TECHNOLOGIE PRZEMYSŁOWE. PRZEMYSŁ CUKROWNICZY.doc

PROCESY I TECHNIKI PRODUKCYJNE II (PRODUKCJA ŻYWNOŚCI)

W. 8.

TECHNOLOGIE PRZEMYSŁOWE. PRZEMYSŁ CUKROWNICZY.

Zakres produkcji przemysłu cukrowniczego

              Cukrownictwo jest to dział przemysłu spożywczego, zajmujący się wytwarza­niem cukru - sacharozy w skali przemysłowej, z trzciny cukrowej lub bura­ków cukrowych.

              Głównym i praktycznie jedynym surowcem do produkcji cukru w Polsce są korzenie buraków cukrowych. Dostawy buraków do cukrowni rozpoczynają się zwykle w połowie paź­dziernika (początek kampanii cukrowniczej), kiedy osiągają one pełną dojrza­łość i zawierają 16,5 - 19,0% sacharozy.

Odbiór i czyszczenie buraków

              Rozładunek z samochodów i wagonów odbywa się przy użyciu spłukiwaczy (armatek wodnych). Strumień wody, wypływający z nich pod ciśnieniem 0,3 - 0,4 MPa, spłukuje buraki do kanałów spławnych i spławów (rodzaj zbiorni­ków betonowych). Podczas transportu hydraulicznego następuje wstępne usu­wanie zanieczyszczeń - gleby, liści, chwastów itp. Zanieczyszczenia buraków glebą mo­gą osiągać nawet 20% (gliniasta, mokra gleba).

              Buraki z kanału spławnego są kierowane do właściwego mycia i przenoszo­ne do płuczki przy użyciu koła podnośnego lub razem z wodą - przy użyciu pompy o specjalnej konstrukcji. Mycie przeprowadza się w płuczkach łapowych, w których wał z łapami poruszającymi buraki, obraca się z prędkością 15 – 20 obrotów na minutę. Po myciu w burakach ciągle pozostaje ok. 0,2% zanieczyszczeń. W trakcie mycia dochodzi do niewielkich strat cukru, rzędu 0,1% masy buraków (wypłukanie z uszkodzonych buraków).

Krajanie buraków

Krajanie (uzyskiwanie krajanki) ma na celu ułatwienie wydobycia cukru z korzeni buraków. Rozdrobnienie buraków:

- zwiększa powierzchnię styku ich miąższu z wodą,

- ułatwia dyfuzję (wymycie) cukru z tkanki,

- skraca drogę wymywanego cukru do powierzchni krajanki, dzięki czemu

czas wydobycia cukru z krajanki (wysładzania) jest krótszy.

Nadmierne rozdrobnienie krajanki powoduje jednak zbijanie się masy buraczanej pod wpływem własnego ciężaru, co utrudnia przepływ cieczy wymywającej, a tym samym zwalnia proces dyfuzji. Do krajania buraków stosuje się krajalnice odśrodkowe z poziomym wir­nikiem, na którym są zamocowane ramki z nożami tnącymi. Optymalny kształt krajanki buraczanej to kształt „daszkowy”.

Otrzymywanie soku surowego

              Otrzymywanie soku polega na ekstrakcji (wydobyciu) cukru z krajanki w proce­sie dyfuzji, czyli wyrównywania stężenia cukru między sokiem komórkowym bura­ków a wodą (ługowanie).

              W cukrownictwie dyfuzję prowadzi się sposobem bateryjnym lub ciągłym, z użyciem wody podgrzanej do temp. 75 - 80°C. Podwyższona temperatura na­rusza ściany komórkowe tkanki buraczanej i ułatwia wydobycie sacharozy.

