27.03.01_Химия и технология сахара_Краткий курс лекций
advertisement
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ФАКУЛЬТЕТ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ Конспект лекций по дисциплине (модулю) Б1. В. ДВ. 5.2 Химия и технология сахара КУРС ЛЕКЦИЙ ТЕМА 1. РАЗВИТИЕ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА Сахар — пищевой продукт, занимающий важное место в рационе человека, так как энергия, которую человек затрачивает, восполняется в том числе и за счет Сахаров. В настоящее время сахар получают главным образом из сахарного тростника и сахарной свеклы. Выпускается в виде сахарного песка и сахара рафинада. Когда-то сахар делали только из сахарного тростника, который растет в Индии, Китае, на Кубе и других странах, где климат достаточно теплый и влажный для этого растения. Поэтому сахар был очень дорогой диковинкой. Во многих странах вместо него употребляли мед, сладкий сок клена, березы, липы. Примерно половина энергии, расходуемой человеком, восполняется углеводами, из них 1/3 — сахаром. Основное сырье для промышленного производства сахара (сахарозы) — сахарный тростник и сахарная свекла. Из 120...124 млн. т. мирового производства сахара в год около 60 % вырабатывается из сахарного тростника, 40 % — из сахарной свеклы. В мире насчитывается свыше 1500 тростниково-сахарных и около 1000 свеклосахарных заводов, из них более 800 заводов в Европе. Число заводов постоянно меняется: строятся новые крупные предприятия, закрываются устаревшие, малопроизводительные. Наблюдается тенденция к некоторому сокращению общего числа предприятий и росту их среднесуточной производственной мощности. Например, на территории бывшей ГДР вместо 42 сахарных заводов, имевших среднюю производственную мощность 1,7 тыс. т. переработки свеклы в сутки, построено 9 новых со средней производственной мощностью 7,2 тыс. т. переработки свеклы в сутки. Промышленное производство сахара стало возможным с конца XVIII в., когда появились паровые машины. Например, первые вакуум-аппараты были созданы в 1813г., мешочные фильтры — в 1824 г., выпарные аппараты, работающие под разрежением, и фильтр-прессы — в 1850г., диффузионная батарея — в 1864 г., центрифуги — в 186,7 г., сушилки для сахара — в 1878 г., упаковочные машины — в 1891 г. В 1747 г. немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф выступил в Прусской академии наук, где сообщил, что обнаружил в белой свекле сахар, аналогичный сахару в сахарном тростнике. Но из-за недостаточной сахаристости свеклы, которая не превышала 1,5%, и низкого уровня развития производительных сил того времени это открытие практического применения не нашло. После смерти Маргграфа его ученик химик Франц Карл Ахард в 1784 г. начал культивировать кормовую белую свеклу; а к 1799 г. получил из нее первый сахар. Образец сахара вместе с трактатом «О получении сахара из свеклы» он вручил 11 января 1799 г. королю Фридриху Вильгельму 111. На ссуду, выданную королем, Ахард купил в Нижней Силезии (местечко Кунерн) имение и построил первый в мире свеклосахарный завод. В марте 1802 г., он приступил к переработке 250т свеклы из урожая 1801 г. Свеклу вначале промывали в деревянных решетчатых ящиках и измельчали на терках. Из кашки отжимали сок и очищали его серной кислотой, древесной золой и жженой известью. В 1807 г. завод был уничтожен пожаром. Первое упоминание в исторических документах о появлении на Руси кристаллического сахара, ввозившегося с «заморскими товарами», появилось в 1273 г. Из-за высокой цены сахар много лет был предметом роскоши и одно время его продавали в аптеках эквивалентно массе серебра. Спрос на него сильно возрос с середины XVIII в., когда в России начали употреблять чай, который быстро стал национальным напитком. В 1718 г. купец Павел Вестов получил от царя Петра I разрешение на строительство заводов по переработке привозного тростникового сахара-сырца. П. Вестову было поручено вырабатывать сахар, качество которого не должно было уступать заграничному, и продавать по цене не выше рыночной. Первый завод начал работать в 1719 г. в Санкт-Петербурге на Выборгской стороне. В этот год было получено 600 пудов сахара-рафинада (1 пуд = 16,38 кг), а уже в 1779 г. пять заводов Санкт-Петербурга произвели 77 150 пудов белого сахара. К концу XVIII в. в Санкт-Петербурге, Москве и вблизи этих городов работали десятки сахарных заводов. Однако расходы на покупку дорогостоящего импортного сахарасырца тяжелым бременем ложились на бюджет государства, поэтому в России усиленно вели поиски местных источников для получения сахара. Первое указание на возможность использования белой свеклы как сырья для получения кристаллического сахара встречается в книге «Описание растений Российского государства с их изображением», изданной в 1786 г. Белая свекла была издавна известна русским людям как огородная и кормовая культура. В 1792 г. профессор кафедры фармацевтической химии Московского университета Иоган Я. Биндгейм издал брошюру, где писал о том, что из белой свеклы при помощи спирта им получено "Несколько граммов кристаллического сахара. В 1798 г. из свеклы, выращенной под Москвой, удалось получить его значительно больше. Весной 1799 г. И. Я. Биндгейм вместе с докладной запиской послал на имя царя Павла I три образца сахара собственного изготовления: в виде сахарной головы, белого сахара-песка и сахара-сырца. В том же 1799 г. Медицинская коллегия независимо от Биндгейма по результатам своих исследований различных сахароносов, в том числе и белой свеклы, издала книгу «Способ заменить иностранный сахар домашними произведениями», которую разослали во все губернии России: «...дабы сделать известными первые попытки получения свекловичного сахара». В сентябре 1800 г. был издан указ об отведении свободных земель на юге России желающим заниматься свеклосеянием без обложения налогом. Это послужило толчком для развития сырьевой базы. В России важную роль в создании технологии и промышленного производства свекловичного сахара сыграл Яков Степанович Есипов. В 1799—1801 гг. он в своем имении в селе Никольском Подольской округи Московской губернии разработал оригинальную технологию получения сахара из свеклы с очисткой свекловичного сока известью. В начале 1802 г. Я. С. Есипов сообщил, что получил 82 кг белого сахара из 250 кг сахара-сырца, выработанного из свеклы. Так был получен первый русский кристаллический сахар. В ноябре 1802 г. начал работать первый в России свеклосахарно-спиртовой завод, построенный Я. С. Есиповым при участии Е. И. Бланкеннагеля в селе Алябьеве Чернского уезда Тульской губернии. В производственный 1802-1803 г. на заводе было получено 4,9 т. сахара-сырца из свеклы, убранной с 11 десятин посевов (1 десятина = 1,09 га). Чистота сахара-сырца была примерно 85 %. Отходы сахарного производства (меласса, промой и др.) перерабатывали в этиловый спирт. С 1807 г. на заводе начало действовать сахарорафинадное отделение. К осени 1802 г. Я. С. Есипов построил в селе Никольском: второй, более совершенный свеклосахарный завод с сахарорафинадным отделением. В 1803-1804 г. на нем вырабатывали не только сахар-сырец, но и белый сахар, спирт, ликер. Жом использовали на корм скоту. По расчетам Я. С. Есипова, выход сахара-сырца из свеклы составлял 3,1 % к массе свеклы. В 1809 г. в селе Верхи Брянского уезда Орловской губернии И. А. Мальцевым был построен третий в России свеклосахарный завод для выработки сахара-сырца, полностью оснащенный отечественным оборудованием, изготовленным на Брянском машиностостроительном заводе. Получаемый сахар-сырец отправляли на рафинирование на Алябьевский завод. Ежегодно публикуя отчеты о работе своего завода, Мальцев развернул активную пропаганду свеклосахарного производства. Научной основой создания известкового (щелочного) способа очистки свекловичного сока, использованного на первом отечественном свеклосахарном заводе, послужили разработки академика Российской академии наук Т.Е.Ловица который установил, что сахароза в водных растворах весьма устойчива к действию щелочей и высокой температуры, а редуцирующие сахара быстро разлагаются в щелочной среде. Кислотный же способ очистки сока, разработанный Ф. К.Ахардом и получивший распространение на сахарных заводахЕвропы и Северной Америки, имел серьезные недостатки. Под действием серной кислоты значительная часть сахарозы подвергалась инвертированию, образуя редуцирующие сахара, которые при последующем разложении давали большое количество продуктов распада, в том числе красящих веществ, сильно затрудняющих проведение технологических процессов. Выход товарного сахара из свеклы при кислотном способе очистки ее сока был меньше, чем при щелочном, а чистота сахара-сырца — ниже (58...62 %). Кислотный способ очистки свекловичного сока просуществовал до 30-х годов XIX в. Совершенствованию технологии очистки сахарсодержащих растворов и повышению их кристаллизационных свойств способствовало также открытие адсорбционных свойств древесного угля, сделанное российским академиком Т.Е.Ловицем еще в 1786 г., которое он применил позднее для обесцвечивания свекловичных соков и сиропа. Первые свеклосахарные заводы строились в центральных районах России ближе к промышленным центрам, но вскоре подавляющее их большинство сосредоточилось на Украине и в ЦентральноЧерноземном районе России, где почвенно-климатические условия благоприятствовали культивированию свеклы. В 1825 г. в России действовали семь свеклосахарных заводов, вырабатывавших 240 т. сахара в год, а в 1860 г. 380 заводов, которые выпускали свыше 64 тыс. т. сахара в год. Но это были мелкие предприятия с примитивной технологией. Число их постепенно уменьшалось, а производственная мощность увеличиваюсь, совершенствовались техника и технология. Вначале корнеплоды свеклы размягчали паром и отжимали из них сок на винтовых прессах, а в 1834 г. Д. А. Давыдов заменил этот способ новым, вымачивая гребешки свеклы в холодной воде. В 1841 г. Н. П. Шишков вымачивал гребешки горячим способом, что явилось началом перехода от прессового к диффузионному способу сокодобывания. В 1864 г. появилась непрерывно действующая диффузионная батарея чеха Ю. Роберту которая была испытана в России в 1866 г. В 1850 г. русский академик Г. Гесс применил угольную кислоту для осаждения избытка извести из дефекованного сока, а в 1863г. М. А. Толпыгин предложил двухступенчатую сатурацию диффузионного сока угольной кислотой. В 1851 г. мастера Балаклеевского сахарного завода А. И. Федосеев и И. А. Фоменко впервые в мире сварили сахарный утфель в вакуум-аппарате «на кристалл». До этого сироп сгущали в вакуум-аппаратах до пробы «на волос» и спускали в открытые сосуды с двойными обогреваемыми стенками. При медленном охлаждении в перенасыщенном сиропе самопроизвольно зарождались и наращивались кристаллы сахара. Смесь кристаллов и межкристального раствора (утфель) выгружали в конусообразные формы для продолжения кристаллизации сахарозы из сиропа. Излишки межкристального раствора вытекали через нижнее отверстие в форме. Непробеленный сахар вынимали из формы и межкристальную жидкость отделяли от кристаллов через салфетку на прессах. Полученный сахар-сырец подвергали рафинированию: растворяли до сиропа, очищали активным углем от несахаров и кристаллизовали. Производственный цикл длился несколько недель. Центрифуги на заводах стали применять с 1850 г. Стремясь упростить технологию и ликвидировать стадию рафинирования сахара-сырца в общем цикле получения белого сахара, инженер М. А. Толпыгин в 1854 г. в конце цикла центрифугирования первого утфеля применил пробеливание паром и получил белый сахар. Этот способ назвали в Европе «русской паровой пробелкой». Уваривание утфеля «на кристалл» и центрифугирование его с паровым пробеливанием кристаллов сахара завершили формирование оригинальной технологии получения белого сахара, минуя промежуточную стадию сахара-сырца. Сульфитацию очищенного сока в России стали применять с 1873 г. Позднее, в 1897г., К. Ф. Абрагам, В. В. Ярошевский и К. Р. Закс создали и внедрили способ переработки оттеков первого утфеля путем уваривания их в вакуум-аппарате «на кристалл» с последующим обессахариванием межкристальной жидкости в мешалкахкристаллизаторах при охлаждении. До этого оттеки первого утфеля уваривали в вакуум-аппарате до пробы «на волос», а затем сироп выгружали в емкости и сахар выкристаллизовывали охлаждением («в покое»). Перед первой мировой войной (1914 г.) на территории России действовало 235 свеклосахарных заводов. Эти заводы могли перерабатывать до 137 тыс. т. свеклы в сутки. Среднесуточная мощность одного завода составляла 0,57 тыс. т. свеклы. В производственный сезон 1914-1915 г. эти сахарные заводы выработали 1,71 млн. т. сахара. За время первой мировой и гражданской войн большинство сахарных заводов было разрушено, и в 1921-1922 гг. годовое производство сахара уменьшилось до 51 тыс. т. Начиная с 1922 г., выработка сахара-песка стала увеличиваться и сахарная промышленность твердо встала на путь восстановления. Уже в 1930 г. производство сахара превысило наибольший довоенный уровень: в сезон 1930-31 г. было выработано 1,78 млн. т. сахара-песка. Перед второй мировой войной (1940 г.) отечественная сахарная промышленность выработала 2,17 млн. т. сахара-песка. Во время войны она понесла громадный урон. Большинство предприятий пострадало так, что их пришлось отстраивать заново. К 1950 г. сахарные заводы в границах бывшего СССР были полностью восстановлены. В 1991 г. в СССР действовало 318 свеклосахарных заводов общей производственной мощностью более 840 тыс. т. переработки свеклы в сутки. В 19901991 г. было выработано 12,3 млн. т. сахара-песка, из них 3,8 млн. т. из импортного тростникового сахара-сырца. Общая площадь посевов сахарной свеклы составляло 3,5 млн. га. В настоящее время в Российской Федерации действует 95 свеклосахарных заводов. Средняя производственная мощность Одного завода составляет 2,84 тыс. т переработки свеклы в сутки. Посевные площади под свеклой снизились до 1,5 млн. га. В 1997 г. было заготовлено 15 млн т сахарной свеклы и выработано из нее около 15 млн. т. сахара-песка. Коэффициент извлечения сахара из свеклы был 72 %. Сахарорафинадное производство, как упоминалось ранее, возникло в России в начале XVIII в., заводы работали на привозном тростниковом сахаре-сырце, а после создания своей сахарной промышленности стали получать сахар-рафинад из свекловичного сахара-песка. Первые заводы имели производственную мощность около 0,5 т/сут. литого сахара-рафинада, а в 1914г. максимальная годовая выработка литого сахара-рафинада достигла 937 тыс. т., и средняя производственная мощность завода составляла уже 90 т/сут. В 1938 г. был разработан способ получения прессованного сахара-рафинада, который по качеству соответствовал литому сахару-рафинаду. При этом резко повысились производительность труда и степень механизации производства. В настоящее время в России действуют 3 самостоятельных сахарорафинадных завода и 8 сахарорафинадных отделений при свеклосахарных заводах. В ближайшие годы предусмотрено расширение производства сахара. Постановлением Правительства Российской Федерации 1 марта 1997 г. утверждена федеральная целевая программа «Сахар» на 1997-2005 гг., в которой предусматривается довести объем заготовок сахарной свеклы к 2005 г. до 38 млн. т, а производство сахара — до 4 млн. т. Намечается строительство 17 новых, реконструкция 54 действующих сахарных заводов, обеспечивающих увеличение производственных мощностей на 154 тыс. т. переработки свеклы в сутки и сокращение производственного сезона до 100 сут. За рубежом благодаря внедрению прогрессивной технологии выращивания сахарной свеклы и получению стабильных урожаев (40—60 т/га), а также развитой структуре транспортных коммуникаций наблюдается увеличение единичной мощности свеклосахарных заводов до 6... 