Сахарный тростниковый завод — это завод, который перерабатывает сахарный тростник для производства сахара-сырца [1] или плантационного белого сахара. [2] Некоторые сахарные заводы расположены рядом с внутренним рафинировочным заводом, который превращает сахар-сырец в (рафинированный) белый сахар . [3]
Этот термин также используется для обозначения оборудования, которое измельчает стебли сахарного тростника для извлечения сока. [4]
Производство сахара-сырца из тростника состоит из нескольких этапов: [5]
Эти этапы обработки дадут коричневый или сырой сахар. Сырой сахар обычно отправляется на сахарный завод для производства белого сахара. Это рафинирование сахара может осуществляться либо на совершенно отдельном заводе, либо на заднем рафинировочном заводе, который присоединен к заводу по производству сырого сахара.
Сахарный завод по производству тростника также может производить сахар, который подходит для непосредственного бытового или промышленного потребления. Это называется плантационный белый сахар или заводской белый сахар, см. ниже. [6]
Общее качество сырого сахара, поступающего на завод, зависит от агротехнических приемов и используемого сорта . Сбор урожая может осуществляться машинами или вручную. Если сбор производится вручную, то ему обычно предшествует сжигание поля. Однако стебли с выжженного поля быстрее теряют сахаристость, ожидая обработки. [7]
Тростник перевозят на грузовиках, узкоколейной железной дороге , в контейнерах или тележках . По прибытии тростник продается по весу или содержанию сахара. Существует несколько способов выгрузки урожая. В целом, ограничение времени между срезкой и измельчением имеет важное значение для достижения высокого выхода сахара и качества. [8]
Перед тем, как начать извлечение сока из тростника, тростник необходимо подготовить. Это можно сделать с помощью вращающихся ножей или измельчителей. [9]
Существуют два современных типа процессов извлечения сока из тростника: [10] [11]
Продуктами фазы экстракции являются: [12]
В 2004 и 2005 годах на сахарном заводе Enterprise Sugar в Луизиане были традиционная мельница и диффузор, которые оба обрабатывали тростник из одной и той же области. Еженедельно брались и анализировались образцы сырого сока. Они оказались очень похожими, несмотря на то, что диффузор достигал более высокой экстракции. [13]
Извлечение сока путем измельчения — это процесс выжимания сока из тростника под набором мельниц с использованием высокого давления между тяжелыми железными валками. Эти мельницы могут иметь от 3 до 6 валков; каждый набор мельниц называется тандемной мельницей или мельничным поездом. Для повышения эффективности извлечения при измельчении в каждую мельницу добавляется пропитывающая вода. Горячая вода поливается на тростник непосредственно перед тем, как он попадет в последнюю мельницу в мельничном поезде, и рециркулируется вверх, чтобы достичь первой мельницы. Сок, выжатый из этого тростника, имеет низкую концентрацию сахара и перекачивается в предыдущую мельницу и выливается на тростник непосредственно перед тем, как он попадет на вальцы, сок из этой мельницы таким же образом перекачивается обратно в мельничный поезд. Смешанный сок (то есть сок тростника, смешанный с водой, введенной в последнем мельнице) извлекается из первой и второй мельниц и отправляется на дальнейшую обработку. Поезда для измельчения обычно имеют четыре, пять или шесть мельниц в тандеме. Для повышения эффективности измельчения до того, как тростник попадет на первую мельницу, обычно используется ножевое и измельчающее оборудование. [ необходима цитата ]
Диффузия сахарного тростника — это процесс извлечения сахарозы из тростника путем осмоса и выщелачивания, также известный как выщелачивание . [14] Существует два типа диффузоров. Один основан на погружении мата жома в сок противотоком. Другой основан на просачивании сока через мат жома. [15]
На химическом уровне первым шагом является открытие клеток. Обычно это делается с помощью вращающихся тростниковых ножей и трехвалковой дробилки, которые вместе открывают большинство тонкостенных клеток. Затем сок удаляется из этих открытых клеток путем выщелачивания. [14] То есть сахароза из этих открытых клеток растворяется в воде. Собственно процесс диффузии происходит на 10-16% клеток, содержащих сахар, которые не были открыты. Сначала применяется горячая вода, чтобы убить протоплазму клеток . Это делает стенки клетки полупроницаемыми . Затем посредством осмоса вода или более жидкий сок могут проникнуть в клетку и заменить более тяжелый сок, пока не будет достигнуто равновесие. На этом этапе сахароза проникает через стенки быстрее, чем несахар с более высокой молекулярной массой. Это делает чистоту последнего извлеченного сока из диффузии выше, чем полученная путем прямого измельчения, даже при том, что диффузия извлекает больше сахара. [14]
В процессе перколяционной системы измельченный тростник вводится в диффузор на загрузочном конце; горячая вода выливается на измельченный тростник непосредственно перед выпускным концом диффузора. Горячая вода просачивается через слой тростника и удаляет сахарозу из тростника. Затем этот разбавленный сок собирается в отсеке под слоем тростника и перекачивается в точку, расположенную немного ближе к загрузочному концу диффузора, и этот разбавленный сок просачивается через слой тростника. В этой точке концентрация сахарозы в тростнике выше, чем концентрация сахарозы в только что упомянутом разбавленном соке, и поэтому сахароза диффундирует из тростника в сок; этот теперь немного более богатый сок перекачивается обратно в диффузор, и процесс повторяется, как правило, 12–15 раз (по сравнению с 4–6 разами для процесса измельчения).
