Технология производства сахара
Свекла и сахар
Производство сахара из свеклы является сложным физико-химическим процессом. Сахарозу извлекают из клеток диффузией, после чего применяют химические и теплофизические воздействия для отделения сахара от несахаров и превращение его в чистый кристаллический продукт.
Свекла, убранная комбайном, содержит значительное количество примесей, которые, попадая в свеклорезки и диффузионные аппараты, вызывают преждевременный износ оборудования, способствуют увеличению потерь сахара. Поэтому перед переработкой свеклу тщательно очищают от посторонних примесей, используя разнообразное оборудование: гидравлические транспортёры, ботво-, камне- и песколовушки, моечные машины.
Подача. С кагатного поля (Кагасные поля место, где сваливают сахарную свеклу и откуда она с помощью водяного транспортера попаает на переработку) сахарная свекла через сеть гидротранспортёров подаётся на переработку. Гидротранспортёры устанавливают с уклоном от кагатного поля к заводу. При подаче свеклы по гидротранспортёрам происходит частичная мойка корнеплодов, в устроенных ловушках отделяется большая часть примесей (песка, камней, ботвы). Свёкла поступает в бурачную или на сплавную площадку. Бурачные разгружают струёй воды, выходящей из головки гидранта под давлением. Вода смывает свеклу в жёлоб гидравлического транспортёра.
Очистка и мойка. На гидротранспортёре оборудуют песко-, ботво- и камнеловушки, которые отделяют примеси в два этапа. Для предотвращения заторов на главном гидротранспортёре устанавливают регулирующие шиберы. После отделения примесей во втором каскаде из свекловодяной смеси отводится избыток транспортно-моечной воды. Окончательное отмывание корнеплодов свеклы происходит в свекломоечных машинах. Эти машины оборудованы также камне – и песколовушками. Корнеплоды отмываются кулачными или барабанными свекломоечными машинами и струйным отмывом. Для уменьшения вымывания сахарозы из свеклы её транспортируют и отмывают водой температурой не выше 18оС. После свекломоечной машины корнеплоды ополаскивают водой, в которую предварительно добавляют хлорную известь (10…15 кг на 100 т свеклы).
После осветления транспортёрно-моечной воды в отстойниках её возвращают в гидравлические транспортёры, а сгущенный отстой перекачивают на поля фильтрации и подвергают искусственной биологической очистке.
Корнеплоды свеклы после ополаскивания поступают на контрольный ленточный транспортёр, на котором они обдуваются сильной струёй воздуха для удаления оставшихся лёгких примесей и поверхностной влаги.
Измельчение. Мытую и обсушенную сахарную свеклу взвешивают на автоматических порционных весах и выгружают в бункер-накопитель. Из бункера корнеплоды самотёком поступают в свеклорезки и измельчаются в стружку шириной 4…6 и толщиной 1,2…1,5 мм. Свекловичная стружка должна обладать достаточно большой удельной площадью поверхности, упругостью на изгиб и сжатие, а масса её – хорошей проницаемостью слоя в течение всего периода экстракции. Браком считается неразрезанные гребешки, стружка короче5 мм или толщиной менее0,5 мм. Содержание брака в стружке не должно превышать 3%.
Для получения свекловичной стружки применяют центробежные, дисковые и барабанные свеклорезки.
Диффузия. Это процесс извлечения сахарозы из клеток свекловичной ткани посредством вымывания её горячей водой. На сахарных заводах извлечение сахарозы осуществляется в непрерывно действующих диффузионных установках.
После измельчения свекловичная стружка поступает на транспортёр, подающий её в диффузионные аппараты. Для получения диффузионного сока используют диффузионную колонну, двухшнековую диффузионную или ротационную установку.
К примеру, в шнековом диффузионном аппарате нагретая стружка перемещается с одного конца аппарата в другой, отдавая потоку воды сахара и растворимые несахара. По мере движения стружка всё более обессахаривается. При выходе из аппарата стружка (жом) содержит 0,2…0,28 % сахара от массы переработанной свеклы.
Оболочки клеток корнеплодов проницаемы для сахара и других водорастворимых веществ, однако живая цитоплазма клеток полупроницаема и почти не пропускает сахар и другие растворённые в клеточном соке вещества. Наиболее эффективно процесс диффузии происходит при быстром нагревании стружки и поддержании температуры в интервале 72…75оС. При этом происходит коагуляция белков цитоплазмы, и сахар легко проходит в окружающий раствор. Денатурация белка зависит от температуры. Например, при 70оС полная денатурация белков паренхимной ткани заканчивается через 12 мин, флоэмы – только через 26 мин. Вместе с сахарозой, экстрагируемой почти полностью (98 % от содержания), из свекловичной стружки в диффузионный сок переходит часть несахаров: до 95% аминного и аммиачного азота, около 80 % общего азота, 88…92 % калия и натрия, вымывается до 30 % белка от общей массы его в стружке. Значительно медленнее сахарозы в сок переходят пектиновые вещества. Переход пектиновых веществ в сок заметно увеличивается при повышении температуры более 80оС.
