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Verfahren zur Herstellung von Stärke mit gleichzeitiger Erzeugung von Alkohol
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stärke und Alkohol aus stärkehaltigen
Stoffen, insbesondere ein neues kombiniertes Verfahren zur Herstellung von Stärke und Äthylalkohol aus Getreidekörnern, wie z. B. Mais, Weizen, Reis u. dgl.
Es sind bereits Nassmahlverfahren zur Herstellung von Stärke bekannt, wobei Getreide einer
Vorbehandlung unterworfen wird und ein nasses entkeimtes Material enthält, welches einem
Schlagmahlvorgang unterworfen wird, um unter anderem Stärke zu ergeben.
Weiters ist die gleichzeitige Herstellung von Stärke und Äthylalkohol aus Kartoffeln bekannt. Der
Feststoffrückstand und verschiedene Waschanteile und abgetrennte Anteile aus der Kartoffelstärke- erzeugung werden hiebei dazu verwendet, um in an sich bekannter Weise Alkohol zu erzeugen.
Mais u. a. stärkehaltige Getreidestoffe werden ebenfalls zur Herstellung von Stärke verwendet.
Beispielsweise wird Mais in einer Lösung von Schwefeldioxyd und Wasser eingeweicht. Das Quellwasser wird gesammelt und zur Gewinnung von löslichen Komponenten konzentriert, während der gequollene und erweichte Mais dann weiterverarbeitet wird, indem der Kern einer Reihe von Mahl- und Trennoperationen unterzogen wird. Die Maiskernbestandteile, nämlich der Keim, die Hülle (pericarp) und das Endosperm werden in dem Verfahren abgetrennt. Einzelne Stärkekörner, die in einer proteinhaltigen Matrix (gluten) eingebettet sind, stellen das Endosperm dar. Der Keimanteil des Kerns enthält das öl, ein wertvolles Nebenprodukt der Mühlindustrie. Der Faseranteil des Kerns ist hauptsächlich die Hülle, welche den ganzen Kern einhüllt.
Um die Trennung der Hauptmaisbestandteile herbeizuführen, wird der geweichte oder gequollene Mais einem Aufspaltverfahren unterzogen und das aufgespaltene Material in einer Wasseraufschlämmung einer nassen Keimabtrennoperation unterworfen. Die Nasskeimabtrennung kann in einem Flotationsverfahren oder einer Zentrifugalhydrozyklonabtrennung bestehen. Der Keim wird als gesonderter Bestandteil weiter gewaschen und zur Abtrennung des öls konditioniert. Im übrigen Nassmahlverfahren ist es zur wirksamen Abtrennung der Hülle und des unvermahlenen Endosperms notwendig, den Rest des Korns weiterzumahlen. Die erhaltene Aufschlämmung muss nach dem Mahlen gesiebt und entwässert werden. Bei dem ersten Entwässerungsvorgang werden Stärke und Gluten von der groben Faser abgetrennt.
Normalerweise sind nachfolgendes Vermahlen und Waschen der Rohfaser notwendig, um sicher zu sein, dass ein Faserstrom das System verlässt, welcher wenig oder keine Stärkereste enthält.
Der stärke-gluten-haltige Strom aus der Rohfaserabtrennung enthält eine Menge Feinfaser. Das Entfernen der Feinfaser wird gewöhnlich unter Verwendung von mit feiner Nylon- oder Seidenmüllergaze überzogenen Haspeln oder Vibrationssieben herbeigeführt. Anschliessendes Waschen der Feinfaser ist notwendig, um einen Stärkeverlust in dem das Verfahren verlassenden Faserstrom zu vermeiden.
Der Mühlenstärkestrom, welcher Stärke, Gluten und Wasser enthält, wird gereinigt und in Zentrifugalabtrennvorrichtungen gewaschen. Nachfolgende Stufen des Filtern, Waschens und Trocknens der gereinigten Stärke sind notwendig, um das Stärkepulver in den Handel zu bringen. Das Gluten aus der Reinigungsstufe wird konzentriert, filtriert und als Nebenprodukt getrocknet.
