СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСЩЕПЛЕНИЯ КРАХМАЛА
METHOD AND APPARATUS FOR SPLITTING STARCH

Изобретение относится к способу расщепления крахмала с признаками, указанными в преамбуле пункта 1 формулы изобретения.
Кроме того, изобретение относится к устройству, которое может применяться при осуществлении предлагаемого изобретением способа в качества варочного котла и которое имеет признаки, указанные в преамбуле пункта 16.
Известны способы переработки крахмала путем расщепления крахмала. В способе ферментативного расщепления крахмала порошок нативного крахмала подается из мягкой тары ("BigBag") или из бункера в узел суспендирования, где порошок крахмала вводят в воду и образуется взвесь (суспензия) с содержанием твердых веществ до 35%. Из узла суспендирования полученную суспензию крахмала перекачивают в варочный котел, причем фермент, вызывающий расщепление (амилаза), добавляют в узел суспендирования или до или после насоса, который перекачивает суспензию из узла суспендирования в варочный котел. Обычно при поступлении суспензии в варочный котел суспензию нагревают до температуры 85°C-95°C путем нагнетания пара, при этом уже происходит расщепление.
В линии подачи в варочный котел можно предусмотреть статические смесители или другие внутренние устройства, чтобы предотвратить проскок суспензии и/или чтобы сделать подачу суспензии более однородной.
В известных способах время пребывания в варочном котле для достижения желаемой степени расщепления устанавливают посредством буферизации объема. В различных устройствах для реализации известных способов ферментативного расщепления крахмала (нативного крахмала) варочные котлы оборудуют мешалками и при необходимости дисковыми смесителями, чтобы ускорить процесс.
Клейстер, полученный при расщеплении крахмала, отводят из варочного котла с помощью насоса и, если использовались ферменты, проводят через участок инактивации. Обычно участок инактивации представляет собой трубчатый реактор, в котором клейстер сначала нагревают путем введения пара до температуры 120°C-135°C. Время инактивации регулируется через объем трубы и/или мощность насоса.
После того, как расщепление крахмал было прекращено путем инактивации фермента, клейстер разбавляют и затем отправляют на хранение.
Известно также о применении вместо варочного котла лабиринтной трубы, установленной после введения пара, при этом можно достичь времени пребывания, достаточного для желаемой степени расщепления, а благодаря острым кромкам создается дополнительный сдвиг вещества в суспензии.
В известных способах варочный котел, если он имеет соответствующие большие размеры, можно также использовать в периодическом режиме работы.
Недостатком известных способов является то, что требуются довольно большие установки, или можно достичь лишь невысокой производительности.
В одном известном способе расщепления катионного крахмала порошок катионного крахмала из мягкой тары (BigBags) или бункера подают в узел суспендирования и порошок вводят в воду, при этом образуется взвесь (суспензия) с содержанием твердых веществ до 15%. Суспензию крахмала перекачивают в трубчатый варочный аппарат.
В известном способе расщепления катионного крахмала трубчатый варочный аппарат представляет собой трубчатый реактор, в котором сначала суспензию крахмала нагревают до температуры 115°C-135°C путем подачи водяного пара. Время пребывания регулируется через объем трубчатого реактора и/или мощность насоса. После процесса варки чаще всего проводят разбавление, и затем полученный клейстер отправляют на хранение.
При расщеплении катионного крахмала можно также после введения пара использовать лабиринтную трубу вместо трубчатого варочного аппарата.
Известно также о замене трубчатого варочного аппарата варочным котлом, который, если он имеет достаточно большие размеры, можно использовать также и в периодическом режиме работы.
Аппараты и способы расщепления крахмала известны из документов US 3371018 A, WO 2018/011401 A1 и CH 513980 A.
Из US 3371018 A известно о превращении крахмала в композицию для бумажной промышленности при использовании бактериальной альфа-амилазы (б-амилаза) в воде под действием тепла (225-350°F/107-177°C). Используется вертикальная реакционная колонна, в которой вращается роток с пропеллерными поверхностями. Предусмотрены горизонтальные и вертикальные отражающие поверхности. Должен создаваться размешивающий эффект с восходящим потоком. US 3371018 А относится к непрерывному превращению крахмала бактериальными амилазами с целью получения продукта, который можно использовать в бумажной промышленности для проклейки бумаги. Используется вертикальный реактор с направляющими перегородками и мешалкой, которая должна создавать турбулентный поток. Для инактивирования добавленной амилазы необходимо вводить пар, оставив открытым место, где вводится пар.
