Verfahren zum Verkleistern und Trocknen von nativer Stärke oder verkleisterbaren modifizierten Stärken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verkleistern und Trocknen von nativer Stärke oder verkleisterbaren modifizierten Stärken. Durch dieses Verfahren können Stärken erhalten werden, die in kaltem Wasser aufquellen oder dispergieren.
Bei üblichen Verfahren zur Herstellung von Stärken, die bei gewöhnlichen Temperaturen in Wasser dispergieren oder aufquellen, wird die Stärke in Gegenwart von Wasser auf erhitzten Oberflächen, z. B. auf von innen mit Dampf erhitzten Zylindern, behandelt, wodurch die Stärke verkleistert und zu dünnen Folien trocknet, die anschliessend zu Flocken mit dem gewünschten Feinheitsgrad vermahlen werden können.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe in feuchter bzw. in Wasser suspendierter Form mit Wasseranteilen von 30 bis 90 Ges. % einer dichten, flüssigkeitsähnlichen Wirbelschicht von Feststoffen mit Partikelgrössen von 10 bis 5000 Mikron zugesetzt werden, wobei die Wirbelschicht auf einer zum Gelatinisieren der Ausgangsstoffe genügend hohen Temperatur gehalten wird.
Im nachstehenden werden zur Beschreibung der dichten fiüssigkeitsähnlichen Wirbelschicht von Feststoffen Ausdrücke wie Fliessbett , Bett , wirbelndes Bett , wirbelnde Feststoffe und Hilfsbett verwendet. Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens können alle Arten von nativen Stärken, wie Kartoffel-, Mais-, Tapioka-, Sago-, Weizen-, Roggen-, Reis-, Gerste- und Hafer-Stärke, z. B. in Form der entsprechenden Mehle verwendet werden. Ebenso können als Ausgangsmaterial verkleisterbare modifizierte Stärken, z. B. verätherte oder veresterte Stärken, dünnkochende Stärken oder Dextrin, verwendet werden.
Der Wasseranteil muss innerhalb der genannten Grenzen gehalten werden. Dieser ist höher als der natürliche Feuchtigkeitsgehalt der Stärken. Im gewöhnlichen lufttrockenen Zustand enthält Stärke etwa 12 bis 20 Gew. % Feuchtigkeit. Solcher Stärke muss deshalb genügend Wasser zugegeben werden, um den Wasseranteil von 30 bis 90 Gew. O/o zu erhalten. Die Pasten bildenden Eigenschaften des erhaltenen Produktes, z. B. die Fähigkeit, Wasser zu binden, hängen u. a. von der während der Wärmebehandlung vorliegenden Wassermenge ab. Durch Zugabe von Chemikalien, wie Alkalien, Säuren, Oxydationsmitteln, Harnstoff und Formaldehyd, zu dem Wasser vor der Behandlung kann die Fähigkeit, Wasser zu binden, bei dem Endprodukt verändert werden.
Die dichte, flüssigkeitsähnliche Wirbelschicht von Feststoffen kann durch Durchleiten eines mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach oben fliessenden Gasstromes durch eine Masse fester Teilchen der genannten Korngrössen erhalten werden. Diese zur Bildung eines Fliessbetts führenden Geschwindigkeiten stehen in Wechselbeziehung zu der Grösse und Dichte der festen Teilchen. Geschwindigkeiten von nur 0, 5 cm/sec bis 500 cm/sec sind bei Wirbelschichtverfahren bekannt. Die dichte, flüssigkeitsähnliche Wirbelschicht von Feststoffen kann auch durch Übertragung einer auf mechanischem Wege hervorgeruEe- nen oszillierenden Bewegung auf Feststoffe der genannten Teilchengrössen erzeugt werden.
Durch derartige durch Oszillation aufgewirbelte Betten können Gase, wie Luft, Stickstoff und Kohlendioxyd mit Geschwindigkeiten durchgeleitet werden, die geringer sind als die zum Aufwirbeln durch die aufsteigenden Gase allein erforderlichen Geschwindigkeiten.
Die gemäss der Erfindung zu verwendenden Feststoffe sind hauptsächlich inerte körnige Materialien der genannten Teilchengrösse. Diese Feststoffe dienen lediglich zur Wärmeübertragung. Hierzu können z. B.
Metallkugeln, Glasperlen, Perlen aus feuerbeständigem Material, Frittemaille, hitzebeständige plastische Perlen und Sand verwendet werden. Vorzugsweise werden solche Materialien verwendet, an deren Oberfläche die Stärke während der Behandlung nur in geringem Masse anhaftet. Es wurde gefunden, dass der Grad der Oberflächenbindung der Stärke auf dem inerten Material u. a. von der Temperatur des aufgewirbelten Bettes abhängt. Wenn die Temperatur des Materials des Bettes etwa 20 C über dem Siedepunkt des Wassers bei Verfahrensdruck liegt, wird nur eine geringe Oberflächenbindung der Stärke an dem inerten Material beobachtet.
