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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur kontinuierlichen Erzeugung eines Laktose-Kristallisats aus einer wässrigen Laktose-Lösung.
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Wässrige Laktose-Lösungen fallen bei der Milchverarbeitung an, insbesondere als Ergebnis der Behandlung von Molke, der beispielsweise durch eine Membranfiltration wie etwa eine Ultrafiltration Eiweißstoffe entzogen wurden. Durch Entzug des Wasseranteils lässt sich aus der Lösung die Laktose als Feststoff gewinnen. Für die Kristallisation werden bisher üblicherweise Batch-Verfahren angewendet.
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Vielfach wird dabei einer wässrigen Laktose-Lösung zunächst durch eine Nanofiltration etwa 98% der enthaltenen Eiweißstoffe entzogen. Der dann z.B. 1–3% TS (hier und in Folgendem stets als Gew.-% Trockensubstanz) enthaltenden Laktose-Lösung wird anschließend z.B. durch Umkehrosmose Wasser entzogen, so dass sich ein Gehalt von etwa 5–8% TS ergibt. Die so vorkonzentrierte Lösung wird dann unter Verdampfung von Wasser (beispielsweise in einem Fallfilmverdampfer) auf etwa 70°C erwärmt und auf 60–70% TS hochkonzentriert und dann in eine Reihe von Kühlbehältern gefüllt und unter Bildung von Laktose-Kristallisat abgekühlt. Die einzelnen Kühlbehälter werden anschließend jeweils in eine Zentrifugenkombination (z.B. Dekanter und Siebschneckenzentrifuge) entleert, um das gebildete Laktose-Kristallisat von der Mutterlösung zu trennen. Die Mutterlösung wird weiter in Alternativprozessen aufgearbeitet, da eine Rückführung in die Verdampfung vor der Batch-Kristallisationsstufe wegen des mitgeführten Restgehalts an Eiweißstoffen, die in der Mutterlösung nun höher konzentriert sind, zu Viskositätsproblemen führen würde. Die Ausbeute an Laktose-Kristallisat liegt bei dieser bekannten Verfahrensweise üblicherweise im Bereich von 62–68%.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 03/075643 A2 ist ein Verfahren und eine Anlage zur kontinuierlichen Gewinnung von Laktose-Kristallisat aus einer wässrigen Laktose-Lösung bekannt, das zunächst eine Vorkonzentrierung der Lösung durch Wasserverdampfung auf 45–65 % Feststoffanteil und anschließend eine Hochkonzentrierung auf etwa 70–80 % Feststoffanteil vorsieht. Die hochkonzentrierte Lösung wird dann in eine kaskadenförmig geschaltete mehrstufige Anlage zur gleichzeitigen Konzentration, Kühlung und Kristallisation gegeben, in der die Laktose-Lösung durch einen Gasstrom so gekühlt wird, dass eine teilweise Kristallisation der Laktose erfolgt und sich der Feststoffanteil auf 78–88 % erhöht. Anschließend wird diese Suspension zur vollständigen Kristallisation in eine mit Heißluft betriebene Sprühkammer eingedüst, aus der ein Produkt mit 90–99 % Feststoffanteil abziehbar ist, wobei 70–100 % des darin noch enthaltenen Wassers als Laktose-Monohydrat-Kristalle gebunden sind. Die einzelnen Stufen der Anlage zur gleichzeitigen Konzentration, Kühlung und Kristallisation sind dabei jeweils als horizontale zylinderförmige Behälter ausgebildet, deren Volumen nur teilweise mit Lösung gefüllt ist und durch deren Längsachse eine mit Paddeln besetzte, angetriebene Welle verläuft, die die Lösung unter ständiger Umwälzung in die nächste Stufe fördert, wobei die Luft zur Kühlung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels durch den Behälter geführt wird. Dieses Verfahren erfordert eine vergleichsweise aufwendige Anlagentechnik und einen hohen Energieaufwand zum Betrieb.
