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Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Reinigung von Zuckerrüben-Rohsaft, welcher durch Extraktion von Zuckerrüben erhalten wird, sowie Vorrichtungen zur Reinigung von Zuckerrüben-Rohsaft. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter Verfahren zur Herstellung von Saccharosesirup beziehungsweise Saccharose aus Zuckerrüben-Rohsaft.
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Stand der Technik
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Herkömmlicherweise wird Zucker (Saccharose) aus Rüben (Zuckerrüben, Beta vulgaris) gewonnen, indem die geernteten Rüben zunächst von einem Großteil der noch anhaftenden Erde sowie von Blattresten befreit werden. Anschließend werden die Rüben gewaschen und mittels Schneidemaschinen zu in der Regel etwa bleistiftstarken Schnitzeln gehobelt. Die Zuckergewinnung aus den Schnitzeln erfolgt durch Extraktion der Rübenschnitzel in heißem Extraktionswasser bei etwa 65 bis 75°C. In der Regel wird eine Gegenstromextraktion in einem Extraktionsturm durchgeführt. Üblich ist das Diffusionsverfahren. Durch Ansäuern des Extraktionswassers wird die anschließende Filtration des erhaltenen Zuckerrüben-Rohsaftes sowie die Abpressbarkeit der extrahierten Schnitzel begünstigt.
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Der bei der Extraktion gewonnene Zuckerrüben-Rohsaft wird anschließend einer Saftreinigungsstufe, die auch als Extraktreinigung bezeichnet wird, zugeführt. Dabei sollen im Rohsaft enthaltene Verunreinigungen, die als Nichtsaccharosestoffe bezeichnet werden, entfernt werden. Üblicherweise erfolgt die Saftreinigung als Kalk-Kohlensäure-Extraktreinigung; diese enthält die Verfahrensschritte Vorkalkung und Hauptkalkung. Anschließend findet eine erste und gegebenenfalls eine zweite oder eine weitere Carbonatation statt, wobei mittels Filtration der bei der Carbonatation entstehende Niederschlag vom geklärten Rohsaft abgetrennt wird.
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Der in der Saftreinigung gereinigte Rohsaft, der auch als Dünnsaft bezeichnet wird, enthält etwa 12 bis 18%, vor allem etwa 15 bis 17 Saccharose. Die Reinheit des Rohsafts beträgt normalerweise zwischen 90 und 92%. Er wird anschließend durch Wasserentzug zu einem Dicksaft mit einem Saccharosegehalt von etwa 65 bis 70% eingedickt und dann in Kristallisatoren solange weiter eingedickt bis sich eine zähe Masse, die so genannte Kochmasse, mit etwa 85% Saccharose bildet. Durch Abzentrifugieren der Melasse, wird schließlich kristalliner Weißzucker erhalten, der anschließend gegebenenfalls raffiniert werden kann.
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Bei der Vor- und Hauptkalkung werden die im Zuckerrüben-Rohsaft enthaltenen Nichtsaccharosestoffe nur so weit abgebaut, dass sie sich mittels zweckmäßiger Trennmethoden abtrennen lassen. In den bekannten Verfahren werden die Nichtsaccharosestoffe teilweise zu niedermolekularen Verbindungen abgebaut; diese können nicht mehr vollständig aus dem Rohsaft entfernt werden Bekannte Probleme sind die damit verbundene nachteilige Farbentwicklung des aus der Saftreinigung erhaltenen Dünnsafts und der nachteilig hohe Kalksalzgehalt des Dünnsafts. Die Gegenwart von Nichtsaccharosestoffen verschlechtert das Produktionsergebnis, vor allem also die aus dem Rohsaft nach Eindicken des Dünnsafts und anschließender Kristallisation und Zentrifugation gewonnene kristalline Saccharose beziehungsweise der Saccharosesirup.
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Der aus der Schnitzelextraktion erhaltene Rohsaft weist üblicherweise einen pH-Wert von etwa 5,8 bis 6,2 und eine Temperatur von etwa 20 bis 30°C auf. Nach der Extraktion wird der Rohsaft gegebenenfalls entpülpt und/oder entsandet und bekanntermaßen mit Hilfe von Rohsaftwärmern bis zur bekannten Vorkalkungstemperatur von etwa 55 bis 75°C erwärmt.
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In der bekannten Vorkalkung wird der Rohsaft aus der Extraktion direkt in den Vorkalkungsbehälter oder -reaktor überfuhrt und dort und zwar in der Regel schrittweise unter meist schonenden Bedingungen durch Zugabe von Calciumoxid-Lösung, der so genannten Kalkmilch, alkalisiert. Dabei wir der pH-Wert des Rohsaftes im Vorkalkungsreaktor stufenweise auf etwa pH 11,5 angehoben. Dazu wird bekanntermaßen Kalkmilch, bis zu einer Konzentration von etwa 0,1 bis 0,3 g Calciumhydroxid pro 100 ml Rohsaft [g CaO/100 ml] zugegeben. Es zu einer Neutralisierung der im Extrakt vorhandenen organischen und anorganischen Säuren. Dabei fallen anionische Verbindungen, die mit dem Calcium unlösliche oder schwerlösliche Salze bilden, beispielsweise Phosphat, Oxalat, Citrat und Sulfat, weitestgehend aus. Darüber hinaus koagulieren dabei auch Proteine sowie kolloidal gelöste Nichtsaccharosestoffe wie Pektin und Eiweißstoffe. Die Ausfällung der Nichtsaccharosestoffe erfolgt innerhalb bestimmter pH-Wert-Bereiche, die bei der progressiven Alkalisierung nacheinander durchlaufen werden. Dabei findet schließlich auch eine Zusammenballung oder Verdichtung des erhaltenen Niederschlags statt, der dann leichter entfernt werden kann.
