Извлечение сахара из свеклы

Оглавление

2.2.4. Извлечение сахара из свеклы

2.2.4.1. Технологическая схема

Корнеплод сахарной свеклы состоит из микроскопических клеток диаметром примерно 40 мкм. В 1 см3 свекловичной ткани содержится около 16 млн. клеток. В каждой из этих клеток содержится клеточный сок (около 90 % к массе свеклы), представляющий собой водный раствор сахарозы и несахаров (азотистые вещества - белки, аминокислоты и др., безазотистые вещества - органические кислоты, гидратопектин и др., минеральные вещества - соли калия, магния, кальция, хлориды и др.).

Сок находится внутри клетки и окружен рядом мембран. Внешняя мембрана состоит из клетчатки, а расположенная за ней - из белка.

Мембрана, состоящая из белка (протоплазма клетки), имеет очень малый размер пор, через которые проходит только вода, а сахар и несахара, имеющие больший размер молекул по сравнению с водой, не проходят.

Чтобы сахар переходил в раствор, необходимо разрушить протоплазму. Для этого ткань свеклы необходимо нагреть до температуры примерно 60 ° С. При этом происходит коагуляция (свертывание) белка, и внутренняя мембрана разрушается.

После этого сахар и несахар могут проходить через внешнюю мембрану клетки, имеющую размер пор больше размера молекул сахарозы. Эта мембрана при нагревании практически не изменяется.

Иная картина наблюдается при замораживании и размораживании свеклы, а также при прессовании измельченной свеклы. При замораживании ткани свеклы образуются кристаллики льда, которые разрывают как протоплазму, так и клеточную стенку, и клеточный сок вытекает в окружающую жидкость.

Подобная картина наблюдается и при механическом измельчении свеклы и прессовании её. Однако таким способом невозможно разрушить все клетки. Поэтому при прессовом способе из измельченной массы извлекается сахара меньше, чем при тепловом.

В настоящее время извлечение сахара из свеклы в промышленном производстве осуществляется первым (тепловым) методом в процессе диффузии.

Диффузия - самопроизвольный переход веществ из мест с более высокой концентрацией в места с более низкой концентрацией за счет броуновского движения молекулы. В сахарном производстве для обозначения извлечения сахара наряду с термином "диффузия" используются и термины "обессахаривание", "экстрагирование", "высолаживание".

Чтобы представить схематично переход сахара из клеток свеклы в воду в процессе обессахаривания (диффузии), поместим кусочек свеклы с предварительно скоагулированной протоплазмой в воду - сахар и нерастворимые несахара постепенно будут переходить в воду.

 

Рисунок 1 Схема противоточного обессахаривания стружки

Если объем налитой воды равен объему сока в стружке (так называется измельченная свекла), то процесс диффузии прекратится, когда половина сахара перейдет из стружки в воду, т.е. концентрация его в стружке и воде уравняются. Например, из стружки с 18 % сахара получим в соке 18 : 2 = 9 % сахара и в стружке 9 % сахара. Если стружку с 9 % сахара снова залить таким же количеством воды, то через некоторое время в соке будет 9 : 2 = 4,5 % сахара, в стружке останется 4,5 % сахара. При многократном повторении такого процесса можно добиться минимального остатка сахара в стружке.

Наилучшие результаты получаются при противоточном обессахаривании, применяемом сейчас на всех заводах (процесс этот изображен на рис.1)

Стружка с концентрацией сахара С2 поступает в головную часть В аппарата и движется к хвосту А аппарата, а вода входит в хвост А аппарата, имея концентрацию сахара С1 = 0, т.е. это свежая питательная вода. Передвигаясь вдоль аппарата, стружка постепенно отдает свой сахар и в хвосте аппарата превращается в жом (так называется обессахаренная стружка) с минимальным содержанием сахара С4, а вода выходит из головной части аппарата в виде концентрированного так называемого диффузионного сока С3.

