Filtrieren

Chargenablauf

Funktionsweise

Die Anwendungsbereiche der Horizontalschälzentrifuge finden sich sowohl in der Chemie und der Pharmazie als auch in der Stärke- und Grundstoffindustrie. Die vielseitige Einsatzmöglichkeit unseres Zentrifugensystems bringt es mit sich, dass hier kein allgemeingültiger Chargenablauf beschrieben werden kann. Vielmehr muss der Betreiber an Hand seiner Produkt- und Verfahrenserfahrung den für ihn optimalen Chargenverlauf definieren. Selbstverständlich sind wir gerne bereit mit unseren Erfahrungen hier unterstützend zu wirken. Nachfolgend wird ein Chargenablauf beispielhaft an Hand der Verarbeitung von Weizenstärke beschrieben. Er besitzt somit keine Allgemeingültigkeit.Chargen-VerfahrensschritteChargen-symbole

Die einzelnen Verfahrensschritte sind die Füllvorgänge I und II, das Trockenschleudern bei erhöhter Drehzahl und das Ausräumen des Rückspülrotors bei wiederum reduzierter Drehzahl. Diesen Verfahrensschritten folgt im festen Rhythmus nach jeweils mehreren Chargen der Rückspülvorgang zur Regenerierung des Filtrationselementes.
Die Drehzahlen wie auch die Zeiten der einzelnen Verfahrensschritte sind jedoch keineswegs frei bemessbar, sondern wurden in Voruntersuchungen mit viel Feingefühl vor dem Hintergrund langjährig gewonnener Erfahrungen in der zentrifugalen Entfeuchtung von Weizenstärke auf Grundlage von Plausibilitätsüberlegungen bemessen. Durch Optimierung der einzelnen Schritte wird nun Stärke in einer hervorragenden, proteinarmen Qualität reproduzierbar erzeugt.

Füllen I

Schritt 1: „Füllen I“ in Abfolge der Verfahrensstufen

Schritt 1: „Füllen I“ in Abfolge der Verfahrensstufen

Orientierungsmaßstab für die Fahrweise der Zentrifuge ist der vordergründige Anspruch, diese derart zu betreiben, dass bei hoher Durchsatzleistung die Restfeuchte des Stärkekuchens und der in der Stärke verbleibende Proteingehalt ein Minimum annehmen. Soll dies geschehen, dann darf in Anbetracht der nur geringen Unterschiede in den Dichten von Stärkemilch und Protein sowie der ebenfalls annähernd gleichen Korngrößen das Protein nicht in die tieferen Schichten des sich bildenden Kuchens gelangen. Überdies darf dem Protein keine Zeit gegeben werden, sich im Feststoffkuchen einzulagern. Aus diesem Grund gingen die Bestrebungen dahin, einerseits dem Rückspülrotor eine möglichst große Menge an Stärkenmilch zuzuführen, andererseits ihm mit der denkbar niedrigsten Drehzahl zu betreiben. Bezweckt wird damit, die Filtrationsleistung derart gering zu halten, so dass sich auf diese Weise eine Filterkuchenfront aufbauen kann. Da aufgrund der geringeren Dichte des Proteins die Proteinpartikel langsamer als die Stärkepartikel absinken, schwimmt der größte Teil des Proteins an der Oberfläche auf. Der sich darunter bildende Stärkekuchen bleibt dagegen weitgehend proteinfrei. Um eine gleichmäßige Suspensionsverteilung auf der gesamten Rotorlänge sicher zu stellen und damit vor allem Proteinnestern im Randbereich von Rotorboden und Rotorbord entgegenzuwirken, ist zudem der anfängliche Füllvorgang, d.h. die Füllung I, unbedingt mittig auszuführen. Hierdurch können sich bei optimaler Fahrweise von Kombi-Funktionseinheit und Rückspülrotor keine störenden Unwuchten ausbilden. Die Füllmenge ist derart zu gestalten, dass Stärkekuchen und Suspension innerhalb der Füllzeit I bis kurz unterhalb des Bordringes ansteigen. Die typischen Zeiten für den Füllstoß (Füllen I) bewegen sich in Abhängigkeit von Rotorgröße und Stärkeeigenschaften zwischen 4 und 25 Sekunden.

