DE3132556C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gärfähigen Maischen aus kohlenhydrathaltigen, ins­ besondere stärkehaltigen Rohstoffen, gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1, sowie eine Anlage zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens.

Von der konventionellen Herstellung von Maischen ist es bekannt, stärkehaltigen Rohstoff auf thermisch-mechani­ schem Wege im Henzedämpfer bei einem Druck von 4 bis 6 bar und einer Temperatur von 150 bis 165°C aufzuschlie­ ßen und die Stärke zu verkleistern. Nach Überführung des Dämpfgutes in den Maischbottich wird die Stärke mit Hilfe von Enzymen bei einer Temperatur von 55 bis 85°C zu Glukose hydrolisiert, die so hergestellte Maische auf Gärtemperatur abgekühlt, mit Hefe versetzt und zur Vergärung verbracht. Diese konventionelle Maischeher­ stellung ist durch diskontinuierlichen Betrieb, hohen Energieeinsatz und die Bildung von Maillard-Produkten gekennzeichnet. Der Energieaufwand beträgt ca. 6 bis 8 MJ/l reines Äthanol. Beim Überführen des Dämpfgutes in den Maischbottich geht ein großer Teil der eingebrach­ ten Wärmeenergie über entweichende Brüden verloren. Ein weiterer Teil der Wärme wird der Maische durch Kühlwas­ ser entzogen, das für den Prozeß kaum genutzt werden kann. Darüber hinaus begünstigt das Hochdruckdämpfen die Bildung von Maillard-Produkten, die einerseits to­ xisch auf die Aktivität der Hefe wirken können, ande­ rerseits zu Alkoholminderausbeuten führen.

Neuere Verfahren bemühen sich, zumindest einen Teil dieser Nachteile zu vermeiden. Bei einem diskontinuier­ lichen Kalt-Maischverfahren ("Die Branntweinwirt­ schaft", 1980, S.354 bis 356) zur Herstellung von Ge­ treidemaischen erfolgt der Rohstoffaufschluß durch Feinzerkleinerung, wobei eine Grobzerkleinerung (Schroten) vorangehen kann. Dieser Aufsatz bezieht sich jedoch in der Hauptsache auf die Feinstzerkleinerung bzw. das Aufschließen von Getreide, insbesondere Mäh­ druschgetreide, als stärkehaltiger Rohstoff, d. h. die dort beschriebenen Laborversuche sollten lediglich zei­ gen, ob sich Feuchtgetreide (also das Mähdruschge­ treide) für die Maischeherstellung hinreichend fein zerkleinern läßt.

Ein aus "Die Stärke", 1971, S.172, bekanntes kontinu­ ierliches Dämpf- und Maischverfahren arbeitet nach be­ kannten Prinzipien und ist zur Herstellung von Maische aus Abfällen der Stärkeproduktion einsetzbar.

Weiterhin wurden zwei kontinuierliche Stärkeaufschluß­ verfahren bekannt ("Chemie-Ingenieur-Technik", 1981, S.47). Bei dem ersten dieser Verfahren wird zur Her­ stellung von Maische aus stärkehaltigen Rohstoffen der vorzerkleinerte Rohstoff nach Zusatz von α-Amylase und pH-Korrektur in einem Rührkessel auf etwa 50°C vorge­ wärmt und mit Entspannungsdampf in einem Einspritzkon­ densator auf 60 bis 95°C gebracht. Die Suspension wird anschließend mit Frischdampf auf 105 bis 130°C erhitzt und nach einer Verweilzeit von 10 bis 30 Minuten zur Verflüssigung auf 95°C entspannt. Nach der Verflüssi­ gung von 1 bis 2 Stunden erfolgt unter Zusatz von Gly­ koamylase bei 55 bis 60°C die Verzuckerung. Bei dem zweiten durch diese Literaturstelle bekannten Verfahren wird die verkleisternde Stärkesuspension in einer Stiftmühle großen Scherspannungen ausgesetzt, um den mit dem Verkleisterungsvorgang einhergehenden Stärke­ viskositätsanstieg zu vermeiden. Die Wirkung der einge­ setzten Stiftmühle soll darin bestehen, von der Ober­ fläche des in Quellung befindlichen Stärkekorns die einzelnen, bereits gequollenen Stärkemoleküle durch die wirkenden Scherkräfte zu entfernen. Auf diese Weise lassen sich Stärketrockensubstanzgehalte von bis zu 40% verarbeiten. Der Mühle nachgeschaltet sind bei diesem Verfahren eine Heißhaltestrecke, ein Spiralaus­ tauscher und ein Rührkessel, in dem das Verdünnungswas­ ser sowie Amyloglucosidase zugesetzt werden.

