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Dokumentenidentifikation DE3819789C2 26.11.1998
Titel Kühlungs-Kristallisationsverfahren zur Herstellung von Zucker
Anmelder Eridania Zuccherifici Nazionali S.p.A., Genua/Genova, IT
Erfinder Vaccari, Giuseppe, Stienta, Rom/Roma, IT;
Mantovani, Giorgio, Ferrara, IT
Vertreter H. Weickmann und Kollegen, 81679 München
DE-Anmeldedatum 10.06.1988
DE-Aktenzeichen 3819789
Offenlegungstag 05.01.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.11.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.11.1998
IPC-Hauptklasse C13F 1/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Kühlungs-Kristallisationsverfahren zur Herstellung von Zucker in Handelsgüte.

Bekanntlich sind bei Zucker Verfärbungen unerwünscht, und man versucht daher bereits bei der Kristallisationsphase Verfärbungen zu vermeiden. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß sowohl Farbeinschlüsse als auch Einschlüsse von Asche in den Zuckerkristallen desto ausgeprägter sind, je drastischer die Bedingungen bei der Kristallisation sind, und zwar insbesondere im Hinblick auf

Temperatur,

Übersättigung und

Viskosität

der betrachteten Zuckerlösungen.

Dies hat zur Folge, daß es praktisch unmöglich ist, einen ausreichend weißen Zucker vermittels eines üblichen Kristallisationsverfahrens zu erhalten.

Ein Überblick über das im Stand der Technik übliche Kristallisationsverfahren von Zucker mit Hilfe von Verdampfungs-Kristallisation und anschließender Ausbeuteverbesserung mittels Kühlungs-Kristallisation ist dem Fachbuch "Die Zuckerherstellung", 3. Auflage, VEB-Fachbuchverlag, Leipzig (1984), 353-393 zu entnehmen. Die DE-33 08 275 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem vor der Durchführung einer Verdampfungs-Kristallisation ein Kristall-Magma mit Hilfe von Kühlungs-Kristallisation gewonnen wird.

Einige Fachleute haben bereits die Anwendung eines Kühlungs-Kristallisationsverfahrens für die Kristallisation von Zuckerlösungen vorgeschlagen (De Vries, Accinelli), jedoch stellt bislang noch keiner dieser Vorschläge einen für industrielle Zwecke gangbaren Lösungsweg dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesbezüglich Abhilfe zu schaffen, indem ein Kristallisationsverfahren aufgezeigt wird, das für industrielle Anwendung geeignet ist.

Gelöst ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch Kühlungs-Kristallisationsverfahren, das in mehreren, in Reihenanordnung aufeinanderfolgenden Stufen stattfindet, wobei jede Stufe eine Unterdruck-Konzentrierung und sodann eine Kühlungs-Kristallisation umfaßt. Bei der Anfangsphase der Kühlungs-Kristallisation ist die Zugabe von gesättigtem Sirup vorgesehen. Am Ende der Kristallisation werden die ausgeschiedenen Kristalle abgesondert.

Zwei oder drei Stufen dieser Art führen nach dem letzten Konzentrierungsschritt zu einem Sirup niedriger Reinheit, der auf die hergebrachte Art und Weise durch Verdampfung kristallisiert werden muß. Der dabei erhaltene Zucker kann wieder aufgelöst und zu der Ausgansmasse zugegeben werden.

Erfindungsgemäß bevorzugt werden Unterdruck-Schnellverdampfer zur Konzentrierung der Sirupmassen, die nacheinander der Kühlungskristallisation unterzogen werden sollen, eingesetzt. Die Konzentrierung erfolgt dabei bis zur Sättigung bei vorgegebener Temperatur mit Unterdruck-Schnellverdampfern, so daß die Sirupmassen während einer kürzest möglichen Zeitdauer auf hohem Temperaturniveau bleiben, um die bei hohen Temperaturen stattfindende Färbungszunahme so gering wie möglich zu halten.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen umrissen. In der nachstehenden, auf die Zeichnung bezugnehmende Beschreibung ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Versuchsanordnung, mittels deren das Verfahren im Labormaßstab durchführbar ist;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebsablaufs bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens und

Fig. 3 und 4 der Fig. 2 ähnliche Flußdiagramme zur Verdeutlichung zweier weiterer Ausführungsbeispiele.

