DE60034127T2

DE60034127T2 - Membranfiltrationsverfahren für zuckerrüben

Info

Publication number: DE60034127T2
Application number: DE60034127T
Authority: DE
Inventors: Richard C. Scottsbluff REISIG; Jatal D. Davis MANNAPPERUMA; Michael Donovan; Robert P. Chevy Chase JANSEN; Marc Hlavacek; Gordon Walker; John C. Williams
Original assignee: Tate and Lyle Industries Ltd; Tate & Lyle Sugar Holdings Inc Decatur
Current assignee: Tate and Lyle Industries Ltd; Tate & Lyle Sugar Holdings Inc Decatur
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 2000-08-15
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2020-08-16
Also published as: EP1788100A2; WO2001014594A2; PL353772A1; AU6906300A; EP1204767A2; EP1788099A2; WO2001014594A3; HUP0204353A2; CZ2002570A3; EP1204767B1; SK3772002A3; DE60034127D1; HUP0204353A3; ATE358187T1

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Saccharose aus Zuckerrüben.
Das herkömmliche Rübenzuckerherstellungsverfahren erfordert das Reinigen der Rüben, Zerschneiden der Rüben zu Schnitzeln, Herauslösen des Safts aus den Schnitzeln durch Diffusion, Reinigen des Safts durch Kalken und Saturation, Eindicken des Safts durch Mehrstufenverdampfung, mehrstufiges Verkochen des konzentrierten Safts in Pfannen, Waschen und Trocknen des Zuckers.
Die Saftgewinnung bei dem herkömmlichen Verfahren erfolgt, indem man den Zucker durch die natürlichen Zellwände von Rüben diffundieren läßt. Die Zellwände lassen Zucker und andere niedermolekulare Verbindungen durch, verhindern aber den Durchgang von hochmolekularen Verbindungen. Dieser selektive Diffusionsprozeß hat zwei Vorteile. Das Zurückhalten der hochmolekularen Verbindungen trägt zur Erzeugung von hochreinem Saft bei. Es vermindert außerdem Schwierigkeiten beim Filtern, die durch Polysaccharide und Proteine verursacht werden, welche die hochmolekularen Verbindungen bilden.
Die Reinigung von Rübensaft in dem herkömmlichen Verfahren basiert auf einer Kalkbehandlung. Kalk dient zu vielen Zwecken im Saftreinigungsprozeß. Er neutralisiert den Säuregrad des Safts und fällt Calciumsalze verschiedener organischer und anorganischer Säuren aus. Der Niederschlag absorbiert weitere Verunreinigungen. Der Kalkniederschlag erzeugt eine poröse Masse, welche die anschließende Saftfilterung erleichtert.
Der herkömmliche Diffusionsprozeß zur Saftgewinnung hat Nachteile. Er hat eine lange Retentionszeit, die Mikrobenwachstum fördert und zu Zuckerverlust und zur Bildung unerwünschter Verbindungen führt. Es ist schwierig, die Temperatur zerkleinerter Schnitzel schnell genug zu erhöhen, um das Wachstum von Mikroorganismen zu verhindern. Typischerweise wird die nach der Diffusion zurückbleibende Pulpe gepreßt, und der Preßsaft wird in den Diffuseur zurückgeleitet. Ein erheblicher Anteil der hochmolekularen Verbindungen, die in dem Diffusionsprozeß durch die Zellwände zurückgehalten werden, wird beim Pressen freigesetzt und vermischt sich mit dem Diffusionssaft. Dadurch werden die Vorteile des selektiven Diffusionsprozesses teilweise zunichte gemacht.
Das herkömmliche Kalkungsverfahren verwendet große Mengen Kalk, die sich auf etwa 2,5% des Gesamtgewichts der verarbeiteten Rüben belaufen. Rübenzuckerbetriebe betreiben Kalkbrennöfen und transportieren Kalkstein zu diesem Zweck über weite Entfernungen. Der Abfluß aus dem Kalkungs-Saturationsprozeß, der aus verbrauchtem Kalk und abgetrennten Verunreinigungen besteht, wird als Abfall entsorgt. Die Produktion von Kalk und die Entsorgung von Kalkungsabwässern sind kostenaufwendige Prozesse. Die Entsorgung von Kalkungsabwässern wird in vielen Gemeinden zunehmend schwieriger und teurer.
Durch herkömmliche Dead-end-Filtration kann Saccharose nicht von makromolekularen Verunreinigungen im Rübensaft abgetrennt werden. Es ist über verschiedene Methoden zur Anwendung der Mikrofiltration und Nanofiltration zur Saftreinigung mit vermindertem Kalkeinsatz berichtet worden, aber diese Methoden erfordern im allgemeinen das Einsetzen von Mikrofiltrations- und Nanofiltrationsmembranen an einer oder mehreren Stellen in den herkömmlichen Rübenverarbeitungsprozeß.
EP 0126512 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung von Disacchariden aus disaccharidhaltigen Knollenpflanzen durch mechanisches Zerkleinern der Knollenpflanzen zu einem Brei, Extrahieren der zerkleinerten Materials mit Wasser von weniger als 60°C, Ultrafiltration und anschließende Demineralisation des Extrakts und abschließendes Eindicken der erhaltenen Lösung.
Es gibt einen seit langem bestehenden Bedarf für verbesserte Verfahren zur Gewinnung von Zucker aus Rüben, die eines oder mehrere der in den bisher angewandten Verfahren bestehenden Probleme vermeiden oder zumindest minimieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrüben. In einer Ausführungsform weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: (a) Aufschluß von Rüben oder Rübenstücken; (b) mechanisches Abtrennen von Saft von den aufgeschlossenen Rüben durch Vakuumextraktion bei einer Temperatur von mindestens 80°C; und (c) Membranfiltration des abgetrennten Safts, wodurch ein Filterrückstand bzw. Retentat und ein Permeat erzeugt werden. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung macht Gebrauch von mechanischen Mitteln zum Abtrennen von Saft von aufgeschlossenen Rüben, im Gegensatz zum einfachen Diffusionsverfahren, das in der früheren Rübenverarbeitungstechnologie zur Gewinnung von Saft aus Schnitzeln angewandt wird.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen erfolgt der Aufschluß in einer Reibmühle. Außerdem wird die Durchführung der Vakuumextraktion auf einem sich bewegenden porösen Filterband im Gegenstrom von aufgeschlossenen Rüben und Wasser bevorzugt. Der pH-Wert des vakuumextrahierten Safts wird vorzugsweise durch Zusatz von Natriumhydroxid auf mindestens etwa 7 eingestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der extrahierte Saft in Kontakt mit einem Mittel gebracht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schwefeldioxid, Sulfatsalzen Sulfitsalzen, Bisulfitsalzen und Gemischen daraus besteht, in einem Anteil, der ausreicht, um den pH-Wert des extrahierten Safts auf einen Wert von nicht mehr als etwa 8 einzustellen.
Die Membranfiltration kann geeigneterweise mit einer Ultrafiltrationsmembran, einer Nanofiltrationsmembran oder anderen hierin beschriebenen Membrantypen ausgeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membranfiltration eine Querstromultrafiltration und wird bei mindestens etwa 80°C ausgeführt, und der pH-Wert des Permeats beträgt mindestens etwa 7.
Eine bevorzugte Option in dem Verfahren besteht darin, das Retentat von der Membranfiltration einer Diafiltration auszusetzen, um in dem Retentat enthaltenen Restzucker zu gewinnen, wodurch ein Diafiltrationsfiltrat (auch als Diafiltrat bezeichnet) erzeugt wird. Dieses Diafiltrat wird vorzugsweise zur Weiterverarbeitung mit dem Membranfiltrationspermeat vereinigt.
Eine weitere bevorzugte Option in dem Verfahren ist das Eindicken des Permeats aus der Membranfiltration durch Umkehrosmose, wodurch eine konzentrierte Lösung erzeugt wird. Diese konzentrierte Lösung wird eingedampft und Saccharose daraus kristallisiert.
Vorzugsweise werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren kein Kalk und kein Kohlendioxid mit dem Saft oder dem Permeat in Kontakt gebracht.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein aus Zuckerrüben gewonnener saccharosehaltiger Zulaufsaft durch eine erste Ultrafiltrationsmembran gefiltert, die eine erste Molekulargewichtstrenngrenze aufweist. Der Ultrafiltrationsschritt erzeugt ein erstes Ultrafiltrationspermeat und ein erstes Ultrafiltrationsretentat. Das erste Ultrafiltrationspermeat wird durch eine zweite Ultrafiltrationsmembran filtriert, die eine zweite Molekulargewichtstrenngrenze aufweist, die niedriger ist als die erste Molekulargewichtstrenngrenze. Dieser zweite Ultrafiltrationsschritt erzeugt ein zweites Ultrafiltrationspermeat und ein zweites Ultrafiltrationsretentat. Das zweite Ultrafiltrationspermeat wird durch eine Nanofiltrationsmembran nanofiltriert, wodurch ein Nanofiltrationspermeat und ein Nanofiltrationsretentat erzeugt werden. Das Nanofiltrationsretentat hat eine höhere Saccharosekonzentration auf Trockenmassebasis als der in den ersten Ultrafiltrationsschritt eingebrachte Zulaufsaft und kann in Eindampf- und Kristallisationsvorgängen zur Erzeugung von Weißzuckerkristallen verwendet werden.
Vor der ersten Ultrafiltration kann das Verfahren wahlweise einen oder mehrere zusätzliche Schritte zum Entfernen von restlichen Rübenfasern und Schlamm aus der abgetrennten Flüssigkeit (dem Saft) aufweisen. Dies kann durch Sieben und/oder Filtration erfolgen. Vorzugsweise werden durch das Sieben oder die Filtration mindestens 90 Gew.-% aller Fasern und alles Schlamms mit einer größten Abmessung von etwa 150 μm oder mehr, stärker bevorzugt mindestens 90 Gew.-% aller Fasern und des gesamten Schlamms mit einer größten Abmessung von etwa 50 μm oder mehr entfernt.
Es ist auch möglich, vor der ersten Ultrafiltration Luft in den Zulaufsaft einzuleiten, um farbbildende Materialien zu oxidieren. Diese Oxidation verstärkt zwar die Farbe des Safts, führt aber zur Polymerisation der farbbildenden Materialien, wodurch ihre Entfernung in der anschließenden Ultrafiltration erleichtert wird. (Wenn sich die vorliegende Patentschrift auf die Polymerisation von farbbildenden Materialien bezieht, soll dies die physikalische Agglomeration sowie die chemische Polymerisation einschließen.) Eine weitere Option ist die Einleitung von Wasserstoffperoxid, Ozon oder beiden in den Zulaufsaft vor der ersten Ultrafiltration. Diese Materialien erleichtern gleichfalls die Oxidation.
