Zuckerproduktion: Vom Zuckerrohrfeld zur Raffinerie

Zucker: Saccharose und ihre Bedeutung

Als Zucker wird im Allgemeinen Saccharose bezeichnet, deren chemische Formel C₁₂H₂₂O₁₁ ist. Sie ist auch bekannt als Haushaltszucker oder Kristallzucker. Saccharose ist ein Disaccharid, das sich aus einem Molekül Glukose und einem Fruktose zusammensetzt und hauptsächlich aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben gewonnen wird. In industriellen Bereichen wird das Wort „Zucker“ oder „Zuckerarten“ als Sammelbegriff für verschiedene Monosaccharide und Disaccharide verwendet, die im Allgemeinen süß schmecken. Im weiteren Sinne bezieht es sich auf alle Kohlenhydrate.

Zucker kann beim Erhitzen oberhalb seiner Zersetzungstemperatur karamellisieren (Bräunungsreaktion). Wird er über 145 °C in Anwesenheit von Aminoverbindungen, wie Proteinderivaten, erhitzt, kommt es zur komplexen Maillard-Reaktion. Diese erzeugt im Allgemeinen wünschenswerte Farben, Gerüche und Geschmäcker, aber auch geringe Mengen unerwünschter Verbindungen.

Zucker ist eine wichtige Kalorienquelle in der modernen Ernährung, wird aber oft als „leere Kalorien“ bezeichnet, da er keinerlei Vitamine und Mineralstoffe enthält.

Geschichte der Zuckerindustrie in Kolumbien

Zuckerrohr wurde von Sebastián de Belalcázar nach Cali gebracht, der es während seines Aufenthalts in Yumbo anbaute. Von dort aus verbreitete sich der Anbau im Cauca-Flussbecken. Während der Kolonialzeit wurde die Produktion von Zuckerrohr, Zucker und Melasse zu einer traditionellen Aufgabe und blieb dies bis zum Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts, als in der Mühle Manuelita eine moderne Anlage eröffnet wurde. Bis 1930 gab es im Cauca-Tal nur noch drei Mühlen: Manuelita, Providencia und Ríopaila. Ab diesen Jahren begann die Zuckerindustrie in der Region zu expandieren und umfasste schließlich 22 Mühlen.

Zuckerrohranbau: Von der Planung bis zur Ernte

Planung und Bodenvorbereitung

Eines der am besten geplanten landwirtschaftlichen Projekte in Kolumbien ist zweifellos der Anbau von Zuckerrohr (Saccharum officinarum). Die Zuckerindustrie in dieser Region des Landes arbeitet Schritt für Schritt mit spezifischen Aufgaben, um die bestmögliche Leistung aus dem Zuckerrohr und dem darin enthaltenen Saccharose zu erzielen.

Die Arbeit beginnt mit der Vorbereitung des Bodens, auf dem das Zuckerrohr Wurzeln schlagen soll. Hierfür werden spezielle Maschinen und Personal eingesetzt, die für die Bodenbearbeitung zuständig sind.

Spezialisiertes Planungspersonal bestimmt, wie das Zuckerrohr wachsen soll, wo Wasserreservoirs und Bewässerungsanlagen platziert werden. Es wird auch erwartet, dass die Fahrwege für Fahrzeuge, die das Zuckerrohr transportieren und die Erntemaschinen, lokalisiert und angelegt werden. Da das Personal aus Agronomen, Bauingenieuren, Vermessungsingenieuren und Feldzeichnern besteht, werden bestimmte Aufgaben an private Unternehmen ausgelagert, da das fest angestellte Personal für diesen Zweck oft nicht ausreicht.

Vorbereitende Bodenbearbeitung

Tiefpflügen

Das Tiefpflügen besteht darin, den Boden mit Scheibenpflügen zu bearbeiten, die 50 bis 60 cm tief in den Boden eindringen können. Der Grund für diese Maßnahme ist, dass der Stamm des Zuckerrohrs leichter in den Boden eindringen kann. Ist der Boden verdichtet, ist es sehr schwierig für das Wurzelsystem, sich zu etablieren und Nährstoffe aufzunehmen, was das Wachstum und die Größe der Stängel beeinträchtigt. Diese Arbeit kann etwa 9 bis 12 Stunden pro Hektar in Anspruch nehmen.