Für den Versuchsbetrieb im Labormaßstab wurde die in Fig. 1 gezeigte einfache Apparatur benutzt.

In der nachstehenden Beschreibung werden folgende Symbole benutzt:

BRIX = Gehalt der Lösung an Trockenmasse;

Qz = Reinheitsquotient entsprechend dem Verhältnis der in der Lösung enthaltenen Zuckersubstanz zu der gesamten Trockenmasse (Zucker und "Nicht"-Zucker) X 100;

CS = Sättigungskoeffizient der verunreinigten Lösung im Verhältnis zu der reinen Lösung;

BETA = Übersättigungskoeffizient;

C.V. = Veränderlichkeitskoeffizient;

MA = Mittlere Öffnung.

Eine erste Reihe von Versuchen wurde mit einer Teilmenge eines fabrikmäßig hergestellten Standardsirup mit BRIX = 72 und Qz = 91 durchgeführt, die zunächst auf BRIX = 81 konzentriert und in einem Vorratskolben A auf einer Temperatur von 80°C gehalten wurde.

Bei Zugrundelegen eines CS von 1,05 ist der Sirup unter diesen Bedingungen gesättigt.

Ein Teil des gleichen fabrikmäßigen Standardsirup wurde im Kolben B konzentriert bis zum Erreichen von BRIX = 84 bei einer Temperatur von 80°C. Bei einem CS von 1,05 weist der Sirup unter diesen Bedingungen einen Übersättigungskoeffizienten BETA = 1,23 auf. Eine kleine Menge von Keimlösung, wie sie normalerweise bei fabrikmäßiger Zuckerherstellung verwendet wird (einer oder zwei Tropfen), wurde sodann dem Kristallisationskolben B zugegeben.

Nachdem eine Kristallbildung feststellbar war, wurde mit langsamer Kühlung begonnen, wobei gleichzeitig mittels einer Saugvorrichtung Sirup vom Kolben A langsam zum Kolben B zugeführt wurde. Das Verhältnis zwischen der Menge der Grundmasse, welche anfänglich in den Kolben B eingegeben worden war, und dem zugeführten Sirup betrug 1 : 9. Die Zuführung wurde nach ungefähr 40 Minuten beendigt, und das Kühlen wurde über einen Zeitraum von 4 Stunden linear zunehmend durchgeführt. Am Ende dieser Kristallisation wurde die Stoffmasse unter Verwendung einer Laboratoriumszentrifuge vom Korbtyp zentrifugiert, und der Zucker wurde sorgfältig gewaschen, um die Schicht anhaftenden Sirups vollständig zu entfernen. Der erhaltene Sirup wies ein BRIX von 74 auf, wodurch die theoretisch mögliche Ausbeute bestätigt ist, wie es nachstehend besprochen wird.

Gleichzeitig wurden Proben von Zucker, der durch Zentrifugieren fabrikmäßig hergestellter Füllstoffmasse aus dem gleichen Standardsirup gewonnen worden war, in genau der gleichen Weise gewaschen wie die Proben des durch Kühlung gewonnenen Zuckers.

Der Vergleich zwischen den Eigenschaften mittlerer Proben beider Typen von Zucker ist in der Tabelle 1 aufgelistet. Die Unterschiede zwischen den beiden Zuckertypen sind durch visuelle Beobachtung erkennbar, und zwar sowohl was die Färbung als auch die Korngröße betrifft.

Der bei dieser ersten Kristallisation erhaltene, ausfließende Sirup mit BRIX = 74 bei 35°C und Cz = 86 enthält immer noch eine bemerkenswerte Menge an potentiell kristallisierbarer Saccharose.

Eine weitere Kristallisation kann man erreichen, indem man diesen ausfließenden Sirup bei hoher Temperatur (z. B. 80°C) zur Sättigung bringt, indem man eine Schnellverdampfung durchführt, und daß man die Kühlungs-Kristallisation wie oben beschrieben wiederholt. Um dies im Labormaßstab durchführen zu können, wurden Mischungen aus Standardsirup und fabrikmäßig hergestelltem Grünsirup dazu verwendet, um die Bedingungen für diese zweite Kühlungs-Kristallisation zu reproduzieren.

