Технологія виробництва цукру

Цукор – харчовий продукт, одержуваний головним чином із цукрового буряка і цукрової тростини. Випускається у виді цукру-піску і цукру-рафінаду. Калорійність 100 г цукру становить біля 400 ккал. Найважливішим показником якості цукру є його кольоровість, що в одиницях Штаммера не має перевищувати 1.0.

Незалежно від сировини відчуття солодкості цукру визначається винятково розміром поверхні кристалів, тобто швидкістю танення в роті. Великі кристали, що тануть повільно, здаються недостатньо солодкими, тоді як дрібні й особливо цукрова пудра мають нудно-солодкий смак.

Цукровий буряк – дворічна рослина із сімейства маревих. У перший рік її розвитку з висіяного насіння утворюються соковиті, багаті на цукор коренеплоди із широко розвиненим хвостовиком, бічними корінцями й потужною прикореневою розеткою листя – бадиллям, але без квіток і насінин. Саме ці корені після обрізання бадилля (разом із верхньою частиною кореневої голівки) й видалення хвостовика і частини корінців і служать сировиною для цукробурякового виробництва. Середня врожайність коренеплодів 25...40 т/га, на поливних землях України – понад 60 т/га.

Вміст цукру в буряку 16...18 % від маси кореня, іноді за сприятливих умов – 20 %. Тривалість вегетаційного періоду коливається від 150 до 180 діб. Сума середньодобових температур за період вегетації – 2400...2800°С, потрібне достатнє зволоження.

Утворення цукру в буряку відбувається шляхом початкового синтезу під дією сонячного світла найпростіших вуглеводів (глюкози і фруктози) із вуглекислого газу і води в листях рослин, що містять хлорофіл.

Масове викопування коренеплодів проводять із другої половини вересня. Доставлений транспортними засобами буряк до переробки зберігається в кагатах (буртах). Для попередження гнилісних процесів буряк у кагатах обприскується вапняним молоком, а в жарку погоду зрошується водою.

Коренеплоди в кагатах продовжують жити, споживаючи з повітря кисень і виділяючи вуглекислий газ, а також пару води.

Тростинний цукор-сирець, вироблюваний в Індії, Бразилії і на Кубі, є продуктом переробки соку, що віджимається зі стеблин цукрової тростини. Вміст сахарози в соку – 97...98 %, а в стеблах тростини – 12...15 %, урожай 40...60 т/га.

Віджатий тростиний сік піддається хімічному очищенню невеличкою кількістю вапна, фосфорної кислоти й сірчистого газу і у відфільтрованому виді надходить на випарювальну установку. Після згущення сироп із випарки уварюють до виділення кристалів цукру, які відокремлюють на центрифугах у виді цукру-сирцю.

Заводи, на яких виробляється цукор, являють собою великі, оснащені високопродуктивною технікою виробництва. Потужність окремих цукробурякових заводів з переробки буряку досягає 6...9 тис. т на добу, а в середньому – 2,5 тис. т у добу. Цукробурякове виробництво є масовим, поточним. У ньому в єдиному виробничому потоці здійснюються основні технологічні процеси і проміжні операції з переробки буряку з одержанням одного виду масової товарної продукції – білого цукру-піску. Побічними видами товарної продукції є жом і патока-меляса.

Щоб запобігти розкладанню сахарози, усі технологічні процеси виконуються при температурі, що не перевищує 90...100°С (тільки в перших корпусах випарки до 120...125°С), і в лужному середовищі (за винятком слабокислої реакції дифузійного соку).

Тривалість виробничого циклу від надходження буряка до одержання білого цукру-сирцю не більше 12...16 годин, а з урахуванням переробки всіх паток і жовтих цукрів у продуктовому відділенні – 36...42 години.

Найважливішими стадіями технології виробництва цукру з буряка є такі: приймання, збереження і подання буряка на завод; очищення коренів буряка від землі і сторонніх домішок; здрібнювання (нарізання) буряка в стружку й одержання з неї соку дифузійним способом; очищення соку; випарювання води із соку з одержанням сиропу; уварювання сиропу в кристалічну масу – утфель I і наступний поділ цієї маси шляхом центрифугування на білий кристалічний цукор і патоку; уварювання патоки в утфель II, додаткова його кристалізація і центрифугування з одержанням жовтого цукру і кінцевої патоки-меляси – відходу виробництва при роботі за схемою з двома утфелями.

Якщо роботи виконуються за схемою з трьома утфелями, то патока від утфеля II не є кінцевою. Вона ще раз уварюється на утфель III, із якого після кристалізації і центрифугування утворюється ще один жовтий цукор і вже як відхід виробництва – меляса.

Очищення (рафінація) останнього жовтого цукру, розчинення жовтих цукрів в соці (клерування) із поверненням одержуваного при цьому розчину – клеровки з очищення сиропу.

