7-4. ИЗВЛЕЧЕНИЕ САХАРА ИЗ СТРУЖКИ (ДИФФУЗИЯ)

Извлечение сахара из свекловичной стружки в сахарном производстве основано на процессе диффузии. Диффузия (распространение) — самопроизвольный переход веществ из мест с более высокой концентрацией в места с более низкой концентрацией за счет броуновского движения молекулы.

Процесс извлечения сахара из стружки часто называют диффузией, а аппараты в которых проводится этот процесс — диффузионными¹.

7.4.1. Основы диффузионного процесса

Корнеплод сахарной свеклы состоит из микроскопических клеток. В каждой из этих клеток содержится клеточный сок, представляющий собой водный раствор сахарозы и несахаров.

Сок находится внутри клетки и окружен рядом мембран. Внешняя мембрана состоит из клетчатки, а расположенная под ней — из белка. Строение клетки сахарной свеклы представлено на рис. 7.10.

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. Поэтому если кусочки сахарной свеклы поместить в воду с температурой до 60°С, сахар из них не будет переходить в раствор.

Чтобы сахар переходил в раствор, необходимо разрушить протоплазму. Для этого ткань свеклы необходимо нагреть до температуры ~60°С. При этой температуре происходит коагуляция (свертывание) белка (см. рис. 7.106), что приводит к разрушению мембраны, состоящей из белка (протоплазмы).

После этого сахар и несахар могут проходить (за счет процесса диффузии) через внешнюю мембрану клетки, имеющую размер пор больше размера молекул сахарозы. Эта мембрана, представляющая собой оболочку клетки, состоит из клетчатки, которая при нагревании практически не изменяется.

______________________________

¹В сахарном производстве для обозначения извлечения сахара из стружки наряду с термином диффузия используются и термины «высоложивание», «обессахаривание», «экстрагирование»

Иная картина наблюдается при замораживании и размораживании свеклы, прессовании измельченной свеклы. При замораживании ткани свеклы образуются кристаллики льда, которые разрывают как протоплазму, так и клеточную стенку. Из разорванной таким образом клетки клеточный сок вытекает в окружающую жидкость. Поэтому оттаявшая свекла быстро теряет сахар.

Подобная картина наблюдается и при механическом измельчении и прессовании. Однако механическим способом и прессовым невозможно разрушить все клетки.

.Поэтому при прессовом способе сахара из измельченной массы извлекается меньше, чем при диффузионном. Вследствие этого именно диффузионный способ и применяется в сахарном производстве.

Количество клеточного сока составляет 92 — 94% кг на 100 кг свеклы. Эта величина получила название сокового коэффициента.

В этом количестве сока в растворенном виде находится сахароза и несахара.

Концентрацию сахара в клеточном соке можно определить, разделив величину сахаристости свеклы на количество сока (соковой коэффициент) и перемножив на 100.

Например, для сахаристости свеклы СХсв = 16,5%:

100% = 17,6%,

т.е. концентрация сахара в клеточном соке примерно на 1% выше в сравнении с сахаристостью свеклы.

Поскольку концентрация сахара в клеточном соке свеклы (стружки) значительно выше, чем в окружающей жидкости (экстрагенте), то за счет разности концентрации сахар будет переходить из стружки в жидкость.

Процесс диффузии описывается законом Фика, согласно которому количество продиффундировавшего вещества (сахара) S прямо пропорционально разности концентрации С — с поверхности раздела F, продолжительности процесса t и обратно пропорционально толщине слоя -х.

,

где: Д — коэффициент диффузии, зависящий от температуры и природы диффундирующего вещества.3 04.12.

Из закона Фика следует, что обессахаривание стружки будет тем лучше, чем выше температура, тоньше стружка, больше продолжительность процесса и больше подается воды, т.е. чем больше величина С — с.

Однако при обессахаривании стружки важно не только максимально извлечь сахар, но и получить сок хорошего качества (с меньшим содержанием несахаров) и по возможности содержащего меньше воды, т.е. с более высокой концентрацией сухих веществ.

Из-за указанного выше параметры извлечения сахара диффузионным способом определенным образом лимитированы.

7.4.2. Оптимальные параметры диффузионного процесса

1. Температура диффузионного процесса должна быть не выше 72 — 74°С. При более высокой температуре увеличивается переход в сок несахаров, в результате чего ухудшается качество сока. С повышением температуры увеличивается переход в сок в основном пектиновых веществ, которые называют отрицательное влияние на процесс фильтрования сока I сатурации.

2. Стружка не должна быть слишком тонкой. При тонкой стружке сок будет плохо проходить через ее слой в диффузионном аппарате. В результате этого стружка будет плохо обессахариваться. Длина 100 г стружки должна быть 8 — 12 м.

