Аналіз технологічної схеми виробництва цукру-піску із цукрових буряків.

Сучасні цукропереробні заводи — це великі підприємства, здатні переробляти від 1,5 до 12 тис. т буряків на добу. Оскільки солодкі корені швидко псуються, цукробурякове виробництво є сезонним і триває, як правило, 100… 120 діб.

Цукробурякові заводи — добре механізовані підприємства. Вони працюють безперервно, цілодобово, без припинення роботи у вихідні дні. Значна частина операцій автоматизована. Цукрові заводи вважаються найбільш автоматизованими підприєм­ствами харчової промисловості.

Принципова технологічна схема цукробурякового заводу показана на рис. 11.1. Основними технологічними операціями у виробництві цукру можна вважати дві: вилучення цукру з бу­ряків та випарювання води до кристалізації цукру. Решта опе­рацій — допоміжні.

Надходження буряків на завод і попереднє їх очищення. Подають буряки на завод з кагатних площадок та з бурячних (бункери для 2—3-добового накопичення буряків) за допомогою гідравлічних транспортерів. Гідравлічні транспортери — жолоби із сталі, бетону, цегли або дерева, що мають нахил у бік пере­міщення буряків. Жолоби мають прямокутний переріз. Дно плоске із закругленими кутами. Буряки, що надходять до жолобів, підхоплюються водяною течією. Домішки (гичка, солома, тріски, каміння) вилучаються за допомогою вловлювачів різних типів

Рис. 1. Узагальнена функціональна схема цукробурякового виробництва.

Остаточне очищення буряків відбувається у мийних маши­нах. Буряки, що надходять безперервно, шнеком переміщуються до мийної частини горизонтальним валом, на якому розташовані по гвинтовій лінії била. Обертами вала зі швидкістю 15…20 хв1 буряки переміщуються билами у ночвах до викидної частини. Ударами бил і взаємним тертям коренів буряки очищаються від бруду, піску та інших домішок, які провалюються крізь отвори у сітчастому дні мийки і збираються у трьох пісковловлювачах. Великі грудки виловлюють двома вловлювачами. На валу викидної частини розташовані черпаки з пальчастими вирізами. Частота обертання вала 6…8 хв1. Лапи вибирають буряки з мийки, а вода проходить крізь отвори. Чисті буряки надходять до транспортного пристрою, де одночасно здійснюється інспекція, а потім — до ваг. З метою вилучен­ня із маси буряків феромагнітних домішок перед зважуванням потік буряків пропускають через магнітний сепаратор.

Вторинне використання транспортно-мийних вод для гідравлічного транспортування буряків або спускання у водойми можли­ве тільки після їх очищення. Очищення здійснюється у спеціальних відстійниках та інших більш складних очисних спорудах. Витрати води на миття змінюються залежно від забрудненості буряків.

Різання буряків. Цукор, що міститься в буряках, вилучають екстракцією (дифузією). Відповідно до закону Фіка швидкість передачі маси пропорціональна поверхні контакту фаз і обернено пропорціональна шляху (товщині стружки). Для прискорення процесу вилучення цукру збільшують поверхню дотику екстрагента (води) та буряків і зменшують товщину стружки під час подрібнення коренів буряків. Бурякова стружка має форму жолоба та пластин. Стружка у формі жолоба має ширину 4…5 і товщину 0,5…1,0 мм, у формі пластин — ширину 2.5…3.0 і товщину 1,2…1,5 мм. Зрізування стружки здійснюють бурякорізками.

Буряки, що надходять до корпусу бурякорізки, обертами шнека притискуються до ножів і ріжуться. Стружка, яка утворюється, спускною воронкою спрямовується до стрічкових або грабельних транспортерів, зважується на автоматичних вагах і надходить до дифузійних апаратів.

Екстракція цукру (одержання дифузійного соку). На перших етапах розвитку цукрової промисловості цукор з буряків вилучали вичавленням соку на пресах. Після промислового освоєння екстракторів стало економічно вигідним і екстракційне вилучення цукру гарячою водою у так званих дифузійних апаратах. Починаючи з XIX ст. до останніх десятиліть XX ст. цукрові заводи були оснащені установками періодичної дії (дифузійними батареями). Сучасні цукробурякові заводи обладнані дифузійними установками безперервної дії різних типів: одно — і двоколонні, нахилені, ротаційні, одно — і двопотокові дифузійні апарати. Застосування апаратів безперервної дії створює умови для повної автоматизації процесу, зменшує кількість обслуговуючого персоналу, скорочує витрати води, знижує втрати цукру.

