Лекция 20. Основы производства сахара-песка

 План лекции:

1.     Технологические схемы производства сахара-песка, сахара-рафинада, жидкого сахара

2.     Основы технологии сахара-песка, сахара-рафинада

3.     Процессы, происходящие на отдельных стадиях: получении диффузионного сока, варке утфеля,  производстве сахара-рафинада

 Сахарное производство – крупнейшая отрасль пищевой промышленности, объединяющая сахаропесочное и сахарорафинадное производство. Ежегодно производится более 700 тыс.т сахара-рафинада. Сахарные заводы работают 110-150 сут в году. Период уборки сахарной свеклы длится 40-50 суток, остальное время ее хранят на специально подготовленных кагатных полях в трапецеидальных кучах, называемых кагатами. Укладка свеклы осуществляется кагатоукладчиками. На всех сахарных заводах России принята единая типовая  технологическая схема получения сахара-песка (рис. 30), которая включает следующие операции: доставка свеклы на завод, отделение примесей, мойка ее, изрезывание свеклы в стружку, непрерывное обессахаривание свекловичной стружки, прессование жома, возврат всей жомопрессованной воды в диффузионную установку, известково-углекислотная очистка диффузного сока, три кристаллизации и аффинация желтого сахара третьей кристаллизации.

 Доставка свеклы на завод и отделение примесей

При каждом заводе имеется специальное отделение (бурачная), предназначенное для бесперебойного снабжения производства свеклой и создания 1-2-суточного запаса. Из бурачной на завод свеклу подают по гидравлическому транспортеру, снабженному ботвосоломо-, песко- и камнеловушками. Затем поданную свеклу моют в специальных моечных машинах. Затем чистую свеклу поднимают ленточным транспортером или ковшовым элеватором в верхнее помещение завода, где проводят ее электромагнитную очистку и взвешивание.

 Изрезывание свеклы в стружку

Сахарозу извлекают из свеклы диффузным способом. Для этого свеклу измельчают в тонкую стружку желобчатой, пластинчатой, ромбовидной и другой формы. Качество стружки оценивается длиной 100 г стружки в метрах (число Силина) или отношением массы стружки длиной более 5см к массе стружки длиной менее 1 см (шведский фактор) и содержанием в ней брака. В непрерывнодействующих диффузионных аппаратах используют стружку, длина 100 г которой составляет 9-15 м, шведский фактор должен быть при этом не ниже 8. Допустимое количество брака в стружке не должно превышать 3%. Для получения свекловичной стружки используют центробежные, дисковые и барабанные свеклорезки.

 Получение диффузионного сока 

Этот процесс основан на явлении диффузии и подчиняется закону Фика, который устанавливает связь между количеством экстрагируемого вещества S и основными параметрами процесса:

S = DF(C – c) τ/x,                                                                       (54)

Где D – коэффициент, зависящий от величины молекул диффундирующего вещества; F – площадь слоя; С – с – разница концентраций, х – толщина слоя; τ – время диффузии.

На практике все эти величины имеют естественные ограничения. Так, количество сока, извлекаемое из 100 кг стружки (откачка сока), составляет 115-125 кг. При увеличении воды на обессахаривание стружки (т.е. при увеличении разницы концентраций) возрастают и расходы топлива и электроэнергии на ее последующее выпаривание, что экономически невыгодно. Длительность обессахаривания, параметры самой стружки обуславливаются конструктивными особенностями используемых диффузных аппаратов. Так, длительность диффундирования в аппаратах непрерывного действия при использовании грубой стружки составляет 70-80 мин, а температура, при которой идет диффузия, не должна превышать 75^оС, так как при ее повышении стружка будет сильно развариваться и забивать ситовые поверхности. 

В настоящее время извлечение сахарозы из свекловичной стружки производится в непрерывно действующих диффузионных аппаратах по схеме, представленной на рис. 31.

 Стружка концентрацией сахарозы С₂ поступает в головную часть (А) диффузионного аппарата и движется к хвостовой части (В), отдавая сахарозу движущемуся навстречу растворителю. В хвостовой части аппарата находится стружка с очень малым количеством сахарозы, но так как сюда поступает чистая вода, то диффузия продолжается. Таким образом, разность концентраций (движущая сила процесса) сохраняется во всех частях аппарата, что обеспечивает максимальное извлечение сахарозы. Потери сахара составляют 0,25-0,3% к массе свеклы.

 Очистка диффузного сока

Полученный диффузионный сок содержит 15-16% сухих веществ, из них 14-15% сахарозы и коло 2% несахаров, в число которых входят растворимые белки, аминокислоты, редуцирующие сахара, пектиновые вещества, слабые азотистые соединения, соли органических и неорганических кислот, а также хлопья скоагулированного и мезга. Он имеет кислую реакцию (рН 6-6,5), очень темный, почти черный цвет и сильно пенится. Все несахара в той или иной степени задерживают кристаллизацию сахарозы, увеличивая потери сахара с мелассой. Чтобы избавиться от них, проводят очистку диффузионного сока известью (дефекация) с последующим удалением ее избытка диоксидом углерода (сатурация) (рис. 32).