12 тыс. т. переработки свеклы в сутки и сокращение их числа. Самый большой в мире завод по переработке сахарной свеклы «Соnnatrе» производственной мощностью 25 тыс. т. переработки свеклы в сутки находится во Франции. В ФРГ мощность завода «Рlating» доведена до 15 тыс. т. переработки свеклы в сутки. В Таиланде в 1992 г. сдан в эксплуатацию сахарный завод производственной мощностью 26 тыс. т. переработки тростникового сахара-сырца в сутки. На заводе работают 12 тыс. человек в две смены по 10 ч ТЕМА 2 СВЕКЛОСАХАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Структура свеклосахарного завода Свеклосахарный завод – это крупное, хорошо оснащенное современной техникой предприятие, работающее в непрерывном режиме. В сутки сахарный завод средней производственной мощности перерабатывает около 6 тыс. т свеклы. При некоторой перекомпоновке технологической схемы свеклосахарный завод может перерабатывать тростниковый сахар-сырец. На заводе производственной мощностью 3тыс. т свеклы в сутки перерабатывают 400…500 т, а на заводе мощностью 6 тыс. т - до 1000 т сахара-сырца в сутки. Заводы работают сезонно: свеклу начинают перерабатывать 5…20 сентября, а заканчивают в основном в декабре. В сентябре и октябре заводы перерабатывают свежевыкопанную свеклу, позже используют свеклу с призаводского склада или со свеклоприемных пунктов. Переработку тростникового сахара-сырца проводят в I и II кварталах следующего года. Сахарная свекла – сырье для производства сахара Сахарная свекла – перекрестноопыляющееся двухлетнее растение из семейства маревых. В первый год жизни в земле вырастает корнеплод с развитой корневой системой и розетка прикорневых черешковых листьев. В корнеплоде различают головку, шейку, собственно корень и хвостик. Осенью корнеплоды выкапывают и перерабатывают на сахар. Часть корнеплодов сохраняют до следующего года и весной высаживают в почву. Из них вырастают розетка листьев и стебель, на котором формируются цветки, а затем семена для будущего посева. Сахарная свекла хорошо растет на нейтральных и слабощелочных почвах, хорошо разрыхляемых в период вегетации растения. Кислые, заболоченные, песчаные, тяжелосуглинистые почвы и почвы с повышенной кислотностью для выращивания свеклы непригодны. Уровень грунтовых вод должен быть ниже 1,5 м. В климатических зонах, где в период вегетации сумма среднесуточных температур составляет 2000…3300°С, сахарная свекла дает хорошие урожаи (300…400 т/га). После всхода семян свеклы часть растений погибает. К моменту уборки хороший урожай корнеплодов с высокой сахаристостью получают при густоте насаждений 90…100 тыс. растений на 1 га в зоне достаточного увлажнения и 85…90 тыс. – в зоне с неустойчивым увлажнением. Спелость свеклы. Различают ботаническую, биологическую и техническую спелость сахарной свеклы. Ботаническая спелость наступает на втором году жизни, когда поспевают семена. Техническая спелость наступает раньше биологической. На практике ее определяют по критерию спелости (Ксп), величина которого колеблется от 5 до 5,5. Уборка свеклы В зависимости от погодных условий и хозяйственных возможностей выборочную уборку свеклы начинают в первой половине сентября, когда свекла еще не достигла технической спелости. Корнеплоды такой свеклы сразу направляют на переработку. Сроки уборки существенно влияют на выход сахара. Например в двух свеклосеющих зонах (А и Б) с одинаковыми климатическими и погодными условиями (расстояние между зонами 50 км) уборку свеклы закончили в зоне А-30 сентября, а в зоне Б-25 октября. В результате получили: Строение корнеплода Корнеплод сахарной свеклы имеет коническую форму с двумя вертикальными бороздками. Из бороздок растут тонкие корешки с корневыми волосками, через которые растение получает из почвы влагу и питательные вещества. Корневая система корнеплода проникает в почву на глубину до 1,5 м и боковыми отростками охватывает зону до 2 м2. Химический состав корнеплодов спелой свеклы зависит от сорта и условий выращивания. Содержание сухих веществ в корнеплодах колеблется от 22 до 25 %, сахарозы - от 14 до 20 %. Вся сахароза и около 1/3 несахаров растворены в свекловичном соке. Массовое содержание сока в свекле (Qc) называют соковым коэффициентом и вычисляют по содержанию сахарозы в соке (СХС) и свекле (СХСВ). При неблагоприятных метеорологических условиях, нарушении сроков высева семян и агротехнологии сахарная свекла в первый год жизни может дать цветоносные побеги. Такую свеклу называют цветушной. Одной из основных причин появления цветушности свеклы – ранний сев. Чаше всего цветушностью отличаются односемянные сорта и гибриды свеклы, по сравнению с многосемянными сортами. Рис. 1. Примерный химический состав корнеплодов сахарной свеклы Приемка сахарной свеклы Приемку сахарной свеклы, отбор образцов, определение загрязненности и сахаристости проводят в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52647-2006 «Свекла сахарная. Технические условия». Корнеплоды кондиционной свеклы, т.е. соответствующие ГОСТу, должны иметь показатели: Физическое состояние Содержание корнеплодов, % не более: - цветушных - подвяленных - с сильными механическими повреждениями - подмороженных и загнивших Зеленной массы, % не более Не потерявшие тургор 1 5 12 не допускается 3 На интенсивность дыхания существенно влияет температура хранения. Например при хранении корнеплодов в кагатах при 15 и 1°С среднесуточные потери сахарозы в первом кагате были примерно в 5 раз больше, чем во втором. Увядание. Если хранить корнеплоды свеклы в поле без укрытия, особенно в теплое время года, то происходит, быстрая потеря влаги (увядание). При потере корнеплодами 8…10 % влаги в корнеплодах, нарушается равновесная стабильность ферментов: например активность инвертазы возрастает в 5…7 раз, усиливается аэробное дыхание корнеплодов, в клеточных структурах происходят необратимые изменения. Поглощение кислорода такими корнеплодами снижается почти на 30 % по сравнению с кондиционной свеклой. При увяданий корнеплодов, с потерей массы снижаются модуль упругости и удельная электропроводимость свекловичной ткани. Прорастание. При прорастании в процессе хранения у корнеплодов свеклы усиливается дыхание, выделение теплоты, поэтому они больше теряют сахарозы. Так при появлении в массе корнеплодов 0,5 % ростков, потери сахарозы также увеличиваются на 0,5 %. Прорастаемость корнеплодов в верхней части кагатов больше в 2 раза, чем на боковых сторонах и в 4 раза больше, чем в нижней части кагата. В прорастающих корнеплодах резко снижается концентрация щелочных металлов, обусловливающих натуральную щелочность сока. При повышении температуры хранения в невентилируемых кагатах в недоспелых корнеплодах, особенно в корнеплодах с оставшейся верхушечной почкой, прорастание резко интенсифицируется. Прорастание подавляют, опрыскивая корнеплоды перед укладкой в кагаты 1%ным раствором натриевой соли гидразида малеиновой кислоты Переработка свеклы. Принципиальная схема Свекла поступает в завод по гидравлическому транспорту, и затем отмывается в моечных машинах. Свекловичную стружку обессахаривают в диффузионных аппаратах, а сок сгущают в многокорпусной выпарной установке с повышенным температурным режимом. Утфель уваривают в вакуум-аппаратах с механическим циркулятором. Сахар сушат в сахаросушильных установках. Жом отжимают до содержания 18…22 % СВ, сушат и гранулируют с добавлением мелассы и карбамида. Для получения извести и сатурационного газа используют известково-газовые печи производительностью по 100 т или производительностью 200 т/сут жженой извести. Паром и электроэнергией завод обеспечивается от собственной теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), где установлены четыре парогенератора по 50 т/ч пара давлением 4 МПа (1 МПа = 10 ата) и два турбоэлектрогенератора по 6 тыс. кВт. Принципиальная схема получения сахара-сырца из свеклы приведена на рис.2. Рис 2 Принципиальная технологическая схема свеклосахарного завода Наиболее распространенное сладкое вещество сахароза относится к сахаридам. Сахариды, называемые также сахарами или углеводами, являются составными частями тканей растений и животных. Сахариды имеют важное значение для существования живых организмов как источники энергии и как строительный материал, а также как соединения со специфическим биологическим действием. Сахариды делятся на моно-, олиго- и полисахариды. По свойствам олигосахариды близки к моносахаридам, и обе эти группы веществ называются сахарами. Полисахариды же представляют собой обычно аморфные или лишь частично кристаллические вещества, они безвкусны и большей частью малорастворимы. По современным представлениям, сахариды — это циклические полуацетали, производные алифатических гидроксиальдегидов илигидроксикетонов. При их кислотном или ферментативном гидролизеобразуются олиго- и моносахариды. Сахариды, которые при гидролизе не расщепляются на более простые сахара, называют моносахаридами. К олигосахаридам относятся сахариды, состоящие из нескольких одинаковых или разных моносахаридных звеньев, число которых в молекуле не превышает десяти. При гидролизе сахарозы образуются одна молекула глюкозы и одна молекула фруктозы. Крахмал и целлюлоза – полисахариды, представляющие поликонденсаты глюкозы. Их классификация приведена ниже на схеме. В растительном сырье содержится следующее количество азотистых веществ: в свекле 1…1,2%, картофеле – около 2, кукурузе 10…13% их массы. Кроме белка, составляющего примерно 60% массы азотистых веществ и почти полностью удаляемого с отходами, имеются неудаляемые азотистые соединения, переходящие в растворы: аминокислоты, амиды кислот и соли аммония, бетаин. Они отрицательно влияют натехнологические процессы, поэтому азот этих веществ иногда называют «вредным». Оказалось, что сахарная свекла и при температуре ниже 0°С все еще продолжает дышать. Лишь при температуре ниже минус 7°С дыхание постепенно (через несколько суток) прекращается, т. е. происходит окончательное промерзание и гибель клеток. Необходимость низких температур для замораживания свеклы понятна, так как замерзает не чистая вода, а раствор сахара, температура замерзания которого ниже 0°С. При замерзании выделяются ледяные кристаллы чистой воды, а незамерзшая часть жидкости является еще более концентрированным раствором сахара, который может замерзнуть лишь при еще более низкой температуре. Для быстрого промораживания свеклы (за 12…15 ч) нужен мороз минус 15°С. Свекла, предназначенная для замораживания, все же прежде всего должна быть сложена в кагаты по всем правилам хранения в свежем состоянии, так как до наступления больших (не менее минус 15°С) и устойчивых морозов приходится после уборки свеклы ждать месяца два, даже больше, и небрежно уложенная свекла может потерять за это время много сахара. От первых легких, неустойчивых морозов необходимо эту свеклу укрывать как обычно, потому что частичное замораживание и затем оттаивание во время оттепели могут совершенно погубить свеклу. Лишь после наступления сильных морозов (—15°С) приступают к замораживанию свеклы. Замораживание свеклы продуванием холодного воздуха вентиляторами особенно удобно в настоящее время при переходе к складированию ее в высокие кагаты (высота кагата 5…6 м, ширина основания не менее 20…25 м) и при хранении свеклы с активной вентиляцией. Эти же вентиляторы и каналы затем, при наступлении морозов, используют для полного замораживания свеклы. Извлечение сахарозы из свеклы Получение диффузионного сока из свеклы складывается из следующих операций. Отмытую свеклу взвешивают на автоматических весах, затем она поступает в бункер накопитель и оттуда в свеклорезки, где изрезывается в стружку, которая подается в диффузионный аппарат, где методом противотока стружка обессахаривается. Далее диффузионный сок поступает в сокоочистительное отделение на очистку, а обессахаренная стружка (жом) после отжатия на прессах направляется в жомовые ямы, а затем на корм скоту, а полученная жомопрессовая вода очищается и возвращается в диффузионный аппарат. Диффузионный сок содержит значительное количество растворенных и взвешенных примесей, поэтому его подвергают осветлению, химической и физикохимической очистке гидроксидом кальция (известковое молоко) и диоксидом углерода (сатурационным газом, содержащим 30…34 % CO2), которые получают ни заводе при обжиге известнякового камня. После очистки и фильтрования взвешенные частицы удаляются из сока полностью, а растворимые - примерно на 1/3. Для снижения интенсивности образования красящих веществ очищенный сок с содержанием 11…13 % СВ сульфитируют газообразным диоксидом серы (сульфитационный газ), а затем сгущают до 62…65 % в выпарной установке. Полученный сироп смешивают с клеровкой желтого сахара, сульфитируют и после фильтрования направляют на уваривание утфеля (утфель – смесь кристаллов сахара и сиропа). Известно много способов очистки диффузионного сока, но на практике применяют только обработку сока известью (дефекация) и осаждение ее избытка диоксидом углерода (сатурация). При простоте технологических операций этот способ обеспечивает высокую эффективность очистки (до 40 %), а сахароза при этом практически не разрушается. Предварительная дефекация(холодная и горячая преддефекация). Чтобы наиболее полно провести коагуляцию ВМС и ВКД и не допустить их пептизации при последующем нарастании щелочности, дефекацию диффузионного сока делят на две ступени. Сначала в сок добавляют 0,2…0,3 % СаО к массе свеклы, медленно повышая рН20 до 10,8…11,4, при этом значительная часть ВМС и ВКД коагулирует. Эту ступень называют преддефе-кацией. Затем в сок вводят остальное количество извести (1,8…2% СаО), предназначенное для очистки, повышая рН до 12,2…12,4, и выдерживают паузу 10…15 мин для разложения части несахаров. Эту ступень называют основной дефекацией. Различают оптимальную и прогрессивную преддефекации. Когда всю известь, необходимую для достижения оптимального рН20, вводят в диффузионный сок сразу, о это оптимальная преддефекация. Постепенное и равномерное (прогрессивное) добавление извести в сок в течение 20…30 мин, когда рН плавно повышается до оптимального значения, называют прогрессивной преддефекацией. Когда гидроксид кальция вводят в диффузионный сок температурой до 50 0С, то это холодная преддефекация, в сок температурой 50…650С – теплая и в сок температурой 85…880С – горячая преддефекация. В задачу предварительной дефекации входит не только максимальное осаждение ВКД и ВМС, но и образование коагулята. Ионизация аминной группы подавлена, т.