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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für
die Herstellung von Kristallschlamm während des Kristallisationsschrittes
eines Fraktionierungsverfahrens für Speiseöle
und Fette und verwandte Ölderivate.
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Hintergrund der Erfindung
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Das
weitgehend unterschiedliche Verhalten von Speiseölen- und
Fetteigenschaften beruht auf der chemischen Eigenart ihrer Fettsäuren.
Wenn diese Fettsäuren eine Kettenlänge von 16
oder mehr Kohlenstoffatomen besitzen und ihre Kette völlig
gesättigt ist, resultieren daraus Triglyceride, die einen
Schmelzpunkt von über 60°C aufweisen. Andererseits,
wenn die Kohlenstoffketten der Fettsäuren mehr als eine
Doppelbindung enthalten, dann resultieren daraus Triglyceride mit
einem viel niedrigerem Schmelzpunkt.
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Speiseöle
sind Naturstoffe, die durch eine Verarbeitung von landwirtschaftlichen
Produkten erhalten werden können. Diese Produkte können Ölsamen
im Falle von vegetarischen Ölen und Fetten sein oder sie können
auch tierischen Ursprungs sein, wie im Fall bei Rindfleisch oder
Hammeltalg, Schmalz und Fischöl. Sowohl vegetarische als
auch tierische Öle und Fette weisen eine große
Varietät von verschiedenen Fettsäuren im Hinblick auf
ihre Kettenlänge, dem Grad ihrer Ungesättigtheit,
die Position der Doppelbindungen in der Kohlenstoffkette und der
geometrischen Konfiguration der Doppelbindungen auf.
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Wenn
die Triglyceride auch nur einen einzigen Typ von Fettsäuren
enthalten würden, würde die enorme Vielfalt der
verschiedenen Fettsäuren bereits Speiseöle und
Fette von einer komplexen Mixtur verschiedener Triglyceride aufweisen.
Allerdings enthalten Triglyceride generell zwei oder drei verschiedene
Typen von Fettsäuren, so dass die Anzahl der verschiedenen
Triglyceride in Speiseölen und Fetten tatsächlich
sehr hoch ist. Dementsprechend ist das Kristallisationsverhalten
der Speiseöle und Fette verglichen mit der Kristallisation reiner
Komponenten, wie zum Beispiel Zucker oder Zitronensäure,
die in der Nahrungsindustrie verwendet werden, Chemikalien wie zum
Beispiel p-Xylen oder Terephtalsäure aus der petrochemischen
Industrie und insbesondere anorganische Salze wie Natriumchlorid
oder Natriumkarbonat, grundlegend unterschiedlich.
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Die
Situation wird umso komplizierter, da Triglyceride polymorph kristallisieren
können, so dass verschiedene Kristallmorphologien entstehen.
Wenn sie nicht sehr verschieden sind, können chemisch verschiedene
Triglyceride gemischte Kristalle bilden, die ihre Löslichkeit
beeinflussen. Zudem enthalten Speiseöl- und Fettprodukte,
die in der Industrie gebraucht werden, immer partielle Glyceride
(Mono- und Diglyceride) und ihre Konzentration variiert. Einige
dieser partiellen Glyceride verzögern das Kristallwachstum
und beeinflussen deswegen den Kristallisationsprozess von Speiseölen,
der deswegen schwieriger zu kontrollieren ist, als die Mehrheit
der industriellen Kristallisationsprozesse.
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Fettkristallisation
beeinflusst eine große Anzahl von Nahrungsmitteln und Prozessen.
So soll um Beispiel Schokolade so zur Verfügung gestellt
werden, dass sie spontan bricht und Margarine sollte vor dem Oiling-out
geschützt werden. Auf der anderen Seite sollten die Kristalle
von Butterfett auf den Boden eines Behälters sinken und
den Überstand klar zurücklassen. In Blätterteig
sollten die Fettkristalle das Produkt mit einer Plastizität
ausstatten; in physikalisch gereifter Creme sollten die Kristalle
den Prozess der Butterns unterstützen; im Trockenfraktionierungsprozess
sollten die Kristalle es ermöglichen, das Öl von
dem Stearin zu trennen. Diese verschiedenen Ansprüche können
nur durch verschiedene Kristallmorphologien befriedigt werden, denn das
Herstellen dieser verschiedenen Morphologien erfordert die Verwendung
von verschiedenen Kristallisationstechniken: der Anlassprozess bei
der Schokolade, schabende Wärmeaustauscher für
Margarine, ein langsames Kühlen für Butterfett,
Ausdauer bei Sahne, sowie verschiedene Prozesse für die
Fraktionierung von Speiseölen und Fetten.
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Diese
verschiedenen Fraktionierungsverfahren können in drei Kategorien
eingeteilt werden: Lösungsmittelfraktionierung, Detergensfraktionierung
und Trockenfraktionierung. Weil die Lösungsmittel, die
bei dem Lösungsmittelfraktionierungsverfahren benutzt werden,
entzündlich sind, ist der Bau einer explosionsgeschützte
Extraktionsanlage teuer und die Energierückgewinnung der
Lösungsmittel ist auch ein energieintensiver Prozess. Aus
diesem Grund werden keine neuen Lösungsmittelfraktionierungsanlagen
mehr gebaut. Der Detergensfraktionierungsprozess eignet sich besser
für die Selektivität als der Trockenfraktionierungsprozess, aber
seit dem der letzte Prozess im Hinblick auf die Selektivität
und Ölausbeute verbessert wurde, wurden auch keine neuen
Detergensfraktionierungsanlagen weiter aufgebaut. Folglich wird
im Moment der gesamte Entwicklungsaufwand direkt auf den Trockenfraktionierungsverfahren
gerichtet.
