Die Bedeutung von Wärme bei der Glukoseproduktion

Weltweit werden jährlich mehr als 15 Millionen Tonnen Glukose für die Verwendung in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung, in der Pharma- und Kosmetikindustrie, bei Textilien, Klebstoffen und vielen anderen Anwendungsbereichen produziert. Wärme spielt in verschiedenen Phasen des Herstellungsprozesses eine wichtige Rolle, wobei jede Phase spezifische Temperaturanforderungen stellt. Daher eignen sich sowohl Rippenrohr- als auch Schabflächenwärmetauscher ideal zur Verbesserung der Energieeffizienz bei der Glukoseproduktion.

Der weltweite Markt für Glukose hat ein Volumen von rund 58 Milliarden US-Dollar¹, wobei knapp die Hälfte davon für die Herstellung von Lebensmitteln und Getränken verwendet wird. Bis 2034 könnte der Markt ein geschätztes Volumen von 87,7 Milliarden US-Dollar erreichen, angetrieben durch den Trend zu „Clean-Label“-Zutaten und den zunehmenden Einsatz in der Pharmaindustrie (derzeit rund 32 % des Gesamtmarktes).

 

Material und Verwendungszwecke

Glukose (Dextrose) ist ein Einfachzucker (ein Monosaccharid der Formel C₆H₁₂O₆), der üblicherweise durch die Hydrolyse stärkehaltiger Produkte wie Mais, Weizen, Kartoffeln oder Tapioka gewonnen wird. Sie zeichnet sich durch eine gute Wasserlöslichkeit, eine hohe Viskosität und eine gute Hygroskopizität aus. In der Humanbiologie ist Glukose die grundlegende Energieeinheit und an vielen Prozessen beteiligt. Sie kommt natürlicherweise in Honig und Früchten wie beispielsweise Weintrauben vor.

Obwohl flüssige Glukose vorwiegend als Zutat und Süßungsmittel in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung eingesetzt wird, findet sie auch in einer Vielzahl anderer Branchen und Bereiche breite Anwendung. In pharmazeutischen Anwendungen kann sie zum Binden von Tabletten, als Grundlage für Hustensäfte sowie in Infusionslösungen eingesetzt werden. Darüber hinaus findet sie Anwendung in der Ledergerbung, der Textilindustrie, der Papierherstellung, bei der Herstellung von Klebstoffen, in der Kosmetik, in der Tierfutterindustrie, bei der Herstellung von Biokraftstoffen sowie in der Tabakverarbeitung.

 

Glukose für Lebensmittelzwecke

Glukose in Lebensmittelqualität muss strenge Sicherheitsstandards erfüllen und findet im Lebensmittel- und Getränkebereich vielfältige Verwendung, unter anderem als Süßungsmittel, zur Feuchtigkeitszufuhr, zur Steuerung der Gärung, als Quelle für schnell verfügbare Energie, zur Verhinderung der Zuckerkristallisation, zur Erhaltung der Textur und zur Verlängerung der Haltbarkeit. Von Energy-Drinks über Brot, Süßigkeiten und Schokolade bis hin zu Speiseeis, von Fruchtsäften bis zu Kuchen, von Wein bis zu Marmelade – Glukose ist weltweit einer der am häufigsten verwendeten Lebensmittelzusatzstoffe.

Glukose in Lebensmittelqualität wird in der Regel in einer von drei Formen geliefert und verwendet. Wasserfreie Glukose ist ein feines weißes Pulver, das keine Wassermoleküle enthält, jedoch hygroskopisch ist und zur Verklumpung neigt. Glukose-Monohydrat enthält etwa 9 % Wasser und weist eine besser fließfähige, kristalline Struktur auf. Flüssige Glukose ist ein klarer, süßer Sirup mit einem höheren Wassergehalt, wodurch sie sich als flüssiges oder halbflüssiges Produkt leichter verarbeiten lässt. Die Süße und die funktionellen Eigenschaften von Glukose werden durch das Dextroseäquivalent (DE) bestimmt, ein Maß dafür, wie vollständig die Stärke aufgespalten wurde – je niedriger das DE, desto mehr komplexe Zucker können vorhanden sein.