3. Количество подаваемой воды на диффузию не должно быть слишком большим. С увеличением ее количества возрастает расход топлива на выпарной установке для ее выпаривания. Количество воды определяется величиной откачки (отбора) сока, которая представляет собой количество диффузионного сока, отбираемого на 100 кг стружки. Величина откачки должна быть 120 - 125%.

4. Вода, подаваемая в диффузионный аппарат, так называемая питательная вода, должна иметь величину рН 5,5 — 6. При этом значении рН питательной воды в сок будет переходить минимальное количество пектиновых веществ.

5. Слишком большая продолжительность процесса диффузии также нежелательна. Это приводит к увеличению перехода пектиновых веществ в сок и ухудшению его качества. Выдерживание этих параметров позволяет получить хорошо обессахаренную стружку (жом с низким содержанием сахара) и диффузионный сок высокого качества.

7.4.3. Диффузионные аппараты и установки

Извлечение сахара из стружки на сахарном заводе производится в диффузионных аппаратах непрерывного действия, работающих на принципе противотока, т.е. подача стружки и воды в аппарате проводится навстречу движения друг другу. Такой способ является более эффективным в сравнении с прямотоком.

Диффузионные аппараты непрерывного действия делятся на наклонные, вертикальные и ротационные (горизонтальные).

В отечественной сахарной промышленности применяются наклонные - вертикальные (колонные) диффузионные аппараты.

В наклонных аппаратах нагревание (ошпаривание) стружки производится непосредственно в самом аппарате. В колонные же диффузионные аппараты поступает уже нагретая (отпаренная) стружка. Предварительный нагрев ее проводится в отдельном аппарате, называемом ошпаривателем. Систему, состоящую из ошпаривателя и диффузионного аппарата, обычно называют диффузионной установкой.

Часто термин «диффузионная установка» используется и для наклонных диффузионных аппаратов.

Наклонный двухшнековый диффузионный аппарат (рис. 7.11) представляет собой установленный на постаменте под углом 10° к горизонту корытообразный желоб, днище которого составлено из двух цилиндрических параллельных поверхностей, образующих в середине гребень. На наружной поверхности днища находятся паровые камеры, служащие для нагревания сокостружечной смеси непосредственно в аппарате.

На нижнем конце аппарата находятся соковая камера (для отвода сока через лобовое сито) и бункер (шахта) для входа стружки, на верхнем — устройство для выгрузки жома.

На заводах нижнюю часть аппарата, т.е. куда подают стружку и отбирают сок, иногда называют «головной», а верхнюю — где производится выгрузка жома — «хвостовой».

Внутри аппарата от нижнего и верхнего приводов вращаются два продольных шнека, перемещающих стружку с нижнего конца аппарата к выгрузочному устройству.

Свежая и жомопрессовая вода подают в верхнюю (хвостовую) часть аппарата. При этом место ввода жомопрессовой воды расположено несколько ниже.

Колонный диффузионный аппарат (КДА) представляет собой (рис. 7.12) колонну (вертикальный цилиндр), внутри которой вращается полный вал (турбовал), на котором установлены лопасти, служащие для перемещения стружки снизу вверх. На внутренней поверхности цилиндра установлены контрлопасти, предотвращающие вращение стружки по окружности.

В нижней части аппарата находится сито. Над ситом расположен распределитель стружки, которая поступает в виде нагретой сокостружечной смеси из ошпаривателя.

Подача воды и выгрузка обессахаренной стружки (жома) проводятся в верхней части аппарата.

Отбор сока осуществляется в нижней части аппарата через ситовой пояс. Этот сок нагревается в теплообменниках и направляется в ошпариватель (1), в который подается и стружка.

Ошпариватель (рнс. 7.121 представляет собой цилиндрический корпус, установленный наклонно (4) против движения стружки, что обеспечивает постоянную степень загрузки. Аппарат состоит из двух частей — теплообменной и перемешивающей. Стружка через загрузочную шахту попадает в теплообменную часть аппарата, в которой она ошпаривается соком, отобранным из колонного аппарата и нагретого в теплообменнике (3).

Сок и стружка в этой части движутся противоточно, что способствует хорошему теплообмену и дополнительному обессахариванию стружки. Отбор диффузионного сока (t = 30 — 35°С), направленного затем на очистку, осуществляется через торцевое (лобовое) и боковые сита.

Предварительно ошпаренная стружка из теплообменной части при помощи вращающегося вала с лопастями перемещается во вторую часть аппарата — перемешивающую (мешалку). В эту часть добавляется примерно 300% циркулирующего сока с температурой 85°С. В результате этого образуется сокостружечная смесь в количестве 400% к массе свеклы, которая насосом подается в колонну.