Смешанный сок имеет pH около 4,0-4,5, что является довольно кислым. [16] Во время очистки гидроксид кальция, также известный как известковое молоко или известковая вода, добавляется к тростниковому соку, чтобы отрегулировать его pH до примерно 7 или 8. Это можно сделать, пока сок еще холодный (холодное известкование) или после того, как он нагреется примерно до 104°C (горячее известкование). Это также можно сделать поэтапно (фракционное известкование). [17]
Известь помогает предотвратить распад сахарозы на глюкозу и фруктозу. Затем перегретый известкованный сок подвергается испарению до температуры насыщения: этот процесс приводит к осаждению примесей, которые задерживаются в кристаллах карбоната кальция. Затем испарившийся сок переносится в осветлительный резервуар.
В этом осветлителе взвешенные твердые частицы осаждаются. Надосадочная жидкость , известная как чистый сок, отводится из осветлителя. Осветленный сок затем отправляется в испарители. [17] Осевшие твердые частицы можно отфильтровать, чтобы получить сок плохой прозрачности, который можно переработать для дальнейшей очистки. [18]
Процесс выпаривания служит для концентрирования осветленного сока. [18] Наиболее широко используемый испаритель — это многокорпусный испаритель типа Робертса. [ требуется ссылка ] Продуктом этого этапа является сироп чистотой от 78 до 86% с содержанием растворимых твердых веществ 60-65° Брикса и содержащий 3,5-4,5% инвертных сахаров. [19]
Температура, скорость и время удержания в испарителе регулируются для предотвращения инверсии сахарозы или разложения сахарозы в глюкозу и фруктозу. Еще одной проблемой является образование накипи на нагревательной поверхности испарителя. Применение магнитного потока может помочь предотвратить образование накипи. [18]
Кристаллизация осуществляется с помощью однокорпусного вакуумного варочного котла и кристаллизатора. В вакуумном котле сироп выпаривается до тех пор, пока не станет перенасыщенным сахаром. В этот момент добавляется затравочное зерно, которое служит зародышем для кристаллов сахара, и добавляется больше сиропа по мере испарения воды. Рост кристаллов продолжается до тех пор, пока вакуумный котёл не заполнится. [20] Кристаллы и маточный раствор (патока) теперь образуют плотную массу, известную как утфель . [21] Затем «забастовка» (содержимое котла) выгружается в кристаллизатор.
В кристаллизаторе продолжается процесс кристаллизации утфеля. Цель кристаллизатора — уменьшить потери сахарозы, остающейся в маточном растворе/патоке, в частности, в утфелях низкого качества. Кристаллизатор работает, охлаждая утфель. Это снижает растворимость и снова увеличивает насыщение, заставляя кристаллизацию продолжаться. Кристаллизаторы представляют собой цилиндрические или U-образные сосуды, оснащенные низкоскоростными перемешивающими элементами. Они часто соединяются последовательно для непрерывной работы. [22]
Охлаждение утфеля увеличивает вязкость . При оптимальной температуре кристаллизации утфель слишком вязкий для центрифуги, чтобы должным образом отделить кристаллы от патоки. Однако, поскольку маточный раствор утфеля в этот момент все еще пересыщен, вязкость можно снизить без повторного растворения кристаллов. Это можно сделать, доведя его до состояния насыщения путем нагревания или добавления воды. [23]
Сахарная центрифуга служит для разделения утфеля на кристаллы сахара и маточный раствор/патоку. Эти центрифуги состоят из цилиндрической корзины, подвешенной на шпинделе. Перфорированные стороны облицованы проволочной тканью , внутри которой находятся металлические листы, содержащие 400-600 перфораций на квадратный дюйм. Корзина вращается со скоростью 1000-1800 об/мин. [20]
Пока маточный раствор, патока, проходит через отверстия в центрифуге, кристаллы сахара задерживаются. После того, как сахар очищен, он срезается, делая центрифугу готовой к следующему значку. [20]
Сахар часто получается в результате многократного прохождения стадий кристаллизации и центрифугирования. Это зависит от системы кипячения