Основным оборудованием свеклоперерабатывающего отделения являются диффузионные установки, в которых при контакте воды со свекловичной стружкой образуется диффузионный сок, содержащий сахар и некоторые несахаристые вещества.

На свеклосахарных заводах эксплуатируются разнообразные диффузионные установки.

Среди диффузионных установок на отечественных заводах наибольшее распространение получили наклонные и вертикальные (колонные).

Ниже показана (рис. 2) схема свеклоперерабатывающего отделения с наклонным шнековым диффузионным аппаратом непрерывного действия.

Рисунок 2 Схема свеклоперерабатывающего отделения с наклонным шнековым диффузионным аппаратом непрерывного действия

Чистая свекла взвешивается на автоматических порционных весах 1 и поступает в бункер 2, из которого она попадает в свеклорезки 3, где изрезается в стружку. Свекловичная стружка конвейером 4, на котором установлены автоматические ленточные весы 5, направляется в наклонный диффузионный аппарат 6 шнекового типа.

Для диффузионного процесса используют отжатую от жома воду (после термической стерилизации и механической очистки) из сборника 7, а также свежую воду из сборника 8.

Образующийся в аппарате диффузионный сок подается на станцию очистки, а получаемый при этом жом (обессахаренная стружка) направляется на обезвоживание, а затем на сушение и гранулирование, либо используется в качестве корма.

Схемы свеклоперерабатывающих отделений с диффузионными аппаратами других типов имеют некоторые отличия, связанные с конструкцией основного аппарата.

2.2.4.2. Основное оборудование

2.2.4.2.1. Автоматические порционные весы

Рисунок 3 Автоматические весы

Для учета количества свеклы, поступающей на переработку в свеклосахарный завод, свеклу взвешивают на автоматических порционных весах.

Весы снабжены счетным механизмом с двумя шкалами. На одной шкале фиксируется масса порции свеклы (500 или 800 кг), на второй - сверх этой массы (перевес образуется в результате поступления в ковш небольших количеств свеклы до прекращения подачи её из бункера весов).

свекла поступает в ковш 4 весов (вид "а") из бункера 1 при открытой подвижной заслонке 3. Ковш с помощью призм подвешен к одному концу весового коромысла 1. К другому концу этого коромысла подвешен гиредержатель 11.
 

Рисунок 4 Схема работы автоматических порционных весов

В процессе поступления свеклы в ковш откидывающееся вокруг оси 9 днище 8 ковша находится в запертом состоянии при помощи крючка 7 и собачки 6. По мере поступления свеклы ковш опускается и по достижении заданной массы заслонка 3 закрывается и поступление свеклы в ковш прекращается (вид "б"), а собачка 6, вращаясь по часовой стрелке вокруг оси 5, освобождает крючок 7 и днище ковша откидывается под действием массы свеклы (вид "в"), которая высыпается из ковша. Под действием противовеса 10 днище закрывается и фиксируется в закрытом положении с помощью крючка 7 и собачки 6. Весы делают два отвеса в минуту.

2.2.4.2.2. Ленточные весы
 

Рисунок 5 Кинематическая схема ленточных весов

Для взвешивания свекловичной стружки, поступающей в диффузионные аппараты непрерывного действия, отжатого жома, направляемого на сушку, и для посменного учета вырабатываемого белого сахара устанавливаются ленточные (конвейерные) весы.

В отличие от порционных ленточные весы являются непрерывнодействующими. Весы (рис 6) устанавливаются в верхнем поясе несущей конструкции горизонтального или наклонного ленточного транспортера 16, в котором вырезается участок, называемый длиной взвешивания. Этот участок ограничен роликами, закрепленными на станине транспортера. В месте разрыва устанавливается грузоприемная платформа 1 с роликами 14 и 15. Платформа подвешивается на рычагах, связанных с весоизмерительным прибором, расположенным в шкафу.
 