Очищення Соку. З бурякопереробної дільниці заводу дифузійний сік надходить до дільниці очищення соку і підготовки його до випарювання. Дифузійний сік одержують у кількості 115…130 % до маси буряків. Він містить 16…17 % сухих речовин і має слаб-кокислу реакцію (рН 6,0…6,5). 14.„15 % сухих речовин припадає на частку цукрози, а решта — близько 2 % нерозчинні і розчинні нецукри. Нерозчинні нецукри мають вигляд часток кліткових стінок, що скоагульовані білками. Розчинні нецукри, що присутні в дифузійному соку, ускладнюють кристалізацію цукрози і збільшують її втрати у відходах (мелясі). Тому дифузійний сік повинен бути очищеним, тобто з нього повинні бути вилучені за­вислі часточки і якомога більша кількість нецукрів

Рис. 2. Функціональна схема очищення дифузійного соку.

Очищення дифузійного соку — складний комплекс операцій: оброблення соку гідратом окису кальцію Са(ОН)2, дефекація вуглекислим газом СО2 (сатурація), відстоювання та фільтрація соку на фільтрпресах або вакуум-фільтрах, оброблення сірчистим газом 8О2 (сульфітація), відстоювання та фільтрування. Цей складний процес, що повторюється кілька разів, проводять у різноманітних апаратах: теплообмінниках, перед-дефекаторах, дефекаторах, сатураторах, сульфітаторах, відстійниках-декантаторах та фільтрах різноманітної конструкції. Принципова схема очищення соку показана на рис.2.

Необхідні для оброблення соку СаО та СО2 одержують у вапняній печі, в якій випалюється вапняк (СаСО3), що розкладається при високій температурі на СаО та СО2. Одержане випа­лене вапно гаситься водою в барабанах. При цьому одержують вапняне молоко. Під час гасіння відбувається реакція СаО + Н2О = Са(ОН)2. Вапняне молоко використовують для дефекації.

Під час оброблення вапном частина нецукрів утворює нерозчинні солі, які осідають, інші нецукри розкладаються вапном або коагулюють, а частина з них адсорбується на поверхні вуглекислого кальцію. На очищення витрачається близько 2,5 % СаО до маси буряків. Надлишок вапна осаджують вуглекислим газом СО2.

Для ослаблення забарвлення соку застосовують оброблення сірчистим газом, який одержують спалюванням сірки в спеціальних печах. Сульфітація також знижує в’язкість соку і стерилізує його. Тривалість сульфітації — не більше 5 хв при температурі соку 85…90 °С. Незважаючи на складне оброблення соку вдається вилучити приблизно лише 35…40 % цукрів, а решта переходить у відходи виробництва — мелясу. Наявність нецукрів у соку не дає можливості вилучити весь цукор у чистому вигляді. Близько 2 % цукру переходить разом з нецукрами у мелясу. Вапно взаємодіє із соком у різноманітних напрямках. З цукрозою вапно утворює розчинні у воді сполуки С12Н22О11СаО. Близько 15 % цукрози у дефектованому соку міститься у формі моносахарату кальцію. Взаємодіючи з багатьма нецукрами дифузійного соку, вапно дає осад.

Ряд кислот (щавлева, лимонна, винна, фосфорна та ін.) осаджуються. Вапно змінює кислу реакцію соку (рН 6,0…6,5) на лужну (рН 11), попереджуючи інверсію (розклад) цукрози під час нагрівання соку. Для цього досить 0,3 % СаО, але додають 2,5…3,0 % СаО для збільшення адсорбації барвників та поліпшення структури осаду. Густина вапняного молока повинна бути 1,19 кг/дм3, час дефекації — 8…10 хв. Дефекація здійснюється в апаратах переддефекаторах і дефекаторах. Це місткості з мішалками та пристроями для введення і виведення продуктів. У зв’язку з тим що дефектований сік спрямовують до сатурації самопливом, контроль якості операції не здійснюється. Сатурація призначена для переведення вапна, яке міститься в дифузійному соку, в нерозчинний стан.

С12Н22О11СаО + СО2 = С12Н22О11 + СаСО3.

Під час пропускання сірчистого газу, що містить 12… 15 % сірчистого ангідриду 8О2, одержують сірчисту кислоту

8О2 + Н2О = Н2803,

Яка є сильним відновником, а барвники стають безбарвними. Після закінчення сульфітації сік має слабку лужну реакцію (рН 8,5). Час сульфітації — 1…5 хв. Сатуратори і сульфітатори є по суті адсорберами. Використовують і додаткові засоби для очищення дифузійного соку — кізельгур (адсорбент) та іонообмінні матеріали.

Типову технологічну схему очищення дифузійного соку можна коротко описати так. Очищений від пульпи сік подають у підігрівник, в якому він підігрівається до 85…90 °С, та спрямовують на попередню дефекацію в переддефекатор. Перед цим до потоку дифузійного соку додають частину недогазованого соку і сатурації, який містить 0,3…0,5 %, СаО або нормально відгазованого соку (0,08…0,1 % СаО).