Наиболее распространенной схемой кипячения является система трехкратного кипячения. Этот метод кипятит сахарные растворы в три этапа кристаллизации/центрифугирования, называемые A-, B- и C-. Сахар, полученный на первом этапе, A-сахар, хранится. Патока из A-центрифугирования, A-патока, подается в вакуумный поддон B. В результате получается B-сахар и B-патока. Смесь A-сахара и B-сахара образует товарный продукт завода. [20] [24]
B-патока имеет гораздо более низкую чистоту. Ее снова кипятят в C-чане. Хотя на стадиях A и B не всегда используется кристаллизатор, он необходим для этого низкосортного утфеля. [23] Утфель остается в кристаллизаторе более суток. C-сахар из центрифуги смешивается с сиропом и используется в качестве затравки утфеля, и таким образом возвращается в начало процесса. Патока, полученная на этом этапе центрифуги, называется окончательной патокой, или черной патокой. Это тяжелый вязкий материал, содержащий около одной трети сахарозы, одну пятую редуцирующих сахаров и остаток золы, органических несахаров и воды. Он служит основой для корма для скота, промышленного спирта, производства дрожжей и так далее. [25]
Кипячение в вакуумном котле раньше было пакетным процессом, но непрерывное кипячение в котле по своей сути гораздо более эффективно. В 1970-х годах были разработаны первые коммерчески успешные непрерывные вакуумные котлы (CVP). В 1980-х годах эти первые котлы достигли лучшего однородного размера кристаллов, чем тот, которого достигли некоторые заводы с их пакетными вакуумными котлами. [26]
Сахар из центрифуг высушивается и охлаждается, а затем хранится. Во время хранения насыпью качество сахара-сырца снижается из-за химической реакции между аминокислотами и деградированными инвертными сахарами, известной как реакция Майяра . [27] Сахар-сырец также может быть напрямую упакован в мешки для отправки.
Во многих странах, производящих тростниковый сахар, стандартный продукт сахара обычно известен как плантационный белый сахар. В богатых странах стандартным продуктом сахара для прямого потребления или промышленного использования является белый сахар . В Codex White A качества белый сахар имеет минимальную поляризацию 99,7% и цветность ICUMSA 60 IU. Плантационный белый может иметь поляризацию, например, 99,4-99,7% и цветность от 80 до 250 IU. [2] [28]
Белый сахар плантации производится путем внесения изменений в некоторые из упомянутых выше этапов. Существует два способа производства белого сахара плантации: карбонизация и сульфитация.
Для производства плантационного белого сахара методом карбонизации требуются изменения в этапах очистки, выпаривания и хранения.
На этапе очистки целью карбонизации является отделение несахарных компонентов, таких как коллоиды и нерастворимые частицы, а также окрашенных материалов. [6] Если используется карбонизация, смешанный сок нагревают до 55°C и добавляют известь до достижения pH 10,5-11. Затем добавляют диоксид углерода (CO2 ) , и сок продавливают через фильтры под давлением. Это приводит к образованию карбонатно-кальциевого ила. Затем сок снова нагревают до 55°C и добавляют известь и CO2 до достижения pH 8,4-8,6. Затем следует вторая фильтрация под давлением. [29]
В конце этапа выпаривания добавляется диоксид серы (SO2 ) , чтобы снизить pH сиропа до 7,0. [29]
На сахарных заводах карбонизация не применяется широко, так как требует большого количества извести и CO2 , а сульфитация дешевле. Исключением является Индия. [29]
Существует несколько способов использования сульфитации для производства плантационного белого сахара.
На этапе очистки холодной кислотной сульфитации в смешанный сок добавляется SO2 для снижения pH до 3,8-4,2. Затем добавляется известь для повышения pH до 7,2-7,4. Затем сок нагревается до 103-105°C перед перемещением в осветлитель. В осветлителе примеси оседают, а полученный продукт затем фильтруется. [30]
Стадия очистки горячей кислотной сульфитации включает в себя сначала нагревание смешанного сока до 70°C перед понижением pH до 3,8-4,2 путем добавления SO2 . Затем процесс протекает так же, как и при холодной кислотной сульфитации. [30]
Стадия очистки двойной дефекации состоит из первого нагревания смешанного сока до 70°C и добавления извести до достижения pH 7,2-7,4. Затем добавляется SO2 для снижения pH до 5,4-5,6. Теперь добавляется вторая порция извести для повторного достижения pH 7,2-7,4. После этого сок нагревается до 103-105°C перед подачей в осветлитель.