Auch dieses letztgenannte Verfahren ist jedoch - wie eingehende Untersuchungen zeigten - mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Die Verkleisterung von Stärke in Kolloidmühlen, die die Suspension überwiegend Scher­ kräften aussetzen, ist mit einem großen Energieaufwand verbunden. Da durch die Kleisterbildung die Körner vor einer weiteren Zerkleinerung geschützt werden, wird die Mühlenleistung im wesentlichen dazu benötigt, einem weiteren Anstieg der Viskosität bei der Verkleisterung entgegenzuwirken. Es erfolgt dagegen kein guter mecha­ nischer Aufschluß der Stärkekörner. Dieses bekannte Verfahren ist daher nur für weitgehend ideale Stärke­ suspensionen geeignet, nicht dagegen zur Verarbeitung von stärkehaltigen Rohstoffen mit hohen Rohfaseranteil. Nachteilig bei diesem Verfahren ist ferner die erhebli­ che Beeinträchtigung der Durchsatzleistung, die mit der notwendigen Kreislaufführung des Gutes durch die Kollo­ idmühle verbunden ist.

Der Erfindung liegt daher vor allem die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Art sowie eine zu dessen Durchführung besonders geeignete Vorrichtung zu schaffen, wodurch auch relativ unterschiedliche Rohstoffe, wie z. B. Ge­ treide, Kartoffeln, Maniokaknollen und dergleichen, un­ ter Vermeidung von Maillard-Reaktionen hinsichtlich der Zerkleinerung und anschließenden Verkleisterung in im wesentlichen gleichartiger und einfacher Weise sowie mit besonders hoher Energieersparnis verarbeiten las­ sen, wobei auch die Möglichkeit gegeben sein soll, die­ ses Verfahren leicht unter Verwendung vorhandener Be­ triebseinrichtungen bei diskontinuierlicher oder konti­ nuierlicher Arbeitsweise durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verfah­ rensmerkmale gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 ge­ löst, wobei besonders vorteilhafte Ausgestaltungen die­ ses Verfahrens in den Unteransprüchen 2 bis 5 angeführt sind. Für die Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung, gemäß wenig­ stens einem der Ansprüche 5 bis 8.

Im Gegensatz zu dem zuletzt geschilderten bekannten Verfahren wird bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren der vorzerkleinerte Rohstoff in einer wäßrigen Suspen­ sion einer Feinstzerkleinerung bei einer Temperatur un­ terhalb der Verkleisterungstemperatur unterworfen. Da­ durch entsteht eine homogene Suspension mit freigeleg­ ten und teilweise aufgebrochenen bzw. aufgeschlossenen Stärkekörnern. Da diese Feinstzerkleinerung ohne gleichzeitige Verkleisterung erfolgt, können die Zer­ kleinerungsbedingungen hinsichtlich Korngröße und Korn­ verteilung optimal eingestellt werden. Die bei der Feinstzerkleinerung herrschende, im Vergleich zu dem zuletzt geschilderten bekannten Verfahren wesentlich niedrigere Temperatur gewährleistet die Vermeidung von Maillard-Reaktionen und begünstigt damit eine Verbesse­ rung der Alkoholausbeute; zugleich werden toxische Wir­ kungen auf die Gärungsorganismen vermieden. Dabei ge­ währleistet das erfindungsgemäße Verfahren auch gleich­ zeitig eine minimale Retentionszeit des eingesetzten Rohstoffes und - bedingt durch die Homogenität der Sus­ pension - eine gute Handhabbarkeit in den hiermit in engem Zusammenhang stehenden nachfolgenden Verfahrens­ schritten.

Erfindungsgemäß erfolgt erst nach dieser Feinstzerklei­ nerung die Verkleisterung der Rohstoff-Suspension, also die Stärkeverkleisterung (und auch der enzymatische Stärkeabbau). Hierzu muß der im ersten Verfahrens­ schritt (Feinstzerkleinerung) gewonnenen Mahlgut-Sus­ pension Wärmeenergie zugeführt werden. Dies geschieht erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise dadurch, daß diese Rohstoff- bzw. Mahlgut-Suspension innerhalb von 2 bis 10 Sekunden , vorzugsweise innerhalb von 3 bis 8 Sekunden, auf eine Temperatur erwärmt wird, die zwi­ schen dem 1,05-fachen und dem 1,2-fachen Wert der Ver­ kleisterungstemperatur liegt.