Рисунок 6 Ленточные весы

Давление от ленты на ролики передается через систему рычагов 2, 3 и 4 на одно из плеч коромысла весов 5. Это коромысло поводком 7 связано с роликом 8, катящимся по диску 9, который приводится в движение через систему зубчаток от барабана 10, вращаемого нижней ветвью 17 транспортера.

Отклонение коромысла в ту или другую сторону вызывает перемещение ролика 8 ближе или дальше от центра диска 9 ; такое перемещение будет происходить до совмещения направлений окружных скоростей ролика и диска. Следовательно, угловая скорость ролика пропорциональна весу материала.

Угловые скорости ролика 8 и диска 9 суммируются дифференциалом 11, движение от которого сообщается счетчику 12. Каретка 13 необходима для устойчивости ролика 8. Второе плечо весов 5 несет груз 6, изменяя который можно отрегулировать весы.

2.2.4.2.3. Свеклорезки
 

Рисунок 7 Свекловичная стружка

Для извлечения сахара свекла измельчается в стружку.
 

Рисунок 8 Формы свекловичной стружки

Свекловичная стружка бывает желобчатой, пластинчатой и квадратной формы. Длина отдельных стандартных стружинок колеблется в пределах 20-70 мм, толщина - 1-2 мм, ширина - 2-4 мм. Чем тоньше стружинки, тем лучше происходит переход сахара из них в воду. Технологическое качество стружки в производстве оценивается общей длиной всех стружинок в 100 г её. Нормальной считается стружка общей длиной 12-15 м в 100 г.

Изрезывание свеклы в стружку производится свеклорезными ножами, различными по способу изготовления и форме лезвия.
 

Рисунок 9 Свекловичные ножи

Наибольшее распространение на отечественных заводах получили фрезерованные ножи. Режущая кромка этих ножей образована острыми гранями, расположенными под углом 90o.
  При переработке волокнистой свеклы иногда применяют пальцевидные ножи с ребрами, при переработке мороженой или порченой свеклы применяют пальцевидные ножи без ребер.
В зависимости от качества свеклы применяют ножи с различным расстоянием между вершинами желобов (4¸10 мм).
 

Рисунок 10 Ножевая рама

Ножи выпускаются длиной 165 мм и шириной 97 мм.

Для закрепления двух свеклорезных ножей и соответствующей их установки в свеклорезке применяются специальные рамы.
 

Рисунок 11 Схема центробежной свеклорезки

Для получения стружки различной толщины в раме напротив лезвия ножей 3 устанавливают планку 1, высоту подъема а которой можно регулировать клином 2. Величину зазора б между ножом 3 и планкой 1 регулируют передвижением ножа относительно планки. Эта величина зависит от качества и степени загрязненности свеклы и имеет размеры (в мм): для чистой или вялой - 3-5; загрязненной - 4-7 ; волокнистой - 5-7 ; мороженой - 3-7. Чем выше загрязненность и волокнистость, тем больше величина зазора.
  Изрезывание свеклы производится в свеклорезках.

Рисунок 12 Корпус центробежной свеклорезки

Принцип действия свеклорезок основан на относительном движении свеклы и ножей. Такое движение может осуществляться различными путями. В дисковых свеклорезках движутся ножи, закрепленные на вращающемся диске, а свекла неподвижна. В центробежных свеклорезках ножи закреплены неподвижно на стенках вертикального цилиндра, свекла же движется по внутренней поверхности цилиндра, прижимаясь к ножам центробежной силой. В барабанных свеклорезках ножи закреплены на стенках горизонтального вращающегося барабана, свекла находится внутри барабана и удерживается от вращения специальными приспособлениями.

Рисунок 13 Барабанная свеклорезка

На большинстве сахарных заводов России применяются центробежные свеклорезки.
Свеклорезка состоит из неподвижного вертикального корпуса (барабана) 1, внутри которого вращается трехлопастная коническая улитка 4. Барабан имеет прямоугольные сквозные отверстия - гнезда 5 (в количестве 12 или 16). В специальные пазы барабана закладывают рамы с ножами.
 

