DE2300127C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen von unverdünntem oder wenig verdünntem Fruchtwasser und von Stärke aus Hackfrüchten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen von unverdünntem oder wenig verdünntem Fruchtwasser und von Stärke aus HackfrüchtenInfo
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Description
35
Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen von unverdünntem oder wenig verdünntem Fruchtwasser
und von Stärke aus Hackfrüchten.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gewinnen von unverdünntem oder wenig verdünntem
Fruchtwasser und von Stärke aus Hackfrüchten, wie Kartoffeln, Süßkartoffeln und Kassawarüben, wobei
diese gerieben werden und das Geriebene durch Hydrozyklone in einer Anzahl Trennungsstufen derart
behandelt wird, daß die bei der Trennung in einer Stufe η erhaltene schwere Fraktion unter Zugabe der bei der
Trennung in der Stufe n+2 erhaltenen leichten Fraktion in der Stufe n+1 getrennt wird, und zwar derart, daß
einerseits eine Mischung von Fruchtwasser und Fasern so
und andererseits eine Stärkesuspension erhalten wird. Die Erfindung wird insbesondere für die Anwendung
von Kartoffeln als Ausgangsmaterial beschrieben.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der niederländischen Patentschrift 77 039 bekannt Nach diesem bekannten
Verfahren werden beispielsweise Kartoffeln unter Zusatz von maximal der dreifachen Gewichtsmenge
Wasser, berechnet auf die ursprüngliche Menge Fruchtwasser, einmal gerieben bis auf eine Teilchengröße
von weniger als 0,17 mm und vorzugsweise weniger als 0,15 mm. Weiter wird nach diesem bekannten
Verfahren vor der letzten Trennungsstufe Wasser, vorzugsweise in einer Menge von wenigstens 0,6 m3 und
höchstens 1 m3 frischen Wassers pro Tonne Kartoffeln,
zugegeben. 6s
Während bei der Kartoffelstärkeherstellung normalerweise wenigstens zweimal gerieben wird, wobei
die Größe der Fasern in dem ersten Geriebenen etwa 0,4 mm beträgt, wurde es gemäß dem Verfahren nach
der niederländischen Patentschrift 77 039 für erforderlich gehalten, die Kartoffeln einmal bis auf eine
Teilchengröße von weniger als 0,17 mm zu reiben, um eine gute Stärke-Ausbeute zu erhalten sowie Verstopfungen
der Zyklone zu vermeiden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die Zellwände der Kartoffeln zu
solchen kleinen Fasern gemahlen werden, daß die erhaltenen Feinfasern sich in der Hydrozykloneanlage
schwerer vcn den Stärkekörnern trennen lassen als bei dem üblichen Mahlgrad und daß sie sich auch schwer
aus der aus Fruchtwasser und Feinfasern bestehenden Überlaufmasse der Hydrozykloneanlage absieben lassen.
Dazu kommt noch, daß das aus der Hydrozykloneanlage überlaufende Fruchtwasser, weil beim Reiben
Verdünnungswasser in einer Menge von 0,4 bis 2,4 m3 Wasser pro Tonne Kartoffeln und außerdem noch 0,6
bis 1 m3 frisches Wzschwasser vor der letzten
Trennstufe zugesetzt wird, noch in einem solchen Maße verdünnt ist, daß die Nebenprodukte nicht in wirtschaftlich
vertretbarer Weise gewonnen werden können. Das Verfahren nach der niederländischen Patentschrift
77 039 gibt daher keine akzeptable Lösung des durch das Abwasser dsr Kartoffelstärkeherstellung bedingten
umwelthygienischen Problems.
Ein weiterer Nachteil der in der niederländischen Patentschrift 77 039 beschriebenen Hydrozyklonanlage
ist, daß diese Anlage schwer optimal im Gleichgewicht gehalten werden kann. Bei Versuchen hat sich gezeigt,
daß dies durch Verwendung von Zentrifugalpumpen ohne Durchströmungsregelung verursacht wird. Damit
das System im Gleichgewicht gehalten wird, sind nach diesem Verfahren die Zufuhrleitungen der Pumpen über
Rückschlagventile an eine Wasserleitung angeschlossen. Wird der Unterdruck in einer Pumpe zu hoch, so strömt
über das Rückschlagventil Wasser aus der Wasserleitung zu, wodurch die Überlaufmasse der Hydrozyklonanlage,
also das Fruchtwasser weiter verdünnt wird.