Unter Benutzung der gleichen Apparatur wie in Fig. 1 gezeigt und unter Bereitung der Grundmasse in genau der gleichen Weise wie bei der ersten Kristallisation, wurde die zweite Kühlungs-Kristallisation ausgeführt, wobei ein ausfließender Sirup mit BRIX = 76 und Qz von etwa 80 erhalten wurde, der bei einer Temperatur von 35°C praktisch gesättigt war. Um als Nachprodukt einen ausfließenden Sirup zu erhalten, der ausreichend erschöpft ist, um ihn durch Kochen in hergebrachter Weise weiter zu verarbeiten, war es erforderlich, noch eine weitere Kristallisation durchzuführen, indem der oben beschriebene Prozeß wiederholt wurde, d. h. der ausfließende Sirup wiederum durch Schnellverdampfung bei 80°C zur Sättigung konzentriert und erneut eine Kühlungs- Kristallisation durchgeführt wurde. In diesem Falle war es ebenfalls wieder erforderlich, um eine ausreichende Menge von Masse für die Kristallisation zu erhalten, eine Mischung aus fabrikmäßig hergestelltem Sirup und Melasse zuzubereiten. Auch die dritte Kristallisation wurde unter Verwendung einer Grundmasse durchgeführt, die in gleicher Weise bereitet war, wobei, ebenso wie in den beiden vorausgehenden Fällen, das Verhältnis von 1 : 9 zwischen Grundmasse und zugeführtem Sirup eingehalten wurde und wobei die dritte Stufe der Kühlungs-Kristallisation so durchgeführt wurde, daß ein ausfließender Sirup mit einem BRIX von etwa 78,5 und Qz von etwa 73 erhalten wurde. Es ist ersichtlich, daß ein derartiger ausfließender Sirup unter Verwendung eines hergebrachten Kochverfahrens zur Melassegewinnung endgültig erschöpfbar ist.

Die analytischen Eigenschaften der drei erzeugten Zuckertypen sind in der Tabelle 2 zusammen dargestellt. Diese Eigenschaften sind bei dem in der zweiten Stufe erhaltenen Zucker und bei dem in der dritten Stufe erhaltenen Zucker, was die Färbung und den Aschegehalt des Zuckers anbelangt, weniger günstig als bei dem Zucker aus der ersten Kristallisationsstufe. Dies rührt davon her, daß als zugeführter Sirup in beiden Fällen Mischungen fabrikmäßig hergestellten Ausflußsirups benutzt werden mußte, der zuvor einem Kochvorgang bei hoher Temperatur unterzogen war. Wenn jedoch aus Kühlungs-Kristallisationsprozessen herrührender Ausflußsirup zur Verfügung stünde, wäre sowohl die Färbung als auch der Aschegehalt, insbesondere bei den aus der dritten Kristallisationsstufe gewonnenen Kristallen, ganz wesentlich geringer. Tatsächlich ist bei der Kühlungs-Kristallisation die Verfärbungszunahme während der drei beschriebenen Stufen äußerst begrenzt, da die Sirupe nicht sehr lange auf hohen Temperaturen verbleiben, wie dies bei dem hergebrachten Kochen der Fall ist.

Bei einer Prüfung der C.V.-Werte der drei Zucker, insbesondere im Vergleich mit dem C.V. von fabrikmäßig hergestelltem Rohzucker, Tabelle 1, zeigt sich eine Gleichförmigkeit der Größe der erhaltenen Kristalle. Außerdem ist bemerkenswert, daß die durch Kühlung erhaltenen Kristalle einen besonderen Glanz besitzen, weil sie keinem besonderen thermischen Schock unterzogen wurden.

Auf der Grundlage der oben beschriebenen Laborversuche wurde ein in Fig. 2 gezeigtes Kristallisationsverfahren mit drei Kühlungs-Kristallisationsstufen eingerichtet. Die angegebenen Werte bezüglich des BRIX, Qz und der Kristallausbeute stammen von theoretischen Berechnungen, die auf den Änderungen der Löslichkeit bei unterschiedlichen Temperaturen und der Sättigungskoeffizienten des Auslaufsirups bei unterschiedlichen Reinheiten basieren. Bei der Prüfung der Werte für BRIX und Qz der verschiedenen Sirupe ist zu ersehen, daß die Kristallisationsausbeuten, welche im Laborversuch erhalten wurden, die Möglichkeit eröffnen, die verschiedenen Sirupe optimal zu erschöpfen. Es ist bemerkenswert, daß die Kristallisationsausbeute in den drei Stufen zwischen 37 und 38% schwankt, was dazu führt, daß die Stoffmasse sehr flüssig ist, wodurch das Zentrifugieren und Waschen erleichtert wird.

