Схема противоточного обессахаривания свекловичной стружки

Свекловичная стружка

диффузионный сок вода (С₁=0)

Стружка концентрацией сахарозы С₂ поступает в головную часть (А) диффузионного аппарата и движется к хвостовой его части (В), отдавая сахарозу движущемуся навстречу растворителю. В хвостовой части аппарата находится стружка с очень малым количеством сахарозы, но так как сюда поступает чистая вода, то диффузия продолжается. Таким образом, разность концентраций сохраняется во всех частях аппарата, что обеспечивает максимальное извлечение сахарозы из стружки. Потери сахара составляют 0,25-0,3 % к массе свеклы.

Рассмотрим для примера работу одноколонного диффузионного аппарата типа КДА, который состоит из горизонтального ошпаривателя, подогревателей и насосов и непосредственно вертикального диффузиозного аппарата.

Сокостружечная смесь (температура 75 ⁰С) подается насосом в нижнюю часть колонны и перемещается вверх навстречу воде. Обессахаренная стружка (жом) выгружается из верхней части аппарата и частично обезвоживается. Подогретая до 72 ⁰С свежая и жомопрессовая вода (рН 5,5-6,0) подается в верхнюю часть аппарата. Для того, чтобы обеспечить необходимую температуру диффузионного процесса (74-75 ⁰С) используется ошпариватель. Диффузионный сок отбирается из нижней части аппарата и делится на два потока.

Один поток – основная масса сока – сразу подается в теплообменную часть ошпаривателя для предварительного подогрева свекловичной стружки, имеющей комнатную температуру. При этом сок охлаждается с 72 ⁰С до 45-55 ⁰С и направляется на следующую технологическую операцию – очистку. Подогретая таким образом стружка в мешалке ошпаривателя смешивается со второй частью диффузионного сока, предварительно прошедшего через теплообменник и имеющего температуру 85 ⁰С. Полученная сокостружечная смесь (температура 75⁰С) поступает в нижнюю часть аппарата. Продолжительность активной диффузии в аппарате составляет 75-80 минут.

Очистка диффузионного сока. Полученный диффузионный сок содержит 15-16 % сухих веществ, из них 14-15 % сахарозы и около 2 % несахаров. В число растворимых несахаров входят растворимые белки, аминокислоты, редуцирующие сахара, пектиновые вещества, соли органических и неорганических кислот, хлопья скоагулированного белка и мезга. Он имеет кислую реакцию (рН 6,0-6,5), черный цвет, сильно пенится. Все несахара в той или иной степени задерживают кристаллизацию сахарозы, увеличивая потери сахара с мелассой. Чтобы избавиться от них проводят очистку диффузионного сока известью (дефекация) с последующим удалением ее избытка диоксида углерода (сатурация).

Дефекация диффузионного сока. Обработку диффузионного сокаизвестью (дефекацию) проводят в два этапа: предварительная дефекация и основная дефекация. На преддефекации к массе свеклы добавляют 0,2-0,3 % СаО. При этом рН сока медленно повышается до 10,8…11,6. На основной дефекации добавляют 2,5-3 % к массе свеклы СаО и рН сока повышается до 12,2-12,3. необходимость проведения дефекации в два этапа обусловлена тем, что небольшое количество извести оказывает коагулирующее действие на ряд веществ коллоидной дисперсности, содержащихся в соке. Преддефекация, проводимая при оптимальном рН, обеспечивает выведение в осадок до 80 % веществ коллоидной системы и высокомолекулярных соединений сока, что составляет 30-40 % всех несахаров, удаляемых при очистке сока. Оптимум рН на преддефекации – величина непостоянная, зависящая от состава несахаров сока. Целью преддефекации является также нейтрализация и осаждение кальцевых солей ряда кислот (лимонной, оксилимонной, яблочной, винной, щавелевой и др.), содержащихся в соке, и образовании осадка, состоящего из крупных плотных частиц. Осадок хорошо фильтруется и устойчив к разрушающему действию ионов кальция в условиях высокой щелочности и температуры на основной дефекации.

На сахарных заводах преддефекацию проводят путем одновременного введения всей необходимой извести (оптимальная преддефекация) или постепенного ее введения в течение 20-30 минут (прогрессивная преддефекация). Температура сока также может меняться: при проведении холодной преддефекации известь вводят в сок температурой до 50 ⁰С, при проведении теплой – 50-60 ⁰С, а при горячей преддефекации – 85-90 ⁰С. Выбор режима зависит от качества перерабатываемой свеклы.