Vorzugsweise wird der pH-Wert des Zulaufsafts auf etwa 6–8 eingestellt, z. B. durch Zugabe einer Base vor der Ultrafiltration. Dies kann dazu beitragen, die Bildung von Invertzucker zu minimieren.
Die erste Ultrafiltrationsmembran hat vorzugsweise eine Molekulargewichtstrenngrenze von mindestens etwa 2000 Dalton und eine Porengröße von nicht mehr als etwa 0,1 μm Stärker bevorzugt hat sie eine Molekulargewichtstrenngrenze von etwa 4000–200000 Dalton. Das erste Ultrafiltrationspermeat hat vorzugsweise eine Farbe von etwa 3000–10000 icu. (Alle hierin angegebenen Farbwerte werden auf einer ICUMSA-Skala bestimmt.)
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einer Anzahl unterschiedlicher Verfahrensbedingungen durchgeführt werden. Als repräsentative Beispiele derartiger Bedingungen kann der Zulaufsaft während der ersten Ultrafiltration eine Temperatur von etwa 60–93°C (140–200°F), stärker bevorzugt von etwa 71–85°C (160–185°F) aufweisen.
Die zweite Ultrafiltrationsmembran hat vorzugsweise eine Molekulargewichtstrenngrenze von etwa 500–5000 Dalton, stärker bevorzugt von etwa 1000–4000 Dalton. In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird die zweite Ultrafiltration in zwei Stufen durchgeführt, wobei die erste Stufe eine Ultrafiltrarionsmembran mit einer Molekulargewichtstrenngrenze von etwa 3500–4000 Dalton und die zweite Stufe eine Ultrafiltrationsmembran mit einer Molekulargewichtstrenngrenze von weniger als etwa 3500 Dalton verwendet. Das zweite Ultrafiltrationspermeat hat vorzugsweise eine Farbe von nicht mehr als etwa 4000 icu, stärker bevorzugt nicht mehr als etwa 2500 icu.
Um den Saccharoseverlust in dem Retentat von den ersten und zweiten Ultrafiltrationsschritten zu minimieren, werden vorzugsweise Diafiltrationsschritte in das Verfahren einbezogen. "Diafiltration" wird hier in der Bedeutung einer Ultrafiltration benutzt, die im Zulauf zugesetztes Wasser verwendet, um das Durchspülen von Saccharose durch die Membran zu unterstützen.
In einer derartigen Ausführungsform des Verfahrens wird das erste Ultrafiltrationsretentat durch mindestens eine erste Diafiltrations-/Ultrafiltrationsmembran diafiltriert. Dadurch werden ein erstes Diafiltrationspermeat und ein erstes Diafiltrationsretentat erzeugt. Das erste Diafiltrationspermeat wird dann mit dem ersten Ultrafiltrationspermeat vereinigt und durch die zweite Ultrafiltrationsmembran filtriert.
Entsprechend kann das Retentat von der zweiten Ultrafiltration durch mindestens eine zweite Diafiltrations-/Ultrafiltrationsmembran diafiltriert werden. Dieser zweite Diafiltrationsschritt erzeugt ein zweites Diafiltrationspermeat und ein zweites Diafiltrationsretentat. Das zweite Diafiltrationspermeat wird dann mit dem zweiten Ultrafiltrationspermeat vereinigt und anschließend durch die Nanofiltrationsmembran filtriert.
Die Retentate von den ersten und zweiten Ultrafiltrationen (oder Diafiltrationen) und das Nanofiltrationspermeat können vereinigt werden, um Melasse bzw. Sirup zu erzeugen. Dieser kombinierte Strom muß unter Umständen durch Verdampfen von Wasser eingedickt werden.
Zusätzlich zur Reinigung des Safts durch Nanofiltration können Ionenaustausch- und/oder Elektrodialyse-Reinigungsschritte in den Prozeß einbezogen werden. Diese drei Reinigungsverfahren können in beliebiger Reihenfolge angewandt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Nanofiltrationsretentat durch Elektrodialyse gereinigt, wodurch ein elektrodialysierter Saft und ein Elektrodialyse-Rückstand erzeugt werden, und dann wird der elektrodialysierte Saft durch Ionenaustausch gereinigt, wodurch ein gereinigter Saft erzeugt wird. Vorzugsweise werden kein Kalk und kein Kohlendioxid mit einem der Permeate in Kontakt gebracht.
Die Nanofiltration entfernt Asche (einschließlich ein- und zweiwertiger Kationen), Invertzucker, organische Säuren, stickstoffhaltiges Material und andere niedermolekulare organische oder geladene Verbindungen. Die Nanofiltration und die wahlfreie Elektrodialyse und/oder der Ionenaustausch entfernen vorzugsweise mindestens etwa 65 Gew.-% des Ca, Mg, K, Na und ihrer dazugehörigen anorganischen und organischen Anionen, die in dem zweiten Ultrafiltrationspermeat enthalten sind. Der Ionenaustausch ersetzt verbleibende zweiwertige Kationen, wie z. B. Calcium und Magnesium, durch einwertige Kationen, wie z. B. Kalium und Natrium. Vorzugsweise weist das Nanofiltrationsretentat eine niedrigere Konzentration zweiwertiger Kationen auf Trockenmassebasis auf als das zweite Ultrafiltrationspermeat.
Das Nanofiltrationspermeat enthält einen großen Prozentsatz der Verunreinigungen, die im Zulaufsaft enthalten waren. Zum Beispiel wird in vielen Fällen das Nanofiltrationspermeat mindestens etwa 30 Gew.-% auf Trockenmassebasis der Asche, mindestens etwa 30% des Invertzuckers und mindestens etwa 25% des Betains enthalten, die in dem Zulaufsaft enthalten sind.
Der gereinigte Saft (d. h. nach der Nanofiltration und einer etwaigen Elektrodialyse und/oder einem Ionenaustausch) weist vorzugsweise eine Aschekonzentration von nicht mehr als etwa 2,5 Gew.-% auf Trockenmassebasis auf, stärker bevorzugt nicht mehr als etwa 2 Gew.-%, am stärksten bevorzugt nicht mehr als etwa 1,0%.
Nach den Membranfiltrationsschritten (und einer etwaigen Elektrodialyse und/oder einem Ionenaustausch) kann Wasser aus dem gereinigten Saft verdampft werden, um einen konzentrierten bzw. eingedickten Sirup (z. B. 75% auf Trockenmassebasis) zu erzeugen. Aus dem eingedickten Sirup kann dann Weißzucker auskristallisiert werden. Wegen des hohen Entfernungsgrades von Verunreinigungen kann die vorliegende Erfindung zwei Kristallisationen von Weißzucker aus dem eingedickten Sirup erzielen, im Gegensatz zu einer Kristallisation in typischen Zuckerrübenprozessen nach dem Stand der Technik.
Nach einer oder mehreren Kristallisationen von Weißzucker aus dem eingedickten Sirup bleibt eine Mutterlauge zurück. Diese Mutterlauge kann zu einer der Ultrafiltrationen zurückgeführt werden. Wahlweise kann dieser Kreislaufstrom weiter gereinigt werden, um seinen Raffinosegehalt zu vermindern.
Das Verfahren kann wahlweise eine Schwefelsaturation eines oder mehrerer Prozeßströme aufweisen. Insbesondere kann mindestens ein wäßriger Strom, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem Zulaufsaft, dem ersten Ultrafiltrationspermeat, dem zweiten Ultrafiltrationspermeat, dem Nanofiltrationsretentat und dem Verdampferzulauf besteht, mit einem Mittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schwefeldioxid, Sulfitsalzen, Bisulfitsalzen, Metabisulfitsalzen, Dithioniten und Gemischen daraus besteht, in einem ausreichenden Anteil in Kontakt gebracht werden, um eine Äquivalentkonzentration von Schwefeldioxid in dem Strom von mindestens etwa 100 ppm zu liefern.
Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber Zuckerrübenprozessen gemäß dem Stand der Technik. Zum Beispiel beseitigt das erfindungsgemäße Verfahren die Notwendigkeit eines Kalkbrennofens, von Kalksteinbrüchen und allen dazugehörigen Anlagen, Prozessen, Produkten, Nebenprodukten und Abfallprodukten. Außerdem führt die vorliegende Erfindung zu einer drastischen Verringerung von Abfallprodukten, die eine Umweltverschmutzung verursachen. Das herkömmliche Verfahren erzeugt einen Filterkuchen, der Produkte des Kalkungsprozesses und aus dem Saft entfernte Verunreinigungen aufweist. Dieser Kuchen wird in Teiche und Mülldeponien entsorgt. Das vorgeschlagene Verfahren eliminiert die Notwendigkeit zur Entsorgung derartiger Materialien vollständig. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Wegfall des Saturationsprozesses, der eine Hauptquelle von Luftverschmutzung in Rübenzuckeranlagen ist.
Die vorliegende Erfindung bietet eine kostengünstige Möglichkeit zur Verminderung des Aschegehalts des Zuckerrübensafts oder Sirups, vorzugsweise auf etwa 2% oder weniger (auf Trockenmassebasis), stärker bevorzugt auf etwa 1,5% oder weniger, am stärksten bevorzugt auf etwa 1% oder weniger. Diese Senkung des Aschegehalts ist wichtig, da sie eine zweite Ausfällung von Saccharosekristallen aus dem Sirup ermöglicht. In Zuckerrübenprozessen nach dem Stand der Technik machte der Aschegehalt im Bereich von 3,5% mehr als eine Ausfällung von Saccharosekristallen praktisch unmöglich.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit zum Entzuckern von Melasseströmen beseitigen. Die effizienten Membranfiltrationsschritte verhindern an erster Stelle das Eintreten von zu großen Saccharoseanteilen in die Melasseströme.
Ferner bietet die vorliegende Erfindung ein wirtschaftliches und zuverlässiges Verfahren zum Entfernen von färbenden Materialien aus Rübensaft. Sie kann außerdem die Bildung unerwünschter kristalliner Formen durch Anwesenheit zu hoher Raffinoseanteile vermindern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Prozeßablaufdiagramm, das einen Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung zur Gewinnung von Saccharose aus Zuckerrüben darstellt, wobei der Prozeß den Aufschluß von Zuckerrüben aufweist.
