Завод по производству сахарного тростника — это завод, который перерабатывает сахарный тростник для производства сахара-сырца [1] или плантационного белого сахара. [2] Некоторые сахарные заводы расположены рядом с нефтеперерабатывающими заводами, на которых сахар-сырец перерабатывается в (рафинированный) белый сахар . [3]
Этот термин также используется для обозначения оборудования, которое измельчает палочки сахарного тростника для извлечения сока. [4]
Производство сахара-сырца из тростника состоит из нескольких этапов: [5]
В результате этих этапов обработки будет получен коричневый сахар или сахар-сырец. Сахар-сырец обычно отправляется на сахарный завод для производства белого сахара. Рафинирование сахара может осуществляться либо на совершенно отдельном заводе, либо на дополнительном нефтеперерабатывающем заводе, прикрепленном к заводу по производству сахара-сырца.
Завод по производству тростникового сахара также может производить сахар, пригодный для непосредственного бытового или промышленного потребления. Это называется плантационный белый сахар или мельничный белый сахар, см. ниже. [6]
Общее качество сахара-сырца, поступающего на завод, зависит от методов ведения сельского хозяйства и используемого сорта . Сбор урожая можно производить машинами или вручную. Если это делается вручную, обычно этому предшествует сжигание поля. Однако стебли с выжженного поля быстрее теряют сахар в ожидании обработки. [7]
Тростник транспортируют автомобильным транспортом, узкоколейной железной дорогой , контейнером или тележкой . По прибытии тростник продается в зависимости от веса или содержания сахара. Существует несколько способов выгрузки урожая. В целом, ограничение времени между нарезкой и помолом имеет важное значение для достижения высокого выхода и качества сахара. [8]
Прежде чем начать фактическое извлечение тростникового сока, тростник необходимо подготовить. Это можно сделать с помощью вращающихся ножей или измельчителей. [9]
Существует два современных типа процессов извлечения сока из тростника: [10] [11]
Продуктами фазы экстракции являются: [12]
В 2004 и 2005 годах сахарный завод Enterprise Sugar в Луизиане имел традиционную мельницу и диффузор, которые перерабатывали тростник с одной и той же территории. Еженедельно отбирали и анализировали пробы сырого сока. Было обнаружено, что они очень похожи, несмотря на то, что диффузор обеспечивает более высокую производительность. [13]
Добыча сока путем измельчения — это процесс выжимания сока из тростника под набором мельниц с использованием высокого давления между тяжелыми железными валками. Эти станы могут иметь от 3 до 6 валков; Каждый комплект мельниц называется станом-тандемом или мельничным поездом. Для повышения эффективности экстракции при измельчении в каждую мельницу добавляется пропиточная вода. Горячую воду заливают тростником непосредственно перед тем, как он попадает в последнюю мельницу в помольной линии, и рециркулируют до первой мельницы. Сок, отжатый из этого тростника, имеет низкую концентрацию сахара, перекачивается насосом в предыдущую мельницу и выливается на тростник непосредственно перед тем, как он попадает на ролики. Сок из этой мельницы таким же образом перекачивается обратно в помольный стан. Смешанный сок (то есть сок тростника, смешанный с водой, введенной на последней мельнице) отбирается из первой и второй мельниц и направляется на дальнейшую переработку. Мельничные поезда обычно имеют четыре, пять или шесть мельниц в тандеме. Чтобы улучшить производительность измельчения до того, как тростник достигнет первой мельницы, обычно используется оборудование для подготовки ножей и измельчителей. [ нужна цитата ]
Диффузия сахарного тростника — это процесс извлечения сахарозы из тростника путем осмоса и выщелачивания, также известный как выщелачивание . [14] Существует два типа диффузоров. Один из них предполагает погружение слоя жома в сок противотоком. Другой основан на просачивании сока через слой жома. [15]
На химическом уровне первым шагом является открытие клеток. Обычно это делается с помощью вращающихся тростниковых ножей и трехвалковой дробилки, которые вместе вскрывают большую часть тонкостенных ячеек. Затем сок удаляется из этих открытых клеток путем выщелачивания. [14] Т.е. сахароза из этих открытых клеток растворяется в воде. Собственно процесс диффузии происходит на 10-16% нераскрывшихся сахаросодержащих клеток. Сначала применяется горячая вода, чтобы убить протоплазму клеток. Это приводит к тому, что стенки клетки становятся полупроницаемыми . Благодаря осмосу вода или более разбавленный сок могут проникнуть в клетку и заменить более тяжелый сок до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. В этой фазе сахароза проникает через стенки быстрее, чем несахар с более высокой молекулярной массой. Это приводит к тому, что чистота последнего сока, полученного путем диффузии, выше, чем сока, полученного путем прямого помола, даже при диффузии извлекается больше сахара. [14]