Преддефекация диффузионного сока. Оптимальная преддефекация осуществляется при температуре 85-90 ⁰С. В качестве источника извести используется смесь нормально отсатурированного нефильтрованного сока I сатурации (100-150 % к массе свеклы) и дефекованного сока (15-30 % к массе свеклы), что обеспечивает оптимальное значение рН и улучшает фильтрационные свойства осадка. В диффузионный сок поступают положительно заряженные частицы СаСО₃, которые служат центрами коагуляции для отрицательно заряженных несахаров: белков, пектиновых веществ и других высокомолекулярных соединений. На последующей стадии очистки сока – сатурации – эти частицы также будут являться центрами кристаллизации СаСО₃ и органические несахара окажутся внутри кристаллов СаСО₃. Образуется большое количество хорошо фильтруемого осадка, идет дальнейшая физико-химическая очистка сока.

При прогрессивной преддефекации нет необходимости соблюдать строго рН. Известь дозируют медленно в количестве на 20-30 % больше, чем требуется для достижения оптимального рН.

Основная дефекация диффузионного сока. Эту дефекацию проводят сразу же после преддефекации без предварительного фильтрования или подогрева сока. Основные процессы, проходящие при основной дефекации: разложение ряда органических несахаров сока (амидов кислот, солей аммония, редуцирующих веществ), а также омыления жиров, доосаждение анионов кислот и создания избытка извести, необходимого для получения достаточного количества СаСО₃ на I сатурации.

В результате разложения амидов (аспарагина, глутамина и др.) выделяется аммиак, в растворе накапливаются растворимые соли Са²⁺ , которые ухудшают кристаллизацию сахарозы и приводят к увеличению ее потерь. В результате разложения редуцирующих сахаров образуются органические кислоты: молочная, уксусная, муравьиная и другие, дающие с известью растворимые соли Са²⁺ , которые ухудшают кристаллизацию сахара. При омылении жиров образуются мыла, которые выпадают в осадок, и глицерин. Пектиновые вещества разлагаются с образованием метилового спирта, уксусной и полигалактуроновой кислот. Метиловый спирт при последующем выпаривании сока улетучивается, уксусная кислота образует водо-растворимую уксусно-кальциевую соль, а полигалактуроновая кислота – трудно фильтрующийся слизистый осадок – пектат кальция. Таким образом, в процессе дефекации из несахаров, перешедших в раствор, образуются трудно отфильтровываемые соли кальция и красящие вещества, ухудшающие качество очищенного сока.

Длительность основной дефекации регулируется в зависимости от содержания несахаров в соке и способа проведения дефекации. Обработку сока известковым молоком проводят при температуре ниже 50 ⁰С (холодная дефекация), в интервале температур 50-60 ⁰С (теплая дефекация) и 85-90 ⁰С (горячая основная дефекация). Продолжительность холодной основной дефекации 20-30 минут, горячей 15-20 минут. Комбинированная холодно-горячая дефекация позволяет провести достаточно полное разложение несахаров и получить менее окрашенный сок. При этом первая ступень – холодная дефекация (при температуре ниже 50 ⁰С) – 20-30 минут, вторая горячая (при температуре 85 ⁰С) – 10-15 минут.

Сатурация диффузионного сока. Под сатурацией понимают обработку сока сатурационным газом, содержащим 30-34 % СО₂.

Сатурацию проводят в две стадии (I и II стадии) с промежуточным отделением осадка несахаров.

Чтобы предотвратить обратный переход в раствор несахаров, выпавших в осадок на стадиях преддефекации и дефекации, I сатурацию заканчивают при наличии в растворе небольшого избытка извести, как на преддефекации (0,2-0,3 % СаО, рН 10,8-11,6).

I сатурация. Бывает одно-, двух- и многоступенчатой. На большинстве заводов ее проводят одноступенчато. Диффузионный сок температурой 80-85⁰С поступает сразу же после дефекации в одноступенчатый непрерывно действующий сатуратор. Сатурационный год подается в нижнюю часть сатуратора. Дефекованный сок поступает сверху на коническую тарелку навстречу потоку газа (только 0,1 % извести находится в растворенном состоянии в дефекованном соке, а 0,9 – в виде осадка). При продувании СО₂ почти вся избыточная известь, проходя через более растворимое сахаратное состояние, выпадает в осадок уже в виде оксида кальция. Частицы этого осадка несут на себе положительный заряд и адсорбируют на своей поверхности все отрицательно заряженные частицы несахара.