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In
diesem Verfahren werden die Speiseöle oder Fette, die fraktioniert
werden sollen, komplett geschmolzen, einige Zeit erhitzt, um das
Kristallgedächtnis auszulöschen, um sie dann in
einer kontrollierten Weise zu kühlen. Dies wird allgemein
in einem Kessel ausgeführt, der ein Rührwerk und
Wärmeaustauscherelemente besitzt, aber auch der Gebrauch
von Blechwannen, die sich durch einen Kühlungstunnel bewegen,
wurde in der
EP 0 798 369 beschrieben.
Der Kühlungsschritt ist langsam (mehrere Stunden) und die
Industrie wendet verschiedene Kühlungsprofile für
verschiedene Fette und Öle an und es besteht eine große
Variationsmöglichkeit für die Kristallisationszeit.
Nachdem bei der Kristallisation beobachtet wird, dass sie ein gewisses
Level erreicht hat, wird der Kristallisationsprozess unterbrochen.
Dies kann dadurch geschehen, dass der Kühlungsprozess unterbrochen
wird und der Kristallisationsinhalt einem Filter zugeführt
wird oder dadurch, dass der Kristallschlamm zu einem Haltekessel
zugeführt wird, von wo aus die Filtrationseinheit mit dem
Kristallschlamm gespeist wird und in ein Filtrat getrennt wird,
das allgemein als Olein und als Filterkuchen, nämlich das
Stearin, bezeichnet wird. Solch eine Filtrationseinheit kann eine
Düse, eine kegelförmige Siebzentrifuge, wie es
in dem
US-Patent 4,542,036 beschrieben
wird, eine Membranpresse, eine Vakuumglocke oder Trommelfilter sein
Das Verhalten dieser Trennungseinheit ist hinsichtlich der Stearineigenschaften,
Produktausbeuten und der Ökonomie von diesem Prozess als
sehr kritisch zu bewerten. Wenn mehr Olein in dem Filterkuchen zurückgehalten
wird, wird die Fraktionierung weniger selektiv und die Stearineigenschaften
verschlechtern sich und die Oleinausbeute nimmt ab. Dies ist im
Speziellen in Vielstufenfraktionierungsverfahren nachteilig, wo
diese schädlichen Effekte multipliziert werden. Entsprechend
werden Unternehmungen getroffen, um Stearinfilterkuchen mit einem
möglichst niedrigen Oleininhalt zu produzieren.
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Man
kann hierbei zwischen zwei Vorgehensweisen unterscheiden. Dabei
zielt die eine Vorgehensweise darauf ab, dass der Oleininhalt reduziert
wird, dadurch dass die Filtrationsstufe, wie bereits bei der Einführung
beschrieben, in dem Zentrifugen- oder dem Membranprozess eingebaut
wird und die andere Vorgehensweise zielt auf die Bildung der Kristalle
ab, die eine Morphologie aufweisen sollen, die irgendwie den Ablass des Öleins
während des Filtrationsprozesses fördern sollen.
Jedoch ist bis jetzt kein Konsens darüber, welche Kristallparameter
diesen Abfluss fördern oder wie man diesen spezifizieren
kann und selbst wenn dies so wäre, wäre es immer
noch eine individuelle Einschätzung, wie man diese Kristallisation
von Speiseölen und Fetten ausführt, um eine Reproduzierbarkeit
dieser Spezifikationen zu erhalten. Des Weiteren besteht bis jetzt
noch kein Konsens darüber, ob die Vorgehensweise die Kristallisationshardware
(Kristallisator, Wärmeaustauscher und Rührwerk)
oder die Kristallisationssoftware (das Temperaturprofil und die
Kontrolle) fokussieren sollte.
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Am
Anfang eines Batches des Kristallisationsprozesses wird das Öl
oder das Fett, das kristallisiert werden soll, etwa 10°C über
seinen Schmelzpunkt erhitzt, so dass es komplett geschmolzen ist.
Wird dies innerhalb eines Rührkessels ausgeführt,
der mit Wärmeaustauschern ausgestattet ist, beispielsweise
mittels, aber nicht darauf beschränkt, einer Spuleneinheit,
einer Doppelplatte oder vertikalen Flossen oder dergleichen, kann
der Heizprozess relativ schnell sein kann und eine große
relative Temperaturdifferenz zwischen dem Heizmedium in den Wärmeaustauschern
und dem Öl oder dem Fett, dass erhitzt wird, kann toleriert
werden. Wenn der Kessel mit einem geschwindigkeitseinstellbaren
Rührwerk ausgestattet wird, so kann dieses auch bei der
maximalen Geschwindigkeit rühren, so dass das den Hitzetransferkoeffizient
ansteigen lässt.
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Andererseits
erfordert das Kühlen einen kleineren Temperaturunterschied
zwischen dem Hitzemedium und dem Öl oder Fett, insbesondere
wenn das Hitzemedium eine Temperatur aufweist, die unter dem Schmelzpunkt
des Öls oder des Fettes liegt, da eine zu große
Kälte an der Oberfläche der Wärmeaustauscher Kristalle
erzeugen kann, die sich auf der Oberfläche ablagern und
eine Kruste bilden, was einen Hitzetransfer verhindert. Der Kühlvorgang
kann schnell, bis der Trübungspunkt von dem Fett erreicht
wird, durchgeführt werden, sollte aber dann auf eine Rate
reduziert werden, die in der Größenordnung von
ungefähr 10°C pro Stunde liegt, um erhebliche
Unterkühlungen zu vermeiden.
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Kristalle
können nur in übersättigten (d. h. supergekühlten)
Schmelzen auftreten. Damit Kristalle überhaupt anfangen
können, brauchen sie einen Keim. Hinsichtlich der Keimbildung
wird ein Unterschied zwischen einer homogenen Keimbildung und einer
heterogenen Keimbildung gemacht. In dem erstgenannten Verfahren ordnen
sich die Triglyceridmoleküle so an, dass sie ein aufkeimendes
Kristall formen, welches dann anfängt zu wachsen. Dieser
Prozess braucht eine Unterkühlung von bis zu 30°C,
so dass in industrieller Praxis die Keimbildung nur heterogen ausgeführt
wird. Dies zeigt sich in dem bekannten Phänomen, dass Öle
schwieriger zu kristallisieren sind, da die heterogenen Keime, die
in dem Ausgangsstoff vorhanden sind, im Stearin konzentriert wurden,
weshalb es nur noch wenige im Olein gibt.