Kreuzpflügen

Nach Abschluss der Tiefpflügephase ist das Feld „geteilt“ oder in Regionen fragmentiert. Aufgrund der Beschaffenheit des verwendeten Ackerbodens, der unregelmäßige Verdrängungen oder „Schwerter“ aufweisen kann, ist es notwendig, eine größere Gleichmäßigkeit zu erreichen.

Anschließend erfolgt ein weiterer Pflügeprozess, jedoch mit kleineren und weniger tief eindringenden Scheiben. Dieser Vorgang wird als „Kreuzpflügen“ des Feldes bezeichnet und dauert 1 bis 2 Stunden.

Feinpflügen

In einer dritten Pflügephase, dem „Feinpflügen“, werden erneut kleinere Scheiben verwendet. Wie die beiden vorhergehenden Phasen dient auch diese der weiteren Zerkleinerung der Bodenteilchen, die auf andere Weise als beim „Kreuzpflügen“ bewegt werden. Auch dieser Vorgang dauert etwa zwei Stunden.

Nivellierung

Sobald der Boden bearbeitet ist, soll er eingeebnet werden. In Kolumbien wird diese Praxis nur für Zuckerrohr angewendet, nicht weil andere Pflanzen sie nicht benötigen, sondern wegen der hohen Kosten, die ihre Durchführung erfordert.

Der Nivellierungsprozess beginnt mit der Kartierung des Geländes, der Identifizierung der Höhenlinien und der Bestimmung von Bereichen mit Überschuss oder Mangel an Erde. Anschließend wird die Oberfläche geebnet, entweder durch Entfernen oder Hinzufügen von Material, bis eine glatte, pflanzbereite Fläche entsteht.

Die Nivellierung erleichtert die Unkrautbekämpfung, den Pflanzenschutz, das Schneiden und den Transport des Zuckerrohrs, da die Mobilität auf einem regelmäßigen Feld effizienter ist als auf einem unregelmäßigen, sowohl für Menschen als auch für Maschinen.

Derzeit verfügt die Mühle „Cauca“ über ein einziges Gerät, das den gesamten Prozess durchführen kann. Es ist als „Laser-Nivelliergerät“ bekannt und arbeitet mit Lasern. Es besteht aus einem Traktor, der von der Kabine aus zwei Anhänger steuert, die den Boden ziehen, graben und sammeln oder je nach Bedarf abladen.

Tiefenlockerung des Bodens

Vor Beginn der Zuckerrohrpflanzung werden in einer Reihe Löcher von 50 cm bis 1 m Tiefe gebohrt. Der Abstand zwischen den Löchern kann variieren. Die Funktion dieser Löcher besteht darin, überschüssiges Wasser zu sammeln, das in die Rillen fließt, und so als Drainage zu wirken.

Pflanzung des Zuckerrohrs

Die Setzlinge werden auf dem vorbereiteten Feld ausgelegt. Diese wurden sorgfältig ausgewählt und unter optimalen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen vorbereitet, um eine möglichst gesunde Ernte zu erzielen. Ein Setzling gleicht einem etwa 30 bis 45 cm langen Stück Zuckerrohrstiel, das an derselben Seite Wurzeln bilden muss, die dann zu einer Pflanze heranwachsen. Die Pflanzung erfolgt manuell.

Alle Setzlinge werden in einem geschlossenen Fahrzeug, einem Tankwagen, zum Feld transportiert, der dann innerhalb der zukünftigen Anbauflächen versiegelt wird. Ein Tankwagen, der die Setzlinge transportiert, wird als „Gondel“ bezeichnet und bewegt sich mithilfe eines Traktors.