е. молекулы белка превращаются в анион типа. Этот анион в щелочной среде вступает в реакцию с ионом кальция и образует нерастворимые соединения. На преддефекацию с диффузионным соком поступают кислоты: щавелевая, лимонная, винная и др., а также в небольших количествах фосфорная и серная. Доля щавелевой и лимонной кислот составляет 55…60 %. На преддефекации наиболее полно осаждаются фосфорная, серная и щавелевая кислоты (в виде нерастворимого щавелевокислого кальция). Оптимальную преддефекацию диффузионного сока проводят при 85…880С, смешивая его сразу с суспензией сатурационного осадка и дефекованным соком. При наличии в схеме листовых фильтров (ФиЛС) на преддефекацию возвращают 1/3…1/4 часть сгущенной суспензии сока I сатурации. Если перед II сатурацией проводят дефекацию сока с расходом 15…25 % СаО от ее общего количества на очистку, то на преддефекацию возвращают всю сгущенную суспензию сока II сатурации, активизируя ее свежеприготовленным известковым молоком при интенсивном перемешивании 4…5 мин. Возврат сока или сгущенной суспензии будет эффективнее, когда на очистку диффузионного сока расходуется 110-120 % активной извести к массе несахаров. На большинстве сахарных заводов прогрессивную преддефекацию проводят в горизонтальном секционированном аппарате, представляющим собой корыто, разделенное перегородками на четыре или шесть секций. Во время оптимальной преддефекации строго контролируют рН сока на выходе. В преддефекатор поэтому добавляют на 20…25 % больше извести, чем требуется для достижения оптимального значения рН. Обычно в зависимости от качества свеклы рН преддефекованного сока колеблется в интервале 10,6…11,8. Чем выше натуральная щелочность сока, тем выше и рН-оптимум сока на преддефекации. Для контроля рН преддефекованного сока на выходе из аппарата в потоке устанавливают рН-метр. Первая сатурация диффузионного сока. Цель и условия первой сатурации Дефекованный сок вместе со всеми имеющимися в нем осадками направляется на I сатурацию. Здесь через сок пропускают углекислый газ, вследствие чего известь выпадает в осадок в виде СаСО3. На поверхности частиц этого осадка адсорбируется некоторое количество несахаров, находящихся в растворе. Особенно заметна адсорбция окрашенных высокополимеров – продуктов разложения редуцирующих веществ, так как они заряжены отрицательно, а частицы СаСО3 несут положительный заряд. Таким образом, на дефекации получается химическая очистка сока посредством осаждения и коагуляции несахаров, а на I сатурации – дополнительная физикохимическая очистка путем адсорбции. Кристаллический осадок углекальциевой соли, выпавший на I сатурации, облегчает также фильтрацию сока, но главная задача сатурации заключается не в этом: для облегчения фильтрации можно было бы вместо сатурации просто прибавлять к соку, например, кизельгур или молотый мел и т.д. Иногда также неправильно считают задачей I сатурации удаление избытка извести в виде СаСО3. Однако можно было бы совсем не давать этого избытка извести на главной дефекации, т.е. ограничиться лишь предварительной дефекацией. Тогда совсем не потребовалось бы I сатурации, а для легкой фильтрации достаточно было бы добавить лишь молотого мела. Такой метод предлагался, но эффект очистки сока значительно ухудшался. Рис. 4. Схема очистки диффузионного сока Избыток извести с последующей I сатурацией применяется именно для дополнительной очистки сока путем адсорбции, что и является главной задачей I сатурации. Температура. Сок подогревают до температуры 90°С лишь перед дефекацией. Дефекатор обычно устанавливают немного выше первого сатуратора, и сок движется на I сатурацию самотеком. В первом сатураторе также нет никаких приспособлений для нагревания, и сок, поступающий туда, имеет температуру около 85°С. После I сатурации температура сока снижается до 800С, так как при пропускании через него сатурационного газа, содержащего лишь 30% СО2, с отходящими газами уносятся пары воды, и на это испарение затрачивается часть тепла сока. После I сатурации остывший сок прокачивают насосом через подогреватель и нагревают до 90°С для того, чтобы облегчить его фильтрацию: при повышенной температуре вязкость сока меньше, что и ускоряет фильтрацию. Продолжительность пребывания сока на I сатурации 10 мин. Количество извести, прибавляемой к соку на дефекации, как уже сказано, колеблется от 2 до 3% по массе свеклы в зависимости от качества ее. Эта известь и превращается на I сатурации в СаСО3. Если свекла плохая, то приходится прибавлять больше извести, так как иначе затрудняется фильтрация; слизистый, желатинозный осадок заклеивает поры фильтрующей ткани; дефеко-сатурационная грязь получается не в виде плотных лепешек, а в виде полужидкой массы. Давление сока при фильтрации возрастает; с увеличением же количества извести слизистые осадки распределяются в большей массе кристаллического осадка СаСО3, обволакиваются и задерживаются этим кристаллическим осадком, не заклеиваются поры фильтрующей ткани, что и улучшает фильтрацию. Можно было бы увеличивать количество извести сверх указанного количества, что улучшило бы адсорбцию несахаров и очистку сока, но такой чрезмерный расход извести оказывается нерентабельным. Наоборот, всегда стараются работать так, чтобы расход извести был возможно минимальным. Станцию предварительной дефекации и возврата сока I сатурации устраивают именно для того, чтобы иметь возможность уменьшить расход извести благодаря получению более плотного, легкоотфильтровываемого осадка. Щелочность сока после I сатурации должна оставаться в пределах 0,08…0,10% СаО на 100 мл сока; при этом активная щелочность сока должна соответствовать рН 11. Если сатурировать более энергично и снижать щелочность далее указанного предела (например, до 0,03% СаО), т.е. полнее удалять известь из раствора, то получается «пересатурированный» сок, имеющий более интенсивную буроватую окраску и большее количество несахаров в растворе. Некоторый избыток извести (0,08-0,10%) обязательно должен оставаться в растворе после I сатурации, так как известь является при очистке сока осаждающим реактивом и, как известно, большая полнота осаждения достигается в присутствии избытка осаждающего реактива (закон действия масс). Если этот избыток снижается, то часть осадков вновь переходит в раствор. Периодическая I сатурация Следует заметить, что иногда еще встречаются периодически действующие сатураторы I сатурации, хотя уже и очень редко. Устройство сатураторов для периодической сатурации весьма просто. Они имеют обычно прямоугольное сечение. Дно немного наклонено к спускному отверстию; у дна расположено рядом два барботера для газа (в форме опрокинутых желобов с зубчатыми краями). Высота слоя сока над барботерами составляет 2,0…2,5 м, высота надсокового пространства - 4 м. Никаких перегородок внутри сатуратора нет. Таких сатураторов для бесперебойной работы должно быть три: один из них набирают соком, во втором сок сатурируют и из третьего уже удаляют отсатурированный сок. Рабочий, открыв газовый вентиль у сатуратора, наполненного свежим соком, может 5…6 мин не обращать на него особого внимания (нужно лишь следить, чтобы не было перебросов пены). Затем он должен взять несколько проб сатурируемого сока, чтобы уловить момент окончания сатурации. Убедившись, что сок отсатурирован, рабочий закрывает газовый вентиль и открывает спускной. Длительность периодической сатурации 7…10 мин, т.е. она не превышает длительности непрерывной сатурации. Недостатком периодической I сатурации является ее громоздкость: требуются три сатуратора вместо одного, зато устройство их значительно проще. Преимуществом является также более надежная работа, так как каждая отсатурированная порция сока направляется на фильтрацию лишь после того, как сатуратчик возьмет пробу сока и убедится, что он нормально отсатурирован. Здесь невозможны случайные, временные колебания щелочности, какие бывают при непрерывной сатурации, где такие колебания могут быть прекращены лишь при наличии, автоматического регулирования щелочности. Утилизация СО2 из сатурационного газа при периодической сатурации несколько ниже, чем при непрерывной: пока щелочность раствора держится на высоком уровне (около 0,15% СаО), т. е. в течение большей части времени сатурации, коэффициент утилизации СО2 бывает 65-70%; в конце сатурации использование газа снижается до 50…55%. Во всяком случае при хорошем барботере и при периодическом ведении I сатурации обычно недостатка в СО2 не наблюдается. При периодической сатурации нет противотока газа и сатурируемого сока. Здесь в самом начале процесса сатурации газ с высокой концентрацией СО2 действует на сок с высокой концентрацией извести. Это приводит к появлению большого числа новых центров кристаллизации СаСО3 и к получению очень мелких частиц осадка. В аппаратах непрерывной сатурации осуществлен противоток, поэтому частицы осадка гораздо крупнее. Конечно, благодаря высокой дисперсности осадка периодическая сатурация осуществляет лучшую адсорбцию и дает лучшие по качеству соки. Зато скорость фильтрации и скорость отстаивания оказываются значительно меньше, что не позволяет применять ни отстойники, ни вакуум-фильтры, т. е. автоматизированные методы фильтрации. Кроме того, автоматизировать процесс сатурации легко лишь при непрерывном его ведении. Это и заставляет отдавать предпочтение именно непрерывной сатурации, которая все более распространяется. После начала I сатурации эта щелочность быстро снижается приблизительно до 0,15%, но затем держится на этом уровне, пока еще имеется в осадке Са(ОН) 2, так как по мере осаждения углекислотой извести из раствора новые количества извести переходят в раствор из осадка Са(ОН)2 и поддерживают щелочность раствора на повышенном уровне. Только после того, как весь осадок Са(ОН)2 исчезнет и заменится СаСО3, т. е. к концу сатурации, щелочность раствора начнет вновь быстро понижаться, причем осадок СаСО3 становится кристаллическим. Вторая сатурация диффузионного сока. Цель II сатурации и условия процесса Цель II сатурации – перевести свободные гидроксиды кальция, магния, калия, натрия в карбонаты и осадить растворимые соли кальция адсорбцией на карбонатах. На II сатурацию поступает фильтрованный сок I сатурации рН 20 10,8…11,4, содержащий в растворе: Са(ОН)2, гидроксиды щелочных металлов (КОН, NaOH), соли кальция, сахарозу, несахара и в небольшом количестве NH4OH. Если перед II сатурацией проводят дополнительную дефекацию, то в осадке имеется еще и Са(ОН)2. На I сатурации при рН 10,8…11,4 насвежеобразовавшемся СаСО3 наиболее полно адсорбируются несахара. Недостаточно полное удаление из сока гид-роксидов щелочных и щелочноземельных металлов, а также солей кальция приводит к быстрому образованию накипи на теплообменных поверхностях выпарной установки и увеличению потерь сахарозы в мелассе. В хорошо отса-турированном соке II сатурации содержание солей кальция должно быть минимальным (оптимальная щелочность сока 0,02…0,025 % СаО, или рН20 9…9,5) Сульфитация сока и сиропа Сульфитацией называется обработка сахарных растворов диоксидом серы (SO2). Обычно сульфитируют фильтрованный сок второй сатурации и смесь сиропа с клеровкой. Цель сульфитации: - обесцвечивание красящих веществ путем их восстановления и превращения в лейкосоединения – при этом часть сернистой кислоты превращается в серную; - блокирование карбонильных групп альдегидов и кетонов и предотвращение тем самым образования красящих веществ; - снижение щелочности сока и сиропа путем замены К2СОз на K2SO3. Сгущение сока выпариванием и основные параметры процесса Очищенный сульфитированный сок представляет собой ненасыщенный раствор сахарозы и несахаров. Сгущение сока осуществляется в два этапа: вначале сок сгущается в выпарной установке, а затем в вакуум-аппарате. Сок сгущается в выпарных аппаратах, представляющих собой трубчатые теплообменники, обогреваемые водяным паром с более высокой температурой, чем кипящий сок, поэтому теплота пара через поверхность нагрева передается соку. Сок кипит, выделяя вторичный пар, а греющий пар конденсируется в воду. Здесь происходит как бы обмен теплотой за счет скрытой теплоты парообразования, т.е. греющий пар отдает свою скрытую теплоту парообразования и удаляется в виде конденсатной воды, а вода из сока, получив эту теплоту, выводится в виде пара. Многократное испарение проводится в 4х корпусной выпарной установке с концентратором. Сок поступает в 1 корпус, обогреваемый отработавшим в турбогенераторе паром из ТЭЦ. Здесь из сока выпаривается часть воды и образуется вторичный пар. Сгущенный сок протекает во II корпус, где выпаривается из него еще часть воды, и так до последнего корпуса или концентратора, откуда выходит уже сироп. Вторичный пар, образовавшийся в 1 корпусе, направляется на обогрев II корпуса, вторичный пар из II корпуса – на обогрев III корпуса, из III на обогрев в IV корпус. Уваривание утфелей и кристаллизация сахарозы. Сушка сахара Поступающий в продуктовое отделение сироп с клеровкой, содержащий около 60 % сухих веществ, уваривается в вакуум-аппарате, до содержания СВ = 92…92,5 %. При этом из него выпаривается 12…16 % воды к массе свеклы. Утфель уваривают в вакуум-аппаратах. Сначала в вакуум-аппарате через вентиль предварительного разрежения создается остаточное давление 0,060…0,067 МПа, а затем открывают основной воздушный вентиль для создания более высокого/низкого остаточного давления (0,020 МПа). Одновременно с открытием вентиля предварительного разряжения начинают набирать сироп с клеровкой. Как только аппарат заполнится на 1/3 высоты паровой камеры, открывают паровой вентиль и начинают прогревать камеру. Когда уровень сиропа достигает такой высоты, при которой он будет покрывать всю поверхность паровой камеры, паровой вентиль открывают полностью и проводят сгущение сиропа выпариванием. В таких условиях сироп кипит при t =67…70°С. При кипении увариваемая масса сиропа поднимается вверх по кипятильным трубкам, а опускается по циркуляционной трубе. Образующийся утфельный пар освобождается от капель и отсасывается вакуумнасосом в барометрический конденсатор. Заводка кристаллов сахара - наиболее благоприятна в лабильной зоне пересыщения, то есть, когда раствор находится в неустойчивом состоянии. Перед этим t сиропа немного повышают, и через пробный кран вводят затравку в виде сахарной пудры. Затравка вызывает немедленное образование новых кристаллов. После ввода сахарной пудры через 0,5 – 1мин, отбирают пробы сиропа и наблюдают за числом образовавшихся кристаллов. Наращивание кристаллов сахара. Для этого необходима систематическая подача свежего сиропа в аппарат. Зарождающие в этот период кристаллы растворяются при увеличенной подкачке сиропа. Окончательное сгущение и спуск утфеля: После того как в вакуум-аппарат поступила последняя порция сиропа начинается окончательное сгущение утфеля. При этом масса кристаллов