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Zusätzlich
zu den zwei primären Keimbildungsmechanismen, die bereits
erwähnt wurden, gibt es noch einen sekundären
Nukleierungsvorgang. Entsprechend einer Theorie werden sekundäre
Keime gebildet, wenn kleine Kristallite, sogenannte Embryos, von
der Kristalloberfläche entfernt werden und die kritische
Größe übertreffen. Dies bedarf einer
Oberfläche, die rau ist und einer Kristallwachstumsrate,
die so langsam sein muss, dass diese Cluster von der Kristallfläche
weg diffundieren können, bevor sie in den Kristall eingebaut werden.
Entsprechend einer anderen Theorie diffundieren Cluster von mehr
oder weniger orientierten Molekülen vom wachsenden Kristall
weg und manche von diesen können im Folgenden einen neuen
Keim bilden. Diese Theorien schließen sich nicht gegenseitig
aus und beide Theorien entsprechen in Übereinstimmung mit
den Beobachtungen, dass starke Rührvorgänge zu
einer Bildung von vielen kleinen Kristallen führen können,
die als Resultat einer sekundären Keimbildung betrachtet
werden. Wenn diese kleinen Kristalle mit größeren
Kristallen gemischt werden, die früher anfangen zu wachsen,
wird der resultierende Filterkuchen eine geringere Permeabilität
aufweisen und einen großen Teil des Öleins zurückhalten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Deswegen
ist es die Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen
für die Produktion von Kristallschlamm, während
des Kristallisationsschrittes des Fraktionierungsverfahrens von
Speiseölen und Fetten und verwandten Ölderivaten,
bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
den Gebrauch von internen Rührwerken zu vermeiden.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass dies gelöst werden kann, indem ein
Kristallisationsprozess für Speiseöle und Fette
in einem Kristallisator, mit einem stationären Wärmeaustauscherelement
ausführbar ist, bei dem die Inhalte des genannten Kristallisators
sich entlang des Wärmeaustauscherelementes in einer oszillierenden
Weise bewegen ohne das ein internes Rührwerk benötigt
wird.
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Die
oben genannte Aufgabe kann durch einen Trockenfraktionierungsprozess
für Speiseöle und Fette gelöst werden,
in dem ein Kristallschlamm entsprechend den oben genannten Verfahren
produziert wird und in eine Oleinfraktion und eine Stearinfraktion
getrennt wird.
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Die
oben genannte Aufgabe kann durch einen Kristallisator, mit stationären
Wärmeaustauscherelementen, für Speiseöle
und Fette und verwandte Derivate gelöst werden, dadurch
dass Mittel enthaltend sind, die die Inhalte von dem genannten Kristallisator
in einer oszillierenden Weise entlang der Wärmeaustauscherelemente
bewegen, ohne von einem internen Rührwerk Gebrauch zu machen.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Unterdrückung
des sekundären Keimbildungsvorgangs während der
Kristallisation von Speiseölen und Fetten der Schmelze.
Ein weiterer Vorteil ist die Verbesserung der Filtrationscharakteristika
des resultierenden Kristallschlamms und/oder der Oleinausbeute und/oder
der Stearineigenschaften.
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Die
Bewegung ist vorzugsweise eine druckinduzierte Bewegung, beispielsweise
eine durch Druckänderung induzierte Fluid- zu Fluid-Kommunikation
mit dem Inhalt im Kristallisator. Dadurch, dass man kein internes
Rührwerk verwendet, werden Scherrkräfte innerhalb
der kristallisierten Schmelze verringert, so dass der sekundäre
Keimbildungssmechanismus unterdrückt wird. Der Austausch
eines Rührwerkes gegen eine druckinduzierte Bewegung der
Schmelze, die entlang der Wärmeaustauscherelemente kristallisiert
ist, weist eine Anzahl weiterer zusätzlicher Vorteile auf.
Es werden die Konstruktionskosten des Kristallisators und der Energieverbrauch
während des Betriebs reduziert. Auch stellt es einen Hitzetransfer
sicher und begünstigt deswegen die Kristallisation, aber
auf einem schonungsvollen Weg, so dass das Wachstum der existierenden Kristalle
begünstigt und die Bildung neuer Kristalle benachteiligt
wird. Daraus resultiert, dass die Kristalle eine gleichmäßigere
Größe und Morphologie in dem Schlamm besitzen
als in Schlämmen, die dem bekannten Stand der Technik entsprechen,
welche mechanische Rührwerke benutzen. Diese Einheitlichkeit
vermeidet Filterkuchenverstopfungen und fördert die Entwässerung
des Kuchens, was im Speziellen vorteilhaft ist, wenn anschließend
eine konusförmige Siebzentrifuge für die Trennung
der Kristalle von ihrer Mutterlauge, dem Olein, verwendet wird.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, in einem kontinuierlichen
oder semikontinuierlichen Kristallisationsprozess zu arbeiten. Tatsächlich
kann die oszillierende Bewegung des Kristallisatorinhalts so eingestellt
werden, dass ein kontinuierlicher oszillierender Fluss den Kristallisatorkessel
oder die Kessel durchströmt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1–3 zeigen
Ausführungsformen von Kristallisatoren gemäß der
vorliegenden Erfindung, wobei die oszillierenden Bewegungen zu den
Inhalten des besagten Kristallisators übertragen werden,
mittels wiederholter Druckvariationen, die auf die Kristallisatorinhalte
ausgeübt werden. Die Figuren dienen die vorliegende Erfindung
zu illustrieren, wobei die Erfindung nicht auf diese speziellen
Konstruktionen und Beschreibungen begrenzt ist.
