derselbe nicht einmal verhindert werden, wo wir es mit jedenfalls sehr dichter, wahrscheinlich fester Kohlensäure in den Poren des Spodiums zu thun haben.

Was nun die Entfärbung von Zucker- und anderen Pflanzensäften betrifft, so ist dieselbe einfach als ein Bleichproceß zu betrachten, bei welchem die Pflanzenfarbstoffe durch den in den Poren der Knochenkohle verdichteten Sauerstoff oxydirt, zerstört resp. abgeschieden werden, und man darf annehmen, daß das Bleichen von Gespinnstfasern und das von Pflanzensäften ganz analog vor sich geht. Setzen wir Gespinnstfasern der Einwirkung der atmosphärischen Luft oder sauerstoffentbindender chemischer Agentien aus, so werden zunächst die Pflanzenfarbstoffe zerstört, also die Fasern gebleicht; bei weiterer Einwirkung des Sauerstoffes wird indeß die Faser selbst angegriffen und zerstört. Ganz dasselbe findet bei der Filtration der Zuckersäfte über Knochenkohle statt. Jedem Zuckersieder ist die Thatsache bekannt, daß leider zu häufig bei der Filtration und meistens bei unrichtigem Verfahren oder bei Betriebsstörungen Zucker zersetzt wird, und es ist nicht schwer zu beobachten, daß überhaupt immer und unter allen Umständen bei der Filtration Oxydationsproducte des Zuckers gebildet werden, also Zucker zerstört wird. Das Vorkommen von Milchsäure (milchsauren Salzen) in den Zuckerfiltraten ist in vielen Fabriken eine tägliche Erscheinung, und man kann |64| sogar, bei hoher Temperatur, allen Zucker in den Filtern in Ameisensäure verwandeln.

Die Bildung von Milchsäure, von Ameisensäure aus Zucker kann aber ohne die Annahme des Hinzutretens von Sauerstoff zu den Elementen des Zuckers nicht leicht erklärt werden; es liegt indeß auch kein Grund vor, sich nach einer anderen Erklärung umzusehen, als daß eben der im verdichteten Zustande in der Knochenkohle vorhandene Sauerstoff im entsprechend erhöhten Maaße geneigt ist, sich chemisch mit organischen Körpern zu verbinden, oder daß er wenigstens seine bekannten Eigenschaften verloren hat, weil er in einem dichteren Zustande vorhanden ist, als in der atmosphärischen Luft. Wenn aber das Vorhandenseyn des Sauerstoffes in der porösen Kohle nicht in Frage kommen kann, und wenn wir seine Einwirkung auf die Zuckersubstanz selbst stets vor Augen haben, so dürfen wir um so weniger daran zweifeln, daß die Einwirkung desselben sich zunächst auf die bekanntlich sehr leicht zerstörbaren Pflanzenfarbstoffe erstreckt, und es ist dann die Entfärbung von Zuckersäften nichts Anderes als ein Bleichproceß, an welchem allerdings die vorhandene Kohlensäure nicht unwesentlichen Antheil nimmt.

Bei der Anwendung der Knochenkohle in der Zuckerfabrication wird dieselbe in den Filtern, bevor man Zuckersäfte auf dieselben fließen läßt, meistens durch Wasserdämpfe vorgewärmt, wobei sich ein starker Ammoniakgeruch zeigt.

In der Annahme, daß das Ammoniak beim Glühen der Kohle durch das Verbrennen stickstoffhaltiger organischer Substanzen entstanden, und nun also in dem zum Gebrauch kommenden Spodium fertig gebildet vorhanden sey, hört man häufig empfehlen, das Dämpfen so lange fortzusetzen als sich noch Ammoniakgeruch bemerkbar macht. Es wird aber wohl Niemand behaupten können, daß es ihm in der Praxis gelungen sey, die Ammoniakquelle gänzlich durch das Dämpfen erschöpft zu haben. Andererseits liegen Analysen nicht vor, durch welche die Menge Ammoniaks beim Ausdämpfen der Filter quantitativ nachgewiesen wäre. Die Menge Ammoniaks (welches sich übrigens als kohlensaures Ammoniak nachweisen läßt) ist augenscheinlich viel zu groß, als daß obige Annahme, wornach das Ammoniak von der Verbrennung stickstoffhaltiger Substanzen herrühren soll, auch nur annähernd zutreffen könnte, was besonders einleuchtet, wenn man in Betracht zieht daß ja bei der Wiederbelebung der Knochenkohle angestrebt wird, diese Substanzen vor dem Glühen durch Kochen mit Aetzlauge, Gähren, Waschen etc. zu entfernen. Im Widerspruch hiermit schließt man häufig und nicht mit Unrecht, |65| von einem stärkeren und reicheren Ammoniakgeruch beim Dämpfen auf die größere Wirksamkeit der Knochenkohle.