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Die Wirtschaftlichkeit üblicher Stärkeherstellungsverfahren, wie oben angegeben, ist direkt abhängig von der Stärkemenge, die in dem das Verfahren verlassenden Faserstrom vorliegt. Eine praktisch vollständige Entfernung von Stärke aus der Rohfaser ist erwünscht. Bei einem Versuch, dieses zu erreichen, war es notwendig, bei üblichen Stärkeherstellungsverfahren eine Vielzahl von Mahl- und Siebstufen zu verwenden. Die Kapitalinvestierung und Betriebskosten für derartige Sieb- und Mahlvorgänge sind hoch. Darüber hinaus ist es bei Verwendung einer Anzahl von Mahlvorgängen, um eine maximale Trennung der Stärke und des Glutens von der Faser zu erhalten, unmöglich, einen Anstieg des Protein- und Feinfasergehalts der erzeugten Stärke zu vermeiden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht die Erzielung von Verbesserungen bei der Nassvermahlung der Stärke, die Reduzierung der Anzahl der Sieb- und Mahlvorgänge, welche jetzt allgemein bei der Nassvermahlung von Stärke verwendet werden, und die Gewinnung von hochreiner Stärke mit niedrigem Proteingehalt aus aufgespaltenen, entkeimten Körnern. Ein beim erfindungsgemässen Verfahren anfallendes Zwischenprodukt kann zur Herstellung von Äthylalkohol verwendet werden.
Die Erfmdung besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Stärke mit gleichzeitiger Erzeugung von Alkohol, wobei man ein stärkehaltiges Getreidematerial, vorzugsweise Mais, in Wasser einweicht, die
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aufzuschliessen und den Keim freizulegen und das Keimmaterial aus der erhaltenen aufgebrochenen Maische entfernt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man die entkeimte Maische, ohne sie weiter zu mahlen, einem Entwässerungsvorgang unterwirft, wobei ein flüssiges Filtrat, das Stärke, Gluten und Feinfaser enthält, und ein fester Rückstand, der Rohfaser, Hüllen und Griessanteile enthält, erhalten wird, das so erhaltene flüssige Filtrat einem Siebvorgang zur Entfernung der Feinfaser unterwirft, den aus dem Entwässerungsvorgang erhaltenen festen Rückstand zur Überführung des Stärkegehaltes in Zucker behandelt, wodurch ein gärfähigesaterial gebildet wird, dieses Material vergärt und das vergorene Material unter Gewinnung von Alkohol destilliert, und dass man die faserfreie Stärke und das Gluten in an sich bekannter Weise vom flüssigen Filtrat abtrennt und praktisch glutenfreie Stärke gewinnt.
Das abgetrennte Keimprodukt kann gewonnen werden und zur Gewinnung wertvoller Nebenprodukte daraus, wie z. B. Maisöl, behandelt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird weiter in Verbindung mit der Zeichnung erläutert, welche ein Fliess schema darstellt, das die zur Zeit bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wiedergibt. Ein stärkehaltiges Getreide, wie z. B. Mais, wird den Einweichstufen 10a, lOb und lOc zugeführt. Die Einweichstufen können in Gegenstrombeziehung mit der Flüssigkeit stehen, die von 10c abgezogen und lOb zugeführt wird und von lob abgezogen und 10a zugeführt wird. Wie dem mit Einweichvorgängen vertrauten Fachmann bekannt ist, kann man, anstatt das dem Einweichvorgang ausgesetzte Getreide durch aufeinanderfolgende Einweichtanks zu leiten, einen Ansatz in einer Maische durch die nachfolgenden Einweichstufen belassen, wobei geeignete Absperrorgane und Leitungen verwendet werden.
In dieser Weise kommt frisches Einweichwasser mit Mais in Berührung, der während des längsten Zeitraumes eingeweicht war, während die Einweichflüssigkeit mit dem höchsten Stärkegehalt mit frischem Mais in Berührung kommt. Schwefeldioxyd wird bei dem Einweichvorgang verwendet, um die Wirkung von Mikroorganismen zu inhibieren und die Extraktion des löslichen Anteiles der Maiskerne zu unterstützen. Die Ausgangskonzentration an Schwefeldioxyd im Einweichwasser beträgt etwa 0, 02 bis 0, 4 Gew.-%. Das Einweichen des Maises wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 24 bis 600C und vorzugsweise von 49 bis 550C während eines Zeitraumes von etwa 18 bis 72 h oder mehr durchgeführt.
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geeignet.
Der Hauptzweck dieses Mahlvorganges besteht darin, das Korn aufzubrechen und den Keim freizulegen, vorzugsweise, ohne letzteren zu zerbrechen oder zu zerquetschen. Andere Aufgaben bestehen darin, die Hülle zu lösen und das Endosperm grob aufzuschliessen. Das Verfahrenswasser wird durch Leitung --29-- zurückgeführt und dem Korn zugesetzt, wenn es aufgebrochen oder aufgeschlossen wird, um eine Aufschlämmung zu bilden, die zu der Keimabtrennvorrichtung gepumpt werden kann, und um die Dichte der Aufschlämmung auf einen Wert einzustellen, bei dem die Keime fliessen. Dieser Wert liegt bei etwa 8 bis 10, 50 Bé.