Dies bedeutet, dass zu einer möglichst weitgehenden Verringerung der Ober flächenbindung die Temperatur der aufgewirbelten Masse bei Atmosphärendruck wenigstens 120"C betragen sollte. Aus diesem Grund werden derartige Temperaturen bei Betten aus inerten Materialien bevorzugt.
Neben inerten Materialien können auch Materialien auf Stärkegrundlage als wirbelnde Hilfsfeststoffe verwendet werden. Hierzu eigenen sich native Stärken und modifizierte Stärken, wie vorverkleisterte und im erforderlichen Mass verkleinerte Stärke. Bei derartigen Verfahren kann mit niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden, da keine Fremdstoffe in das Endprodukt eingeführt werden.
Der Temperaturbereich des Hilfsbetts kann zwischen zur Verkleisterung der Stärken ausreichenden und zur Verbrennung der Produkte nicht ausreichenden Temperaturen liegen. Die Wirbelschicht kann bei den jeweiligen Temperaturen innerhalb des gewünschten Bereiches dadurch gehalten werden, dass der aufsteigende Gasstrom vorerwärmt, oder dass Wärme entweder durch in das Bett direkt eingeführte Röhren oder durch aussen angebrachte Wärmeaustauscher übertragen wird.
Die Ausgangsstoffe können auf oder unter der Oberfläche des aufgewirbelten Feststoffbettes geführt werden. Die Zufuhr der Ausgangsstoffe in das Bett und die Entnahme des fertigen Produktes daraus kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Feuchte, noch in nichtfliessendem Zustand vorliegende Stärke kann durch ein Sieb gegeben und so in feinteiligem Zustand in das Bett eingeführt werden. Stärkesuspensionen können entweder durch Eintropfen oder Versprühen eingebracht werden.
Die Grösse der Suspensionstropfen oder die Teilchengrösse der feuchten nichtfliessenden Stärken bestimmt das Verhalten der Stärken in dem aufgewirbelten Feststoffbett, da die Tropfen oder Teilchen beim Einbringen in das heisse Bett zu Körnchen gelatinisieren und diese Körnchen schliesslich getrocknet werden.
Die Differenz in der Sedimensationsgeschwindigkeit zwischen den gebildeten Stärkekörnchen und den Materialien, aus denen das Bett besteht, bestimmt die Verweilzeit der Stärken im Bett. Das Stärkeprodukt kann entweder auf den Boden des Bettes sinken, dispergiert in dem Bett verbleiben, auf der Oberfläche des Bettes schwimmen oder im Strom des aufsteigenden Gases mitgerissen werden. In den Fällen, in denen eine Abtrennung erfolgt, kann das Stärkeprodukt durch Abziehen mittels einer Ablass- oder Überflussleitung oder durch Abtrennen der mitgerissenen Körnchen aus dem aufsteigenden Gasstrom zurückgewonnen werden.
Wenn keine Abtrennung erfolgt, können die Stärkeprodukte aus dem Bettmaterial abgesiebt werden.
Durch entsprechende Wahl der Reakti onsbedin- gungen kann die Gelatinierung und das Trocknen praktisch voneinander unabhängig geregelt werden.
Der Grad der Verkleisterung hängt von der Temperatur im Bett, dem Feuchtigkeitsgehalt der Stärken, den Feuchtigkeitsbedingungen im Bett und der Verweilzeit der Stärken im Bett ab. Hierbei muss die Temperatur hoch genug sein, um eine Verkleisterung zu erzielen, d. h. höher als die Verkleisterungstemperatur der jeweiligen Stärken. In Gegenwart von die Gelatinisierungstemperatur der Stärken verringernden Chemikalien kann bei entsprechenden niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden. Es ist von offensichtlichem Vorteil, nicht über eine Temperatur hinauszugehen, bei der die Stärken anbrennen. Diese Temperatur hängt von der Verweilzeit im Bett ab. Die anderen Faktoren bezüglich Feuchtigkeitsbedingungen und Verweilzeit wurden bereits beschrieben. Hierbei wird noch darauf hingewiesen, dass die letztere Variable in den meisten Fällen auch von der Tiefe des Bettes abhängt.
Die Kontaktzeit zwischen den Stärken der Wirbelschicht kann innerhalb weiter Bereiche von einigen Sekunden zu einigen Stunden schwanken.