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Ein anderes Verfahren zur Gewinnung von Laktose-Kristallisat ist aus der Offenlegungsschrift
WO 2012/047122 A1 bekannt, das ausgeht von einer Laktose-Lösung mit weniger als 80 % Feststoffanteil. Diese Lösung wird in einem Wärmetauscher, insbesondere einem Steigfilm- oder einem Thermosyphon-Wärmetauscher, auf 50–90 ºC erhitzt und in einen Verdampfungsbehälter geführt, in dem Wasser verdampft und Laktose kristallisiert. Der Wärmetauscher ist dabei in einen Kreislauf mit dem Verdampfungsbehälter geschaltet, so dass die Lösung mit dem gebildeten Kristallisat als Suspension umläuft. Ein Teilstrom der Suspension wird kontinuierlich ausgeschleust und beispielsweise einem Hydrozyklon zugeführt, in dem durch Abtrennung von Mutterlösung, die zurückgeführt wird, eine Suspension mit erhöhtem Feststoffgehalt erzeugt wird. Die so erhaltene Suspension wird dann in batch-weise betriebene Abkühltanks gegeben, in denen durch weitere Kristallisation infolge der Abkühlung des mitgeführten Lösungsanteils die ursprüngliche Korngröße des im Verdampfungsbehälter gebildeten Kristallisats noch weiter erhöht wird. Die aus den Abkühltanks abgeführte Suspension wird danach dekantiert und die abgetrennte Mutterlösung aus dem Prozess ausgeschleust. Das gewonnene feuchte Kristallisat wird gewaschen, zentrifugiert und abschließend getrocknet.
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Aus der Patentschrift
US 4 955 363 A ist ein Verfahren zur Gewinnung von Laktose-Kristallisat aus Molke bekannt, das zunächst eine mehrstufige Fallfilmverdampfung bei einer maximalen Temperatur von 75°C durchläuft und auf beispielsweise 58% TS konzentriert wird. Die so konzentrierte Lösung wird dann in einen Kristallisationstank eingefüllt und darin unter Rühren der Lösung über einen Zeitraum von mehreren Stunden mit einer Abkühlrate von 2°C/h auf 15°C abgekühlt, wobei aus der Lösung Laktose-Kristallisat ausfällt. Der Kristallisationstank wird über eine Dekanter-Zentrifuge entleert, in der das Laktose-Kristallisat von der Mutterlösung getrennt wird. Die Mutterlösung wird in einen Zwischenspeicher geleitet, während das Kristallisat gewaschen und nach einer Zentrifugierung getrocknet wird. Die in der Zentrifuge von dem gewaschenen Kristallisat abgetrennte Mutterlösung wird ebenfalls in den Zwischenspeicher geleitet. Die Mutterlösung im Zwischenspeicher wird einer Aufreinigung unterzogen, indem der pH-Wert auf 5.8–7,9 eingestellt und die Mutterlösung auf 60–70°C erwärmt wird. Die dabei ausgefällten Feststoffe werden entfernt durch Zentrifugieren. Die dabei abgetrennte Mutterlösung wird einer chromatografischen Fraktionierung unterzogen, die drei Fraktionen liefert, nämlich eine abzuführende Protein-Fraktion, ferner eine Mittelfraktion, die Laktose und sonstige Verunreinigungen enthält und in die chromatografische Fraktionierung zurückgeführt wird, und eine Laktose-Fraktion, die in den Kristallisationstank zurückgeführt wird.
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Die Offenlegungsschrift
DE 198 39 209 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung von Laktose-Kristallisat aus Molke, das nach einer Eiweiß-Entfernung durch Ultrafiltration zur Aufkonzentrierung der Molke eine Nanofiltration einsetzt, wobei 80–90% der Lösung in das Permeat (Wasser und Salze) überführt werden. Das an Laktose übersättigte Retentat wird in einen Kristallisationstank gegeben, in dem durch Zusetzen von Impfkristallen und optionales Kühlen ein Laktose-Kristallisat gebildet wird. Das Kristallisat wird durch Dekantieren abgetrennt, dann gewaschen und getrocknet. Die Mutterlösung wird zumindest teilweise vor die Nanofiltration zurückgeführt.
