ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА САХАРА

Сахар – пищевой продукт, получаемый главным образом из сахарной свеклы и сахарного тростника. Выпускается в виде сахара-песка и сахара-рафинада. Калорийность 100 г сахара – около 400 ккал. Важнейшим показателем качества сахара является его цветность, которая в единицах Штаммера не должна превышать 1.0.

Независимо от сырья ощущение сладости сахара определяется исключительно величиной поверхности кристаллов и, следовательно, быстротой таяния во рту. Медленнотающие крупные кристаллы кажутся недостаточно сладкими, тогда как мелкие и особенно сахарная пудра имеют приторно сладкий вкус.

Сахарная свекла – двухлетнее растение из семейства маревых. В первый год ее развития из первоначально высеянных семян образуются сочные богатые сахаром корнеплоды с широко разросшимся хвостовиком, боковыми корешками и мощной прикорневой розеткой листьев – ботвой, но без цветков и семян. Именно эти корни после обрезки ботвы (вместе с верхней частью корневой головки), а также удаления хвостовика и части корешков и служат сырьем для свеклосахарного производства. Средняя урожайность корнеплодов 25…40 т/га, на поливных землях Украины – свыше 60 т/га.

Содержание сахара в свекле 16…18% к массе корня, иногда при благоприятных условиях – 20%. Продолжительность вегетационного периода колеблется от 150 до 180 суток. Сумма среднесуточных температур за период вегетации – 2400…2800°С, требуется достаточное увлажнение.

Образование сахара в свекле происходит путем первоначального синтеза под действием солнечного света простейших углеводов (глюкозы и фруктозы) из углекислого газа и воды в содержащих хлорофилл листьях растений.

Массовую копку корнеплодов проводят со второй половины сентября. Доставленная транспортными средствами свекла до переработки хранится в кагатах (буртах). Для предупреждения гнилостных процессов свекла в кагатах опрыскивается известковым молоком, а в жаркую погоду орошается водой.

Корнеплоды в кагатах продолжают жить, потребляя из воздуха кислород и выделяя углекислый газ, а также пары воды.

Тростниковый сахар -сырец, вырабатываемый в Индии, Бразилии и на Кубе, является продуктом переработки сока, отжимаемого из стеблей сахарного тростника. Содержание сахарозы в соке – 97…98%, а в стеблях тростника – 12…15%, урожай 40…60 т/га.

Отжатый тростниковый сок подвергается химической очистке небольшим количеством извести, фосфорной кислоты и сернистым газом. В отфильтрованном виде поступает на выпарную установку. После сгущения сироп из выпарки уваривают до выделения кристаллов сахара, которые и отделяют на центрифугах в виде сахара-сырца.

Заводы, на которых вырабатывается сахар, представляют собой крупные, оснащенные высокопроизводительной техникой производства. Мощность отдельных свеклосахарных заводов по переработке свеклы достигает 6…9 тыс. т в сутки, а в среднем – 2,5 тыс. т в сутки. Свеклосахарное производство – массовое, поточное. В нем в едином производственном потоке осуществляются основные технологические процессы и промежуточные операции по переработке свеклы с получением одного вида массовой товарной продукции – белого сахара-песка. Побочными видами товарной продукции являются жом и патока-меласса.

Чтобы предохранить сахарозу от разложения, все технологические процессы ведутся при температуре, не превышающей 90…100°С (только в первых корпусах выпарки до 120…125°С), и в щелочной среде (за исключением слабокислой реакции диффузного сока).

Длительность производственного цикла от поступления свеклы до получения белого сахара-сырца не более 12…16 часов, а с учетом переработки всех паток и желтых сахаров в продуктовом отделении – 36…42 часа.

Важнейшими стадиями технологии производства сахара из свеклы являются следующие:

• приемка, хранение и подача свеклы на завод;
• очистка корней свеклы от земли и посторонних примесей;
• измельчение (резание) свеклы в стружку и получение из нее сока диффузным способом; очистка сока; выпаривание воды из сока с получением сиропа; уваривание сиропа в кристаллическую массу – утфель I и последующее разделение этой массы путем центрифугирования на белый кристаллический сахар и патоку; уваривание патоки в утфель II, дополнительная кристаллизация его и центрифугирование с получением желтого сахара и конечной патоки-мелассы – отхода производства при работе по схеме с двумя утфелями.