Zur Erzielung einer vollständigen Verkleisterung muss das Trocknen zunächst auf ein Mindestmass beschränkt werden. Dieses kann durch Wahl geeigneter Temperaturen reguliert werden. Hat sich dann die äussere Schicht des zu behandelnden Stärkesuspensiontropfens oder Stärketeilchens verkleistert, kann wegen der jetzt erhaltenen grösseren Beständigkeit gegen Dehydratisierung die Temperatur erhöht werden, so dass die Verkleisterung vollständiger wird und das Trocknen gleichzeitig erfolgen kann. Es kann deshalb von Vorteil sein, das Verfahren in verschiedenen Stufen durchzuführen. Bei Verwendung von z. B. Kartoffelstärke als in diskontinuierlichem Verfahren zu behandelndes Polysaccharid kann die erste Stufe in einem Bett auf zermahlener vorverkleisterter Kartoffelstärke, das bei einer Temperatur von etwa 85" C gehalten wird, durchgeführt werden.
Es erfolgt dann eine teilweise Verkleisterung der Suspensionstropfen zu massiven Körnchen, während starkes Trocknen verhindert wird. Anschliessend kann die Temperatur des Bettes erhöht und die Körnchen hierdurch vollständig verkleistert und gleichzeitig getrocknet werden. Die zweite Behandlungsphase kann aber auch in einem gesonderten Hilfsbett durchgeführt werden. Hierbei wird das aus dem ersten Reaktor kommende Material, beispielsweise durch Sieben, in Bettmaterial und teilweise verkleisterte Körnchen aufgetrennt. Ersteres kann anschliessend in den ersten Reaktor zurückgeführt wer den, während die teilweise verkleisterten Körnchen in ein anderes oder eine Reihe weiterer bei höheren Temperaturen gehaltener Hilfsbetten eingeführt werden. Diese Betten können beispielsweise aus Metallkügelchen oder Sand bestehen.
Die Verfahrensbedingungen sollten dabei so gewählt werden, dass eine Abtrennung erfolgt und das Stärkeprodukt somit leicht von dem Bettmaterial getrennt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird jedoch die feuchte Stärke in einem Einstufenverfahren in eine Wirbelschicht aus einem inerten Material, z. B. Metallkugeln, eingeführt, das bei Temperaturen von 1200 C oder höher bei Atm.-Druck gehalten wird, wobei das Endprodukt entweder oben auf dem Bett schwimmt oder von dem aufsteigenden Gasstrom mitgerissen wird und so leicht von dem Material des Bettes abgetrennt werden kann.
Bei diesem neuen Verfahren fällt die verkleisterte Stärke in Form von Körnchen an, die entweder massiv oder porös sein können. Je nach der Wasserabsorptionsfähigkeit der als Ausgangsmaterial verwendeten Stärken und dem Grad der Verkleisterung können diese Produkte mit kaltem Wasser in Verhältnissen von 1 bis etwa 20 Teilen Wasser je 1 Teil Stärke zu Pasten angerührt werden.
Der Verkleisterungsgrad der erhaltenen Produkte schwankt zwischen beschränktem Aufquellen und vollständigem Aufquellen und völligem Verteilen in kaltem Wasser. Die erfindungsgemäss hergestellten Produkte haben den Vorteil, beim Anfeuchten mit Wasser weniger zur Klumpenbildung zu neigen als vorverkleisterte Stärken, die auf Walzen getrocknet sind.
Die Produkte können für die gleichen Verwendungszwecke wie die bisher bekannten vorverkleisterten Stärken verwendet werden, nämlich als Verdickungs Suspensions-, Versteifungs- oder Überzugsmittel oder zur Herstellung von Klebstoffen. Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann feuchte Stärke in billiger Weise einem Medium ausgesetzt werden, das bei gleichmässiger Temperatur gehalten wird und eine schnelle und wirksame Wärmeübertragung sicherstellt.
Beispiel 1
Eine Suspension von einem Teil Kartoffelstärke in einem Teil Wasser wird kontinuierlich in ein Fliessbett aus Sandteilchen gesprüht. Die durchschnittliche Teilchengrösse des Sandes beträgt 400u. Als Aufwirbelungsgas wird Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 20-25 cm/sec verwendet. Das Bett wird bei einer Temperatur von etwa 200 C gehalten. Nach der Einführung verbleibt die Stärke nur einige Sekunden im Bett. Bei der Auftrennung schwimmen die trockenen Stärkekügelchen oben auf dem Bett, von wo sie durch eine Überlaufleitung entfernt werden.
Das anfallende Produkt besteht aus porösen Stärkekügelchen, die teilweise gelatiniert und frei von Sand sind.
Beispiel 2
Eine Suspension von einem Teil Kassawastärke und 5 Teilen Wasser wird kontinuierlich unten in ein aufgewirbeltes Bett aus Metallkügelchen gesprüht. Die Metallkugeln mit einem Durchmesser von 400 u werden durch einen aufsteigenden Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von 80 cm/sec aufgewirbelt.
