Funktionalisierung von Stärke durch Hitzebehandlung unter Wirbelschichtbedingungen

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Temperaturbehandlung von alkalisierter Wachsmaisstärke in einem Wirbelschichtsystem. Durch diese physikalische Behandlung wird die Stärke funktionalisiert bzw. vernetzt und soll als Alternative zu chemisch modifizierter Stärke eingesetzt werden. Das Herzstück des Versuchsaufbaus, welcher komplett neu errichtet wurde, bildet ein Glasreaktor, in dem die Stärke fluidisiert wird. Dieser Reaktor kann beheizt werden und besitzt eine Vielzahl an Messstellen für eine Druck- und Temperaturüberwachung der Wirbelschicht. Da es sich bei Wachsmaisstärke um ein sehr feines Schüttgut handelt, ist eine Fluidisierung aufgrund der vergleichsweise großen Partikelkräfte prinzipiell als problematisch einzustufen. Probleme mit der Stabilität der Wirbelschicht und der Reproduzierbarkeit der Versuche durch Schacht- und Kanalbildung im Wirbelbett bestätigten diese Befürchtung. Entscheidende Fortschritte konnten durch den Einbau eines Magnetvibrators erzielt werden, der den Glasreaktor in Schwingung versetzt und dadurch die Kanalbildung unterbindet. Eine stabile Wirbelschicht mit Temperaturunterschieden im Wirbelbett von unter 2 & C konnte damit erreicht werden. Bei Versuchen zur Parameteroptimierung bei verschiedenen Temperaturen und Haltezeiten zeigten jene Muster, die bei einer Temperatur von 190 C für ca. 17 Minuten behandelt wurden, die besten Ergebnisse. Beurteilt wurden die Proben anhand der Verkleisterungs- und Geliereigenschaften, rheologischer Kennwerte des Stärkekleisters sowie der Färbung nach der Temperaturbehandlung. Als Referenz gelten dabei zwei Benchmarkprodukte, welche bereits am Markt erhältlich sind. Der Großteil der Benchmark-Kennwerte konnte gut nachgestellt werden, einzig beim Weißegrad des Produkts besteht deutlicher Aufholbedarf. Allerdings zeigt sich nach Auswertung aller behandelten Proben ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Funktionalisierung und Weißegrad - je stärker die Vernetzung, desto stärker die Färbung. Somit scheint es nicht möglich, trotz der geringen Temperaturgradienten in der Wirbelschicht eine geringe, aber merkbare Färbung der Stärke durch die Temperaturbehandlung unterbinden zu können.

Within the scope of this work the heat treatment of alkaline waxy corn starch in a fluidized bed system was studied. Roasting at alkaline pHs produces covalent crosslinks and therefore this method could be used as an alternative to chemical modification of starch. The main part of the novel experimental set-up is a glass reactor, in which starch can be fluidized. The reactor has possibilities to measure pressure and temperature in the fluidized bed and the wall of the reactor can be heated. In the case of a fluidized bed with fine and cohesive particles such as corn starch, channeling occurs and the fluidity becomes poor. To improve the fluidization a magnetic vibrator was mounted that vibrates the reactor. Hence a stable fluidized bed with a very homogeneous temperature distribution could be obtained. A screening at different temperatures and reaction times showed, that the best results could be achieved by thermal treatment at 190 C for approx. 17 min. The results in terms of gelatinization, rheology and degree of whiteness after treatment were discussed and compared to commercially available physically modified starches. Most of the characteristic values of the best sample were nearly as good as the benchmark values, only the degree of whiteness showed a significant difference. However, after analysing the trials, a correlation between degree of whiteness and produced crosslinks could be assumed. It seems that the better the crosslinking the stronger the bay-colouring of the sample.