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Bei der bekanntermaßen anschließend durchgeführte Hauptkalkung wird die Temperatur auf etwa 85°C angehoben. Die Alkalität des Rohsaftes wird durch weitere Zugabe von Kalkmilch nochmals erhöht, sodass üblicherweise eine Konzentration von etwa 1 g CaO/100 ml erreicht wird. Dabei findet der chemische Abbau von Säureamiden wie Glutamin statt. Diese Komponenten wie auch der durch unerwünschte Saccharosehydrolyse gebildete Invertzucker müssen in einer frühen Phase der Saccharosegewinnung abgetrennt oder abgebaut werden. Andernfalls kommt es bei der nachfolgenden Safteindickung zur nachteiligen Bildung von Säuren und zur Farbentwicklung.
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In der nachfolgenden Carbonatationsstufe wird im Hauptkalkungsprozess nicht verbrauchte Kalk durch Einleiten von Kohlenstoffdioxid als Carbonatationsgas zu Calciumcarbonat umgesetzt. Calciumcarbonat ist ein starkes Adsorptionsmittel für lösliche Nichtsaccharosestoffe. Calciumcarbonat dient somit auch als Adsorptions- und Filtrierungshilfsmittel. Kohlenstoffdioxid und der ungelöschte Kalk für die Herstellung der Kalkmilch werden in der Regel in der Zuckerfabrik in Koksöfen gewonnen, worin Kalkstein mit Koks gebrannt wird. Die über die Filter in der ersten und bevorzugt zweiten und gegebenenfalls weiteren Carbonatationsstufen aufkonzentrierten Calciumcarbonatschlämme (so genannte Schlammsaftkonzentrate) werden üblicherweise vereinigt und über Membranfilterpressen abgepresst. Dabei entsteht der so genannte Carbokalk. Dieser Carbokalk ist ein lagerfähiges Produkt mit einem Trockensubstanzgehalt von in der Regel mehr als 70% und kann teilweise als Düngemittel eingesetzt werden. Üblicherweise wird ein Teil des Schlammsaftkonzentrats zur Vorkalkung zurückgeführt.
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Ein Nachteil der herkömmlichen Kalk-Kohlensäure-Extraktreinigung besteht vor allem darin, dass ein noch zu geringer Reinigungseffekt erreicht wird, da damit nur etwa maximal 40% aller Nichtsaccharosestoffe aus dem Zuckerrüben-Rohsaft entfernt werden können.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch Hydrolyse der Saccharose Invertzucker gebildet wird, der die Qualität des erhaltenen Dünnsaftes vermindert; vor allem hat dies nachteilige Auswirkungen auf die Farbentwicklung des Dünnsafts (Dünnsaftfarbe). Außerdem ist es wünschenswert, wenn der durch den Anteil an Nichtsacharosestoffen im Rohsaft bedingte Kalzsalzgehalt im erhaltenen Dünnsaft möglichst gering ist.
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In bekannten Kalk-Kohlensäure-Extrakteinigungsverfahren wirkt das gebildete Calciumcarbonat als Filtrierungsmittel. Soll der Kalkmilcheintrag gesenkt werden, verschlechtert sich nicht nur das Reinigungsergebnis, es leidet auch die Filtrierbarkeit des Schlammsaftes nach der Carbonatation. Ein Kriterium zur Bewertung der Filtrierbarkeit ist der Filtrationskoeffizient. Je niedriger der Wert ist, desto besser. Weiter ist sind deshalb Maßnahmen wünschenswert, die den Filtrationskoeffizienten (FK-Wert [s/cm2]) des gekalkten Rohsafts (sogenannte Schlammsäfte) bei der Klärung in der ersten Carbonatation möglichst vermindern, um die Effektivität der Filtration zu verbessern.
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Aus dem Artikel Becker D., Die Vorscheidung nach Brieghel-Müller, in: Zucker 17 (1952): 383–385, aus der
DE 972230 B und aus dem Centralblatt für die Zuckerindustrie Nr. 7 (1932): 119–120 ist die mehrstufige Alkalisierung von Zuckerrüben-Rohsaft innerhalb der Vorscheidungsstufe durch fraktionierte Kalkmilchzugabe bekannt.
