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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Herstellung von Klebstoffen aus Stärke, mit einem Stärkekocher,
in welchem eine Stärkedispersion
einer Dampfbehandlung ausgesetzt wird, einer Vorrichtung zum Zuführen von
Enzym und einer Reaktionsvorrichtung, in der das Enzym auf die Stärke einwirkt.
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Bei der Herstellung von Papierleim
wird eine Stärkepulverdispersion
mit einem Feststoffanteil von etwa 25 % einer Dampfbehandlung ausgesetzt.
Das dabei erfolgende Verkleistern oder Aufschließen der Dispersion wird als
Kochen bezeichnet. Bei der Dampfbehandlung erfolgt eine intensive
Vermischung des kondensierenden Wasserdampfes mit der Dispersion,
wobei die Verkleis terung der Stärke (oder
modifizierten Stärke)
in Stärkeleim
oder Klebstoff erfolgt. In
DE
199 35 741 A1 ist eine Vorrichtung zur Dampfbehandlung
einer Stärkedispersion
beschrieben, bei der die von der Stärkedispersion durchlaufene
Behandlungsstrecke eine Lochwand mit zahlreichen Löchern aufweist,
durch die Dampf eingeleitet wird. Die Behandlungsstrecke erweitert sich
in Fließrichtung
der Dispersion und an ihrem Auslass ist eine Drosselstelle vorgesehen.
Derartige Dampfbehandlungsvorrichtungen werden auch als Jetkocher
bezeichnet.
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Der Stärkedispersion wird vor oder
nach der Dampfbehandlung ein Additiv-Enzym zugegeben. Dieses hat
die Wirkung, dass es die 1angkettigen Stärkemoleküle, die beim Aufquellen der
Stärke
gebildet werden, in kürzere
Abschnitte aufspaltet. Die Aktivierung des Enzyms erfolgt in einer
Reaktionsvorrichtung, bei der es sich um einen Reaktionsbehälter mit
Rührwerksfunktion
handelt. Hierbei wird die hochviskose Paste, die beim dem Aufschließen der
Stärke
entstanden ist, durch Aufspalten der langkettigen Moleküle in einen
Klebstoff von niedrigerer Viskosität umgewandelt. Bei einer anschließenden Hochtemperatur-Dampfbehandlung
erfolgt eine Deaktivierung des Enzyms.
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Ein Anwendungsgebiet derartiger Verfahren ist
die Herstellung von Papier. Hierbei wird ein Blatt aus Zellulosematerial
mit Stärke-Klebstoff
beschichtet, wobei die Stärke
in das Blatt eindringt. werden Papierbahnen mit hoher Durchlaufgeschwindigkeit kontinuierlich
erzeugt oder beschichtet, muss der erforderliche Klebstoff zeitkonform
hergestellt und zur Verfügung
gehalten werden. Schwierigkeiten entstehen, wenn die weiterverarbeitende
Maschine beispielsweise wegen eines Zerreißens der Papierbahn angehalten
werden muss. Wird dann auch der kontinuierliche Prozess der Klebstoffherstellung
angehalten, so bleibt ein Teil des Stärkematerials zu lange in der
Reaktions vorrichtung, was zur Folge hat, dass dieses Material nicht
der gewünschten
Qualität
entspricht. Dadurch entsteht eine Materialmenge, die später die
Qualität
des Endproduktes beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur Herstellung von Klebstoffen, insbesondere für die Herstellung
von Papier, zu schaffen, die ein geringes Arbeitsvolumen hat und
eine Senkung des Enzymverbrauchs und des Dampfverbrauchs ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt
erfindungsgemäß mit den
im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist die Reaktionsvorrichtung, die
dem Stärkekocher
nachgeschaltet ist, ein Kreiselreaktor mit einem Rotor und einem
Stator, die eine kegelförmige
Reaktionsstrecke mit abwechselnden stationären und umlaufenden Zähnen bilden.
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Durch Verwendung des Kreiselreaktors
als Reaktionsvorrichtung wird erreicht, dass die Reaktionsvorrichtung
ein geringes Arbeitsvolumen hat und eine sehr intensive Durchmischung
der Hochviskosenstärkepaste
bewirkt, wobei das Enzym in feiner und gleichmäßiger Verteilung mit dem aufgeschlossenen
Stärkematerial
vermischt wird. Dadurch geschieht eine Senkung des Enzymverbrauchs
durch mehr Andockungsmöglichkeiten
des Enzyms an die Stärkemoleküle. Trotz
der geringen Verweilzeit der Reaktionsmasse in der Reaktionsvorrichtung
wird den Reaktanten ein vielfaches an Begegnungen angeboten, wodurch
der Reaktionsablauf verkürzt
wird. Der Kreiselreaktor führt
eine relativ hohe mechanische Energie in das Reaktionsgemisch ein.
