Zucker gehört zu den weltweit am häufigsten konsumierten Lebensmitteln und wird hauptsächlich aus Zuckerrohr und Zuckerrüben gewonnen. Die Herstellung von hochwertigem Zucker ist ein komplexer Prozess mit mehreren Schritten: Extraktion, Klärung, Verdampfung, Kristallisation und Raffination. In jedem Verarbeitungsschritt müssen Qualität und Reinheit des Zuckersafts präzise kontrolliert werden. Natürliche Verunreinigungen wie kolloidale Partikel, Proteine, Pigmente und Mikroorganismen können die Effizienz von Klärung, Filtration und Kristallisation erheblich beeinträchtigen.
Chemikalien spielen eine entscheidende Rolle in modernen Zuckerherstellungsprozessen. Ohne angemessene chemische Kontrolle können diese Verunreinigungen zu Ablagerungen, Farbproblemen und Produktionsverlusten führen. Chemikalien in der Zuckerherstellung steigern nicht nur Effizienz und Ausbeute, sondern verbessern auch die Produktqualität, senken den Energieverbrauch und helfen den Fabriken, Umweltschutzstandards einzuhalten. Diese Chemikalien können:
- Verbesserung der Klärungseffizienz und des Fest-Flüssig-Trenneffekts.
- Verhindert das Wachstum von Mikroorganismen in Fruchtsäften und Sirupen.
- Verstärkt den Entfärbungseffekt von hochreinem, weißem Kristallzucker.
- Kontrolle der Schaum- und Ablagerungsbildung im Verdampfer und Vakuumverdampfer.
Dieser Artikel fasst den Zuckerherstellungsprozess am Beispiel von Zuckerrohr umfassend zusammen. Er erklärt außerdem, wie verschiedene Chemikalien – Flockungsmittel, Desinfektionsmittel, Entfärbungsmittel und Entschäumer – in jeder Phase eingesetzt werden, um einen reibungslosen Ablauf und eine hohe Zuckerqualität zu gewährleisten.
Zuckerproduktionsprozess und Anwendung von Chemikalien
Rohmaterialvorbereitung
Die Zuckerproduktion beginnt mit der Ernte und Aufbereitung der Rohstoffe. Das Zuckerrohr wird gewaschen und zerkleinert, um Erde, Steine und Blätter zu entfernen. Steht der Saft in diesem Stadium längere Zeit, vermehren sich Mikroorganismen. Um die Keimbelastung der Rohstoffe zu reduzieren und eine Verunreinigung oder einen Verderb des Zuckersafts während der Verzuckerung zu verhindern, werden Desinfektionsmittel auf die Oberfläche des Zuckerrohrs, das Lagerwasser oder die Reinigungsanlagen aufgetragen.
| Desinfektionsmitteltyp | Empfohlene Konzentration | Anwendungsmethode | Hauptfunktionen | Vorsichtsmaßnahmen | Vorteile |
| Natriumhypochlorit (NaClO) | 50–200 ppm freies Chlor | Die Oberfläche des Zuckerrohrs 5–10 Minuten lang besprühen oder einweichen. | Breitspektrum-Sterilisation, reduziert die Keimbelastung | Die Chlorkonzentration sollte kontrolliert werden (im Allgemeinen 50–200 ppm freies Chlor). Ein zu hoher Chlorgehalt im Saft ist zu vermeiden, um Verfärbungen oder Kristallisationsprobleme zu verhindern. Bei Bedarf nach Gebrauch ausspülen oder abtropfen lassen. | Breitspektrum-Sterilisation; niedrige Kosten. |
| Natriumdichloroisocyanurat (SDIC) | 50–150 ppm freies Chlor | Die Oberfläche des Zuckerrohrs 5–10 Minuten lang besprühen oder einweichen. | Hohe Stabilität, starke Sterilisationswirkung | Kontrollieren Sie den Gehalt an freiem Chlor, um Beeinträchtigungen der Saftkristallisation und -farbe zu vermeiden. | Stabiler als Natriumhypochlorit; hohe Effizienz; kontrollierter Restchlorgehalt; weit verbreitet in der Lebensmittelverarbeitung. |
| Wasserstoffperoxid (H₂O₂) | 0,1 %–0,5 % | Dem Reinigungswasser beifügen oder zum Besprühen von Oberflächen verwenden | Sterilisation, keine Rückstände, umweltfreundlich | Kontrollkonzentration; im Allgemeinen 0,1–0,5 % für die Oberflächenbehandlung. Vorsichtig handhaben. | Zersetzt sich rückstandsfrei; sicher und umweltfreundlich. |
| Heißwasser / Dampf | Heißes Wasser mit 80–90 °C oder Dampf mit 100 °C | Mit heißem Wasser abspülen oder 2–5 Minuten lang mit Dampf behandeln. | Sterilisation ohne chemische Zusätze | Hoher Energieverbrauch; erfordert geeignete Ausrüstung; Sicherheitsvorkehrungen beachten. | Keine chemischen Zusätze; reduziert chemische Rückstände. |
| Anlagenreinigung / Anlagenreinigung Wasserdesinfektion | SDIC, 50–100 ppm | Reinigung von Ausrüstung und Transportfahrzeugen | Verhindert Sekundärkontamination | Regelmäßiger Austausch und Überwachung der freien Chlorkonzentration. | — |
Empfohlene Vorgehensweise
Wenn das Zuckerrohr in die Fabrik kommt, wird es zunächst mit sauberem Wasser gewaschen, um Erde und Verunreinigungen zu entfernen.
