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Abstract (English)
Foam formation occurs for various substrates during distillation processes. A concrete prediction of the foam formation can only be approximated due to the physical, chemical, and biochemical complexity of the influencing factors. Foam formations affect both the design and the operation of distillation plants, due to various undesirable negative effects of foams on the process and the product.
In this work, foam formations under boiling conditions in distillation plants of the spirit industry were investigated and different foam control methods for a holistic foam management system were developed. It was intended to make the distillation process more foam-resilient, and less subjected to foam-induced process disruption.
To investigate foam formation in distillation processes lab-scale experiments and experiments on a column still were carried out.
In the first step for a foam management system, the inhibition of foams by modification of substrate properties was investigated. In experiments various physical and rheological parameters of mashes as well as other foam-relevant parameters were determined. The aim was to derive a possible link with foam formation. It was shown that the viscosity and viscosity-determining compounds of the substrate have a significant influence on the foaming behavior of mashes. Rye mash was used as the demonstration medium in these experiments. In rye mash the compound pentosan was, in particular, influencing the viscosity. The experiments demonstrated, that the degradation of pentosans prior to distillation resulted in a decrease in viscosity and reduced foam accumulation.
Next to foam-promoting substrate properties, foam-promoting operating conditions were investigated. The aim was to link passive process parameters to foam formations. On a laboratory scale, the foam formation in rye mashes was investigated as a function of passive process parameters and operating conditions, respectively, during distillation. It was demonstrated, that foam formations only occurred in a narrow temperature range of 89.5 – 98.2 °C. Additionally, foam formations were significantly lower with reduced energy input. The findings of the lab scale experiments were applied to develop foam-resilient heating profiles for distillations in the column still. In addition, it was focused on the separation effectiveness and economic efficiency of the new heating profiles, particularly with regard to process duration and the quality of the distillates obtained. Promising foam-resilient heating profiles were transferred to different substrates and their effectiveness was tested. Based on the findings, recommendations for distilleries for a foam-resilient distillation process could be derived, as well as predictions regarding effects on the product quality and process effectiveness.
As the last step, active measures for foam destruction utilizing ultrasound were investigated. Ultrasound was introduced into the column at the level of the foam retention device of the distillation unit. The introduction of ultrasound into the column at the level of the foam retention device resulted in a reduction of foams. The observed decrease in foams was attributed to ultrasound-induced drainage of the liquid phase and subsequent destruction of the foam. However, also limitations of the method were found, e.g. limited area of effect. Further research is needed to validate the results and overcome these limitations.
Overall, it was shown that foam management, which is not based on chemical defoamers, is possible in foam formation under boiling conditions in distillation processes. Several proposed measures, including inhibition, reduction, and destruction of foams were proposed. By combining them a holistic foam management is feasible.
Abstract (German)
Bei Destillationsprozessen kommt es bei verschiedenen Substraten zur Schaumbildung. Eine konkrete Vorhersage des Schaumbildung kann aufgrund der physikalischen, chemischen und biochemischen Komplexität der Einflussfaktoren nur näherungsweise erfolgen. Schaumbildungen beeinflussen sowohl die Auslegung als auch den Betrieb von Destillationsanlagen, da Schäume verschiedene unerwünschte Auswirkungen auf den Prozess und das Produkt haben können.
In dieser Arbeit wurde die Schaumbildung unter Siedebedingungen in Destillationsanlagen der Spirituosenindustrie untersucht und verschiedene Methoden zur Schaumkontrolle für ein ganzheitliches Schaummanagementsystem entwickelt. Ziel war es, den Destillationsprozess resistenter gegen schaumbedingte Prozessunterbrechungen zu machen.
Zur Untersuchung der Schaumbildung in Destillationsprozessen wurden Experimente im Labormaßstab und an einem Brenngerät durchgeführt.