Dies führt zu
einer Senkung des Dampfverbrauchs im Stärkekocher, weil die Reaktionstemperatur
etwa 10°C niedriger
ist als es bei Verwendung eines einfachen Rührwerks der Fall wäre. Demnach
kann ein Enzym eingesetzt werden, das bei einer geringeren Temperatur
wirksam ist. Ein solches Enzym wird auch bei einer niedrigeren Temperatur
deaktiviert, so dass die Deaktivierungsvorrichtung ebenfalls mit
niedrigerer Temperatur betrieben werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert ein
wesentlich geringeres Maschinen- und Apparatevolumen für den enzymatischen
Abbau als die bekannten Systeme. Komplexbildungen oder Retrogradation
sind durch die geringe Verweilzeit in der Vorrichtung nahezu ausgeschlossen.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin,
dass bei Betriebsunterbrechungen keine großvolumigen Reaktionsbehälter wassergespült werden
müssen,
sondern lediglich Räume
von wenigen Litern. Der Platzbedarf der Vorrichtung beträgt nur etwa
5 bis 10 % vergleichbarer Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
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Infolge der Kurzzeitreaktion im Kreiselreaktor
entstehen weniger unerwünschte
Abbauprodukte. Die Viskosität
und damit die Stärkekonzentration
sind in weiten Grenzen variabel, weil das Viskositätsmaximum
nicht wahrnehmbar ist, sondern innerhalb des Kreiselreaktors in
weniger als einer Sekunde abgebaut wird.
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Der Kreiselreaktor erzeugt mit den
ineinandergreifenden Zahnkränzen
von Rotor und Stator eine Durchmischung und Umschichtung der Verarbeitungsmasse,
wobei mittels mechanischer Hochfrequenz, die durch das Zusammenwirken
der Zähne und
Zahnlücken
entsteht, Energie, die der Zuführung von
Ultraschallenergie vergleichbar ist, in die Verarbeitungsmasse eingeleitet
wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung sind die stationären
und/oder umlaufenden Zähne
des Kreiselreaktors mit Durchlässen versehen,
die radial zur Drehachse des Rotors ver laufen. Diese Durchlässe verbessern
die Durchmischung des Stärkematerials,
wodurch dessen Oberfläche,
die mit den Enzymen in Kontakt kommt, während des Bearbeitungsvorganges
vergrößert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet kontinuierlich.
Dies bedeutet, dass das Material die gesamte Vorrichtung gewissermaßen in einer
Linie durchläuft
und nicht einzelne Teilmengen unterschiedlich lange in der Vorrichtung
verweilen.
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Vorzugsweise ist das Arbeitsvolumen
der Reaktionsstrecke des Kreiselreaktors kleiner als dasjenige des
Stärkekochers
und insbesondere kleiner als 70 %, vorzugsweise kleiner als 50 %,
als dasjenige des Stärkekochers.
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Der Auslass des Kreiselreaktors kann über eine
Rückführungsleitung
mit dem Einlass verbunden sein, die einen Teil des Materials abzweigt.
Auf diese Weise wird die Reaktions-Verweilzeit des Materials in
dem Kreiselreaktor erhöht.
Die Rückführungsrate,
d.h. das Verhältnis
von rezyklierter Materialmenge zu abgeführter Materialmenge beträgt vorzugsweise
zwischen 4 und 10. Es kann durch entsprechende Steuerung variiert
werden.
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Stärkekocher
und Kreiselreaktor, und
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2 einen
Ausschnitt aus einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit
einer Rückführungsleitung
an dem Kreiselreaktor.
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Die in 1 dargestellte
Vorrichtung zur Herstellung von Klebstoffen aus Stärke weist
einen Stärkekocher 10 auf.
In einem Gehäuse 11 befindet sich
ein Einsatz 12, der eine kanalförmige Behandlungsstrecke 14 bildet.
Die Behandlungsstrecke 14 ist horizontal angeordnet und
führt von
dem Einlass 15 zu dem Auslass 16.
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Anschließend an den Einlass 15 verengt
sich der Durchmesser der Behandlungsstrecke 14 zu einer
Drosselstelle 18. Von dort erweitert sich der Querschnitt
bis zur Stelle 17 größten Querschnitts. Daran
schließt
sich eine weitere Drosselstelle 20 an, an der sich der
Fließkanal
zunächst
verengt und dann wieder bis zum Auslass 16 erweitert.
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Zwischen den Stellen 17 und 18 befindet
sich eine Lochwand 21 mit zahlreichen düsenartigen Löchern. Die
Lochwand 21 ist von einem Ringkanal 22 umgeben.
Der Ringkanal ist an ein Rohr 23 angeschlossen, durch welches
Dampf zugeführt
wird. Bei dem Dampf handelt es sich um Sattdampf mit einem Druck
von 2 bar oder weniger und einer Temperatur von etwa 120°C.
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Dem Einlass 15 wird eine
Stärkedispersion zugeführt, die
aus einer Mischung aus Stärke
und Wasser besteht. Die Stärke
ist in dem Wasser als Stärkepulver
enthalten. In der Behandlungsstrecke 14 gelangt Dampf in
die Stärkedispersion.