Рисунок 14 Дисковая свеклорезка

Улитка укреплена на вертикальном валу 2, который вращается с частотой 50-150 об/мин электродвигателем через редуктор. Над улиткой расположен цилиндрический приемник свеклы, который соединяет свеклорезку с бункером. Для регулирования количества свеклы, поступающей из бункера в свеклорезку, над приемником устанавливают пальчатый шибер. Улитка подхватывает свеклу лопастями и двигает её навстречу режущим кромкам ножей. Центробежная сила прижимает свеклу к ножам, и получаемая свекловичная стружка из-под ножей по коническому кожуху 7 снаружи барабана и далее по желобу поступает на транспортер.
 

Рисунок 15 Ножевой диск

Замену ножевых рам производят на ходу поворотным реечным механизмом 3. Раму с ножами вынимают из гнезда, при этом окно сразу же закрывается поднимающейся заглушкой 6.

На большинстве зарубежных предприятий применяются барабанные и дисковые свеклорезки

Рисунок 16 Дисковая свеклорезка конца XIX в.

     

2.2.4.2.4. Наклонный шнековый диффузионный аппарат

Рисунок 17 Схема наклонного диффузионного аппарата

Диффузионный аппарат представляет собой металлическое сварное корыто 2, установленное под углом 8? к горизонтальной плоскости. Сверху корыто закрыто крышкой, на которой расположены смотровые люки. На наружной поверхности днища расположены паровые камеры 5 для нагревания сокостружечной смеси непосредственно в аппарате без предварительного ошпаривания стружки. Для отбора сока в производство в начале корыта установлена камера с фильтрационным ситом 1, имеющим конические отверстия, которое регенерируется лопастями, укрепленными на трубовалах (или обратной подачей пара, диффузионного сока).

Рисунок 18 Наклонный диффузионный аппарат ПДС

Свекловичная стружка транспортируется двумя параллельными и вдвинутыми один в другой шнеками 3, витки которых изготовлены из отдельных стальных полос с постоянным шагом.
 

Рисунок 19 Шнеки диффузионного аппарата ДС

Каждый шнек установлен в промежуточных опорах с подшипниками. При этом шнек с правым заходом витка вращается влево, а с левым - наоборот, т.е. шнеки вращаются во взаимно противоположных направлениях. Синхронное вращение валов от нижнего и верхнего электроприводов обеспечивает специальный механизм.

Свекловичная стружка через наклонный прямоугольный желоб поступает на первые питательные витки шнеков (головная часть аппарата) и транспортируется в хвостовую часть. Жом удаляется лопастным подъемным колесом 4 с перфорированными черпаками.
 

Рисунок 20 Шнеки диффузионного аппарата ПДС

Загрузку аппарата ведут таким образом, чтобы уровень стружки не был выше верхней кромки шнека. Благодаря подъемным свойствам шнеков уровень сока в аппарате устанавливается наклонно.

В шнековом диффузионном аппарате ПДС витки шнеков изготовлены в виде перфорированных алюминиевых лопастей.
  Показатели работы наклонного шнекового аппарата ДС : длина 100 г стружки - 9-12 м; соотношение подаваемой стружки и воды - 1 : 1 ; выход диффузионного сока - 120 % к массе свеклы ; температура подаваемой свежей воды - 65o С ; температура подаваемой жомопрессовой воды - 74 o С ; средняя температура сокостружечной смеси - 72o С ; длительность процесса диффузии - 105 мин ; частота вращения шнеков - 0,40 - 1,15 об/мин ; количество стружки в 1 м3 объема аппарата - 0,65 т ; температура выходящего жома - 67o С ; температура выходящего сока - 30 o С ; выход жома - 80 % к массе свеклы ; потери сахара с жомом - 0,3 % к массе свеклы.

