Получение сахарного сока методом диффузии

Полученная стружка поступает в диффузионные аппараты, где и происходит экстракция сахара — переход его в воду. Одновременно с сахаром в водную фазу переходят и растворимые в воде несахара. При смешивании путем залива в аппарат объема воды, соответствующего объему свекловичного сока, будет экстрагированна лишь половина сахара. Для дальнейшего извлечения сахара потребуется свежая вода. Такой процесс извлечения сахара путем настаивания («мацерации») оказывается длительным и громоздким. Для его осуществления требуется целая батарея аппаратов - диффузоров (12...14) и трубопроводных коммуникаций, чтобы менять очередность каждого из них. Все это требует применения большого числа насосов и затрат энергии.

Систему мацерации долгое время применяли на заводах для получения диффузионного сока. Теперь на заводах применяют систему противоточной диффузии в свекловичной стружке, разработанную крупным русским ученым П. М. Силиным на основе первого закона диффузии Фика:

S = D×F× (C – c ÷ x) × t

D – коэффициент, зависящий от величины молеку л диффундирующего вещества;

F – площадь слоя; C-c – разница концентраций;

х – толщина слоя; t – время диффузии.

Скорость диффузии сахара и растворимых несахаров зависит от температуры воды. Так, при температуре 70 ⁰С коэффициент диффузии возрастает в 3 раза по сравнению с температурой 20 ⁰С. Рекомендуемая температура при этом должна быть 70...75 ⁰С. При более высоких температурах происходит интенсивное набухание пектиновых веществ и размягчение стружки. Температуры ниже 70 ⁰С способствуют активному развитию микроорганизмов. Важный фактор в процессе диффузии - рН среды. Так, при рН 5,3...6,3 наблюдаются наименьшая пептизация и меньший переход протопектина в диффузионный сок. Важен и срок диффузии в аппарате. Он ограничен 1 ч. При более продолжительном времени выделяется больше растворимых пектиновых веществ.

Для более легкого выделения сахарозы стружку перед загрузкой в диффузоры ошпаривают в специальных аппаратах-ошпаривателях. Стружку смешивают с соком, нагретым до температуры 85 ⁰С. В результате чего происходит коагуляция белков протоплазмы клеток, облегчающая переход сахаров в раствор.

Несмотря на постоянную высокую температуру (до 70 ⁰С), в диффузорах может развиваться термофильная микрофлора, находящаяся на стружке и содержащаяся в воде. Для предупреждения развития этой микрофлоры в диффузоры и ошпариватели вводят 40%-й раствор формалина в количестве 0,01 % массы свеклы. Эту операцию повторяют через 2 ч.

В результате диффузионного процесса образуется три компонента: диффузионный сок, обессахаренная стружка и мезга (мелкие частицы свекловичной стружки). Процесс диффузии завершается почти полным обессахариванием стружки, называемой жомом. Содержание сахарозы в нем не превышает 0,2...0,3 % массы свеклы. Дальнейшее обессахаривание стружки нетехнологично и неэкономично. Отделяемый от диффузионного сока жом прессуют на шнековых прессах до содержания 12... 14 % сухих веществ и в таком виде сразу же скармливают скоту, так как он быстро портится. Большую часть жома прессуют до содержания сухих веществ 22...25 % и затем досушивают до содержания сухих веществ 86 %. При такой влажности его хранят, транспортируют и реализуют на различные цели (выработку комбикормов, получение пектина и т.д.). Перед прессованием в жом вводят и отмытые частицы мезги. В среднем выход сушеного жома составляет 4,5...5,0% массы корнеплодов, из 100 кг которой в жом переходит 5,5 кг сухих веществ (0,5 кг растворимых несахаров и 5 кг мякоти).

Полученную при прессовании жома прессовую воду вновь используют в диффузионных аппаратах.

Очистка диффузионного сока (дефекация, сатурация, сульфитация)

Основной продукт диффузии - диффузионный сок представляет собой мутную жидкость, быстротемнеющую на воздухе. Он имеет слабокислую реакцию. Кроме сахарозы и других сахаров в нем содержатся и растворимые несахара неорганического и органического происхождения. Чистота диффузионного сока 82...88 %, и зависит она от качества перерабатываемых корнеплодов.

