Zuckergewinnung aus Pflanzen: Ein umfassender Überblick
Zucker ist ein allgegenwärtiger Bestandteil unserer Ernährung, sei es als offensichtliches Süßungsmittel oder versteckt in verarbeiteten Lebensmitteln. In Mitteleuropa wird der Zucker hauptsächlich aus Zuckerrüben gewonnen. Dieser Artikel beleuchtet den Prozess der Zuckergewinnung aus Pflanzen, insbesondere aus Zuckerrüben, von der Aussaat bis zum Endprodukt.
Zuckerrübenanbau: Vom Feld in die Fabrik
Anbaubedingungen und Aussaat
Zuckerrüben bevorzugen ein warmes, gemäßigtes Klima und tiefgründige, sandig-lehmige Böden. Weniger geeignet sind schwere, nasse und kalte Böden. Die Aussaat erfolgt von Ende März bis Mitte April, oft nach dem Anbau von Zwischenfrüchten. Für eine gute Jugendentwicklung benötigen die Zuckerrüben ausreichend Wärme zum Keimen, während Frost vermieden werden sollte.
Pflege und Ernte
Nach der Aussaat wird das Zuckerrübenfeld mechanisch oder chemisch behandelt, um Beikräuter zu bekämpfen und das Wachstum der jungen Rübenpflanzen nicht zu beeinträchtigen. Die Ernte erfolgt in der Regel von Mitte September bis Ende Dezember mit einem Zuckerrübenvollernter. Diese Maschine köpft die Blätter und rodet die Rüben, die dann zu festgelegten Zeitpunkten in die Zuckerfabrik transportiert werden. Auf einem Hektar wachsen etwa 80.000 bis 100.000 Rübenpflanzen, die rund 8 Tonnen Zucker ergeben. Für die Herstellung von einem Kilogramm reinem Zucker benötigt man etwa sieben Zuckerrüben, was einer Anbaufläche von circa 0,8 Quadratmetern entspricht.
Wasserbedarf
Zuckerrüben sind im Vergleich zu anderen Kulturen relativ sparsam im Wasserverbrauch. Dennoch sind sie auf eine ausreichende Wasserversorgung angewiesen, um genügend Zucker in ihren Zellen einzulagern.
Der Weg der Zuckerrübe in der Zuckerfabrik
Vorbereitung der Rüben
In der Zuckerfabrik werden die Rüben zunächst gewaschen, von anhaftenden Steinen gereinigt und anschließend in kleine Rübenschnitzel geschnitten.
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Extraktion des Rohsaftes
Mithilfe von heißem Wasser wird der Zucker aus den Schnitzeln extrahiert. Dieser "Rohsaft" hat einen Zuckergehalt von etwa 14 %. Eine Zuckerrübe speichert etwa 17 bis 19 Prozent ihres Gewichts als Zucker ein.
Reinigung des Rohsaftes
Der Rohsaft wird einer Kalk-Kohlensäure-Reinigung unterzogen, um Nicht-Zuckerstoffe zu entfernen. 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. Anschließend wird der Saft gefiltert und durch Verdampfen eingedickt.
Kristallisation
Durch Verdampfungskristallisation wird der Saft nach und nach eingedickt und solange gesiedet, bis ein zähflüssiger Sirup entsteht. In Kristallisatoren wird der Sirup vom Zucker getrennt. Bei der Kristallisation entsteht in den „Kochapparaten“ eine Kristallsuspension. Diese wird in speziellen Zentrifugen von der Mutterlauge getrennt, in der Zentrifuge gewaschen, umkristallisiert und anschließend getrocknet. Dabei kann die Korngröße der Kristalle beeinflusst werden.
Raffination
Der so gewonnene Zucker ist oft noch durch Fremdstoffe braun gefärbt. Durch weitere Reinigungsschritte kann er zu farblosem "Raffinadezucker" verarbeitet werden.
Zucker aus Zuckerrohr: Eine alternative Quelle
Während in der EU hauptsächlich Zuckerrüben angebaut werden, ist außerhalb Europas Zuckerrohr die dominierende Quelle für Zucker. Rund vier Fünftel des weltweit erzeugten Zuckers ist Rohrzucker.