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Die 1 zeigt
eine Vorrichtung zur batchweisen Kristallisation und ein Verfahren
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei F ein Föhn und P ein Kolben ist und wobei
die oszillierende Bewegung auf die Inhalte der genannten Kristallisatoren,
mittels wiederholter Druckvariationen auf die Inhalte des Kristallistorinhalts übertragen
wird, beispielsweise durch die Verwendung einer pneumatisch oder
mechanisch getriebenen Oszillation des Oberteils oder des Bodens.
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2 illustriert
einen kontinuierlichen Kristallisationsprozess und eine Vorrichtung,
die eine externe Oszillation und zwei serielle Kesselzusammenstellungen,
bei verschiedenen Temperaturen T1 und T2 verwendet, beispielsweise
bei 30°C und 25°C gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die oszillierende
Bewegung auf die Inhalte des genannten Kristallisators, mittels
wiederholter Druckvariationen zu dem Inhalt des Kristallistorinhalts übertragen
wird, wobei I für das einkommende heiße Öl
steht, beispielsweise Palmöl bei 50°C, D1 ist
ein Dosierkolben, beispielsweise durch einen Kolben betrieben und
S zeigt eine Trennung, beispielsweise mittels Filter, eine Filterpresse
oder Zentrifuge. Der Aufbau des Kristallisators umfasst zwei Kessel,
die bei zwei verschiedenen Prozessbedingungen betrieben werden können,
zum Beispiel bei verschiedenen Temperaturen, wenn dieses gewünscht
wird.
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3 zeigt
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ein batchweises- oder semikontinuierliches Kristallisationverfahren
und eine Vorrichtung mit einer externen Oszillation, wobei die oszillierende
Bewegung auf die Inhalte des genannten Kristallisators übermittelt
wird, mittels wiederholter Druckvariationen auf die Inhalte des
Kristallistorinhalts über eine Seitenzuführung
und D2 ist ein kolbenbetriebener Oszillator oder ein Dosierkolben
und S zeigt einen Trennungsschritt, mittels eines Filters, einer
Filterpresse oder einer Zentrifuge.
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Detaillierte Beschreibung
von der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun bezüglich bestimmter Ausführungsformen
und in Bezug auf die Zeichnungen weiter erläutert. Die
in der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen sind
beispielhaft und nicht beschränkend für die Erfindung.
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Die
Vorrichtung und der Prozess der Erfindung kann für eine
große Vielfalt von Speiseölen und Fetten und ihrer
verwandter Derivate benutzt werden. Sie kann für Öle
und Fette genutzt werden, die derzeit durch standardisierte Trockenfraktionierungsprozesse
fraktioniert werden und sie kann auch dazu gebraucht werden, um
fraktionierte Produkte herzustellen, die gegenwärtig durch
Lösungsmittelfraktionierprozesse hergestellt werden, beispielsweise,
aber nicht ausschließlich, spezielle Süßwarenfette.
Aufgrund der mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des Verfahrens erhaltenen überraschenden Ergebnisse,
zeigt sich, dass die Erfindung den Anwendungsumfang von Fraktionierungen
von Speiseölen und Fetten erweitert. Die erfindungsgemäßen
Ausführungsformen der Vorrichtung oder des Verfahrens weisen
für den Trockenfraktionierungsprozess sowohl in ökonomischer
als auch in umwelttechnischer Hinsicht umfangreiche Vorteile auf,
wie: Eine relativ niedrige Investition, keine Ausbeuteverluste,
niedrige Energieaufwendungen und geringe umwelttechnische Auswirkungen,
da keine Chemikalien oder Lösungsmittel gebraucht werden
und keine Abwasser anfallen.
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Die Öle
und Fette, die in dem Prozess der vorliegenden Erfindung genutzt
werden können, können tierischen Ursprungs sein,
wie Rindfleischtalg, Hühnerfett oder Fischöl.
Sie können aber auch ein vegetarisches Öl oder
Fett sein, beispielsweise, aber nicht nur, Palmöl oder
Baumwollöl. Sie können ein direktes landwirtschaftliches
Produkt, ein Intermediat oder modifizierte Produkte sein, wie, aber
nicht nur, teilweise hydrogenierte Öle oder Fette sowie
durch Hydrierung gehärtes Sojabohnenöl, das von
Wachs befreit wurde, um Salatöl oder transhaltige, vegetarische Öle,
die als Vorstufen für Süßwarenfette benutzt
werden, zur Verfügung zu stellen. Es kann auch ein Fraktionierungsprodukt
sein, in dem Fall, bei dem das erfindungsgemäße
Verfahren als Vielstufenfraktionierungsprozess eingesetzt wird.
Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren fraktionierbare
Fett, kann auch ein Transesterfikationsprodukt sein, entweder aus
einer homogenen Transesterfikation oder von einer zufälligen
Anordnung oder von einer heterogenen Transesterfikation, auch als
direkte Transesterfikation bezeichnet, stammen.
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Das Öl
oder das Fett, das in dem Prozess der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, ist vorzugsweise teilweise raffineriert, weil dies den Vorteil
der Reproduzierbarkeit der Kristallisation aufzeigt. Der Phosphatidgehalt
sollte durch einen Entgummierungsprozess unter 10 ppm Phosphor reduziert
worden sein und der freie Fettsäuregehalt sollte vorzugsweise
durch einen Neutralisationsprozess unter 0,1 Gew.-% bezüglich
der Fettsäure liegen, wobei die Erfindung nicht auf diese
Werte beschränkt ist. Der Neutralisationsprozess kann jeglichen
Prozess umfassen, bei dem die chemische Neutralisation ätzende
Alkalichemikalien beinhaltet oder eine physikalische Neutralisation,
die eine Wasserdampfdestillation beinhaltet, um nur zwei Beispiele
zu nennen. Daher ist auch kein Bleichen der chemisch neutralisierten
Produkte vor dem erfindungsgemäßen Verfahren notwendig.