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Aufgabenstellung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein alternatives und verbessertes Verfahren zur Reinigung von Zuckerrüben-Rohsaft bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrunde liegende technische Problem im Wesentlichen durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Reinigung von Zuckerrüben-Rohsaft, welches zumindest die folgenden Verfahrensschritte enthält:
Schritt (a) Gewinnen des Rohsafts durch Extraktion von Zuckerrüben;
Schritt (b) erste (oder so genannte frühe) Alkalisierung des Rohsafts nach der Extraktion durch Zugabe/Zudosieren von Natronlauge und/oder Soda bis zu einer ersten Alkalität c von pH 7 bis pH 11;
Schritt (c) Erwärmen des alkalisierten Rohsafts auf die Vorkalkungstemperatur T von 75°c oder weniger; und
Schritt (d) Vorkalkung des alkalisierten Rohsafts durch eine zweite Alkalisierung bis zu einer zweiten Alkalität zur Flockung der Nichtsaccharosestoffe.
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Die Erfinder fanden für die optimale erste Alkalität folgenden empirischen Zusammenhang (Formel I): c[pH] = a[°C-1]·T[°C] + b (I)
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Dabei gilt für Faktor a ein Werteintervall von 0,07 bis 0,12, für den Summand b ein Werteintervall von 2 bis 4. Bevorzugt beträgt a etwa 0,1. Bevorzugt beträgt b etwa 3. Die Temperatur T beträgt dabei bevorzugt 80°C oder weniger.
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Die erste Alkalität c in Schritt (b) ist stets niedriger (geringerer pH-Wert) als die zweite Alkalität (höherer pH-Wert) als in Schritt (d). Es hat sich gezeigt, dass pH-Wert (von etwa 5,8 bis etwa 6,2) und Temperatur (von etwa 20 bis etwa 30°C) des Rohsafts, wie er unmittelbar nach der herkömmlichen Rübenextraktion erhalten und in herkömmlichen Extraktreinigungsverfahren direkt in die Vorkalkungsstufe eingeleitet wird, chemische, enzymatische und mikrobiologische Abbaureaktionen der enthaltenen Saccharose und anderen Nichtsaccharosestoffen begünstigen. Das herrschende saure Milieu vermindert außerdem die Themostabilität des Rohsaftes, sodass es bei der Anwärmung des Rohsaftes vor oder während der Vorkalkungsstufe zur Bildung weiterer Nichtsaccharosestoffe, vor allem von Invertzucker, kommt.
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Es hat sich gezeigt, dass die Bildung von Nichtsaccharosestoffe im Rohsaft vor und bei der Vorkalkung großen Einfluss auf die Qualität des Dünn- beziehungsweise Dicksaftes, vor allem auf Farbe und Kalksalzgehalt hat. Dies führt unmittelbar zur Reduzierung der Zuckerausbeute im Prozess.
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Weiter hat sich gezeigt, dass die durch das saure Milieu begünstigte mikrobiologische Aktivität im Rohsaft zur Bildung von Schleimstoffen führt, was die Verstopfung der Rohsaftwärmer (Wärmetauscher) begünstigt und die Filtrierbarkeit (FK-Wert) der Schlammsäfte, insbesondere des Schlammsafts 1, herabsetzt.
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Die Erfinder fanden überraschend, dass wenn der Rohsaft nach der Extraktion und vor Einleiten in die Vorkalkungsstufe in einer separaten Alkalisierungsstufe mit Hilfe eines oder mehrerer Alkalien, ausgewählt aus Natronlauge und Soda, alkalisiert wird, die vorstehend beschriebenen nachteiligen Auswirkungen vermieden werden können. Dabei zeigte sich besonders überraschend, dass die vorteilhaften Effekte dann maximal sind, wenn der bei der erfindungsgemäßen Rohsaftalkalisierung erreichte pH-Wert in Abhängigkeit von der anschließenden Vorkalkungstemperatur gewählt wird. Das heißt, der Umfang der optimalen ersten (oder „frühen”) Alkalisierung ist des Rohsaftes von der gewählten Vorkalkungstemperatur abhängig.
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Demgemäß sieht eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Alkalisierung des Rohsaftes in Schritt (b) eine erste Alkalität c in Abhängigkeit von der Vorkalkungstemperatur T in Schritt (d) gewählt wird. Zweckmäßigerweise nimmt c Werte von etwa 7 bis etwa 11. Bevorzugt beträgt c pH 9 oder weniger.
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Dabei beträgt in den Schritten (c) und/oder (d) die Vorkalkungstemperatur T 75°C oder weniger und bevorzugt von 50 bis 75°C.
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Bevorzugt findet die erfindungsgemäße erste Alkalisierung in Schritt (b) unmittelbar nach der Extraktion, vorzugsweise unmittelbar nach der Maische statt. Es kann in Schritt (b) die erste Alkalisierung zusätzlich durch Zugabe von Hauptkalkungssaft, der vorzugsweise aus dem Extraktreinigungsprozess zurückgeführt wird, zu der Zugabe von Natronlauge und/oder Soda und/oder Gemischen davon stattfinden.