В WO 2018/011401 A1 описан ферментативный гидролиз крахмала. Подлежащий гидролизу крахмал, к которому добавлен фермент, будет при перемешивании подвергаться воздействию сдвиговых усилий. В WO 2018/011401 A1 описывается способ получения гидролизованного крахмала, в котором используется фермент амилазного типа. Требующаяся вода может подаваться в виде пара (direct steam injection, нагнетание острого пара), при этом пар подается "подходящими средствами". Упоминается, что во время гидролиза установка температуры может выполняться одновременно с "перемешиванием со сдвигом".
Согласно DE 10/2007 011409 A1, при получении ферментативно расщепленного крахмального клейстера в реакционный сосуд, в котором создается турбулентное течение, подается крахмальный клейстер. Крахмальный клейстер образуется в модуле клейстеризации типа трубки Вентури в результате воздействия ферментов и нагревания паром. В DE 10/2007 011409 A1 описан способ получения крахмального клейстера из ферментативно расщепленного крахмала. При этом необходимо добиться хорошего перемешивания фермента с крахмальным клейстером в реакционном сосуде за счет турбулентного течения. Крахмальный клейстер подается в реакционный сосуд или производится в нем. С помощью мешалки в реакционном сосуде можно создавать контролируемое турбулентное состояние. В DE 10/2007 011409 A1 клейстеризация проводится в модуле клейстеризации, не включающем мешалку, в который подается пар. В реакционный сосуд подается не пар, а крахмальный клейстер.
В US 2010/159104 A1 описано получение коллоидного раствора крахмала в варочной камере при температуре от 120°C до 180°C. В абзаце [0021] упоминается "разрыв межмолекулярных водородных связей и растворение макромолекул". В абзаце [0039] упоминается введение пара под давлением в коллоидный раствор крахмала на второй стадии (см. также абзац [0066]). В абзаце [0057] упоминается, что необходимо использовать смесительное устройство. В абзацах [0068] и [0069] указывается, что следует избегать введения пара "в основание камеры", чтобы избежать засорения парораспределительного кольца. В устройстве, показанном на фиг.3 в US 2010/159104 A1, пар подается один раз по трубопроводу к двойной стенке варочного котла и один раз в коллоидный раствор (абзацы [0101] и [0102]). Это также относится к котлам, показанным на других фигурах в US 2010/159104 A1. В US 2010/159104 A1 отсутствуют какие-либо указания на подачу пара в зону перемешивающего инструмента, подробно не описанного.
Согласно US 3308037 А, образуются "продукты разложения" (decomposition products) крахмала, которые можно использовать для желатинизации или ферментативного гидролиза. В US 3308037 А предлагается подавать пар в устройству по трубопроводу. На фиг. 1 устройство подает пар в котел снизу, а на фиг. 2 сверху. Согласно US 3308037 А мешалки в котлах не предусмотрены.
В публикации Guglielmo Santi предлагается биореактор с механическим перемешиванием, в который должен вводиться насыщенный пар. Пар подается по трубопроводу, который открывается снизу на дно реактора. Мешалка заканчивается на некотором расстоянии выше дна реактора.
Согласно CH 513980 A, суспензию крахмала подвергают ферментативному расщеплению, при этом суспензия крахмала превращается в клейстер в результате нагрева до 140-150°C. Полученную "пасту" охлаждают, соединяют с ферментом и разлагают с получением сиропа мальтозы. Следует использовать реакционный сосуд в форме быстродействующего смесителя с ротором и направляющими перегородками. Соответственно, в СН 513980 А описан способ, в котором крахмал превращают в клейстер при 120-160°C и расщепляют ферментом для получения сиропа мальтозы. Суспензию крахмала нагревают путем прямого или непрямого введения пара. Показана установка для осуществления способа с перемешиванием и прямым и непрямым нагревом. Мешалка оснащена лопастями. Пар подается в установку снизу в области диффузора. Выше диффузора находятся направляющие пластины, а над направляющими пластинами мешалка. Мешалка, показанная в CH 513980 A, не подходит для создания сдвиговых усилий, поэтому сдвиговые силы не упоминаются.
В основе изобретения стоит задача разработать усовершенствованный и более экономичный в работе способ расщепления крахмала и предложить варочный котел, подходящий для использования при осуществлении способа.
Согласно изобретению, указанная задача решена посредством способа с признаками по пункту 1 и устройства с признаками по пункту 17 формулы изобретения.
Преимущество способа согласно изобретению состоит в том, что нагревание взвеси (суспензии) крахмала происходит непосредственно в варочном котле путем подачи пара в варочный котел, и на суспензию действуют сдвиговые усилия, так что возможно более благоприятное управление процессом.
При этом предпочтительно, в частности, нагревать суспензию в варочном котле до температуры клейстеризации, которая составляет от 85°C до 135°C.
Предпочтительные и выгодные варианты осуществления способа по изобретению и устройства по изобретению являются предметом зависимых пунктов.