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Während
des Verfahrens, in dem das Öl oder Fett fraktioniert wird,
wird es vorzugsweise komplett geschmolzen und einige 10°C über
seinem Schmelzpunkt erhitzt, um die sogenannte Kristallerinnerung
zu löschen. Nachdem das zu verarbeitende Fett in geschmolzener
Form in einem Tank gelagert wird, kann dieses durch ein simples
Blech oder ein Rohrbündel-Wärmeüberträger
abgepumpt werden, der die Temperatur zu jeglichem Niveau erhöht,
das eingestellt ist. Bei dem Gebrauch eines externen Wärmeaustauscherelements, um
das Öl oder das Fett zu erhitzen, wird es vorgezogen, einen
Kristallisator oder ein Verfahren für die Heizvorhaben
entsprechend den Ausführungsformen zu verwenden. Der erstgenannte
ist einfacher, da er es erlaubt, ein Wärmeaustauscherelement
innerhalb von einem oder mehreren Kristallisatorkesseln zum Kühlen
zu gebrauchen, ebenso wie, um Zeit zu sparen.
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Der
Kristallisator, der für das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet wird, hat mit den meisten Kristallisatoren als
gemeinsames Merkmal, die gegenwärtig für die Trockenfraktionierung
von Ölen und Fetten benutzt wird, das einer oder mehrere
Kristallisatorkessel oder Abschnitte interne stationäre
Wärmeaustauscherelemente umfassen. Er unterscheidet sich
von den gegenwärtigen Kristallisatoren in der Weise, wie
bei dem im
US-Patent 4,202,859 beschriebenen
Kristallisator, dass dieser kein Rührwerk besitzt. Er kann
zwei oder mehrere (drei, vier, fünf usw.) Kommunikationskessel
aufweisen oder Abschnitte, die unabhängig voneinander gekühlt
werden können. Er hat ebenfalls auch Mittel, die das Öl
im Hinblick auf die Wärmeaustauscherelemente veranlassen,
sich in einer oszillierenden Weise zu bewegen.
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Die
Konfiguration von den internen Wärmeaustauscherelementen
ist im Einzelnen nicht kritisch. Es können spirale Rollen
sein, vertikale Röhren oder Rippen, die an der Kristallisatorwand
fixiert sind oder andere Typen von Wärmeaustauscherelementen,
die gewöhnlich benutzt werden, wie doppelt ummantelte Wärmeaustauscher.
Allerdings, da der Kristallisator, der in dem erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet wird nicht mit einem internem Rührwerk
ausgestattet ist, können die Wärmeaustauscherelemente
gleichmäßig über einen oder mehrere Kristallisatorkessel
oder Abschnitte verteilt werden. Dies verbessert im großen
Maße die Hitzetransfereffizienz. Sorgfalt ist nur hinsichtlich
einer großen ausreichenden Wärmeaustauscheroberfläche
geboten. Diese umfasst vorzugsweise mindestens einen Quadratmeter
pro Kubikmeter Kristallisatorkesselvolumen. Andererseits würde
eine zu große Oberfläche zu viel Kristallisatorkesselvolumen
in Anspruch nehmen und sollte daher weniger als 20 m2 pro
m3 Kristallisatorkesselvolumen betragen.
Der bevorzugte Bereich reicht von 3 bis 10 m2 pro
Kubikmeter Kristallisatorkesselvolumen. Vorzugsweise enthalten die
Kessel keine toten Zonen. Zum Beispiel halten die Wärmeaustauscherelemente
Fettkristalle nicht zurück, wenn, entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in dem Fall eines satzweisen Kristallisationsprozesses,
einer oder mehrere Kristallistorkessel am Ende eines Kristallisationszyklusses
geleert werden. Diese Vorkehrungen gelten auch für den
Fall eines kontinuierlichen Kristallisationsprozesses: Die Wärmeaustauscherelemente
stellen keine Totzone oder Hindernisse für den oszillierenden
Fluß des Kristallisatorinhalts dar. Entsprechend werden,
wenn der Kristallisator einen oder mehrere vertikale zylindrische
Kristallisatorkessel umfasst, vertikale Rohre oder Rippen über
Spiralenrollen bevorzugt.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren
bewegen sich die Inhalte von einem oder mehreren Kristallisatorkesseln
mittels Druckänderungen oszillierend entlang der Wärmeaustauscher,
beispielsweise mittels Gas (zum Beispiel Stickstoff oder CO
2 oder einer Mischung aus beiden), dass in
den Gasraum von den Kompartimenten, dem Hubkolben oder einem Dosierkolben
eingespeist und wieder abgegeben wird. Dies kann über eine
Vielzahl von Wegen erreicht werden. Es ist eine bevorzugte Methode
oszillierende Druckänderungen in einer Flüssigkeit
mittels Übertragung der Flüssigkeitsbewegung auf
den Inhalt des Kessels zu erzeugen. In einer Ausführungsform
umfasst der Kristallisator einen einzelnen vertikalen Kristallisatorkessel,
wobei dieser Kessel mit einem Seitenrohr in der Nähe des
Kesselbodens ausgestattet sein kann, so dass während des
Betriebs dieser mit Öl gefüllt werden kann. Wenn
dann das Volumen des Seitenrohrs verändert wird, wird das Öl
in dem Kessel entlang der Oberfläche des Wärmeaustauschers
in den Kristallisatorkessel bewegt. Ein System, um die Kesselinhalte
zu bewegen, das einen Hubkolben umfasst, wird in dem
US-Patent 3,723,069 beschrieben.