Das Bett wird durch einen ausserhalb des Systems angebrachten Wärmeaustauscher auf Temperaturen von 1600 C erwärmt. Die Stärke wird im Bett dispergiert und steigt innerhalb weniger Sekunden durch das Bett auf. Die trockenen Körnchen werden in dem aufsteigenden Luftstrom mitgerissen und durch einen Zyklonen daraus zurückgewonnen. Das erhaltene Produkt kann zu einer Paste verarbeitet werden, die einen Teil Stärke je 10 Teile kaltes Wasser enthält. Die Paste hat eine glatte Struktur und setzt sich beim Stehen über lange Zeit nicht ab.
Beispiel 3
Eine Suspension von Kartoffelstärke in Wasser in einem Verhältnis von 1:1 wird auf die Oberfläche eines Bettes aus vermahlener, vorverkleisterter Kartoffelstärke, mit einer Temperatur von etwa 90" C gesprüht.
Die Grösse der vermahlenen vorverkleisterten Stärke liegt unter 380 cz, während die zum Aufwirbeln erforderliche Gasgeschwindigkeit 4 cm/ser beträgt. Die Feststoffe, die den Reaktor durch eine Überfiussleitung nach einer durchschnittlichen Verweilzeit im Bett von etwa 10 Minuten verlassen, werden durch Sieben aufgetrennt.
Die massiven Stärkekörnchen, an denen noch Material aus dem Bett haftet, werden gesondert bei einer Temperatur von 110 C getrocknet. Dieses Produkt wird vermahlen. Wenn ein Teil dieses Produktes in 20 Teilen kaltem Wasser angerührt wird, bildet sich eine durchsichtige Paste der gleichen Konsistenz, wie sie Pasten aus auf rotierenden Zylindern hergestellter vorverkleisterter Kartoffelstärke zeigen.
Das erfindungsgemäss hergestellte Produkt quillt jedoch langsamer auf und hat deshalb eine geringere Neigung zur Klumpenbildung.
Beispiel 4
Suspensionen von Kartoffelstärke mit einem Gehalt von 60 Gew. % Wasser werden mit HC1 auf pH-Werte von 4,5 bzw. 3,8 bzw. 3,5 angesäuert und anschliessend nach dem Verfahren des Beispiels 1 behandelt. Die so erhaltenen Produkte können je Teil Trockenprodukt 13 bzw. 9 bzw. 4 Teile kaltes Wasser binden.
Beispiel 5
Dünnkochende Maisstärke wird der in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Behandlung unterworfen. Eine zu 55 Gew. % Wasser enthaltende Suspension wird auf Bett I aufgesprüht. Bett I besteht aus zermahlener, vorverkleisterter dünnkochender Maisstärke mit einer Korngrösse von 90-300, die in einem Gas strom aufgewirbelt und bei einer Temperatur von 900 C gehalten wird. Eine aus Stärkekügelchen und Bestandteilen des Bettes bestehende Mischung wird kontinuierlich aus dem Reaktor I entfernt. In II wird diese Mischung durch Sieben in eine aus teilweise ver kleisterten dünnkochenden Stärkekörnchen bestehende grobe Fraktion und in eine aus dem Bettmaterial bestehende feine Fraktion aufgeteilt. Das Bettmaterial wird in I zurückgeführt.
Die Stärkekörnchen werden in den bei 105 bzw. 1200 C gehaltenen Sandbetten III und IV weiterbehandelt. Die Sandbetten, die Teilchen bis zu 1000 y enthalten, werden durch mechanische Oszillation in Bewegung gehalten. Die kontinuierlich aus Bett IV abgeführte Mischung aus Sandteilchen und Stärkekörnchen wird in V voneinander getrennt. Der Sand wird in III zurückgeführt. Das Stärkeprodukt wird in der Mühle VI vermahlen und in VII aufgetrennt, wobei ein Endprodukt erhalten wird, das aus zermahlener, vorverkleisterter dünnkochender Maisstärke besteht. Ein Teil dieses fertigen Produktes wird als Bettmaterial in Reaktor I verwendet.
Beispiel 6
Kassawastärke in Gegenwart von 40 Gew. % Wasser wird kontinuierlich in feinteiligem Zustand in ein aufgewirbeltes Bett aus zermahlener vorverkleisterter Kassawastärke mit einer Korngrösse von 90-240 eingeführt, das bei einer Temperatur von 900 C gehalten wird. Nach einer durchschnittlichen Behandlungszeit von 15 Minuten wird ein Produkt erhalten, das in kaltem Wasser zu einer stabilen Suspension teilweise aufgequollener Stärkekörnchen aufquillt. An Stelle der vorverkleisterten Kassawastärke kann auch native Kassawastärke als Material für das Bett verwendet werden.