Благодаря предлагаемым изобретением способу и устройству улучшаются известные методы расщепления, а именно ферментативное расщепление крахмала, окислительное расщепление крахмала и разложение крахмала способом термомеханического расщепления.
Преимуществом предлагаемого изобретением термомеханического расщепления является то, что, в отличие от окислительного и ферментативного расщепления крахмала с получением клейстера, не требуется никаких химических добавок, поэтому происходит лишь незначительное изменение молекулярной массы. Это, в свою очередь, выгодно тем, что термомеханически обработанный нативный крахмал имеет более высокую силу сцепления, так что можно достичь более высокой прочности бумаги. Кроме того, благодаря малому изменению молекулярной массы достигается более высокий выход крахмала.
Следующее преимущество изобретения заключается в том, что при термомеханическом расщеплении крахмала согласно изобретению не требуется инактивации. Под "термомеханическим расщеплением крахмала" понимается обработка крахмала путем подвода тепла и приложения сдвиговых усилий для получения клейстера.
Преимущества предлагаемого изобретением устройства для осуществления способа по изобретению заключаются в том, что оно имеет компактную конструкцию, так что достигаются низкие объемы циркулирующей среды и короткие времена пребывания. Другим преимуществом является то, что такие технологические параметры как скорость, температура, конструкция статора/ротора обеспечивают хорошую управляемость.
Наконец, в устройстве согласно изобретению можно обрабатывать высококонцентрированные суспензии крахмала. Следующее преимущество устройства согласно изобретению состоит в том, что предусматривается прямая дозированная подача пара в устройство, причем фермент, если таковой применяется, можно добавлять после устройства (варочного котла). Устройство согласно изобретению обеспечивает существенные преимущества по сравнению с обычными устройствами варки крахмала (цилиндрический варочный котел, конвертер и т.д.) благодаря дополнительно вносимой механической энергии (сдвиговые усилия).
Тот факт, что в устройстве согласно изобретению используется ротор в сочетании со статором и одновременно вводится пар, приводит к быстрой и хорошо регулируемой клейстеризации крахмала за счет сдвиговых усилий, действующих на суспензию крахмала. Это, в свою очередь, означает, что продолжительность процесса может быть сокращена. Еще одно преимущество заключается в том, что можно перерабатывать многие виды крахмала (например, кукурузный, пшеничный, картофельный).
При использовании в устройстве согласно изобретению повышенной реакционной температуры (температуры варки) снижается вязкость полученного крахмального клейстера и достигается более стабильный режим работы.
Под действием механического сдвига уменьшается размер крупных коллоидных частиц крахмала, что приводит к снижению вязкости полученного крахмального клейстера.
.
Выбирая форму ротора в устройстве согласно изобретению (высота и диаметр ротора, число оборотов), можно целенаправленно устанавливать вязкость получаемого крахмального клейстера
Одно преимущество предлагаемого изобретением способа расщепления крахмала заключается в том, что в клейстер, полученный при расщеплении, можно добавить по меньшей мере один фермент, чтобы после ферментативного расщепления и достижения благодаря этому желаемой низкой вязкости клейстера получить продукт, который можно использовать, например, в бумажной промышленности.
Если в способе согласно изобретению используется фермент, его либо в процессе, или по окончании процесса делают неактивным путем инактивации.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что водяной пар выходит из полой камеры вытеснения, которая находится в варочном котле, через по меньшей мере одно отверстие для выпуска водяного пара в область ротора.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что содержащую крахмал суспензию в варочном котле нагревают на стадии c) до температуры 85°C-135°C путем введения водяного пара.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что продолжительность стадии c) составляет от 1 до 5 часов.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что на стадии a) получают суспензию с содержанием крахмального порошка как твердой фазы не более 35-45%.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что суспензию перед стадией b) нагревают до температуры 85°C-95°C.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что при осуществлении стадии c) степень расщепления крахмала устанавливают путем выбора скорости вращения, при которой перемешивается суспензия в варочном котле.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что при осуществлении стадии c) степень расщепления крахмала устанавливают путем выбора расхода суспензии.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что при осуществлении стадии c) степень расщепления крахмала устанавливают путем выбора температуры суспензии.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что после стадии d) фермент инактивируют.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что инактивацию фермента реализуют путем нагрева клейстера до температуры 120°C-135°C.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что температуру повышают путем введения водяного пара.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что расход суспензии через варочный котел на стадии c) регулируют путем ограничения течения суспензии через варочный котел и/или путем статического перемешивания суспензии в или после варочного котла.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что на стадии a) для получения суспензии используют порошок катионного крахмала.