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In
einer anderen Ausführungsform ist der Kristallisatorkessel
horizontal oder fast horizontal ausgerichtet, um die Entleerung
zu begünstigen – und er ist mit Rohren, die an
den beiden Enden aufwärts geneigt sind und sich über
den Kessel erstrecken, ausgestattet. Dieser Kristallisatorkessel
sollte mit dem zu kristallisierendem Öl oder Fett so gefüllt
sein, dass der Kessel komplett voll ist und die aufwärts
gerichteten Rohre teilweise gefüllt sind. Wenn dann der Öllevel
in einem der aufwärts gerichteten Rohre verringert wird,
wird es in dem gegenüberliegenden Rohr innerhalb des Kessels
zu einem Anstieg kommen und das Öl wird sich entlang der Oberfläche
des Wärmeaustauschers bewegen. Wenn der Kessel nicht komplett
voll ist, wird sich das Öl auch entlang dieser Oberflächen
bewegen, wobei der Wärmeaustausch weniger effizient sein
wird.
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Eine
verbesserte Ausführungsform des Kristallisators wird in
der 1 gezeigt. Sie umfasst einen Kristallisatorkessel,
der in zwei verschiedene Abschnitte unterteilt ist, mittels einer
Teileinheit, welche eine luftdichte Dichtung an der Oberseite des
Kristallisators aufweist, aber nicht bis zum Boden des Kristallisators reicht,
so dass die zwei Abschnitte in der Tat als kommunizierende Kessel
betrachtet werden können, die es erlauben, den Kesselinhalt
in einer oszillierenden Bewegung entlang der stationären
Wärmeaustauscherelementen zu bewegen. In der Figur sind
die Abschnitte in gleicher Größe dargestellt,
aber die Erfindung ist nicht auf eine symmetrische Teilung des Kristallisators
oder auf nur zwei Abschnitte beschränkt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform eines Kristallisators
der vorliegenden Erfindung ist in der 2 beschrieben.
Dieser Kristallisator umfasst zwei verschiedene Kessel, die miteinander über
ein Rohr kommunizieren, der mit den genannten Kesseln verbunden
ist. Die Kristallisationstemperatur eines jeden Kessels kann unabhängig
ausgewählt werden, wenn dies gewünscht wird. Eine
Kristallisatorkonfiguration in der einer oder mehrere der genannten
Kessel einen oder mehrere Abschnitte umfassen, fällt auch
in den Umfang der vorliegenden Erfindung. Die 3 beschreibt
ein Beispiel eines Kristallisators, der aus einem Kessel mit einem
Abschnitt gemacht ist. Die Vorrichtung, die in den 2 und 3 gezeigt
wird, wird bevorzugt wenn ein kontinuierlicher oder semikontinuierlicher
Kristallisationsprozess gewünscht wird: Die oszillierende
Bewegung von dem Kristallisatorinhalt kann so bestimmt werden, dass
ein kontinuierlicher oder semikontinuierlicher Fluss zwischen dem
Kristallisatorkessel oder Kessel erhalten werden kann.
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Die
Wärmeaustauscherelemente, die in 1 und 3 gezeigt
werden, umfassen vertikale Rohre, die mit Kollektoren oder Verteilern
in dem oberen oder unteren Teil des Kessels verbunden sind. Es ist
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass diese einen
großen Freiraum bezüglich der Konstruktion der
genannten Wärmeaustauscherelemente, aufgrund des Nichvorhandenseins
eines internen Rührwerks, erlaubt. Die Ausführungsform,
die in der 1 gezeigt wird und nur als Beispiel
dient, umfasst ein einzelnes Bündel, welches von zwei Abschnitten
geteilt wird. Eine andere Konstruktion umfasst ein Kühlungsbündel
pro Kompartiment und wird ebenfalls vom Schutzumfang der Erfindung
erfasst.
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Wie
in der 1 gezeigt, kann eine oszillierende Bewegung dadurch
erzeugt werden, indem irgendein geeignetes Mittel für oszillierende
fluide Drücke, wie ein Ventilator oder ein Fön,
so innerhalb eines Rohres angeordnet wird, das es die beiden Kompartimente
verbindet, wobei die Verbindung zwischen dem Kanal und dem Kessel
in vorteilhafter Weise luftdicht ist, um einen Druck aufzubauen,
wenn der Fön rotiert. Wie in der 1 gezeigt,
kann dieser Fön in zwei Richtungen rotieren. Entsprechend
bestimmt die obengenannte Richtung der Rotation in welchem Kompartiment
es zu einem Druckanstieg kommt und somit von welchem Kompartiment
die Flüssigkeit gezwungen wird in das andere Kompartiment
zu fließen. Deswegen wird eine Änderung der Richtung
der Rotation eine oszillierende Bewegung des Kristallisatorinhalts
hervorrufen. Die Geschwindigkeit der Rotation des Föns
bestimmt die Höhe des Druckanstiegs und folglich die Amplitude
der oszillierenden Bewegung. Wie in der 1 gezeigt,
ist der Gebrauch eines Kolbens, der sich in dem Rohr befindet, das
die zwei Abschnitte des Kristallisatorkessels verbindet, ein anderes
Mittel, um eine oszillierende Bewegung zu generieren. Wie in den 2 und 3 gezeigt,
ist ein weiteres Mittel, um die oszillierende Bewegung zu generieren,
der Gebrauch eines Dosierkolbens. Diese Lösung wird gewählt,
wenn ein kontinuierlicher oder semikontinuierlicher Kristallisationsprozess
erwünscht wird.
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Amplituden
der oszillierenden Bewegung des Kristallisatorinhalts entlang der
stationären Wärmeaustauscherelemente haben sich
dann als wirksam herausgestellt, wenn sie in einem Bereich von 0.01
bis 0.50 m liegen, so dass dies die erfindungsgemäß bevorzugten
Werte sind, wobei der Gegenstand der Erfindung nicht auf diese exakten
Werte beschränkt ist.