Hierbei kondensiert der Dampf und die Stärke quillt auf und bildet eine
hochviskose Paste.
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Der Stärkekocher
10 entspricht
demjenigen, der in der Offenlegungsschrift
DE 199 35 741 A1 beschrieben
ist.
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Der Auslass 16 des Stärkekochers 10 ist
mit einer rohrförmigen
Haltestrecke 25 verbunden, in der der Stärkeaufschluss
fortgesetzt wird.
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Die Haltestrecke 25 bildet
den Einlass eines Kreiselreaktors 26. Dieser ist eine Stator-Rotor-Maschine
mit einem Stator 27 und einem Rotor 28. Der Stator
und der Rotor bilden gemeinsam eine Reaktionsstrecke 29 von
der Form eines Kegelmantels. Hierzu ist der Stator 27 als
Innenkegel und der Rotor 28 als Außenkegel ausgebildet. Die einander
zugewandten Kegelflächen
begrenzen die Reaktionsstrecke 29, die von dem Einlass 30 radial
nach außen
zu dem Auslass 31 führt.
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Der Stator 27 weist mehrere
Kränze
von Statorzähnen 35 auf,
die axial zum Rotor hin abstehen. Jeder Zahnkranz hat zahlreiche
durch Zahnlücken voneinander
getrennte Zähne 35.
In gleicher Weise hat der Rotor 28 mehrere Kränze von
Rotorzähnen 36.
Die Zahnkränze
der Statorzähne
und der Rotorzähne
wechseln einander ab, so dass die Rotorzähne 36 in die Lücken zwischen
den Zahnkränzen
der Statorzähne 35 hineinragen.
Die Statorzähne 35 haben
radiale Durchlässe,
so dass die Masse durch die Durchlässe nach außen fließen kann. Der Rotor 28 ist
mit einer Welle 33 verbunden, die von einem Motor angetrieben
wird.
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Die Zuführung von Enzym kann an unterschiedlichen
Stellen erfolgen. Entsprechende Vorrichtungen 40a, 40b und 40c zum
Injizieren von Enzym in die Stärkemasse
sind durch die Doppelpfeile bezeichnet. Die Vorrichtung 40a befindet
sich beispielsweise vor dem Einlass 15 des Stärkekochers 10.
Die Vorrichtung 40b befindet sich im Bereich der Haltestrecke 25 und
die Vorrichtung 40c führt
in die kegelförmige
Reaktionsstrecke 29 hinein.
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Die Stärkedispersion, die dem Einlass 15 zugeführt wird,
wird durch die Dampfbehandlung in der Behandlungsstrecke 14 aufgeschlossen,
so dass das Stärkematerial
eine zähe
Paste bildet, die am Auslass 16 eine Temperatur von etwa
60 bis 70°C
hat. In dem Kreiselreaktor 26 erfolgt ein Umschichten und Vermischen
des Stärkematerials
und des Enzyms, wobei in einer biochemischen Reaktion die Reaktanten
Stärkematerial
und Enzym großflächig in
Kontakt gebracht werden. Dabei docken die Enzyme an die Stärkemoleküle an, um
diese nachfolgend zu zerkleinern. Die Folge hiervon ist die Erzeugung
eines niedrigviskoseren Klebstoffes am Auslass 31 des Kreiselreaktors 26.
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Die in 1 dargestellte
Vorrichtung arbeitet im kontinuierlichen Durchlaufprinzip, wobei
das Stärkematerial
die Vorrichtung gewissermaßen
wie an einer Schnur durchläuft,
also ohne Verweilzeiten in Behältern.
Die Reaktionsstrecke 29 hat ein kleines Volumen. Wegen
des intensiven Einmischens der Enzyme in das Stärkematerial sind längere Verweilzeiten nicht
erforderlich. Infolge des Eintrages mechanischer Energie in das
Material erhöht
sich die Materialtemperatur auf etwa 65 bis 75°C am Auslass 31, wo das
fertige Produkt Klebstoff zur Verfügung steht. In einer anschließenden weiteren
Dampfbehandlung erfolgt eine Deaktivierung der Enzyme.
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In 2 ist
schematisch ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem der Auslass 31 mit einer Rückführungsleitung 37 verbunden
ist, die zu dem Einlass 30 bzw. zu der Haltestrecke 25 führt. Von
der Rückführungsleitung 37 zweigt
eine Abführungsleitung 38 ab.
Die Abzweigung ist so ausgebildet, dass der Anteil desjenigen Materials,
das durch die Rückführungsleitung 37 rezykliert
wird, wesentlich größer ist,
als der durch die Abführungsleitung 36 abgehende
Anteil, vorzugsweise beträgt
das Verhältnis
der beiden Anteile zwischen 4:1 und 10:1. Durch die Rückführungsstrecke 37 kann
die Reaktionszeit verlängert
werden.