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Verarbeitung von Zuckerrohr
Das geerntete Zuckerrohr wird in der Fabrik oder bereits bei der Ernte geschnitten. In den meisten Fabriken wird das Rohr in Zuckerrohrmühlen verarbeitet, wo der Saft aus dem Zuckerrohr herausgepresst wird ("Pressextraktion"). In einigen Fabriken sind jedoch schon Diffuseure im Einsatz, die den Zucker mittels des Diffusionsprozesses extrahieren. Der gewonnene Saft wird in Absetzer geleitet, wo durch Schwerkraft Schwebestoffe aus dem Saft entfernt werden.
Energieeffizienz in der Zuckerproduktion
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 zweite Stufe der Verdampfstation genutzt und so weiter. In modernen Rübenzuckerfabriken sind bis zu achtstufige Verdampfstationen im Einsatz. Der Heizdampf wird auch für die Kristallisation und zur Anwärmung von Säften benutzt.
In modernen Rübenzuckerfabriken ist die Einsparung von thermischer Energie in den vergangenen 20 Jahren 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.
Historische Zuckerfabriken
Auf der Hauptinsel Indonesiens, Java, sind noch etwa 50 Zuckerfabriken in Betrieb, die teilweise schon über 100 Jahre alt sind. Diese Zuckerfabriken arbeiten oft noch mit alter Technik, die zu 100 % auf Dampfbetrieb basiert. Die Zuckerfabrik Gondang Baru versteht sich als lebendiges Museum, in dem die Zuckerherstellung auf Java anhand von Gerätschaften, historischen Fotografien und Modellen gezeigt wird.
Verwendung von Zucker und Nebenprodukten
Vielfältige Anwendungen
Von dem in Deutschland erzeugten Zucker werden 62 Prozent (Stand 2022/23) von Verarbeitungsbetrieben genutzt, vor allem in der Erfrischungsgetränke-, Süß- und Backwarenindustrie. Nur etwa neun Prozent wird in haushaltsüblichen Gebinden als Raffinadezucker oder Weißzucker vermarktet. Ein kleinerer Teil wird an chemische und pharmazeutische Verarbeitungsbetriebe sowie Betriebe der Bioethanolherstellung abgesetzt. Zucker findet auch in der Pharmazie als Hilfsmittel Verwendung.
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Nebenprodukte und Reststoffe
Bei der Verarbeitung von Zuckerrüben fallen Nebenprodukte und Reststoffe an, aus denen sich viele weitere wertvolle Produkte herstellen lassen. So werden zum Beispiel die Rübenschnitzel als Futtermittel für Rinder, Schweine, Schafe und Pferde eingesetzt. Ebenso kann die Melasse - ein zähflüssiger dunkelbrauner Sirup, der nach der letzten Kristallisation zurückbleibt - einer sinnvollen Verwertung zugeführt werden, u.a. als Nährstoff für Fermentationsprozesse z.B. zur Erzeugung von Ethanol oder Biogas. Außerdem fallen bei der Reinigung des Zuckerrohsaftes Stoffe an, die nicht für den Zucker benötigt werden. Sie werden mithilfe zugesetzter Kalkmilch und Kohlensäure gebunden und ausgeschieden.
Chemische Aspekte von Zucker
Die chemische Bezeichnung von Zucker ist Saccharose. Sie ist ein Disaccharid und besteht aus einem Glucosemolekül und einem Fructosemolekül, die α-β-1,2-glykosidisch miteinander verknüpft sind. Saccharose ist gut in Wasser löslich und optisch aktiv.
Zuckerkonsum in Deutschland
Jeder Deutsche nimmt im Schnitt knapp 33 Kilogramm Zucker pro Jahr zu sich.
Die Bedeutung der Zuckerrübe
Für viele landwirtschaftliche Betriebe ist der Zuckerrübenanbau eine wichtige Kultur. Die Zuckerrübe durchläuft verschiedene Wachstumsstadien, in denen sie Wurzeln, Blätter und schließlich Samen entwickelt.
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