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Bevorzugt erfolgt in Schritt (d) die nachfolgende (herkömmliche) zweite Alkalisierung in Form der Vorkalkung durch Zugabe von Kalkmilch bis zu einer Gesamtkonzentration von 0,1 bis 0,3 g CaO/100 ml. In einer bevorzugten Variante erfolgt in Schritt (d) die zweite Alkalisierung progressiv bis zur einer Alkalität von pH 11 oder mehr. In einer bevorzugten Variante erfolgt in Schritt (d) die zweite Alkalisierung progressiv bis zum Erreichen des optimalen Flockungspunkts, an dem die Nichtsaccharosestoffe koagulieren und/oder ausfallen.
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Besonders ist vorgesehen, dass die erste Alkalisierung des Zuckerrüben-Rohsaftes sowie auch die zweite Alkalisierung während der Vorkalkung, bevorzugt im Gegenstrom, mittels rückgeführtem bereits alkalisiertem Rohsaft, beispielsweise Schlammsaftkonzentrat aus den Carbonatationsstufen und/oder hauptgekalkter Rohsaft, erfolgt.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter „Zuckerrüben-Rohsaft” oder „Rohsaft” der Saft verstanden, der bevorzugt aus Zuckerrübenschnitzeln durch Gegenstromextraktion extrahiert wird. Dieser zuckerreiche Rohsaft enthält neben Zucker noch weitere organische und anorganische Bestandteile der Rübe, die als Nichtsaccharosestoffe beziehungsweise Nichtzuckerstoffe bezeichnet werden. Unter „Nichtsaccharosestoffen” werden vor allem hochmolekulare Substanzen wie Eiweißstoffe, Polysaccharide und Zellwandbestandteile sowie niedrigmolekulare Verbindungen wie anorganische oder organische Säuren, Aminosäuren und mineralische Salze verstanden. Bei den Zellwandbestandteilen handelt es sich besonders um Pektine, Lignin, Cellulose und Hemicellulose. Diese Stoffe liegen ebenso wie die Eiweiße, zu denen neben Proteinen, insbesondere Nucleoproteide gehören, als hydrophile Makromoleküle in kolloidal-disperser Form vor. Bei den organischen Säuren handelt es sich beispielsweise um Lactat, Citrat und Oxalat. Bei den anorganischen Säuren/Salzen handelt es sich insbesondere um Sulfate und Phosphate.
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Unter „Kalkmilch” wird Calciumhydroxid verstanden, das bei der stark exothermen Reaktion von gebranntem Kalk (Calciumoxid) mit Wasser gebildet und bei der Vorkalkung und Hauptkalkung als Kalkungsmittel eingesetzt wird. Die Zugabe von Kalkmilch zum Rohsaft in der Vorkalkung bewirkt die Fällung oder Koagulation von Nichtsaccharosestoffen in Form eines Koagulates. Die Zugabe von Kalkmilch zur Vorkalkung des Rohsaftes erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt als progressive Vorkalkung. Die progressive Vorkalkung durch eine allmähliche Steigerung der Alkalität beziehungsweise des pH-Wertes des Rohsaftes erfolgt vorzugsweise durch langsamen Zulauf des Kalkmilch-Kalkungsmittel oder durch kleine unterbrochene Kalkmilch-Einzelzugaben, wobei insbesondere das pH-Optimum langsam durchlaufen wird. Die progressive Alkalisierung wird bevorzugt im Gegenstrom durchgeführt, wobei der zurückgeführte Saft höherer Alkalität so schnell wie möglich mit einem Saft niedrigerer Alkalität vermischt wird, ohne dass sich innerhalb der Mischzone unterschiedliche Alkalitätsgradienten aufbauen können. Unter Verwendung geeigneter Transportsysteme im Vorkalkungsapparat wird innerhalb des Systems dafür gesorgt, dass die erforderliche Rückführmenge mit hoher Konstanz entgegen der Hauptströmungsrichtung geführt wird.
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Bevorzugt schließt sich, vorzugsweise unmittelbar nachfolgend, in Schritt (e) mindestens eine Hauptkalkungsstufe an, worin der vorgekalkte Rohsaft hauptgekalkt wird. Diese zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass der erhaltene Vorkalkungssaft weiter alkalisiert wird. Dazu wird weitere Kalkmilch eingetragen, sodass eine Konzentration von vorzugsweise 1,0 g CaO/100 ml erreicht wird. Bevorzugt wird die Hauptkalkung zweistufig durchgeführt.
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Die Erfinder fanden überraschend, dass durch eine erste kalte Hauptkalkung und eine nachgeschaltete zweite heiße Hauptkalkung die Effektivität der Abtrennung und Aufspaltung von Nichtsaccharosestoffen während der Hauptkalkungsstufe verbessert werden kann. Dadurch kann der auch Kalkmilcheintrag in der Hauptkalkung verringert werden.