Es wurde nun gefunden, daß man durch Trennen des geriebenen Kartoffelbreis durch Hydrozyklone in
Fruchtwasser und Fasern einerseits und Stärke andererseits das Fruchtwasser in unverdünnter oder wenig
verdünnter Form gewinnen kann unter Beibehaltung einer guten Stärkeausbeute, wenn man die Kartoffeln
ohne Zusatz von Wasser derart reibt, daß die Fasern überwiegend größer als 0,2 mm, jedoch nicht größer als
1 mm sind und die Zufuhr jeder Hydrozyklonstufe individuell konstant gehalten wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Gewinnen von unverdünntem oder wenig verdünntem Fruchtwasser
und von Stärke aus Hackfrüchten, wobei diese gerieben werden und das Geriebene durch Hydrozyklone
in einer Anzahl Trennungsstufen derart behandelt wird, daß die bei der Trennung in der Stufe η erhaltene
schwere Fraktion unter Zugabe der bei der Trennung in der Stufe n+2 erhaltenen leichten Fraktion in der Stufe
/)+1 getrennt wird, und zwar derart, daß einerseits eine
Mischung von Fruchtwasser und Fasern und andererseits eine Stärkesuspension erhalten wird, ist dadurch
gekennzeichnet daß man die Hackfrüchte ohne Zugabe von Wasser derart reibt, daß die dabei anfallenden
Fasern überwiegend größer als 0,2 mm, jedoch nicht größer als 1 mm sind, die Zufuhr jeder Hydrozyklonstufe
individuell konstant hält und zum Auswaschen der Stärke weniger als 0,8 m3 frisches Wasser pro Tonne
Ausgangsmaterial verwandet.
Vorzugsweise liegt die Größe der Fasern in dem geriebenen Brei zwischen 0,4 mm und 0,8 mm. Diesen
23 OO
Mahlgrad kann man dadurch erhalten, daß man die Kartoffeln mit den üblichen Trommelreiben der
beispielsweise in der niederländischen Patentschrift 79 /71 beschriebenen Art reibt Um die Verfärbung des
Geriebenen zu vermeiden, kann man diesem gosförmiges
Schwefeldioxyd zusetzen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Mahlvorrichtung
und mehreren Hydrozyklonstufen in einer solchen Schaltung, daß die bei der Trennung in der Stufe π ίο
erhaltene schwere Fraktion unter Zusatz der bei der Trennung in der Stufe n+2 erhaltenen leichten Fraktion
in der Stufe n+1 getrennt wird, und ist gekennzeichnet
durch jeweils eine in der Zufuhrleitung jeder Hydrozyklonstufe
angeordnete Pumpe mit einer vom Druck unabhängigen Ausbeute.
Als Pumpen mit einer von dem Druck unabhängigen Ausbeute können rotierende Verdrängerpumpen oder
Zentrifugalpumpen mit einer Durchströmungsregelung verwendet werden. Gegebenenfalls kann die Hydrozykloneanlage
aus zwei Teilen bestehen, zwischen denen eine Trennungsvorrichtung zum Abtrennen der Stärke
aus einer Flüssigkeit und eine Vorrichtung, in der die abgetrennte Stärke in Wasser suspendiert werden kann,
angeordnet ist
Um nicht oder wenig verdünntes Fruchtwasser zu gewinnen, kann das Verfahren gemäß der Erfindung in
verschiedener Weise durchgeführt werden.