2 zeigt ein Prozeßablaufdiagramm mit einer Massebilanz für eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG KONKRETER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung bietet ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung von Saccharose aus Zuckerrüben. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in 1 dargestellt.
Vom Acker angelieferte Zuckerrüben werden in einem Lagerbereich 10 aufbewahrt. Typischerweise werden in dem Verfahren frische Zuckerrüben verwendet, aber es können auch gefrorene Zuckerrüben eingesetzt werden. Rüben aus dem Lagerbereich 10 werden in einer Rinne zu einer herkömmlichen Rübenwaschvorrichtung 12 geschwemmt, in der Schmutz vom Äußeren der Rüben entfernt wird. Aus der Waschvorrichtung austretende gewaschene Rüben passieren einen Förderer 14, wo Wasser entfernt wird. Von dieser Vorrichtung aufgefangene Ströme von Waschwasser 18 und Schwemmwasser 16 werden zu Abwasseraufbereitungsteichen 20 geleitet.
Die gewaschenen Rüben 21 werden durch die Fördervorrichtung 22 zur Schneidvorrichtung 24 transportiert, wie z. B. einer Hammermühle oder Schnitzelmaschine, in der die Rüben in Stücke zerschnitten werden, z. B. in Stücke mit einer mittleren Größe von etwa einem Zoll Dicke. Der Strom von Rübenstücken 26 aus der Schnitzelmaschine (oder alternativ die ganzen Rüben 21) wird in eine Aufschlußvorrichtung 28 eingespeist. Die Aufschlußvorrichtung kann z. B. eine oder mehrere Hammermühlen (wobei Typen mit feststehenden Messern bevorzugt werden) aufweisen, die einen Satz von rotierenden Messern verwenden, die an einer Horizontalwelle montiert sind, die das Rübenmaterial durch ein Austragssieb drückt. Eine andere Aufschlußvorrichtung kann eine oder mehrere Reibmühlen aufweisen, die Scheiben als primäre Reibvorrichtung verwenden. Die Scheiben weisen vorzugsweise Rillen auf, um den Aufschluß zu erleichtern, und die Scheiben können horizontal oder vertikal angeordnet sein. Reibmühlen vom Scheibentyp werden gegenwärtig gegenüber Hammermühlen bevorzugt, obwohl beide hintereinander verwendet werden können (z. B. kann sich an eine Hammermühle eine Scheibenreibmühle anschließen). Vorzugsweise wird extrahierter Saft 38 oder Wasser 34 in die Aufschlußvorrichtung 28 eingespeist, um den Austrag von aufgeschlossenen Rüben zu erleichtern und/oder die Temperatur der Anlage zu steuern.
Der Strom von zerkleinerten Rüben 30 wird einer Vakuum-Saftgewinnungsvorrichtung 32 zugeführt. Diese Vorrichtung kann ein horizontales, poröses, bewegliches Band aufweisen, das von unten einem Vakuum ausgesetzt wird. Aufgeschlossene Rüben werden als gleichmäßige Schicht an einem Ende (dem Zulaufende) 33 des Bands eingebracht. Am entgegengesetzten oder Austrittsende 35 des Bands wird ein Reinwasserstrom 34 eingeleitet. Auf diese Weise laufen der zerkleinerte Rübenzufluß und der Wasserzufluß zu dieser Vorrichtung 32 im Gegenstrom zueinander. Ein Saftstrom 36 wird über das Band wieder eingeleitet, vorzugsweise an mehreren Stellen. Durch dieses Gegenstromfiltrationsverfahren werden ein Pulpestrom 68 mit niedrigem Zuckergehalt und ein extrahierter Saftstrom 38 mit hohem Zuckergehalt erzeugt. Das Gegenstromvakuumfiltrationsverfahren wird bei einer erhöhten Temperatur von etwa 80°C ausgeführt, um das Mikrobenwachstum zu bekämpfen und die Extraktion von Saft zu verbessern.
Die Pulpe 68, die den Saftextraktor 32 verläßt, hat einen sehr niedrigen Saccharosegehalt, aber einen hohen Wassergehalt. Sie wird in einer Spindelpresse 70 gepreßt, um einen verdünnten Preßsaft 72 zu extrahieren, der etwa 1% gelöste Feststoffe und etwa 99% Wasser enthält. Die gelösten Feststoffe bestehen aus etwa 50% Saccharose und 50% Nichtzuckerstoffen. Dieser verdünnte Preßsaft 72 wird in einem Heizer 74 auf eine Temperatur von etwa 80°C erhitzt und dann als Strom 36 zum Saftextraktor 32 zurückgeführt. Gepreßte Pulpe 76 wird mit oder ohne weiteres Trocknen als Tierfutter verwendet.
Der extrahierte Saft 38 wird zu einem Behälter 41 geleitet, und kann wahlweise durch Zusatz von Schwefeldioxid oder Sulfat- oder Bilsulfitsalzen in einem Strom 40 geschwefelt werden, z. B. mit Schwefeldioxidgas oder wäßrigem Ammoniumbisulfit bei einer Konzentration von etwa 65%. Vorzugsweise beträgt der Restgehalt an Schwefeldioxid in dem Saft nach der Schwefelung mindestens 100 ppm. Die Schwefelung kann zum Zeitpunkt der Zerkleinerung, des Aufschlusses, der Saftextraktion oder zu anderen Zeitpunkten in dem Verfahren als Alternative oder zusätzlich zu dem besonderen Schwefelungsschritt in der vorliegenden Ausführungsform stattfinden. Diese Schwefelung verhindert die Farbverstärkung, die andernfalls während der anschließenden Membranfiltrations- und Verdampfungsvorgänge stattfinden kann. Es können auch andere Antioxidationsmittel verwendet werden.
Der Saft wird dann in einem Neutralisierungsbehälter 43 durch Zugabe von wäßrigem Natriumhydroxid 42 neutralisiert, vorzugsweise auf einen pH-Wert von mindestens 7. Diese pH-Einstellung trägt dazu bei, die Inversion von Zuckern zu verhindern, die bei erhöhten Temperaturen stattfindet. Für die pH-Einstellung können auch andere Chemikalien verwendet werden, z. B. flüssiges Kaliumhydroxid oder körniges Natriumcarbonat.
Der aus den aufgeschlossenen Rüben durch den Gegenstromfiltrationsprozeß extrahierte Saft weist etwa 0,2% suspendierte Feststoffe, etwa 14% gelöste Feststoffe und etwa 84% Wasser auf. Die gelösten Feststoffe setzen sich aus etwa 85% Saccharose und 15% Nichtzuckerstoffen zusammen. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des Extrakts etwa 80°C, und sein pH-Wert ist mindestens gleich 7.
Der behandelte Saft kann dann durch einen Erhitzer 44 geschickt werden, um seine Temperatur auf etwa 80°C zu erhöhen.
Der erhitzte Saft wird dann durch Membranfiltration 46 verarbeitet, vorzugsweise durch Querstrom-Ultrafiltration, um hochmolekulare Verbindungen von der Saccharoselösung abzutrennen. Die Ultrafiltration erzeugt ein Ultrafiltrat 48 (auch als Permeat oder geklärter Saft bezeichnet), das etwa 12% gelöste Feststoffe und etwa 88% Wasser enthält. Die gelösten Feststoffe weisen etwa 90% Saccharose und etwa 10% Nichtzuckerstoffe auf. Das Ultrafiltrat 48 hat vorzugsweise eine Temperatur von etwa 80°C, und sein pH-Wert ist mindestens gleich 7.
Das Permeat von der Ultrafiltration weist eine Saccharose-Reinheit auf, die dem Dünnsaft gleichwertig ist, der durch das herkömmliche Zuckerrübenverfahren erzeugt wird, und etwa 90% beträgt. Es bestehen jedoch wichtige Unterschiede zwischen den Nichtzuckerstoffen in den beiden Produkten.
Ultrafiltrierter Saft kann einen höheren Anteil an Invertzucker und/oder einen niedrigeren Anteil an makromolekularen Verbindungen enthalten als der herkömmliche Dünnsaft.
Invertzucker in dem ultrafiltrierten Saft enden hauptsächlich in der Melasse, ohne die Gewinnung von Saccharose drastisch zu vermindern. Dies ist ein Vorteil im Vergleich zum herkömmlichen Kalkungsverfahren, das Reaktionsprodukte von Kalk und Invertzuckern zum Abfallentsorgungssystem sendet. Niedrigere Gehalte an makromolekularen Verbindungen ergeben einen Saft mit niedrigerer Viskosität, der günstigere Zuckersiedeeigenschaften aufweist.
Die Ultrafiltration erzeugt einen Saft mit reduzierter Farbe. Der extrahierte Saft 38 hat typischerweise einen Farbwert von mehr als 100000 auf einer ICUMSA-Skala. Das Ultrafiltrat 48 hat typischerweise einen Farbwert unter 2000 auf der gleichen Skala. Dieser ist gleichwertig oder besser als der Farbwert von Dünnsaft, der nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellt wird. Ein niedrigerer Farbwert in Kombination mit einer niedrigeren Viskosität führt zu einem leichteren Zuckersiedeverfahren. Die Ergebnisse sind eine höhere Zuckerextraktion, effizienteres Zuckersieden und ein niedrigerer Zuckerverlust an die Melasse.
Bei der vorliegenden Erfindung können verschiedene Membrankonfigurationen verwendet werden, zu denen beispielsweise Spiral-, Hohlfaser- und Röhrenmembranen gehören. Membranen, die sich für diesen Abtrennungsprozeß eignen, sollten zwei außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Sie sollten eine hohe Durchlässigkeit für Wasser und Saccharose, aber einen niedrigen Durchgang von Farbstoffen und anderen makromolekularen Verbindungen aufweisen. Dichte Ultrafiltrationsmembranen mit einer Molekulargewichtstrenngrenze zwischen etwa 1000 und 10000 und lockere Nanofiltrationsmembranen mit einer NaCl-Zurückweisung von etwa 10% sind für diese Anwendung gut geeignet. Membranen, die eine negative Oberflächenladung aufweisen, werden bevorzugt, da die meisten zurückzuweisenden Verbindungen negativ geladen sind.