В одном возможном варианте осуществления способ согласно изобретению может отличаться тем, что на стадии a) для получения суспензии используют порошок нативного крахмала.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что линия подачи водяного пара заканчивается в полую камеру вытеснения, и тем, что камера вытеснения на своей противоположной устью линии и соседней с ротором стороне имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие для водяного пара.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что предусмотрены выпускные отверстия, распределенные вокруг обращенной к ротору кольцевой торцевой поверхности камеры вытеснения.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что линия подачи водяного пара заканчивается в полое кольцо с по меньшей одним выпускным отверстием для водяного пара.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что кольцо находится на противоположной от камеры вытеснения стороне ротора.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что выпускное отверстие находится на обращенной к ротору стенке кольца.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что кольцо содержит несколько выпускных отверстий, распределенных по его длине.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что пластины статора отстоят от камеры вытеснения и доходят до внутренней поверхности котла.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что ротор по меньшей мере на одной из его сторон имеет ребра.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что коаксиальное валу ротора отверстие в камере вытеснения имеет форму воронки, причем расширенный участок отверстия обращен в сторону крышки котла.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что ось линии коаксиальна оси кольцевой камеры вытеснения и направлена в сторону ротора.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что ребра на рассеивающем диске увеличиваются в высоту изнутри наружу.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что ребра установлены наклонно к радиальным плоскостям, проходящим через вал ротора.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что ротор через дно котла выступает внутрь котла.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что в области устья линии предусмотрено сужение, действующее как диффузор.
В одном возможном варианте осуществления устройство согласно изобретению может отличаться тем, что сужение образовано кольцевым выступом, в частности кольцевым выступом с треугольным поперечным сечением.
Другие особенности и признаки изобретения выявляются из нижеследующего описания с обращением к чертежам, на которых в качестве примера представлены известные установки и способы, способы и установки согласно изобретению, а также варочный котел, подходящий для применения в соответствии с изобретением. На чертежах:
фиг. 1:
схема известной установки ферментативного расщепления нативного крахмала,
фиг. 2:
схема известной установки расщепления катионного крахмала,
фиг. 3:
установка для осуществления (непрерывного) способа ферментативного расщепления нативного крахмала,
фиг. 4:
установка для осуществления предлагаемого изобретением способа расщепления катионного крахмала,
фиг. 5:
блок-схема известного способа ферментативного расщепления крахмала,
фиг. 6:
блок-схема известного способа расщепления катионного крахмала,
фиг. 7:
блок-схема предлагаемого изобретением способа расщепления катионного крахмала,
фиг. 8:
частичный вид в разрезе двух вариантов осуществления варочного котла, который можно использовать при осуществлении способа согласно изобретению, и
фиг. 9:
установка, подходящая для осуществления способа согласно изобретению.
Известный способ ферментативного расщепления крахмала, который может выполняться в непрерывном режиме в установке с фиг. 1 в соответствии с блок-схемой с фиг. 5, можно описать следующим образом.
В качестве исходных компонентов используются:
- порошок нативного крахмала,
- вода,
- пар и
- фермент (амилаза).
Порошок крахмала хранится в мягкой таре (BigBags) 1 или бункере 2. Из этого запаса порошок крахмала подается в узел суспендирования 3. В указанном узле 3 порошок крахмала вводится в воду и образуется взвесь (суспензия) с содержанием твердых веществ до 35%. Оттуда взвесь (суспензия крахмала) с помощью насоса 5 закачивается в варочный котел 4. Ферменты можно дозировано добавлять из резервуара-хранилища 6 в узел суспендирования 3 до или после насоса 5. В большинстве установок перед введением в варочный котел 4 суспензию доводят до температуры клейстеризации (85°C-95°C) путем нагнетания пара 9.
Кроме того, в линии подачи в варочный котел 4 можно установить статические смесители или другие внутренние устройства, чтобы предотвратить проскок суспензии и сделать подачу более однородной. Собственно в варочном котле 4 посредством забуферивания объема устанавливают время пребывания (8-20 минут), необходимое для достижения желаемой степени расщепления. В варочный котел 4 встроены мешалки и/или же дисковые смесители, чтобы ускорить процесс расщепления за счет приложения к суспензии сдвиговых усилий в варочном котле 4.
С помощью насоса 7 клейстер непрерывно откачивается из варочного котла 4 и перекачивается через участок 8 инактивации. Участок 8 инактивации представляет собой трубчатый реактор, в котором клейстер вначале нагревается путем нагнетания пара 9 до 120°C-135°C, при этом время инактивации можно регулировать через объем трубы и/или производительность насоса. После остановки процесса расщепления полученный клейстер при необходимости разбавляют водой из линии 15 и затем отправляют на хранение.