Anschließend erfolgt die Flächendesinfektion durch Versprühen von niedrig konzentriertem SDIC oder Natriumhypochlorit je nach den gegebenen Bedingungen.
Um ein hygienisches Umfeld zu gewährleisten, sollten auch die Wasserquellen und Reinigungsanlagen der Zuckerfabrik regelmäßig desinfiziert werden.
Saftgewinnung
Nach der ersten Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahme folgt die Saftgewinnung aus dem Zuckerrohr. Diese erfolgt üblicherweise durch mechanisches Pressen oder Diffusionsverfahren. Dabei wird die harte Struktur des Zuckerrohrs aufgebrochen und der Saft herausgelöst.
Eine Zuckerrohrpresse besteht in den meisten Fällen aus drei Walzenmühlen in Kombination mit einem Häcksler oder rotierenden Messern. Nachdem das Zuckerrohr auf einem Förderband verarbeitet wurde, wird es auf ein anderes Förderband transportiert, um weiteren Saft zu gewinnen. Vor dem Transport wird es jedoch mit Wasser besprüht, um die Saftausbeute zu erhöhen. Der nach dem Entsaften verbleibende Rückstand wird als Bagasse bezeichnet.
Der Saft enthält lösliche und ungelöste Verunreinigungen, darunter Pflanzenfasern, Proteine und sogar vollständig ausgewaschene Bodenpartikel. Diese Verunreinigungen müssen behandelt werden, um die Effizienz der nachfolgenden Klärung und Kristallisation zu verbessern.
Klärung von Zuckerrohrsaft
Die Saftklärung ist der wichtigste Schritt im frühen Stadium der Zuckerherstellung. Ziel ist es, Verunreinigungen (wie Erde, Proteine, Kolloide, organische Säuren usw.) aus dem Zuckerrohrsaft zu entfernen und dessen Reinheit zu verbessern. Üblicherweise wird das Kalkverfahren angewendet, kombiniert mit der Phosphorflotation oder der Karbonisierung.
Chemikalienverwendung
Kalk (CaO)/Kalkmilch (Ca(OH))2): Neutralisiert saure Substanzen und fällt Verunreinigungen aus.
Kohlendioxid (CO₂)2) (wird bei der Carbonatisierungsmethode verwendet): Reagiert mit Kalk unter Bildung von Calciumcarbonat-Niederschlag, der Verunreinigungen adsorbiert.
Flockungsmittel/Koagulationsmittel: Hilft dabei, suspendierte Feststoffe schnell abzusetzen.
Üblicherweise verwendet: Polyaluminiumchlorid (PAC), Polyacrylamid (PAM) usw.
Schwefel (SO₂)2) oder Natriumsulfit: Es spielt eine Rolle bei der Bleichung, Entfärbung und Sterilisation bei der Phosphorflotation.
Filtration und Vorwärmung
Nach der Klärung muss der Saft gefiltert werden, um Ablagerungen zu entfernen. Das Vorwärmen des Saftes vor dem Verdampfen ist entscheidend, da es die Viskosität des Saftes verringert und das Wachstum von Mikroorganismen hemmt.
Verdunstung und Konzentration
Der Fruchtsaft wird anschließend mithilfe eines Mehrfacheffektverdampfers zu Sirup konzentriert, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt von etwa 85 % auf 30–40 % reduziert wird. Die Vakuumverdampfung trägt zur Erhaltung der Zuckerqualität bei, bringt aber auch einige betriebliche Herausforderungen mit sich:
- Gelöste Proteine und Tenside verursachen Schaumbildung.
- Kalkablagerungen auf der Verdampferoberfläche.