Das Retentat 50 von dem Ultrafiltrationsprozeß enthält zum größten Teil suspendierte und gelöste Verunreinigungen. Es enthält außerdem einen erheblichen Anteil an Saccharose. Um zumindest einen Teil dieser Saccharose zu gewinnen, wird das Retentat durch ein Membransystem 52 unter Zugabe von Wasser 54 diafiltriert. Durch diese Diafiltration wird der größte Teil des im Ultrafiltrationsretentat zurückgelassenen Zuckers extrahiert. Das Diafiltrat 56 enthält etwa 3% gelöste Feststoffe und etwa 97% Wasser. Die gelösten Feststoffe in dem Diafiltrat weisen etwa 88% Saccharose und 12% Nichtzuckerstoffe auf. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des Diafiltrats etwa 80°C und sein pH-Wert liegt über 7. Das Retentat 58 des Diafiltrationsprozesses enthält etwa 5% suspendierte Feststoffe, 3% gelöste Feststoffe und etwa 87% Wasser. Dieses Retentat wird durch Eindampfen konzentriert und mit oder ohne Vermischen mit gepreßter Pulpe als Tierfutter verwendet.
Das Ultrafiltrat 48 und das Diafiltrat 56 werden vereinigt, um einen zusammengesetzten Produktstrom 60 zu bilden. Der zusammengesetzte Produktstrom (auch als gereinigter Saft bezeichnet) enthält etwa 11% gelöste Feststoffe und etwa 89% Wasser. Die gelösten Feststoffe bestehen aus etwa 90% Saccharose und 10% Nichtzuckerstoffen.
Zum Vorkonzentrieren des gereinigten Saftstroms kann ein Umkehrosmose-Membransystem 62 verwendet werden. Dies ist ein weiterer Querstrom-Membranprozeß, der weniger energieintensiv und wirtschaftlicher für das Vorkonzentrieren von verdünnten Saccharoselösungen ist als die herkömmlichen Prozeßschritte. Das Produkt 64 des Umkehrosmosesystems enthält etwa 20% gelöster Feststoffe und etwa 80% Wasser. Die gelösten Feststoffe weisen etwa 90% Saccharose und 10% Nichtzuckerstoffe auf.
Das Permeat 66 der Umkehrosmose ist hochwertiges Wasser. Ein Teil 34 dieses Wassers wird in dem Gegenstrom-Vakuumfiltrationsprozeß 32 verwendet, und der Rest wird bei Anwendungen in anderen Anlagen eingesetzt, wie z. B. als Wasserzulauf 54 zum Diafiltrationsprozeß 52.
Die Temperatur der vorkonzentrierten Saccharoselösung 64 wird dann in einem Erhitzer 80 erhöht, und anschließend wird das verbleibende Wasser in Verdampfern 82 entfernt. Saccharose wird ebenso wie in herkömmlichen Verfahren auskristallisiert.
Ein Teil der in dem Prozeß von 1 verwendeten Anlage ist herkömmlich und dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet bekannt, wie z. B. die Rübenwaschanlage, die Schnitzelpressen und Verdampfer. Die Rübenschnitzelmaschine 24 und die Aufschlußvorrichtung 28 sind im Handel von Lieferanten wie z. B. H. Putsch GmbH & Co. (Hagen, Deutschland), Maguin Company (Charmes, Frankreich), Dakota Machine Inc. (West Fargo, North Dacota) und The Fitzpatrick Company (Elmhurst, Illinois) erhältlich. Eine geeignete Vakuumband-Saftextraktionsanlage ist erhältlich von EIMCO Company (Salt Lake City, Utah) und Dorr-Oliver (Milford, Connecticut). Zentrifugalextraktoren sind erhältlich von Western States Machine Company (Hamilton, Ohio) und Silver-Weibull (Hasslehorn, Schweden). Geeignete Membranfiltrationssysteme sind von Lieferanten wie z. B. CeraMern Corp. (Waltham, Massachusetts), Koch Membrane Systems, Inc. (Wilmington, Massachusetts) und Osmonics, Inc. (Minnetonka, Minnesota) beziehbar.
Die folgende Tabelle zeigt geeignete Eigenschaften für einige der Prozeßströme in 1, nämlich RDS (Gewichtsprozent lichtbrechende Trockensubstanz), Reinheit (Saccharose als Gesamtfeststoffgehalt), pH-Wert und Temperatur.
TABELLE 1
Viele Varianten des Prozesses sind möglich. Geeignete Varianten sind unter anderem Umkehrosmose vor der Ultrafiltration, Schwefelung nach der Ultrafiltration und Sterilisiation der aufgeschlossenen Rüben durch chemische oder physikalische Mittel. Getrennte Behandlung des Preßsafts 72 anstelle seiner Rückführung zu dem Gegenstrom-Vakuumfiltrationsprozeß ist eine weitere Alternative. Es wäre auch möglich, eine Behandlung mit einer bestimmten Menge Kalk und/oder eine Saturation einzubeziehen. Gegenwärtig wird jedoch die Durchführung des Prozesses ohne Kalk oder Saturation bevorzugt.
Die chromatographische Trennung könnte in diesem Verfahren zur weiteren Reinigung angewandt werden. Die chromatographische Trennung erfordert eine Vorbehandlung und Enthärtung des Safts. Da der Saft aus dem vorliegenden Verfahren durch die Membranfiltration geschickt und kein Kalk zugesetzt worden ist, wäre er ein hervorragendes Einsatzgut für die chromatographische Trennung.
Ferner könnte die Anwendung der Membrantrennung in dem vorgeschlagenen Verfahren eine Abtrennung von Saccharose von anderen Rübensaftbestandteilen wie z. B. Invertzuckern und Oligosacchariden ermöglichen.
Unter Umständen ist die Verminderung oder Beseitigung von Chemikalien möglich, die zur pH-Einstellung und Schwefelung verwendet werden, wenn Rüben von hervorragender Qualität gepreßt werden. Verschiedene Einheiten können auch mit Prozeßparametern betrieben werden, die sich ein wenig von denen unterscheiden, die in der oben beschriebenen Ausführungsform oder in den folgenden Beispielen spezifiziert werden.
Es ist gezeigt worden, daß durch Auslaugen von aufgeschlossenen Rüben eine 99.8%-ige Zuckergewinnung in sechs Stufen erreicht werden kann, die jeweils Frischwasser verwenden. Außerdem ist demonstriert worden, daß durch Ultrafiltration eine 99,8%-ige Zuckergewinnung in sechs Diafiltrationsstufen erreicht werden kann. Dieser Extraktionsgrad kann jedoch zu anspruchsvoll für ein großtechnisches Verfahren sein, da er einen zu hohen Verbrauch an Verdünnungswasser erfordert, das schließlich zur Gewinnung von Zucker entfernt werden muß.
Eine Massenbilanz eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auf der Basis einer Einsatzmenge von 1000 Einheiten Rüben mit einem Wassergehalt von 78%, 17% RDS und einer Saccharosereinheit von 89% sowie einer angenommenen Zuckergewinnung von etwa 99,5% sowohl im Extraktions- als auch im Diafiltrationsvorgang erstellt. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm dieser Ausführungsform des Verfahrens mit der Massenbilanz. Die fett gedruckten Zahlen werden auf der Basis von Versuchsergebnissen und anderer verfügbarer Informationen angenommen. Alle anderen Zahlen werden unter Anwendung von konstitutiven und Erhaltungsbeziehungen bestimmt. "EJ" bezeichnet extrahierten Saft, "UFP" bezeichnet Ultrafiltrationspermeat, "UFR" bezeichnet Ultrafiltrationsretentat, "DFP" bezeichnet Diafiltrationspermeat, "DFR" bezeichnet Diafiltrationsretentat, "MP" bezeichnet Mischpermeat und "NSDS" bezeichnet Nichtzucker-Feststoffe.
In 2 werden Rüben mit Saft aus der zweiten Extraktorstufe aufgeschlossen. Zerkleinerte bzw. aufgeschlossene Rüben werden in die erste Stufe des Extraktors eingebracht, und Saft aus dieser Stufe wird dem Ultrafiltrationssystem zugeführt. Pulpe aus der ersten Stufe durchläuft mehrere Stufen des Extraktors, bis nahezu der gesamte Zucker (99,5%) extrahiert ist. Frischwasser wird in die letzte Stufe des Extraktors eingeleitet. Extrahierter Saft wird durch Ultrafiltration verarbeitet, um 90% des Safts als Ultrafiltrat zu gewinnen. Das Retentat wird mit dem Fünffachen seines Volumens an Frischwasser diafiltriert. Durch kombinierte Ultrafiltration und Diafiltration werden etwa 99,5% des Zuckers im Einsatzmaterial gewonnen.
Es könnten verschiedene Verbesserungen an dem Verfahren von 2 vorgenommen werden. Die Naßschnitzel können gepreßt werden, um den Feuchtigkeitsgehalt auf etwa 80% zu senken, und das Preßwasser kann verwendet werden, um einen Teil des bei der Extraktion verwendeten Frischwassers zu ersetzen. Diafiltrat von den letzteren Stufen könnte auch verwendet werden, um einen Teil des Frischwassers im Extraktionsprozeß zu ersetzen. Diese Modifikationen würden die Belastung bei Arbeitsgängen an nachfolgenden Einheiten verringern, wie Trocknen oder Transport von Pulpe und Umkehrosmose oder Eindampfen von Saft. Diese Maßnahmen würden jedoch die Ausbeute des Extraktionsprozesses verringern und mehr Stufen erfordern.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zwar im diskontinuierlichen Betrieb ausgeführt werden, eignet sich aber besonders gut für kontinuierlichen Betrieb.
BEISPIEL 1
KLÄREN VON AUSGEPREßTEM SAFT
Zerkleinerte Rübenschnitzel wurden mit Wasser vermischt und in Gewebebeuteln gepreßt, um eine Preßsaftprobe herzustellen. Diese Probe wurde mit Natriumhydroxid behandelt, erhitzt und in einer Gruppe von Ultrafiltrationsversuchen verwendet. In dem Versuch wurden zwei unterschiedliche Ultrafiltrations-Spiralmembranen benutzt, ein Membranmodell NTR 7410 von Hydranautics und ein Membranmodell HFK131 von Koch. Die Versuche lieferten befriedigende Durchflußgeschwindigkeiten, die höher waren als in vergleichbaren Versuchen mit herkömmlichem Rübendiffusionssaft.