Gemäß einer wesentlichen Ausführungsform wird das Geriebene von obigem Mahlgrad durch Hydrozyklone
in unverdünntes, mit Fasern vermischtes Fruchtwasser einerseits und Stärke in unverdünntem Fruchtwasser
andererseits getrennt Die stärkehaltige Fraktion wird durch Filtrieren oder durch Zentrifugieren größtenteils
von dem vorhandenen unverdünnten Fruchtwasser befreit und nach dem Suspendieren in Wasser
anschließend in einer zweiten Hydrozykloneanlage durch Waschen im Gegenstrom mit frischem Wasser in
einer Menge, die vorzugsweise weniger als 0,6 m3 Wasser pro Tonne Kartoffeln beträgt, gereinigt Da
man der aus unverdünntem Fruchtwasser und Fasern bestehenden Überlaufmasse der ersten Hydrozykloneanlage
das von der Stärke abgetrennte Fruchtwasser zugibt, kann gemäß dieser Ausführungsform des
Verfahrens gemäß der Erfindung etwa 85% des in den Kartoffeln vorhandenen Fruchtwassers in unverdünntem
Zustand mit den Fasern vermischt gewonnen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Gewinnung des Fruchtwassers mit den
Fasern und die Reinigung der Stärke nicht in zwei gesonderten Hydrozykloneanlagen, sondern in einer
einzigen Hydrozykloneanlage durchgeführt. Dabei dient der obere Teil der Anlage, und zwar die Zyklone
zwischen dem Punkt des Einlasses des Geriebenen und dem Punkt des Überlaufs als Trennabteilung für Stärke
und Fasern und der untere Teil der Anlage, und zwar die Hydrozyklone nach dem Einlaßzyklon bis zum Punkt
des Abzapfens der gereinigten Stärkesuspension, als Waschabteilung zum Auswaschen der wasserlöslichen
Stoffe aus der Stärke und zum Entfernen der Feinfasern. Die Menge an reinem Wasser, die man vor der letzten
Trennstufe der Hydrozykloneanlage zugibt, wird nach dieser Ausführungsform möglichst eingeschränkt und
beträgt weniger als 0,8 m3 pro Tonne Kartoffeln,
vorzugsweise weniger als 0,6 m3 Wasser pro Tonne Kartoffeln. In dieser Weise wird alles Fruchtwasser
zusammen mit den Fasern in wenig verdünnter Form abgetrennt βτϊ Anwendung von weniger als 0,6 m3
Wasser pr > tonne Kartoffeln beträgt der Eiweißgehalt
des wenig verdünnten Fruchtwassers mehr als das 0,6fache des Eiweißgehalts des ursprünglichen Fruchtwassers.
Die Gewinnung des Fruchtwassers in unverdünnter oder wenig verdünnter Form ermöglicht eine wirtschaftliche
Verarbeitung des Abwassers. Es hat sich weiter gezeigt, daß die Fasern sich leicht aus dem
Fruchtwasser absieben lassen. Das kann beispielsweise mittels rotierender Siebe, Abscherklassierer, Zentrifugen,
Separatoren und Dekanteure erfolgen. Der Stärkegehalt der in dieser Weise erhaltenen Fasern liegt
in der Größenordnung von 40%, einem üblichen Wert für Kartoffelfasern.
Trotz der bei diesen Ausführungsformen verwendeten geringen Mengen an frischem Wasser beträgt der
gesamte Eiweißgehalt der aus der Hydrozykloneanlage abgezapften Stärkefraktion bei einer genügenden
Anzahl Waschstufen weniger als 0,1%. Weil die Stärkefraktion auch praktisch frei von Feinfasern ist
kann die Stärke ohne weitere Reinigung durch Filtrieren oder durch Zentrifugieren aus der abgezapften
Stärkesuspension isoliert und zu Kartoffelstärke von Superqualität getrocknet werden.
Das gemäß den verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens erhaltene wenig oder nicht verdünnte
Fruchtwasser kann, gegebenenfalls unter Entfernung der freien Stärke, mit den Fasern oder ohne diese in
verschiedener Weise zu Nebenprodukten verarbeitet werden, beispielsweise durch Eindampfen und Trocknen,
durch Hitzekoagulation der koagulierbaren Eiweiße und Abtrennung des Koagulats. Überraschenderweise
hat es sich gezeigt daß sich das koagulierte Eiweiß, wenn die Hitzekoagulation, die vorzugsweise oberhalb
einer Temperatur von 100°C erfolgt, in Anwesenheit der Fasern durchgeführt wird, äußerst einfach mittels
der Fasern als Filtermaterial abfiltrieren läßt Das Filtrat der Eiweißkoagulation kann unter anderem als Nährboden
für die Herstellung von »single-cell-protein« angewendet werden, indem man darauf Hefen, Bakterien
oder Schimmel wachsen läßt und die Kulturen dann von dem Nährboden trennt Erwünschtenfalls kann die
Gärung derart durchgeführt werden, daß wertvolle Hefeprodukte erhalten werden, z. B. in Form von
Äthanol, Butanol und Aceton. Auch ist es möglich, das faserfreie und eiweißfreie Abwasser über Kationen- und
Anionenaustauscher zu führen, wobei Kaliumsalze bzw. Aminosäuren und organische Säuren gewonnen werden.