              Dyfuzję cukru przez wiele lat przeprowadzano sposobem bateryjnym, w ba­terii dyfuzorów, w przeciwprądzie. Bateria dyfuzorów składa się z 8 - 16 dyfuzorów z ogrzewaczami (kaloryza­torami). W systemie ługowania bateryjnego ługowany materiał pozostaje cały czas w tym samym dyfuzorze, natomiast odpowiednio przełącza się przewody. Świeżą krajankę traktuje się roztworem, który dokonywał już ekstrakcji (ługowania) w poprzednim dy­fuzorze. Dzięki temu ilość uzyskanego soku nie jest zbyt duża, a wydobycie cu­kru jest zadowalające. W dyfuzorach cukrowniczych krajankę wprowadza się od góry, dolną klapą zaś usuwa się wyługowaną krajankę jako wysłodki buraczane. Ciecz ługująca (woda czysta albo woda, zawierająca już wyługowany cukier) jest doprowadza­na górą, natomiast odprowadzana dołem, do następnego ogrzewacza, który na­grzewa ciecz do temp. 75 - 80°C. W końcowej fazie ciecz ługująca, już jako sok dyfuzyjny, zawiera 14-18% cukru.

                            Obecnie w kraju pracują wyłącznie ekstraktory ciągłe, zapewniające lep­sze warunki ekstrakcji i mniejsze straty cukru. Koryto ekstrakcyjne jest ustawio­ne pod kątem 8°. Zasilanie koryta krajanką odbywa się w dolnej części, gdzie także odbiera się sok surowy. W wyższej części koryta dopływa woda oraz są usuwane wysłodki. Ruch krajanki w korycie długości ponad 20 m odbywa się dzięki mieszadłom (przenośnikom) ślimakowym, przesuwającym krajankę ku górze. Koryto jest ogrzewane odpadowymi oparami z wyparek próżniowych.

Oczyszczanie soku dyfuzyjnego (defekosaturacja)

              Bezpośrednie zagęszczanie takiego soku, w celu koncentracji sacharozy, da­łoby syropy mętne, ciemno zabarwione, a proces krystalizacji sacharozy byłby utrudniony. Ponadto sok o kwaśnym odczynie (pH 5,8 - 6,5) mógłby powodować rozkład sacharozy do cukru inwertowego. Dlatego ko­nieczne jest oczyszczenie soku dyfuzyjnego przed jego zagęszczaniem. Z soku usuwa się niecukry, nadaje mu odczyn alkaliczny i niszczy zawarte w nim drob­noustroje. Do oczyszczania soku stosuje się tlenek wapnia CaO. Traktowanie so­ku wapnem nazywa się nawapnianiem lub defekacją. Usuwanie nadmiaru wapnia przeprowadza się przez wprowadzenie dwutlenku węgla CO2 do oczyszczanego, nawapnionego soku. Proces ten jest nazywany nawęglaniem lub saturacją. W wy­niku powyższych zabiegów powstaje osad, który oddziela się w efekcie cedzenia.

Defekacja wstępna

              Do soku, znajdującego się w zbiorniku wyposażonym w mieszadła (defeka­torze), dodaje się mleka wapiennego w ilości 0,2 - 0,3% w stosunku do masy użytych buraków, w wyniku czego pH soku wzrasta do ok. 11. Kolejną czynno­ścią jest ogrzewanie soku, w celu przyspieszenia wszystkich przemian chemicz­nych, zachodzących podczas głównej defekacji. Sok ogrzewa się do temp. 65 - 70°C w ogrzewaczach rurkowych, o szybkim przepływie cieczy. Defekację główną

              Przeprowadza się przez dodanie mleka wapiennego (de­fekacja mokra). Proces prowadzi się systemem ciągłym (ciągłe dozowanie mleka wapiennego). Dodatek CaO wynosi 1,5 - 2,0% w stosunku do masy buraków. CaO oczyszcza sok przez adsorpcję (pochłanianie na powierzchni) niektórych niecukrów. Po defekacji głównej pH soku wzrasta do 12.

Saturacja soku (węglanowanie)

              Zabieg nasycania nawapnionego soku dwutlenkiem wę­gla CO2 jest nazywany powszechnie saturacją. Podczas tego zabiegu wydziela się nierozpuszczalny w soku węglan wapnia CaC03 oraz zmniejsza się alkaliczność soku. Obecnie uważa się, że poprawniejszą nazwą saturacji jest węglanowanie (karbonatacja).

Celem węglanowania I (pierwszego) jest przeprowadzenie głównej masy wo­dorotlenku wapnia Ca(OH)2 w krystaliczny węglan wapnia CaC03, adsorbujący na powierzchni niecukry (substancje inne niż sacharydy), które utrudniałyby dalsze procesy.

