Eine Anlagenkonfiguration für zwei kristalline Produkte
Im vergangenen Jahr berichteten wir hier über einen Auftrag des finnischen Unternehmens Fazer zur Lieferung, Montage und Inbetriebnahme von Kristallisationsanlagen für Xylose und Xylit sowie zur Lieferung einer Trocknungsanlage. Dieses innovative Projekt ist gut vorangekommen: In Zusammenarbeit mit BMA hat Fazer seine Kristallisationsanlage erfolgreich in Betrieb genommen.
Kristalle: Forschung und Entwicklung in den BMA-Labors
In einer früheren Phase waren in den BMA-Labors umfangreiche Versuche durchgeführt worden – Verdampfungs- und Kühlkristallisationstests sowie Trocknungsversuche an den beiden kristallinen Produkten. Die Auslegung der Maschinen und Anlagen für den industriellen Prozess basierte auf den Ergebnissen dieser Versuche.
Xylose und Xylit weisen aufgrund ihrer jeweiligen chemischen Strukturen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf. Das Ziel bestand jedoch darin, eine einzige Anlagenkonfiguration für die Kristallisation beider Produkte zu finden und durch Anpassung der technologischen Parameter im Kristallisationsprozess auf die spezifische Zusammensetzung der jeweiligen wässrigen Lösung einzugehen.
Herstellungsverfahren: eine hochflexible Kristallisationsanlage
Da die Kristallisation chargenweise erfolgt, können die unterschiedlichen Löslichkeiten von Xylose und Xylit, die spezifischen Kristallwachstumsverläufe, Kristallformen und Kristallgrößen sowie die Bandbreite der Stoffdaten und die spezifischen Ausbeuten im kombinierten Verdampfungs- und Kühlkristallisationsverfahren berücksichtigt werden. Diese Flexibilität der Kristallisationsanlage bedeutet auch, dass die Kristallisationsprozesse für Xylose und Xylit bei Änderungen der grundlegenden Parameter angepasst werden können und ermöglicht die Erprobung neuer Prozessvarianten. Eine Herausforderung bei der Anlagenplanung war die Aufstellung der Anlagen im Gebäude, in dem nur begrenzter Platz zur Verfügung steht.
Die Lösung bestand darin, eine nicht standardmäßige, maßgeschneiderte Anordnung für die Verdunstungskristallisation zu verwenden. Folglich musste auch die Kondensatableitung aus der Anlage neu konzipiert werden.
Aufgrund der Pandemielage im Jahr 2020 verzögerte sich das gesamte Projekt, was sich letztendlich auch auf die Montage auswirkte. Um das Projekt trotz der Reisebeschränkungen voranzutreiben, führte Fazer den Großteil der Arbeiten selbst durch.
Inbetriebnahme durch Experten von BMA
Anfang März 2021 teilte Fazer mit, dass die Kristallisationsanlage betriebsbereit sei. Um vor Ort Unterstützung zu leisten und gleichzeitig die strengen Hygienevorschriften einzuhalten, reisten die BMA-Experten für zuckerfreie Süßungsmittel nach Lahti.
Während der Inbetriebnahme produzierte die Kristallisationsanlage Xylose, den Ausgangsstoff für Xylit. Die Herausforderung dabei bestand darin, die technologischen Parameter anzupassen, die in den vorangegangenen Laborversuchen ermittelt worden waren.
Das BMA-Team analysierte und charakterisierte daher die technische Xylose-Lösung in den firmeneigenen Labors von Fazer in Lahti. Dort wurden die Löslichkeit und die spontane Keimbildung unter vereinfachten Bedingungen untersucht.
Anhand der Ergebnisse konnten die Ausgangsbedingungen für die Verdampfungskristallisation der Xyloselösung ermittelt und die Parameter für die Impfung festgelegt werden.
Kristallwachstum während der zweiten Kristallisationsphase
Nach Abschluss einer erfolgreichen Verdampfungskristallisationsphase wird die gesamte Charge der Xylose-Kristallsuspension in einen vertikal angeordneten Kühlungskristallisator überführt. Durch die kontrollierte Abkühlung soll während der zweiten Kristallisationsphase ein weiteres Kristallwachstum angeregt werden, wodurch sich die Ausbeute des gesamten Prozesses erhöht.
Durch aktives Rühren wird die Kristallsuspension gleichmäßiger im Kristallisator verteilt, was den Wärme Wärmedurchgang us vom Produkt zum Kühlmittel im Kreislauf fördert. Die bei der Kristallisation entstehende Wärme kann abgeführt und die erforderliche Übersättigung während des gesamten Prozesses aufrechterhalten werden.
Während des gesamten Prozesses wurden fortlaufende Probenahmen durchgeführt, um die Zusammensetzung der Kristallsuspension sowie die Morphologie und Größe der Kristalle im Verlauf der Abkühlkristallisation zu bestimmen und zu bewerten. Nach Erreichen der Endtemperatur zeigte sich, dass die entstandenen Kristalle hinsichtlich Form, Morphologie und Größe mit denen vergleichbar waren, die bei den Vorversuchen in den BMA-Labors hergestellt worden waren.
Kristalle: Trocknung und Kühlung in einer Anlage
Sobald das Prozessziel der zweiten Kristallisationsstufe erreicht ist, kann die Kristallsuspension in eine Zentrifugenanlage geleitet werden, wo die Xylose-Kristalle abgetrennt werden. Diese werden im weiteren Verlauf des Prozesses in einer BMA-Trocknungsanlage getrocknet. Die Inbetriebnahme der Trocknungsanlage, die aus administrativen Gründen zu einem anderen Zeitpunkt erfolgte, verlief reibungslos.
In der frühen Produktionsphase nach der erfolgreichen Inbetriebnahme der BMA-Anlage werden die technologischen Parameter an Veränderungen des Ausgangsprodukts angepasst. Dies erfordert ein hohes Maß an Prozesswissen und ingenieurtechnischem Fachwissen, das während des Anlagenbetriebs erworben und erweitert wird. Ein von Fazer installiertes Kamerasystem spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. Es ermöglicht die Überwachung des Kristallisationsprozesses im Verdampfungskristallisator, sodass die Auswirkungen verschiedener Prozessparameter auf die Kristallbildung und das Kristallwachstum in Echtzeit untersucht werden können. Dank dieses Systems lassen sich die Kristallisation und Trocknung der beiden Produkte Xylose und Xylit schneller optimieren.
Kristallwachstum im Verlauf der Abkühlkristallisation
Nächster Schritt: Kristallisation und Trocknung von Xylit
Eine der nächsten Herausforderungen wird die Kristallisation und Trocknung von Xylit sein, das in einem separaten Verfahren durch Hydrierung von Xylose hergestellt wird. Selbstverständlich wird BMA Fazer vor Ort bei der Kristallisation und Trocknung von Xylit unterstützen.