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Dabei findet in einem ersten Schritt (e1) eine erste Hauptkalkung und in einem, vorzugsweise unmittelbar nachfolgenden, Schritt (e2) eine zweite Hauptkalkung statt. In Schritt (e1) wird vorzugsweise weitere Kalkmilch zum Vorkalkungssaft zugegeben bis eine Konzentration von 0,8 bis 1,2 g CaO/100 ml, vorzugsweise von 1,0 g CaO/100 ml, erreicht wird. So wird ein hauptgekalkter Rohsaft erhalten. Vorzugsweise wird die erste Hauptkalkung als „kalte Hauptkalkung” bei niedriger Temperatur, das heißt bei einer Temperatur von 75°C oder weniger, bevorzugt 70°C, bevorzugt 65°C oder weniger, besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich von 35 bis 65°C durchgeführt.
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In dem bevorzugt weiteren Schritt (e2) findet die zweite Hauptkalkung des hauptgekalkten Rohsaftes statt, wobei gegebenenfalls weitere Kalkmilch bis zu einer Konzentration von vorzugsweise von 1,0 CaO/100 ml zugegeben wird. Vorzugsweise wird die zweite Hauptkalkung als „heiße Hauptkalkung” bei hoher Temperatur, das heißt bei einer Temperatur von mehr als 75°C, bevorzugt 80°C oder mehr, bevorzugt 85°C oder mehr, besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich von 85 bis 95°C, durchgeführt. Bevorzugt wird die erhöhte Temperatur in der zweiten Hauptkalkung durch Vorschalten eines Wärmetauschers oder Durchlauferhitzers, der vom Hauptkalkungssaft durchflossen wird, erreicht.
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Insgesamt kann durch die effektivere Extraktreinigung ein geklärter Rohsaft in höherer Qualität erhalten und gegebenenfalls auf eine Nachkalkung des Rohsaftes nach der ersten Carbonatationsstufe verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhafterweise auch zur Verarbeitung von Rübenmaterial mit schlechterer Qualität, vor allem von alterierten Rüben Dies bedeutet vor alter, dass die Kampagnezeit, das heißt die Zeit, in der die geernteten und zwischengelagerten Rüben in der Zuckerfabrik verarbeitet werden, verlängert werden kann.
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In bekannten Extraktreinigungsverfahren ist die Senkung des Kalkverbrauches unter anderem durch die Verschlechterung der Filtrierbarkeit limitiert. Es zeigt sich überraschend, dass diese Limitierung durch das erfindungsgemäße Verfahren überwunden werden kann.
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Bevorzugt wird nach der, vorzugsweise ersten, Hauptkalkung und vor dem Klären des gekalkten Rohsafts zur Verbesserung des Absetzens der nicht Nichtsaccharosestoff-Fraktion in Schlamm mindestens ein Flockungshilfsmittel zugegeben Vorzugsweise wird das Flockungshilfsmittel bis zu einer Konzentration von 1 bis 8 ppm zugegeben. Vorzugsweise ist das Flockungshilfsmittel ausgewahlt aus polyanionischen Makromolekülen, bevorzugt aus Acrylamid und Copolymeren aus Acrylamid und Natriumacrylat. Vorzugsweise weist das Flockungshilfsmittel eine mittlere Molekülmasse von durchschnittlich etwa 5 × 106 bis 22 × 106 g/mol auf.
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Bevorzugt werden die abgetrennten Nichtsaccharosestoffe beziehungsweise die Nichtsaccharosestoff-haltige Fraktion als so genannter Dünnschlamm weiter aufkonzentriert. Dabei wird in mindestens einem weiteren Schritt in einer oder mehreren Abtrennvorrichtungen eine Saccharose-haltige Fraktion daraus abgetrennt, wodurch die Nichtsaccharosestoff-haltige Fraktion weiter aufkonzentriert wird. Bevorzugt wird als Abtrennvorrichtung eine Zentrifuge verwendet. Vorzugsweise ist die Zentrifuge ausgewählt aus Tellerzentrifugen beziehungsweise Tellerseparatoren und Dekanterzentrifugen. Die Abtrennvorrichtungen sind wahlweise unmittelbar hintereinander geschaltet; es ist aber auch vorgesehen, dass der Schlammauslass einer ersten Abtrennvorrichtung über einen Mischbehälter oder eine ähnliche Vorrichtung mit dem Einlass einer zweiten weiteren Abtrennvorrichtung verbunden ist. Bevorzugt werden die aus den zweiten und weiteren Abtrennvorrichtungen abgetrennten saccharosehaltigen Klarsäfte beziehungsweise Absüßsäfte wieder in den erfindungsgemäßen Extraktreinigungsprozess zurückgeführt.