Для успешного извлечения сахара диффузию проводят быстро при слабокислой реакции среды (рН 5,5…6).
На процесс диффузии оказывает влияние толщина, физическое состояние, равномерность массы свекловичной стружки и количество брака.
Свекловичная стружка и сок являются хорошими питательными средами для развития микроорганизмов. Выделяемые микроорганизмами продукты обмена ухудшают качество сахара, создают опасность взрыва. Поэтому для подавления микрофлоры в диффузионный аппарат через промежутки времени вводят 40 %-ный раствор формалина (0,015…0,02 % к массе свеклы).
Диффузионный сок представляет собой мутную, быстро темнеющую на воздухе жидкость. В1 лсока, выходящем из диффузионного аппарата, содержится 10…15 г мезги, а при переработке свеклы низкого качества содержание мезги в соке повышается до 20…25 г/л. Мезгу из диффузионного сока выделяют на ротационных мезголовушках, оснащённых сетчатыми барабанами, или на дуговых ситах. Эффект удаления мезги, к примеру, на дуговом сите составляет 90…95 %.
Почти все несахара диффузионного сока замедляют процесс очистки сока и кристаллизации сахарозы. Несахара способны связывать сахарозу и удерживать её в растворённом состоянии.
Свежий жом, выходящий из диффузионного аппарата, прессуют до влажности 12…14 % сухих веществ при скармливании скоту в сыром виде и до влажности 22…25 %, если он предназначен для высушивания.
Очистка диффузионного сока. Сок представляет собой поликомпонентную систему. Он содержит сахарозу и несахара, представленные растворимыми белками, пектиновыми веществами и продуктами их распада, редуцирующими сахарами, аминокислотами, солями органических и неорганических кислот и др.
Очистка сока включает следующие операции: дефекацию предварительную и основную, сатурацию первую и вторую, сульфитацию и контрольную фильтрацию сока.
Одним из основных способов очистки является дефекация – обработка сока известью. Сок, подогретый до температуры 85…900С, дважды обрабатывается известковым молоком. Сначала в сок добавляют 0,2…0,3 % СаО к массе свеклы, медленно повышая рН до 10,8…11,4, при этом значительная часть веществ коллоидной дисперсности и высокомолекулярных соединений коагулируют. Эту ступень называют предварительной дефекацией, или преддефекацией. Затем в сок вводят остальное количество извести (1,8…2,0% СаО), предназначенное для очистки, повышая рН до 12,3…12,4, и выдерживают паузу в течение 10…15 мин для разложения части несахаров. Эту ступень называют основной дефекацией. В процессе дефекации, кроме коагуляции веществ коллоидной дисперсности, происходит также нейтрализация и осаждение кальциевых солей некоторых кислот.
В результате преддефекации под действием ионов гидросила и кальция полностью заканчиваются реакции нейтрализации кислот диффузионного сока, коагуляции и осаждения веществ коллоидной дисперсности, высокомолекулярных соединений, а также реакции осаждения большей части анионов фосфорной, щавелевой, уксусной, лимонной, оксилимонной, яблочной, винной кислот и катионов солей магния, алюминия, железа.
Но реакции разложения ряда органических несахаров на первом этапе только начинаются, и для их завершения необходима более высокая щёлочность, температура и продолжительность реакции. Поэтому главной задачей основной дефекации является разложение амидов кислот, солей аммония, редуцирующих веществ, омыление жиров, доосаждение анионов кислот. Если реакции разложения не завершены в сокоочистительном отделении, то, продолжаясь на следующих этапах технологического процесса, они будут снижать качество сиропа и сахара.
Сатурация проводится в два приема: сначала первая, а после отделения осадка – вторая. Основная цель сатурации – вызвать выпадение извести в осадок в виде СаСО3 путем насыщения сока диоксидом углерода. Сатурацию проводят в специальных аппаратах-сатураторах. Сок в сатуратор поступает сверху, разбрызгивается диском и смешивается с поступающим газом. При высокой скорости адсорбции диоксида углерода получается тонкодисперсный осадок карбоната кальция, который поглощает различные органические вещества, окрашивающие сок. Сок после сатурации становится более светлым и прозрачным.
После первой сатурации сок подогревают и направляют на фильтрацию. Цель фильтрации сатурированного сока – это разделение суспензии при помощи пористой фильтрующей перегородки на условно чистую жидкость (фильтрат) и влажный осадок (фильтрационный осадок). Для уменьшения вязкости сока перед фильтрованием его нагревают до 85…880С.