Chemische Anwendungen:
Entschäumer: Silikonbasierte Entschäumer zur Schaumunterdrückung bei hohen Temperaturen. Polyether- und Fettalkohol-basierte Entschäumer, geeignet für Fruchtsaftsysteme mit mittlerer Schaumbildung.
Ablagerungsinhibitoren/Dispergiermittel: Verhindern die Bildung von Calciumcarbonat- oder Sulfatablagerungen im Verdampfer.
Wirkung: Eine effiziente Schaumkontrolle und die Vermeidung von Ablagerungen gewährleisten eine reibungslose Verdunstung, eine höhere Wärmeübertragungseffizienz und weniger Ausfallzeiten.
Kristallisation
Die Kristallisation bei der Zuckerherstellung (in der Branche oft als Kochen bezeichnet) ist ein entscheidender Schritt bei der Umwandlung von konzentriertem Zuckersirup in feste Saccharosekristalle. Der konzentrierte Sirup wird in einem Vakuumkessel gekocht, um die Zuckerkristallisation einzuleiten. Eine erfolgreiche Kristallisation ist essenziell für die Zuckerausbeute, die Kristallgröße und die Farbe. Es handelt sich um einen komplexen physikalisch-chemischen Prozess, der die Größe und Gleichmäßigkeit der ausgefällten Saccharosekristalle kontrolliert.
Bei diesem Verfahren werden häufig Entschäumer eingesetzt. Sie kontrollieren die Schaumbildung beim Kochen und verhindern so das Überlaufen des Sirups.
Eine stabile Kristallisation erhöht die Zuckerausbeute und verringert die Verluste bei der Zentrifugation.
Zentrifugation & Trennung
Nach der Kristallbildung werden die Kristalle mithilfe einer Zentrifuge von der Melasse getrennt und anschließend durch heiße Rohre getrocknet. Die Melasse kann weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Herstellung von Ethanol, Tierfutter oder für andere Zwecke.
Entfärbung und Raffination
Die Entfärbung und Raffination ist der letzte Schritt bei der Zuckerherstellung und dient vor allem der Produktion von hochreinem, weißem Raffinadezucker (wie Kristallzucker oder Kandiszucker). Für diesen Schritt werden große Mengen an Chemikalien und Adsorptionsmitteln benötigt.
Zu den häufig verwendeten Chemikalien gehören:
Aktivkohle (Pulver oder Granulat): Adsorbiert Polyphenole, Karamell und andere Pigmente.
Entfärbende Harze/Ionenaustauscherharze: Entfernen ionische und nichtionische Farbverbindungen.
Wasserstoffperoxid (H₂O₂): Oxidiert die verbleibenden Pigmente und hellt so die Sirupfarbe weiter auf.
Entfärbungsmittel: Gewährleisten niedrige ICUMSA-Werte und eine hohe visuelle Qualität.
Die obige Darstellung beschreibt die wichtigsten Prozesse und chemischen Anwendungen in der Zuckerindustrie.
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Wie werden die Abwässer der Zuckerindustrie aufbereitet?
Zuckerfabriken erzeugen bei der Zuckerproduktion Abwasser. Dieses Abwasser ist von komplexer Zusammensetzung und weist eine hohe Schadstoffbelastung auf, weshalb es vor der Einleitung systematisch aufbereitet werden muss.
Das Abwasser stammt hauptsächlich aus der Rohstoffwäsche, der Anlagenreinigung, der Zuckerproduktion, dem Kühlwasser/Kondensat und der Kesselabschlämmung. Es zeichnet sich durch einen sehr hohen CSB- und BSB-Wert (aufgrund des Zuckergehalts), einen hohen Gehalt an Schwebstoffen und eine gute biologische Abbaubarkeit aus und enthält mitunter Öl und Schlamm. Daher wird zur Behandlung dieses Abwassers typischerweise eine Kombination verschiedener Verfahren eingesetzt: Vorbehandlung, Koagulation und Sedimentation, biologische Behandlung und weitergehende Behandlung. Gängige Behandlungsmethoden sind die physikalische (z. B. Sedimentation und Filtration), die chemische (z. B. Koagulation und Neutralisation) und die biologische Behandlung (z. B. Belebtschlammverfahren und künstliche Feuchtgebiete).
Welche Chemikalien werden zur Aufbereitung von Abwasser aus der Zuckerindustrie benötigt?