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In bevorzugter Ausführung wird der gekalkte Rohsaft nach der Hauptkalkung in der Carbonatation zugeführt. Bevorzugt wird dazu in einem, vorzugsweise unmittelbar nachfolgendem Schritt mindestens eine Carbonatation durch Einleiten von Kohlenstoffdioxid in den Hauptkalkungssaft durchgeführt. Im Anschluss an die Carbonatation findet eine Filtration des entstehenden Schlamms statt. Dabei wird ein klarer Saccharosesirup erhalten. Die Carbonatation findet im Wesentlichen in an sich bekannter Weise statt. Besonders bevorzugt ist die Carbonatation als zwei- oder mehrstufige Carbonatation ausgebildet. Vorzugsweise findet eine erste Carbonatation und erste Filtration in Schritt und, vorzugsweise unmittelbar, anschließend eine zweite Carbonatation und zweite Filtration statt. Im Anschluss an die zweite Carbonatation kann sich, je nach Anwendungsgebiet und Zweckmäßigkeit, eine dritte und weitere Carbonatation und Filtration anschließen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Saccharosesirup aus Zuckerrüben-Rohsaft. Dieses Verfahren umfasst erfindungsgemäß in einem ersten Schritt das Bereitstellen des Zuckerrüben-Rohsaftes, wie er vorzugsweise aus der Gegenstromextraktion von Zuckerrübenschnitzeln erhalten wird. Danach wird das erfindungsgemäße Extraktreinigungsverfahren mit zumindest den Schritten (a) bis (d), bevorzugt (a) bis (e), wie es vorstehend beschrieben ist, durchgeführt. Danach wird ein einem weiteren Schritt ein von Nichtsaccharosestoffen befreiter und geklärter Saccharosesirup erhalten. Dieser kann gegebenenfalls ein einem weiteren Schritt in an sich bekannter Weise kristallisiert werden, sodass kristalline Saccharose erhalten wird.
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Schließlich ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Extraktreinigungsverfahrens. Diese weist zumindest folgende Elemente auf: einen erste Alkalisierungseinrichtung (10), eine Vorkalkungseinrichtung (30) und einen dazwischen geschalteten ersten Wärmetauscher (20) (siehe 1 und 2).
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Die erste Alkalisierungseinrichtung (10) dient zur Alkalisierung des Rohsafts und weist zumindest einen Zulauf (11) für den Rohsaft, zumindest eine Dosiereinrichtung (13) für die Dosierung von Alkalien und zumindest einen Ablauf (12) für den alkalisierten Rohsaft. Bevorzugt die erste Alkalisierungseinrichtung (10) als statischer Mischer ausgebildet. In einer bevorzugten Variante steht der Zulauf (11) ersten Alkalisierungseinrichtung (10) unmittelbar mit einem Maischebehälter der Extraktionsstufe für die Extraktion von Zuckerrüben in Fluidverbindung steht.
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Die Vorkalkungseinrichtung (30) dient zur Vorkalkung des alkalisierten Rohsafts und weist zumindest einen Zulauf (31) für den alkalisierten Rohsaft, zumindest eine Dosiereinrichtung (33) für die Dosierung von Kalkmilch und zumindest einen Ablauf (32) für den vorgekalkten Rohsaft auf.
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Der erste Wärmetauscher (20) dient zum Aufheizen des in der ersten Alkalisierungseinrichtung (10) alkalisierten Rohsafts und weist zumindest einen Zulauf (21) für den alkalisierten Rohsaft und zumindest einen Ablauf (22) für den aufgeheizten gekalkten Rohsaft auf; der Zulauf (21) steht mit dem Ablauf (12) der ersten Alkalisierungseinrichtung (10) in Fluidverbindung und der Ablauf (22) steht mit dem Zulauf (31) der Vorkalkungseinrichtung (30) in Fluidverbindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem zumindest folgende weitere Elemente auf: eine erste Hauptkalkungseinrichtung (40); eine zweite Hauptkalkungseinrichtung (60) und einen dazwischen geschalteten zweiten Wärmetauscher (50).
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Die erste Hauptkalkungseinrichtung (40) dient der ersten Hauptkalkung, insbesondere der kalten Hauptkalkung, des gekalkten Rohsafts und weist zumindest einen Zulauf (41) für den Rohsaft, zumindest eine Dosiereinrichtung (43) für die Dosierung von Kalkmilch und zumindest einen Ablauf (42) für den hauptgekalkten Rohsaft auf.
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Die zweite Hauptkalkungseinrichtung (60) dient der zweiten Hauptkalkung insbesondere der heißen Hauptkalkung, des hauptgekalkten Rohsafts und weist zumindest einen Zulauf (61) für den Rohsaft, gegebenenfalls zumindest eine Dosiereinrichtung für die Dosierung von Kalkmilch, und zumindest einen Ablauf (62) für den hauptgekalkten Rohsaft auf.
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Der zweite Wärmetauscher (50) dient zum Aufheizen des in der ersten Hauptkalkungseinrichtung (40) hauptgekalkten Rohsafts und weist zumindest einen Zulauf (51) für den hauptgekalkten Rohsaft und zumindest einen Ablauf (52) für den aufgeheizten hauptgekalkten Rohsaft auf; der Zulauf (51) steht mit dem Ablauf (42) der ersten Hauptkalkungseinrichtung (40) in Fluidverbindung und der Ablauf (52) steht mit dem Zulauf (61) der zweiten Hauptkalkungseinrichtung (60) in Fluidverbindung.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel und die Figuren näher erläutert, wobei diese nicht beschränkend zu verstehen sind.