Этап выпаривания для плантационного белого такой же, как и для нерафинированного сахара. В конце добавляется диоксид серы (SO2 ) , чтобы снизить pH сиропа с 6,5 до 5,5. [31]
После выпаривания можно ввести дополнительный процесс осветления. Основные этапы этого подпроцесса: добавление фосфорной кислоты; поверхностно-активных веществ и фосфата, после чего следует нагревание и аэрация сиропа и добавление флокулянта . Затем сироп перемещается в специальный осветлитель. [31]
Стадии кристаллизации и центрифугирования для plantation white могут отличаться из-за используемой системы кипячения. Для plantation white можно использовать обычную систему с тремя кипячениями. Альтернативой является отправка только A-сахара. Затем B-сахар растворяется и возвращается в сироп, в то время как C-сахар растворяется или используется в качестве затравки для B-сахара. [31]
При хранении плантационный белый сахар более уязвим, чем нерафинированный. Сахар, полученный путем карбонизации, особенно уязвим к изменению цвета. Содержание золы также способствует изменению цвета. В Бразилии изменение цвета предотвращается путем хранения при максимальной температуре 35-40°C и производства сахара в 166 МЕ, поэтому большая часть цвета может быть потеряна до достижения низкого стандарта в 230 МЕ. [28]
На некоторых заводах по производству тростникового сахара есть так называемые внутренние рафинационные заводы. На внутренних рафинационных заводах сахар-сырец, произведенный на заводе, преобразуется в рафинированный сахар более высокой чистоты для местного потребления, экспорта или компаний по розливу. Отходы используются для выработки тепла на сахарных заводах.
Оставшиеся волокнистые твердые частицы от фазы извлечения сока, называемые багассом , сжигаются в качестве топлива в паровых котлах завода. Эти котлы производят пар высокого давления, который пропускается через турбину для выработки электроэнергии ( когенерация ). Отработанный пар из турбины пропускается через многокорпусную испарительную станцию и используется для нагрева вакуумных аппаратов на этапе кристаллизации, а также для других целей нагрева на сахарном заводе.
Жом делает сахарный завод более чем энергетически самодостаточным; излишки жома идут на корм животным, на производство бумаги или на выработку электроэнергии на продажу.
.jpg/1280px-Sugarcane_Mill_and_Sugar_Boiling_Apparatus_Morris_Tasker_and_Co_Illustrated_Catalogue_(1871).jpg)
Как и во многих других отраслях промышленности, автоматизация производства активно продвигалась на сахарных заводах в последние десятилетия. Производственный процесс, как правило, контролируется центральной системой управления процессами, которая напрямую управляет большинством машин и компонентов. Только для некоторых специальных машин, таких как центрифуги в сахарном цехе, используются децентрализованные ПЛК . Это также связано с безопасностью по соображениям безопасности. [32]
Сахарные заводы появились в арабском Египте в XII веке. [33] Кустарная версия — трапиче , позже замененная на энженьо или инженио .
В 1820-х годах было дано общее описание сахарных плантаций на Ямайке . [34] То, что мы сейчас называем сахарным заводом, тогда состояло из: собственно сахарного завода, варочного цеха и перегонного цеха. Они были выровнены на склоне, так что сахарный сок мог течь вниз от мельницы к перегонному цеху. [35]
В 1820-х годах существовало четыре вида мельниц: те, которые вращались с помощью ветра, воды, пара или крупного рогатого скота и мулов. Ветряная мельница широко использовалась на Барбадосе. Предпочтение ветряным мельницам отдавалось из-за их мощности (около 15 л. с.), но им требовалась вспомогательная мельница для крупного рогатого скота на случай отсутствия ветра. [35] Сама машина состояла из трех вертикальных валков. Мощность подавалась на главный (центральный) валок, который вращал два других с помощью зубчатого колеса . [36]
Мельница для крупного рогатого скота на Ямайке обычно представляла собой круглое крытое здание диаметром не менее 60 футов. Столбы из твердой древесины или каменные столбы поддерживали крышу, которая в основном была покрыта деревянной черепицей. В примере 1820-х годов нижние четыре фута главного ролика были покрыты чугунным корпусом, в центре которого находился пескарь . Он вращал закаленный кусок железа, который был установлен в закаленной железной ступени, заполненной маслом. Над чугунным корпусом находилось зубчатое колесо, над которым находились два внешних ролика, удерживаемые распорками. Сверху главный ролик приводился в движение длинными рычагами, прикрепленными к волам, идущим по кругу. [36]
09
