In einem vielschrittigen Prozess entsteht aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben weißer Kristallzucker oder wasserklare Zuckerlösungen. Gerade bei der Entfärbung der gelbbraunen bis braunen Rohlösungen spielen Ionenaustauscher eine wichtige Rolle. Maßgeschneiderte Harztypen und speziell abgestimmte Prozesse für die Entfärbung erlauben es, auch höchste Qualitätsanforderungen der Lebensmittelindustrie zu erfüllen.
Hans-Karl Soest
Zuckerrohr (Saccharum officinarum) und Zuckerrüben (Beta vulgaris) sind die wichtigsten Rohstoffe für die industrielle Zuckerproduktion.
Rohzuckerlösungen, die durch Extraktion von Rübenschnitzeln gewonnen werden, und in noch stärkerem Maße der Presssaft des Zuckerrohrs sind von Natur aus gelbbraun bis braun gefärbt. Diese Färbung verstärkt sich im Laufe der Aufarbeitung aufgrund enzymkatalysierter und wärmeinduzierter Vorgänge. Dazu gehören die Maillard-Reaktion von Zuckern und Aminosäuren sowie die enzymatische Bräunung ebenso wie die Karamellisierung. Außerdem werden gefärbte Produkte durch den alkalischen Abbau von Zuckern gebildet. Die Farbintensität wird photometrisch nach ICUMSA ermittelt [1], in ICU (International Color Units) angegeben und dient als wichtiges Qualitätskriterium. Auf dem Weg zu schneeweißem Kristallzucker oder wasserklaren Zuckerlösungen für den industriellen Einsatz etwa in der Getränkeindustrie werden Ionenaustauscher zu verschiedenen Zwecken eingesetzt.
Im Zuge des klassischen Austauschs von Ionen ermöglichen vorwiegend gelartige Ionenaustauscher die selektive Entfernung von Mineralsalzen aus den Lösungen. Diese Salze würden sonst den Geschmack des Zuckers sowie der daraus hergestellten Produkte verfälschen.
Darüber hinaus können speziell makroporöse Ionenaustauscher auch als Absorber eingesetzt werden, um farbige Verunreinigungen effizient zu binden und so aus den Lösungen zu entfernen. Dabei spielen sowohl ionische Wechselwirkungen mit den Verunreinigungen als auch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Bereichen der farbgebenden Moleküle und der Harzmatrix eine Rolle. Je nach Verunreinigungsgrad bzw. Farbintensität der Lösungen werden ein- oder mehrstufige Reinigungsverfahren eingesetzt, gegebenenfalls auch Kombinationen unterschiedlicher Harze.
Die Entfärbung mit Ionenaustauschern ergänzt dabei klassische Reinigungsoperationen, deren wichtigste die Kristallisation ist. Auch eine Klärung durch Carbonatation und Phosphatation, bei denen die Verunreinigungen ausgefällt werden, sowie das Abwaschen (Affination) der Verunreinigungen vom Kristallbrei (Magma) werden zur Reinigung eingesetzt.
Aktivkohlefiltern überlegen
Besonders bei nur mäßig gefärbten Lösungen (< 1000 ICU) sind Absorberharze den traditionell verwendeten Aktivkohlefiltern überlegen. Die Regeneration solcher Kohlefilter ist nicht nur wesentlich aufwendiger, sie kann in der Regel auch nicht am Einsatzort erfolgen, was zusätzliche Kosten verursacht und die Produktivität der Anlagen vermindert. Demgegenüber lassen sich die mit Farbstoffmolekülen beladenen Ionenaustauscher durch einfaches Waschen mit einer Kochsalzlösung vor Ort rasch wieder einsatzfähig machen – und das über viele Zyklen hinweg.
