Herstellung von Zuckerformen im Pressverfahren und verwandten Extraktions- und Aufarbeitungsprozessen
Bei der Zuckerfabrikation wird aus Pflanzen mit hohem Zuckergehalt der Zucker extrahiert und in verschiedenen Formen und Reinheitsgraden verbrauchsfähig hergestellt. Man kann Zucker aus verschiedenen pflanzlichen Quellen gewinnen; meistens sind das Zuckerrohr (Saccharum officinarum) und die Zuckerrübe (Beta vulgaris subsp. vulgaris). Rein chemisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen Rüben- und Rohrzucker. Beides ist zu 100 Prozent Saccharose, also Zucker, und hat keine weiteren Bestandteile, die eine chemische Unterscheidung möglich machen.
Rohstoff: Zuckerrübe und Zuckerrohr - Unterschiede im Aufbereitungsansatz
Die Zuckerrübe wird erst seit Mitte des 19. Jahrhunderts verwendet, Rohrzucker wird allerdings schon seit Jahrtausenden zur Zuckergewinnung benutzt. In Ländern mit gemäßigtem Klima - vor allem in Europa, den Vereinigten Staaten aber auch in China und Japan - wird Zucker aus Zuckerrüben gewonnen. In tropischen und subtropischen Regionen wird Zucker überwiegend aus Zuckerrohr gewonnen; Brasilien und Indien produzieren weltweit die größten Mengen an Rohrzucker.
Bei der Zuckerrübe lösen wir den Zucker aus den Zellen mit heißem Wasser heraus, während er beim Zuckerrohr aus den Zellen gepresst wird. Die Zuckerrübe wird im Feld aus Photosynthese gebildet und speichert Zucker in der weißen, kegelförmigen Wurzel; die Rübe enthält rund 17-20 Prozent Zucker und wiegt im Schnitt 700-770 Gramm. Der Stamm des Zuckerrohrs besteht hauptsächlich aus Wasser und enthält typischerweise 12-16% löslichen Zucker; im Rohrzuckerprozess wird der Saft meist mechanisch durch Mühlen gepresst („Pressextraktion“), in einigen Fabriken allerdings auch mittels Diffusionsverfahren extrahiert.
Wareneingang, Reinigung und Zerkleinerung
Wenn die Rüben nach der Ernte in der Fabrik ankommen, werden sie im ersten Schritt gewaschen - die abgewaschene Erde wird wieder zurück auf das Feld gebracht. Die geernteten Zuckerrüben werden in der Zuckerfabrik zunächst gewaschen, von anhaftenden Steinen gereinigt und anschließend zu „Schnitzeln“ zerteilt. Die gereinigten Rüben werden in Schneidemaschinen von rotierenden Messern zu dünnen Rübenschnitzeln zerkleinert (Schnitzelmaische).
Die Güterzüge werden von Mitarbeitern entladen, die einen Wasserstrahl auf die Rüben lenken und damit lockern. LKWs kippen ihre Ladung auf ein Förderband. Steine, die von der Erntemaschine am Feld aufgenommen wurden, werden ebenfalls gesammelt und für den Bau von Wegen eingesetzt. Fast alle Rübenbestandteile, die nicht Zucker sind, werden in anderer Form verwertet. Sogar die bei der ersten Reinigung anfallende Erde wird gelagert und kommt später auf landwirtschaftliche Felder zurück.
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Extraktion: Gegenstrom-Diffusion und Pressextraktion
Die Schnitzel werden mit Wasser auf über 70 Grad erhitzt, dabei platzen die Zellwände und der Zucker wird im Gegenstrom aus den Schnitzeln herausgelöst. Die Schnitzelmaische wird in Extraktionstürme geleitet: Dort bewegen sich die Schnitzel von unten nach oben, während von oben im Gegenstrom 70 °C heißes Wasser an den Schnitzeln vorbeifließt. Durch die Hitze des Wassers öffnen sich die Zellwände der Schnitzel und die enthaltenen Zuckermoleküle treten ins Wasser über. Am unteren Ende des Extraktionsturmes wird der sogenannte „Rohsaft“ abgepumpt.