Füllen II

Schritt 2: „Füllen II“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Schritt 2: „Füllen II“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Der Füllvorgang in der Phase Füllen II hat zur Aufgabe, das aufschwimmende Protein über den Bordring abzuschwemmen. Der Volumenstrom muss demgemäß während des Füllvorganges II derart justiert werden, dass sich die Stärke gerade noch absetzen kann, das Protein dagegen aufschwimmt. Um dem aufschwimmenden Protein zu Beginn der Phase Füllen II jedwede Möglichkeit zu einem Sedimentieren zu nehmen, beginnt der Füllvorgang II noch vor Ende des Füllvorganges I, d.h. beide Vorgänge überschneiden sich zeitlich. Ansonsten würde bei unterbrochenem Füllstrom ein Teil des Proteins unmittelbar sedimentieren und sich eine bräunlich-gelbliche Zwischenschicht im Kuchen bilden. Eine weitere Filtration wäre danach unmöglich. Die Grundvoraussetzung für dieses Verfahren ist, dass die Stärkemilch nunmehr am Rotorboden, also im hinteren Rotorbereich aufgegeben wird, damit die zum Bordring gerichtete Strömung das aufschwimmende Protein auf der gesamten Rotorlänge abschwemmen kann . Da die im hinteren Rotorteil zulaufende Stärkemilch als Folge der Zentrifugalkrafteinwirkung verständlicherweise teilweise sofort sedimentiert, bildet sich im Verlaufe des wesentlich länger andauernden zweiten Füllschrittes ein sich zum Rotorboden hin verstärkender kegelförmiger Stärkekuchen aus, auf dem dann der Stärkemilchstrom abwärts läuft.

Ein weiteres Charakteristikum der Füllung II ist, dass aufgrund der erhöhten Porosität des Filterkuchens die Filtrationsleistung nicht mehr maßgeblich von der Drehzahl abhängt und die Drehzahl auch nicht mehr entscheidend die Intensität der Stärkemilch- / Proteintrennung beeinflusst. Hierdurch kann der Rotor bereits in der letzten Phase des Füllvorganges II auf eine hohe Schleuderdrehzahl beschleunigt werden. In der Folge lässt sich die anderenfalls notwendig werdende Totzeit für die anschließende Beschleunigung einsparen und die Charge insgesamt verkürzen. Der zweite Füllvorgang ist als beendet anzusehen, sobald die Kuchenstärke den Bordring erreicht hat. Um eventuell verbleibende Oberflächenverunreinigungen wegzuschwemmen, empfiehlt es sich, den Füllvorgang II etwa 10 bis 15 Sekunden über die unbedingt notwendige Füllzeit hinaus zu verlängern.

Aufgrund der in der Phase Füllen I und in der Anfangsphase Füllen II geringen Drehzahl bleibt der Stärkekuchen porös und somit filtrationsfähig. Trotz des relativ geringen Zentrifugalfaktors wird dennoch der größte Teil der Flüssigkeit aus dem Stärkekuchen herausfiltriert, so dass während des anschließenden Trockenschleuderns nur durch eine nachhaltige Erhöhung des Schleuderfaktors weitere Flüssigkeitsanteile dem Kuchen entzogen werden können.

Die entscheidende gestalterische Grundlage für den nachhaltigen Proteinentzug bei insgesamt vollautomatischer Betriebsweise aber bildet die Hinwendung von der Siebtrommel zum Rückspülrotor. Während bei Verwendung von Siebtrommeln in Kombination mit Turbokupplungen, d.h. bei nahezu konstant gehaltenen Drehzahlen, der Feststofftrennung das Filtrationsprinzip zugrunde liegt, erfolgt die Trennung in Rückspülrotoren durch die Kombination von Sedimentation und Filtration. Dieser Unterschied im Ablauf des Entfeuchtungsprozesses ermöglicht den Einsatz völlig andersartiger Filtertücher. Während bei der Entfeuchtung mit Siebtrommeln die Filtrationsleistung bei Beginn der Charge wegen der Proteintrennung klein gehalten werden muss, genügt es bei Trennung nach dem Sedimentationsprinzip das Filtertuch allein auf den Entwässerungsvorgang optimal einzustellen. Ein anfänglich hoher Filtrationswiderstand ist also bei Einsatz von Rückspülrotoren nicht erforderlich, sondern sogar eher verfahrensschädlich.
In der Folge ist bei Einsatz des Rückspülrotors die Einbindung von Protein in der Filterebene (Grundschicht) so nicht gegeben. Die Regenerierung erfolgt durch die regelmäßige Einleitung einer Rückspülung. Bei klassischen Siebtrommeln wird im 8 Stunden-Abstand die Grundschicht von Hand entfernt. Bei anderen Ausführungen ist ein täglicher Filtertuchwechsel bekannt. Diese Entbindung von jeglichen manuellen Eingriff beim Rückspülkonzept in den Prozessablauf ermöglicht letztendlich auch dessen Automatisierung.

Eine wichtige gestalterische Voraussetzung für die Ausbildung einer optimalen Rotorbefüllung ist die funktionsgerechte geometrische Anordnung und Ausführung der Füllorgane sowie die strömungstechnisch korrekte Bemessung der geodätischen Höhe des Sturz-(Füll)-behälters bzw. der Pumpenleistung. Bei unzulänglicher Auslegung dieser Elemente besteht ansonsten die Gefahr, dass sich der Strömungswiderstand innerhalb der Zuflussorgane derart erhöht, dass aufgrund des verzögerten Zuführens von Stärkemilch diese in dem Rückspülrotor sofort sedimentiert und in der Folge der Stärkekuchen mit Protein kontaminiert.