Попередньо дефекований сік самопливом надходить у котел основної дефекації, куди за допомогою дозатора додають вапняне молоко. Потім сік надходить у котел І сатурації, де обробляється вуглекислим газом до вмісту 0,08…0,10 % СаО. Частину нефільтро-ваного соку І сатурації з контрольного ящика сатуратора спрямо­вують на переддефекацію, а останню частину насосом перекачують через підігрівник (температура 90…95 °С) на фільтрування. Після цього сік надходить до збірника та на контрольні серветкові фільтри. Відфільтрований сік І сатурації, підігрітий до 100… 102 °С у підігрівнику, насосом надходить у котел сатурації, де він обробляється СО2 до лужності 0,01…0,25 %, потім він надходить на фільтри, збірник та контрольні серветкові фільтри. Відфільтрований сік II сатурації спрямовують у сульфітатор самопливом, сірчистий газ із сірчаної печі охолоджують у субліматорі та вентилятором подають у нижню частину сульфітатора. Потім сульфітований сік через напірний ящик спрямовують на випарювання.

Очищення сиропу. Густий сироп з концентрацією 65 % СР змішують з клеровкою (розчин жовтих цукрів), додають 0,10-0,15 % кізельгуру і подають на сульфітацію (до рН 7,5) до апарата зрошувального типу. Потім сік підігрівають і фільтрують. Очищений сироп збирають у приймальних збірниках над вакуум-випарними апаратами. Очищення дифузійного соку і сиропу — досить складний процес, адже відбувається складна взаємодія різноманітних за хімічним складом продуктів. Осади вилучаються осадженням і фільтруванням в апаратах різноманітних конструкцій і типів: фільтрпресах, патронних, дискових, відцентрових, листових, пластинчастих фільтрах. Відстійники застосо­вують в основному гравітаційні, багатошарові з шаром рідини висотою 0,8 м і об’ємом близько 10 М3.

Випарювання соку. На кожні 100 кг буряків, що надійшли на перероблення, одержують 120… 130 кг очищеного соку з вмістом 15…16 % СР, з яких на частку цукрози припадає 14…15 %. Для відокремлення цукрози сік згущують до високої концентрації — 92,5…93,5 % СР. Згущення здійснюють упродовж двох стадій. Спочатку його випарюють у випарних апаратах до концентрації 65% СР. Потім одержаний сироп додатково очищають, після чого уварюють у вакуум-апаратах до кінцевої концентрації сухих речовин.

Перша стадія згущення — випарювання — проводиться у багатокорпусних випарних установках (БВУ), які використову­ють принцип утилізації вторинної пари. Вторинна пара першого корпусу випарювання використовується для обігрівання др­гого корпусу і т. д. 1 кг пари, що надходить до першого корпусу, може випарювати в п-корпусній установці близько 4 кг води. Принцип утилізації вторинної пари дає можливість значно зменшити витрати пари на випарювання. Випарювання здійснюється у 3-, 4- і 5-корпусних випарних апаратах.

Уварювання сиропу. Очищений сироп надходить до вакуум-апаратів для остаточного випарювання. Утфель, одержаний після уварювання, містить 7…8 % води та близько 55 % цукру, який вик­ристалізовується з маточного розчину. Міжкристалічна рідина ви­сокої в’язкості містить усі нецукри сиропу і невикристалізований цукор. Уварювання сиропу до цього часу є періодичним процесом, проводиться в апаратах з нагрівальною камерою. Уварювання проходить чотири стадії: згущення сиропу до високої концентрації (коефіцієнт насичення 1,20… 1,25), утворення кристалів після введення до апарата затравки у вигляді цукрової пудри, нарощування кристалів і згущення утфелю до концентрації 92.5…93 %. Цикл роботи апарата триває 2,5…4,0 години. Утфель надходить до утфелемішалок, далі через утфелерозподільник — на центрифуги Центрифугування. Для вилучення кристалів цукру з міжкристалічного розчину використовують фільтрувальні центрифуги періодичної або безперервної дії. В результаті центрифугування більша частина міжкристалічного розчину вилучається ("зелений відтік"), але на поверхні міститься невеликий шар міжкристалічної рідини, для вилучення якої шар кристалів промивають водою. В результаті цієї операції, що має назву про­білювання, одержують чистий цукор та відтік, або білу патоку.

Кристалічний цукор після центрифугування надходить до сушарок, а потім на склад для пакування.

