Hintergrund

Backnatron ist ein weißes kristallines Pulver (NaHCO3), das Chemikern besser als Natriumbicarbonat, Natriumhydrogencarbonat oder Natriumsäurecarbonat bekannt ist. Es wird als saures Salz eingestuft, das durch die Kombination einer Säure (Kohlensäure) und einer Base (Natriumhydroxid) gebildet wird, und reagiert mit anderen Chemikalien als mildes Alkali. Bei Temperaturen über 300 Grad Fahrenheit (149 Grad Celsius) zerfällt Backsoda in Natriumcarbonat (eine stabilere Substanz), Wasser und Kohlendioxid.

Die natürlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Backsoda sind der Grund für seine breite Palette von Anwendungen, einschließlich Reinigung, Desodorierung, Pufferung und Feuerlöschung. Backsoda neutralisiert Gerüche chemisch, anstatt sie zu maskieren oder zu absorbieren. Daher wird es in Badesalzen und Deopulvern verwendet. Backsoda neigt dazu, einen pH-Wert von 8,1 (7 ist neutral) beizubehalten, selbst wenn der Lösung Säuren, die den pH-Wert senken, oder Basen, die den pH-Wert erhöhen, zugesetzt werden. Aufgrund seiner Fähigkeit zur Tablettenbildung ist es ein guter Brausebestandteil in Antazida und Gebissreinigungsmitteln. Natriumbicarbonat ist auch in einigen Anti-Plaque-Mundspülmitteln und Zahnpasta enthalten. Wenn Natron als Reinigungsmittel in Pastenform oder trocken auf einem feuchten Schwamm verwendet wird, sorgt seine kristalline Struktur für einen sanften Abrieb, der hilft, Schmutz zu entfernen, ohne empfindliche Oberflächen zu zerkratzen. Seine milde Alkalität wandelt die in Schmutz und Fett enthaltenen Fettsäuren in eine Seifenform um, die sich in Wasser auflösen und leicht abspülen lässt. Backpulver wird auch als Backtriebmittel bei der Herstellung von Backwaren wie Brot oder Pfannkuchen verwendet. In Verbindung mit einem sauren Mittel (z. B. Zitronensaft) wird Kohlendioxidgas freigesetzt, das von den Zellen des Produkts absorbiert wird. Da sich das Gas beim Backen ausdehnt, dehnen sich auch die Zellwände aus, so dass ein gesäuertes Produkt entsteht.

Neben den zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten im Haushalt findet Backpulver auch in der Industrie zahlreiche Anwendungen. Zum Beispiel setzt Backsoda beim Erhitzen Kohlendioxid frei. Da Kohlendioxid schwerer als Luft ist, kann es Flammen ersticken, indem es den Sauerstoff fernhält, was Natriumbikarbonat zu einem nützlichen Mittel in Feuerlöschern macht. Weitere Anwendungen sind die Luftreinhaltung (weil es Schwefeldioxid und andere saure Gasemissionen absorbiert), Strahlen zur Entfernung von Oberflächenbeschichtungen, die chemische Industrie, das Gerben von Leder, Ölbohrflüssigkeiten (weil es Kalzium ausfällt und als Schmiermittel wirkt), die Gummi- und Kunststoffherstellung, die Papierherstellung, die Textilverarbeitung und die Wasseraufbereitung (weil es den Gehalt an Blei und anderen Schwermetallen verringert).

Das aus England importierte Backpulver wurde in Amerika erstmals während der Kolonialzeit verwendet, aber erst 1839 in den Vereinigten Staaten hergestellt. Im Jahr 1846 gründeten Austin Church, ein Arzt aus Connecticut, und John Dwight, ein Landwirt aus Massachusetts, in New York eine Fabrik zur Herstellung von Backpulver. Der Sohn von Dr. Church, John, besaß eine Mühle namens Vulcan Spice Mills. Vulkan, der römische Gott der Schmiede und des Feuers, wurde durch einen Arm und einen Hammer dargestellt, und das neue Backpulverunternehmen machte sich das Arm- und Hammer-Logo zu eigen. Heute gehört die Marke Arm & Hammer zu den bekanntesten Markennamen.

Benannt nach Nicolas Leblanc, dem französischen Chemiker, der das Verfahren erfand, war das Leblanc-Verfahren die früheste Methode zur Herstellung von Soda (Na2CO3), aus dem Natriumbicarbonat hergestellt wird. Natriumchlorid (Kochsalz) wurde mit Schwefelsäure erhitzt, wobei Natriumsulfat und Salzsäure entstanden. Das Natriumsulfat wurde dann mit Kohle und Kalkstein erhitzt, um Natriumkarbonat oder Soda zu bilden.