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Indirekt
bestimmt die Änderungsrate der Geschwindigkeit mit der
der Fön rotiert oder der Kolben oszilliert die Bewegungsrate
des Kristallisatorinhalts. Die Frequenzen der oszillierenden Bewegung
des Kristallisatorinhalts entlang der stationären Wärmeaustauscherelemente,
die innerhalb von 0.1 bis 10 Hz liegen, haben sich als wirksam herausgestellt,
wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese Werte beschränkt
ist. Es hat sich auch etabliert, dass die lineare Geschwindigkeit
des Öls oder des Fettes hinsichtlich der fixierten Wärmeaustauscherelemente
in einem Bereich von 10 m/min auch wirksam zum Kühlen ist,
wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese exakten Werte beschränkt
ist.
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Jeglicher
geeignete Weg, um eine oszillierende Bewegung der Kristallisatorinhalte
zu generieren, wird von dem Schutzbereich der Erfindung erfasst.
Sie kann auch zum Beispiel durch den Gebrauch von komprimiertem
Gas generiert werden, wie Inertgas. Nicht limitierende Beispiele
sind Stickstoff oder CO
2 oder Mischungen
daraus oder sogar Luft im Falle von sehr stabilen Ölen
oder Fetten. In diesem Fall müssen die Kompartimente komplett
an der Oberseite geschlossen sein, so dass ihre Gasräume
verdichtet werden können und der Druck daraufhin über
ein Absaugventil entlassen werden kann. Noch weitere Mittel zum
Generieren von oszillierenden Bewegungen umfassen eine Pulskammer,
die mit einem Gaspuffer in Verbindung steht, die alternierend mittels
eines Kolbens komprimiert und expandiert wird. Solche Mittel sind
in der
US-Patentschrift 3,723,069 beschrieben
worden.
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Wie
in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 51 059 beschrieben, kann eine oszillierende
Bewegung auch dadurch realisiert werden, dass ein zyklischer, physikalischer
Kontakt zu einer Oberfläche des Öls oder des Fetts,
dass sich in dem genannten Kristallisator befindet, hergestellt
wird, beispielsweise mittels eines Schwimmers. Diese Konstruktion
hat den Vorteil, dass sie mechanisch sehr einfach ist. Trotzdem
ist die vorliegende Erfindung nicht durch irgendwelche Mittel begrenzt,
die in dieser Beschreibung offenbart werden, sowie andere mechanische
Anordnungen, die auch zu einer oszillierenden Bewegung des Öls
oder des Fettes, die sich in einem genannten Kristallisator befinden,
führen, fallen auch in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.
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Wenn
die Frequenz der oszillierenden Bewegung des Öls oder des
Fettes, welches in dem Kristallisator enthalten ist, zu der Eigenfrequenz
des Kristallisators korrespondiert (auch die sogenannte natürliche
resonante Frequenz), benötigt die Aufrechterhaltung dieser
Frequenz einen minimalen Energieaufwand. Wenn die geometrischen
Dimensionen des Kristallisators bekannt sind, ist der Betrieb des
Kristallisators bei der Eigenfrequenz bevorzugt, da es den Energiebedarf
minimiert, um die Bewegung des Öls oder des Fettes in dem Kristallisator
zu bewirken. Trotzdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese
bestimmte Frequenz beschränkt. In der Tat ist es von Vorteil,
dass in dem Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung, die Rate,
bei welcher das Öl oder das Fett sich entlang der Oberfläche
innerhalb eines oder mehrerer Kristallisationskessel des Wärmeaustauschers
bewegt, frei wählbar ist. Nur wenn ein hoher Kristallgehalt
das teilweise kristallisierte Öl oder Fett sehr viskos
macht, wird das System weiter unter Druck gesetzt, um den Kristallschlamm
entlang der Oberflächen des Wärmeaustauschers
vollständig kontrolliert zu führen.
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Nachdem
der Kristallisator mit dem geschmolzenem Fett oder Öl gefüllt
worden ist, um es entsprechend der vorliegenden Erfindung zu kristallisieren,
muss dieses Öl oder Fett derart gekühlt werden,
dass ein Schlamm aus einheitlichen Kristallen gebildet wird. Zu
diesem Zweck wird der Kühlungsprozess gestartet, während
sich die Inhalte des genannten Kristallisators entlang des Wärmeaustauscherelemente
bewegen, in einer Art und Weise wie zuvor beschrieben. Die Kühlung
wird durch die Zirkulation eines Hitzeaustauschmediums durch die
Wärmeaustauscherelemente generiert, wie, aber nicht darauf
beschränkt, Wasser, so dass die Temperatur kontrolliert
wird. Die Kontrolle kann durch einen eingebrachten Strom von gekühltem
Hitzeaustauschmedium in den zirkulierenden Strom bewirkt werden
und durch Sammeln und Kühlen des Überschusses,
der durch die Injektion verursacht wird.
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Der
einzuspeisende Betrag wird durch die aktuelle Temperatur des Hitzeaustauschermediums
und dem Temperatursollwertpunkt bestimmt, wobei dieser Sollwert
den Schwankungen des entsprechenden Batches oder wie vorher beschrieben
dem Zeittemperaturprogramm unterliegt. Beide, sowohl die Kontrollmethode,
die den Einsatz eines Temperaturunterschiedes bei der Temperatur
eines Batches benutzt, als auch die Zeittemperaturmethode verlassen
sich stark auf vorhergehende Erfahrungswerte der jeweiligen Ausführung des
zu kristallisierenden Öls und des Fettes. Einige Fette
haben sich als relativ leicht zum Kristallisieren herausgestellt
und ergeben einen Schlamm mit uniformen Kristallen, wenn sie relativ
schnell kristallisiert werden, wobei andere eine Paste hervorbringen,
die viele feine Kristalle enthält, wenn sie den gleichen
Kühlungsmethoden unterworfen wird.