Weiter kann das Filtrat konzentriert werden durch Eindampfen und/oder umgekehrte Osmose und/oder
Ultrafiltration. Die so erhaltenen Konzentrate können, gegebenenfalls nach Zusatz von Fasern, getrocknet
werden. Weiter ist es möglich, die Filtrate oder gegebenenfalls die bei obigen Verfahren daraus
gebildeten Abwasserströme auf das Land zu verregnen oder einer aeroben oder anaeroben mikrobiologischen
Reinigung zu unterziehen.
In all diesen Fällen wird eine weitgehende Reinigung des Abwassers der Kartoffelstärkehcrstellung vereinfacht
und wirtschaftlich attraktiver, weil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch alles Fruchtwasser
in unverdünnter oder wenig verdünnter Form erhalten ,-'ird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich darin von dem bekannten Verfahren, daß die
erwünschten Werte aller Ströme in dem System dadurch aufrechterhalten werden, daß Pumpen mit
23 OO
einer von dem Gegendruck unabhängigen Ausbeute benutzt werden, wie rotierende Verdrängerpumpen
oder Zentrifugalpumpen mit Durchströmungsregulierung. Dadurch ist es möglich, mit sehr hohen
Stärkekonzentrationen in den Zyklonabzapfungen zu s arbeiten und ohne Gefahr, daß durch eine Änderung der
Ströme während des Verfahrens die Konzentration in einer oder mehreren Abzapfungen so hoch wird, daß
Dilatanz auftritt und das System stockt. Dieses Verfahren hat gleichfalls zur Folge, daß das ganze
System unter Überdruck funktioniert. Die beim erfindungsgemäßen Verfahren anzuwendende Menge
Spülwasser bestimmt in starkem Maße das Verhältnis der Abzapf- und Überlaufvolumina der Hydrozyklonestufen,
wie auch die Anzahl Hydrozyklonestufen in der
Anlage. Wird weniger Wasser verwendet, so sind mehr Waschstufen für ein gutes Auswaschen der Stärke
erforderlich.
In der Hydrozykloneanlage können folgende Bedingungen
herrschen:
15 mm Druckfall über die Zyklone etwa 3 bis 4 bar
0,48 m3 frischem Wasser pro Tonne Kartoffeln:
19 Hydrozyklonestufen
0,56 m3 frischem Wasser pro Tonne Kartoffeln:
0,56 m3 frischem Wasser pro Tonne Kartoffeln:
17 Hydrozyklonestufen
0,80 m3 frischem Wasser pro Tonne Kartoffeln:
0,80 m3 frischem Wasser pro Tonne Kartoffeln:
13 Hydrozyklonestufen.
Das Verhältnis der Abzapfvolumina zu den Überlaufvolumina in diesen Stufen variiert von 27 bis 50%
Abzapfmasse gegen 73 bis 50% Überlaufmasse. Die Abzapfungen des größten Teiles der Hydrozyklonestufen
in der Waschabteilung enthalten wenigstens 450 g absolute Trockenstoffstärke pro Liter.