In den späten 1800er Jahren wurde von Ernest Solvay, einem belgischen Chemieingenieur, eine andere Methode zur Herstellung von Soda entwickelt. Die Solvay-Methode wurde bald in den Vereinigten Staaten übernommen, wo sie das Leblanc-Verfahren ersetzte. Beim Solvay-Verfahren werden Kohlendioxid und Ammoniak in eine konzentrierte Natriumchloridlösung geleitet. Rohes Natriumbicarbonat fällt aus und wird erhitzt, um Soda zu bilden, das dann weiterbehandelt und raffiniert wird, um Natriumbicarbonat mit der Reinheit des United States Pharnacopoeia (U.S.P.) zu bilden.

Obwohl diese Methode zur Herstellung von Backsoda weit verbreitet ist, ist sie auch problematisch, da die im Prozess verwendeten Chemikalien Schadstoffe sind und Entsorgungsprobleme verursachen. Eine Alternative ist die Raffination von Soda aus Trona-Erz, einem natürlichen Vorkommen.

Rohstoffe

Backnatron oder Natriumbicarbonat wird aus Soda gewonnen, das entweder durch das Solvay-Verfahren oder aus Trona-Erz, einem harten, kristallinen Material, gewonnen wird. Trona stammt aus einer Zeit vor 50 Millionen Jahren, als das Land um Green River, Wyoming, von einem 600 Quadratmeilen (1.554 Quadratkilometer) großen See bedeckt war. Als dieser See im Laufe der Zeit verdunstete, hinterließ er zwischen Sandstein- und Schieferschichten eine 200 Milliarden Tonnen schwere Ablagerung aus reinem Trona. Das Vorkommen im Green River Basin ist groß genug, um den gesamten Weltbedarf an Soda und Natriumbicarbonat für Tausende von Jahren zu decken.

Da das synthetische Verfahren der Solvay-Methode einige Probleme mit der Umweltverschmutzung mit sich brachte, stützt die Church & Dwight Co. Inc. ihre Produktion zunehmend auf den Abbau von Trona. Ein weiterer großer Hersteller von Soda, die FMC Corporation, setzt ebenfalls auf Trona zur Herstellung von Soda und Natriumbikarbonat. Trona wird in einer Tiefe von 457,2 Metern (1.500 Fuß) unter der Oberfläche abgebaut. Die Minenschächte von FMC umfassen fast 2.500 (4.022,5 km) Meilen an Tunneln und erstrecken sich über 24 Quadratmeilen (62 Quadratkilometer). Mit einer Breite von 4,57 m und einer Höhe von 2,74 m ermöglichen diese Stollen die Durchfahrt der notwendigen Ausrüstung und Fahrzeuge.

Der Herstellungsprozess

Herstellung von Soda

• 1 Soda kann chemisch nach dem Solvay-Verfahren oder aus Trona-Erz hergestellt werden. Wird Trona-Erz verwendet, muss es zunächst abgebaut werden. Nachdem es an die Oberfläche gebracht wurde, wird das Tronaerz zu verschiedenen Aufbereitungsanlagen transportiert. Dort wird das Erz zu einer Aufschlämmung von Natriumsesquicarbonat raffiniert, einem Soda-Zwischenprodukt, das sowohl Soda (Natriumcarbonat) als auch Backsoda (Natriumbicarbonat) enthält.

Herstellung von Backsoda

• 2 Anschließend wird die Soda-Zwischenlösung in eine Zentrifuge gegeben, die die Flüssigkeit von den Kristallen trennt. Die Kristalle werden dann in einer Bikarbonatlösung (eine vom Hersteller hergestellte Soda-Lösung) in einem Rotationsauflöser aufgelöst, wodurch eine gesättigte Lösung entsteht. Diese Lösung wird gefiltert, um alle nicht löslichen Stoffe zu entfernen, und dann durch einen Zufuhrtank an die Spitze eines Karbonisierungsturms gepumpt.
• 3 Gereinigtes Kohlendioxid wird in den Boden des Turms eingeleitet und unter Druck gehalten. Während sich die gesättigte Natriumlösung durch den Turm bewegt, kühlt sie ab und reagiert mit dem Kohlendioxid unter Bildung von Natriumbicarbonatkristallen. Diese Kristalle werden am Boden des Turms gesammelt und in eine weitere Zentrifuge überführt, wo die überschüssige Lösung (Filtrat) herausgefiltert wird. Die Kristalle werden dann in einer Bikarbonatlösung gewaschen und bilden eine kuchenartige Substanz, die getrocknet werden kann. Das aus der Zentrifuge entnommene Filtrat wird in den Rotationsauflöser zurückgeführt, wo es zur Sättigung weiterer Soda-Zwischenkristalle verwendet wird.
• 4 Der gewaschene Filterkuchen wird dann entweder auf einem kontinuierlichen Bandförderer oder in einem vertikalen Röhrentrockner, dem sogenannten Stromtrockner, getrocknet. Die theoretische Ausbeute des Verfahrens liegt nach Angaben der Church & Dwight Company zwischen 90 und 95 Prozent, und das hergestellte Backnatron ist zu mehr als 99 Prozent rein.