увеличивается до 54…56 % к массе утфеля. Перед спуском утфеля отключают систему разрежения и подачу пара, открывают вентиль, соединяющий вакуум-аппарат с атмосферой и спускной клапан. После опорожнения вакуум-аппарат пропаривают для растворения остатков утфеля. Образовавшийся сахарный раствор направляют в ту же утфелемешалку, куда спущен утфель I кристаллизации. Технологическая схема уваривания Сироп после подогревания и фильтрации поступает на уваривание, где происходит дальнейшее выпаривание из него воды, причем раствор становится уже пересыщенным и сахароза выделяется в виде кристаллов. Целью уваривания и является выкристаллизовывание сахарозы при выпаривании воды. Продукт, полученный после уваривания, называется утфелем. Он содержит лишь около 7,5% воды и около 55% выкристаллизовавшегося сахара. Межкристальная жидкость представляет собой вязкий раствор, содержащий все несахара и насыщенный раствор сахара в оставшемся небольшом количестве воды. По своей консистенции утфель является довольно густой и вязкой смесью кристаллов и межкристальной жидкости. Такую кристаллическую массу невозможно получить в выпарных аппаратах; там, наоборот, требуется, чтобы сироп не содержал кристаллов, т. е. концентрация сухих веществ в нем не превышала 70% во избежание засахаривания труб, вентилей и т. п. Сироп уваривают в специальных вакуум-аппаратах, работающих периодически. Уваривание сиропа необходимо вести под разрежением, так как концентрация кипящей массы весьма высока, что вызывает повышение температуры кипения, например, на 20°С. Следовательно, если уваривать сироп под атмосферным давлением, то температура кипения будет 100 + 20 = 120°С, что вызовет карамелизацию сахара, так как уваривание сиропа длится 2…4 ч. Под разрежением же температура сиропа при уваривании держится лишь около 75…80° С. Утфель I кристаллизации из вакуум-аппарата поступает в приемную мешалкукристаллизатор, откуда его направляют в центрифуги, где под действием центробежной силы во вращающемся перфорированном барабане (роторе) (1000 об/мин) кристаллы сахара отделяются от межкристальной жидкости. Эта жидкость называется первым оттеком и содержит все несахара и концентрированный раствор сахара. Чистота первого оттека значительно ниже чистоты утфеля, так как большая часть сахара удалена в виде кристаллов. Чтобы получить из центрифуги кристаллический белый сахар, его кристаллы промывают небольшим количеством горячей воды. При промывании часть кристаллического сахара растворяется, поэтому из центрифуги отходит оттек более высокой чистоты. Первый оттек (Ч около 85%) весь забирают в вакуум-аппарат в конце уваривания утфеля I кристаллизации. Основная масса первого оттека уваривается в вакуум-аппарате II кристаллизации. Получаемый при этом утфель II кристаллизации, содержит около 40% кристаллического сахара. Его при 2-х продуктовой схеме постепенно охлаждают до температуры 40°С, перемешивая в корытообразных мешалках-кристаллизаторах. При этом дополнительно выкристаллизовывается еще некоторое количество сахара. Наконец, утфель II направляют в центрифуги, где от кристаллов сахара отделяется меласса. Меласса является отходом сахарного производства, так как из нее уже нерентабельно получать сахар путем дальнейшего сгущения и кристаллизации. Центрифугирование Выгруженный из вакуум-аппарата утфель центрифугируется сразу же после выгрузки. Утфель представляет собой вязкую текучую суспензию, состоящую из твердой (кристаллы сахара) и жидкой (межкристальный раствор) фаз. Разделение твердой фазы и жидкой проводят на центрифугах. Возникающая при вращении ротора центробежная сила во много раз больше силы тяжести, поэтому разделение твердой фазы и жидкой происходит очень быстро. Например, в центрифугах ФПН-1251Л, с вместимостью ротора 650 кг. При нажатии кнопки «Пуск» включается электропривод и ситчатый ротор, разгоняется до частоты вращения 230об·мин-1. В этот момент открывается клапан питателя, утфель поступает на диск и под действием центробежной силы равномерно распределяется. Толщина слоя утфеля от 90 до 150 мм. После заполнения ротора утфелем, сбрасывается датчик уровня, клапан питателя закрывается, и начинается разгон ротора до 1000 об·мин-1. Межкристальный раствор под действием центробежной силы из слоя утфеля проходит через фильтрующее сито, попадает в пространство между ротором и неподвижным кожухом и по наклонному желобу направляется в сборник оттека. Центрифугированием удаляется почти весь межкристальный раствор, на кристаллах сахара остается только тонкая пленка, придающая ему желтоватый цвет. Чтобы ее снять, кристаллы сахара промывают горячей чистой артезианской водой. В результате чего образуется II оттек. На промывание сахара расходуется 3…3,5 % воды к массе утфеля. После полной остановки ротор центрифуги начинает вращаться в обратную сторону. По команде программного устройства конус 10 поднимается вверх и отклоняется в сторону, а нож, поворачивается к слою сахара и, срезая его, постепенно опускается сверху вниз. Кристаллический сахар влажностью 0,8…1,2 % выгружается на вибротранспортер и идет в сахаросушильную установку. Сушка сахара В сахаросушильную установку влажный кристаллический сахар подается с помощью вибротранспортера и ковшового элеватора. Установка состоит из двух наклонно вращающихся стальных барабанов с лопатками внутри. Один барабан сушильный, другой охладительный. Влажный сахар поступает в сушильный барабан попадает в охладительный барабан. Охлажденный сахар идет на упаковку, а воздух из барабанов поступает в пылеуловитель, освобождается от сахарной пыли и выбрасывается в атмосферу. По внешнему виду кристаллический сахар должен быть с минимальным количеством друз и кристаллической муки. Размеры кристаллов сахара колеблется в интервале 0,50…1,00 мм. Сухой сахар с температурой не выше 25°С взвешивают и упаковывают в тканевые мешки по 50 кг. Хранят в складах с влажностью не выше 70 %. Отходы свеклосахарного производства В пищевой и перерабатывающей промышленности РФ при использовании многокомпонентного растительного сырья и выработке из него основной продукции образуются отходы и вторичное сырье. В последние годы в специальной литературе часто встречаются термины, относящиеся к малоотходным, ресурсосберегающим и безотходным технологиям. Относительно свеклосахарного производства попытка классифицировать и дать разъяснения, осуществлялись некоторыми авторами, однако на данный момент существуют неясности и разночтения в формулировке этих понятий. Вторичные материальные ресурсы включают в себя отходы производства и побочную продукцию. Побочными продуктами производства считаются такие продукты, которые образуются в результате физико-химической переработки сырья одновременно с основной продукцией в едином технологическом цикле, но не служат целью данного производственного процесса. В свеклосахарном производстве к побочными продуктами относят мелассу и жом. Как правило, побочные продукты тоже являются товарными и могут быть использованы в качестве готовой продукции без дальнейшей доработки или в качестве исходного сырья для выпуска других видов продукции, например, меласса для спиртовой промышленности. Отходами производства являются вещества, образующиеся при производстве основной продукции и утратившие полностью или частично свои потребительские свойства. В свеклосахарной отрасли к ним относят фильтрационный и транспортеромоечные осадки, промышленные сточные воды, свекловичные хвостики, «бой» свеклы и прочее. Отходы производства, в свою очередь, могут разделятся на вторичные сырьевые ресурсы, возвратные отходы и отбросы. Возвратные отходы – отходы производства, направляемые повторно без дополнительной обработки в основное производство. Примером возвратного отхода в свеклосахарном производстве является жомопрессовая вода. Отходы (отбросы) - это отходы производства, для которых не установлена возможность и целесообразность использования как непосредственно, так и после обработки. В свеклосахарном производстве транспортеро-моечный осадок является отбросом, хотя в перспективе он может стать сырьем для производства удобрений, т.е. перейти в разряд вторичных сырьевых ресурсов. Среди перерабатывающих отраслей АПК наиболее материалоемкой является сахарная промышленность, в которой объем сырья и вспомогательных материалов, используемых в производстве, в несколько раз превышает выход готовой продукции. Она также является источником многокомпонентных отходов производства - ценных вторичных ресурсов: сырой свекловичный жом, меласса, фильтрационный осадок и прочее. При среднем выходе сахара 10…12% свеклосахарное производство дает к массе переработанной свеклы около 80…83% сырого свекловичного жома; 5…5,5% мелассы; 10…12% фильтрационного осадка, или в физическом выражении при переработке 25 млн т свеклы: - 20,75 млн т свекловичного жома; 1,25 млн т мелассы; до 3,0 млн т фильтрационного осадка. Анализ статистических данных показывает, что 75% вторичных сырьевых ресурсов идет в естественном виде на корм скоту. Низкая доля их переработки вторичных сырьевых ресурсов приводит не только к их значительным потерям, но и к загрязнению окружающей среды, к нарушению экологического баланса в отдельных регионах, а также значительным финансовым затратам на вывоз неиспользуемых отходов в отвалы и на свалки. Практически все отходы являются вторичным сырьем, т.к. содержат значительные количества полезных и ценных веществ (белки, углеводы, минеральные вещества, витамины и т.д.). Из общего количества образующихся вторичных ресурсов в хозяйственный оборот вовлекается 90…92%. Общими направлениями использования таких ресурсов являются: - в сельском хозяйстве - в виде корма для животных, птицы и в качестве удобрений; - в пищевой отрасли - для выработки дополнительной продукции пищевого, кормового и технического назначения. Отходами сахарного производства являются жом, фильтрационный осадок, меласса, свекловичные хвостики и прочее. В процессе производственной деятельности на сахарном заводе средней мощности за сутки накапливается значительное количество отходов: жома -2100…2400 тонн, мелассы - 150 тонн, фильтрационного осадка - 300 тонн, жидкого осадка из отстойников транспортеро-моечных вод и вод третьей категории – 350…500 тонн. Структура материальных потоков в свеклосахарном производстве представлена на рис. 12. Применение мелассы Меласса является отходом сахарного производства, используемым в других производствах. Сахар, содержащийся в мелассе хорошо утилизируется для других целей. Приблизительно 70% всей мелассы сахарных заводов используется на спиртовых заводах, где сахар мелассы сбраживается при помощи дрожжей и на 100 кг сахара получается около 60 л спирта. Значительное количество мелассы (10%) применяется на дрожжевых заводах как питание для выращиваемых дрожжей. Около 10% всей мелассы направляется в сельское хозяйство на корм скоту. В небольших количествах меласса применяется также для производства лимонной и молочной кислот, бутилового спирта и ацетона. Выход мелассы, составляющий обычно 4,5…5,5% к массе переработанной свеклы, можно вычислить по производственным показателям. Меласса обладает высокой вязкостью (4…8 Па·с при 40°С). Дальнейшее выкристаллизовывание из неё сахарозы нецелесообразно, так как на современных центрифугах трудно отделить межкристальный раствор вязкостью более 8 Па·с. Большинство несахаров способствует повышению нерастворимости сахарозы и увеличению содержания её в мелассе, что является основной причиной образования мелассы. Об активности отдельных несахаров в мелассообразовании можно судить по их мелассообразующим коэффициентам, показывающим, сколько килограммов сахарозы в мелассе связывается 1 кг несахаров. Получение сахара из мелассы Меласса содержит 50 % ценного питательного вещества - сахара, ради которого и культивируется свекла. Поэтому с народнохозяйственной точки зрения было бы целесообразно использовать мелассу именно для получения сахара, а не чего-либо другого, конечно, при условии, что метод получения будет не слишком дорог и сложен. В самом деле, для спиртового производства тратят около 70 % всей мелассы, между тем для этого производства можно применить не только картофель, культура которого гораздо проще, чем культура свеклы, но даже и совсем непищевое сырье – древесные опилки, лузгу, солому и т.д.; широко развивается и получение дешевого синтетического спирта и нефтепродуктов. На корм скоту тратят около 10 % всей мелассы, но не лучше ли кормить скот сеном и жмыхами, не имеющими пищевого значения, а из мелассы получать сахар и таким образом увеличить в стране количество питательных веществ. Поэтому весьма важно рассмотреть имеющиеся методы получения сахара из мелассы. ТЕМА 3 ПЕРЕРАБОТКА ТРОСТНИКОВОГО САХАРА-СЫРЦА Переработка тростникового сахара-сырца на свеклосахарных заводах Родиной сахарного тростника считается Новая Гвинея. Около 8 тыс.тлет до н.э. это растение распространилось во многих других районах Индонезии, Филиппинах, Индокитае, позднее в Индии сначала возделывали сахарный тростник как культурное растение, а сок его перерабатывали на сироп и кристаллический сахар. К 1600 г. сахарный тростник быстро распространился в американских тропиках, а сахарная промышленность стала самой крупной в мире. Из сахарного тростника получали сахарсырец, по морю его поставляли в Европу, где рафинировали, получая белый сахар и изделия из него. Сахарный тростник – это многолетние растение из семейства мятликовых. Высота тростника от двух до четырех метров, диаметр стебля 20…50 мм, состоит из отдельных суставов. Из узлов растут длинные ярко-зеленые листья, которые в нижней части стебля по мере роста желтеют и опадают, а сверху растения – стебля имеется метелка. Снаружи стебель имеет защитный древесный слой, а внутри – губчатую белую ткань, насыщенную сахарным соком. У растения имеется 30…40 и более узлов. Снизу эти узлы идут редко по 15…20 см, а к вершине чаще. Тростник из одной посадки дает несколько урожаев (3…4), у старых растений сахаристость снижается и их выкорчевывают и делают посадку новых черенков. Иногда обновляют ежегодно. Вегетация сахарного тростника длится в зависимости от сорта 12…24 месяца (на Кубе – 12 мес., на Гавайских островах 24 мес.). В недоспелом тростнике содержание сахарозы в верхней части стебля меньше, а в переспелом – наоборот, нижняя часть стебля беднее сахаром. Сахарный тростник считается спелым, когда содержание сахарозы станет примерно одинаковым во всех междуузлиях стебля. При уборке сахарного тростника стебель рубят так, чтобы внизу осталась почка для нового урожая. Урожайность сахарного тростника 40…50 т/га, 90 т/га, некоторые получают 300…400 т/га. Сахаристость 12…17 %. Сахарный тростник убирают – рубят вручную ножами или комбайнами. Технология получения сока из тростника и сахарной свеклы из-за различного химического состава отличаются. Сгущение сока выпариванием и кристаллизацией сахарозы отличаются мало. Большинство стран культивируют тростник, получают сахар-сырец (чистотой 96…98 %), который затем экспортируют в другие страны. Производство сахарного тростника можно разделить на III этапа. В состав завода входят тростниковоперерабатывающее, сокоочистительное и продуктовое отделения. Технология получения сока и его очистка Тростник взвешивают, моют и освобождают от примесей, камней, песка и прочего. Затем тростник по наклонному транспортеру поступает к ножамизмельчителям и далее к дробилке и мельнице. Ножи разрезают стебли на небольшие части. Изрезанная масса поступает в дробилку (2х валков), затем на 3х валковую мельницу (из 4 шт. последовательно). Под дробилкой и мельницами установлены сборники для сока. На I дробилке и первой мельнице отжимается 60…70 % сока, а остальное количество сока на других мельницах. На заводе стоят 1-2 дробилки и 3-7 мельниц. Такая линия называется тандемом. На мельнице продолжается отжатие сока с ополаскиванием (имбибиция) измельченной тростниковой массы. Сок (разбавленный после ополаскивания) с последней мельницы возвращают на первую мельницу, а разбавленный сок с последней мельницы на вторую. Благодаря такой схеме обессахаривание в головной части тандема удается получить малоразбавленный сок. Полученный сок стекает в поддон и через сито задерживаются частицы стеблей тростника (багацилло). Багацилло собирается и возвращается на первую мельницу. На имбибицию расходуется 15…30 % Н 2О к массе тростника. Полученый сок имеет состав: Иногда используют в совокупности с мельницами диффузионную установку, например, ДДС и получается выход сахарозы на 3 % больше, т.