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Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Laktose aus ultrafiltrierter Molke ist aus der Offenlegungsschrift
US 2006/0278217 A1 bekannt. Dabei wird die Molke zunächst einer Ionenaustausch-Behandlung mittels einer anionischen und einer kationischen Harzfüllung in zwei hintereinander geschalteten Kolonnen unterzogen und anschließend in nicht näher beschriebenen Verfahrensstufen durch Wasserverdampfung konzentriert und kristallisiert. Nach der Kristallisation der Laktose wird das Kristallisat abgetrennt und die Mutterlösung ganz oder teilweise zur Regeneration der Harzfüllungen in den Kolonnen zurückgeführt. Die abgetrennte Mutterlösung kann aber auch ganz oder teilweise einer chromatografischen Behandlung unterzogen werden, aus der einerseits eine an Laktose angereicherte Fraktion und andererseits ein Raffinat gewonnen wird, welches zur Regeneration der Harzfüllungen eingesetzt werden kann.
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Von den vorstehend beschriebenen Verfahren der Laktose-Gewinnung weist lediglich die Offenlegungsschrift
WO 03/075643 A2 eine kontinuierlich betriebene Verfahrensstufe zur Kristallisation der Laktose auf. Die dafür vorgesehene Apparatur stellt jedoch eine vergleichsweise aufwendige, mit einem Kühlluftstrom betriebene mechanische Einrichtung dar. Die bisher üblicherweise benutzten batch-weise betriebenen Kristallisationstanks sind zwar bautechnisch sehr einfach ausgebildet, erfordern aber nicht nur einen erheblichen Platz- und Verrohrungsaufwand für eine Mehrzahl paralleler Tanks, sondern bedingen auch einen erheblichen Aufwand für die regelmäßigen Reinigungsarbeiten an den entleerten Tanks, um einer Kontamination durch Bakterien vorzubeugen.
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Bei der Laktose-Gewinnung ist es generell erwünscht, den Feststoff in Form des Laktose-Monohydrats zu erhalten, und zwar in einer möglichst konstanten Qualität. Diese lässt sich im Allgemeinen am besten durch eine kontinuierliche Verfahrensführung erreichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlage zur Erzeugung eines Laktose-Monohydrat-Kristallisats aus einer kontinuierlich zugeführten wässrigen Laktose-Lösung dahingehend zu verbessern, dass die Erzeugung des Laktose-Kristallisats bei möglichst gleich bleibender Qualität mit energetisch sowie betriebs- und anlagentechnisch möglichst geringem Aufwand und bei möglichst hoher Ausbeute gewährleistet wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anlage zur kontinuierlichen Erzeugung eines Laktose-Monohydrat-Kristallisats aus einer kontinuierlich zugeführten wässrigen und auf etwa 5–8% TS vorkonzentrierten Laktose-Lösung, aus der die ursprünglich enthaltenen Eiweißstoffe durch eine Membranfiltration weitgehend (95–99% des ursprünglichen Gehalts) entfernt wurden, so dass allenfalls geringfügige Restmengen an Eiweiß vorhanden sind. In dieser Anlage wird die vorkonzentrierte Lösung unter Wärmezufuhr in einem Fallfilmverdampfer hochkonzentriert und anschließend einem kontinuierlichen Kühlkristallisator zur Laktose-Kristallisation zugeführt, aus der dann eine Laktose-Suspension abgezogen wird, die nach Abtrennung der mitgeführten Lösung das Produktkristallisat bildet. Zweckmäßig wird am Ausgang des Fallfilmverdampfers die Temperatur der Lösung im Bereich von etwa 50–90ºC gehalten und die Lösung auf einen Gehalt von 60–80% TS gebracht. Die kontinuierliche Kühlkristallisation im Kühlkristallisator erfolgt bei 10–55ºC unter ständiger Umwälzung der Suspension z. B. durch Rühren oder Umpumpen in einem Kreislauf. Das Produktkristallisat wird unmittelbar, d.h. ohne weitere Kristallisationsschritte, aus der Suspension, die aus dem Kühlkristallisator abgezogen wurde, durch Fest/Flüssig-Trennung gewonnen. Selbstverständlich schließen sich daran die üblichen weiteren Aufbereitungsschritte für das Kristallisat an wie etwa die Kristallwäsche und die Trocknung. Wesentlich für die Steigerung der Ausbeute ist es, dass ein Teil der vom Produktkristallisat abgetrennten Mutterlösung durch eine Mutterlösungsrückleitung vor den Eingang des Fallfilmverdampfers zurückgeführt und nur ein Rest der Mutterlösung abgestoßen wird. Typischerweise lassen sich so Ausbeuten im Bereich von etwa 75–85% erreichen.