Известно, что после нагнетания пара вместо варочного котла 4 можно предусмотреть лабиринтную трубу, в которой, во-первых, можно достичь требуемого времени пребывания, а во-вторых, создать дополнительный сдвиг суспензии за счет острых кромок.
Варочный котел, если он выполнен достаточно большого размера, можно также использовать в периодическом режиме работы. В таком случае выполняются все технологические этапы, начиная с приготовления суспензии в варочном котле 4. Недостатком является то, что необходимы относительно большие установки или, соответственно, можно обрабатывать лишь небольшое количество сырья в единицу времени.
В известном способе варки катионного крахмала, который может осуществляться в установке, показанной на фиг. 2 и который может протекать согласно блок-схеме с фиг. 7, может использоваться описываемая ниже процедура.
В качестве исходных компонентов используются:
- порошок катионного крахмала,
- вода и
- пар.
Порошок крахмала хранится в мягкой таре (BigBags) или бункере 2. Из этого запаса он подается в узел суспендирования 3. В указанном узле 3 порошок крахмала вводится в воду и образуется взвесь (суспензия) с содержанием твердых веществ до 15%. Оттуда суспензия крахмала перекачивается насосом в трубчатый варочный аппарат 10.
Трубчатый варочный аппарат 10 представляет собой трубчатый реактор, в котором сначала суспензия крахмала нагревается до 115°C-135°C путем введения пара 9, при этом время пребывания можно регулировать через объем трубы и/или производительность насоса. После процесса варки полученный клейстер (расщепленный крахмал) при необходимости разбавляют водой (вода из линии 15) и затем отправляют на хранение.
Известно, что после нагнетания пара 9 вместо трубчатого варочного аппарата 10 можно предусмотреть лабиринтную трубу, в которой, во-первых, можно достичь требуемого времени пребывания, а во-вторых, создать дополнительный сдвиг суспензии за счет острых кромок.
Трубчатый варочный аппарат можно заменить варочным котлом 10. Если он имеет соответствующие большие размеры, варочный котел 10 можно использовать также в периодическом режиме работы. В таком случае выполняются все технологические этапы, начиная с приготовления суспензии в варочном котле 10. Недостатком является то, что необходимы относительно большие установки или, соответственно, можно обрабатывать лишь небольшое количество сырья в единицу времени.
Способ расщепления катионного крахмала согласно настоящему изобретению может быть осуществлен в установке, показанной на фиг. 4, в которой используется варочная емкость с фиг. 9, при этом способ может осуществляться в соответствии с блок-схемой, показанной на фиг. 8. Более конкретно, можно действовать следующим образом.
В качестве исходных компонентов используются:
- порошок катионного крахмала,
- вода и
- пар.
Порошок крахмала хранится в мягкой таре (BigBags) 1 или бункере 2. Из этого запаса порошок крахмала подается в узел суспендирования 3. В указанном узле 3 порошок вводится в воду из линии 11, и образуется взвесь (суспензия) с содержанием твердых веществ до 35%. Оттуда суспензия крахмала с помощью насоса 5 закачивается в варочный котел 4.
Пар 9 нагнетается по линии 13 непосредственно в варочный котел 4, где суспензия доводится до температуры клейстеризации (85°C-135°C).
Кроме того, ниже по потоку можно установить статические смесители или другие встроенные компоненты, чтобы предотвратить проскок суспензии через варочный котел 4, и/или чтобы сделать процесс варки более однородным. В котле 4 желаемую степень расщепления можно установить путем изменения числа оборотов, изменения пропускной способности и/или температуры варки.
Полученный клейстер при необходимости разбавляют водой из линии 15 и затем отправляют на хранение.
Устройство (варочный котел 4), которое при осуществлении способа согласно изобретению может использоваться для расщепления катионного крахмала, может иметь конструкцию, показанную на фиг. 8.
Устройство согласно изобретению, использующееся как варочный котел 4, содержит емкость 40, которая с верхней стороны закрыта крышкой 41. Снизу в емкость 40 выступает ротор 42, который установлен в несущем корпусе (не показан), расположенном под емкостью 40.
Ввод ротора 42 в емкость 40 уплотнен скользящими уплотнительными кольцами 43.
Ротор 42 установлен в несущем корпусе на подшипниках качения (не показаны).
В своей части, расположенной в нижней зоне емкости 40, ротор 42 имеет рассеивающий диск 44, который на своей верхней стороне несет ребра 45, расположенные наклонно относительно радиального направления. При этом в одном варианте осуществления ориентация ребер 45 относительно направления вращения ротора 42 выбрана так, чтобы радиально внутренние концы ребер 45 находились дальше вперед по отношению к направлению вращения, чем радиально внешние концы ребер.
В модифицированном варианте ребра 45 ориентированы таким образом, чтобы их радиально внешние концы находились дальше назад относительно направления вращения, чем их радиально внутренние концы.