Der Ablauf ist wie folgt: Der Traktor zieht den Wagen mit den Setzlingen. Vier Männer werfen alle 10 Meter ein Bündel mit etwa 30 Setzlingen ab. Dahinter kommen die „Pflanzer“, die diese in die Furche legen, ohne sie zu vergraben. Hier sind sieben Mitarbeiter im Abstand zwischen den Setzlingbündeln tätig. Weitere sieben Männer der Mannschaft sind dafür verantwortlich, die Setzlinge mit einer Schaufel zu bedecken.

Je nach Feuchtigkeitsgehalt des Bodens erfolgt (oder nicht) eine Bewässerung der frisch gelegten Setzlinge, um die Keimung zu fördern.

Kulturarbeiten im Zuckerrohranbau

Kulturarbeiten bedeuten in agronomischer Hinsicht alle Aufgaben zur Pflege und Verbesserung des Pflanzenwachstums, um die bestmögliche Ernte zu erzielen.

Die Kulturarbeiten im Zuckerrohranbau umfassen Bewässerung, Unkraut- und Schädlingsbekämpfung, Krankheitsprävention, Hacken und Düngung.

Auch vor dem Einpflanzen der Setzlinge werden diese von geschultem Personal desinfiziert.

Die Hauptursachen für Krankheiten sind bestimmte Pilz- und Bakterienarten, wie zum Beispiel die Brandkrankheit, ein Pilz, der die Pflanze in einen brüchigen Stiel verwandelt. Während des Pflanzenwachstums werden bestimmte Arbeiten wie Jäten oder Hacken durchgeführt, um den verdichteten Boden in den Furchen mit einer Hacke zu lockern.

An diesem Punkt erreicht der Zuckerrohr seinen höchsten Saccharosegehalt, konzentriert sich und leitet die zweite Phase der Feldarbeit ein: die Ernte.

Ernte und Transport des Zuckerrohrs

Ernte

In den Zuckerrohrplantagen werden zwei Arten von Zuckerrohr angebaut, die sich nach der Art des Schnitts richten:

• Canal Point (CP): Diese Sorten sind australischen Ursprungs. Ihre Stängel wachsen aufrecht, was Vorteile beim Schnitt bietet, aber den Nachteil hat, dass sie sehr anfällig für Pflanzenkrankheiten sind. Sie werden nach 15 Monaten geerntet.
• POJ 2878: Diese Sorte besitzt eine hohe Resistenz gegen Zuckerrohrkrankheiten. Ihre Stängel wachsen ineinander verschlungen und werden nach 18 Monaten geerntet. Sie hat eine hohe Saftreinheit und ist weitgehend trockenheitsresistent. Das wichtigste Merkmal ist, dass sie auf Böden mittlerer Fruchtbarkeit angebaut werden kann.

Um den Schnitt zu erleichtern, ist es notwendig, zuerst ein „Brennen“ durchzuführen. Dies besteht aus einem kontrollierten Abbrennen bestimmter Bereiche der Ernte, um den Erntehelfern die Arbeit zu erleichtern. Dieses Brennen reduziert die Menge der Blätter pro Stiel und verhindert, dass die Fasern des Zuckerrohrs, die das Atmen erschweren, die Erntehelfer belasten.

Das Brennen wird zeitlich kontrolliert, da die Pflanzen mit zunehmender Brenndauer an Saccharosegehalt verlieren. Es wird berichtet, dass dieses Brennen ursprünglich dazu diente, die Arbeitskraft der Erntehelfer zu reduzieren, da es in den frühen 70er Jahren viel Einwanderung nach Venezuela gab und höhere Löhne gefordert wurden. Dies führte dazu, dass die Landbesitzer das Brennen als Mittel einsetzten, um den Zahlungsforderungen entgegenzuwirken und die Zuckerrohrernte zu verzögern.