В случае работы по схеме с тремя утфелями патока от утфеля II не является конечной. Она еще раз уваривается на утфель III, из которого после кристаллизации и центрифугирования получается еще один желтый сахар и уже как отход производства – меласса.

Очистка (аффинация) последнего желтого сахара, растворение желтых сахаров в соке (клерование) с возвращением получаемого при этом раствора – клеровки по очистке сиропа.

Кроме этих технологических операций осуществляются вспомогательные процессы: получение необходимых для очистки сока извести и сатурационного (углекислого) газа путем сжигания серы сульфитационного (сернистого) газа для очистки сока и сиропа.

На некоторых заводах осуществляются дополнительные технологические операции, являющиеся как бы продолжением основных процессов производства – сушка свекловичного жома и производство на его основе комбикормов (обогащение жома добавками), получение из мелассы микробиологическим путем лимонной кислоты.

Все технологические операции осуществляются в трех основных отделениях завода: свеклоперерабатывающем, включающем подачу свеклы на завод; сокоочистительном, включающем выпарку и получение извести, сатурационного и сульфатационного газов;продуктовом – варочно-кристаллизационном и пробелочном.

Извлечение сахара из свекловичной стружки производят выщелачиванием теплой водой и диффузионным соком и основано на явлениях диффузии и осмоса через проницаемые стенки клеток сахарной свеклы.

Выщелачивание происходит в диффузионных батареях, состоящих из 12 – 16 диффузоров. Диффузоры, представляющие собой металлические цилиндры емкостью 5-10 м 3. снабжены устройствами для загрузки стружки и выгрузки жома. Содержимое диффузоров подогревают циркулирующим по трубам внутри диффузора паром. Температура в диффузоре достигает 60 °С и более. При такой температуре свертывается протоплазма клеток, что облегчает выщелачивание из них сахара.

Выщелачивание сахара в диффузионной батарее осуществляется постепенно. Диффузионный сок, переходя от одного диффузора к другому, постепенно насыщается сахаром, пока содержание сахара в соке не приблизится максимально к сахаристости свеклы.

Первый диффузор батареи загружают стружкой и заливают теплой водой, заполняющей в диффузоре все пространство между стружкой.

Если сахаристость свежезагруженной свекловичной стружки составляет 18% (она может быть и немного больше и меньше), то после выщелачивання водой части сахара и достижения диффузионного равновесия сахар в стружке и воде распределяется поровну и сахаристость стружки и полученного сока становится одинаковой: она составляет 9% (18:2).

Полученный в первом диффузоре сок переводят во второй, загруженный свежей стружкой. По достижении диффузионного равновесия сахар в стружке и соке во втором диффузоре распределяется поровну, и сахаристость сока составляет 13,5% ((18+9)/2).

Из второго диффузора сок переводят в третий, также заполненный свежей стружкой. Сахаристость сока в нем достигает 15,75% ((18+13,5)/2) и т.д. В последнем диффузоре сахаристость сока мало отличается от сахаристости свежей свекловичной стружки.

Так как в стружке в первом диффузоре остается еще 9% сахара (в сок переходит только 9 из 18%, содержащихся в свежей стружке), для извлечения сахара его вторично заливают чистой водой.

По установлению диффузионного равновесия в первом диффузоре вновь получается сок, хотя уже с меньшей сахаристостью: (9:2=4,5%). Этот сок затем переводят во второй диффузор, где сахаристость стружки составляет 13,5%. Диффузионный сок здесь получается с сахаристостью 9% ((13, 5+4,5)/2). Переводя этот сок в третий диффузор, где сахаристость стружки составляет 15,75%, получают сок с содержанием сахара 12,37% и т.д.

Таким образом, когда установлена работа диффузионной батареи, на свежую, свекловичную стружку подают, наиболее концентрированный сок, а на более или менее обессахаренную стружку подают либо сок слабой концентрации, либо чистую воду.

Этим способом удается максимально извлекать сахар из свекловичной стружки и получать диффузионный сок высокой концентрации. Потери сахара в жоме при этом составляют всего 0,2 – 0,25%.

Перемещение сока от одного диффузора к другому осуществляется благодаря небольшому давлению, создаваемому при накачивании воды в первый диффузор.

В последнее время на сахарных заводах получают применение диффузионные аппараты непрерывного действия, заменяющие диффузионные батареи, загружаемые и разгружаемые периодически.