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Charakteristisch für die Erfindung ist es, dass in dem dem kontinuierlichen Kühlkristallisator vorgeschalteten Wärmetauscher, also in dem Fallfilmverdampfer keinerlei Kristallisatbildung stattfindet, sondern die Kristallisation ausschließlich in der kontinuierlichen Kristallisationsstufe stattfindet. Sämtliche Verfahrensstufen finden in einer kontinuierlichen Betriebsweise statt und sorgen für eine gleich bleibende hohe Produktqualität.
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Grundsätzlich ist es selbstverständlich möglich, im Kühlkristallisator eine Oberflächenkühlung vorzusehen. Zweckmäßigerweise wird der Kühlkristallisator aber an eine Vakuumerzeugungseinrichtung angeschlossen und mit einer kontinuierlichen Vakuumkühlung betrieben, um den Zeit- und Platzbedarf sowie den Energieaufwand möglichst niedrig zu halten. Eine kontinuierliche Vakuumkühlkristallisation schützt wegen des nach außen vollständigen Abschlusses sehr gut vor der Gefahr einer Kontamination durch Bakterien und ermöglicht daher auch eine erhebliche Einsparung an Reinigungsaufwand gegenüber einer batch-weisen Kristallisation.
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Hinzu kommt der Vorteil, dass bei der Vakuumerzeugung aus dem Kühlkristallisator ständig Wasserdampf abgezogen wird und somit nach dem Fallfilmverdampfer noch eine weitere Reduzierung des Wasseranteils in der Lösung bewirkt wird, die die Gesamtausbeute an Laktose-Kristallisat der Erfindung erhöht. Im Übrigen verringert sich gegenüber einem batch-weise betriebenen Kristallisator, wie er bisher üblich ist, bei einem kontinuierlich betriebenen Kühlkristallisator auch der Aufwand für die Verrohrung und Ventile.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Kühlkristallisation im Kühlkristallisator im Temperaturbereich von 35–50ºC vorzunehmen, insbesondere bei etwa 40°C. Diese Art der Kristallisation ermöglicht im Vergleich zu bekannten Verfahren und Anlagen sehr hohe Kristallisationsleistungen bei vergleichsweise geringem Anlagenaufwand.
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Der Fallfilmverdampfer wird zweckmäßig bei 65–75 ºC, bevorzugt bei etwa 70 ºC betrieben. Vorzugsweise wird der Wasserentzug in dem Fallfilmverdampfer so weit getrieben, dass die Laktose-Lösung danach einen Feststoffgehalt von 65–70% TS aufweist. Für den Fall, dass die Vorkonzentrierung der Laktose-Lösung durch Wasserverdampfung erfolgt, ist dabei der große Vorteil gegeben, dass die Beheizung des Fallfilmverdampfers sich sehr gut in das zweckmäßig auf ähnlichem Temperaturniveau angesiedelte Wärmemanagement insbesondere einer mehrstufigen Vorverdampfung integrieren lässt.
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In manchen Fällen ist es im Hinblick auf das Wärmemanagement vorteilhaft, den Fallfilmverdampfer als Anlage mit mehreren hintereinander geschalteten Stufen vorzusehen.
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Mit besonderem Vorteil wird der zum Fallfilmverdampfer zurückzuführende Teil der vom Produktkristallisat abgetrennten Mutterlösung zuvor einer Abtrennung von Eiweißstoffen unterzogen. Hierzu kann in die von der Fest/Flüssig-Trenneinrichtung zum Fallfilmverdampfer führende Leitung eine Membranfilteranlage (z.B. Mikro-, Ultra- oder Nanofilteranlage) zur Abtrennung von Eiweißstoffen eingeschaltet sein. Dadurch können sonst zu erwartende Probleme hinsichtlich einer starken Viskositätserhöhung vermieden werden, so dass sogar Steigerungen der Ausbeute auf Werte von über 80% bis zu 95% ermöglicht werden. Der Aufwand für diese zusätzliche Membranfilteranlage ist vergleichsweise gering, da die zu bewältigenden Massen wesentlich geringer sind als bei der Vorbereitung der vorkonzentrierten Laktose-Lösung. Es reicht eine kleine und entsprechend kostengünstige Anlage hierfür aus.