Кроме того, высота ребер 45 может увеличиваться изнутри наружу.
Ребра 45 на верхней стороне рассеивающего диска 44 являются, например, изогнутыми. Изогнутые ребра 45 выровнены либо так, чтобы выпуклая сторона ребер 45 была обращена вперед относительно направления вращения рассеивающего диска 44, либо так, чтобы выпуклая сторона была обращена назад относительно направления вращения рассеивающего диска. 44.
Таким образом, ребра 45 на верхней стороне рассеивающего диска 44 могут быть изогнуты так, чтобы вогнутая сторона ребер 45 была направлена вперед или назад относительно направления вращения рассеивающего диска 44.
Ребра 45 на верхней стороне рассеивающего диска 44 могут также быть прямыми ребрами.
Предусмотренный в емкости для варки 40 (варочный котел) вращающийся ротор 42 с рассеивающим диском 44 создает сдвиговые усилия, действующие на введенную в емкость 40 суспензию крахмала, что благоприятствует расщеплению крахмала.
Ротор 42 имеет, например, диаметр от 100 до 150 мм, предпочтительно 130 мм, и высоту, включая ребра 45 на рассеивающем диске 44, например, от 3 до 10 мм, в частности, 5-7 мм. Ротор 42 приводится во вращение со скоростью, например, от 3000 до 5000 об/мин. Число оборотов ротора 42 выбирается в зависимости от его диаметра, чтобы достичь желаемой окружной скорости.
На роторе 42 выше рассеивающего диска 44 предусмотрен пропеллер 46 с лопастями 47, который создает в обрабатываемой суспензия поток, направленный вниз к рассеивающему диску 44. Пропеллер 46 не является обязательным.
В крышку 41 заканчивается соосная с ротором 42 линия 50, по которой суспензия течет в емкость 40.
На внутренней стороне крышки 41 предусмотрен обращенный внутрь конический выступ 51, в центр которого заканчивается линия 50 подачи суспензии.
Такое расположение линии 50 обеспечивает оптимальное перемешивание суспензии, которая циркулирует в емкости 40, с новой суспензией, подаваемой в емкость 40.
Благодаря тому, что на конце линии 50 (заканчивающейся в емкость 40) предусмотрено сужение 52, действующее как диффузор (образованное кольцевым выступом с треугольным поперечным сечением), вышеупомянутое перемешивание подаваемой суспензии с суспензией, которая уже находится в емкости 40 и обрабатывается, с успехом облегчается.
Вокруг подводящей линии 50 предусмотрены отводящие линии, (или по меньшей мере одна) для отвода обработанной суспензии (расщепленный крахмал).
Крышка 41 прикручивается к емкости 40.
Внутри емкости 40 предусмотрена кольцеобразная камера 60 вытеснения, внутреннее отверстие которой выполнено в форме, близкой к воронке. Между наружной поверхностью камеры 60 вытеснения и внутренней стороной стенки емкости 40 находится кольцевой канал, в котором суспензия после выхода из рассеивающего диска 44 течет вверх. Через внутреннее отверстие камеры 60 вытеснения суспензия течет, при необходимости с поддержкой пропеллером 45 ротора 42, вниз в направлении рассеивающего диска 44.
В показанном примере осуществления верхний конец ротора 42 закрыт крышкой обтекаемой формы, которая крепится к ротору 52 с помощью с помощью винта с внутренним шестигранником.
На внешней стороне камеры 60 вытеснения предусмотрены лопатки 61 статора в виде направляющих лопаток, которые перекрывают кольцевой канал (зазор) между внешней стороной камеры 60 вытеснения и внутренней стороной стенки емкости 40 (в частности, в ее нижней части), то есть своими свободными краями прилегают к внутренней стороне стенки емкости 40.
Чтобы удерживать камеру 60 вытеснения внутри емкости, можно предусмотреть крепежные винты.
В варианте осуществления варочного котла 4, показанном слева на фиг. 8, камера 60 вытеснения выполнена полой и по линии 62, проходящей через крышку 41 корпуса 40 варочного котла 4, наполняется паром. Линия 62 заканчивается в верхнюю торцевую поверхность полой камеры 60 вытеснения. Камера 60 вытеснения имеет на свой нижней стороне несколько выпускных отверстий 63, распределенных вокруг внутреннего отверстия камеры 60 вытеснения, так что пар, вводимый по линии 62 внутрь камеры 60 вытеснения, может выходить внутрь емкости 40 в области ротора 42, в частности, в области его рассеивающего диска 44.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 8 справа, предусмотрено полое кольцо 70 (кольцевой диффузор), в котором устроены отверстия для выпуска водяного пара. Как показано справа на фиг. 8, кольцо 70 находится на противоположной от камеры 60 вытеснения стороне рассеивающего диска 44 ротора 40, при этом выпускные отверстия в кольце 70 направлены вверх, т.е. в направлении камеры 60 вытеснения. Для наглядности линия, по которой в кольцо 70 подается пар (водяной пар), на фиг. 9 не показана.