TABELLE 2 Ultrafiltration von ausgepreßtem Saft-Versuchsparameter und Durchflußmengen
Es gab eine signifikante Verminderung des RDS-Werts und einen sehr signifikanten Anstieg der Saccharosereinheit quer über die Membran. Beide Membranen ließen über 99% des Farbwerts nicht durch. Der Anstieg der Saccharosereinheit und die Farbtrennung während dieser Versuche waren viel höher als in vergleichbaren Versuchen mit herkömmlichem Rübendiffusionssaft.
TABELLE 3 Ultrafiltration von ausgepreßtem Saft-Trennungseigenschaften

("Retn." bedeutet Retentat und "Perm." bedeutet Permeat.)

BEISPIEL 2
Ein Rübenzerkleinerungsversuch wurde unter Verwendung eines atmosphärischen Bauer-Scheibenzerfaserers durchgeführt. Diese Maschine weist zwei Scheiben von 30 cm (12 Zoll) mit verstellbarem Zwischenraum auf, wobei eine Scheibe stationär ist und die andere durch einen Motor von 60 PS (45 kW angetrieben wird. Etwa 20 kg Rüben wurden in dem Versuch verwendet. Die Rüben wurden zu 1,9 cm (3/4 Zoll) großen Stücken zerkleinert, um in den Schneckenspeiser zu passen.
Alle Rübenschnitzel wurden in einem Durchlauf durch die Maschine geschickt. Um das Material durch die Maschine zu drücken, wurde Wasser verwendet, wodurch der Saft verdünnt wurde. Ein Teil des zerkleinerten Produkts wurde in einer Druckluftpresse bei 138 kPa (20 psi) etwa 15 Minuten gepreßt. Einen anderen Teil des Produkts ließ man auf einem Drahtsiebkasten abtropfen.
TABELLE 4
Die Pulpe aus dem ersten Durchlauf wurde in einem zweiten Durchlauf nochmals durch die Maschine verarbeitet. Der Zwischenraum zwischen den Scheiben wurde für diesen Durchlauf auf etwa 0,25 mm (10 Mil) eingestellt. Die aufgeschlossene Pulpe wurde in der Druckluftpresse bei 138 kPa (20 psi) etwa 15 Minuten gepreßt.
TABELLE 5
(Der niedrigere Feststoffgehalt in dem Preßkuchen aus dem zweiten Durchlauf durch die Druckluftpresse war auf seine größere Dicke zurückzuführen.)
Die unter Vakuum entwässerte Pulpe aus dem zweiten Durchlauf hatte einen Trockenmassegehalt von 22%. Wenn sie in einem Wasserüberschuß gewaschen und unter Vakuum entwässert wurde, betrug der Feststoffgehalt nur 15%. Dies ließ darauf schließen, daß 2/3 der Feststoffe in der Pulpe gelöst und leicht auswaschbar waren. Die gewaschene Pulpe hatte einen Restzuckergehalt von 0,5%.
Pulpe aus dem zweiten Durchlauf wies schlechte Filtrationseigenschaften auf wenn sie auf einem Filterpapier einem Vakuum ausgesetzt wurde. Auf einem 0,5 mm-Sieb wies jedoch eine 25 mm dicke Pulpeschicht Filtrationsgeschwindigkeiten von etwa 8500 Liter/m²·h (5000 Gallonen/Fuß²·Tag (gfd)) auf.
Diese Untersuchungen lieferten die folgenden Ergebnisse:

1. Der Scheibenzerfaserer zerdrückte die Rüben mit einem niedrigeren Energieverbrauch (~ 3 kWh/Tonne).
2. Die Pulpe wies gute Vakuumfiltrationseigenschaften auf (~ 8500 Liter/m²·h (5000 Gallonen/Fuß²·Tag) bei einem Filterkuchen von 25 mm).
3. Der Vakuumfilterkuchen (nach dem Waschen) hatte einen niedrigen Restzuckergehalt (~ 0,5%).
4. Der Filterkuchen kann gepreßt werden, um ein trockeneres Pulpe-Nebenprodukt (~ 30%) zu erzeugen.
5. Der ausgepreßte Saft wies befriedigende Ultrafiltrationseigenschaften auf (43 Liter/m²·h (25 Gallonen/Fuß²·Tag).
6. Bei der Ultrafiltration wurden Farbkörper in dem ausgepreßten Saft gut abgewiesen (99%).
7. Das Ultrafiltrat wies gute Zuckersiedeeigenschaften auf.

BEISPIEL 3
Etwa 1361 kg (3000 lb) Rüben wurden in Schlagkreuzmühlen etwa 30 Minuten zerkleinert und lieferten etwa 1514 Liter (400 Gallonen) Saft. Die Zerkleinerung erforderte zwei Durchläufe. Der erste Durchlauf erfolgte durch zwei Mühlen und zwei Extraktoren, und der zweite Durchlauf erfolgte durch eine Mühle und zwei Extraktoren Das Wasser, das in die Schlagkreuzmühlen gegeben wurde, um den Austrag der zerkleinerten Rüben zu erleichtern, verdünnte den Saft auf etwa 4% RDS. Der Saft wurde durch ein #200 mesh-Schwingsieb gefiltert. Auf dem Sieb blieb kein sichtbarer Rückstand zurück.
Der Saft wurde auf etwa 77°C (170°F) erhitzt und durch ein Koch HFK 131 Ultrafiltrations-Spiralmembranmodul mit einer Zwischenlage von 2,03 mm (80 Mil) ultrafiltriert. Die Einlaß- und Auslaßdrücke wurden auf 414 und 276 kPa (60 und 40 psig) gehalten. In Tabelle 6 sind die Ergebnisse zusammengefaßt.
BEISPIEL 5
Ein Kurzversuch wurde mit Ultrafiltrat/Diafiltrat von ausgepreßtem Saft durchgeführt, um Möglichkeiten der Vorkonzentration unter Anwendung der Umkehrosmose zu beurteilen. Bei dem Versuch wurde einen Hydranautics-Umkehrosmose-Spiralmembran, Modell ESPA, benutzt, und der Versuch wurde bei 5516 kPa (800 psi) und bei etwa 38°C (100°F) durchgeführt. Die Fluß- und Trennungseigenschaften in diesem Versuch sind in Tabelle 8 aufgeführt.
TABELLE 8 Umkehrosmose von extrahiertem Saft Fluß- und Zurückweisungseigenschaften
BEISPIEL 6a
Zerschnittene Rüben (Schnitzel) wurden mit 420 kg/h einer Rietz Disintegrator-Hammermühle und von dort einer Andriz Sprout-Bauer-Mühle zugeführt, um eine gut aufgeschlossene Pulpe bereitzustellen. Dieser Faserstoff und Saft wurde zur ersten Zentrifuge befördert, einer Mercone-Zentrifuge, hergestellt von Dorr-Oliver, die mit einer 150 μm-Konussiebtrommel ausgestattet war. Das System wurde auf einer Temperatur von 65–70°C gehalten, und der Saft aus der ersten Zentrifuge hatte einen RDS-Wert von 13–14.
Der aufgeschlossene Rübenfaserstrom aus der ersten Zentrifuge wurde einem System von 50 μm-Sieben, die im Gegenstrom arbeiteten, und schließlich einer zweiten Mercone-Zentrifuge zugeführt, die mit einem 250 μm-Sieb ausgestattet war. Diese zweite Zentrifuge entsüßte den Faserstoff und lieferte einen Rübenfaserrückstand, der 5,7% Zucker und 88% Wasser enthielt. Der Saft wurde mit 11–19 Liter/min (3–5 Gallonen/min) von der zweiten Zentrifuge im Gegenstrom durch das Siebsystem zur ersten Zentrifuge zurückgeführt. Etwa 250 ppm, bezogen auf die Rübenmasse, Schaumdämpfungsöl (KABO 580) wurde dem Saft zugesetzt, während der zweiten Zentrifuge 4 Liter/min (1 Gallone/min) Heißwasser zugeführt wurde. Der Saß wurde auf 70°C eingestellt, die pH-Einstellung wurde durch Zugabe von Natriumhydroxidlösung zur Aufschlußstufe ausgeführt, und der pH-Wert des fertigen Safts wurde nötigenfalls abgeglichen. Der fertige Saft aus den aufgeschlossenen Rüben hatte einen RDS-Wert von 13,2 (refraktometrische Trockensubstanzbestimmung) und einen pH-Wert von 6,4 (gemessen bei Umgebungstemperatur). Die scheinbare Reinheit (Pol/Brix; Pol = scheinbarer Saccharosegehalt, gemessen mit Polarisationsverfahren) war 82,6; der konduktometrisch bestimmtee Aschegehalt betrug 3,9%, und der Farbwert betrug 29900 icu. Der Saft enthielt 0,6% Faserstoff.
BEISPIEL 6b
Der Saft von Beispiel 6a, mit einer Temperatur von etwa 70°C, wurde der ersten Ultrafiltration zugeführt. Dies war ein PCI-Membranmodul von 3,7 m (12 Fuß) mit röhrenförmigen Elementen, einer Molekulargewichtstrenngrenze von 200 Kilodalton (kD) und einem Oberflächeninhalt von 2,7 m². Der Einlaßdruck betrug im Mittel 689 kPa (100 psi), der Auslaßdruck 434 kPa (63 psi), und die Querströmungsgeschwindigkeit betrug 537 Liter/min. Die Permeatdurchflußmenge betrug 2,6 Liter/min (entsprechend 60 Liter/m²·h). Das Permeat hatte einen RDS-Wert von 11,0; einen pH-Wert von 6,5; eine scheinbare Reinheit von 83,8; einen Farbwert von 4705 icu und einen Aschegehalt von 4,9%. Das Retentat hatte einen RDS-Wert von 11,1, eine scheinbare Reinheit von 74,4; einen Aschegehalt von 5,1% und einen Farbwert von 60800 icu. Eine ähnliche, in Reihe geschaltete Membran diafiltrierte das Retentat mit 1,0 Liter/min Wasser und lieferte weitere 1,9 Liter/min Permeat mit einem RDS-Wert von 8.