Durch die vorangegangene Feinstzerkleinerung der Stär­ kekörner ist sowohl die Verkleisterung als auch die en­ zymatische Verflüssigung problemlos. Die innerhalb des vorstehend genannten Bereiches zweckmäßig zu wählende Arbeitstemperatur wird in erster Linie vom Temperatur­ optimum der eingesetzten Verflüssigungsenzyme bestimmt.

Die für diese Erwärmung der genannten Suspension erfor­ derliche Wärmeenergie ist verhältnismäßig hoch, weshalb in besonders vorteilhafter Weise angestrebt wird, bei­ spielsweise in einem kontinuierlichen Gegenstrom-Wärme­ austauschprozeß, so viel wie möglich an Energie zurück­ zugewinnen und wiedereinzusetzen.

Beispiele für eine Anlage zur Durchführung dieses er­ findungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Un­ teransprüchen 6 bis 8 und insbesondere aus den Unteran­ sprüchen 7 und 8, wobei für die Feinstzerkleinerung des Rohstoffes zweckmäßig bzw. bevorzugt eine Kolloidmühle unter einmaligem Durchlauf des Mahlgutes verwendet wird.

Der Rohstoff wird bei der Feinstzerkleinerung zweckmä­ ßig auf eine mittlere Korngröße zwischen 1 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 25 µm, zerkleinert.

Bei der Herstellung von Maische aus Kartoffeln, Manio­ kaknollen oder dergleichen erfolgt die Feinstzerkleine­ rung vorteilhaft bei einer Temperatur unter 65°C, vor­ zugsweise zwischen 30 und 50°C. Bei der Herstellung von Maische aus Getreide wird die Feinstzerkleinerung er­ findungsgemäß zweckmäßig bei einer Temperatur unter 75°C, vorzugsweise zwischen 30 und 65°C, durchgeführt.

Die Erfindung sei nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung zeigen je ein Ausfüh­ rungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung dieses er­ findungsgemäßen Verfahrens.

Mit Hilfe einer geeigneten Mühle 1 (z. B. Rätzmühle) werden gereinigte Knollen (Kartoffeln) oder gereinigte und geschnitzelte Wurzeln (Rüben) unter Wasserzusatz (bei 2) zu Partikeln von 5 bis 10 mm zerkleinert, oder Schrot von Körnerrohstoffen (Getreide) mit Wasser ver­ mischt. Das so erhaltene Gut wird mittels einer Mohno­ pumpe 3 mit Eintragsschnecke einer Kolloidmühle 5 (beispielsweise einer Korundscheibenmühle) zur Feinst­ zerkleinerung zugeführt. In einem einmaligen Zerkleine­ rungsvorgang wird hierbei eine Endkorngröße zwischen 1 und 50 µm erreicht.

Die hierbei erzielte Homogenität der Suspension ist für die nachfolgenden physikalisch-biochemischen Vorgänge von großer Bedeutung (insbesondere für Stoff­ transport, Wärmeaustausch, Stärkeverkleisterung, Destillation; Verflüssigung, Verzuckerung, Vergärung). Unter der Einwirkung mechanischer Kräfte (Scher-, Prall- und Schnittkräfte) wird in der Kolloidmühle 5 die native Stärke (bzw. Zucker) freigelegt, ein großer Teil der Stärkekörner mechanisch aufgebrochen bzw. aufgeschlossen und das Mahlgut erwärmt.

Die folgende Verkleisterung erfordert durch das vor­ angegangene weitgehende Aufbrechen der Stärkekörner (wodurch die Stärke der enzymatischen Verflüssigung zugänglich ist) nur mehr wenig thermische Energie. Sie kann auf direktem oder indirektem Wege zugeführt werden.

Eine der Kolloidmühle 5 nachgeschaltete Mohnopumpe 6 fördert die Suspension zunächst durch eine zur Korrektur des pH-Wertes dienende Strecke 7. Sodann gelangt die Suspension in eine Verkleisterungs­ strecke 8, in der die Verkleisterungs- bzw. Ver­ flüssigungstemperatur mittels eines Temperatur­ regelkreises 9 konstant gehalten wird, der einen Temperaturfühler 10, einen Regler 11 sowie ein Stellglied 12 enthält. Über dieses Stellglied 12 gelangt ein bei 13 zugeführtes Wärmemedium (z. B. Dampf) in die Verkleisterungsstrecke 8. Diese ist mit den notwendigen Mischelementen versehen.