Крім цих технологічних операцій здійснюються допоміжні процеси: одержання необхідних для очищення соку вапна і сатураційного (вуглекислого) газу шляхом спалювання сірки сульфітаційного (сірчистого) газу для очищення соку і сиропу.

На деяких заводах виконуються додаткові технологічні операції, що є ніби продовженням основних процесів виробництва – сушіння бурячного жому і виробництво на його основі комбікормів (збагачення жому добавками), одержання з меляси мікробіологічним шляхом лимонної кислоти.

Всі технологічні операції здійснюються в трьох основних відділеннях заводу: бурякопереробному, що включає подання буряка на завод; сокоочисному, в якому відбувається випарювання й одержання вапна, сатураційного і сульфітаційного газів; продуктовому – варочно-кристалізаційному і пробілочному.

Очищення дифузійного соку. Крім цукру, у дифузійному соці містяться (приблизно 2 %) й інші речовини, називані нецукрами (солі фосфорної й інших кислот, білки), а також дрібні зважені частки, що надають соку темний колір.

Очищення дифузійного соку від зважених часток і значної частини нецукрів здійснюють за допомогою вапна, а для наступного видалення із соку вапна застосовують вуглекислоту. Вапно і вуглекислий газ одержують на цукрових заводах випалом вапняку (СаСО₃ = Са + СО₂); його витрата складає 5-6 % від ваги буряка, що переробляється.

Обробляють дифузійний сок вапном (у виді вапняного молока) у циліндричних казанах із мішалками-дефекаторами. Під дією вапна нецукри коагулюють і осаджуються або розкладаються, створюючи кальцієві солі, що залишаються в розчині.

Оброблений вапном (дефекований) сік надходить у сатуратор, де його обробляють вуглекислим газом. Під дією вуглекислого газу вапно перетворюється на вуглекислий кальцій СаСО₃, який, випадаючи в осад, захоплює із собою і нецукри.

Оброблений вуглекислим газом (сатурований) сік фільтрують на механічних фільтрах. При цьому від соку відокремлюється фільтр-пресовий бруд, що містить вуглекислий кальцій, нецукри і незначну кількість цукру (до 1 % від ваги бруду).

Очищений дифузійний сік зберігає темний колір, який усувається наступною обробкою соку сірчистим газом (його одержують спалюванням сірки). Процес обробки соку сірчистим газом називають сульфітацією.

Випарювання соку, уварювання сиропу й одержання цукру.Очищений сік надходить на випарну установку, де з нього видаляють велику частину води. Сік набуває концентрації сиропу (65 % сухих речовин, у тому числі 60 % цукру і 5 % нецукрів, що залишаються в дифузійному соці після його очищення).

Отриманий сироп знову відбілюють сірчистим газом і фільтрують, після чого уварюють у вакуум-апаратах. Уварювання сиропу продовжується 2,5-3 години при температурі біля 75°С (у вакуумі). У процесі уварювання відбувається кристалізація цукру. При цьому утворюється продукт, що містить 55-60 % кристалів цукру і називаний утфелем першої кристалізації. Концентрація сухих речовин в утфелі досягає 92,5 % (із них приблизно 85 % цукру).

З вакуум-апаратів утфель спускають у мішалку, а потім направляють у центрифуги, де проводиться відділення маткового розчину від кристалів цукру. Відділений матковий розчин називають зеленою патокою. В ній ще міститься значна кількість цукру, а також нецукри.

Після видалення зеленої патоки цукор, що залишився в центрифузі, промивають водою і пропарюють. У результаті цукор стає білим. При промиванні кристалів цукру в центрифузі утворюється рідина, що містить розчинений цукор – білу патоку. Її повертають у вакуум-апарати для додаткового уварювання на утфель першої кристалізації, що дає білий цукор.

Цукор же з центрифуг переправляють у сушильний барабан. Висушений цукор є вже цілком готовим продуктом – цукровим піском, що містить до 99,75 % чистого цукру (вже як сухої речовини).

Зелену патоку теж направляють у вакуум-апарати для уварювання на утфель другої кристалізації. При цьому одержують жовтий цукор, який головним чином використовується у кондитерській промисловості. Спеціальною обробкою жовтий цукор можна перетворити й у звичайний, білий.

Після виділення з утфеля другої кристалізації жовтого цукру одержують кормову патоку, або мелясу, щоє відходом виробництва. Вихід кормової патоки складає біля 5% від ваги переробленого буряку.

З урахуванням втрат цукру в процесі виробництва (більше за все його губиться в кормовій патоці – 9-14 % цукру, що міститься в буряку) вихід його з буряку практично складає 12-13 %. При цьому витрата буряку на 1 т цукру перевищує 7-8 т.