Speziell für die Verwendung in der Lebensmittelindustrie wurden spezielle makroporöse Ionenaustauscherharze entwickelt, die vorwiegend auf Styrol-Polymeren basieren, die über Divinylbenzol-Einheiten vernetzt sind. Dazu zählen beispielsweise die Austauscherharze der Lewatit-S-Reihe von Lanxess, hier insbesondere Lewatit S 6328 A (heterodispers) oder Lewatit S 6368 (monodispers). Diese Austauscherharze auf Basis von Styrol-Polymeren entsprechen in vielen Ländern der Welt umfassend den lebensmittelrechtlichen Anforderungen. Sie werden zur Entfärbung von Zuckerlösungen typischerweise in zylindrischen Filtereinheiten eingesetzt. Solche Filtereinheiten haben Durchmesser zwischen 500 und 4000 mm bei Höhen zwischen 1000 und 4000 mm. Die Füllhöhe des Harzbetts beträgt entsprechend 1000 bis 2000 mm. Typische Volumenflüsse im Betrieb liegen bei 2,0 bis 2,5 Bettvolumina/Stunde (BV/h).
Sowohl mono- als auch spezielle heterodisperse Harze werden für die Zuckerentfärbung verwendet. Wenn letztere einen niedrigen Feinkornanteil aufweisen, eignen sie sich auch zur Filtration konzentrierter und damit hochviskoser Lösungen, zum Beispiel der sogenannten Dicksäfte. Diese Voraussetzung ist bei monodispersen Harzen von selbst vorhanden.
Bei gegebener Fließgeschwindigkeit der Zuckerlösung über die Harzsäule ist der Druckverlust am monodispersen Austauscherharz stets niedriger als am heterodispersen. Außerdem beträgt der maximal zulässige Druckverlust beim monodispersen Harz 300 kPa und liegt damit um 50 kPa höher als beim heterodispersen Ionenaustauscher. Beide Effekte ergänzen sich vorteilhaft, wenn beim Filtrieren von Rohzuckerlösungen mit hohem Trübungsanteil der Druckverlust im Filter begrenzt werden soll, um Harzschädigungen zu vermeiden.
Monodisperse Harze besitzen zudem Vorteile bei der Regeneration, was sich sowohl im Zeit- als auch im Wasserbedarf für diesen Verfahrensschritt widerspiegelt. So benötigen sie nach der eigentlichen Regeneration trotz ihrer hohen Porosität aufgrund der einheitlich langen Diffusionswege rund 30 Prozent weniger Spülwasser.
Farbschlupf und Vorreinigung
Der Farbschlupf, also die Restfarbigkeit der gereinigten Zuckerlösung, ist vor allem eine Funktion des anfänglichen Farbstoffgehalts sowie der Menge der zuvor bereits über den Ionenaustauscher filtrierten Lösung. Während bei der Behandlung von Lösungen mit bis zu 500 ICU nur ein sehr allmählicher Anstieg dieser Restfarbigkeit beobachtet wird, verliert das Absorberharz bei deutlich höheren Farbkonzentrationen in der Ausgangslösung relativ rasch an Effizienz. In solchen Fällen ist eine Vorreinigung unter Einsatz anderer Verfahren sinnvoll.
Ionenaustauscherharze ergänzen und erweitern das Prozessportfolio für die industrielle Zuckerproduktion. Sie tragen dazu bei, höhere Zuckerausbeuten zu realisieren, die Abfallmengen zu reduzieren und den hohen und weiter steigenden Qualitätsanforderungen Rechnung zu tragen. So werden oft nur noch Restfarbigkeiten von 25 bis 50 ICU toleriert. Eine lange Lebensdauer der Harze sowie eine einfache und kostengünstige Regenerierbarkeit ermöglichen ihren profitablen Einsatz im Prozess.
Außer zur Entsalzung und Entfärbung von Zuckerlösungen werden Ionenaustauscher auch zur Invertierung (Spaltung) von Di-sacchariden, speziell Saccharose, sowie zur Behandlung von verdünnten, zuckerhaltigen Lösungen genutzt. So lassen sich zum Beispiel Molke, Traubenmost und Fruchtsäfte entsalzen oder Orangensaft von unerwünschter, überschüssiger Säure und Bitterstoffen befreien.
Schrifttum
1. International Commission for uniform Methods of Sugar Analysis (ICUMSA), ICUMSA Methods Book, Verlag Dr. Albert Bartens KG, Berlin 2007
Online-Info www.dei.de/1209443
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