Daß nur in seltenen Fällen Ammoniak in geringer Menge durch Auswaschen mit Wasser aus der Knochenkohle extrahirt werden kann, hat man durch die Eigenschaft dieser Kohle, Salze an sich zu ziehen, zu erklären versucht. Diese Hypothese führt aber auf Widersprüche, deren Erörterung bis auf Weiteres vorbehalten bleiben mag. Viel einfacher ist die Vorstellung über das Entstehen des Ammoniaks, wenn wir uns erinnern, daß wir durch Aufnahme atmosphärischer Luft in den Poren der Knochenkohle freien Stickstoff haben. Dieser verbindet sich in so inniger Berührung mit den Elementen des Wassers (Wasserdampfes) zu Ammoniak, welches sich in der Kohle wenigstens theilweise mit Kohlensäure sättigt, und von dem abgehenden Dampfe entführt wird.

Fassen wir außer diesen Erscheinungen noch andere in's Auge, welche die Knochenkohle hervorzurufen im Stande ist, z.B. die Zersetzung des Zweifach-Jodkaliums, des schwefelsauren Indigo's etc., so findet man wohl keine, welche sich nicht durch die hier entwickelte Theorie leicht erklären ließe, daß nämlich die Wirkungen der Knochenkohle und die dabei auftretenden Erscheinungen (abgesehen von der mechanischen Reinigung) ihren Grund hauptsächlich in dem Vorhandenseyn von Kohlensäure, Sauerstoff und Stickstoff in den Poren haben, wobei die Zusammensetzung des Spodiumkörpers selbst und seine größere oder geringere Porosität in gewisser Beziehung nicht ohne Bedeutung seyn mögen.

Hält man an der Richtigkeit der dargelegten Theorie fest, so ergeben sich für den praktischen Zuckerfabrikanten zunächst daraus Fingerzeige von oft nicht geringem Werthe. Um nur ein Beispiel anzuführen, ist es beim Raffineriebetriebe in vielen Fällen nicht gut, die Kohle vor dem Glühen behufs der Wiederbelebung einer Gährung zu unterwerfen, wogegen es sehr zweckmäßig ist, die geglühte Kohle so rasch wie möglich durch Ausbreiten in dünnen Schichten auf kalten Flächen erkalten zu lassen. – An der Hand dieser Theorie ist es ferner nicht schwer, den Grund von Betriebsstörungen welche bei der Filtration leider häufig vorkommen, zu erkennen und zu beseitigen. Auch hierfür ein Beispiel: Wenn eine ammoniakhaltige Zuckerflüssigkeit im kupfernen Vacuum-Apparat verkocht wird, so können unter besonderen Bedingungen daraus graue schmutzige Färbungen resultiren, indem sich salpetrigsaures Kupferammoniak bildet, welches mit etwa im Zucker vorhandenen Extractivstoffen eine Kupfertinte von intensiver Färbung gibt. Solche Färbungen kann man vermeiden, wenn man die Bildung von Ammoniak dadurch |66| verhindert, daß die Kohle vor der Filtration nicht gedämpft wird, und nur mäßig warme, nicht heiße Klärsel filtrirt werden.

Die Anführung von weiteren Beispielen und die Erklärung von anderen einschlägigen Erscheinungen würde hier zu weit führen, und es soll nun in Betracht gezogen werden, durch welche Verfahrungsweise die Knochenkohle zunächst in der Zuckerfabrication ersetzt werden könnte. Eine solche Verfahrungsweise bezüglich des Raffineriebetriebes zu finden, scheint nicht fern zu liegen. Für die Abscheidung von Kalk ist schon seit Jahren Kohlensäure in gasförmiger Gestalt eingeführt, und es sind verschiedene andere Säuren, welche mit Kalk unlösliche Verbindungen eingehen, dafür in Vorschlag gebracht worden, als Phosphorsäure, Fettsäure, Oxalsäure, Flußsäure etc. Es scheint keine Schwierigkeit für die Annahme vorzuliegen, daß es bald gelingen möchte, durch diese oder ähnliche Mittel eine vollständige Abscheidung des Kalkes zu bewirken.

Es bliebe demnach nur noch übrig, außer einer mechanischen Reinigung die Entfärbung der Zuckersäfte zu bewirken. Chemische Agentien, welche wir zum Bleichen von Faserstoffen verwenden, z.B. Chlor, übermangansaures Kali, Chromsäure, sind ihrer Natur nach schon von der Benutzung zum Bleichen der Zuckersäfte ausgeschlossen; um so mehr muß man alle Aufmerksamkeit auf Einführung von modificirtem Sauerstoff (Ozon) resp. ozonisirter atmosphärischer Luft richten. Die Schwierigkeiten welche sich hierbei darbieten, sind nicht zu verkennen, indeß erscheint die Erreichung eines solchen Zieles für die Zuckerfabrication von sehr großer Wichtigkeit und sehr wohl möglich, wenn sich tüchtige Kräfte der Ausführung widmen. Es muß noch bemerkt werden, daß (wie vor Kurzem aus England berichtet wurde) Zuckerflüssigkeit durch Anwendung der Contactelektricität entfärbt worden ist; eine Mittheilung welche der weiteren Verfolgung sehr werth erscheint.

Zum Schluß sey noch beiläufig darauf hingewiesen, daß mittelst Hindurchleiten von Dampf durch geglühte Knochenkohle sehr billig Ammoniak und dessen Salze gewonnen werden können, die ja heutzutage für die Düngerfabrikanten von großer Wichtigkeit sind.

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