Nach dem Brennen schneiden die Erntehelfer das Zuckerrohr mit Macheten an der Basis der Stängel ab und entfernen die Blätter, die nicht durch das Feuer vernichtet wurden. Die Erntehelfer stapeln dieses Material in Haufen, die an einem bestimmten Ort gesammelt werden. Jeder Erntehelfer hat bestimmte Reihen zugewiesen, nach denen die Bezahlung seiner Arbeit durch die Anzahl der geschnittenen Tonnen Zuckerrohr erfolgt.

Es gibt auch einen Lader, der das verpackte Zuckerrohr anhebt und in einen Eisenbahnwaggon lädt. Natürlich gibt es auch mechanische Lader oder Maschinen, die das Zuckerrohr mit Greifhaken anheben.

Transport

Das geerntete Zuckerrohr wird direkt per Bahn zur Industrie transportiert. Die Bahn ist für den Transport des Materials in Waggons zuständig, und die Anbauflächen überschreiten in der Regel eine Entfernung von 30 km zur Industrie nicht. Bei größeren Entfernungen wird das Zuckerrohr mit Anhängern transportiert, die zwischen 3,5 und 5 Tonnen zur Industrie bringen können.

Wenn das Zuckerrohr in der Zuckerindustrie ankommt, wird es auf ein Förderband geworfen, das es direkt zu einer Mühle führt, die das Zuckerrohr vollständig zerkleinert.

Verarbeitung in der Fabrik

Extraktion des Saftes

In dieser Phase der Süßstoffgewinnung werden Aufgaben durchgeführt, um den Zuckerrohrsaft zu extrahieren, der durch bestimmte industrielle Verfahren grundlegend in Zucker und Melasse umgewandelt wird.

Als erster Schritt wird das Zuckerrohr zerkleinert. Anschließend wird die Faser durch eine Reihe von Mühlen mazeriert, wodurch Bagasse (Faser und mazeriertes Material) und Saft (der die Süße enthält) gewonnen werden. Die Bagasse wird als Brennstoff in den Kesseln verwendet, die mit den Turbinen verbunden sind, um die Mühlen anzutreiben und den Saft in den verschiedenen Teilen der Produktionskette zu erhitzen.

Der Saft wird zunächst erhitzt, filtriert und geklärt, bevor die darin gelösten süßen Kristalle umgewandelt werden. Sobald ein bestimmter Punkt erreicht ist, werden die Kristalle gesponnen und vollständig von allen Arten von Zuckersirup (flüssig) getrennt, der ebenfalls für den Markt bestimmt ist. Je nach Art der Kristallisation wird ein bestimmter Raffinationsgrad erreicht. Schließlich schließt der Zyklus mit dem Abschnitt Verpackung und Lagerung ab.

Der Weg des Zuckerrohrs in der Fabrik

Das Pflanzenmaterial gelangt über den „Zuckerrohrhof“ in die Fabrik. Die erste Station ist die Waage, wo das Fahrzeug des Transportunternehmers gewogen wird, um die Menge des Zuckerrohrs zu erfassen und auch zu dokumentieren, wie viel geschnitten und geladen werden musste. Sobald diese Daten erfasst sind, fährt das Fahrzeug zum Kran, der die Ladung entlädt. Letzterer kann den gesamten Inhalt des Anhängers oder Wagens in maximal drei Minuten entleeren. Die Bedienung ist wie folgt: Das Fahrzeug fährt parallel zum Kran, der es mit Kabeln und Haken an den Stängeln auf der Terrasse anhebt und entlädt. Im Falle eines Anhängers wird dieser wie eine Schaukel zur Seite gekippt, um seinen Inhalt zu entleeren.

Das Zuckerrohr, das auf dem Hof abgeladen wurde, muss dann „gebissen“ werden. Dazu wird ein weiterer Satz von Kränen (die „Portalkräne“) verwendet, bestehend aus einer großen Struktur, auf der Kräne mit Seilrollen mobilisiert werden, um mithilfe von Kabeln die „Bündel“ von Zuckerrohrstängeln auf die Tische zu heben und zu kippen.