Nach dem Aufbrechen in Mühle-14-wandert die erhaltene Maische zum Separator-16zur Abtrennung des Keimproduktes. Vorzugsweise wird für diese Massnahme eine Abscheidevorrichtung
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unter Anwendung von Zentrifugalkraft verwendet, um die Abtrennung des nassen Keims von Stärke und faserigem Material herbeizuführen, obgleich auch andere Vorrichtungen, wie z. B. Flotationsanlagen, verwendet werden können. Ein bevorzugter Keimseparatortyp wird von der Dorr Oliver Corporation unter dem Namen"Dorr Clone"hergestellt. Dieser Separatortyp enthält ein zylindrisch-konisches
Gehäuse mit Verkehrungen zur Einführung der Beschickung und zum Abziehen von Unter- und Überströmung. Die Beschickungskammer hat einen zylindrischen Querschnitt und ist mit einer tangentialen Beschickungsleitung ausgestattet.
Der konische Abschnitt erstreckt sich von der
Beschickungskammer bis zum Scheitelventil, und die Unterstromleitung erstreckt sich von der
Abzugseite der eingestellten Scheitelöffnung. Die durch den Eintritt der Aufschlämmung und die konische Ausbildung der Einheit hervorgerufene Zentrifugalkraft bewirkt eine Trennung, wobei das
Keimmaterial von geringer Dichte am Kopf der Einheit abgezogen wird, während Stärke, Gluten, Hüllen und Maisbruchstücke am Boden abgezogen werden. Das abgetrennte Keimmaterial wird aus dem Separator --16-- über Leitung --17-- entfernt, gewaschen und zur Gewinnung von Maisöl u. a. wertvollen Nebenprodukten verarbeitet.
Das keimfreie Material aus der Keimabtrennstufe wird einem Entwässerungsvorgang-18-- unterworfen. Diese Massnahme weicht von dem üblichen Verfahren ab, wobei nach Abtrennung des
Keims das keimfreie Material mehrfachen Mahl- und Feinmahlverfahren unterzogen wird. Die Ausschaltung vielfacher Grob- und Feinmahlvorgänge an dieser Stelle liefert vielseitige Vorteile und stellt eine bedeutende Verbesserung gegenüber den bisherigen Nassmahlverfahren dar. Der Entwässerungsvorgang in dieser Stufe des Verfahrens ist eine echte Trennung von Stärke und Fasern insofern, als ein Strom von Stärke, Gluten und Feinfaser von der Masse an Grobfaser, Griessbruchstücken und Hüllen abgetrennt wird.
Es können verschiedene Vorrichtungen zur Entwässerung der entkeimen Aufschlämmung bei --18-- verwendet werden, jedoch wird bevorzugt, den von der Dorr Oliver Corporation unter der Handelsbezeichnung"Mercone Screening Centrifuge" hergestellten Siebzentrifugentyp zu verwenden. Derartige Siebzentrifugen sind durch die Anwendung hoher Zentrifugalkraft zur Überwindung der Kapillaranziehung von Flüssigkeit zu festen Stoffen gekennzeichnet.
In dieser Siebzentrifuge wird eine hohe Zentrifugalkraft mit einem Sieb von zunehmendem Durchmesser angewendet, um kontinuierlich eine hochwirksame Trennung der Aufschlämmung in im wesentlichen trockene Feststoffe und flüssiges Filtrat herbeizuführen.
Die Wirksamkeit des Entwässerungsvorganges bei-18-zur Abtrennung einer hochreinen Stärke von den Griessanteilen, Hüllen u. a. unerwünschten Bestandteilen des Korns hängt weitgehend von den Arbeitsbedingungen ab. Der Feststoffgehalt des dem Entwässerungsvorgang zugeleiteten Stromes sollte im Bereich von etwa 15 bis 35 Gew.-% gehalten werden. Der Feststoffgehalt des Zufuhrstromes kann rasch durch Regelung der Menge des zu dem Aufbrechvorgang zurückgeführten Verfahrenswassers geregelt werden. Bei der bevorzugten Siebzentrifuge wird die Zufuhrgeschwindigkeit der Aufschlämmung zu der Entwässerungsstufe --18-- im Bereich von etwa 190 bis 5151/min, und vorzugsweise von etwa 380 bis 4351/min, gehalten.