              W reakcji tej powstaje nierozpuszczalny węglan wapnia. Saturację soku przerywa się, w momencie kiedy pH soku obniży się do 11.               Temperatura soku podczas saturacji powinna być wystarczająco wysoka (80 - 85°C), a czas jej utrzymywania wynosi 5 - 10 minut.

              Po zakończonej saturacji sok jest kierowany do filtracji, w celu usunięcia wytrą­conych osadów. Osad jest określany jako błoto saturacyjne, a urządzenia do jego oddzielania (filtry) są nazywane błotniarkami.

              Do oddzielania osadów stosuje się filtry ciśnieniowe, tzw. filtry zagęszczają­ce (osad) oraz filtry próżniowe o działaniu ciągłym. Podczas filtracji cząstki, tworzące zawiesinę, zatrzymują się na porowatej przegrodzie filtracyj­nej, a różnica ciśnień umożliwia przepływ klarownego soku. Jako przegrody sto­suje się gęste tkaniny filtracyjne.

Węglanowanie II (saturacja II) i filtracja II

              Węglanowanie II ma na celu dalsze obniżenie pH soku i wytrącenie z niego, jak największej ilości jonów wapnia. Gorący sok po II węglanowaniu jest kierowany do filtracji II, której celem jest całkowite oddzielenie zawiesin i osadów od soku.

              W wyniku nawapniania, węglanowania i saturacji soku surowego otrzymujemy sok oczyszczony, nazywany sokiem rzadkim. Jest on już przeźroczysty o jasnożółtym zabarwieniu. Zawiera 15 – 18% cukru.

Zagęszczanie soku rzadkiego

Sok ten jest rozcieńczonym roztworem cukru. Konieczne jest jego zagęszczenie przez odpa­rowanie wody, aby doprowadzić cukier do krystalizacji. Zagęszczanie prowadzi się do stanu przesycenia. Proces podgęszczania składa się z dwóch etapów:

·         w pierwszym etapie sok rzadki podgęszcza się do 65 + 70% zawartości cukru (zagęszczenie 5-6-krotne); uzyskany sok nie jest jeszcze przesyconym roz­tworem cukru;

·         w drugim etapie sok podgęszczony zagęszcza się w warniku do stężenia ok. 94%, uzyskując tzw. cukrzycę.

              Sok gęsty przed dalszym podgęszczaniem i krystalizacją cukru w warniku, poddaje się kolejnej filtracji. Pozostawienie osadów w soku wpływa ujemnie na proces krystalizacji cukru i jego jakość. Oddzielanie osadów odbywa się po podgrzaniu soku do temp. 80 - 90°C. Odpowiednio gęsty, alkaliczny sok jest poddawany końcowym procesom - podgęszczaniu i krystalizacji.

Podgęszczanie soku gęstego i krystalizacja cukru

              Podgęszczanie soku ma na celu doprowadzenie go do stanu nasycenia, a na­stępnie przesycenia cukrem. Podgęszczanie i krystalizacja odbywa się w urządze­niach, zwanych warnikami. Warnik jest to wyparka jednodziałowa, pracująca okresowo, pod zmniejszonym ciśnieniem, uzyskanym w wyniku współdziałania skraplacza z pompą próżniową.

W roztworze przesyconym wydziela się cukier w postaci kryształów - zacho­dzi krystalizacja. Sok zagęszczony w warnikach jest nazywany cukrzycą I (pierw­szą). Składa się on z kryształów cukru i syropu międzykryształowego.

Gotowanie cukrzycy I prowadzi się pod zmniejszonym ciśnieniem (obniże­nie temperatury wrzenia), co chroni ją przed niekorzystnym przegrzewaniem. Gotowanie cukrzycy I składa się z kilku etapów (różne ciśnienia, temperatury i stężenia), aż do osiągnięcia przez kryształy odpowiedniej wielkości i uzyskania przez cukrzycę 93 - 94%. W środkowej fazie gotowania do cukrzycy jest doda­wana niewielka ilość pudru cukrowego (cukier puder) lub pasty zarodkowej. Dodatek cukru pudru ułatwia zawiązanie kryształów i rozpoczęcie procesu krystalizacji.