Als erstes Element eines Schaummanagementsystem wurde die Inhibition von Schaumbildung durch Veränderung der Substrateigenschaften untersucht. In Versuchen wurden verschiedene physikalische und rheologische Parameter von Maischen sowie weitere schaumrelevante Parameter bestimmt. Ziel war es, einen möglichen Zusammenhang mit dem Schaumbildungsvermögen der Substrate herzustellen. Es zeigte sich, dass die Viskosität und viskositätsbestimmende Verbindungen im Substrat einen wesentlichen Einfluss auf das Schaumverhalten haben. Als Demonstrationsmedium für diese Versuche wurde Roggenmaische verwendet. In Roggenmaische war insbesondere die Verbindung Pentosan viskositätsbestimmend. In Versuchen konnte gezeigt werden, dass der Abbau von Pentosanen vor der Destillation zu einer Verringerung der Viskosität und einer geringeren Schaumbildung führte.
Neben den schaumfördernden Substrateigenschaften wurden auch schaumfördernde Betriebsbedingungen untersucht. Ziel war es, passive Prozessparameter bzw. daraus resultierende Betriebsbedingungen mit Schaumbildung zu korrelieren. Im Labormaßstab wurde die Schaumbildung in Roggenmaischen in Abhängigkeit von passiven Prozessparametern bzw. Betriebsbedingungen während der Destillation untersucht. Es zeigte sich, dass Schaumbildung nur in einem engen Temperaturbereich von 89,5 - 98,2 °C auftrat. Außerdem war die Schaumbildung bei reduziertem Energieeintrag signifikant reduziert. Die Erkenntnisse aus den Laborversuchen wurden genutzt, um schaumresistente Heizprofile für Destillationen mit dem Brenngerät zu entwickeln. Darüber hinaus wurde die Trenneffektivität und die Wirtschaftlichkeit der neuen Heizprofile, insbesondere im Hinblick auf die Prozessdauer und die Qualität der gewonnenen Destillate, untersucht. Vielversprechende schaumresistente Heizprofile wurden auf unterschiedlichen Substraten angewendet um ihre allgemeine Wirksamkeit zu prüfen. Aus den Ergebnissen konnten Empfehlungen für Brennereien für einen schaumresistenten Destillationsprozess abgeleitet, sowie Vorhersagen über Auswirkungen auf die Produktqualität und Prozesseffektivität durch Änderung der passiven Prozessparameter gemacht werden.
In einem letzten Schritt wurden aktive Maßnahmen zur Schaumzerstörung mit Hilfe von Ultraschall untersucht. Der Ultraschall wurde auf Höhe der Schaumrückhaltevorrichtung des brenngeräts in die Kolonne eingebracht. Die Einführung von Ultraschall in die Kolonne auf der Höhe der Schaumrückhaltevorrichtung führte zu einer Zerstörung von Schaumbildungen. Der beobachtete Rückgang der Schaumbildung wurde auf die durch den Ultraschall induzierte Entwässerung der flüssigen Phase und damit einhergehende Zerstörung des Schaums zurückgeführt. Es wurden jedoch auch Limitierungen der Methode festgestellt, z.B. ein begrenzter Wirkbereich. Weitere Forschungsarbeiten sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren und diese Limitierungen zu überwinden.
Insgesamt wurde durch diese Arbeit gezeigt, dass ein Schaummanagement, das nicht auf chemischen Entschäumern basiert, bei der Schaumbildung unter Siedebedingungen in Destillationsprozessen möglich ist. Es wurden mehrere Maßnahmen vorgeschlagen, darunter die Inhibierung, Reduzierung und Zerstörung von Schaum. Durch deren Kombination ist ein ganzheitliches Schaummanagement möglich.
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Faculty of Natural Sciences
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Institute of Food Science and Biotechnology
Examination date
2023-04-02
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
570 Biology
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Heller2022,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6829},
author = {Heller, Daniel},
title = {Foam management in distillation plants},
year = {2022},
school = {Universität Hohenheim},
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