2.2.4.2.5. Диффузионная установка с колонным аппаратом
 

Рисунок 21 Схема колонного диффузионного аппарата

Рисунок 22 Колонный диффузионный аппарат

Получила также распространение диффузионная установка с колонным аппаратом. Помимо собственно диффузионного аппарата, она оснащается так называемым ошпаривателем, в котором стружка обрабатывается большим количеством возвращаемого специально нагретого диффузионного сока для денатурации свекловичных клеток. Из ошпаривателя смесь стружки с соком подается в колонный диффузионный аппарат.
Аппарат состоит из постамента 13, ситового пояса 12, вертикального корпуса 11, трубовала 5, привода 9 и вспомогательных устройств.
 

Рисунок 24 Трубовал и лопасть колонного диффузионного аппарата КДА

Рисунок 23 Распределитель сокостружечной смеси

Приготовленная в ошпаривателе сокостружечная смесь насосом подается в аппарат через патрубок 15. При вращении трубовала свекловичная стружка распределителем-ситоочистителем 2 распределяется по всей поверхности горизонтального сита 1, захватывается лопастями 4 и под действием их подъемной силы и гидравлического напора, создаваемого насосом, перемещается вверх по сложной траектории за счет наличия контрлопастей 3. Навстречу стружке через камеры контрлопастей подается питательная вода : свежая по коллектору 8 и жомопрессовая - по коллекторам 7 и 6. Лопасти взрыхляют стружку и обеспечивают хорошую проницаемость и обтекание её жидкостью при противоточном движении. Свекловичная стружка обессахаривается и выгружается из аппарата шнеком 10. Питательная вода, перемещаясь в межстружечном пространстве вниз, постепенно обогащается сахаром, фильтруется через горизонтальное сито и удаляется из аппарата через коллектор 14.
 

Рисунок 25 Трубовал и лопасть колонного диффузионного аппарата КД2А

Рисунок 26 Пост управления свеклоперерабатывающим отделением с колонным аппаратом

Распределитель сокостружечной смеси на выходе снабжен обратным клапаном, свободно сидящим на оси. Под давлением потока сокостружечной смеси клапан удерживается в открытом состоянии. При остановке насоса клапан закрывается и препятствует обратному движению сокостружечной смеси. Распределитель вращается вместе с трубовалом и равномерно распределяет стружку на поверхности фильтрующего сита. С неподвижной трубой, по которой сокостружечная смесь подается снизу в аппарат, он соединен через сальниковое устройство. На трубовале закреплены качающиеся башмаки - ситоочистители, которые при скольжении по фильтрующему ситу поднимают лежащую на нем стружку и одновременно очищают сито. За распределителем на сите образуется свободное пространство, куда и поступает свежая стружка. Благодаря совместной работе распределителя, насоса, лопастей, закрепленных на валу, и неподвижных контрлопастей свежая стружка перемещается снизу вверх навстречу потоку сока. Трубовал диффузионного аппарата КДА состоит из отдельных секций. На валу под наклоном 20o к горизонту по винтовой линии установлены лопасти, имеющие в поперечном сечении треугольную форму.

В модернизированном диффузионном аппарате КД2А по винтовой линии установлены обтекаемые лопасти, выполненные по типу крыла самолета.
 

Рисунок 27 Диффузионная батарея периодического действия

Рисунок 28 Российские диффузионные установки середины XIX в.

Показатели работы колонной диффузионной установки : длина 100 г стружки - 11-13 м; соотношение подаваемой стружки и воды - 1:1; выход диффузионного сока - 120% к массе свеклы; температура подаваемой свежей воды - 65oС; температура подаваемой жомопрессовой воды - 74oС; средняя температура сокостружечной смеси - 72o С ; длительность процесса диффузии - 75 мин ; частота вращения трубовала - 0,2 - 0,6 об/мин ; количество стружки в 1 м3 объема аппарата - 0,7 т ; температура выходящего жома - 67oС ; температура выходящего сока - 45oС ; выход жома - 80 % к массе свеклы ; потери сахара с жомом - 0,3 % к массе свеклы.
 

2.2.3. Подача свеклы в завод и очистка ее от примесей

2.2.5. Очистка сока