Die Erfindung, die auch bei der Gewinnung von unverdünntem oder wenig verdünntem Fruchtwasser
und Stärke aus Süßkartoffeln oder Kassawarüben angewendet werden kann, wird an Hand nachstehender
Beispiele und den Figuren erläutert
45
In F i g. 1 ist eine Doppelhydrozykloneanlage angegeben,
die in erster Instanz dazu dient, den größten Teil des Fruchtwassers in unverdünntem Zustand zu
entfernen. In diesem Falle wird in der ersten aus sieben Hydrozyklonestufen bestehenden Anlage kein frisches
Wasser zugeführt, in der zweiten wohl. Bei diesem Verfahren werden gut 17 t Kartoffeln pro Stunde ohne
Zugabe von Wasser auf eine Fasergröße, die überwiegend zwischen 0,4 und 0,8 mm liegt, gerieben und durch
eine rotierende Verdrängerpumpe einer Multihydrozyklonestufe
IV der ersten Anlage (aj zugeführt Diese 17 t
Kartoffeln pro Stunde entsprechen 4,74 kg/Sek. oder aber etwa 53 1 Geriebenem pro Sekunde, worin 948 g
freie Stärke vorhanden ist Das Verhältnis Abzapfvolumina/Überlaufvolumina
in dieser Stufe und in allen anderen Stufen dieser ersten Anlage ist auf 50:50
eingestellt worden.
Der Überlauf g aus der Anlage besteht aus 2,7 1
Fruchtwasser, in dem praktisch alle Fasern sowie etwa 2 g freie Stärke suspendiert worden sind. Die Abzapfung
1 der ersten Hydrozykloneanlage besteht aus praktisch aller gewinnbaren Stärke und einer geringen
Menge Feinfasern, suspendiert in Fruchtwasser. Weil darin praktisch keine Fasern vorhanden sind, läßt sich
diese Abzapfung leicht mit einem Vakuumfilter oder einer Zentrifuge (CON) entwässern. Das dabei gewonnene
Fruchtwasser Awird dem Überlauf £ zugegeben, so daß der kombinierte Strom (33 I pro Sek.) aus gut 85%
des ursprünglichen Fruchtwassers in unverdünnter Form besteht mit den Fasern. Der Strom e wird mit
Salzsäure bis auf einen pH-Wert von 4 angesäuert und dann einem aus einem mit Dampf erhitzten Rohrbündel
bestehenden Wärmeaustauscher zugesetzt, wobei die Temperatur des Stromes auf 1050C gebracht wird.
Dadurch schlägt das in der Hitze koagulierbare Eiweiß nieder und es tritt keine nennenswerte Verschmutzung
in dem Wärmeaustauscher auf. Nach dem Abkühlen wird der aus Eiweiß und Fasern bestehende Niederschlag
in einer Tuchzentrifuge abgetrennt Die Entwässerung verläuft sehr gut, so daß ein Filterkuchen mit
± 16% Trockenstoff erhalten wird. Nach dem Trocknen wird eine eiweißreiche Faser erhalten, die etwa 40%
Eiweiß und etwa 26% Stärke enthält
Die Stärkefraktion (h)von 1,44 kg/Sek, bestehend aus
946 g handelstrockener Stärke mit Feinfasern und dem zurückgebliebenen Fruchtwasser, wird in 330 1/Sek. (i)
der Überlauffraktion der zweiten Hydrozyklonekolonne suspendiert Diese Suspension wird als Strom j der
Multihydrozyklonestufe 4 der aus 14 Hydrozyklonestufen bestehenden zweiten Anlage zugegeben. Die
Abzapf- und Überlaufvolumina in dieser Anlage sind wie folgt eingestellt:
Zu c wird 2,64 1 frisches Wasser pro Sekunde zugegeben, um die Stärke in Gegenstrom auszuwaschen,
entsprechend 0,56 m3 Wasser pro Tonne Kartoffeln. Als Abzapfung b werden 1,64 1 pro Sekunde
einer Stärkesuspension von etwa 22,50Be erhalten.
Daraus werden nach dem Trocknen und Filtrieren 945 g Kartoffelstärke von Superqualität mit 20% Feuchtigkeit
und 0,08% Totaleiweiß gewonnen.