С одной стороны в действующий диффузионный аппарат непрерывно подают свекловичную стружку, которая движется навстречу поступающей с противоположной стороны воде. Непрерывно омывающая стружку вода выщелачивает из нее сахар и постепенно превращается в обогащенный сахаром диффузионный сок, который выводят из диффузионного аппарата. Так же непрерывно из аппарата выводят обессахаренную стружку – жом.

Кроме сахара, в диффузионном соке содержатся (примерно 2%) и другие вещества, называемые несахарами (соли фосфорной и других кислот, белки), а также мелкие взвешенные частицы, придающие соку темный цвет.

Очистку диффузионного сока от взвешенных частиц и значительной части несахаров производят при помощи извести, а для последующего удаления из сока извести применяют углекислоту. Известь и углекислый газ получают на сахарных заводах обжигом известняка (СаСО₃ =СаО+СО₂ ); его расход составляет 5-6% от веса перерабатываемой свеклы.

Обработку диффузионного сока известью (в виде известкового молока) производят в цилиндрических котлах с мешалками – дефекаторах. Под действием извести несахара коагулируют и осаждаются или разлагаются, образуя кальциевые соли, остающиеся в растворе.

Обработанный известью (дефекованный) сок поступает в сатуратор, где его обрабатывают углекислым газом. Под действием углекислого газа известь превращается в углекислый кальций СаСО₃. который, выпадая в осадок, увлекает с собой и несахара.

Обработанный углекислым газом (сатурированный) сок фильтруют на механических фильтрах. При этом от сока отделяется фильтрпрессовая грязь, содержащая углекислый кальций, несахара и незначительное количество сахара (до 1% от веса грязи).

Очищенный диффузионный сок сохраняет темный цвет, устраняемый при последующей обработке сока сернистым газом (его получают сжиганием серы). Процесс обработки сока сернистым газом называют сульфитацией.

Очищенный сок поступает на выпарную установку, где из него удаляют большую часть воды. Сок приобретает концентрацию сиропа (65% сухих веществ, в том числе 60% сахара и 5% несахаров, остающихся в диффузионном соке после его очистки).

Полученный сироп опять отбеливают сернистым газом и фильтруют, после чего уваривают в вакуум-аппаратах. Уваривание сиропа продолжается 2,5 – 3 часа при температуре около 75 °С (под вакуумом). В процессе уваривания происходит кристаллизация сахара. При этом получается продукт, содержащий 55 – 60% кристаллов сахара и называемый утфелем первой кристаллизации. Концентрация сухих веществ в утфеле достигает 92,5% (из них примерно 85% сахара).

Из вакуум-аппаратов утфель спускают в мешалку, а затем направляют в центрифуги, где производится отделение маточного раствора от кристаллов сахара. Отделенный маточный раствор называют зеленой патокой. В ней содержится еще значительное количество сахара, а также несахара.

После удаления зеленой патоки, оставшийся в центрифуге сахар промывают водой и пропаривают паром. В результате сахар становится белым. При промывке кристаллов сахара в центрифуге образуется жидкость, содержащая растворенный сахар – белая патока. Ее возвращают в вакуум-аппараты для дополнительного уваривания на утфель первой кристаллизации, дающий белый сахар.

Сахар же из центрифуг направляют в сушильный барабан. Высушенный сахар является уже вполне готовым продуктом – сахарным песком, содержащим до 99,75% чистого сахара, считая на сухое вещество.

Зеленую патоку тоже направляют в вакуум-аппараты для ува-рнвания на утфель второй кристаллизации. При этом получают желтый сахар, идущий главным образом в кондитерскую промышленность. Специальной обработкой желтый сахар можно превратить и в обыкновенный, белый.

После выделения из утфеля второй кристаллизации желтого сахара получают кормовую патоку, или мелассу, являющуюся отходом производства. Выход кормовой патоки составляет около 5% от веса переработанной свеклы.

С учетом потерь сахара в процессе производства (больше всего его теряется в кормовой патоке – 9 – 14% содержащегося в свекле сахара) выход его из свеклы практически составляет 12 – 13%. При этом расход свеклы на 1 т сахара превышает 7 – 8 т.

В процессе сахароварения расходуется много пара и горячей воды, обычно получаемых в заводской котельной установке. Общий расход условного топлива на свеклосахарных заводах (включая и расход на обжиг известняка) составляет 11 – 12% от веса перерабатываемой свеклы.