Лишь в результате многократной очистки диффузионного сока из него удается выкристаллизовать чистую сахарозу. Сок очищают в результате химических процессов, тепловых воздействий, явлений сорбции и др., используя следующие технологические приемы: предварительную и основную дефекацию, I и II сатурацию, сульфитацию и контрольную фильтрацию сока.

Первый этап очистки разделяют на предварительную дефекацию и основную дефекацию. Суть его заключается в обработке сока известью. Вводимая в сок известь в виде Са(ОН)₂ вступает в реакцию с несахарами. Ионы Са, соединяясь с кислотами (щавелевой, лимонной и др.), образуют нерастворимые соли, выпадающие в осадок. Гидроксильные ионы (ОН)₂ реагируют с соединениями алюминия, магния и железа, образуя гидроокиси данных металлов. Кроме того, белки, находящиеся в соке в виде крупных мицелл, тоже коагулируют. Таким образом, значительная часть несахаров выпадает в осадок.

Основная дефекация имеет две ступени: холодную (температура до 50 ⁰С) и горячую (температура 85...90 ⁰С). Ее осуществляют в аппаратах - преддефекаторе и дефекаторах. Холодная длится 20... 30 мин, горячая - 15.

В процессе дефекации сок дважды обрабатывается известковым молоком. Общее количество активной извести, используемой на очистку диффузионного сока, составляет 2,2...2,5 % СаО. Ее получают непосредственно на заводе обжигом известнякового камня, содержащего не менее 93 % карбоната кальция и не более 2,5 % карбоната магния. Перед обжигом известняковый камень дробят на куски размером 80...200 мм. Для сжигания пользуются коксом или антрацитом. Гашение извести и приготовление известкового молока производят на специальной установке. При обжиге извести в печи получают и сатурационный газ.

Вслед за дефекацией диффузионный сок со всеми включениями, которые он приобрел при дефекации, подвергается сатурации (насыщению). Ее назначение - удалить из сока как растворенную, так и связанную известь и тем самым получить более очищенный сок. Сатурацию проводят, вводя в сок сатурационный газ, получаемый в печи при обжиге известкового камня. Очищенный газ в основном состоит из диоксида углерода. При разбрызгивании сока в сатураторе пропускаемый сатурационный газ, соединяясь с водой, образует угольную кислоту Н₂СО₃, вступающую в реакцию с гидроксидом кальция Са(ОН₂). В результате этой реакции получается выпадающий в осадок карбонат кальция СаСО₃. Дальнейшая очистка сока при сатурации происходит и потому, что образующийся карбонат кальция активно поглощает органические несахара, придающие окраску соку.

Сатурацию проводят дважды. После каждой сок фильтруют на фильтропрессах или в вакуум-фильтрах. Обрабатывают сок при температуре 90... 100 ⁰С. В результате сатурации чистота сока достигает 91...93 %, а содержание сахарозы - 13...14 %.

В результате сатурации получают два продукта: более очищенный диффузионный сок и фильтрованный осадок (дефекационная грязь). Последний на 75...80 % состоит из карбоната кальция и на 20...25 % - из органических и минеральных несахаров. Остается в нем и некоторое количество сахарозы (0,10...0,15% массы свеклы), а также сухой фильтрационный осадок (5...6 % массы свеклы). Его используют в качестве удобрения и при известковании кислых почв.

Заключительный этап очистки диффузионного сока - обработка его диоксидом серы, т.е. сульфитация. При пропускании последнего в сульфитаторе через разбрызгиваемый сок образуется сернистая кислота. Она восстанавливает низкомолекулярные красящие вещества и обесцвечивает их. Кроме того, в результате сульфитации снижается щелочность сока и в дальнейшем облегчается процесс кристаллизации сахара.

Для получения диоксида серы сжигают в печи комовую серу. Получаемый из серы сульфационный газ состоит на 10...15 % из диоксида серы и 85...90 % воздуха.