In F i g. 2 sind Multihydrozyklone 1 bis einschließlich 17 dargestellt die folgende Abmessungen haben:
Jede Stufe wird mit einer rotierenden Verdrängerpumpe gespeist Die geriebene Masse der Kartoffeln a
wird dem Multihydrozyklon 4 zugesetzt, wobei das Verhältnis Abzapfvolumina/Überlaufvolumina auf
50:50 eingestellt worden ist
Das Verhältnis Abzapfvolumina/Überlaufvolumina der Multihydrozyklone 1 bis einschließlich 3 und 5 bis
einschließlich 8 wird auf 33:67 eingestellt, für die
Multihydrozyklone 9 bis einschließlich 16 auf 40:60 und
für den Multihydrozyklon 17 auf 35:65.
Die Stärkesuspension wird aus dem Zyklon 17 bei b abgezapft; frisches Spülwasser wird bei ein den Zyklon
16 gegeben.
23 OO
werden die Kartoffeln mit einer mit einem Sieb mit öffnungen von 20 χ 2 mm versehenen Trommelreibe
gerieben. Die Fasergröße liegt im wesentlichen zwischen 0.4 und 0,8 mm. Die Kartoffeln enthalten 200 g
gewinnbare handelstrockene Kartoffelstärke (80% Trockenstoff) pro kg. Pro Stunde werden gut 17 t
Kartoffeln gerieben, entsprechend 4,74 kg Kartoffeln pro Sekunde. Diese Menge liefert etwa 5,31 Geriebenes
pro Sekunde mit 948 g freier, handelstrockener Stärke.
Bei c wird 2,6 I frisches Wasser pro Sekunde ,0
zugegeben, entsprechend 0,56 m3 Wasser pro Tonne. Als Abzapfung werden 1,6 I pro Sekunde einer
Stärkesuspension von etwa 22,5° Be (460 g absolut Trockenstoffstärke pro Liter) erhalten. Daraus werden
nach dem Filtrieren und Trocknen 926 g Kartoffelstärke ,5
mit 20% Feuchtigkeit und 0,08% Totaleiweiß gewonnen. Eine Probe dieser Stärke enthält nach Hydrolyse
mit verdünnter Salzsäure sehr wenig unlösliches Material und ist von Superqualität.
Pro Sekunde werden etwa 6,3 Liter Überlauf d erhalten. Diese 6,3 Liter enthalten an unlöslichen
Stoffen: 22 g freie Trockenstoffstärke und 120 g Trockenstoff-Fasern mit 40% gebundener Stärke. Der
Eiweißgehalt des Überlaufs enthält das 0,7fache des Eiweißgehaltes des ursprünglichen Fruchtwassers. Der
Überlauf d wird gegebenenfalls von den darin suspendierten Feststoffen befreit und zur Herstellung
von Eiweiß und/oder eiweißreichen Fasern aufgearbeitet.
Claims (2)
1. Verfahren zum Gewinnen von unverdünntem oder wenig verdünntem Fruchtwasser und von S
Stärke aus Hackfrüchten, wobei diese gerieben werden und das Geriebene durch Hydrozyklone in
einer Anzahl Trennungsstufen derart behandelt wird, daß die bei der Trennung in der Stufe π
erhaltene schwere Fraktion unter Zugabe der bei der Trennung in der Stufe n+2 erhaltenen leichten
Fraktion in der Stufe n+1 getrennt wird, und zwar
derart, daß einerseits eine Mischung von Fruchtwasser und Fasern und andererseits eine Stärkesuspension
erhalten wird, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Hackfrüchte ohne Zugabe von Wasser derart reibt, daß die dabei anfallenden
Fasern überwiegend größer als 0,2 mm, jedoch nicht größer ds 1 mm sind, die Zufuhr jeder Hydrozy klonstufe
individuell konstant hält und zum Auswaschen der Stärke weniger als 0,8 m3 frisches Wasser pro
Tonne Ausgangsmaterial verwendet
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Mahlvorrichtung und
mehreren Hydrozyklonstufen in einer solchen Schaltung, daß die bei der Trennung in der Stufe η
erhaltene schwere Fraktion unter Zusatz der bei der Trennung in der Stufe /i+2 erhaltenen leichten
Fraktion in der Stufe n+1 getrennt wird, gekennzeichnet durch jeweils eine in der Zufuhrleitung
jeder Hydrozyklonstufe angeordnete Pumpe mit einer vom Druck unabhängigen Ausbeute.
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