е. 97 %, но при этом усложняется технологическая схема. Тростниковая масса после последней мельницы называется багассой (жом). Выход ее 20…25 % к массе тростника, СВ = 50 % (в основном целлюлоза). Багасса используется как топливо в ТЭЦ, для получения бумаги, фурфурола, вискозы, воска, строительных материалов. Способность сахара-сырца к хранению Важным показателем в данном случае является влажность. Влага в сырце находится на поверхности кристаллов и чем больше влаги, тем интенсивнее развиваются микроорганизмы. Существует для сырца коэффициент безопасности Кб. Он характеризует отношение влаги сахара к массе несахаров Кб = W/(100 – Р). При коэффициенте безопасности не более 0,33, тростниковый сахар-сырец хранится долго и без изменений, а при Кб более 0,33 увеличивается его влажность, и соответственно идет интенсификация гидролитических процессов и жизнедеятельности микроорганизмов. Если Кб менее 0,25, то такой сахар комкуется. Для повышения стойкости сахар-сырец обрабатывают раствором оксида магния (0,01 % MgO к массе сахара) или 3 %-ным раствором кальцинированной соды. ТЕМА 4 САХАРОРАФИНАДНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Рафинадное производство возникло в России во второй половине XVII в. — за полтора столетия до того, как начало развиваться производство сахара из свеклы. К моменту возникновения производства сахара из свеклы (1802 г.) в России уже работали семь рафинадных заводов. Это были небольшие предприятия, выпускавшие около 5 ц рафинада в сутки каждое. На протяжении всего периода с половины XVII до начала XIX в. рафинадные заводы перерабатывали привозной тростниковый сахар-сырец. Возможность вырабатывать сахар из своего сырья — свеклы — послужила мощным стимулом для развития отечественного сахарного производства вообще и рафинадного производства в частности. К 1860 г. в России существовало уже 38 рафинадных заводов, но производственная мощность отдельного завода все еще не превышала нескольких десятков центнеров рафинада в сутки. В 1914 г. производственная мощность рафинадного завода достигла 900 ц в сутки и на 41 заводе вырабатывали около 0,8 млн т кускового рафинада. Всего в 1914 г. было выработано 1,7 млн т сахара, и, следовательно, рафинад в кусках составлял 47%. В нашей стране достигнут высокий уровень производства сахара-рафинада. Принципы рафинадного производства Рафинад как в виде кристаллов сахара, так и в виде кусочков характеризуется повышенной чистотой. Чистота рафинада по действующему ГОСТ 22-94 должна быть не ниже 99,9% и, следовательно, примесей допускается лишь 0,1%. В рафинаде по сравнению с обычным кристаллическим белым сахаром содержится примесей в 2,5 раза меньше. Однако наличие в сахаре 0,25% примесей обычно не сказывается на вкусовых и тем более на пищевых свойствах сахара. Чистота сахара тесно связана с его внешним видом, а эта характеристика имеет важнейшее значение. Привлекательный внешний вид кристаллического сахара в некоторых странах считают даже решающим для суждения о его сортности. Для оценки качества сахара по внешнему виду кристаллов предложены приборы (рефлектометры), которые должны объективно измерять степень блеска их при сопоставлении со степенью отражения света от эталонных поверхностей. Такие приборы пока распространения не получили, но следует признать, что блеск, степень отражения света – весьма важные показатели качества сахара, не менее важные, чем содержание ничтожной доли примеси. Внешний вид кристаллического сахара зависит также от размера кристаллов и степени их равномерности. Размер и равномерность кристаллов сахара определяют рассевом при помощи лабораторного набора сит и проводя соответствующие пересчеты. Кроме того, определяют количество нежелательных кристаллических сростков (друз), содержащихся среди монокристалликов сахара-песка. О чистоте сахара можно судить и по содержанию в нем золы. В результате рафинирования концентрация золы в рафинаде уменьшается примерно в 10 раз по сравнению с обычным сахаром. Концентрация золы в сахаре тесно связана с электропроводностью его раствора. Следовательно, электропроводность может быть важной характеристикой качества сахара. При нагревании сахар разлагается и окрашивается в коричнево-бурый цвет. Загрязнения, содержащиеся в сахаре, усиливают, как бы катализируют это разложение. Чем чище сахар, тем лучше он выдерживает нагревание, поэтому по интенсивности окраски, возникающей при нагревании сухого сахара на масляной бане в течение 15 мин при температуре 175°С, можно судить о его качестве. Среди сортов рафинада в РФ наиболее важным является кусковой. Эта форма рафинада возникает вследствие сцепления отдельных кристаллов (монокристаллов) сахара между собой. В монокристаллах молекулы сахара практически сплошь заполняют пространство, поэтому масса сахара в монокристалле, отнесенная к массе воды в том же объеме, должна являться физико-химической константой. Будем называть эту величину относительной плотностью сахарозы. Ее можно принять равной 1,59. Технология получения сахара-рафинада Очистка рафинада. Для повышения чистоты рафинада применяют два технологических процесса: перекристаллизацию; очистку, т. е. удаление загрязнений. Очищаемый сахар должен быть предварительно расклерован, т. е. растворен в воде. Первое условие всякого процесса кристаллизации сахара из раствора, а в частности и процесса перекристаллизации, заключается в том, что кристаллизуемое вещество (сахар) должно количественно преобладать над прочими компонентами (несахарами) сухого вещества раствора. При удалении воды в процессе уваривания маточный раствор становится пересыщенным только по отношению к сахару и остается ненасыщенным по отношению ко всем другим растворенным компонентам. При этом условии силы притяжения между молекулами сахара становятся большими, чем силы притяжения между ними и молекулами воды. Силы притяжения в процессе кристаллизации специфичны: они воздействуют только на сблизившиеся частицы кристаллизующегося вещества. Молекулы сахара, притягиваясь одна к другой, а затем к граням растущих кристаллов, получают возможность отделяться, изолироваться и от молекул воды, и от частиц растворенных примесей и укладываться в строгую кристаллическую решетку. Кристаллам сахара присущ молекулярный характер кристаллической решетки. В узлах решетки находятся молекулы сахара (не атомы и не ионы). В молекуле сахара «центры тяжести» положительных и отрицательных электрических зарядов не совпадают. В одной части молекулы преобладает положительный, в другой части – отрицательный заряд. Молекула полярна, в ней существуют два полюса и ее называют поэтому диполем. Таким образом, перекристаллизация, которая, несомненно, является мощным средством очистки сахара, имеет все же довольно определенные границы. Может оказаться, что путем одних перекристаллизаций трудно и даже невозможно избавиться от некоторой окрашенности получаемого сахара (желтоватые и сероватые оттенки), в особенности, если учесть, что в самом процессе перекристаллизации появляются новые окрашенные вещества — продукты разрушения сахара. К тому же операция перекристаллизации довольно громоздкая и дорогая. Поэтому, хотя в конечном счете основная масса загрязнений действительно концентрируется в оттеке последнего утфеля — рафинадной мелассе — и с ней выводится из завода, наряду с перекристаллизацией применяют очищающую обработку маточных растворов. В настоящее время в отечественной рафинадной промышленности очистку сиропов осуществляют в основном при помощи адсорбционного процесса. В качестве адсорбентов в рафинадном производстве применяют угли четырех различных типов: - костяной уголь (крупку) — этот адсорбент начали применять с начала XIX в., т. е. свыше полутораста лет назад; - гранулированный уголь, производство которого освоили в последнее десятилетие; - активный уголь типа норит; - активный уголь типа карборафин. Угли последних двух типов применяют уже несколько десятков лет. В последние годы в рафинадной промышленности для очистки находят все возрастающее применение иониты. Это искусственные смолы, продукты органического синтеза. Указанные выше адсорбенты — угли — являются пористыми веществами с сильно развитой, активно адсорбирующей поверхностью. Считают, что поверхность 1 г активного угля составляет несколько сот квадратных метров, а поверхность крупки хотя и меньше этой величины, но все же очень развита: около 100 м2 на 1 г. Известно, что соотношение количества различных веществ, адсорбированных какой-либо активной поверхностью из раствора, значительно отличается от соотношения этих веществ в обрабатываемом растворе даже в том случае, когда силы адсорбции этих веществ равны между собой. Получение кускового рафинада Придать сахару кусковую форму можно различными приемами, причем куски сахара не обязательно должны быть кристаллической структуры. Путем сплавления из отдельных кристаллов можно получать куски аморфного сахара. Однако, во-первых, нагревание сахара до температуры плавления, т. е. до 160…180°С, сопровождается значительным разложением и, во-вторых, получаемый расплав способен вновь кристаллизоваться и терять аморфную структуру. К аморфному сахару приближаются имеющие большее распространение леденцы и карамель кондитерского производства. Однако в них содержится вода, правда, в весьма малом количестве — 1…2%, а также сухие вещества добавленной карамельной патоки, которые сильно тормозят возможную кристаллизацию сахара. Сахарозе в кристаллическом состоянии можно придать кусковую форму различными путями: - выращиванием крупных монокристаллов размером в несколько сантиметров. Такие кристаллы, которые назывались кандисом, вырабатывались у нас в XIX в. и поступали в продажу. Монокристаллические куски отличаются значительной прочностью. Они очень медленно растворяются и поэтому даже кажутся менее сладкими, чем обычный сахар; - прессованием сухого сахара-песка или сахарной пудры. Под давлением, превышающим 100 ат (10 Мн/м2), кристаллы сахара дробятся в мельчайший порошок, причем между спрессованными крупинками этого порошка возникает весьма сильное взаимопритяжение. Метод сухого прессования находит некоторое применение для приготовления из кристаллической глюкозы плоских плиток и таблеток, поступающих в продажу. В рафинадной промышленности в настоящее время кусковой сахар получают из монокристаллов сцеплением их при помощи сахара же, который дополнительно вводят в промежутки между монокристаллами. Затвердевший цемент, размещенный между кварцевым песком и кусками щебня, весьма прочно соединяет их в механически единое, не имеющее пор целое - бетон. Этот процесс называют цементированием, или цементацией. Мы будем применять этот термин для обозначения рассматриваемого нами процесса образования кусков рафинада. При этом речь идет об аналогии чисто механической независимо от физикохимической сущности затвердевания цемента. В рафинаде монокристаллы сахара цементируются сахаром же, который выделяется из его раствора. Куски рафинада имеют пористую структуру. Можно указать на следующие технологические условия, которые осуществляются для придания сахару кусковой формы: - монокристаллы, которые надлежит соединить в кусок, находятся в неподвижном состоянии; - весьма желательно сблизить монокристаллы так, чтобы промежутки между ними были возможно меньше; - монокристаллы должны быть покрыты пленкой раствора сахара; - вода из раствора удаляется высушиванием, и растворенный сахар выделяется между монокристаллами. Процесс цементации можно представить себе как процесс сращивания монокристаллов за счет кристаллизации сахара, дополнительно выделяющегося из раствора в твердом виде. При этом предполагается образование сплошной и единой кристаллической решетки, которая включает как монокристаллы, ранее существовавшие отдельно, так и пространство между ними, соответствующее кратчайшим расстояниям. Указанное представление как будто подтверждается несомненным существованием кристаллических двойников сахара и его сростков. В случае существования единой кристаллической решетки для всего куска рафинада силы сцепления были бы силами когезии. При когезии, как известно, строение вещества по обе стороны любой плоскости, рассекающей тело, одинаково. На всем протяжении тела частицы (молекулы) А совершенно одинаково связаны с точно такими же частицами (молекулами) А. Варка утфелей и кристаллизационные схемы рафинадного завода Варка утфеля из рафинадного сиропа принципиально не отличается от варки утфеля из свекловичного сиропа, рассмотренной выше; нет существенных отличий и в конструкции вакуум-аппаратов и мешалок. Правда, вакуум-аппараты рафинадного завода обычно небольшой емкости. Ниже рассмотрены лишь некоторые специфические особенности варки рафинадных утфелей. 1. Варка рафинадных утфелей протекает значительно быстрее — она длится около 50 мин. Это обусловлено прежде всего высокой чистотой увариваемых сиропов, которая весьма близка к 100%. Варка рафинадных утфелей ускоряется также вследствие применения более высокой концентрации их, если используется костеугольная крупка. Быстрой варке способствует малый объем вакуум-аппаратов. На рафинадном производстве особенно важно следить за продолжительностью варки сиропов, чтобы избежать возможного нарастания цветности. 