Для некоторых применений может быть выгодно, если подача пара внутрь емкости 40 варочного котла 4 происходит как через полую камеру 60 вытеснения, так и через кольцо 70.
В показанной на фиг. 9 установке обработки крахмала (расщепления крахмала) крахмал превращают в клейстер без добавления фермента в котел для диспергирования крахмала (например, варочный котел 4). После клейстеризации в клейстер добавляют фермент на выходе из котла для варки крахмала и с помощью статического смесителя гомогенно распределяют. По прошествии времени пребывания, зависящем от соответствующей конструкции трубы, фермент инактивируют путем повышения температуры. При этом преимуществом является то, что
a) крахмал клейстеризуется в котле для диспергирования (например, варочный котел 4) почти без снижения молекулярного веса, и
b) благодаря последующей обработке ферментами свойства крахмала, такие как вязкость и степень расщепления, можно индивидуально регулировать в соответствии с требованиями заказчика.
Кроме того, вклад энергии сдвига, вносимой в аппарат для диспергирования крахмала (например, варочный котел 4), может быть также использован для влияния на дальнейшее применение.
На фиг. 9 показана установка, на которой может быть реализован описанный выше вариант осуществления способа согласно изобретению.
Установка, показанная на фиг. 9, содержит варочный котел 4 (варочный котел для диспергирования крахмала), который может иметь такую конструкцию, как варочный котел 4, показанный на фиг. 8. В варочный котел 4 заканчивается линия 20, по которой фермент подается насосом 22 из резервуара 21 для хранения фермента (не по изобретению).
По следующей линии 23 с помощью насоса 24 в варочный котел 4 подается крахмал.
По линии 25 в варочный котел 4 вводится пар (водяной).
Крахмал, разваренный в клейстер, отводится из варочного котла 4 по линии 26. Перед статическим смесителем 27 добавляется (с помощью насоса 29) фермент из резервуара-хранилища 28.
В нижнюю часть варочного котла 4 по линии 30 с помощью насоса 31 может подводиться вода в качестве затворной воды для скользящего кольцевого уплотнения 43.
Ниже приводятся примеры способа согласно изобретению.
Пример 1
Пшеничный крахмал (Collamyl 7411) с влагосодержанием 13% смешивали с водой, получая суспензию с содержанием пшеничного крахмала 30 вес.%. Полученную суспензию превращали в клейстер с производительностью 750 л/ч при температуре варки 115°C в устройстве, показанном на фиг. 9. Сразу после устройства с фиг. 9 добавляли фермент V Warozym A152 перед статическим смесителем при постоянном расходе 4,28 л/ч. Ротор 42, использовавшийся в устройстве с фиг. 9, имел высоту 7 мм.
При скорости вращения ротора 4200 об/мин, диаметром ротора 42 130 мм и при потреблении тока двигателем, приводящим в движение ротор 42, 35 ампер, был получен клейстер с вязкостью 12500 мПа⋅с.
Пример 2
Обработку проводили, как указано в примере 1, причем скорость вращения ротора повышали до 4400 об/мин, а потребление тока двигателем составляло 41 ампер. Был получен клейстер с вязкостью 9700 мПа⋅с.
Пример 3
Обработку проводили как в примере 1, причем скорость вращения ротора была повышена до 4400 об/мин, и фермент добавляли в количестве 2,14 л/ч. Был получен клейстер с вязкостью 9500 мПа⋅с.
Пример 4
Обработку проводили, как указано в примере 3, причем добавление фермента было повышено до 4,28 л/ч. Был получен клейстер с вязкостью 7800 мПа⋅с.
Пример 5
Обработку проводили, как указано в примере 3, причем добавление фермента было повышено до 8,56 л/ч. Был получен клейстер с вязкостью 7400 мПа⋅с.
Пример 6
Обработку проводили, как указано в примере 1, причем использовали скорость вращения ротора 4400 об/мин и ротор 42 с диаметром 130 мм. Реакционную температуру устанавливали на уровне 100°C, потребление тока двигателем, приводящим в движение ротор 42, составляло 38 ампер. Полученный клейстер имел вязкость 13950 мПа⋅с.
Пример 7
Обработку проводили, как указано в примере 6, причем была установлена реакционная температура 115°C. Потребляемый двигателем ток составлял 35 ампер. Клейстер имел вязкость 9700 мПа⋅с.