Der „Zuckerrohrtisch“ ist eine geneigte Metallplatte, die an einer Seite begrenzt ist und das Förderband speist. Auf diese Weise rutschen die darauf abgelegten Stängel die Schräge hinunter und landen auf dem „Band“, das sie zur Mühle führt.

Die Mühle „Manuelita“ wird als Beispiel genommen: Sie verwendet zwei Entladekräne (auf der „Terrasse“): einen von 7 Tonnen und einen weiteren von 8 Tonnen, sowie zwei „Portalkräne“ auf dem „Tisch“ mit jeweils 30 Tonnen Kapazität. Derzeit erfordert der Betrieb der Kräne 5 Arbeiter und einen Aufseher.

Zerkleinerung

Die erste Station, die der Zuckerrohr nach der Anlieferung durchläuft, ist die Zerkleinerung. Das Band führt in einen Tunnel, dessen Inneres längs von einer Welle durchzogen ist, die mit Messern wie Macheten bestückt ist. Als Ergebnis der Passage des Pflanzenmaterials entstehen dabei weiße, lange Späne. Die als Beispiel genommene Mühle verfügt über einen ersten Zerkleinerungsabschnitt mit 32 Messern, die sich mit 600 U/min drehen, gefolgt von einem zweiten mit 64 Macheten mit der gleichen Geschwindigkeit, die jedoch enger beieinander liegen als im ersten Abschnitt. Die Motoren, die die Zerkleinerer antreiben, sind elektrisch und werden über das Bedienfeld der Mühlen gesteuert.

Die Faser gelangt auf das Förderband, das sie zu einem Mühlenzug für die Mazeration transportiert.

Mühlen

Jeder Mühlenzug besteht aus drei Walzen. Jede Walze ist eine Art Gusseisenwalze, die in ihrer Umgebung entfernt werden muss. Um eine horizontale Mühle (von Raffinerien verwendet) zu schaffen, gibt es zwei Walzen auf derselben horizontalen Ebene, und die dritte wird an deren Verbindung platziert. Ein großer Industriezug (oder Batterie) besteht aus sechs Mühlen, denen zwei Walzen vorangestellt sind, die übereinander angeordnet sind und als „Schredder“ bekannt sind.

Die gesamte Industrie in Großanlagen wird von Dampfmaschinen angetrieben (sechs Mühlen, drei Turbinen), wo eine Kapazität von 4.800 Tonnen/Tag verarbeitet wird. Die Faser durchläuft jedoch zuerst die Schreddermühle und gelangt dann durch die Walzen des Walzwerks.

Das Personal, das mit der Bedienung der Maschinen betraut ist, setzt sich zusammen aus: einem Ingenieur und einem Bedienfeld-Monitor, der die Befehlszeile steuert; einem „Schmierer“, der für die Schmierung der Zahnräder zuständig ist, die die Bewegungen von den Turbinen zu den Mühlen übertragen; einem weiteren „Schmierer“, der die gute Rotation der Mühlen um ihre Achse überwacht; und einem „Stauer“, der „Verstopfungen“ im Kanal verhindert, wo der Mühlenzug die Faser verarbeitet.

An dieser Stelle werden Bagasse und Zuckerrohrsaft gewonnen. Die folgende Beschreibung erläutert den Prozess der Gewinnung jeder dieser Substanzen.

Bagasse (Kesselhaus)

Von den Mühlen gelangt die Bagasse über ein Förderband direkt zu den Kesseln. Dort wird sie getrocknet und zur späteren Verwendung als Brennstoff gelagert, obwohl das Material auch an die Papierindustrie verkauft wird, wo es als potenzieller Rohstoff dient.

Die Kesselstation in der Großindustrie umfasst sechs überwachte Einheiten, die die Wasserzufuhr und den von ihnen erzeugten Druck automatisch über eine elektronische Anzeigetafel steuern. Es werden 10 „Heizer“ und eine gleiche Anzahl von „Feuerleuten“ eingesetzt, um den Brennstoff und das Wasser zuzuführen.