BEISPIEL 6c
Das Permeat aus dem ersten Ultrafiltrationssystem wurde mit etwa 70°C einem zweiten Ultrafiltrationssystem zugeführt, das zwei Osmonics GM-Spiralmembranen von 10 cm (4 Zoll) mit einer Molekulargewichtstrenngrenze von 3500 Dalton bei einem Oberflächeninhalt von 12 Quadratmetern aufwies. Der Einlaßdruck betrug im Mittel 448 kPa (65 psi), der Auslaßdruck 345 kPa (50 psi). Die Gesamtdurchflußmenge des Permeats betrug im Mittel 1,4 Liter/min und ergab 7 Liter/m²·h. Das Permeat hatte einen RDS-Wert von 8,6; einen pH-Wert von 7,0; einen scheinbare Reinheit von 83,6; einen Farbwert von 1666 icu und einen Aschegehalt von 4,9% (5,4% sulfatierte Asche). Das Retentat hatte einen RDS-Wert von 14,2; eine scheinbare Reinheit von 83,3; einen konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 4,9% und einen Farbwert von 13800 icu.
BEISPIEL 6d
Das Permeat von der zweiten Ultrafiltrationsmembran wurde über ein Kationenaustauscherharz (Purolite C155S) in der Natrium-Form geleitet. Die Durchflußgeschwindigkeit betrug 2,4 Liter/min, und dieser Fluß wurde mit 1,6 Bettvolumen/Stunde und bei 70°C über 90 Liter Harz geleitet. Das Produkt hatte einen RDS-Wert von 7,1, einen pH-Wert von 6,4, die scheinbare Reinheit betrug 83,5; der Farbwert 1505 icu, und der konduktometrisch bestimmte Aschegehalt betrug 5,6% (5,2% sulfatierte Asche). Die Ionenzusammensetzung der Harzzufluß- und -abflußströme war: TABELLE 9
BEISPIEL 6e
Der Harzproduktstrom wurde durch Nanofiltration in 3 Stufen von Desal 5DL-Membranen behandelt. Die Gesamtfläche der Membranen betrug 18 Quadratmeter, der Einlaßdruck betrug 3013 kPa (450 psi), und die Temperatur betrug 65°C. Die Zuflußgeschwindigkeit betrug 2,6 Liter/min, und der Retentatfluß betrug 1,0 Liter/min. Zwischen den Stufen wurde Diafiltrationswasser mit 0,3 Liter/min eingeleitet.
Der Retentatstrom (Produktstrom) hatte einen RDS-Wert von 25,4, eine scheinbare Reinheit von 88,3; einen Farbwert von 1154 icu und einen Aschegehalt von 2,9%. Das Permeat hatte einen RDS-Wert von 1,8, eine scheinbare Reinheit von 12,0, einen Farbwert von 3038 icu und einen Aschegehalt von etwa 20%.
Die durch Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) ermittelte Zusammensetzung der Ströme (% in Trockenmasse) war: TABELLE 10
BEISPIEL 6f
Der Produktstrom von der Nanofiltration wurde eingedampft und ergab ein Sirup mit 70,5 Brix. Dem Zulaufsaft zum Verdampfer wurde etwa 1 ml/min Ammoniumbisulfit-(ABS-)Lösung zugesetzt. Die ABS war eine 65%-ige, im Verhältnis 1:1 verdünnte Vorratslösung. Der Verdampfer war eine einstufige APV-Rahmeneinheit und wurde mit 55 kPa abs. (8 psia) betrieben, und die Sirup-Temperatur betrug etwa 85°C. Die Zuflußgeschwindigkeit betrug 1 Liter/min bei 25,4 Brix.
Die durch den Verdampfer erzeugte Lauge wurde unter Vakuum kristallisiert und ergab Weißzucker mit einem Farbwert von 10,2 icu und einem konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 0,009%. Die Kristallisation wurde im diskontinuierlichen Betrieb in einem Kristallisator ausgeführt, der 50 Liter Füllmasse enthielt. Der Kristallisator war eine von Pignat, Genas, Frankreich, hergestellte Pilotanlage. Kristallisationsdruck und -temperatur waren 68 kPa abs. (20 Zoll Hg abs.) bzw. 70–75°C, und die Kristallisation dauerte 2 Stunden. Die durch Kristallisation gebildete Füllmasse wurde in einer 2 Fuß-Trommelzentrifuge mit einer perforierten Trommel zentrifugiert. Der (durch Zentrifugieren abgetrennte) Muttersirup hatte eine scheinbare Reinheit von 81,8% und einen Farbwert von 2988 icu.
BEISPIEL 7 (ALTERNATIVE IONENAUSTAUSCHBEHANDLUNG)
Eine zweite Ultrafiltrationsstufe UF2 ähnlich der im obigen Beispiel 6c beschriebenen, die aber zwei Osmonics GN Spiralmembranmodule von 10 cm (4 Zoll) (Molekulargewichtstrenngrenze 3500 Dalton) und zwei Osmonics GM Spiralmembranmodule von 10 cm (4 Zoll) (Molekulargewichtstrenngrenze 3000 Dalton) aufwies, wurde zur Behandlung von Saft aus einer ersten Ultrafiltrationsstufe verwendet. Dieser Saft wurde ursprünglich aus zerkleinerten Rüben gewonnen, wie oben beschrieben. Die Module liefen mit mittleren Einlaßdrücken von 1103 bzw. 1724 kPa (160 bzw. 250 psi) und lieferten insgesamt 2,5 Liter/min Permeat (pH-Wert 6,5, RDS 9 und Farbwert 1890 icu). Das Permeat wurde mit einem Kationenaustauscherharz (Purolite PCR) in Kalium-Form bei 70°C und 0,9 Bettvolumen/Stunde behandelt. Das Produkt hatte einen pH-Wert von 7,0, einen RDS-Wert von 8,9, eine Reinheit von 85,1 und einen Farbwert von 1959 icu. Die Eingangs- und Ausgangszusammensetzungen (% in Trockenmasse) waren: TABELLE 11
BEISPIEL 8 (ELEKTRODIALYSE)
Das Produkt von dem Ionenaustauscherharz in Kalium-Form in Beispiel 7 wurde durch Nanofiltration (ausgeführt wie im obigen Beispiel 6e) behandelt. Das Produkt (Retentat) hatte einen RDS- Wert von 23, eine Reinheit von 89,5% (ermittelt durch HPLC), einen Aschegehalt von 4,5% als sulfatierte Asche und einen Farbwert von 1800 icu. Es wurde durch Elektrodialyse in einen Stapel behandelt, der 40 kationen-/anionenpermeable Membranpaare aufwies; jedes Paar hatte eine Membranfläche von 0,1 m². Die verwendeten Membranen wurden von Tokuyama Corp., Japan, hergestellt, die anionenpermeable Membran war AE506sb, und die kationenpermeable Membran war CMXsb. Der Stapel wurde bei 45–55°C mit 18–30 Volt und einer Stromstärke von 2–3 A betrieben. Die Anolyt- und Katolyt-Systeme enthielten verdünnte Sulfamidsäure (Leitfähigkeit 20 mS/cm), die mit 11 Liter/min (3 Gallonen/min) durch den Stapel zirkulierte. Der behandelte Strom zirkulierte mit 30–38 Liter/min (8–10 Gallonen/min) und floß durch das gesamte System mit etwa 1 Liter/min. Der Konzentratstrom war eine 0,5%-ige Natriumchloridlösung. Der elektrodialysierte Produktstrom hatte eine Reinheit von 94,4% (ermittelt durch HPLC) und einen Aschegehalt von 2,2% sulfatierter Asche (berechnet aus der unten dargestellten Kationenzusammensetzung, wobei die Ionenzusammensetzung der Zulauf- und Produktströme als % Ionen in Trockenmasse ausgedrückt wird.
TABELLE 12
Das Produkt aus diesem Versuch wurde eingedampft und ebenso wie in Beispiel 6f zu Weißzucker kristallisiert. Nach dem Eindampfen (in Gegenwart von ausreichend Ammoniumbisulfit, um 280 ppm Rest-SO₂ zu ergeben) hatte das Produkt einen RDS-Wert von 70 und einen Farbwert von 1700 icu. Kristallisation unter Vakuum lieferte einen Weißzucker mit einem Farbwert von 17 icu und einem konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 0,007%. Der (durch Zentrifugieren abgetrennte) Muttersirup hatte eine scheinbare Reinheit von 84% und einen Farbwert von 4560 icu.
BEISPIEL 9
Saft aus dem Rübenzerkleinerungssystem, wie in Beispiel 6a beschrieben, wurde in einer Ultrafiltrations-Spiralmembran filtriert. Er wurde zunächst durch ein 200 μm-Beutelfilter vorfiltriert, um etwaige Fasern zu entfernen, die das Zentrifugensieb passiert hatten. Die verwendete Membran war eine Osmonics JY-Spiralmembran von 10 cm (4 Zoll) mit einer Membranfläche von 4,8 Quadratmeter und einer Molekulargewichtstrenngrenze von 100000 Dalton. Die Temperatur des Safts betrug 60°C (140°F), und die Einlaß- und Auslaßdrücke betrugen 345 bzw. 207 kPa (50 psi bzw. 30 psi). Die Zuflußgeschwindigkeit betrug 3,6 Liter/min, und die Permeat- und Retentatflüsse betrugen beide 1,8 Liter/min bei 13 bzw. 14,2 RDS, was eine Durchflußgeschwindigkeit von 22,5 Liter/m²·h bei einem Konzentrationsfaktor von ×2 ergab. Der Zulauf-Farbwert betrug 1232 iu, und der Permeat-Farbwert war 6475 iu. Dieser Saft kann unter Anwendung der Schritte 6c, 6d, 6e und 6f zu Weißzucker weiterverarbeitet werden.
BEISPIEL 10
Der Saft, der ein Gemisch der Mutterlauge aus Weißzuckerkristallisationen und dem Retentat aus der zweiten Ultrafiltration aufweist, kann auf 60 RDS eingedampft und mit einer Geschwindigkeit von 0,9 Liter/h über ein simuliertes Bewegtbett-Trennsystem geleitet werden, das 5,8 Liter über 10 Zellen verteiltes Harz enthält. Wasser kann mit 4 Liter pro Stunde injiziert werden, und das System kann bei einer Temperatur von 70°C betrieben werden. Aus dem System können drei Fraktionen aufgefangen werden, die den größten Teil der organischen Verbindungen; den größten Teil der Saccharose bzw. den größten Teil der Raffinose zuzüglich anderer organischer Materialien enthalten. Typische Eigenschaften jeder dieser Fraktionen sind in den untenstehenden Tabellen angegeben. ("Organische Stoffe" stellen Materialien dar, die durch Differenzbildung aus den Analyseergebnissen berechnet werden.) TABELLE 13
Die gewonnene Saccharose-Fraktion kann eine Reinheit von 96% aufweisen und eine Gewinnung von 92,5% des Saccharose-Eintrags darstellen.