An die Stärkeverkleisterung schließt sich die enzy­ matische Verflüssigung und Verzuckerung an. Beide Vorgänge sind pH-, temperatur- und zeitabhängig und erfordern (im einzelnen in Fig. 1 nicht dargestellte) Verweilbehälter bzw. Haltestrecken. Über Dosierein­ richtungen erfolgen die notwendigen pH-Wert-Korrekturen sowie der Zusatz mikrobieller Enzyme (Zuführung bei 4 und 14) Eine gleichmäßige Enzymverteilung im Maische­ strom kann durch eine geeignete Mischstrecke 15 bzw. in der Mühle 5 er­ reicht werden. Die weiteren Vorgänge (insbesondere die Verzuckerung der verkleisterten und verflüssig­ ten Stärke, die Abkühlung der zuckerhaltigen Maische auf Gärtemperatur, ihre Versetzung mit Hefe und ihre Vergärung) sind in Fig. 1 mit dem Block 16 lediglich angedeutet.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt mit der Anordnung gemäß Fig. 1 in den Anlagenteilen 1 bis 6 überein. Hierbei ist jedoch die zur Feinst­ zerkleinerung dienende Kolloidmühle 5 einem Maisch­ bottich 17 vorgeschaltet, in dem die Verkleisterung erfolgt. Als Zwischenspeicher für das Mahlgut ist noch - im Bypass geschaltet - ein Henzedämpfer 18 vorgesehen. Wie bereits erwähnt, sind Maischbottich 17 und Henzedämpfer 18 die Hauptbestandteile einer konventionellen Anlage zur Maischeherstellung. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 eignet sich daher besonders zur nachträglichen Umrüstung bereits vor­ handener Anlagen.

Die in der Kolloidmühle 5 hergestellte homogene Rohstoff-Suspension fließt dem Maischbottich 17 zu und wird in einer Flüssigkeitsvorlage unter direkter Dampfzufuhr (bei 19) verkleistert. Ein Temperatur­ regelkreis 20 sorgt auch hier für die Einhaltung der optimalen Arbeitstemperatur. Durch Nutzung von Ab­ wärme mittels Wärmeaustausches über die Kühleinrich­ tung 21 des Maischbottichs läßt sich der Dampfver­ brauch reduzieren. Die Wasservorlage wird dem Maisch­ bottich 17 bei 22, Enzyme und Hefe bei 23 zugesetzt.

Der Henzedämpfer 18 dient als Zwischenspeicher für das Mahlgut, so daß die Kolloidmühle 5 kontinuier­ lich und der Maischebottich 17 diskontinuierlich be­ trieben werden kann.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 stimmt in den Anlagenteilen 1 bis 7 mit der Ausführung gemäß Fig. 1 überein. Der zur Feinstzerkleinerung dienenden Kolloidmühle 5 sind hier drei Wärmetauscher 24, 25, 26 nachgeschaltet. Der Wärmetauscher 24 wird einer­ seits von der durch Feinstzerkleinerung in der Kolloidmühle 5 erhaltenen Suspension durchsetzt (Temperatur 40 bis 45°C), andererseits - im Gegenstrom hierzu - von der verflüssigten Maische. Die im Wärme­ tauscher 24 auf 65 bis 70°C erwärmte Suspension ge­ langt sodann in den Wärmetauscher 25, in dem die Temperatur auf 75 bis 85°C gesteigert wird und der damit die eigentliche Verkleisterungsstrecke bildet. Bei 27 bzw. 4 wird Verflüssigungsenzym zugesetzt; sodann durchläuft die Suspension eine Mischstrecke 28 und einen Verweil­ behälter 29. Im Wärmetauscher 24 wird die verflüssig­ te Maische auf Verzuckerungstemperatur (55 bis 60°C) abgekühlt. Nach Zusatz von Verzuckerungsenzymen (bei 30) durchsetzt die Maische eine Mischstrecke 31 und einen Verweilbehälter 32. Im Wärmetauscher 26 wird die Maische bis auf Gärtemperatur (25 bis 35°C) abgekühlt.

Eine Wärmepumpe 33 führt die im Wärmetauscher 26 zurückgewonnene Wärme dem Wärmetauscher 25 zu. Etwa erforderliche zusätzliche Wärmeenergie wird dem Wär­ metauscher 25 bei 34 zugeführt.

Für die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 vorge­ sehene, weitgehende Wärmerückgewinnung ist die er­ findungsgemäß vor der Verkleisterung erfolgende Feinst­ zerkleinerung des Rohstoffes und die dadurch erzielte Homogenität der wäßrigen Suspension eine entscheiden­ de Voraussetzung.

Die Anlage gemäß Fig. 4 stimmt in den Anlagenteilen 1 bis 15 mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 überein. Der Wärmerückgewinn erfolgt hier durch Ent­ spannungskühlung.