Перероблення відтоку — патоки, що має назву зеленої, може бути здійснено різними способами. Зелена патока разом з білою, що містять значну — кількість цукрози, надходять до вакуум-апаратів другого продукту (уварювання II утфелю), де знову уварюється до високої концентрації (84,0…85,5 % СР). Цукроза при цьому кристалізується і одержаний утфель надходить на цен­трифугування. Одержаний на цьому етапі центрифугування так званий жовтий цукор надходить до клерувального змішувача. Тут він розчиняється сатураційним соком і надходить до випарників разом з очищеним сиропом. Відтік з центрифуг другого продукту має назву меляси і є відходом цукробурякового виробництва. Процес розчинення продукту, що утворюється після центрифугування, можна багаторазово повторювати (клерування) і також багаторазово очищати, але витрати на процес одержання додаткової кількості цукру з кожним циклом зростають. На су­часних цукробурякових заводах використовується більш складна економічно обґрунтована трипродуктова схема перероблення зеленого відтоку. Продукт, одержаний після центрифугування III утфелю, називають бурим цукром.

Перероблення залишків цукробурякового виробництва. Під час перероблення буряків одержують 4 % меляси, яка містить близько 80 % сухих речовин і 20 % води. До складу сухих речовин входить близько 50 % цукрози, решта — нецукри. Меляса є цінним продуктом і використовується як корм для худоби, сировина для виробництва спирту, дріжджів, молочної і лимонної кислот, харчового пектину тощо. Іншими залишками цукробурякового виробництва є буряковий жом, фільтр-пресний бруд, транспортно-мийні води. Буряковий жом використовують для відгодівлі худоби. Фільтр-пресний бруд може використовуватись як добриво для деяких видів ґрунтів. Транспортно-мийні води спрямовують на поля фільтрації.

Мелясу переробляють на спеціальних технологічних лініях і на окремих підприємствах. Так, мелясу на спирт переробляють на спиртзаводах. Останнім часом значно вдосконалено і виробництво з меляси цукру-піску.

Функціональна схема цукробурякового виробництва свідчить про те, що його варто віднести до першої групи підприємств, що переробляють однокомпонентну сировину з метою вилучення характерного продукту, особливістю яких є паралельні і зворотні потоки на основній стадії виробництва.

Рис.3. Функціональна схема цукробурякового виробництва.

Варіння утфелей і отримання кристалічного цукру. Обчищений сироп, що містить 55…60% сухих речовин, надходить на подальше уварювання. Він містить велику частину нецукрів, які не вдалося виділити під час очищення дифузійного соку. Щоб виділити з сиропу практично чисту сахарозу, кристалізацію проводять у киплячих перенасичених розчинах у вакуум-апаратах за низької температури. Кристалізацію сахарози проводять багато разів. Раціональною є схема трикристалізаційного продуктового відділення.

Цукор 3-ої кристалізації для підвищення чистоти направляють в аффінатор, змішують з першим відтоком утфеля 1, розбавленим очищеним соком до 74…76% сухих речовин, і одержують аффінаційний утфель (афінація — розчинення цукру 3-ої кристалізації в розбавленому першому відтокові утфеля 1 до вмісту сухих речовин 89…90%Переробка відтоків

Отримані після центрифугування і пробілювання утфеля 1 відтоку є насиченими розчинами сахарози. Вони використовуються для варіння утфеля 2.

Меляса. Одержують як відтік під час кристалізації утфеля 3. Меляса є густою рідиною темно-коричневого кольору з гострим запахом і неприємним смаком, що містить 76…85% сухих речовин, з них 46…51% сахарози. У бродильній промисловості меляса йде на виробництво етилового і бутилового спиртів, молочної і лимонної кислот, гліцерину; на суслі, виготовленому з меляси, вирощують хлібопекарські дріжджі.

Жом є знецукреною стружкою (м’якоть) буряка. До складу жому входять (%) пектинові речовини — 45, целюлоза і геміцеллюлоза — по 20, білки, зола і цукор- по 2…4.

Жом використовують також під час отримання харчового пектину (для кондитерської промисловості) і пектинового клею (для текстильної і поліграфічної промисловості).

Якість цукру

Цукор-пісок і цукор-рафінад повинні мати білий колір, розчин їх у воді без муті й осаду. Вологість цукру-піску звичайного — не більше 0,14%. Вміст сахарози в сухій речовині — не менше 99,75%. У всіх видах рафінаду вміст са­харози — не менше 99,9% сухої речовини, вологість залежно від виду від 0,1 до 0,4%.

Зберігають цукор-пісок на складах за відносної вологості повітря не вище 70%, а цукор-рафінад — не вище 80%. Через великий вміст домішок цукор-пісок гігроскопічніше за рафінад. Кусковий рафінад не можна зберігати за температури нижче 0° С, оскільки різке охолоджування викликає перекристалізацію сахарози і поверхня шматків покривається скупченням дрібних кристалів.