              Od momentu zawiązania kryształów obniża się temperaturę gotowania, tak by w końcowym stadium wynosiła ona ok. 75°C. Czas gotowania cukrzycy I trwa zwykle kilka godzin.

Oddzielanie syropu międzykryształowego i wybielanie cukru

Uzyskana gotowa cukrzyca, składająca się z kryształów (65%) i syropu międzykryształowego (35%) jest poddawana kolejnym czynnościom, tj. oddzielaniu syropu i wybielaniu kryształów cukru.

Oddzielanie syropu. Cukrzyca spływa z warnika do mieszadła (mieszalnika) cukru, stanowiącego zbiornik z półokrągłym dnem. Wewnątrz jest umocowany poziomy wał (1 +3 obr./minutę), na którym jest zamocowana spi­ralna taśma, mieszająca cukrzycę. Mieszanie cukrzycy i utrzymywanie jej w ru­chu zapobiega osadzaniu się kryształów i łączeniu się ich w duże bryły, co unie­możliwiłoby kolejną czynność - wirowanie. Ponadto mieszanie ma na celu utrzymanie jednorodności w całej masie, a także obniża temperaturę cukrzycy.

              Cukrzyca z mieszadła poprzez tzw. roz­dzielacz jest kierowana grawitacyjnie do wirówek. W wi­rówce (ok. 1 tys. obr./minutę) średnicy ok. 1 m następuje oddzielenie płynnej części cukrzycy od kryształów. Z cukrzycy poddanej sile odśrodkowej w wirującym bębnie metalowym z otworami, pokrytym wewnątrz sitami o ma­łych otworach (do 0,5 mm), oddziela się faza płynna syropu międzykryształowe­go i tworzy warstwa żółtozabarwionych kryształów.

Wybielanie kryształów cukru. Po oddzieleniu syropu międzykryształowego następuje bielenie kryształów, osadzonych na wewnętrznej powierzchni bębna wirówki. Proces ten polega na wymywaniu resztek syropu, znajdującego się na powierzchni kryształów, filtrowaną, gorącą, rozpyloną wodą o temp. 90oC, w ilo­ści ok. 20 dm3/lOO kg cukrzycy. Stosuje się także dodatkowe wymywanie resztek syropu przy użyciu pary wodnej, wprowadzonej do wirówki. Pod wpływem siły odśrod­kowej małe kropelki skroplonej pary przenikają przez warstwę kryształów i obmywają ich powierzchnię. Czas parowania wynosi kilkadziesiąt sekund.

                            Cukier krystaliczny wybielony tylko wodą zawiera jej ok. 1 %, natomiast trakto­wany dodatkowo parą - tylko 0,5% wody, w wyniku czego uzyskuje się wstęp­ne podsuszenie cukru już w wirówce.

Cukier wybielony uzyskany z cukrzycy I jest określany jako krystaliczny cu­kier biały.

              Oddzielony syrop międzykryształowy oraz woda użyta do wybielania stanowią odciek, z którego w dalszych procesach odzyskuje się zawartą w nim sacharozę.

              Cukier po odwirowaniu cukrzycy I ma temp. 75 - 80°C, jest mokry i zawiera 0,7 - 1,0% wody (wilgoci).

Wirowanie cukrzycy jest procesem cyklicznym, sterowanym automatycznie.

Suszenie, segregowanie i magazynowanie cukru białego

Suszenie, segregowanie i magazynowanie cukru białego są to czynności, które mają na celu utrwalenie krystalicznego cukru, aby mógł być on magazy­nowany przez dłuższy okres. Podstawową czynnością jest wysuszenie cukru do zawartości 0,03 - 0,05% wody i ochłodzenie do temp. poniżej 30°C.

              Do końcowego wysuszenia cukru stosuje się suszarkę talerzowo-kaskadową, wysokości ok. 8 m i średnicy 1,8 - 2,0 m. Cukier w takiej suszarce spada na obracające się talerze i jest roz­rzucany siłą odśrodkową na tzw. kaskady, z których spada coraz niżej, w przeciw­prądzie suszącego powietrza. Powietrze, przepływające przez suszarkę, ma w końcowej fazie suszenia temp. 90 - 110°C i porywa pył cukrowy, który jest od­...