Zur Nachverdampfung der verflüssigten Maische und zur Abkühlung der Maische auf Verzuckerungstemperatur ist ein Entspannungsgefäß 35 vorgesehen, dem ein Verweil­ behälter 36 vorgeschaltet ist. Ein Verdichter 37 er­ zeugt in diesem Entspannungsgefäß 35 ein Vakuum von ca. 0,2 bar, wodurch verflüssigte Maische aus dem Verweilgefäß 36 über eine Zerstäuberdüse 38 zum Nachverdampfen gebracht wird und sich dabei auf Ver­ zuckerungstemperatur (55 bis 60°C) abkühlt. Der Ver­ dichter 37 komprimiert die entstehenden Brüden und führt sie einem wärmeisolierten Dampfdruckbehälter 39 zu. Von dort aus können sie über das Stellglied 12 des Temperaturregelkreises 9 der Verkleisterungs­ strecke 8 zugeleitet werden. Auf diese Weise ist ein weitgehender Wärmerückgewinn möglich.

Aus dem Entspannungsgefäß 35 wird die Maische bei 40 abgezogen. Sie durchläuft nach Zusatz von Ver­ zuckerungsenzymen (bei 41) eine Mischstrecke 42 und wird dann in üblicher Weise weiterbehandelt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von gärfähigen Maischen aus kohlenhydrathaltigen, insbesondere stärkehalti­ gen Rohstoffen, wobei der Rohstoff nach einer Vor­ zerkleinerung in einer wäßrigen Suspension einer Feinstzerkleinerung unterworfen und unter Zufuhr von Wärmeenergie verkleistert wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Feinstzerkleinerung des Rohstoffes in der Suspension wird bei einer Temperatur durchge­ führt, die unterhalb der Verkleisterungstempera­ tur liegt;
• b) erst nach dieser Feinstzerkleinerung wird die Rohstoff-Suspension verkleistert, indem sie in­ nerhalb von 2 bis 10 Sekunden auf eine Tempera­ tur erwärmt wird, die zwischen dem 1,05-fachen und dem 1,2-fachen Wert der Verkleisterungstem­ peratur liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohstoff bei der Feinstzerkleinerung auf eine mittlere Korngröße zwischen 1 und 50 µm, vor­ zugsweise zwischen 3 und 25 µm, zerkleinert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, zur Herstel­ lung von Maische aus Kartoffeln, Maniokawurzeln oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinst­ zerkleinerung bei einer Temperatur unter 65°C, vor­ zugsweise zwischen 30 und 50°C, erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, zur Herstel­ lung von Maische aus Getreide, dadurch gekennzeich­ net, daß die Feinstzerkleinerung bei einer Tempera­ tur unter 75°C, vorzugsweise zwischen 30 und 65°C, erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension innerhalb von 3 bis 8 Sekunden auf die zwischen dem 1,05-fachen und dem 1,2-fachen Wert der Verkleisterungstemperatur liegende Tempera­ tur erwärmt wird.

6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei eine zur Feinstzerkleinerung dienende Kolloidmühle (5) einer vom Gut kontinuierlich durchlaufenen Verkleisterungsstrecke (8) vorgeschaltet ist, und dem zur Verkleisterung dienenden Aggregat zur Temperaturerhöhung Dampf zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Nachverdampfung der verflüssigten Maische und zur Abkühlung der Maische auf Verzuckerungstemperatur dienendes Entspannungsgefäß (35) vorgesehen ist, das über einen Verdichter (37) und einen wärmeisolierten Dampfdruckbehälter (39) mit dem zur Verkleisterung dienenden Aggregat (8) in Verbindung steht.

7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Feinstzer­ kleinerung dienende Kolloidmühle (5) einem zur Ver­ kleisterung dienenden Maischbottich (17) vorgeschal­ tet ist, wobei ein Henzedämpfer (18) als Zwischen­ speicher für das Mahlgut vorgesehen ist.

8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer zur Feinstzer­ kleinerung dienenden Kolloidmühle (5) drei Wärmetau­ scher (24, 25, 26) nachgeschaltet sind, von denen der erste Wärmetauscher (24) ein von der verflüssig­ ten Maische im Gegenstrom durchsetzter Wärmetauscher ist, der zweite Wärmetauscher (25) die Verkleiste­ rungsstrecke bildet und der dritte Wärmetauscher (26) ein die Maische nach der Verzuckerung auf Gär­ temperatur kühlender Wärmetauscher ist, wobei die vom dritten Wärmetauscher (26) zurückgewonnene Wärme über eine Wärmepumpe (33) dem zweiten Wärmetauscher (25) zugeführt wird.