Höhere Zufuhrgeschwindigkeiten ergeben eine merklich verringerte Stärkegewinnung. Obgleich geringere Zufuhrgeschwindigkeiten eine geringfügige zusätzliche Steigerung der Stärkegewinnung herbeiführen können, sind sie unzweckmässig. Der Entwässerungsvorgang wird bei einer Temperatur von 24 bis 60 C, vorzugsweise von 38 bis 44 C, durchgeführt. Höhere Temperaturen sollen vermieden werden, da bei Temperaturen merklich über 60 C die Stärke gelatiniert. In der Siebzentrifuge werden vorzugsweise Siebe mit Lochdurchmessern von 0, 076 bis 0, 16 cm und 10 bis 20% offener Fläche verwendet. Das flüssige Filtrat aus der
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-19-- zu Haspeln--20-- sind üblicher Bauart, hergestellt aus rostfreiem Stahl und überzogen mit Nylonmüllergaze.
Die Haspeln sind um einen Winkel von etwa 2 bis 80 gegen das Abzugende geneigt und rotieren mit einer Geschwindigkeit von etwa 24 Umdr/min, so dass die Feinfaser zu dem Abzugende der Haspeln wandert, während Stärke und Gluten durch das Nylonsieb filtrieren. Im allgemeinen enthält der Feinfaserausstoss aus den Nylonhaspeln etwas Stärke, und es wird daher bevorzugt, diesen Strom einer zweiten Entwässerungsmassnahme bei-22-zu unterziehen. Die von Haspeln --20-- abgezogene Feinfaser
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der ersten Entwässerungsstufe --18-- verwendete, mit der Ausnahme, dass eine geringere Siebgrösse bei --22-- verwendet wird, da das zu siebende Material eine geringere Grösse aufweist.
Ein Sieb mit 0, 038 cm Öffnungen und einer offenen Fläche von 22% ist im allgemeinen zur Verwendung in der
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--22-- zufriedenstellend.Grob- und Feinmahlvorgängen, die in üblichen Nassmahlverfahren verwendet werden. Dies liefert natürlich bedeutende Ersparnis sowohl in der Anlage als in den Betriebskosten. Es ist auch zu bemerken, dass das beschriebene Verfahren ein handelsfähiges Stärkeprodukt liefert, ohne die Notwendigkeit komplizierter und teurer Reinigungsbehandlungen, wie gewöhnlich in den bisherigen Verfahren erforderlich war. Natürlich kann, wie oben angegeben, die nach dem Verfahren hergestellte
Stärke nach Abtrennung von ihrem Glutengehalt, falls erwünscht, gereinigt werden, um ein aussergewöhnlich hochreines Stärkeprodukt zu erhalten.
Auf Grund der anfänglich hohen Reinheit der Rohstärke wird die für eine derartige fakultative Reinigungsbehandlung erforderliche Anlage auf ein Mindestmass zurückgeführt und ein hochwirksamer Betrieb erreicht.
Ein weiterer Hauptvorteil des obigen Verfahrens besteht darin, dass eine kombinierte Herstellung von Stärke und Alkohol in einfachster und sparsamster Weise erreicht wird. Bei dem kombinierten Verfahren zur Herstellung von Stärke und Alkohol wird eine praktisch vollständige Ausnutzung des Stärkegehaltes der Getreidekörner erzielt. Darüber hinaus wird durch die angegebene Verfahrensfolge die hochreine Stärke von einem Rückstand abgetrennt, welcher andere Bestandteile des stärkehaltigen Korns enthält und wobei dieser Rückstand besonders vorteilhaft zur Herstellung von Alkohol ist.
Die Verwendung dieses Kornstückstandes ermöglicht eine praktisch vollkommene Ausnutzung des stärkehaltigen Korns. In dem kombinierten Verfahren wird eine Mindestwassermenge mit maximaler Wirksamkeit verwendet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Stärke mit gleichzeitiger Erzeugung von Alkohol, wobei man ein stärkehaltiges Getreidematerial, vorzugsweise Mais, in Wasser einweicht, die Wasseraufschlämmung des geweichten Materials einer Aufbrechbehandlung unterwirft, um das Korn aufzuschliessen und den Keim freizulegen und das Keimmaterial aus der erhaltenen aufgebrochenen Maische entfernt,
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einem Entwässerungsvorgang unterwirft, wobei ein flüssiges Filtrat, das Stärke, Gluten und Feinfaser enthält, und ein fester Rückstand, der Rohfaser, Hüllen und Griessanteile enthält, erhalten wird, das so erhaltene flüssige Filtrat einem Siebvorgang zur Entfernung der Feinfaser unterwirft, den aus dem Entwässerungsvorgang erhaltenen festen Rückstand zur Überführung des Stärkegehaltes in Zucker behandelt,
wodurch ein gärfähiges Material gebildet wird, dieses Material vergärt und das vergorenc Material unter Gewinnung von Alkohol destilliert, und dass man die faserfreie Stärke und das Gluten in an sich bekannter Weise vom flüssigen Filtrat abtrennt und praktisch glutenfreie Stärke gewinnt.
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