Die gesamte Kristallausbeute beträgt ungefähr 73% der anfänglichen Saccharose mit folgender Aufteilung der Prozentzahlen auf die einzelnen Stufen: 45,6 bei der ersten Stufe, 32,2 bei der zweiten Stufe und 22,1 bei der dritten Stufe. In diesem ersten groben Schema ist weder eine Nutzung desjenigen Zuckers in Betracht gezogen, der durch eine Kristallisation des Nachprodukts erhalten wird, noch eine Nutzung des Ausflußsirups einer Raffinierung im Anschluß an das Wasch-Zentrifugieren der Kristalle.

In dem Diagramm von Fig. 3 ist eine Raffinierung des Rohzuckers des Nachprodukts, dessen Widerauflösung und das Zuführen und Zuführen zum Standardsirup sowie die Wiederauflösung von 8% der Kristalle während des Wasch-Zentrifugierens in Betracht gezogen. Es ist ersichtlich, daß dabei eine unterschiedliche Menge an Zucker in den einzelnen Stufen kristallisiert werden muß und daher eine andere Verteilung der Temperaturen für die Abkühlungsvorgänge erforderlich ist.

Bei dem Diagramm von Fig. 4 wird der Zucker des Nebenprodukts nach seiner Raffinierung zur letzten Stufe der Kühlungs-Kristallisation zugegeben, wobei jeweils das Lösen von 8% der Kristalle während des Zentrifugierwaschens in Rechnung gesetzt wird. Auch in diesem Falle müssen, wie ersichtlich ist, in den einzelnen Stufen unterschiedliche Mengen an Zucker kristallisieren, so daß die Temperaturverteilung für die Kühlvorgänge entsprechend gewählt werden muß, um einen bestmöglichen Erschöpfungsgrad zu erreichen.

Eine eingehende Überprüfung der drei Diagramme zeigt, daß es je nach gewähltem Lösungstyp möglich ist, aufgrund einer geeigneten Wahl der Verteilung der Temperaturen in den drei Kristallisationsstufen den geplanten Erschöpfungsgrad zu erreichen.

Die Tabelle 3 zeigt verschiedene Möglichkeiten einschließlich des Falles, daß beim Zentrifugieren eine geringere Menge (5%) Zucker aufgelöst wird, der Qz-Wert des Dicksaftes 90 anstelle von 91 beträgt, wobei auch der hypothetische Fall in Betracht gezogen ist, daß die Kristallisation in vier Stufen anstatt in drei Stufen stattfindet. Für die Bewertung des gesamten Kühlungs-Kristallisationsprozesses vom Standpunkt des Energieverbrauchs und hinsichtlich der Anlagentechnik wurden geeignete Berechnungen durchgeführt, wobei das Beispiel gemäß Fig. 3 sowohl mit der herkömmlichen Raffiniertechnik als auch mit Weißzucker-Freikochverfahren in Vergleich gesetzt ist. Die erhaltenen, in der Tabelle 4 gezeigten Daten lassen erkennen, daß die Energiebilanz bei dem Kühlungs-Kristallisationsverfahren weitaus günstiger ist als beim herkömmlichen Raffinierverfahren (der Energieverbrauch beträgt weniger als' die Hälfte). Beim Vergleich mit einem Weißzucker-Freikochprozeß zeigt sich, daß die Verbrauchswerte vergleichbar sind. Es ist jedoch zu bedenken, daß im letztgenannten Falle die Güte des erzeugten Zuckers weit geringer ist. Hinsichtlich der Verdampferfläche ist festzustellen, daß die gesamte Verdampferfläche beim Kühlungs-Kristallisationsverfahren wesentlich kleiner ist (etwa der vierte Teil) als beim herkömmlichen Verfahren. Schließlich ist das Volumen der erforderlichen Kristallisationsbehälter bei der Kühlungs-Kristallisation größer als bei der herkömmlichen Kristallisation (etwa das 1,5-fache).