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines ersten Abschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist eine erste Alkalisierungseinrichtung (10), eine Vorkalkungseinrichtung (30) und einen dazwischen geschalteten ersten Wärmetauscher (20) auf; die erste Alkalisierungseinrichtung (10) weist einen Zulauf (11) für den Rohsaft, eine Dosiereinrichtung (13) und einen Ablauf (12) für den alkalisierten Rohsaft auf; die Vorkalkungseinrichtung (30) weist einen Zulauf (31) für den alkalisierten Rohsaft, eine Dosiereinrichtung (33) und einen Ablauf (32) für den vorgekalkten Rohsaft auf; der (erste) Wärmetauscher (20) weist einen Zulauf (21) für den alkalisierten Rohsaft und zumindest einen Ablauf (22) für den aufgeheizten gekalkten Rohsaft auf; der Zulauf (21) steht mit dem Ablauf (12) der ersten Alkalisierungseinrichtung (10) in Fluidverbindung und der Ablauf (22) steht mit dem Zulauf (31) der Vorkalkungseinrichtung (30) in Fluidverbindung.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist eine erste Alkalisierungseinrichtung (10), eine Vorkalkungseinrichtung (30) und einen dazwischen geschalteten ersten Wärmetauscher (20) sowie eine erste Hauptkalkungseinrichtung (40); eine zweite Hauptkalkungseinrichtung (60) und einen dazwischen geschalteten zweiten Wärmetauscher (50) auf; die erste Alkalisierungseinrichtung (10) weist einen Zulauf (11), eine Dosiereinrichtung (13) und einen Ablauf (12) auf; die Vorkalkungseinrichtung (30) weist einen Zulauf (31), eine Dosiereinrichtung (33) und einen Ablauf (32) auf; der (erste) Wärmetauscher (20) weist einen Zulauf (21) und einen Ablauf (22) auf; der Zulauf (21) steht mit dem Ablauf (12) der ersten Alkalisierungseinrichtung (10) in Fluidverbindung und der Ablauf (22) steht mit dem Zulauf (31) der Vorkalkungseinrichtung (30) in Fluidverbindung; die erste Hauptkalkungseinrichtung (40) weist einen Zulauf (41) für den Rohsaft, eine Dosiereinrichtung (43) und einen Ablauf (42) für den hauptgekalkten Rohsaft auf; die zweite Hauptkalkungseinrichtung (60) weist einen Zulauf (61) für den Rohsaft und einen Ablauf (62) für den hauptgekalkten Rohsaft auf; der zweite Wärmetauscher (50) weist einen Zulauf (51) für den hauptgekalkten Rohsaft und einen Ablauf (52) für den aufgeheizten hauptgekalkten Rohsaft auf; der Zulauf (51) steht mit dem Ablauf (42) der ersten Hauptkalkungseinrichtung (40) in Fluidverbindung und der Ablauf (52) steht mit dem Zulauf (61) der zweiten Hauptkalkungseinrichtung (60) in Fluidverbindung.
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3 zeigt die graphische Darstellung der Abhängigkeit der Dünnsaftfarbe von der gewählten Alkalität bei der erfindungsgemäßen ersten (frühen) Rohsaftalkalisierung.
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4 zeigt die graphische Darstellung der Abhängigkeit des Kalksalzgehalts des Dünnsafts von der gewählten Alkalität bei der erfindungsgemäßen ersten (frühen) Rohsaftalkalisierung.
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5 zeigt die graphische Darstellung der Abhängigkeit der Invertzuckerzunahme im Rohsaft von der Vorkalkungstemperatur und von der gewählten Alkalität bei der erfindungsgemäßen ersten (frühen) Rohsaftalkalisierung.
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6 zeigt die graphische Darstellung der Abhängigkeit des FK-Werts des Schlammsafts 1 von der Vorkalkungstemperatur und von der gewählten Alkalität bei der erfindungsgemäßen ersten (frühen) Rohsaftalkalisierung.
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Beispiel: Rohsaftreinigung mit früher erster Rohsaftalkalisierung
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1. Extraktion der Zuckerrübe
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Zuckerrüben, die frisch geerntet oder einige Zeit gelagert wurden, werden gewaschen und anschließend in einer Schneidmaschine mit Schneidwerk zerkleinert. Die zerkleinerten Rübenschnitzel werden über einen Maischenbehälter einer Gegenstromextraktionsanlage zugeführt und in dieser extrahiert. Die Temperatur bei der Extraktion beträgt etwa 75°C. Als Extraktor wird ein Turmextraktor eingesetzt, worin die Schnitzel im Gegenstrom mit dem aufgeheizten Frischwasser extrahiert werden. Als Extrakt wird der so genannte Zuckerrüben-Rohsaft gewonnen.
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2. Reinigung des Zuckerrüben-Rohsaftes
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2.1 Rohsaftalkalisierung
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Der technische Rohsaft wird in einem ersten Schritt in einem separaten Alkalisierungsbehälter durch Zugabe von Kalkmilch auf einen pH-Wert von 6,0 bis 11,0 alkalisiert; so genannte „Rohsaftvoralkalisierung”. Der Alkalisierungsbehälter ist ein beheizbarer Behälter mit Rührwerk, CO2 Einleitungsrohr und pH-Elektrode. Bei der Rohsaftvoralkalisierung wird der Rohsaft auf die erforderliche Vorkalkungstemperatur von etwa 55 bis 85°C erhitzt.
