Wie kommt der Zucker aus der Rübe?

Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt neuartiges Verfahren zur energiesparenden Extraktion

Zehn Mal in der Sekunde treffen kurze Impulse von 300 000 Volt mit 1 Millionstel Sekunden Dauer auf die Zuckerrüben. Sie erzeugen Poren in der Membran der Rübenzellen, die damit für die kostbare Zuckerfracht durchlässig werden. Das neuartige Verfahren, das Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe entwickelt haben, hat gegenüber herkömmlichen industriellen Abläufen viele Vorteile: Man benötigt viel weniger als die sonst übliche Energiemenge und die extrahierte Zuckerlösung ist reiner, enthält also weniger ebenfalls lösliche pflanzliche Begleitstoffe der Rübe. Ob darüber hinaus auch noch unerwünschte Bakterien in der Zuckerlösung abgetötet werden können, wird gerade erforscht.

In Deutschland werden jährlich rund 4 Millionen Tonnen Zucker erzeugt, der Pro-Kopf-Verbrauch liegt bei 34,6 kg, ein großer Anteil davon in der Vorweihnachtszeit. Der überwiegende Teil davon wird aus Zuckerrüben gewonnen. Die reifen Zuckerrüben mit einem Zuckeranteil von knapp 20% werden in industriellen Anlagen verarbeitet. Beim bisherigen Verfahren werden durch Erhitzen der geschnitzelten Zuckerrüben auf über 70°C die Zellmembranen aufgebrochen; der Zucker wird, zusammen mit anderen löslichen Pflanzenbestandteilen, mittels Wasser herausgelöst. Das Erhitzen der Rübenmasse – in einer großen Industrieanlage werden in der Erntezeit täglich 10 000 Tonnen Rüben und mehr verarbeitet – benötigt dabei sehr viel Energie.

Hier setzt ein neuartiges Verfahren an, das Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe entwickelt haben: Das Perforieren der Zellmembran erfolgt dabei durch starke elektrische Impulse von 300 000 Volt bei einer Frequenz von 10 Hertz, die am Ort der Rübenzellen zu starken elektrischen Feldern von 20 000 Volt/cm führen. In der Zellmembran entstehen dadurch Poren; diese so genannte Elektroporation ermöglicht die Extraktion der zuckerhaltigen Flüssigkeit aus dem Innern der Zellen. Die elektrischen Impulse erfordern bei vergleichbarer Zuckerausbeute weniger Wasser für die Extraktion, die darüber hinaus auch noch bei geringerer Temperatur als sonst üblich erfolgen kann.

Neben der Energieeinsparung hat die Elektroporation einen weiteren Vorteil: Bei den tieferen Temperaturen lösen sich weniger unerwünschte Bestandteile aus der Zelle. Damit wird die anschließende Reinigung des Zuckersaftes einfacher – und natürlich billiger.

Um die Vorteile des Verfahrens zu demonstrieren, wurde die mobile Karlsruher Elektroporations-Anlage KEA aufgebaut und im Rahmen einer Versuchskampagne in einer Fabrikanlage der SÜDZUCKER AG Mannheim/Ochsenfurt eingesetzt. „Die Ergebnisse waren so überzeugend, dass wir jetzt gemeinsam mit SÜDZUCKER und dem Ingenieurbüro Lutz+Kern in Waghäusel eine Pilotanlage mit einem Durchsatz von 2000 Tonnen pro Tag aufbauen wollen“, erklärt Dr. Hansjoachim Bluhm, zuständiger Abteilungsleiter im Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des Forschungszentrums Karlsruhe.

Elektroporation ist ein Verfahren, das schon seit längerem für die nicht-thermische Desinfektion eingesetzt wird. So besteht auch beim Einsatz in der Zuckerindustrie Anlass zu der Vermutung, dass Bakterien, die sogar die hohen Temperaturen der thermischen Extraktion überleben, abgetötet werden. Die Forschungen hierzu dauern an.

Joachim Hoffmann 6. Dezember 2001

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