В процессе системы перколяции измельченный тростник вводится в диффузор на подающем конце; горячая вода льется на измельченный тростник непосредственно перед выпускным концом диффузора. Горячая вода просачивается через слой тростника и удаляет сахарозу из тростника. Этот разбавленный сок затем собирается в отсеке под слоем тростника и перекачивается в точку, расположенную немного ближе к подающему концу диффузора, и этому разбавленному соку позволяют просачиваться через слой тростника. В этот момент 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 насыщенный сок перекачивается обратно в диффузор, и процесс повторяется, как правило, от 12 до 15 раз (по сравнению с четырьмя-шестью раза для процесса измельчения)
Смешанный сок имеет pH от 4,0 до 4,5, что является довольно кислым. [16] Во время очистки к соку тростника добавляется гидроксид кальция, также известный как известковое молоко или известковая вода, чтобы довести его pH примерно до 7 или 8. Это можно сделать, пока сок еще холодный (холодное известкование) или после его нагрели примерно до 104°C (горячее известкование). Это также можно делать поэтапно (фракционное известкование). [17]
Известь помогает предотвратить распад сахарозы на глюкозу и фруктозу. Затем перегретому известковому соку дают возможность вспыхнуть до температуры насыщения: в результате этого процесса осаждаются примеси, которые задерживаются в кристаллах карбоната кальция. Затем выпаренный сок переносят в осветлительный резервуар.
В этом отстойнике осаждаются взвешенные вещества. Надосадочную жидкость , известную как прозрачный сок, отбирают из осветлителя. Осветленный сок затем направляют в испарители. [17] Осевшие твердые вещества можно отфильтровать для получения сока плохой прозрачности, который можно повторно использовать для дальнейшей очистки. [18]
Процесс выпаривания служит для концентрирования осветленного сока. [18] Наиболее широко используемый испаритель — многокорпусный испаритель типа Робертса. [ нужна цитация ] Продуктом этого этапа является сироп чистотой от 78 до 86% с содержанием растворимых твердых веществ 60-65°Brix и содержащий 3,5-4,5% инвертных сахаров. [19]
Температура, скорость и время пребывания в испарителе регулируются для предотвращения инверсии сахарозы или разложения сахарозы на глюкозу и фруктозу. Еще одной проблемой является образование накипи на поверхности нагрева испарителя. Применение магнитного потока может помочь предотвратить образование накипи. [18]
Кристаллизацию проводят с помощью однокорпусного вакуумного кипящего котла и кристаллизатора. В вакуумной кастрюле сироп выпаривают до перенасыщения сахаром . На этом этапе добавляются семенные зерна, которые служат ядрами для кристаллов сахара, и по мере испарения воды добавляется еще сироп. Рост кристаллов продолжается до тех пор, пока вакуумная чаша не заполнится. [20] Кристаллы и маточный раствор (патока) теперь образуют плотную массу, известную как утфель . [21] Затем «забастовку» (содержимое кастрюли) выгружают в кристаллизатор.
В кристаллизаторе продолжается процесс кристаллизации утфеля. Назначение кристаллизатора – снизить потери сахарозы, оставшейся в маточном растворе/патоке, в частности с низкосортными утфелями. Кристаллизатор работает за счет охлаждения утфеля. Это снижает растворимость и снова увеличивает насыщенность, заставляя кристаллизацию продолжаться. Кристаллизаторы представляют собой сосуды цилиндрической или П-образной формы, оснащенные тихоходными перемешивающими элементами. Их часто соединяют последовательно для продолжения работы. [22]
Охлаждение утфеля увеличивает вязкость . При оптимальной температуре кристаллизации утфель слишком вязкий, чтобы центрифуга могла должным образом отделить кристаллы от патоки. Однако, поскольку маточный раствор утфеля в этот момент все еще перенасыщен, 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 с числом перфораций 400-600 на квадратный дюйм. Корзина вращается со скоростью 1000-1800 об/мин. [20]
Пока маточный раствор, патока проходят через отверстия центрифуги, кристаллы сахара сохраняются. После очистки от сахара его измельчают, подготавливая центрифугу для следующего значка. [20]
Сахар довольно часто образуется в результате неоднократного прохождения стадий кристаллизации и центрифугирования. Это зависит от системы кипения.