Beim Zuckerrohr wird in den meisten Fabriken das Rohr in Zuckerrohrmühlen verarbeitet. In den Mühlen wird der Saft aus dem Zuckerrohr herausgepresst („Pressextraktion“). In einigen Fabriken sind jedoch schon Diffuseure im Einsatz, die den Zucker mittels des Diffusionsprozesses extrahieren. Der gewonnene Saft wird in Absetzer geleitet. Dort werden durch Schwerkraft Schwebestoffe aus dem Saft entfernt.
Reinigung des Rohsafts: Kalk-Kohlensäure-Verfahren und Filtration
Der Rohsaft enthält neben dem Zucker auch verschiedene organische und anorganische Bestandteile der Rübe. Diese Nichtzuckerstoffe werden mit Hilfe von zugesetzter Kalkmilch und Kohlensäure gebunden und ausgeschieden. Dazu wird Kohlendioxid CO2 und Calciumoxid CaO (Gebrannter Kalk) verwendet, welches mit Wasser zu Calciumhydroxid (Gelöschter Kalk, Kalkwasser) reagiert. Das eingeblasene Kohlendioxid reagiert mit den Calciumionen zu Calciumcarbonat (Kalk), das ausfällt und dabei viele Fremdstoffe mitreißt.
Der Rohsaft wird mittels der Kalk-Kohlensäure-Reinigung von Nicht-Zuckerstoffen getrennt, gefiltert und durch Verdampfen eingedickt. Der entstehende Dünnsaft kommt in die Verdampfstation. Das übrigbleibende Kalkgemisch nennt sich Carbokalk - er wird abgepresst und als Kalk-Düngemittel in der Landwirtschaft eingesetzt.
 im Reinigungsprozess)
Konzentrierung: Verdampfung und Mehrstufige Nutzung von Dampf
In der Verdampfstation wird dem Dünnsaft in mehreren hintereinander geschalteten Verdampfungsapparaturen solange Wasser entzogen, bis er als dickflüssiger Sirup einen Zuckergehalt von 65-70 Prozent hat. Die Verdampfungsapparate sind so miteinander verbunden, dass der dabei entstehende Dampf stets die nächste Stufe heizt. In modernen Rübenzuckerfabriken sind bis zu achtstufige Verdampfstationen im Einsatz.
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In Dampfkesseln wird Wasser verdampft. Der erzeugte Wasserdampf wird über eine Turbine geleitet, an die ein Generator angeschlossen ist. Der erzeugte Strom wird für die in der Fabrik vorhandenen Elektromotoren verwendet. Nachdem der Dampf die Turbine passiert hat, wird er in der Verdampfstation genutzt, um den Saft einzudicken. Dabei wird der Dampf mehrfach genutzt: In der ersten Stufe der Verdampfstation entsteht durch die Verdampfung Brüden. Dieser Brüden der ersten Stufe wird als Heizdampf für die zweiten Stufe der Verdampfstation genutzt und so weiter.
Kristallisation: Kochapparate, Impfkristalle und Maischen
Der gewonnene goldbraune Dicksaft wird in der Kochstation weiter eingedampft. Dies geschieht unter vermindertem Druck, da das Wasser dann bereits zwischen 65° und 80° C verdampft und der Zucker bei dieser schonenden Methode nicht karamellisiert. Bei der Kristallisation entsteht in den „Kochapparaten“ eine Kristallsuspension. Bei einem bestimmten Verhältnis von Wasser zu Zucker wird die Kristallbildung häufig durch Zugabe von so genannten Impfkristallen in Form feinsten Zuckers angeregt.
Der Kristallbrei wird zum Abkühlen in Maischen abgelassen. Die entstehende Masse besteht je zur Hälfte aus Kristallen und aus Flüssigkeit. Die entstehende Masse kommt in einen Behälter, der sich sehr schnell dreht. Durch die Drehung werden die Kristalle von der Flüssigkeit getrennt. Diese Schritte werden vielfach als mehrstufige Kristallisation praktiziert: aus dem Dicksaft werden wiederholt Kristalle gewonnen, um Ausbeute und Kristallqualität zu optimieren.