Пример 8
Обработку проводили, как указано в примере 1, причем реакционная температура составляла 115°C, и ротор 42 работал на числе оборотов 4400 об/мин. Ротор 42 имел диаметр 130 мм и высоту 5 мм. Потребляемый двигателем ток составлял 37 ампер. Была получена вязкость клейстера 10700 мПа⋅с.
Пример 9
Обработку проводили, как указано в примере 8, причем использовали ротор 42 высотой 7 мм, а ток, потребляемый двигателем, составлял 41 ампер. В результате получили клейстер с вязкостью 9700 мПа⋅с.
Пример 10
Картофельный крахмал (Collamyl 9100) с влагосодержанием 13% вводили в воду, чтобы получить суспензию с 20 вес.% картофельного крахмала. Полученную суспензию превращали в клейстер с производительностью 750 л/ч при 115°C в устройстве, показанном на фиг. 9. Фермент из примера 1 добавляли после устройства с фиг. 9, но еще до статического смесителя.
Суспензию, выходящую из устройства с фиг. 9, проводили через трубчатый реактор с реакционной длиной 7500 мм. В результате был получен клейстер с вязкостью 1660 мПа⋅с, и полученный крахмальный клейстер был прозрачным и оптимально растворенным.
Пример 11
Обработку проводили как в примере 10, но в условиях, когда реакционная длина трубчатого реактора составляла 10000 мм. Вязкость полученного крахмального клейстера составила 1540 мПа⋅с. Крахмальный клейстер был прозрачным и крахмал растворялся оптимальным образом.
Пример 12
Обработку проводили как в примере 10, причем использовали суспензию картофельного крахмала концентрацией 25 вес.%. Полученный крахмальный клейстер был прозрачным, и крахмал растворялся оптимальным образом.
Пример 13
Пшеничный крахмал с влагосодержанием 13% смешивали с водой с получением 30%-ной суспензии и вываривали при 98°C в устройстве с фиг. 9. Высота ротора в устройстве с фиг. 9 составляла 7 мм. Фермент (Warozym A152) добавляли сразу после устройства с фиг. 9, температуру после выхода суспензии из устройства с фиг. 9 поддерживали на уровне 95°C. Затем дополнительно разбавляли водой, нагретой до 60°C, при расходе 240 л/ч. При постоянной скорости вращения ротора 4200 об/мин и добавлении фермента в количестве 1400 мл/ч удалось достичь вязкости клейстера 440 мПа⋅с.
Пример 14
Обработку проводили как в примере 13, причем использовали добавку фермента в количестве 1800 мл/ч. Вязкость полученного крахмального клейстера составила 240 мПа⋅с.
Пример 15
Обработку проводили как в примере 13, причем добавку фермента повысили до 2200 мл/ч. Вязкость полученного крахмального клейстера составила 140 мПа⋅с.
Пример 16
Обработку проводили как в примере 13, причем использовали скорость вращения ротора 3800 об/мин и ротор диаметром 130 мм. Была достигнута вязкость крахмального клейстера 580 мПа⋅с.
Пример 17
Обработку проводили как в примере 16, причем использовали скорость вращения ротора 4200 об/мин. Был получен крахмальный клейстер с вязкостью 270 мПа⋅с.
Пример 18
Обработку проводили как в примере 16, причем скорость вращения ротора была повышена до 4800 об/мин. Была достигнута вязкость крахмального клейстера 250 мПа⋅с.
Пример 19
Обработку проводили как в примере 16, причем использовали скорость вращения ротора 5000 об/мин. Полученный крахмальный клейстер имел вязкость 180 мПа⋅с.
Пример 20
Катионизированный картофельный крахмал (Cationamyl 9853K) смешивали с водой с получением суспензии с 7,5% картофельного крахмала. Полученную суспензию вываривали с производительностью 500 л/ч в устройстве с фиг. 9 при 98°C и затем разбавляли до содержания 4%. В этом примере благодаря внутреннему трению при повышенной консистенции достигается лучшее расщепление.
Пример 21
Суспензию с содержанием картофельного крахмала 15% обрабатывали как в примере 20, причем варка проводилась в устройстве с фиг. 9 при 110°C. Крахмальный клейстер показал при повышенной прочности бумаги более низкую пористость.
Подводя итог, пример осуществления изобретения можно описать следующим образом:
В способе расщепления крахмала (нативного крахмала или обработанного крахмала, такого как катионный крахмал) водную суспензию крахмала обрабатывают в варочном котле 4 водяным паром и при этом прикладывают сдвиговые усилия, причем содержащую крахмал суспензию в варочном котле 4 нагревают до температуры 85°C-110°C путем введения водяного пара, и стадию расщепления проводят до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень расщепления.