Наиболее распространенной схемой кипячения является трехкипительная система. В этом методе сахарный раствор кипятится на трех стадиях кристаллизации/центрифугирования, называемых A-, B- и C-. Сахар, образующийся на первом этапе, А-сахар, сохраняется. Меласса А-центрифугирования, А-патока, подается в вакуумный поддон Б. В результате образуются B-сахар и B-патока. Смесь сахара А и сахара Б образует товарный продукт завода. [20] [24]
B-патока имеет гораздо более низкую чистоту. Их снова варят в С-кастрюле. Хотя на стадиях А и Б не всегда используется кристаллизатор, для этого низкосортного утфеля он необходим. [23] Утфель остается в кристаллизаторе более суток. C-сахар из центрифуги смешивается с сиропом и используется в качестве затравки для утфеля и таким образом возвращается к началу процесса. Меласса, полученная на этом этапе центрифугирования, называется конечной патокой или черной полосой. Это тяжелый вязкий материал, содержащий около одной трети сахарозы, одну пятую редуцирующих сахаров, а остальное - золу, органические несахара и воду. Он служит основой для производства кормов для скота, технического спирта, производства дрожжей и так далее. [25]
Раньше кипячение в вакуумной кастрюле было периодическим процессом, но непрерывное кипячение в кастрюле по своей сути гораздо более эффективно. В 1970-х годах были разработаны первые коммерчески успешные вакуумные сковороды непрерывного действия (CVP). В 1980-х годах в этих первых тиглях удалось добиться более равномерного размера кристаллов, чем тот, который был достигнут на некоторых фабриках с помощью вакуумных тиглей периодического производства. [26]
Сахар из центрифуг сушат и охлаждают, а затем хранят. 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 можно упаковывать в мешки для отправки.
Во многих странах-производителях тростникового сахара стандартный сахарный продукт обычно известен как плантационный белый сахар. В богатых странах стандартным сахарным продуктом для непосредственного потребления или промышленного использования является белый сахар . Белый сахар качества Codex White A имеет минимальную поляризацию 99,7% и цвет ICUMSA 60 МЕ. Плантационный белый может иметь поляризацию, например, 99,4-99,7% и цвет от 80 до 250 МЕ. [2] [28]
Плантационный белый сахар производится путем внесения изменений в некоторые из упомянутых выше этапов. Есть два способа производства плантационного белого сахара: карбонизация и сульфитация.
Чтобы получить плантационный белый сахар путем карбонизации, необходимо внести изменения в этапы очистки, выпаривания и хранения.
На этапе очистки целью карбонизации является отделение несахаристого содержимого, такого как коллоиды и нерастворимые частицы, а также окрашенные материалы. [6] Если используется карбонизация, смешанный сок нагревают до 55°C и добавляют известь до достижения pH 10,5-11. Затем добавляется углекислый газ (CO 2 ), и сок прогоняется через напорные фильтры. В результате получается грязь из карбоната кальция. Затем сок снова нагревают до 55°C и добавляют известь и CO 2 до достижения pH 8,4-8,6. За этим следует вторая фильтрация под давлением. [29]
В конце стадии выпаривания добавляют диоксид серы (SO 2 ), чтобы снизить pH сиропа до 7,0. [29]
На сахарных заводах карбонизация не получила широкого применения, поскольку требует большого количества извести и CO 2 , а сульфитация обходится дешевле. Индия является исключением. [29]
Существует несколько способов использования сульфитации для производства плантационного белого сахара.
На стадии очистки холодной кислотной сульфитацией в смешанный сок добавляют SO 2 с целью снижения pH до 3,8-4,2. Затем добавляют известь для повышения pH до 7,2-7,4. Далее сок нагревают до 103-105°С перед подачей в осветлитель. В осветлителе примеси оседают, а полученную жидкость фильтруют. [30]
Стадия очистки горячей кислотной сульфитацией включает сначала нагревание смешанного сока до 70°C, а затем снижение pH до 3,8-4,2 путем добавления SO 2 . В этом случае процесс протекает как процесс холодной кислотной сульфитации. [30]
Стадия очистки двойным дефеканием заключается в предварительном нагревании смешанного сока до 70°С и добавлении извести до достижения рН 7,2-7,4. Затем добавляют SO 2 для снижения pH до 5,4-5,6. Теперь добавляют вторую порцию извести, чтобы снова достичь pH 7,2-7,4. После этого сок нагревают до 103-105°С перед подачей в осветлитель.