Obwohl die Bezeichnungen oft synonym verwendet werden, kann sich reine flüssige Glukose von Glukosesirup unterscheiden, der andere Stoffe und Zuckerarten wie beispielsweise Fruktose enthalten kann. Glukosesirup ist oft weniger süß als flüssige Glukose, kann jedoch hinsichtlich seiner Verwendung und Handhabung andere praktische Vorteile bieten.

 

Die Rolle der Wärme bei der Glukoseherstellung

Wärme spielt in verschiedenen Phasen der Glukoseherstellung eine wichtige Rolle, und jede Phase des Produktionsprozesses unterliegt spezifischen Temperaturanforderungen (beispielsweise findet die Verzuckerungsphase, in der komplexe Zucker in Saccharose aufgespalten werden, typischerweise bei Temperaturen zwischen 55 °C und 60 °C statt). Ein Überschreiten dieser festgelegten Temperaturen kann die Ausbeute und Effizienz des Prozesses beeinträchtigen sowie die Qualität und Reinheit des Endprodukts verändern.

Die Glukoseherstellung beginnt in den meisten Fällen mit der Reinigung, dem Mahlen und anschließendem Erhitzen des Ausgangsmaterials, um die intermolekularen Stärke-Bindungen aufzubrechen und so die Hydrolyse vorzubereiten. Anschließend wird der verdünnte Sirup häufig eingedampft, um die Feststoffkonzentration vor der Verwendung oder vor dem weiteren Trocknen und der Weiterverarbeitung zu erhöhen. Je nach Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren muss Glukosesirup vor der Verwendung in Lebensmitteln, Getränken oder pharmazeutischen Anwendungen unter Umständen auch pasteurisiert oder sterilisiert werden. Wärmetauscher können in all diesen Schritten eingesetzt werden, ebenso wie zur Kühlung des Produkts zwischen den einzelnen Schritten oder nach der abschließenden Eindampfung bzw. Pasteurisierung. Der Einsatz von Wärmerückgewinnung in den verschiedenen Produktionsschritten steigert zudem die Betriebseffizienz und senkt die Kosten für thermische Energie.

Die Viskosität von Glukosesirup und Glukoselösungen kann stark variieren und hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter Temperatur und Konzentration. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, einen Wärmetauscher zu wählen, der der Viskosität standhält, ohne zu verschmutzen, und gleichzeitig eine effektive und gründliche Wärmeübertragung gewährleistet. So kann Glukosesirup beispielsweise bei Umgebungstemperatur Viskositäten zwischen 4.300 und 10.000 cP (mPa⋅s) aufweisen, während verdünnte wässrige Glukoselösungen von sehr dünnflüssig (knapp über 1 cP) bis mäßig viskos (~50 cP) reichen.

 

Die Auswahl des richtigen Wärmetauschers für die Glukoseherstellung

Wenn Glukosesirupe und -lösungen pasteurisiert oder sterilisiert werden müssen, ist ein hygienischer, aus Edelstahl gefertigter, gewellter Mehrrohr-Wärmetauscher, wie beispielsweise die HRS MI-Serie, die ideale Lösung. Die gewellte Rohrkonstruktion erhöht die Wärmeübertragung und den Wirkungsgrad im Vergleich zu glatten Rohren, minimiert jedoch vor allem die Verschmutzung durch das mäßig viskose Produkt. Bei der MI-Serie fließt die Glukoselösung durch das Innenrohr, während die Betriebsflüssigkeit durch den umgebenden Mantel fließt. Dabei gleichen Dehnungsbälge die unterschiedlichen Ausdehnungsraten zwischen den beiden Medien aus.

Wenn bei dem Prozess viskosere Stoffe zum Einsatz kommen (beispielsweise bei der Verarbeitung von Glukosesirupen oder der Eindampfung von Glukoselösungen), kann der Einsatz eines Schabewärmetauschers, wie beispielsweise der HRS R-Serie, erforderlich sein. Dies verhindert nicht nur Ablagerungen des Produkts an der Rohroberfläche und sorgt für eine gleichmäßige Durchmischung der Glukose während des gesamten Prozesses, wodurch eine Kristallisation verhindert wird, sondern verringert auch den Druckabfall über die gesamte Länge des Wärmetauschers, wodurch sich der Energie- und Betriebsaufwand für die Förderung reduziert.