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Da
es bei einen oder mehreren Kristallisationskessel oder Kompartimenten,
die in dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt
werden, an internem Rühren mangelt und da das Verfahren
darauf abzielt, uniforme und vorzugsweise große Kristalle
zu generieren und da diese Kristalle eine höhere Dichte
aufweisen als ihre Mutterlauge, sammeln sie sich in dem unteren
Teil des genannten Kessels oder Kompartiments an. Entsprechend kann
es vorteilhaft sein, eine Art des Mischens einzuführen,
beispielsweise eine Pumpe, die das Material vom Boden des Kessels
oder der Kompartimente sammelt und diesen in das Oberteil einleitet,
wobei entstehende starke Scherrkräfte soweit wie technisch
möglich vermieden werden. Die Pumpe kann auch dazu benutzt
werden, den Kristallisatorinhalt zu der Einrichtung zu transferieren,
die gebraucht wird, um die Kristalle von ihrer Mutterlauge zu trennen.
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Ein
Temperaturprofilbeispiel zur Darstellung der vorliegenden Erfindung
ist in Tabelle 1 gezeigt. Wenn dieses Temperaturprofil, in Kombination
mit den typischen Parameter der oben diskutierten Abschnitten, auf eine
Fraktion von Palmölen angewendet wird und wenn der feste
Fettinhalt (SFC, Solid Fat Content) von dem Schlamm 11% erreicht
hat, wird der Schlamm durch einen Membranfilter gepresst, wobei
ein Druck von 15 bar angewendet wird, was zu einem Filterkuchen
mit einem SFC-Gehalt von 53% führt. Tabelle 1
| Temp
(°C) | Ramp
(min.) | Isotherm
(min.) | Stufe
(min.) |
| 70 | - | - | 60 |
| 37 | 15 | 45 | 60 |
| 25 | 10 | 60 | 70 |
| 23 | 20 | 40 | 110 |
| 19 | 30 | 120 | 150 |
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Die
vorliegende Erfindung wurde mit einem Kristallisator ausgeführt,
der mit einem Wärmeaustauscher ausgestattet ist, wobei
die Oberfläche des Wärmeaustauschers 5.5 m2 pro Tonne des Öls oder Fettes beträgt;
dies korrespondiert mit einem typischen Wert, der im Bereich liegt,
der bei der der Öl- oder Fettkristallisation verwendet
wird, sowie innerhalb des bevorzugten Bereichs liegt, wobei ein
Schlamm mit uniformen Kristallen erhalten wird.
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Nachdem
eine ausreichende Kristallisation erhalten worden ist, wird ein
Batch einem Separationsprozess unterworfen, wobei ein flüssiges
Olein und festes Sterin erhalten wird.
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Dieser
Schritt wird am meisten bevorzugt mittels Filtration durchgeführt.
Obwohl die erhaltende Kristallmorphologie, die durch dieses Verfahren
gemäß der Erfindung hergestellt wird, ebenfalls
mittels Trommelfiltration oder einem beweglichen Vakuumbandfilter
durchgeführt wird, wird durch diesen Aufbau nicht der ganze
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht.
Folglich werden andere Mittel zur Trennung empfohlen. Neben den
Membranfilterpressen, die in industriellen Fraktionierungsanlagen
für Speiseöle und Fette gebräuchlich
sind, kann das Verfahren auch vollständig automatisiert
sein. Ein Trennungsprozess der sämtliche Vorteile zur Einheitlichkeit
von Fettkristallen nutzt, wird in der
US-Patentschrift
4,542,036 beschrieben.
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Das
erste Beispiel des Patents offenbart den Gebrauch eines Dekanters.
Obwohl dieser Apparaturtyp nicht den Kristallschlamm filtert, verdichtet
er den Feststoff in dem genannten Schlamm derart, dass die resultierende
Stearinfraktion vollständig mit dem Filterkuchen vergleichbar
ist, der durch den Membranfilterprozess erhalten wird. Allerdings
weist ein verdichteter Filterkuchen noch Flüssigkeit (Ölsäure)
zwischen den dicht gepackten dicken Kristallen auf. Eine Möglichkeit
diese Flüssigkeit zu mindestens teilweise zu entfernen
besteht darin, den Feststoff einer Zentrifugalkraft zu unterwerfen,
wobei die Ölsäure vom Feststoff getrennt wird,
so dass die flüssige Phase zwischen dem Feststoff durch
Luft ersetzt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass kegelförmige
Sieb- oder Düsenzentrifugen benutzt werden, die mit einer
Schnecke versehen sind, die mit einer Geschwindigkeitsdifferenz
relativ zum Sieb rotiert.
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In
der industriellen Praxis, hat sich diese letztere Ausführungsform
als sehr empfindlich bezüglich der Morphologie der Kristalle,
die von der Mutterlauge entfernt werden müssen, erwiesen:
wenn der Schlamm Kristalle enthält, die nur wenig größer
als die Poren des Filtersiebes sind, neigen diese die Poren zu verstopfen, so
dass die Durchlässigkeit des Filters herabgesetzt wird
und die Ölsäure über den Filter anstelle
durch den Filter fließt. Dies resultiert in einem „feuchten” Stearin,
was auf schlechte Trennungseigenschaften hinweist. Dennoch weist
die Einheitlichkeit der Kristalle, die durch das erfindungsgemäße
Verfahren herstellbar sind, sowie die nahezu vollständige
Abwesenheit von kleinen Kristallen, bei Verwendung von konusförmigen
Siebzentrifugen einen enormen Vorteil auf, nämlich: vollen
kontinuierlichen Betrieb, niedrigere Investitionen als bei einer
Membranpresse, wenig Platzbedarf, keine Notwendigkeit die Ausrüstung
in einen temperierten Raum aufzustellen sowie niedrige Instandhaltungskosten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0798369 [0008]
- - US 4542036 [0008, 0049]
- - US 4202859 [0030]
- - US 3723069 [0032, 0040]
- - DE 10251059 A [0041]