2. При обесцвечивании рафинадного сиропа костеугольной крупкой процент сухих веществ (СВ) рафинадных сиропов достигает 73 %. Варка концентрированных сиропов высокой чистоты представляет некоторые трудности. Она ведется темпами повышенной скорости. Если варщик запоздает с подкачкой при варке сиропов невысокой концентрации, то ошибку довольно легко можно исправить введением в вакуум-аппарат сравнительно небольшого количества резко ненасыщенного сиропа. При концентрированных же сиропах ошибки исправлять труднее. Высокая степень ритмичности работы рафинадного завода, которая исключает перебои в подаче сиропа, его застаивание и, что особенно важно, колебания концентрации, создает благоприятные условия для применения концентрированных сиропов. При изготовлении кускового рафинада к равномерности кристаллов сахара в утфелях предъявляются меньшие требования, так как они в дальнейшем подвергаются дроблению при прессовании. Желательно, чтобы концентрация рафинадных сиропов была возможно выше, так как это позволяет достигнуть значительной экономии в расходе пара и топлива. Как мы уже отмечали, к сожалению, при использовании иных обесцвечивающих средств, кроме крупки, приходится применять более низкие концентрации сиропов. Особенно низкие концентрации сиропов наблюдаются пока при очистке рафинадного сиропа ионитами. 3. Особенностью варки рафинадных утфелей обычно является — введение ультрамарина после набора вакуум-аппарата рафинадным сиропом. Требуемую порцию ультрамарина разводят в 2…3 л воды, суспензию фильтруют через густое сито и вводят в вакуум-аппарат через специальную трубку. 4. Обычно при варке 2-го рафинадного утфеля, но иногда и при варке 1-го рафинадного утфеля, в вакуум-аппарат вводят гидросульфит в количестве 200 г на 100 ц утфеля. Для более равномерного действия гидросульфит вводят в два приема — до заводки кристалла и к концу уваривания. 5. В отличие от кристаллов утфелей кускового рафинада к кри- сталлам утфелей рафинированного песка предъявляют повышенные требования и по однородности их, отсутствию сростков, блеску поверхности. 6. Утфель, предназначенный для получения литых сортов рафинада, подвергают перед спуском из вакуум-аппарата нагреванию до 90…98°С, при котором происходит значительное растворение уже выкристаллизовавшегося сахара. Спуск утфеля при высокой температуре нужен в данном случае для того, чтобы обеспечить высокое содержание сухих веществ (СВ) межкристального оттека и наличие в последнем большого количества растворенного сахара, которое будет выкристаллизовано в дальнейшем при охлаждении утфеля в формах. Утфель литого рафинада обычно спускают при несколько более высоком СВ (93%), в то время как СВ утфеля прессованного рафинада составляет около 92%. Прессование кашки Из центрифуг выводят монокристаллы рафинада с пленкой клерса на них. Это так называемая кашка. Ее насыпная масса 0,8…0,9, т. е. в кашке имеется довольно значительное количество пор, заполненных воздухом. Такая пористость кашки позволяет прессовать ее. Прессовать же сами монокристаллы невозможно, так как отдельно взятый кристалл несжимаем. Влажность рафинадной кашки варьируют в значительных пределах — 3-2% и менее — в зависимости от того, какой прочности рафинад нужно выработать. Поэтому при промывании кашку выводят из центрифуги раньше того момента, чем будет отделено все возможное количество оттека. На кристаллах сознательно оставляют такое количество клерса, которое соответствует заданному содержанию воды в кашке. Влажность рафинадной кашки можно контролировать при помощи прибора системы Бонвеча. Прибор замеряет объем газообразного ацетилена, который выделяется при взаимодействии определенной навески (5-10 г) рафинада с избытком карбида кальция. Сушка рафинада Сушку рафинада, а точнее говоря высушивание сахарного раствора, содержащегося в рафинаде, осуществляют одним из двух способов, резко отличающихся один от другого. При сушке рафинада первым способом в сушильной камере поддерживают разряжение и образующиеся водяные пары непрерывно отсасывают. Среда, окружающая влажный рафинад — это почти чистый водяной пар, содержащий лишь небольшую примесь воздуха, проникшего в сушилку. Во втором способе (рис. 11 б) сушку рафинада ведут горячим воздухом, прокачиваемым через сушильную камеру. Среда, окружающая влажный рафинад, — это воздух более или менее влажный, т. е. смесь сухого воздуха и водяных паров. Если обозначить давление водяных паров у самой поверхности высушиваемого рафинада через Pр, а давление чистого водяного пара при первом способе сушки либо парциальное давление пара в воздухе при втором способе сушки — через Рп, то скорость испарения влаги будет прямо пропорциональна разности Рр – Рп Рис.11. Схема типа сушилок: 5.1. Технология получения сока и его очистка Тростник взвешивают, моют и освобождают от примесей, камней, песка и прочего. Затем тростник по наклонному транспортеру поступает к ножамизмельчителям и далее к дробилке и мельнице. Ножи разрезают стебли на небольшие части. Изрезанная масса поступает в дробилку (2х валков), затем на 3х валковую мельницу (из 4 шт. последовательно). Под дробилкой и мельницами установлены сборники для сока. На I дробилке и первой мельнице отжимается 60…70 % сока, а остальное количество сока на других мельницах. На заводе стоят 1-2 дробилки и 3-7 мельниц. Такая линия называется тандемом. На мельнице продолжается отжатие сока с ополаскиванием (имбибиция) измельченной тростниковой массы. Сок (разбавленный ополаскивания) с последней мельницы возвращают на первую мельницу, а после разбавленный сок с последней мельницы на вторую. Благодаря такой схеме обессахаривание в головной части тандема удается получить малоразбавленный сок. Полученный сок стекает в поддон и через сито задерживаются частицы стеблей тростника (багацилло). Багацилло собирается и возвращается на первую мельницу. На имбибицию расходуется 15…30 % Н2О к массе тростника. Полученый сок имеет состав: СВ – 14-16 %; Чистота – 80-86 %; рН – 4,5-5,5; Сахарозы из тростника извлекается 92-94 %; Выход 100…115 к массе тростника. 68 Иногда используют в совокупности с мельницами диффузионную установку, например, ДДС и получается выход сахарозы на 3 % больше, т.е. 97 %, но при этом усложняется технологическая схема. Тростниковая масса после последней мельницы называется багассой (жом). Выход ее 20…25 % к массе тростника, СВ = 50 % (в основном целлюлоза). Багасса используется как топливо в ТЭЦ, для получения бумаги, фурфурола, вискозы, воска, строительных материалов. Принципиальная схема очистки сока приведена на рис.7 Взвешивание В дефекатор (при перемешивании) 10’+0,1-0,2 % извести, рН=9,5 После обработки известью подогрев в теплообменнике до кипения и в отстойник на 3-4 ч. Образуются Отстоявшийся нерастворимые соли (под сок (декантат) воздействием извести) Сгущенная суспензия Фильрационный осадок называется На фильтр качассой, его 3 % к массе тростника Рис. 4 Принципиальная схема очистки сока Из мелассы получают воски – ценное сырье для химической промышленности. Существует много различных схем переработки тростника, которые могут иметь следующие операции: 69 1. Известь добавляют в два приема перед нагревом и после нагрева сока в теплообменнике. 2. Добавление и нагрев сока осуществляют дважды. 3. Для улучшения процесса осаждения осадка добавляют Н3РО4 (0,03 % к массе сока). 4. На многих заводах ведут раздельно очистку самого сока и разбавление сока (ополаскивание). Сгущенную суспензию подают в разбавленный сок. Тростниковые сахарные заводы не имеют своих известково-газовых печей. Негашеную известь, упакованную в бумажные мешки, они покупают и готовят молоко. Сок сульфитируют диоксидом серы до нейтральной реакции по фенолфталеину. Но перед сульфитацией в холодный сок добавляют 0,080,18 % СаО (до сильно щелочной реакции). После этого сок нагревают и отправляют на отстаивание. Сгущение сока выпариванием и кристаллизация. Очищенный сок сгущается в четырехкорпусной установке, также как и на свеклосахарных заводах. Температура по ее корпусам: I – 1060С, II – 960С, III – 820С, IV – 580С. Концентрация получаемого сиропа – 60…65 %, чистота сиропа – 83…86 %. Для кристаллизации в основном используют трехкристаллизационную схему. Несахара тростникового сахара-сырца отличаются от свекловичного сахара. Среди них имеются: - красящие вещества; - альдегиды; - органические кислоты; - редуцирующие вещества (глюкозы + фруктоза); - коллоидные вещества; - ВМС (пектин, декстран); 70 - жиры, воски, смолы; - минеральные оксиды. Количественный состав компонентов сахара-сырца ( %): Сахароза Вода Несахара: Редуцирующие Органические вещества Зола Цветность, усл. ед. рН раствора сахара-сырца 96,5…98; 0,4…0,8; 1,5…2,0; 0,6…0,9; 0,7…1,0; 0,4…0,5; 40…50; 6,2…6,5. Качество тростникового сахара-сырца оценивается по процентному содержанию в нем сахарозы: 97…98 % сахарозы – сырец хорошего качества, до 96 % низкого качества. 5.2. Способность сахара-сырца к хранению Важным показателем в данном случае является влажность. Влага в сырце находится на поверхности кристаллов и чем больше влаги, тем интенсивнее развиваются микроорганизмы. Существует для сырца коэффициент безопасности Кб. Он характеризует отношение влаги сахара к массе несахаров Кб = W/(100 – Р). При коэффициенте безопасности не более 0,33, тростниковый сахарсырец хранится долго и без изменений, а при Кб более 0,33 увеличивается его влажность, и соответственно идет интенсификация гидролитических процессов и жизнедеятельности микроорганизмов. Если Кб менее 0,25, то такой сахар комкуется. Для повышения стойкости сахар-сырец обрабатывают раствором оксида магния (0,01 % MgO к массе сахара) или 3 %-ным раствором кальцинированной соды. Допустимая влажность при хранении сахара-сырца 71 СХ,% 99,0 98,5 98,0 97,5 97,0 96,5 96,0 95,0 94,0 Wдопустимая, % 0,33 0,50 0,66 0,82 0,99 1,15 1,32 1,65 1,98. Для сахара низкого качества допускается большая влажность. Вопросы для самоконтроля по теме 5 1. Состав тростникового сахар-сырца. 2. Варианты очистки диффузионного сока. 3. Технология получения сока из тростника. 4. Условия хранения сахар-сырца. 5. Багасса ее выход и значение. Тест по теме 5 1. Содержание сахарозы в тростнике (%): А) 9 – 12; В)16 – 18; Б) 12 – 17; Г) 18 – 20. 2. Содержание клетчатки в сахарном тростнике (%): А) 10 ; В)14; Б) 12; Г) 16. 3. Чистота сока, полученного из тростника (%): А) 74 – 80; В) 86 – 90; Б) 80 – 86; Г) 90 – 94. 4. Содержание сахарозы в тростниковом сахаре-сырце (%): А) 90 – 94; В) 96 – 98; Б) 94 – 96; Г) 98 – 99. 5. Вещества, относящиеся к несахарам сахара-сырца: А) альдегиды; В) амиды; Б) холин; Г) воски, смолы. 72 Таблица правильных ответов по теме 5 Номер теста 1 2 3 4 5 Ответ Б Б Б В А, Г Тема 6. Получение известкового молока и сатурационного газа 6.1. Химические основы получения извести и углекислоты Реакция. В технике сахарного производства для получения извести и СО2 используется реакция разложения СаСО3 при нагревании СаСО3 + 42,5 ккал (177,93 кДж) = СаО + СО2. Итак, для разложения г-мол СаСО3, т.е. 100 г, требуется 42,5 ккал (177,93 кДж), или на 1 кг СаСО3 нужно 425 ккал (1779,39 кДж). Диссоциация СаСОз происходит лишь при повышенной тем- пературе. Чем выше температура, тем больше давление выделяющегося углекислого газа (подобно тому, как с повышением температуры увеличивается давление водяных паров): при температуре 882°С давление СО2 при разложении СаСО3 достигает 1 ат (0,1 Мн/м2), при 1000°С это давление равняется уже 3,57 ат (0,35 Мн/м2). Таким образом, СаСО3 при температуре ниже 900°С почти не разлагается. Чтобы разложение шло достаточно быстро, его ведут при температуре 1000…1100° С и не выше 1200°С, так как при слишком высокой температуре (например, при 1300°С) образуются с имеющимися примесями силикаты и алюминаты кальция и натрия (CaO·SiO2; СаО·Al2O3·Na2O·SiО2 и т.п.), которые, сплавляясь, обволакивают частицы 73 СаО и препятствуют в дальнейшем гашению извести, т.е. получается так называемый перепал. Материал. Материалом для получения извести служит природный камень - известняк. Хороший известняк характеризуется таким составом в процентах: Углекислый кальций (CаCO3) Гипс (CaSO4) Оксиды (Na2O, К2О) Углекислый магний (MgCO3) Кремнезем (SiO2) Вода (Н2О) Известняк с содержанием СаСО3 не менее 95; не более 0,2; не более 0,2; не более 1,5; не более 2,0; не более 0,5. менее 92% считается уже низкокачественным. Примеси не только снижают содержание СаСО3, но некоторые из них оказывают специфическое вредное влияние в сахарном производстве. Кремнезем, давая плавкие силикаты, увеличивает количество перепала. Куски известняка внутри печи спаиваются, образуя «козлы» и опасное «зависание» печи. Переходя частично в раствор в коллоидном состоянии, силикаты затем выделяют осадок SiO2 на поверхности нагрева выпарки. Иногда также вследствие выделения коллоидной кремневой кислоты замедляется фильтрация. Гипс, слабо растворимый в воде (около 0,2%), также приводит к образованию осадков на выпарке. Щелочи сплавляются с футеровкой печи, образуя силикаты, и вызывают быстрый износ футеровки. Устройство известняковообжигательных печей Шахтная бельгийская печь (рис. 8). Для обжига известняка приме- няют шахтные пересыпные печи. Такая печь имеет шахту кругового сечения, несколько суживающуюся кверху и книзу. Высота шахты 11…18 74 м. Стенки шахты выложены из огнеупорного кирпича и заключены для прочности и плотности в железный кожух. Печь опирается на железные колонны (висит). Печь, заполненная кусками обжигаемого известняка, смешанного с антрацитом (или коксом), действует непрерывно: через каждые 2 ч из-под открытого нижнего отверстия шахты выгребают определенное количество готовой извести, причем все содержимое печи несколько опускается; в освободившееся пространство в верхней части печи через загрузочную воронку, закрываемую подъемным колоколом, загружают новую порцию смеси известняка с антрацитом. Воздух для горения поступает в открытую нижнюю часть печи, а газообразные продукты горения в смеси с углекислым газом, выделившимся из известняка, отсасываются через трубу из верхней части печи газовым насосом. В период растопки печи или при остановках насоса можно вести (поддерживать) горение и на естественной тяге, открывая вертикальную трубу, выводящую газы через крышу верхней надстройки печи. Длительность пребывания известняка в печи 24 ч. При установившейся работе печи антрацит горит в средней ее части, где и развивается максимальная температура (1000…1100°С) – зона обжига. Выше этой зоны температура постепенно уменьшается (падает) – там нет горения, потому, что в газе остается мало кислорода; газы здесь охлаждаются, подогревая, известняк и антрацит (по принципу противотока). Следовательно, это зона подогрева. Ниже зоны обжига температура также падает, так как горения тоже нет, потому что весь антрацит уже сгорел; раскаленная известь здесь постепенно охлаждается, отдавая тепло холодному воздуху, поступающему снизу. Эту зон называют зоной охлаждения. 75 По высоте печи на зону подогрева приходится приблизительно 25%, на зону обжига – 50% и на зону охлаждения – 25% рабочего объема печи. Известняковообжигательная шахтная печь хорошо использует теплоту топлива, так как верхняя часть ее является экономайзером, снижающим температуру отходящих газов приблизительно до 200°С, а нижняя часть — воздушным экономайзером, использующим теплоту извести, которую выгребают при температуре 50…100° С. Рис.8. Бельгийская известняковообжигательная печь (температура указана в 0С) 6.2. Получение известкового молока Известь для получения известкового молока гасится промоями из фильтров в известегасильном аппарате системы Мика. При этом окись кальция превращается в гидрат окиси СаО +Н2О = Са(ОН)2+14,6 ккал (61,13 кДж). Реакция гашения извести экзотермическая: на 56 г ее (г-мол СаО) выделяется 14,6 ккал (61,13 кДж) тепла, или на 1 кг – 261 ккал (1093 кДж). 