Таким образом, избыток извести, добавляемый на дефекации, позволяет получить большое количество мелкодисперсных частиц оксида кальция, положительно заряженных и с большей площадью поверхности. Этим достигается хорошая физико-химическая очистка сока и облегчается его последующее фильтрование.

Отсатурированный сок делится на две части:

- одна идет на проведение предварительной дефекации,

- вторая – на фильтрование и последующую обработку.

II сатурация. Проводится для снижения в соке концентрации растворимых солей кальция, так как не удаление кальциевых солей из сока приводит к образованию накипи в теплообменных аппаратах и увеличивает потери сахарозы. Сок перед II сатурацией подогревают до 85-92 ⁰С. II сатурацию ведут до рН сока не ниже 9,0 (≈ 9,25). Продолжительность операции 10 минут.

Фильтрование сока. Сок после сатурации содержит ~ 4-5 % осадка, поэтому его направляют в отстойники, после которых 75-80 % всего сока представляют собой жидкость, содержащую только легкую муть и практически лишенную осадка. Далее сок направляется на контрольное фильтрование. Вторую часть сока (20-25 % общего его количества) – сгущенную суспензию, в которой содержится 18-20 % осадка направляют на вакуум-фильтры.

В настоящее время для сгущения сока I сатурации применяют листовые фильтры сгустители (ФиЛС), они позволяют резко повысить скорость сгущения осадка по сравнению с отстойниками и не требуют контрольной фильтрации сока.

Сульфитация сока. Для снижения цветности и щелочности фильтрованный сока II сатурации обрабатывают диоксидом серы в оросительных или жидкостно-струйных сульфитаторах (газ содержит 10-15 % диоксида серы).

При пропускании газа через диффузионный сок часть растворенного диоксида серы реагирует с водой, образуя сернистую кислоту. Последнее является хорошим восстановителем красящих веществ сока, превращая их в бесцветные соединения. Кроме того, сернистая кислота и ее соли блокируют карбонильные группы редуцирующих соединений – моносахаридов и продуктов их распада, предотвращая образование красящих веществ в соке. Сернистая кислота снижает также щелочность сока за счет перехода карбоната калия, обладающего щелочной реакцией, в нейтральный сульфит:

К₂СО₃ + Н₂SО₃ = К₂SО₃ + Н₂О + СО₂

что облегчает процесс кристаллизации сахарозы, снижая ее потери с мелассой (оптимальные значение рН сульфитированного сока 8,5-8,8).

Состав очищенного сока: процесс очистки диффузионного сока обеспечивает удаление только 30-35 % несахаров; почти полностью удаляются белки; 40-45 % безазотистых органических веществ и 10-12 % зольных элементов. Очищенный сок содержит (%): 12-14 сухих веществ, из них 10-12 сахарозы, 0,5-0,7 азотистых веществ, 0,4-0,5 безазотистых органических веществ, 0,5 % золы. Чистота сока 86-92 %.

Сгущение сока выпариванием.

Сгущение сока ведут в два этапа: сначала его сгущают до содержания сухих веществ 65 %, при этом сахароза еще не кристаллизуется, а затем после дополнительной очистки вязкий сироп сгущают до содержания сухих веществ 92,5-93,5 %, после чего отделяют кристаллы сахарозы. [Всего из очищенного сока выпаривают 110-115 % воды к массе свеклы]

В качестве типовой на сахарных заводах принимают схему с использованием четырехкорпусной выпарной установки и концентратора.

Нагретый до температуры кипения (126 ⁰С) сульфитированный сок направляют в первый корпус установки, где из него выпаривается часть воды, образуя вторичный пар. Сок последовательно проходит из первого корпуса во второй, третий, четвертый и затем в конденсатор, сгущаясь до нужной плотности. Греющий пар подается только в первый корпус, остальные корпусы обогреваются вторичным паром предшествующего корпуса. Многократное использование теплоты пара в выпарной установке возможно только при условии понижения температуры кипения сока и понижения плотности, начиная от первого до последнего корпуса.

Концентратор не обогревается паром, в нем происходит только испарение воды за счет перепада давления.

При сгущении сока происходит ряд процессов, приводящих к изменению его химического состава: идет разложение сахарозы и редуцирующих сахаров с образованием органических кислот, что снижает рН сока, повышает цветность сиропа из-за процесса карамелизации сахарозы и образования темно окрашенных продуктов взаимодействия редуцирующих сахаров с аминосоединениями, возрастает концентрация солей Са²⁺ , которые частично выпадают в осадок.

Из выпарной установки выходит сироп с содержанием сухих веществ ≈ 65 %.