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Im Hinblick auf eine möglichst gute Produktqualität, d.h. einen möglichst hohen Reinheitsgrad des Laktose-Monohydrat-Kristallisats empfiehlt es sich, den zum Fallfilmverdampfer zurückzuführenden Teil der Mutterlösung einer Mineralstoff-Fällung und -Abtrennung zu unterziehen. Dabei geht es insbesondere um die Entfernung von Kalzium und Phosphaten, die bei der Laktose-Kristallisation ebenfalls kristallisieren könnten und das Produkt verunreinigen würden. Dem entsprechend kann vorgesehen sein, in die von der Fest/Flüssig-Trenneinrichtung zum Fallfilmverdampfer führende Leitung eine Einrichtung zur Fällung und Abtrennung von Mineralstoffen (insbesondere Kalzium und Phosphate) einzuschalten, um ein besonders reines Produkt erzeugen zu können.
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Eine erfindungsgemäße Anlage ist ausgestattet
- – mit einer als kontinuierlich betreibbarer Kühlkristallisator mit Zwangsumwälzung ausgebildeten Kristallisationseinrichtung,
- – mit einem eine Zuleitung für vorkonzentrierte Laktoselösung aufweisenden Fallfilmverdampfer, aus dem heraus eine Zuleitung für hochkonzentrierte Laktoselösung zur Kristallisationseinrichtung führt,
- – mit einer Fest/Flüssig-Trenneinrichtung, in die durch eine Suspensionsleitung Kristallsuspension aus der Kristallisationseinrichtung einleitbar ist und
- – mit einer Mutterlösungsrückleitung, durch die ein Teil der in der Fest/Flüssig-Trenneinrichtung abgetrennten Mutterlösung an den Eingang des Fallfilmverdampfers rückführbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Anlagenschema der Erfindung,
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2 ein Anlagenbeispiel mit Fallfilmverdampfer und Kühlkristallisator.
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Das in 1 beispielhaft dargestellte Anlagenschema sieht vor, dass aus einer nicht dargestellten Quelle (z.B. Käseherstellung) eine wässrige Laktose-Lösung L0 zunächst einer Membranfiltration NF (beispielsweise Nanofiltration) zugeführt wird, in der beispielsweise 98% der ursprünglich enthaltenen Eiweißstoffe entzogen werden. Die so erhaltene Lösung L1 gelangt danach in eine Einrichtung zur Vorkonzentrierung der Lösung. Diese kann beispielsweise als Vorverdampfung oder auch wie im dargestellten Schema als Umkehrosmose-Einrichtung RO ausgebildet sein. In dem Vorkonzentrierer wird der Lösung ein Großteil des Wassers entzogen, so dass sie einen Gehalt von etwa 4–8% TS erreicht. Diese vorkonzentrierte Lösung L2 wird, wie dies auch aus der detaillierteren Teildarstellung mit den gleichen Bezugszeichen für funktionsgleiche Teile in 2 hervorgeht, in einen Fallfilmverdampfer 1 zur Hochkonzentrierung der Lösung L2 durch Wasserverdampfung geführt. Dieser Fallfilmverdampfer 1 könnte auch mehrstufig ausgeführt sein. Der bei einer Betriebstemperatur des Fallfilmverdampfers 1 von beispielsweise 70ºC verdampfte Wasseranteil wird als Brüden abgezogen und in einem Kondensator C1 kondensiert. Aus dem unteren Teil des Fallfilmverdampfers 1 wird beispielsweise mittels einer Pumpe P1 eine hochkonzentrierte Lösung L3, die typischerweise einen Gehalt von z.B. 65–70% TS aufweist, einem Kühlkristallisator 2 zugeführt, welcher zur ständigen Umwälzung von Kristallsuspension über einen mit einer Pumpe P2 ausgestatteten externen Leitungskreislauf KR verfügt. Anstelle