BEISPIEL 11
450 g Muttersirup aus der ersten Kristallisation von Weißzucker (mit einem RDS-Wert von etwa 75 und einem Raffinosegehalt von 2,3% in Trockenmasse) wurde mit Wasser auf 30 RDS verdünnt. Der pH-Wert wurde durch Zugabe von verdünnter Schwefelsäure auf 5,0 eingestellt, und die Lösungstemperatur wurde auf 50°C gebracht. 2,5 × 10⁷ Einheiten pelletiertes α-Galactosidase-Enzym wurden zugesetzt (12,2 g), und die Lösung wurde 2 Stunden bei 50°C gerührt. Der entstehende Saft enthielt 0,7% Raffinose in Trockenmasse.
BEISPIEL 12
Der Muttersirup aus der Kristallisation eines ersten Weißzuckersuds (Farbwert 3147 icu bei 83,1% scheinbarer Reinheit) wurde unter Vakuum kristallisiert und ergab einen zweiten Weißzuckerertrag mit einem Farbwert von 20 icu und einem konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 0,01%. Die Kristallisation wurde im diskontinuierlichen Betrieb in einem Kristallisator ausgeführt, der 50 Liter Füllmasse enthielt. Der Kristallisator war eine von Pignat, Genas, Frankreich, hergestellte Pilotanlage. Kristallisationsdruck und -temperatur betrugen 67,7 kPa abs. (20 Zoll Hg abs.) und 70–75°C, und die Kristallisation dauerte etwa 2 Stunden. Die durch Kristallisation gebildete Füllmasse wurde in einer 0,6 m (2 Fuß)-Trommelzentrifuge unter Verwendung einer perforierten Trommel zentrifugiert. Der (durch Zentrifugieren abgetrennte) Muttersirup hatte eine scheinbare Reinheit von 81,1% und einen Farbwert von 4155 icu.
BEISPIEL 13a
Rübensaft aus einem Fabrikdiffuseur (Farbwert etwa 4200 icu) wurde der ersten Zentrifuge (mit einem 150 μm-Sieb) zugeführt, um Restfasern zu entfernen, und auf 70°C erhitzt. Er wurde kräftig belüftet, gesiebt (50 μm) und mit Natriumhydroxid auf einen pH-Wert von 8,0 eingestellt. Der entstehende Saft hatte einen RDS-Wert von 17,5, eine scheinbare Reinheit von 85,1, einen Farbwert von 16400 icu und einen konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 5,3%. Er enthielt 0,09% Faserstoff.
Dieser Saft wurde bei 73°C der ersten Ultrafiltration zugeführt: einem Osmonics PW Membranmodul von 10 cm (4 Zoll) Durchmesser mit Spiralelementen, einer Molekulargewichtstrenngrenze von 10–15000 Dalton und einem Oberflächeninhalt von 4,3 m². Der mittlere Einlaßdruck betrug 455 kPa (66 psi), der Auslaßdruck 310 kPa (45 psi), und die Querströmungsgeschwindigkeit betrug 193 Liter/min. Die Permeatdurchflußgeschwindigkeit betrug 1,9 Liter/min (entsprechend 26 Liter/m²·h). Das Permeat hatte einen RDS-Wert von 15,5, eine scheinbare Reinheit von 85,6%; einen Farbwert von 6697 icu und einen Aschegehalt von 5,3%. Das Retentat hatte einen RDS-Wert von 12,5 und eine scheinbare Reinheit von 83,4%. Durch Diafiltration des Retentats unter Verwendung einer PCI-Röhrenmembran mit einer Molekulargewichtstrenngrenze von 20000 Dalton wurden weitere 1,6 Liter/min Permeat mit einem RDS-Wert von 7 erzeugt. Die Permeate wurden vermischt.
BEISPIEL 13b
Die vereinigten Permeate aus dem ersten Ultrafiltrationssystem wurden bei 65°C einem zweiten Ultrafiltrationssystem mit zwei Osmonics GK- und zwei Osmonics GE-Spiralmembranmodulen von 10 cm (4 Zoll) Durchmesser zugeführt. Diese Membranen haben Molekulargewichtstrenngrenzen von 2000 Dalton bzw. 1000 Dalton. Sie wurden mit mittleren Einlaßdrücken von 1724 kPa (250 psi) betrieben und lieferten insgesamt 2,2 Liter/min Permeat (RDS-Wert 13,5, scheinbare Reinheit 85,0%, konduktometrisch bestimmter Aschegehalt 6,5% und Farbwert 3297 icu). Das Retentat hatte einen RDS-Wert von 21,4 und eine scheinbare Reinheit von 83,8%. Die gesamte Membranfläche betrug 24 Quadratmeter, und die mittlere Durchflußgeschwindigkeit betrug 5,5 Liter/m²·h.
BEISPIEL 13c
Das Permeat aus dem zweiten Ultrafiltrationsmembransystem wurde durch Nanofiltration mit zwei Desal DS5-Membranstufen von 10 cm (4 Zoll) Durchmesser behandelt. Die gesamte Membranfläche betrug 12 Quadratmeter, der Einlaßdruck betrug 3103 kPa (450 psi), und die Temperatur betrug 66°C (150°F). Die Zuflußmenge betrug 2,5 Liter/min (0,75 Gallonen/min), und der Retentatflußmenge betrug 1 Liter/min (0,3 Gallonen/min). In die zweite Stufe wurden 10,4 Liter/h (2,75 Gallonen/h) Diafiltrationswasser eingeleitet. Der Retentat-(Produkt-)Strom hatte einen RDS-Wert von 24,9; eine scheinbare Reinheit von 90,6% (90,8% durch HPLC ermittelt); einen Farbwert von 2802 icu und einen konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 4,2%. Das Permeat hatte einen RDS-Wert von 5,2 und eine scheinbare Reinheit von 38,3%.
BEISPIEL 13d
Das Nanofiltrationsretentat von Beispiel 13c wurde durch Elektrodialyse in einem Stapel von 40 kationen-/anionenpermeablen Membranpaaren behandelt, wobei jedes Paar eine Membranfläche von 0,1 m² aufwies. Der Stapel arbeitete bei 45–55°C mit 18–30 Volt und einer Stromstärke von 2–3 A. Die Anolyt- und Katolyt-Systeme enthielten verdünnte Sulfamidsäure (Leitfähigkeit 20 mS/cm), die mit 11 Liter/min (3 Gallonen/min) durch den Stapel zirkulierte. Der behandelte Strom zirkulierte mit 30 Liter/min (8 Gallonen/min), und die Anlage wurde diskontinuierlich betrieben. Der Stapel wurde bei 40–50°C mit 12–23 Volt und einer Stromstärke von 3 A betrieben. Die Ionenzusammensetzungen des Zuflusses und des Produkts waren: TABELLE 14
Das Produkt hatte eine (durch HPLC ermittelte) Reinheit von 92,5%.
BEISPIEL 13e
Das Produkt aus der Elektrodialyse (nach Zugabe von etwa 900 ppm SO₂ als Ammoniumbisulfitlösung) wurde zu einem Sirup mit 69 Brix (Farbwert 3060 icu) eingedampft. Der Verdampfer war eine einstufige APV-Rahmeneinheit und wurde mit 55 kPa abs. (8 psia) betrieben, und die Sirup-Temperatur betrug etwa 85°C. Die Zuflußgeschwindigkeit zum Verdampfer betrug 1 Liter/min bei 24 Brix.
Der eingedampfte Sirup wurde unter Vakuum kristallisiert und ergab einen Weißzucker mit einem Farbwert von 17,3 icu und einem konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 0,007%. Die Kristallisation wurde im diskontinuierlichen Betrieb in einem Kristallisator ausgeführt, der 50 Liter Füllmasse enthielt. Der Kristallisator war eine von Pignat, Genas, Frankreich, hergestellte Pilotanlage. Kristallisationsdruck und -temperatur waren 68 kPa abs. (20 Zoll Hg abs.) bzw. 70–75°C, und die Kristallisation dauerte 2 Stunden. Die durch Kristallisation gebildete Füllmasse wurde in einer 0,6 m (2 Fuß)-Trommelzentrifuge mit einer perforierten Trommel zentrifugiert.
Der (durch Zentrifugieren abgetrennte) Muttersirup hatte eine scheinbare Reinheit von 80,3% und einen Farbwert von 5380 icu.
BEISPIEL 13f
Der durch die Methoden von Beispiel 13e erzeugte Muttersirup wurde in dem Pignat-Kristallisator bei 68 kPa (20 Zoll Hg abs.) und 70–75°C über 3 Stunden weiter kristallisiert. Die Füllmasse wurde in einer 0,6 m (2 Fuß)-Trommelzentrifuge zentrifugiert und ergab einen zweiten Zuckerertrag mit einem Farbwert von 40 iu und einem Aschegehalt von 0,019%.
BEISPIEL 14a
208 Liter (55 Gallonen) frischer Diffuseur-Rübensaft mit 16,5 Brix und einem Farbwert von 3850 icu wurden mit Natriumhydroxidlösung auf einen pH-Wert von 8 eingestellt. 2,2 Liter Wasserstoffperoxid von 3 Vol.-% wurden zugesetzt (0,03% im Saft oder 0,19% in Trockenmasse). Der Saft wurde 60 Minuten auf 80°C erhitzt; während dieser Zeit stieg der Farbwert auf 14000 icu an. Ultrafiltration durch eine bei 2068 kPa (300 psi) betriebene PCI-Röhrenmembran mit einer Molekulargewichtstrenngrenze von 4000 Dalton ergab ein Permeat mit einem Farbwert von 2100 icu und ein Retentat mit 50000 icu.
Das Permeat wurde in einer ähnlichen Anlage und unter ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 13c unter Vakuum eingedampft und kristallisiert. Während dieses Eindampfens zu einer Kristallisations-Füllmasse wurde ein Farbwert von 4450 icu erzeugt. Durch Zentrifugieren und Waschen erhielt man Kristalle mit 46 icu. In einem weiteren Versuch wurden 200 ppm SO₂ der Kristallisation zugesetzt und ergaben Kristalle mit einem Farbwert von 34 icu aus einer Füllmasse mit einem Farbwert von 3950 icu.