Повторную сатурацию проводят для того, чтобы перевести оставшиеся после первой сатурации свободные гидроксиды кальция, калия и натрия в карбонаты, а также вывести в осадок растворимые соли кальция. После второй сатурации в соке остается минимальное количество кальциевых солей, что уменьшает накопление накипи в выпарных аппаратах.
При переработке свеклы низкого качества, когда основная дефекация и первая сатурация не обеспечивают эффективной очистки диффузионного сока, перед второй сатурацией для разложения редуцирующих веществ и амидов дополнительно проводят четырёх-пятиминут-ную дефекацию сока.
На второй сатурации так же, как на первой, на поверхности образующихся кристаллов СаСО3 происходит адсорбция солей кальция.
После второй сатурации сок снова направляется на фильтрацию. Фильтрацию проводят на фильтр-прессах или вакуум-фильтрах. В результате образуется два продукта: более очищенный сок и фильтр-прессная грязь – отход сахарного производства.
Примерный химический состав очищенного сока, поступающего на сульфитацию, следующий: сухие вещества – 13…16%, азотистые вещества – 0,4…0,5, чистая зола – 0,5…0,6, чистота сока – 89…92, цветность – 12…20 усл. ед., содержание солей кальция – 0,015…0,025% СаО.
Сульфитацией называют обработку сахарных растворов диоксидом серы. При пропускании диоксида серы через сок образуется сернистая кислота, которая является хорошим антисептиком и восстановителем. Она восстанавливает непредельные органические соединения и превращает их в бесцветные вещества. Сок при этом не очищается, так как эти обесцвеченные соединения остаются в растворе.
Кроме обесцвечивания сернистая кислота снижает щелочность сока, способствует уменьшению вязкости сиропа, что облегчает кристаллизацию и отделение кристаллов сахара.
Сульфитация проводится в специальных аппаратах-сульфитаторах, где поступающий сок смешивается с газом. Общий расход серы на сульфитацию сока и сиропа составляет 30…40 кг на 100 т свеклы.
Сгущение сока. Сок после сульфитации представляет собой ненасыщенный раствор сахарозы и оставшихся в нем несахаров. При сгущении до пересыщения сахароза начинает осаждаться в виде кристаллов. Сгущение очищенного сока проводят в два этапа: сначала выпаривают воду в выпарной установке до состояния, близкого к насыщению (содержание сухих веществ в сиропе 65…70%), а затем – в вакуум-аппаратах до пересыщения (содержание сухих веществ 92…93%) с последующей массовой кристаллизацией.
При первом уваривании сока некоторая часть несахаров выпадает в осадок, увеличивается цветность сока, поэтому перед увариванием сока в вакуум-аппаратах сок после первого сгущения сульфитируют и фильтруют.
Кристаллизация является завершающим этапом производства сахара. Выделение сахарозы из раствора производится в две-три ступени. На первой ступени уваривания получают первый утфель. Он представляет собой густую вязкую массу, состоящую из кристаллов сахара и межкристальной жидкости с содержанием сухих веществ 92…93%. При достижении содержания кристаллов в утфеле примерно половины по массе их отделяют на центрифугах, а межкристальный раствор вновь сгущают на второй ступени до пересыщения и выкристаллизовывают остальную сахарозу. Для образования или заводки кристаллов в вакуум-аппарат добавляют небольшое количество (50…100 г) сахарной пудры, способствующей более быстрому образованию центров кристаллизации.
При сгущении сока в выпарной установке отмечается разложение 0,06…0,1% сахарозы от общего количества.
В процессе центрифугирования кроме сахара-песка получают межкристальный раствор (первый оттек), который содержит незначительное количество кристаллов. Его направляют во второй аппарат для уваривания второго утфеля и получают после центрифугирования кристаллы сахара (желтый сахар) и кормовую патоку или мелассу.
На кристаллах сахара после центрифугирования остается прилипший слой межкристального раствора, придающий сахару желтоватый оттенок. Для его удаления кристаллы сахара пробеливают горячей водой. При этом часть кристаллов растворяется и образуется второй оттек (белая патока), который направляют в вакуум-аппараты в конце уваривания первого утфеля.
Полученный после кристаллизации сахар-песок высушивают горячим воздухом в сушильной установке до содержания влаги не более 0,14%, упаковывают в мешки массой по50 кги отправляют на склад.
Эффективность работы завода характеризуется коэффициентом извлечения сахара, который показывает процентное отношение массы сахарозы в сахаре-песке к сахарозе в перерабатываемой свекле. Он составляет около 80 %.