76 При гашении куски извести разрушаются и гидрат окиси кальция получается в виде тонкой суспензии - «известкового молока». Известегасильный аппарат представляет собой горизонтальный цилиндрический барабан (рис. 9), который вращается на роликах, являющихся его опорами. Внутри барабана укреплены по винтовой линии лопатки, перемешивающие куски извести с водой и двигающие к концу барабана неразгасившиеся куски недопала. Здесь они выбрасываются из барабана по наклонной плоскости. Известковое молоко вытекает из этого же конца барабана. В другой конец его, куда подается известь для гашения, поступает также и промой для получения известкового молока. На рис. 10 представлена принципиальная схема получения извести, известкового молока и сатурационного газа. При недостаточной подаче промоев температура при гашении, поднимается так высоко, что сахар, содержащийся в промоях, может разлагаться с образованием темноокрашенных карамелей. Поэтому нужно поддерживать бесперебойную равномерную подачу промоев в аппарат. Обычно температура известкового молока бывает около 65°С. Барабан аппарата делает 3 мин-1. Из известегасильного аппарата Мика известковое молоко через сито поступает в горизонтальную корытообразную песколовушку системы Русселя—Дорошенко. Это – полуцилиндрическое корыто. Оно разделено поперечными перегородками на 14 отделений. В каждом отделении двигаются черпаки , прикрепленные к валу , делающему 2-3 мин-1 от электродвигателя . Черпаки (по одному для каждой секции) захватывают со дна песок по всей ширине секций и передают его в специальные карманы соседних секций, расположенных ближе к тому концу, куда поступает известковое молоко (к правому). Такое перемещение песка достигается благодаря тому, что черпаки по всему их периметру имеют бортики, кроме сливной стороны. Песок, попавший в карман, опускается на дно 77 следующей секции. Известковое молоко, очищаясь, переходит переливом через борта перегородок к левому концу ловушки. Песок, перебрасываясь, доходит до правого конца к наклонному шнеку и удаляется из аппарата. В настоящее время для полного удаления частиц недопала и перепала с большим успехом пользуются также гидроциклонами. Рис.9. Известегасильный аппарат 78 Рис.10. Принципиальная схема получения извести, известкового молока и сатурационного газа Вопросы для самоконтроля по теме 6 1. Основная реакция в сахарном производстве для получения извести. 2. Устройство и принцип работы известняковообжигательной печи. 3. Получение известкового молока. 4. Основные требования и состав природного известняка. 5. Реакция гашения извести при получении известкового молока. 79 Тест по теме 6 1. Содержание углекислого кальция в природном известняке (%, не менее): А) 75; В) 95; Б) 85; Г) 98. 2. Температура в зоне обжига известковой печи (0С): А) 800-900; В) 1000-1100; Б) 900-1000 ; Г) 1100-1200. 3. При какой температуре выгребают известь из известково- обжигательной печи (0С): А) 50-100; В) 150-200; Б) 100-150; Г) 200-250. 4. Температура известкового молока при гашении (0С): А) 45; В) 65; Б) 55; Г) 75. 5. Длительность пребывания известняка в печи при его обжиге (час): А) 12; Б) 24; В) 36; Г) 48. Таблица правильных ответов по теме 6 Номер теста Ответ 1 В 2 В 3 А 4 В 5 Б 80 Тема 7. Сахарорафинадное производство Рафинадное производство возникло в России во второй половине XVII в. — за полтора столетия до того, как начало развиваться производство сахара из свеклы. К моменту возникновения производства сахара из свеклы (1802 г.) в России уже работали семь рафинадных заводов. Это были небольшие предприятия, выпускавшие около 5 ц рафинада в сутки каждое. На протяжении всего периода с половины XVII до начала XIX в. рафинадные заводы перерабатывали привозной тростниковый сахар-сырец. Возможность вырабатывать сахар из своего сырья — свеклы — послужила мощным стимулом для развития отечественного сахарного производства вообще и рафинадного производства в частности. К 1860 г. в России существовало уже 38 рафинадных заводов, но производственная мощность отдельного завода все еще не превышала нескольких десятков центнеров рафинада в сутки. В 1914 г. производственная мощность рафинадного завода достигла 900 ц в сутки и на 41 заводе вырабатывали около 0,8 млн т кускового рафинада. Всего в 1914 г. было выработано 1,7 млн т сахара, и, следовательно, рафинад в кусках составлял 47%. В нашей стране достигнут высокий уровень производства сахарарафинада. 7.1. Принципы рафинадного производства Рафинад как в виде кристаллов сахара, так и в виде кусочков характеризуется повышенной чистотой. Чистота рафинада по действующему ГОСТ 22-94 должна быть не ниже 99,9% и, следовательно, примесей допускается лишь 0,1%. В рафинаде по сравнению с обычным кристаллическим белым сахаром содержится примесей в 2,5 раза меньше. Однако наличие в сахаре 0,25% 81 примесей обычно не сказывается на вкусовых и тем более на пищевых свойствах сахара. Чистота сахара тесно связана с его внешним видом, а эта характеристика имеет важнейшее значение. Привлекательный внешний вид кристаллического сахара в некоторых странах считают даже решающим для суждения о его сортности. Для оценки качества сахара по внешнему виду кристаллов предложены приборы (рефлектометры), которые должны объективно измерять степень блеска их при сопоставлении со степенью отражения света от эталонных поверхностей. Такие приборы пока распространения не получили, но следует признать, что блеск, степень отражения света – весьма важные показатели качества сахара, не менее важные, чем содержание ничтожной доли примеси. Внешний вид кристаллического сахара зависит также от размера кристаллов и степени их равномерности. Размер и равномерность кристаллов сахара определяют рассевом при помощи лабораторного набора сит и проводя соответствующие пересчеты. Кроме того, определяют количество нежелательных кристал- лических сростков (друз), содержащихся среди монокристалликов сахарапеска. О чистоте сахара можно судить и по содержанию в нем золы. В результате рафинирования концентрация золы в рафинаде уменьшается примерно в 10 раз по сравнению с обычным сахаром. Концентрация золы в сахаре тесно связана с электропроводностью его раствора. Следовательно, электропроводность может быть важной характеристикой качества сахара. При нагревании сахар разлагается и окрашивается в коричневобурый цвет. Загрязнения, содержащиеся в сахаре, усиливают, как бы катализируют это разложение. Чем чище сахар, тем лучше он выдерживает нагревание, поэтому по интенсивности окраски, 82 возникающей при нагревании сухого сахара на масляной бане в течение 15 мин при температуре 175°С, можно судить о его качестве. Среди сортов рафинада в РФ наиболее важным является кусковой. Эта форма рафинада возникает вследствие сцепления отдельных кристаллов (монокристаллов) сахара между собой. В монокристаллах молекулы сахара практически сплошь заполняют пространство, поэтому масса сахара в монокристалле, отнесенная к массе воды в том же объеме, должна являться физико-химической константой. Будем называть эту величину относительной плотностью сахарозы. Ее можно принять равной 1,59. 7.2. Технология получения сахара-рафинада Очистка рафинада. Для повышения чистоты рафинада применяют два технологических процесса: перекристаллизацию; очистку, т. е. удаление загрязнений. Очищаемый сахар должен быть предварительно расклерован, т. е. растворен в воде. Первое условие всякого процесса кристаллизации сахара из раствора, а в частности и процесса перекристаллизации, заключается в том, что кристаллизуемое вещество (сахар) должно количественно преобладать над прочими компонентами (несахарами) сухого вещества раствора. При удалении воды в процессе уваривания маточный раствор становится пересыщенным только по отношению к сахару и остается ненасыщенным по отношению ко всем другим растворенным компонентам. При этом условии силы притяжения между молекулами сахара становятся большими, чем силы притяжения между ними и молекулами воды. Силы притяжения в процессе кристаллизации специфичны: они воздействуют только на сблизившиеся частицы кристаллизующегося вещества. 83 Молекулы сахара, притягиваясь одна к другой, а затем к граням растущих кристаллов, получают возможность отделяться, изолироваться и от молекул воды, и от частиц растворенных примесей и укладываться в строгую кристаллическую решетку. Кристаллам сахара присущ молекулярный характер кристаллической решетки. В узлах решетки находятся молекулы сахара (не атомы и не ионы). В молекуле сахара «центры тяжести» положительных и отрицательных электрических зарядов не совпадают. В одной части молекулы преобладает положительный, в другой части – отрицательный заряд. Молекула полярна, в ней существуют два полюса и ее называют поэтому диполем. Таким образом, перекристаллизация, которая, несомненно, является мощным средством очистки сахара, имеет все же довольно определенные границы. Может оказаться, что путем одних перекристаллизаций трудно и даже невозможно избавиться от некоторой окрашенности получаемого сахара (желтоватые и сероватые оттенки), в особенности, если учесть, что в самом процессе перекристаллизации появляются новые окрашенные вещества — продукты разрушения сахара. К тому же операция перекристаллизации довольно громоздкая и дорогая. Поэтому, хотя в конечном счете основная масса загрязнений действительно концентрируется в оттеке последнего утфеля — рафинадной мелассе — и с ней выводится из завода, наряду с перекристаллизацией применяют очищающую обработку маточных растворов. В настоящее время в отечественной рафинадной промышленности очистку сиропов осуществляют в основном при помощи адсорбционного процесса. В качестве адсорбентов в рафинадном производстве применяют угли четырех различных типов: 84 - костяной уголь (крупку) — этот адсорбент начали применять с начала XIX в., т. е. свыше полутораста лет назад; - гранулированный уголь, производство которого освоили в последнее десятилетие; - активный уголь типа норит; - активный уголь типа карборафин. Угли последних двух типов применяют уже несколько десятков лет. В последние годы в рафинадной промышленности для очистки находят все возрастающее применение иониты. Это искусственные смолы, продукты органического синтеза. Указанные выше адсорбенты — угли — являются пористыми веществами с сильно развитой, активно адсорбирующей поверхностью. Считают, что поверхность 1 г активного угля составляет несколько сот квадратных метров, а поверхность крупки хотя и меньше этой величины, но все же очень развита: около 100 м2 на 1 г. Известно, что соотношение количества различных веществ, адсорбированных какой-либо активной поверхностью из раствора, значительно отличается от соотношения этих веществ в обрабатываемом растворе даже в том случае, когда силы адсорбции этих веществ равны между собой. Получение кускового рафинада Придать сахару кусковую форму можно различными приемами, причем куски сахара не обязательно должны быть кристаллической структуры. Путем сплавления из отдельных кристаллов можно получать куски аморфного сахара. Однако, во-первых, нагревание сахара до температуры плавления, т. е. до 160…180°С, сопровождается значительным разложением и, во-вторых, получаемый расплав способен 85 вновь кристаллизоваться и терять аморфную структуру. К аморфному сахару приближаются имеющие большее распространение леденцы и карамель кондитерского производства. Однако в них содержится вода, правда, в весьма малом количестве — 1…2%, а также сухие вещества добавленной карамельной патоки, которые сильно тормозят возможную кристаллизацию сахара. Сахарозе в кристаллическом состоянии можно придать кусковую форму различными путями: - выращиванием крупных монокристаллов размером в несколько сантиметров. Такие кристаллы, которые назывались кандисом, вырабатывались у нас в XIX в. и поступали в продажу. Монокристаллические куски отличаются значительной прочностью. Они очень медленно растворяются и поэтому даже кажутся менее сладкими, чем обычный сахар; - прессованием сухого сахара-песка или сахарной пудры. Под давлением, превышающим 100 ат (10 Мн/м2), кристаллы сахара дробятся в мельчайший порошок, причем между спрессованными крупинками этого порошка возникает весьма сильное взаимопритяжение. Метод сухого прессования находит некоторое применение для приготовления из кристаллической глюкозы плоских плиток и таблеток, поступающих в продажу. В рафинадной промышленности в настоящее время кусковой сахар получают из монокристаллов сцеплением их при помощи сахара же, который дополнительно вводят в промежутки между монокристаллами. Аналогичные процессы структурообразования широко рас- пространены и в природе, и в технике. Процесс образования льда из отдельных кристалликов снега, сплошное затвердевание расплавленных металлов в слитки, в которых все 86 же сохраняются монокристаллы, выделившиеся в начале затвердевания, можно рассматривать как примеры таких процессов. Сюда в некотором отношении близко бетонообразование. Затвердевший цемент, размещенный между кварцевым песком и кусками щебня, весьма прочно соединяет их в механически единое, не имеющее пор целое - бетон. Этот процесс называют цементированием, или цементацией. Мы будем применять этот термин для обозначения рассматриваемого нами процесса образования кусков рафинада. При этом речь идет об аналогии чисто механической независимо от физикохимической сущности затвердевания цемента. В рафинаде монокристаллы сахара цементируются сахаром же, который выделяется из его раствора. Куски рафинада имеют пористую структуру. Можно указать на следующие технологические осуществляются для придания сахару кусковой формы: - монокристаллы, которые неподвижном состоянии; надлежит соединить в условия, кусок, которые находятся в - весьма желательно сблизить монокристаллы так, чтобы промежутки между ними были возможно меньше; - монокристаллы должны быть покрыты пленкой раствора сахара; - вода из раствора удаляется высушиванием, и растворенный сахар выделяется между монокристаллами. Процесс цементации можно представить себе как процесс сращивания монокристаллов за счет кристаллизации сахара, дополнительно выделяющегося из раствора в твердом виде. При этом предполагается образование сплошной и единой кристаллической решетки, которая включает как монокристаллы, ранее существовавшие отдельно, так и пространство между ними, соответствующее кратчайшим расстояниям. Указанное представление как будто подтверждается 87 несомненным существованием кристаллических двойников сахара и его сростков. В случае существования единой кристаллической решетки для всего куска рафинада силы сцепления были бы силами когезии. При когезии, как известно, строение вещества по обе стороны любой плоскости, рассекающей тело, одинаково. На всем протяжении тела частицы (молекулы) А совершенно одинаково связаны с точно такими же частицами (молекулами) А. Какова же структура кусочков рафинада? В какой мере ее уточнили следующие лабораторные опыты? 