Trockenschleudern

Schritt 3: „Trockenschleudern“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Schritt 3: „Trockenschleudern“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Kurz vor Beendigung des Füllvorganges II wird der Rückspülrotor wie bereits dargelegt, auf Trockenschleuderzahl beschleunigt. Da der Filterkuchen beim Füllen I aufgrund der vorher beschriebenen Fahrweise seine hohe Filtrationsleistung beibehält, wird mit zunehmendem Zentrifugaldruck das aus dem Kuchen ausgetriebene Filtratvolumen nochmals nachhaltig erhöht. Hierdurch sind unter Produktionsbedingungen bei Weizenstärke Restfeuchten von ca. 33% – 35% dauerhaft erreichbar.

Der entscheidende Vorteil dieser gesteigerten Entfeuchtung sind die Ersparnisse in der anschließenden thermischen Nachtrocknung. Eine noch intensivere Entfeuchtung wäre dem Bonddiagramm zufolge nur durch eine zusätzliche Erhöhung des Zentrifugalfaktors zu erreichen. Einer Heraufsetzung dieses Faktors sind jedoch seitens der Festigkeit des Rotors, insbesondere bei Siebtrommeln, großtechnisch zurzeit unüberwindbare Grenzen gesetzt. Der Zeitfaktor wirkt sich indessen auf den erreichbaren Entfeuchtungsgrad nicht aus, so dass längere Entfeuchtungszeiten das Ergebnis in keiner Weise verbessern. Der Schleudervorgang ist mithin dann als beendet anzusehen, wenn der Gleichgewichtszustand im Sättigungsverlauf erreicht ist.

In diesem Zusammenhang muss überdies gesehen werden, dass bei einer nur leicht erhöhten Feuchte die Stärke eine teigige Konsistenz annimmt und in der Folge sich der Widerstand, den die Stärke der weiteren Verarbeitung entgegensetzt, nachhaltig erhöht. Auch aus diesem Grund ist eine dauerhaft gleichbleibende hohe Entwässerung mit Rücksicht auf einen störungsarmen Produktionsablauf äußerst

Ausräumen

Schritt 4: „Ausräumen“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Schritt 4: „Ausräumen“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Im letzten Verfahrensschritt wird die entfeuchtete Stärke ausgeräumt. Der Ausräumvorgang beginnt bereits mit Bremsbeginn, also noch bei voller Schleuderdrehzahl.

Zu diesem Zweck wird das parallel zur Rotationsachse ausgerichtete Schälmesser der Kombi-Funktionseinheit in den Stärkekuchen eingefahren. Aufgrund der kegelförmigen Ausbildung der Kuchenoberfläche wird dabei anfangs nur ein Teil des Stärkekuchens abgetragen und der Ausräumer in der Folge nur mäßig belastet. Mit weiterem Einschwenken der Kombi-Funktionseinheit verbreitert sich zwar die vom Schälmesser erfasste Kuchenschicht, doch nimmt zugleich auch die Drehzahl stark ab. Kurz vor Ende des Schälvorganges ist die Drehzahl bereits auf die Fülldrehzahl abgesunken. Der Schälvorgang dauert nun noch 10 bis 20 sec. bei gleich niedriger Drehzahl unter weiterem Einschwenken der Kombi-Funktionseinheit auf die verbleibende Restschicht.

Rückspülen

Schritt 5: „Rückspülen“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Schritt 5: „Rückspülen“ in der Abfolge der Verfahrensstufen

Trotz der minimierten Restschicht, muss diese dennoch in vom Produkt, insbesondere seinem Proteingehalt, abhängigen Chargenintervallen rückgespült werden. Zwei Gründe sind hierfür maßgebend: zum einem sedimentieren mit jeder erneuten Füllung anfänglich Proteinpartikel auf der zurückbleibenden Restschicht, die letztere allmählich wachsartig überdecken und damit den Filtrationsvorgang auf Dauer nachhaltig behindern bzw. ganz unterbinden. Zudem wird die Restschicht durch die wiederholten Ausräumvorgänge auf Dauer in unzulässigerweise verdichtet. Beides zusammen bewirkt, dass der Kuchen undurchlässig wird. Mit der Rückspülung wird die Restschicht aufgeweicht und in der dem Rückspülvorgang folgenden Füllung in dem sich bildenden Filterkuchen einsuspendiert. Zu diesem Zweck wird Flüssigkeit über die Rückspülvorrichtung in die Rückspülkammer eingeleitet. Zugleich wird das Filtratschälrohr aus der Rückspülkammer herausgeschwenkt, so dass die in die Kammer eingespülte Rückspülflüssigkeit auf das Niveau der verbliebenen Grundschicht ansteigt. Die Spülflüssigkeit dringt nunmehr nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren in die Drainagekanäle des Drainageelements ein, durchdringt in der weiteren Folge das Filtrationselement und schließlich die auf diesem abgelagerte Restschicht. Die Restschicht löst sich dadurch zu Beginn der nachfolgenden Charge in der nunmehr wiederum zufließenden Stärkemilch weitgehend auf.

Krettek Separation GmbH