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2.2 Vorkalkung
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Die Kalkmilchzugabe zum Rohsaft bis zum pH-Wert des optimalen Flockungspunktes (pH-Wert 11,40) erfolgte progressiv (stufenweise im konkreten Fall wurden 7 Stufen gewählt) Die Zugabe erfolgt über 20 min und unter Kontrolle des pH-Wertes in bestimmten Zeitintervallen. Danach wurde eine 5-minütige pH-Pause durchgeführt.
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Bei der Vorkalkung tritt eine Ausflockung von Nichtsaccharosestoffen durch Koagulation der Nichtsaccharosestoffe untereinander und durch Fällung durch die zugegebene Kalkmilch statt.
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2.3 Hauptkalkung
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Nach erfolgter Vorkalkung wird der vorgekalkte Rohsaft in einem nachgeschalteten weiteren Alkalisierungsbehälter einer ersten kalten Hauptkalkung unterzogen. Dazu wird durch weitere Zugabe von Kalkmilch die Alkalität auf 1.0 g CaO/100 ml erhöht. Die Temperatur bei der heißen Hauptkalkung beträgt etwa 85°C; diese wird für etwa 20 min gehalten.
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2.4 Erste Carbonatation
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Die erste Carbonatation erfolgt bei 85°C unter Zudosierung von Kohlenstoffdioxid. Während der Zudosierung wird der pH-Wert wie oben beschrieben überwacht. Die Carbonatation erfolgt innerhalb von 15 min bis zu einem pH-Wert von 11,20.
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2.5 Zweite Carbonatation
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Der aus der ersten Carbonatation gewonnene Schlammsaft 1 wird mit einer Saugflasche über einen Büchner Trichter abfiltriert. Als Filtermaterial wird ein Rundfilter Fa. Schleicher & Schuell 589/1, Schwarzbandfilter, aschefrei (12 μm) benutzt. Das Filtrat der 1. Carbonatation wird in den gereinigten Reaktor zurückgegeben und weiter auf ca. 88°C erhitzt. Im Anschluss erfolgt die erneute Zugabe von Kohlenstoffdioxid bis sich ein pH-Wert des Saftes von 9,25 einstellt (innerhalb von 10 Minuten). Danach wird die Dosierung abgebrochen. Nach einer Nachreaktionszeit von 10 min wird der in der zweiten Carbonatation gewonnene Schlammsaft 2 ebenfalls filtriert (Rundfilter Fa. Schleicher & Schuell 5893, Blauband, aschefrei; 2 μm). Man erhält den Dünnsaft. Die Farbe und der Kalksalzgehalt des Dünnsaftes werden ermittelt.
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Das ausgefällte Calciumcarbonat wird nach der ersten Carbonatation in der ersten Filtration beziehungsweise nach der zweiten Carbonatation in der zweiten Filtration aus dem geklärten Rohsaft entfernt, sodass ein geklärter aufgereinigter Rohsaft erhalten wird. Das in der ersten und zweiten Filtration enthaltene Retentat wird in einem Schlammbehälter gesammelt und anschließend über eine Carbokalkpresse entwässert.
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3. Ergebnisse
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Die Ergebnisse der Versuche sind in den 3 bis 5 dargestellt.
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Es wurden signifikante Einflüsse der Rohsaftalkalisierung auf die Dünnsaftqualität (Farbe und Kalksalzgehalt) festgestellt. Die Dünnsaftfarbe nimmt mit zunehmender Vorkalkungstemperatur zu. Die Dünnsaftfarbe wird durch Alkalisierung des Rohsaftes reduziert. Der Einfluss der Rohsaftalkalisierung auf die Abnahme der Dünnsaftfarbe ist abhängig von der Vorkalkungstemperatur: Eine Abnahme der Dünnsaftfarbe von ca. 200 IE (bei einer Vorkalkungstemperatur von 50°C) und eine Abnahme der Dünnsaftfarbe von ca. 500 IE (bei einer Vorkalkungstemperatur von 80°C).
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Der Kalksalzgehalt des Dünnsaftes nimmt mit der Zunahme der Vorkalkungstemperatur zu. Der Kalksalzgehalt des Dünnsaftes nimmt mit der Alkalisierung des Rohsaftes bis zu einem optimalen pH-Wert ab. Der erforderliche pH-Wert des Rohsaftes vor seiner Anwärmung zur Erzielung des minimalen Kalksalzgehaltes des Dünnsaftes stimmt mit dem erforderlichen pH-Wert des Rohsaftes für die optimale Dünnsaftfarbe überein.
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Der durch Zufuhr von Alkalimittel einzustellende optimale Rohsaft-pH-Wert ist Temperatur abhängig und kann mit der folgenden empirischen Gleichung ermittelt werden: c[pH] = a[°C-1]·T[°C] + b (T = Vorkalkungstemperatur).