BEISPIEL 14b
Der Arbeitsvorgang von Beispiel 14a wurde wiederholt, wobei aber der Oxidation ein Diffuseur-Rübensaft zugeführt wurde, der erhitzt und belüftet worden war, wie in Beispiel 13a beschrieben. Der Farbwert des Zuflusses betrug 12123 icu. Peroxidbehandlung erhöhte diesen Farbwert auf 14473 icu, und Ultrafiltration ergab ein Permeat mit 2707 icu.
BEISPIEL 15
Der Saft, der ein Gemisch aus der Mutterlauge von Weißzuckerkristallisationen und dem Retentat von einer zweiten Ultrafiltration aufweist, kann auf einen RDS-Wert von 60 eingedampft und mit einer Geschwindigkeit von 1,0 Liter/h über ein simuliertes Bewegtbett-Trennsystem geleitet werden, das 5,8 Liter über 10 Zellen verteiltes Harz enthält. Wasser kann mit 4 Liter/h eingeleitet werden, und das System kann bei einer Temperatur von 70°C betrieben werden. Aus dem System wurden drei Fraktionen aufgefangen, die den größten Teil der organischen Verbindungen, den größten Teil der Saccharose bzw. den größten Teil der Raffinose zuzüglich weiterer organischer Stoffe enthielten. Typische Eigenschaften jeder dieser Fraktionen sind in der nachstehenden Tabelle angegeben. ("Organische Stoffe" stellen Materialien dar, die durch Differenzbildung aus den Analyseergebnissen berechnet werden.) TABELLE 15
Die Saccharose-Fraktion hat typischerweise eine Reinheit von 96,5% und stellt eine Gewinnung von 90,5% des Saccharose-Eintrags dar.
BEISPIEL 16
500 g Mutterlauge aus der ersten Kristallisation von Weißzucker (mit einem RDS-Wert von etwa 75 und 2,6% Raffinosegehalt in Trockenmasse) wurde mit Wasser auf 30 RDS verdünnt. Der pH-Wert wurde durch Zugabe von verdünnter Schwefelsäure auf 5,0 eingestellt, und die Lösungstemperatur wurde auf 50°C gebracht. 2,5 × 10⁷ Einheiten pelletiertes α-Galactosidase-Enzym wurden zugesetzt (12,2 g), und die Lösung wurde 2 Stunden bei 50°C gerührt. Der entstehende Saft wurde analysiert, und es wurde festgestellt, daß er 0,9% Raffinose in Trockenmasse enthielt.
BEISPIEL 17
Der Muttersirup aus der Kristallisation eines ersten Weißzuckersuds (Farbwert 4094 icu bei 80,8% scheinbarer Reinheit) wurde unter Vakuum kristallisiert und ergab einen zweiten Weißzuckerertrag mit einem Farbwert von 28 icu und einem konduktometrisch bestimmten Aschegehalt von 0,024%. Die Kristallisation wurde im diskontinuierlichen Betrieb in einem Kristallisator ausgeführt, der 50 Liter Füllmasse enthielt. Der Kristallisator war eine von Pignat, Genas, Frankreich hergestellte Pilotanlage.
Kristallisationsdruck und -temperatur betrugen 68 kPa abs. (20 Zoll Hg abs.) und 70–75°C, und die Kristallisation dauerte etwa 2 Stunden. Die durch Kristallsation gebildete Füllmasse wurde in einer 0,6 m (2 Fuß)-Trommelzentrifuge unter Verwendung einer perforierten Trommel zentrifugiert. Der (durch Zentrifugieren abgetrennte) Muttersirup hatte eine scheinbare Reinheit von 77,4% und einen Farbwert von 5807 icu.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Rüben, mit den folgenden Schritten: (a) Aufschluß von Rüben oder Rübenstücken; (b) mechanisches Abtrennen von Saft von den aufgeschlossenen Rüben durch Vakuumextraktion bei einer Temperatur von mindestens 80°C; und (c) Membranfiltration des abgetrennten Safts, wodurch ein Filterrückstand bzw. Retentat und ein Permeat erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rüben oder Rübenstücke im Schritt (a) in einer Reibmühle oder Hammermühle aufgeschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mechanische Abtrennen von Saft auf einem sich bewegenden porösen Vakuumfilterband im Gegenstrom von aufgeschlossenen Rüben und Wasser erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membranfiltration mit einer Ultrafiltrationsmembran oder einer Nanofiltrationsmembran oder mit beiden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Membranfiltration eine bei mindestens 80°C durchgeführte Kreuzstromfiltration aufweist und der pH-Wert des Permeats mindestens gleich 7 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membranfiltration von Schritt (c) aufweist: Filtern des abgetrennten Safts durch eine erste Ultrafiltrationsmembran mit einer ersten Molekulargewichtsgrenze, wodurch ein erstes Ultrafiltrationspermeat und ein erstes Ultrafiltrationsretentat erzeugt werden; Filtern des ersten Ultrafiltrationspermeats durch eine zweite Ultrafiltrationsmembran mit einer zweiten Molekulargewichtsgrenze, die niedriger ist als die erste Molekulargewichtsgrenze; wodurch ein zweites Ultrafiltrationspermeat und ein zweites Ultrafiltrationsretentat erzeugt werden; und Filtern des zweiten Ultrafiltrationspermeats durch eine Nanofiltrationsmembran; wodurch ein Nanofiltrationspermeat und ein Nanofiltrationsretentat erzeugt werden, wobei das Nanofiltrationsretentat eine höhere Saccharosekonzentration auf Trockenstoffbasis aufweist als der abgetrennte Saft im Schritt (b).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Nanofiltrationsretentat durch Elektrodialyse gereinigt wird, wodurch ein elektrodialysierter Saft und ein Elektrodialyserückstand erzeugt werden; der elektrodialysierte Saft durch Ionenaustausch erweicht wird, wodurch ein erweichter gereinigter Saft entsteht; und die Nanofiltration, Elektrodialyse und der Ionenaustausch mindestens 65 Gew.-% Ca, Mg, K, Na und deren zugehörige anorganische und organische Anionen entfernen, die in dem zweiten Ultrafiltrationspermeat vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der pH-Wert des Safts durch Zusatz einer Base vor der ersten Ultrafiltration auf 6–8 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner den Schritt zum Entfernen von restlichen Rübenfasern und Schlamm aus dem Saft vor der ersten Ultrafiltration durch mindestens ein Verfahren aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sieben und Filtern besteht, wobei das Sieben oder Filtern mindestens 90 Gew.-% aller Fasern und des Schlamms mit einer größten Abmessung von 150 μm oder mehr entfernt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Ultrafiltrationsretentat einer Diafiltration durch mindestens eine erste Diafiltrations-/Ultrafiltrationsmembran ausgesetzt wird, wodurch ein erstes Diafiltrationspermeat und ein erstes Diafiltrationsretentat erzeugt werden; und wobei das erste Diafiltrationspermeat durch eine zweite Ultrafiltrationsmembran gefiltert wird, und wobei das zweite Ultrafiltrationsretentat einer Diafiltration durch mindestens eine zweite Diafiltrations-/Ultrafiltrationsmembran ausgesetzt wird, wodurch ein zweites Diafiltrationspermeat und ein zweites Diafiltrationsretentat erzeugt werden; und wobei das zweite Diafiltrationspermeat durch die Nanofiltrationsmembran gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei von dem ersten Ultrafiltrationsretentat, dem zweiten Ultrafiltrationsretentat und dem Nanofiltrationspermeat und einem Elektrodialysekonzentrat oder -rückstand mindestens zwei zur Herstellung von Melasse vereinigt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei zumindest das erste Diafiltrationsretentat, das zweite Diafiltrationsretentat und das Nanofiltrationspermeat zur Herstellung von Melasse vereinigt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Eindampfen des Nanofiltrationsretentats zur Herstellung eines konzentrierten Sirups und das Auskristallisieren von Weißzucker aus dem konzentrieren Sirup aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der gereinigte Saft eine Aschekonzentration von nicht mehr als 2,5 Gew.-% auf Trockenstoffbasis aufweist, und das ferner das Eindampfen des gereinigten Safts zur Herstellung eines konzentrierten Sirups und das Auskristallisieren von Weißzucker aus dem konzentrierten Sirup aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren zwei Kristallisationen von Weißzucker aus dem konzentrierten Sirup aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Saft während der Filtration durch die erste Ultrafiltrationsmembran eine Temperatur von 60–93°C (140–200°F) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste Ultrafiltrationsmembran eine Molekulargewichtsgrenze von mindestens 2000 Dalton und eine Porengröße von nicht mehr als 0,1 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Ultrafiltrationsmembran eine Molekulargewichtsgrenze von 4000–200000 Dalton aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Ultrafiltrationspermeat eine Farbe von 3000–10000 icu und das zweite Ultrafiltrationspermeat eine Farbe von nicht mehr als 4000 icu aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Ultrafiltrationsmembran eine Molekulargewichtsgrenze von 500–5000 Dalton aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die zweite Ultrafiltrationsmembran eine Molekulargewichtsgrenze von 1000–4000 Dalton aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Nanofiltrationspermeat mindestens 30 Gew.-% auf Trockenstoffbasis der im Zulaufsaft vorhandenen Asche, mindestens 30 Gew.-% auf Trockenstoffbasis der im Zulaufsaft vorhandenen Invertzucker und mindestens 25 Gew.-% auf Trockenstoffbasis des im Zulaufsaft vorhandenen Betains aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens ein wäßriger Strom, ausgewählt aus der Gruppe, die aus dem Zulaufsaft, dem ersten Ultrafiltrationspermeat, dem zweiten Ultrafiltrationspermeat und dem Nanofiltrationsretentat besteht, in Kontakt mit einem Mittel gebracht wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schwefeldioxid, Sulfitsalzen, Bisulfitsalzen, Metabisulfitsalzen, Dithionitsalzen und Gemischen daraus besteht, in einem Anteil, der ausreicht, um ein äquivalente Schwefeldioxidkonzentration von mindestens 100 ppm in dem Strom bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei kein Kalk und kein Kohlendioxid mit einem der Permeate in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner den Schritt zum Einleiten einer ausreichenden Luftmenge in den Zulaufsaft aufweist, um eine Polymerisation von Farbkörpern vor der Filtration durch die erste Ultrafiltrationsmembran zu verursachen, wobei mindestens ein Teil der Farbkörper durch die Filtration in der ersten Ultrafiltrationsmembran aus dem Saft entfernt werden.