У процесі цукроваріння витрачається багато пари і гарячої води, зазвичай одержуваних у заводській котельній. Загальна витрата умовного палива на цукробурякових заводах (включаючи і витрату на випал вапняку) складає 11-12 % від ваги перероблюваного буряку.

Цукробурякове виробництво характеризується великими витратами води на технологічні процеси. Вони у 20 разів перевищують вагу буряка. З урахуванням використання оборотної води витрати свіжої води також дуже значні й досягають 8 т на 1 т буряків.

Використання відходів.Найціннішим відходом цукробурякового виробництва є кормова патока, щомайже наполовину складається з цукру, а також містить інші живильні речовини. Внаслідок цього патоку використовують як концентровані корми для худоби (безпосереднім згодовуванням або в складі комбікормів). Крім того, кормову патоку переробляють на спирт, дріжджі, лимонну й молочну кислоту та інші продукти.

Особливою переробкою з кормової патоки можна вилучити цукор, що міститься в ній, і тим самим підвищити його загальний вихід із буряку, знизивши цим його собівартість. З цією метою на деяких цукрових заводах побудовані цехи, в яких здійснюють знецукрення кормової патоки.

Іншим відходом є жом – позбавлена цукру бурякова стружка. Жом, що вивантажується з дифузорів, за допомогою води транспортують у сховища (жомові ями). Жом живильний, тому його охоче поїдають тварини. Відтак він використовується у тваринництві для відгодівлі худоби. Деякіх цукрові заводи утримують свої скотовідгодовувальні пункти.

Свіжий жом містить до 94 % води. Для підвищення транспортабельності, а також кормової цінності жому його частково збезводнюють і тим самим підвищують вміст у ньому сухих речовин до 15-18 %. Для тривалого збереження жом висушують до вологості 10-12 %, застосовуючи для сушіння паливні гази.

Сезонність роботи цукробурякових заводів.Цукробурякові заводи відзначаються різко вираженою сезонністю роботи. Цукровий буряк дозріває зазвичай у другій декаді вересня. У цей час починають викопування і вивезення його на заводи для переробки. На заводах створюють запас буряка, складаючи його в бурти. Потім ці запаси переробляють. При тривалому збереженні буряків їхня цукристість значно знижується. Тому на заводах намагаються переробити річний запас сировини в мінімальний термін – 3-4 місяці. Подовження терміну збереження буряка зменшує вихід цукру з одиниці сировини і знижує рентабельність цукробурякового заводу.

Виробництво цукру-рафінаду.Біля 20...25 % виробленого цукру-піску піддається рафінуванню з метою одержання більш чистого харчового продукту у твердому (грудковий рафінад) або розсипчастому кристалічному (рафінадний цукор-пісок) виді.

Для промислової переробки (на рафінування) допускається цукор-пісок із вологістю не більше 0,15 %, вмістом цукрів не менше 99,75 % і кольоровості до 1,8 одиниць Штаммера.

Сутність процесу рафінування цукру полягає в тому, що цукор-пісок розчиняють, отриманий сироп очищають і уварюють на кристал.

Після виливання рафінадного утфеля у форми і його охолодження одержують цукор високої твердості – виливний цукор. Крупні шматки виливного цукру розбивають на дрібніші або розпилюють на шматочки прямокутної форми.

Застосовують й інший спосіб виробництва грудкового цукру – пресування отриманого з рафінадного утфеля зволоженого цукру-піску у формах. Так одержують пресований цукор, щомає меншу твердість, ніж виливний.

Рідкий рафінад використовується в хлібопекарській промисловості і виробництві морозива.

Колір рафінаду має бути чисто білим, без плям, допускається блакитнуватий відтінок, одержуваний шляхом додавання ультра­марину.

Вихід готового цукру-рафінаду складає біля 98,5 % від маси узятого у виробництво цукру-піску. Сахарорафінадні заводи в Одесі, Сумах і Черкасах працюють цілий рік.

На Україні основне виробництво цукру зосереджене у Вінницькій, Хмельницькій, Київській, Черкаській областях. У кожній – по 30-40 цукрових заводів, більшість із них випускають цукор сезонно. Вихід білого цукру відносно маси цукру, що міститься в буряку, називається коефіцієнтом заводу. По цукровій промисловості він складає 78-80 %.

У середньому по промисловості річний вихід цукру складає 12...13 % до маси буряку, отже на 1 частину виробленого цукру витрачається 7...8 частин буряку.

Трудомісткість переробки цукрового буряку – 15...16 людино-днів на 100 т буряку.

Загальна витрата нормальної пари (із середнім тепловмістом 2700 кДж/кг) по заводу складає 50...60 % до маси буряку.

Загальний обіг води – 1800...2000 % до маси переробленого буряку, він може бути скорочений до 150...300 %.