Свеклосахарное производство характеризуется большим расходом воды на технологические процессы. Он в 20 раз превышает вес перерабатываемой свеклы. С учетом использования оборотной воды, расход свежей воды тоже весьма значителен и достигает 8 т на 1 т свеклы.

Наиболее ценным отходом свеклосахарного производства является кормовая патока, почти наполовину состоящая из сахара и содержащая также другие питательные вещества. Вследствие этого патоку используют в качестве концентрированного корма для скота (непосредственным скармливанием или в составе комбикормов). Кроме того, кормовую патоку перерабатывают на спирт, дрожжи, лимонную и молочную кислоту и другие продукты.

Особой переработкой из кормовой патоки можно извлечь содержащийся в ней сахар и тем самым повысить общий его выход из свеклы и снизить его себестоимость. Для этой цели на некоторых сахарных заводах построены цехи, в которых производят обессахаривание кормовой патоки.

Другим отходом является жом – лишенная сахара свекловичная стружка. Выгружаемый из диффузоров жом при помощи воды транспортируют в хранилища (жомовые ямы). Жом питателен, и его охотно поедают животные, он используется в животноводстве для откорма скота. При некоторых сахарных заводах имеются и свои скотооткормочные пункты.

Свежий жом содержит до 94% воды. Для повышения транспортабельности, а также кормовой ценности жома его частично обезвоживают и тем самым повышают содержание в нем сухих веществ до 15 – 18%. Для длительного хранения жом высушивают до влажности 10 – 12%, применяя для сушки топочные газы.

Свеклосахарные заводы отличаются резко выраженной сезонностью работы. Сахарная свекла созревает, как правило, во второй декаде сентября. В это время начинают копку и вывозку ее на заводы и переработку. На заводах создают запас свеклы, укладываемой в бурты, который перерабатывают по окончании ее копки и вывозки. При длительном хранении свеклы ее сахаристость значительно снижается. Поэтому на заводах стремятся переработать годовой запас сырья в минимальный срок – 3-4 месяца. Удлинение срока хранения свеклы уменьшает выход сахара из единицы сырья и снижает рентабельность свеклосахарного завода.

Около 20…25% выработанного сахара-песка подвергается рафинированию с целью получения более чистого пищевого продукта в твердом (кусковой рафинад) или рассыпчатом кристаллическом (рафинадный сахар-песок) виде.

Для промышленной переработки (на рафинирование) допускается сахар-песок с влажностью не более 0,15%, содержанием сахаров не менее 99,75% и цветности до 1,8 единиц Штаммера.

Сущность процесса рафинирования сахара заключается в том, что сахар-песок растворяют, полученный сироп очищают и уваривают на кристалл.

После отливки рафинадного утфеля в формы и его охлаждения получают сахар высокой твердости – литой сахар. Крупные куски литого сахара разбивают на более мелкие или распиливают на кусочки правильной формы.

Применяют и другой способ производства кускового сахара -прессование полученного из рафинадного утфеля увлажненного сахара-песка в формах. Так получают прессованный сахар, обладающий меньшей твердостью, чем литой.

Жидкий рафинад используется в хлебопекарной промышленности и производстве мороженого.

Цвет рафинада должен быть чисто белым, без пятен, допускается голубоватый оттенок, получаемый путем добавления ультрамарина.

Выход готового сахара-рафинада составляет около 98,5% к массе взятого в производство сахара-песка. Сахаро-рафинадные заводы в Одессе, Сумах и Черкассах работают круглый год.

В Украине основное производство сахара сосредоточено в Винницкой, Хмельницкой, Киевской, Черкасской областях. В каждой из них – по 30-40 сахарных заводов, большинство из них выпускают сахар сезонно. Выход белого сахара по отношению к массе сахара, содержащегося в свекле, называется коэффициентом завода. По сахарной промышленности он составляет 78-80%.

В среднем по промышленности годовой выход сахара составляет 12…13% к массе свеклы, следовательно, на 1 часть выработанного сахара расходуется 7…8 частей свеклы.

Трудоемкость по переработке сахарной свеклы – 15…16 человеко-дней на 100 т свеклы.

Общий расход нормального пара (со средним теплосодержанием 2700 кДж/кг) по заводу составляет 50…60% к массе свеклы.

Общий оборот воды – 1800…2000% к массе переработанной свеклы, он может быть сокращен до 150…300%.