Trennung und Aufbereitung der Kristalle: Zentrifugation, Waschen, Umkristallisation
In hochtourigen Zentrifugen werden die Zuckerkristalle vom zähflüssigen Sirup durch Abschleudern getrennt. Diese wird in speziellen Zentrifugen von der Mutterlauge getrennt, in der Zentrifuge gewaschen, umkristallisiert und anschließend getrocknet. Dabei können die Korngröße der Kristalle beeinflusst werden. Bei der Zentrifugation bleiben die Zuckerkristalle in einem Sieb hängen, während der Zuckersirup abfließt. Der abgeschleuderte Sirup kommt wieder in die Kochstation zum Auskristallisieren.
Die Zuckerkristalle werden getrocknet, gekühlt und im Silo gelagert. Der größte und weithin sichtbare Silo der Tullner Zuckerfabrik ist 52 Meter hoch und fasst 70.000 Tonnen Kristallzucker. Je nach Bedarf wird der Zucker aus den Silos entnommen und kommt in ein Gebäude mit Verpackungsmaschinen. Um die verschiedenen Zuckerarten, etwa Staubzucker, herzustellen, erfolgen weitere Verarbeitungsschritte.
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Melasse: Nebenprodukt, Verwertung und Grenzen der Kristallisation
Der dunkelbraune, zähflüssige Sirup, der nach der letzten Kristallisation zurückbleibt, wird Melasse genannt. Melasse enthält noch ca. 50 Prozent Zucker, der aber mit herkömmlichen Methoden nicht mehr auskristallisiert werden kann, da keine Übersättigung mehr vorliegt. Die verbleibende Melasse wird hauptsächlich in der Hefe- und Bioethanolproduktion verwendet oder als Viehfutter-Bestandteil verkauft.
Energie, Betrieb und historische Technik in Zuckerfabriken
In modernen Rübenzuckerfabriken ist die Einsparung von thermischer Energie in den vergangenen Jahrzehnten stark vorangetrieben worden, denn als Brennstoff sind Kohle, Gas oder Öl im Einsatz. In Rohrzuckerfabriken dagegen wird die Bagasse, d.h. der faserige Anteil des Zuckerrohrs, als Brennstoff genutzt. Da die sonstigen Möglichkeiten des Einsatzes der Bagasse begrenzt sind, ist der Zwang zum Energiesparen in den meisten Rohrzuckerländern nur gering ausgeprägt.
Auf der Hauptinsel Indonesiens, Java, sind noch etwa 50 Zuckerfabriken in Betrieb, viele arbeiten noch mit mindestens 70 Jahre alter Technik; diese Zuckerfabriken arbeiten noch mit 100% Dampfbetrieb, das heißt, die beim Auspressen des Zuckerrohrs entstandene Bagasse wird in Dampfkesseln verfeuert, über die große Dampfzylinder wiederum das mehrstufige Mahlwerk antreiben. Auch die meisten Pumpen und sonstigen Antriebe, zum Beispiel für die Zentrifugen, werden auf diese Weise betrieben. Die Zuckerfabrik Gondang Baru versteht sich als lebendiges Museum, was durch die Einrichtung des 'Museum Gula' gezeigt wird; die älteste Dampfmaschine in Gondang Baru stammt aus dem Jahr 1884.
Produktformen, Verpackung und Vertrieb
Früher wurde der Zucker direkt nach der Produktion in Säcke verpackt und in Lagerhäusern gelagert. In vielen Fabriken in der dritten Welt geschieht dies auch heute noch auf diese Weise. In der Verpackungshalle wird der Zucker in die unterschiedlichen Verpackungen abgefüllt, für den Haushalt gibt es 500-Gramm- und Ein-Kilo-Packungen. Für Unternehmen, die Zucker verarbeiten, wird in wesentlich größeren Verpackungseinheiten verpackt, bis hin zu ganzen LKW-Ladungen. Ein LKW transportiert bis zu 25 Tonnen Zucker.