1. Сахаром были сцементированы отдельные крупинки кварцевого песка, которые не могли расти за счет сахарного раствора. Более того, цементировалось и вещество вовсе не кристаллическое, но аморфное. Обычное стекло, истолченное в порошок, было перемешано концентрированным, чистым раствором сахара, спрессовано в брусок с и высушено.. Полученные пористые куски при испытании на раздавливание показали прочность превышающую, а на скорость растворения — равную обычным показателям для рафинада. 2. В качестве цементирующего материала применяли мелассу свеклосахарного производства. В ней хотя и содержится сахар, но кристаллизоваться он не способен. Кристаллики сахара были перемешаны с мелассой, спрессованы и высушены. Полученные куски по раздавливанию и скорости растворения не отличались от обычного крепкий рафинад был получен и без прессования. рафинада. 3. Довольно Магму, состоящую из кварцевого песка, перемешанного с сахарным раствором, заливали в маленькую головную форму и высушивали, прочность образовавшихся кусков была довольно высокой. Из изложенного можно сделать вывод, что при образовании кусков рост уже имевшихся кристаллов сахара вовсе не влияет на их сцепление 88 либо имеет лишь второстепенное значение. Решающую же роль играет сахар, дополнительно выделяющийся из пленки, который не образует единой кристаллической решетки с кристаллами, но, несомненно, создает среду, по своей структуре несколько обособленную от крупных монокристаллов. В каком же агрегатном состоянии находится этот дополнительно выделяющийся из пленки сахар: в кристаллическом, в аморфном или в леденцовом растворе, содержащем немного воды? Чтобы разобраться в этом вопросе, прежде всего нужно отметить, что в современной науке нет резкого противопоставления кристаллического состояния аморфному. Стеклообразное состояние считают более близким к твердому кристаллическому, отличающемуся от него только степенью упорядоченности молекул, чем к состоянию подвижной жидкости. Несомненно, часть дополнительно выделяющегося из пленки сахара образует самостоятельные кристаллы различных размеров, преимущественно весьма мелких. Эти кристаллики играют роль наполнителя аналогично песку и гравию в бетоне. Однако можно думать, что часть дополнительно выделяющегося сахара не находится в кристаллическом состоянии в классическом понимании этого термина. Это видно из того хотя бы, что при погружении кусочка рафинада в пересыщенный раствор механическая прочность его заметно уменьшается, т. е. дополнительно прессование; сушку рафинада и цементирование кусков (если рафинад прессуют в виде брусков, то высушенный рафинад подвергают колке); расфасовку кусков рафинада. При всех операциях рафинадного производства необходимо реакцию среды поддерживать возможно более близкой к нейтральной, т. 89 е. к рН 7. Как известно, кислая реакция способствует инверсии сахара, щелочная — образованию окрашенных продуктов. По возможности все технологические процессы следует проводить при относительно невысокой температуре и возможно быстрее. В рафинадной мелассе содержится повышенное количество редуцирующих веществ. Если в исходном сахаре-песке их содержится 0,03%, то при выходе 1% рафинадной мелассы на 100 частей растворенной сахарозы в результате сгущения редуцирующие вещества должны бы составить 3% к массе мелассы. За типичные условия ведения технологических процессов рафинадного производства принимаются следующие: температура растворов 100°С; длительность производственного цикла от растворения сахара-песка до получения рафинадной мелассы 106 ч; рН=7. При таких условиях за счет кислотного гидролиза может проинвертироваться 5% сахарозы в мелассе. Всего в мелассе должно бы содержаться 8% редуцирующих веществ. В действительности их содержится в 3-5 раз больше. Ниже процесс распада сахарозы рассматривается более детально. Он протекает следующим образом (по Иванову): Из приведенной схемы видно, что процесс распада сахарозы складывается из нескольких этапов и должен быть отнесен к последовательным (консекутивным) реакциям. Особо важным является то обстоятельство, что в числе продуктов разложения сахарозы получаются органические кислоты. Наличие в растворе ионов 90 водорода Н+, точнее ионов гидроксония Н3О+, каталитически ускоряет первый этап процесса, т. е. реакцию гидролиза (инверсии) сахарозы. В щелочной среде также идет процесс разложения сахарозы. Он отнюдь не аналогичен процессу инверсии, но также зависит от концентрации ионов, в данном случае гидроксильных, которые катализируют его. Полагают, что скорость этого разложения прямо пропорциональна концентрации [ОН] -. Наименьшее разложение сахарозы проходит при нейтральной реакции, при которой и стремятся вести технологические процессы. В связи с дальнейшим изложением уточним некоторые термины. В рафинадном производстве применяют 5…7 последовательных кристаллизаций. Из первых утфелей получают товарный рафинад, из последующих, продуктовых — промежуточные кристаллические сахара: сахар, который направляют на перекристаллизацию. В развернутой кристаллизационной схеме три рафинадных утфеля: нулевой, первый рафинадный и второй рафинадный. Затем следуют четыре продуктовых утфеля снижающейся чистоты. Последний выводимый с завода оттек называется рафинадной мелассой. Для промывания кристаллов сахара рафинадных утфелей применяют сироп лучшего качества, называемый клерсом. Перейдем к более детальному рассмотрению операций рафинирования. Роспуск кристаллического сахара Отделение для роспуска сахара-песка (роспускное) обычно размещают в секции склада сахара. Приготовленный рафинадный сироп перекачивают в главный корпус рафинадного завода по трубопроводу, который часто размещают в галерее, соединяющей склад и завод. Через эту же галерею проходят трубопроводы, по которым в роспускное отделение поступают конденсат и промой. 91 Периодически действующих клеровочных котлов устанавливают не менее двух. В одном котле растворяют сахар, а из другого выкачивают приготовленный сироп. Разработаны клеровочные котлы непрерывного действия, в которых растворяемый песок и вода движутся в прямотоке. В этом случае поступление сахара и воды должно строго дозироваться автоматически или вручную по концентрации получаемой клеровки (сиропа). По конструкции периодически действующие клеровочные котлы рафинадного завода аналогичны котлам, применяемым на сахарном заводе. Они имеют форму вертикального цилиндра диаметром около 1,5 м и высотой около 1,3 м. При таких размерах клеровочные котлы удобны для обслуживания. Для подогрева клеровки применяют открытый пар, так как на поверхности нагрева возможна карамелизация сахара. Для впуска пара на дне котла уложен барботер — изогнутая в круг труба с отверстиями диаметром 5 мм. Над барботером на небольшом расстоянии от дна котла помещают решетку, назначение которой предотвратить засыпание барботера сахаром и ускорить растворение путем пронизывания слоя сахара раствором. Клеровочные котлы снабжены вертикальными мешалками, имеющие частоту вращения 40 мин-1. Над котлом помещают трубопровод для впуска воды и более или менее жидких сахарных растворов, которые получаются на некоторых этапах рафинадного производства, например, промои и «отбор». В дне котла имеется отверстие для трубы, по которой спускают готовый сироп. Труба несколько выступает над днищем, чтобы в сироп не попадали загрязнения, которые могут скопиться на дне котла. В клеровочный котел сначала пускают горячую воду. После того как она покроет решетку, пускают пар в барботер. Затем начинают подавать 92 сахар-песок, следя за тем, чтобы он не опережал поступления воды, т. е. сыпался в жидкость. Насыпают нужное количество сахара и при помощи барботера доводят температуру клеровки до 85°С. Сахар и воду вводят при непрерывной работе мешалки, добиваясь получения клеровки заданной концентрации, например, по показаниям ареометра. Прекратив нагрев, немедленно выкачивают сироп из котла насосом. Процесс растворения песка, как и все процессы при высокой температуре, стремятся проводить возможно быстрее (до 5 мин). Обычно полученный сироп загрязнен механическими примесями. Для отделения более крупных из них сироп по пути к насосу - пропускают через ловушки, снабженные ситами с диаметром отверстий 2 мм. В некоторых случаях для приготовления клерса отдельно растворяют лучший по качеству сахар, поступающий на рафинадный завод. Концентрация клерса обычно несколько ниже концентрации рафинадного сиропа. Варка утфелей и кристаллизационные схемы рафинадного завода Варка утфеля из рафинадного сиропа принципиально не отличается от варки утфеля из свекловичного сиропа, рассмотренной выше; нет существенных отличий и в конструкции вакуум-аппаратов и мешалок. Правда, вакуум-аппараты рафинадного завода обычно небольшой емкости. Ниже рассмотрены лишь некоторые специфические особенности варки рафинадных утфелей. 1. Варка рафинадных утфелей протекает значительно быстрее — она длится около 50 мин. Это обусловлено прежде всего высокой чистотой увариваемых сиропов, которая весьма близка к 100%. Варка рафинадных утфелей ускоряется также вследствие применения более высокой 93 концентрации их, если используется костеугольная крупка. Быстрой варке способствует малый объем вакуум-аппаратов. На рафинадном производстве особенно важно следить за продолжительностью варки сиропов, чтобы избежать возможного нарастания цветности. 2. При обесцвечивании рафинадного сиропа костеугольной крупкой процент сухих веществ (СВ) рафинадных сиропов достигает 73 %. Варка концентрированных сиропов высокой чистоты представляет некоторые трудности. Она ведется темпами повышенной скорости. Если варщик запоздает с подкачкой при варке сиропов невысокой концентрации, то ошибку довольно легко можно исправить введением в вакуум-аппарат сравнительно небольшого количества резко ненасыщенного сиропа. При концентрированных же сиропах ошибки исправлять труднее. Высокая степень ритмичности работы рафинадного завода, которая исключает перебои в подаче сиропа, его застаивание и, что особенно важно, колебания концентрации, создает благоприятные условия для применения концентрированных сиропов. При изготовлении кускового рафинада к равномерности кристаллов сахара в утфелях предъявляются меньшие требования, так как они в дальнейшем подвергаются дроблению при прессовании. Желательно, чтобы концентрация рафинадных сиропов была возможно выше, так как это позволяет достигнуть значительной экономии в расходе пара и топлива. Как мы уже отмечали, к сожалению, при использовании иных обесцвечивающих средств, кроме крупки, приходится применять более низкие концентрации сиропов. Особенно низкие концентрации сиропов наблюдаются пока при очистке рафинадного сиропа ионитами. 3. Особенностью варки рафинадных утфелей обычно является — введение ультрамарина после набора вакуум-аппарата рафинадным 94 сиропом. Требуемую порцию ультрамарина разводят в 2…3 л воды, суспензию фильтруют через густое сито и вводят в вакуум-аппарат через специальную трубку. 6. Обычно при варке 2-го рафинадного утфеля, но иногда и при варке 1-го рафинадного утфеля, в вакуум-аппарат вводят гидросульфит в количестве 200 г на 100 ц утфеля. Для более равномерного действия гидросульфит вводят в два приема — до заводки кристалла и к концу уваривания. 7. В отличие от кристаллов утфелей кускового рафинада к кри- сталлам утфелей рафинированного песка предъявляют повышенные требования и по однородности их, отсутствию сростков, блеску поверхности. 6. Утфель, предназначенный для получения литых сортов рафинада, подвергают перед спуском из вакуум-аппарата нагреванию до 90…98°С, при котором происходит значительное растворение уже выкристаллизовавшегося сахара. Спуск утфеля при высокой температуре нужен в данном случае для того, чтобы обеспечить высокое содержание сухих веществ (СВ) межкристального оттека и наличие в последнем большого количества растворенного сахара, которое будет выкристаллизовано в дальнейшем при охлаждении утфеля в формах. Утфель литого рафинада обычно спускают при несколько более высоком СВ (93%), в то время как СВ утфеля прессованного рафинада составляет около 92%. Чтобы яснее представить себе основную сущность довольно сложной кристаллизационной схемы рафинадного производства, приведем некоторые упрощенные расчеты. Утфель, который получается в результате уваривания, а иногда и в результате дальнейшей кристаллизации при охлаждении в мешалках, состоит из кристаллов сахара и маточного раствора – межкристального 95 оттека. Для подсчетов принимаем, что несахара, которые содержатся в исходном утфеле, сосредоточиваются в межкристальном оттеке. Прессование кашки Из центрифуг выводят монокристаллы рафинада с пленкой клерса на них. Это так называемая кашка. Ее насыпная масса 0,8…0,9, т. е. в кашке имеется довольно значительное количество пор, заполненных воздухом. Такая пористость кашки позволяет прессовать ее. Прессовать же сами монокристаллы невозможно, так как отдельно взятый кристалл несжимаем. Влажность рафинадной кашки варьируют в значительных пределах — 3-2% и менее — в зависимости от того, какой прочности рафинад нужно выработать. Поэтому при промывании кашку выводят из центрифуги раньше того момента, чем будет отделено все возможное количество оттека. На кристаллах сознательно оставляют такое количество клерса, которое соответствует заданному содержанию воды в кашке. Влажность рафинадной кашки можно контролировать при помощи прибора системы Бонвеча. Прибор замеряет объем газообразного ацетилена, который выделяется при взаимодействии определенной навески (5-10 г) рафинада с избытком карбида кальция. Влага рафинада реагирует по следующей схеме . Сушка рафинада Сушку рафинада, а точнее говоря высушивание сахарного раствора, содержащегося в рафинаде, осуществляют одним из двух способов, резко отличающихся один от другого. 96 При сушке рафинада первым способом (рис. 11а) в сушильной камере поддерживают разряжение и образующиеся водяные пары непрерывно отсасывают. Среда, окружающая влажный рафинад — это почти чистый водяной пар, содержащий лишь небольшую примесь воздуха, проникшего в сушилку. Во втором способе (рис. 11 б) сушку рафинада ведут горячим воздухом, прокачиваемым через сушильную камеру. Среда, окружающая влажный рафинад, — это воздух более или менее влажный, т. е. смесь сухого воздуха и водяных паров. Если обозначить давление водяных паров у самой поверхности высушиваемого рафинада через Pр, а давление чистого водяного пара при первом способе сушки либо парциальное давление пара в воздухе при втором способе сушки — через Рп, то скорость испарения влаги будет прямо пропорциональна разности Рр – Рп Рис.11. Схема типа сушилок: а – сушка под разрежением; б – сушка при помощи горячего воздуха. 1 – стенка; 2 – теплообменник.
