Kristallisationsanlagen: Gängige Kristallisationstechniken in der Lebensmittelindustrie

Kristallisation bezeichnet den Prozess der Bildung fester Partikel aus einer homogenen Phase. Dazu gehören der Übergang vom gasförmigen in den festen Zustand, die Verfestigung von Schmelzen und die Kristallisation von Flüssigkeiten. In der Lebensmittelindustrie umfasst die Kristallisation folgende Prozesse: die Kristallisation aus einer wässrigen Lösung zur Gewinnung eines festen Produkts, das Einfrieren von Wasser aus einer verdünnten Lösung zur Konzentration des gelösten Stoffes (Gefrierkonzentration) sowie die anschließende Steuerung des Kristallisationsprozesses zur Erzielung bestimmter rheologischer Eigenschaften.

Im Folgenden stellt der Herausgeber verschiedene Technologien und Entwicklungen zur Kristallherstellung vor:

1. Gefrierkristallisationsmethode: Die Lösung wird bis zur Sättigung abgekühlt, um die Kristallisation zu bewirken.

Dieses Verfahren eignet sich für Substanzen, deren Löslichkeit mit sinkender Temperatur abnimmt, wie beispielsweise Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Ammoniumchlorid, Natriumphosphat, Glaubersalz usw. Der Temperaturkoeffizient der Löslichkeit dieser Substanzen ändert sich stark. Bei sinkender Temperatur nimmt die Löslichkeit dieser Substanzen ab, wodurch eine übersättigte Lösung entsteht. In diesem thermodynamisch instabilen Zustand kristallisiert der gelöste Stoff aus der Lösung aus. Chemische Substanzen eignen sich besonders gut zur Trennung durch Gefrierkristallisation.

2. Die Lösung wird eingedampft und konzentriert, bis sie gesättigt ist und kristallisiert: Dieses Verfahren wird häufig bei Substanzen mit geringer Löslichkeitsänderung angewendet. Ein Beispiel hierfür ist sonnengetrocknetes Salz aus Salzfeldern (Natriumchlorid).

Meerwasser oder Sole wird in das Salzfeld eingeleitet, verdunstet und konzentriert sich durch Wind und Sonne, wodurch Speisesalz kristallisiert. „Tiangong Kaiwu“ berichtet, dass unsere Vorfahren diese Methode zur Salzgewinnung anwandten.

3. Fraktionierte Kristallisationsmethode: Diese Methode eignet sich aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit bestimmter ähnlicher Salze.

Aufgrund dieses Unterschieds reichern sich bei der Verteilung der Salze zwischen fester und flüssiger Phase die schwerlöslichen Komponenten in der festen Phase an, während die gutlöslichen in der flüssigen Phase verbleiben. Dieses Verfahren findet breite Anwendung bei der Kristallisation und Trennung verschiedener Substanzen. Beispielsweise kann es zur Trennung von Doppelsalzen seltener Erden und zur Entfernung von Verunreinigungen eingesetzt werden. Die fraktionierte Kristallisation erfolgt üblicherweise durch Verdampfungskristallisation oder Gefrierkristallisation (Abkühlungskristallisation).

Durch die schrittweise Durchführung des Verfahrens werden unlösliche und leicht lösliche Komponenten im ersten bzw. letzten Prozessschritt angereichert, um Produkte mit höherer Reinheit zu erhalten. In der Atomenergieindustrie wird Zirkonium mit einem Hafniumgehalt von unter 0,01 % benötigt, das durch fraktionierte Kristallisation von Fluorverbindungen gewonnen wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in seiner einfachen Handhabung und dem geringen Reagenzienverbrauch. Der Nachteil besteht in der Schwierigkeit, eine kontinuierliche Produktion zu realisieren.

4. Chemische Reaktionskristallisation: Dies ist ein gängiges Verfahren in der Industrie. Die Fällung (Kristallisation) von Urankonzentrat im Rahmen der Uranhydrometallurgie ist ein typisches Beispiel für einen chemischen Reaktionskristallisationsprozess.

Der Übersättigungsgrad der Lösung, die Rührgeschwindigkeit, die Art des Lösungsmittels, die Zusammensetzung der Lösung und der pH-Wert beeinflussen die Kristallisation direkt oder indirekt. Der Kristallisationsprozess wird von vielen Faktoren beeinflusst. Bei optimalen Prozessbedingungen ist die Entwicklung einer hervorragenden Reaktionsanlage der Schlüssel zur industriellen Produktion. Kristallisationsanlagen lassen sich je nach Methode der Übersättigungseinstellung in drei Kategorien einteilen: Kühlkristallisatoren, Verdampfungskristallisatoren und Verdampfungskühlkristallisatoren.

Jede Kategorie lässt sich anhand ihrer internen Zirkulations-, Rühr- und Sortiervorrichtungen unterteilen. So kann beispielsweise ein Kühlkristallisator in einen Naturumlauf- und einen Zwangsumlauf-Kühlkristallisator unterteilt werden. Letzterer lässt sich wiederum in drei Typen unterteilen: mit Rührwerk, mit rotierendem Schaber und mit Zwangsumlaufpumpe.

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