Этап выпаривания плантационного белого цвета такой же, как и для сахара-сырца. В конце добавляют диоксид серы (SO 2 ), чтобы снизить pH сиропа с 6,5 до 5,5. [31]
После выпаривания можно провести дополнительный процесс осветления. Основными этапами этого подпроцесса являются: добавление фосфорной кислоты; поверхностно-активные вещества и фосфат с последующим нагреванием и аэрацией сиропа и добавлением флокулянта . Затем сироп перемещают в специальный осветлитель. [31]
Этапы кристаллизации и центрифугирования плантационного белого могут отличаться в зависимости от используемой системы кипячения. Для плантационного белого можно использовать обычную систему с тремя кипячениями. Альтернативой является доставка только A-Sugar. Затем B-сахар растворяется и возвращается в сироп, тогда как C-сахар растворяется или используется в качестве затравки для B-сахара. [31]
При хранении плантационный белый более уязвим, чем сахар-сырец. Сахар, полученный путем карбонизации, особенно подвержен изменению цвета. Содержание золы также способствует обесцвечиванию. В Бразилии с обесцвечиванием борются путем хранения при максимальной температуре 35–40°C и производства сахара в количестве 166 МЕ, поэтому большая часть цвета может быть потеряна до того, как будет достигнут низкий стандарт в 230 МЕ. [28]
Некоторые заводы по производству тростникового сахара имеют так называемые нефтеперерабатывающие заводы. На нефтеперерабатывающих заводах сахар-сырец, произведенный на заводе, перерабатывается 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 вещества на этапе экстракции сока, называемые жомом , сжигаются в качестве топлива в паровых котлах завода. Эти котлы производят пар высокого давления, который пропускается через турбину для выработки электрической энергии ( когенерация ). Отработанный пар из турбины проходит через многокорпусную испарительную станцию и используется для нагрева вакуумных тиглей на стадии кристаллизации, а также для других целей отопления на сахарном заводе.
Багасса делает сахарный завод более чем энергетически самодостаточным; излишки жома идут на корм животным, в производство бумаги или на выработку электроэнергии для продажи.
.jpg/1280px-Sugarcane_Mill_and_Sugar_Boiling_Apparatus_Morris_Tasker_and_Co_Illustrated_Catalogue_(1871).jpg)
Как и во многих других отраслях промышленности, в последние десятилетия на сахарных заводах активно продвигалась автоматизация производства . Производственный процесс обычно контролируется центральной системой управления процессом, которая напрямую управляет большинством машин и компонентов. Только для некоторых специальных машин, таких как центрифуги на сахарном заводе, используются децентрализованные ПЛК . Это также связано с безопасностью по соображениям безопасности. [32]
Сахарные заводы появились в арабском Египте в 12 веке. [33] Кустарная версия — трапиче , позже замененная на энженьо или ингенио .
В 1820-е годы было дано общее описание сахарных плантаций Ямайки . [34] То, что мы сейчас называем сахарным заводом, тогда состояло из: собственно сахарного завода, котельной и перегонного цеха. Они были расположены на склоне, чтобы сахарный сок мог течь вниз от мельницы к перегонному цеху. [35]
В 1820-е годы существовало четыре типа мельниц: вращавшиеся с помощью ветра, воды, пара или с помощью крупного рогатого скота и мулов. Ветряная мельница широко использовалась на Барбадосе. Предпочтение ветряным мельницам было обусловлено их мощностью (около 15 л.с.), но им требовалась опорная мельница для скота на случай отсутствия ветра. [35] Сама машина состояла из трех вертикальных катков. Усилие подавалось на главный (центральный) ролик, который вращал два других с помощью зубчатого колеса . [36]
Скотоводческая мельница на Ямайке обычно представляла собой круглое крытое здание диаметром не менее 60 футов. Столбы из твердого дерева или каменные столбы поддерживали крышу, которая в основном была покрыта деревянной черепицей. В примере 1820-х годов нижние четыре фута основного ролика были закрыты чугунным корпусом, в центре которого находился пескарь . При этом включался закаленный кусок железа, который был установлен в закаленной железной ступеньке, заполненной маслом. Над чугунным корпусом располагалось зубчатое колесо, над которым располагались два внешних ролика, удерживаемых раскосами. Наверху главный ролик приводился в движение длинными рычагами, прикрепленными к идущим по кругу волам. [36]
09
