Zuckerfabrikation

Die Zuckerfabrikation ist die Gewinnung von Zucker, das heißt von Saccharose. Zucker wird aus Zuckerpflanzen wie Zuckerrüben oder auch Zuckerrohr gewonnen. In Deutschland spielt einzig die Gewinnung aus Zuckerrüben eine Rolle. Im Folgenden wird daher nur die Gewinnung von Zucker aus Zuckerrüben betrachtet.

Die Herstellung von der Ernte bis zum endgültigen weißen Zucker nennt sich Zuckerkampagne. Die Zuckerkampagne beginnt im September und endet zwischen Dezember und Januar. Zuckerrüben sind schlecht lagerfähig, da sie während der Lagerung einen Teil ihres Zuckers für den eigenen Stoffwechsel verbrauchen. Daher ist eine baldige Verarbeitung der Zuckerrüben nach der Ernte erforderlich.

Um Zucker zu gewinnen wird er aus der Pflanzenzelle von den anderen Pflanzenbestandteilen getrennt und im Anschluss auskristallisiert. Die Prozessschritte der Zuckerherstellung sind Ernte, Saftgewinnung, Saftreinigung, Safteindampfung und Kristallisation. Anfallende Nebenprodukte sind Schnitzel, Carbokalk, Melasse, Wasser und Erde, welche größtenteils landwirtschaftlich wiederverwendet werden. Der Großteil der benötigten Energie in der Zuckerindustrie ist Wärmeenergie; Schritte mit einem sehr hohen Bedarf an thermischer Energie sind die Safteindampfung, die Kristallisation und die Schnitzeltrocknung.

Für die Saftgewinnung werden die Zuckerrüben gereinigt und zu Schnitzeln zerkleinert. Im Anschluss werden sie mit 70 °C heißem Wasser überbrüht. Dies führt zum Lösen der Zuckermoleküle aus der Rübenzelle in das Wasser und der Gewinnung von Rohsaftextrakt. Die Nassschnitzel werden für die weitere Verarbeitung nicht mehr benötigt. Sie werden zu Pressschnitzeln ausgepresst. Diese werden thermisch getrocknet und in Form von Trockenschnitzeln als Viehfutter genutzt. Das zur Reinigung der Zuckerrüben genutzte Wasser wird zurückgewonnen und wieder verwendet. Ein Teil des Reinigungswassers entstammt den Zuckerrüben. Sie bestehen zu 75 Prozent aus Wasser, welches bei der Verarbeitung extrahiert wird. Die bei der Reinigung der Rüben anfallende Erde hat einen Trockengehalt von 20 bis 25 Prozent. Vor der landwirtschaftlichen Nutzung wird sie als Erdtransportwasser in Teiche gepumpt. Nach dem Absetzen der Erde wird das Erdtransportwasser in eine Biogasanlage geleitet. Das in diesem Prozess entstehende Biogas kann zur Stromerzeugung und zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Mit dem entstehenden Biogas können 1 bis 2 Prozent des Gesamtenergiebedarfs der Zuckerfabrik gedeckt werden. Neben dem Erdtransportwasser können auch die Schnitzel zur Biogasproduktion verwendet werden. Mit einer Tonne Schnitzel können ca. 67 m³ Biogas gewonnen werden. Biogas aus Nassschnitzeln hat einen Methangehalt von ca. 55 Prozent. Trockenschnitzel haben einen Methangehalt von 72 Prozent. Je höher der Methangehalt im Gas ist, desto energiereicher ist es.

Im Anschluss an die Saftgewinnung folgt die Safteindampfung. In diesem Prozessschritt gelangt der während der Saftreinigung gewonnene Dünnsaft in eine mehrstufige Verdampferanlage, wo er zu Dicksaft verarbeitet wird. Die Safteindampfung steigert den Trockensubstanzgehalt des Saftes auf 70 Prozent. Beim Eindampfen entsteht mit Wasserdampf gesättigte Luft, auch Brüden genannt. Zur Steigerung der Energieeffizienz sind die einzelnen Stufen der Verdampferanlage als Kaskade miteinander verbunden. Der Brüden der vorhergehenden Stufe beheizt die nachfolgende Stufe. Zusätzliche Einsparungen können durch die Kombination der mehrstufigen Verdampferanlage mit einer Brüdenkompression erreicht werden. Die Kompression führt zu einer Temperatursteigerung des Brüdens über den Siedepunkt der zu verdampfenden Flüssigkeit. Auf diese Weise kann der Brüden als Heizdampf in der ersten Verdampferstufe eingesetzt werden.

Im Prozessschritt der Schnitzeltrocknung gibt es drei wesentliche Möglichkeiten zur Energieeinsparung:

• Durch eine Aufteilung des Prozesses in zwei Stufen kann eine Einsparung von 15 Prozent erreicht werden. Diese Stufen setzen sich zusammen aus der kombinierten Niedertemperatur- und Hochtemperaturtrocknung.
• Durch eine Wirbelschicht-Verdampfungstrocknung der Schnitzel können 75 Prozent des bisher benötigten thermischen Energiebedarfs dieses Schrittes einspart werden. Dies ist aufgrund des aufwendigen Umbaus nicht immer wirtschaftlich.
• Eine Verbesserung der mechanischen Pressung der Schnitzel vermindert den Energiebedarf der Trocknung.

Die Zuckerindustrie gehört zu den sechs energieintensivsten Branchen der Ernährungsindustrie. Sie hat mit 5,8 Prozent nach der Stärkeindustrie den höchsten Energiekostenteil am Bruttoproduktionswert. Die Zuckerindustrie hat ihren spezifischen Energiebedarf seit 1956 erheblich gesenkt. In Deutschland sind beispielsweise sämtliche Zuckerfabriken mit Kraft-Wärme-Kopplung ausgestattet; die gewonnene Wärmeenergie wird während der Safteindampfung verwendet.