Die einzelnen Schritte und chemischen Anwendungen sind wie folgt:
| Behandlungsphase | Zweck | Empfohlene Chemikalien | Hauptfunktionen |
| 1. Rohmaterialwäsche und primäre Vorbehandlung | Sand, Schlamm, Fasern und Schwebstoffe entfernen | PAC (Polyaluminiumchlorid) | Schnelle Koagulation, Entfernung von Schwebstoffen und Trübung |
| PAM (Polyacrylamid) – Anionisch/Nichtionisch | Flockungsbildung, verbessert das Absetzen | ||
| Entschäumer | Kontrolliert die Schaumbildung beim Waschen des Zuckerrohrs und bei der Saftgewinnung. | ||
| 2. Ausgleich und pH-Wert-Einstellung | Die Qualität des Zulaufs stabilisieren, den pH-Wert für nachgelagerte Prozesse anpassen | Kalk (CaO / Ca(OH)₂) | Erhöht den pH-Wert, reduziert die Härte teilweise |
| Natriumhydroxid (NaOH) | Präzise pH-Wert-Einstellung | ||
| Schwefelsäure / Salzsäure | Senkt den pH-Wert | ||
| Entschäumer | Reduziert Schaumbildung im Ausgleichsbecken | ||
| 3. Koagulation und Flockung (Primäre Sedimentation) | Schwebstoffe, Kolloide und Farbstoffe entfernen; CSB reduzieren | PAC / PolyDADMAC / Polyamin | Primäre Koagulationsmittel zur Trübungs- und Farbentfernung |
| PAM (anionisch) | Verbessert die Flockenfestigkeit und die Sinkgeschwindigkeit | ||
| Gerinnungshilfsmittel (z. B. Magnesiumsilikat) | Verbessert die Klarheit und das Absenkverhalten | ||
| 4. Anaerobe biologische Behandlung (UASB, EGSB) | Reduzierung der hohen organischen Belastung (CSB, BSB) | Nährstoffzusätze (N- und P-Quellen) | Erhaltung der mikrobiellen Aktivität und einer gesunden Biomasse |
| pH-Regler | Halten Sie einen optimalen pH-Wert (6,8–7,2) für anaerobe Bakterien aufrecht. | ||
| Entschäumer | Unterdrückt die Schaumbildung im Zusammenhang mit Biogas. | ||
| 5. Aerobe Behandlung (Belebtschlammverfahren, SBR) | Weitere Reduzierung von CSB, BSB und Ammoniak | Nährstoffzusätze (N & P) | Versorgen Sie Mikroorganismen mit ausgewogenen Nährstoffen. |
| Entschäumer | Kontrolliert die Schaumbildung während der Belüftung | ||
| Bioenzyme / Mikrobielle Kulturen | Verbessert die Effizienz des biologischen Abbaus | ||
| 6. Weiterführende Behandlung (falls strenge Entlassungskriterien gelten) | Verbesserung der Klarheit, Entfernung von Resten von COD, SS und Farbe | Polyamin / PolyDADMAC | Starke Entfärbung und Trübungsentfernung |
| PAC | Zusätzliche SS- und Kolloidentfernung | ||
| PAM (Hochmolekulargewicht) | Abschließende Flockung und Politur | ||
| Aktivkohle | Entfernt Farbe, Geruch und organische Rückstände | ||
| 7. Desinfektion und Wasserwiederverwendung | Gewährleistung der mikrobiellen Sicherheit bei Entsorgung oder Wiederverwendung | Calciumhypochlorit | Leistungsstarke Desinfektion |
| Natriumhypochlorit | Gängiges Online-Dosierungsdesinfektionsmittel | ||
| SDIC (Natriumdichloroisocyanurat) | Stabile, lang anhaltende Chlorfreisetzung | ||
| TCCA (Trichlorisocyanursäure) | Hoher Chlorgehalt, langsame Chlorfreisetzung |
Die Zuckerproduktion ist ein komplexer industrieller Prozess, der in jeder Phase – von der Rohstoffaufbereitung und Entsaftung über Klärung, Verdampfung, Kristallisation und Raffination bis hin zur Abwasserbehandlung – eine präzise Steuerung erfordert. Jede Phase birgt ihre eigenen Herausforderungen, darunter Schwebstoffe, Farbe, mikrobielle Aktivität, Schaumbildung und Ablagerungen. Durch den Einsatz geeigneter Chemikalien in jeder Phase der Zuckerproduktion können Zuckerfabriken die Ausbeute steigern, die Kristallqualität verbessern, die Farbe intensivieren, Verluste reduzieren und Ausfallzeiten minimieren. Gleichzeitig tragen optimierte chemische Lösungen durch eine effizientere Abwasserbehandlung und weniger Chemikalienabfall zum Umweltschutz bei.
Die Wahl des richtigen Chemiepartners ermöglicht es Zuckerfabriken, die Produktionseffizienz zu steigern, eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen, die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern und langfristige operative Exzellenz zu erreichen.