Die erzeugte Energie wird mit Turbinen von 1.200 kW, 2.000 kW und 3.500 kW umgewandelt. Hochtemperaturdampf wird auch verwendet, um den Saft in späteren Stadien zu erhitzen.

Der Saft

Unterhalb des Walzwerks wird der Zuckerrohrsaft aufgefangen, der zwischen den Rillen der Walzen herabrieselt. Die Flüssigkeit wird in Tanks (zwei) gepumpt, die aufgrund des Gewichts des Saftes in Tonnen pro Stunde schwer sind. Große Mühlen haben eine Kapazität von 7 Tonnen pro Tank und werden 50 Mal pro Stunde automatisch befüllt.

Der Saft ist hier voller Verunreinigungen, die auf dem Feld, während des Transports und auf dem Zuckerrohrhof gesammelt wurden. Er ist dunkelgrau und hat eine Dichte ähnlich der von Wasser. Dann beginnt der Prozess des Erhitzens und Klärens, um die beste Süße zu erzielen.

Kristallisation und Raffination

Kristallisation

Die Kristallisation erfolgt in Eindampfkristallisatoren in einer einzigen Richtung, wo der Sirup eingedampft und mit Zucker gesättigt wird. Zu diesem Zeitpunkt werden Impfkristalle hinzugefügt, die als Medium für die Zuckerkristalle dienen, und es wird mehr Wasser verdampft, während Sirup hinzugefügt wird. Das Kristallwachstum wird fortgesetzt, bis die Pfanne gefüllt ist.

Die Masse (der Inhalt der Pfanne) wird dann durch ein Bodenventil in einen Mischer oder Kristallisator abgelassen.

Zentrifugation und Melasse-Rückgewinnung

Die gekochte Masse aus dem Mischer oder Kristallisator gelangt in rotierende Zentrifugenmaschinen.

Die zylindrische, an einer Welle aufgehängte Trommel hat perforierte Seitenwände, die innen mit einem Gewebe ausgekleidet sind. Zwischen diesen und den Wänden befinden sich Metallplatten mit 400 bis 600 Löchern pro Quadratzoll. Die Trommel dreht sich mit Geschwindigkeiten zwischen 1000 und 1800 U/min. Die perforierte Auskleidung hält die Zuckerkristalle zurück, die bei Bedarf mit Wasser gewaschen werden können. Die Mutterlauge (Melasse) passiert die Auskleidung durch die Zentrifugalkraft (500 bis 1800 Mal die Schwerkraft). Anschließend wird der gereinigte Zucker entnommen, sodass die Zentrifuge bereit ist, die nächste Charge aufzunehmen. Die Maschinen sind ausschließlich mit modernen Hochgeschwindigkeits- (oder Hochgravitations-) Zentrifugen mit automatischer Steuerung für den gesamten Zyklus ausgestattet. Der Zucker eines bestimmten Grades kann durch kontinuierliche Zentrifugen gespült werden.

Maschinen und Anlagen in der Zuckerindustrie

Historische Entwicklung der Mühlen

Die ersten Zuckerrohrmühlen verwendeten vertikale Holzwalzen, die von Tieren, Wasserkraft oder Wind angetrieben wurden. Sematon wird zugeschrieben, der erste gewesen zu sein, der drei horizontale Walzen in der heutigen dreieckigen Form hatte, und einige renommierte Autoren behaupten, dass er es war, der die erste Mühle dieser Art entwickelte, die in Jamaika mit Dampf betrieben wurde.

Anlagenkapazität

Aufgrund der vielen Faktoren, die die Auswahl geeigneter Geräte in der Zuckerindustrie beeinflussen, könnten Durchschnittswerte irreführend sein. Lokale Gegebenheiten, Besonderheiten und der Gehalt des Zuckerrohrs, die Art des Prozesses, die gewünschte Produktionsqualität und viele andere Überlegungen beeinflussen die Größe und Kapazität der Maschinen und Anlagen in den verschiedenen Jahreszeiten der Fabrik.