Целью дефекации является выведение в осадок веществ коллоидной дисперсии и высокомолекулярных соединений (т.к. известь оказывает коагулирующее действие), а также нейтрализация и осаждение кальциевых солей некоторых кислот (лимонная, яблочная, винная, щавелевая и др.), содержащихся в соке. При этом рН сока поднимается до 10,8-11,6. Поэтому осуществляют сатурацию сока продувкой через него углекислого газа. При этом почти вся избыточная известь выпадает в осадок в виде карбоната кальция. Затем такой сок подвергают фильтрации и сульфитации. Цель сульфитации – снижение цветности и щелочности фильтрованного сока. При пропускании сернистого газа через него часть его растворяется в воде образуя сернистую кислоту, которая является хорошим восстановителем красящих веществ, превращая их в бесцветные соединения. Сернистая кислота снижает также щелочность сока за счет перехода карбоната калия, обладающего щелочной реакцией, в нейтральный сульфит:

К₂СО₃ + Н₂SО₃ = К₂SО₃ + Н₂О + СО₂ ,

что облегчает процесс кристаллизации сахарозы, снижая ее потери с мелассой.

Состав очищенного сока, %: 12-14 сухих веществ, из них 10-12 сахарозы; 0,5-0,7 азотистых веществ; 0,4-0,5 безазотистых органических веществ и 0,5 золы. Чистота сока 86-92%.

 После очистки сока ведут его сгущение выпариванием до содержания сухих веществ 65%, при этом сахароза еще не кристаллизуется, но начинаются процессы образования органических кислот, а это в свою очередь приводит к карамелизации сахарозы и образованию темноокрашенных продуктов. Поэтому сироп выводят из выпарной установки, смешивают с клеровкой желтого сахара и сульфитируют до рН 7,8-8,2 при температуре 80-85^оС, после чего подогревают до 90-95^оС и фильтруют с добавлением вспомогательных фильтрующих материалов.

 Варка утфеля и получение кристаллического сахара 

Очищенный сироп поступает на дальнейшее уваривание. Он содержит большую часть несахаров, которые не удалось выделить при очистке диффузионного сока. чтобы выделить из сиропа практически чистую сахарозу, кристаллизацию проводят в кипящих перенасыщенных растворах в вакуум-аппаратах при низкой температуре. Продукт, полученный после уваривания, называется утфелем. Он содержит лишь 7,5-8% воды, 92-92,5% сухих веществ и около 55% выкристаллизовавшегося сахара. Межкристальная жидкость представляет собой вязкий раствор, содержащий несахара и насыщенный раствор сахарозы.

Для того чтобы максимально извлечь сахар, содержащейся в сахарной свекле, при минимальных затратах энергии, кристаллизацию сахарозы ведут многократно. Рациональной является трехкристаллизационная схема. По данной схеме сироп из сборника поступает в вакуум-аппарат и уваривается до содержания сухих веществ 92,5%. Готовый утфель первой кристаллизации спускают в приемную утфелемешалку. Через утфелераспределитель он поступает в центрифугу. В процессе центрифугирования отделяют кристаллы сахарозы и два оттека. Первый оттек – это межкристальный раствор утфеля, содержащий некоторое количество мелких кристаллов, а второй получают при пробеливании (промывании) поверхности кристаллов артезианской водой в количестве 3-3,5% к массе утфеля. Сахар-песок выгружают из центрифуги с содержанием влаги 0,8-1% на вибротранспортер и элеватором подают в сушильно-охладительную установку, где высушивают горячим воздухом до содержания влаги 0,14%, а затем охлаждают и подают на склад.

Оттеки, полученные при центрифугировании утфеля 1, подают в сборники и направляют на уваривание утфеля П кристаллизации в вакуум-аппараты до содержания сухих 93%. Затем в него добавляют небольшое количество воды и направляют на центрифуги где отбивают два оттека. Пробеливание кристаллов ведут также горячей водой в количестве 1% к их массе. Оттеки направляют в вакуум-аппараты на уваривание утфеля Ш и доводят содержание сухих веществ в нем до 93,5-94%. Затем утфель Ш центрифугируют без пробеливания. Полученный оттек – мелассу насосом перекачивают в емкости для хранения.

Сахар Ш кристаллизации дочищают в аффинаторе и вместе с сахаром П кристаллизации подают шнеком в клеровочный аппарат и растворяют (клеруют0 в соке П сатурации до содержания сухих веществ 65-70%, после чего смешивают с соком выпарной установки и подают на сульфизацию, фильтрацию, а затем на кристаллизацию утфеля 1.