des Leitungskreislaufs KR könnte z.B. auch ein internes Rührwerk im Kristallisator 2 vorgesehen sein. Die Zuleitung der hochkonzentrierten Lösung L3 kann, wie gezeigt, in die Kreislaufleitung oder auch direkt in den Kristallisationsraum des Kühlkristallisators 2 münden. Der Kühlkristallisator 2 wird in bevorzugter Weise zum Abzug der in seinem oberen Teil durch Verdampfung entstehenden Brüden an eine nicht näher dargestellte Vakuumerzeugungseinrichtung V angeschlossen, wobei die Brüden zur Kondensierung durch einen Kondensator C2 geführt werden. In Folge der Abkühlung der im Kühlkristallisator 2 ständig umgewälzten Lösung, deren Temperatur je nach Temperatur der zugeführten Lösung L3 im Bereich von 10–55ºC, typischerweise im Bereich von etwa 40ºC liegt, wird die Sättigungsgrenze der Lösung überschritten, so dass Laktose kristallisiert und zu immer größer werdenden Körnern wächst. Das bedeutet, dass in der Kreislaufleitung KR nicht nur die reine Lösung zirkuliert wird, sondern mit dieser auch das bereits gebildete Kristallisat in Form einer Suspension. Das auf diese Weise fortlaufend gebildete Laktose-Monohydrat-Kristallisat kann aus dem unteren Teil des Kühlkristallisators 2 durch eine Leitung SP als Suspension abgezogen und einer Fest/Flüssig-Trenneinrichtung 3 (z.B. Dekanter und/oder Zentrifuge) zugeführt werden, in der die mitgeführte Mutterlösung vom Laktose-Produktkristallisat K abgetrennt wird. Ein Teil der abgetrennten Mutterlösung kann durch eine Leitung MR an den Eingang des Fallfilmverdampfers 1 zurückgeleitet werden, während ein kleinerer Teil der Mutterlösung als Abstoß A aus dem Prozess ausgeschleust wird, um ein Aufkonzentrieren von Verunreinigungen zu vermeiden. Die üblichen weiteren Schritte zur Aufarbeitung des erzeugten Laktose-Kristallisats sind nicht dargestellt.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage zur vollständig kontinuierlichen Laktose-Monohydrat-Kristallisation erfordert einen vergleichsweise geringen Energie- und Apparateaufwand, da er zu einem gut von der Mutterlösung abtrennbaren Kristallisat, dessen mittlere Korngröße typischerweise bei etwa 0,1–0,2 mm liegt, führt. Der Energieaufwand für die Wasserverdampfung kann insbesondere durch eine Vakuumerzeugung bei der Kühlkristallisation minimiert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung eine besonders hohe Ausbeute an hochreiner Laktose ohne große Abwassermengen, insbesondere wenn die rückgeführte Mutterlösung einer Entfernung von Eiweiß- und Mineralstoffen unterzogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fallfilmverdampfer
- 2
- Kristallisationseinrichtung
- 3
- Fest/Flüssig-Trenneinrichtung
- A
- Abstoßleitung
- C1
- Kondensator
- C2
- Kondensator
- E
- Eiweißstoffe
- K
- Produktkristallisat
- KR
- Kreislaufleitung
- L0
- frische Laktose-Lösung
- L1
- von Eiweißstoffen weitgehend befreite Laktose-Lösung
- L2
- vorkonzentrierte Laktose-Lösung
- L3
- hochkonzentierte Laktose-Lösung
- MR
- Leitung für rückgeführte Mutterlösung
- NF
- Membranfilteranlage
- P1
- Pumpe
- P2
- Pumpe
- P3
- Pumpe
- RO
- Einrichtung zur Umkehrosmose
- SP
- Leitung zum Abzug der Suspension mit dem Produktkristallisat
- V
- Vakuumerzeugung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/075643 A2 [0004, 0009]
- WO 2012/047122 A1 [0005]
- US 4955363 A [0006]
- DE 19839209 A1 [0007]
- US 2006/0278217 A1 [0008]