Aufgrund der obigen Werte lassen sich die Vorteile der Erfindung in einigen wesentlichen Aspekten wie folgt zusammenfassen:

  • - ausgehend von Dicksaft kann direkt kristallin er Zucker in Handelsgüte erhalten werden.
  • - bei keiner von drei vorgesehenen Kristallisationsstufen übersteigt die Kristallisationszeit die Dauer von vier Stunden.
  • - der Temperatursprung beim Kühlen liegt zwischen 80 und 35°C, und es ist möglich, geeignete Modifikationen in Abhängigkeit von der verwendeten Anlage vorzunehmen.
  • - Der hergestellte Zucker ist aufgrund der Fluidität der Mutterflüssigkeit leicht zentrifugierbar und waschbar. Über die guten analytischen Eigenschaften hinaus hat er einen schönen charakteristischen Glanz sowie gute MA und C.V.-Werte.
  • - Die Färbungszunahme der einzelnen Sirupe, ist über die gesamte Kristallisationsphase geringer als bei herkömmlichen Verfahren.
Tabelle 1



Tabelle 2











  • - Verglichen mit der hergebrachten Kristallisation fällt der Energievergleich zugunsten des Kühlungs- Kristallisationsverfahrens aus.
  • - Die Verdampfer-Gesamtoberfläche ist wesentlich verringert.
  • - Das für die Kristallisatoren erforderliche zusätzliche Volumen ist sehr gering.

Die vorstehende Beschreibung und die Zeichnung beschränken sich nur auf die Angabe von Merkmalen, die für die beispielsweise Verkörperung der Erfindung wesentlich sind.

Soweit die Merkmale in der Beschreibung und in der Zeichnung offenbart und in den Ansprüchen nicht genannt sind, dienen sie erforderlichenfalls auch zur Bestimmung des Gegenstandes der Erfindung.


Anspruch[de]
  1. 1. Kühlungs-Kristallisationsverfahren zur Herstellung von Zucker in Handelsgüte, worin
    1. (a) eine Ausgangsmasse in Form eines Standardsirup mit einem Trockenmassegehalt (BRIX) zwischen 65 und 75 und einem Reinheitsquotienten (Qz) zwischen 85 und 95 bis zur Sättigung bei einer vorgegebenen Temperatur zwischen 75 und 100°C innerhalb kürzestmöglicher Zeit durch Unterdruckerwärmung konzentriert wird;
    2. (b) Kristallisationskerne zu der beim Schritt (a) erhaltenen konzentrierten Lösung zugegeben werden;
    3. (c) die beim Schritt (b) zugegebenen Kerne durch zunehmende Kühlung vergrößert werden und
    4. (d) die während des vorausgegangenen Kühlens gebildeten Kristalle durch Zentrifugieren abgesondert werden,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisationskerne in einer Grundmasse enthalten sind, die in einem Verhältnis zwischen 1 zu 8 und 1 zu 12 zu der sich in der Kristallisationsphase befindlichen Lösung eingesetzt wird und daß die Phase der zunehmenden Kühlung etwa 4 Stunden lang mit einem Temperaturgradienten von ungefähr 100 pro Stunde durchgeführt und beendet wird, wenn die Temperatur der übersättigten Lösung 30°C bis 40°C beträgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte mehr als einmal durchgeführt werden, wobei Folgeschritte unter Benutzung der bei vorausgehenden Schritten gewonnenen Mutterlösung durchgeführt werden.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zugabe von Kristallisationskernen diese in Form von Puderzuckerschlamm zugegeben werden.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Grundmasse und der sich in der Kristallisationsphase befindlichen Lösung zwischen 1 zu 9 und 1 zu 11 liegend gewählt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der letzten Kristallisationsphase erhaltene Lösung geringer Reinheit einem hergebrachten Kristallisationsprozeß mit Melassegewinnung unterzogen wird, wobei der nach der Raffinierung erhaltene Zucker gegebenenfalls aufgelöst und dem Augangs-Standardsirup oder einer Zwischenstufe bei der Kühlungs-Kristallisation zugegeben wird.
  6. 6. Verwendung von Unterdurck-Schnellverdampfern zur Konzentrierung von Sirupmassen bis zur Sättigung bei vorgegebener Temperatur in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5.






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