Sortieren und Lagern der verschiedenen Sorten

• 5 Als Nächstes werden die getrockneten Natriumbicarbonatkristalle nach ihrer Korngröße in verschiedene Sorten getrennt. Standardqualitäten von Natriumbicarbonat und Sonderqualitäten werden entsprechend den spezifischen Anforderungen der Kunden hergestellt, wobei die Partikelgröße die wichtigste Determinante der Qualitäten ist. Das Pulver Nr. 1 und das feine Granulat Nr. 2 werden in einer Vielzahl von Lebensmitteln, Chemikalien und Arzneimitteln verwendet. Die Granulatqualitäten Nr. 4 und Nr. 5 finden sich in Lebensmitteln und Doughnuts, Reinigungsmitteln, Arzneimitteln und vielen anderen Produkten. Natriumbicarbonat in Industriequalität wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in Ölbohrflüssigkeiten, Feuerlöschmitteln und bei der Wasseraufbereitung.
• 6 Jede Sorte kommt in einen Vorratsbehälter, in dem Atmosphäre, Kohlendioxid und Feuchtigkeitsgehalt kontrolliert werden, um das Produkt zu „härten“. Nach der Aushärtung können die Produkte verpackt und versandt werden.

Qualitätskontrolle

Die Qualität von Natriumbicarbonat wird in jeder Phase des Herstellungsprozesses kontrolliert. Materialien, Ausrüstung und das Verfahren selbst werden so ausgewählt, dass Natriumbicarbonat von höchstmöglicher Qualität entsteht. Nach Angaben von FMC wählte das Unternehmen beim Bau der Anlagen Materialien und Ausrüstungen aus, die den strengen Qualitätsanforderungen für die Herstellung von Natriumbicarbonat in pharmazeutischer Qualität genügen. FMC wendet außerdem die statistische Prozesskontrolle (SPC) an, um eine gleichbleibende tägliche Qualität zu gewährleisten, und die wichtigsten Betriebsparameter werden aufgezeichnet, um die Prozesskontrolle zu gewährleisten. Die Parameter der Produktqualität werden anhand der Chargennummer aufgezeichnet, und die Proben werden zwei bis drei Jahre lang aufbewahrt.

Alle U.S.P.-Qualitäten entsprechen den Spezifikationen der United States Pharmacopoeia und des Food Chemicals Codex für die Verwendung in pharmazeutischen und Lebensmittelanwendungen. Darüber hinaus erfüllt Natriumbicarbonat in Lebensmittelqualität die Anforderungen der U.S. Food and Drug Administration (FDA) als allgemein als sicher anerkannte Substanz (GRAS).

Die Zukunft

An der Wende zum zwanzigsten Jahrhundert wurden jährlich 53.000 Tonnen (48.071 metrische Tonnen) Backpulver verkauft. Während die Bevölkerung dramatisch anstieg, sank der Absatz bis 1990 auf etwa 32.000 Tonnen (29.024 Tonnen) pro Jahr. Selbstbackendes Mehl sowie Kuchen- und Biskuitmischungen haben die Nachfrage nach Backpulver als wichtige Backzutat verringert. Dennoch ist die Nachfrage nach diesem Produkt nach wie vor groß. Gewerbliche Bäcker (insbesondere Kekshersteller) sind einer der Hauptabnehmer dieses Produkts. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Natriumbicarbonat ist, dass es bei Hitzeeinwirkung Kohlendioxidgas (CO2) freisetzt, das die Backwaren zum Aufgehen bringt. Natriumbicarbonat wird auch in der Pharma- und Gesundheitsindustrie sowie in anderen industriellen Anwendungen eingesetzt. Natriumbicarbonat ist daher heute und in Zukunft ein wichtiges Produkt.

Wo man mehr erfahren kann

Bücher

Coyle, L. Patrick, Jr. The World Encyclopedia of Food. Facts on File, 1982.

Root, Waverley und Richard de Rochemont. Eating in America: A History. William Morrow & Co., Inc. 1976.

Zeitschriften und Prospekte

Grosswirth, Marvin. „The Wonders of NaHCO3“, Science Digest. März, 1976.

Geschichte des Arms & Hammer Trademark. Church & Dwight Co., Inc.

Natriumbicarbonat. FMC Corporation.

Natriumbicarbonat – Chemische Eigenschaften, Herstellung. Church & Dwight Co, Inc.

-Eva Sideman