Die AGRANA verkauft etwa 80 Prozent des Zuckers an Unternehmen, die ihn zu Süß- und Backwaren, zu Getränken oder sonstigen Produkten verarbeiten; 20 Prozent werden im Einzelhandel verkauft, kommen also ohne weitere Verarbeitung zum Konsumenten. Je nach Bedarf werden unterschiedliche Zuckerarten hergestellt: weißer Kristallzucker, Staubzucker, sowie braune Zuckerarten, die minimale Anteile von Nichtzuckerstoffen (z. B. Mineralstoffe) enthalten und daher aromatisch anders wirken können.
Moderne Verfahren: Filtration, Membrantechnik und Elektrodialyse
Neben traditionellen Reinigungsschritten gibt es auch moderne physikalische Trennverfahren, die in Forschung und Industrie diskutiert und angewendet werden. Dazu zählen Filtration, Mikro- und Ultrafiltration (MF/UF), Membranverfahren mit verschiedenen Molekulargewichtsgrenzen (MWCO) und Elektrodialyse (ED). Solche Techniken können helfen, Verunreinigungen mit hohem Molekulargewicht zu entfernen, die Farbe zu verbessern und die Rohsäfte für weitere Aufarbeitungsstufen vorzubereiten.
Vorfiltrierung entfernt Partikel wie Sand und Fasern; MF-Filter halten Partikel von etwa 0,3 μm zurück. UF-Membranen werden bevorzugt mit Molekulargewichten eingesetzt, die Substanzen im Bereich von einigen tausend Dalton zurückhalten. Spiralen und Plattenmembranen sind kompakt und wirtschaftlich. Elektrodialyse kann als effiziente Demineralisierung eingesetzt werden und in Kombination mit UF zu besseren Aufreinigungsergebnissen führen.
Qualität, Analytik und Prozesssteuerung
Die Mitarbeiter der Abteilung DTS kümmern sich vor allem um die technischen Aspekte der Produktion. Die Tätigkeiten umfassen technische Unterstützung und Innovation, Engineering, Prozesssteuerung/Automatisierung, Analytik, Qualitätssicherung und Fehlersuche in allen Bereichen der Zuckerherstellung (vom Feld bis zum Endprodukt) sowie Schulungen und Trainings für Kollegen. Hier werden nicht nur Produkte aus Zucker entwickelt, hier werden sie auch angepasst und verbessert.
Am Ende des Prozesses zur Zuckergewinnung steht das Produkt: kristalliner Zucker. In effizienten Produktionsanlagen, die stetig modernisiert werden, verarbeiten Hersteller Rüben & Rohr. Bei der Weiterentwicklung unserer Werke stehen die Energieeinsparung, die Umweltverträglichkeit und die Kundenzufriedenheit an vorderster Stelle; so investieren viele Unternehmen jedes Jahr in neue Geräte und Apparaturen.
Tabelle: Typische Prozesswerte in der Rübenzuckerherstellung
| Prozessschritt | Typischer Wert / Beschreibung |
|---|---|
| Zuckergehalt Rübe | 17-20 % (ca. 700-770 g Gewicht) |
| Rohsaft (nach Extraktion) | ca. 14 % Rohzuckergehalt (Dünnsaftvorstufe) |
| Dicksaft | Zuckergehalt ~65 % nach Verdampfung |
| Kristallisationstemperatur | 65-80 °C (unter vermindertem Druck) |
| Melasse-Zuckeranteil | ca. 50 % (nicht weiter kristallisierbar) |
| Verdampfungsstufen | bis zu 8 Stufen in modernen Anlagen |
Anmerkungen zur Kampagne und Saisonarbeit
Die Zuckerfabriken verarbeiten Zuckerrüben ausschließlich im Herbst und Winter. Die 120 bis 140 Tage der Verarbeitung werden als „Kampagne“ bezeichnet. In dieser Zeit wird 24 Stunden täglich und an sieben Tagen in der Woche gearbeitet. Im Frühjahr und Sommer werden die Fabriken gewartet und gereinigt.
In Deutschland wird an insgesamt 18 Standorten durch vier Unternehmen (Südzucker AG, Nordzucker AG, Pfeifer & Langen KG und Consun Beet Company) Zucker produziert. Die größte Bedeutung in Deutschland hat die Südzucker AG.
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