В помощь учителю и учащимся. Сахароза. Производство сахара. 9 класс.

Сахар — пищевой продукт, занимающий важное место в рационе человека, так как энергия, которую человек затрачивает, восполняется в том числе и за счет Сахаров. В настоящее время сахар получают главным образом из сахарного тростника и сахарной свеклы. Выпускается в виде сахарного песка и сахара рафинада. Когда-то сахар делали только из сахарного тростника, который растет в Индии, Китае, на Кубе и других странах, где климат достаточно теплый и влажный для этого растения. Поэтому сахар был очень дорогой диковинкой. Во многих странах вместо него употребляли мед, сладкий сок клена, березы, липы.

Примерно половина энергии, расходуемой человеком, восполняется углеводами, из них 1/3 — сахаром. Основное сырье для промышленного производства сахара (сахарозы) — сахарный тростник и сахарная свекла. Из 120...124 млн. т. мирового производства сахара в год около 60 % вырабатывается из сахарного тростника, 40 % — из сахарной свеклы. В мире насчитывается свыше 1500 тростниково-сахарных и около 1000 свеклосахарных заводов, из них более 800 заводов в Европе. Число заводов постоянно меняется: строятся новые крупные предприятия, закрываются устаревшие, малопроизводительные. Наблюдается тенденция к некоторому сокращению общего числа предприятий и росту их среднесуточной производственной мощности. Например, на территории бывшей ГДР вместо 42 сахарных заводов, имевших среднюю производственную мощность 1,7 тыс. т. переработки свеклы в сутки, построено 9 новых со средней производственной мощностью 7,2 тыс. т. переработки свеклы в сутки. Промышленное производство сахара стало возможным с конца XVIII в., когда появились паровые машины. начал работать в 1719 г. в Санкт-Петербурге на Выборгской стороне. В этот год было получено 600 пудов сахара-рафинада (1 пуд = 16,38 кг), а уже в 1779 г. пять заводов Санкт-Петербурга произвели 77 150 пудов белого сахара. К концу XVIII в. в Санкт-Петербурге, Москве и вблизи этих городов работали десятки сахарных заводов. Однако расходы на покупку дорогостоящего импортного сахара-сырца тяжелым бременем ложились на бюджет государства, поэтому в России усиленно вели поиски местных источников для получения сахара. Первое указание на возможность использования белой свеклы как сырья для получения кристаллического сахара встречается в книге «Описание растений Российского государства с их изображением», изданной в 1786 г. Белая свекла была издавна известна русским людям как огородная и кормовая культура. В 1792 г. профессор кафедры фармацевтической химии Московского университета Иоган Я. Биндгейм издал брошюру, где писал о том, что из белой свеклы при помощи спирта им получено "Несколько граммов кристаллического сахара. В 1798 г. из свеклы, выращенной под Москвой, удалось получить его значительно больше. Весной 1799 г. И.Я.Биндгейм вместе с докладной запиской послал на имя царя Павла I три образца сахара собственного изготовления: в виде сахарной головы, белого сахара-песка и сахара-сырца. В том же 1799 г. Медицинская коллегия независимо от Биндгейма по результатам своих исследований различных сахароносов, в том числе и белой свеклы, издала книгу «Способ заменить иностранный сахар домашними произведениями», которую разослали во все губернии России: «...дабы сделать известными первые попытки получения свекловичного сахара». В сентябре 1800 г. был издан указ об отведении свободных земель на юге России желающим заниматься свеклосеянием без обложения налогом. Это послужило толчком для развития сырьевой базы. В России важную роль в создании технологии и промышленного производства свекловичного сахара сыграл Яков Степанович Есипов. В 1799—1801 гг. он в своем имении в селе Никольском Подольской округи Московской губернии разработал оригинальную технологию получения сахара из свеклы с очисткой свекловичного сока известью. В начале 1802 г. Я. С. Есипов сообщил, что получил 82 кг белого сахара из 250 кг сахара-сырца, выработанного из свеклы. Так был получен первый русский кристаллический сахар.

Например, первые вакуум-аппараты были созданы в 1813г., мешочные фильтры — в 1824 г., выпарные аппараты, работающие под разрежением, и фильтр-прессы — в 1850г., диффузионная батарея — в 1864 г., центрифуги — в 186,7 г., сушилки для сахара — в 1878 г., упаковочные машины — в 1891 г. В 1747 г. немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф выступил в Прусской академии наук, где сообщил, что обнаружил в белой свекле сахар, аналогичный сахару в сахарном тростнике. Но из-за недостаточной сахаристости свеклы, которая не превышала 1,5%, и низкого уровня развития производительных сил того времени это открытие практического применения не нашло. После смерти Маргграфа его ученик химик Франц Карл Ахард в 1784 г. начал культивировать кормовую белую свеклу; а к 1799 г. получил из нее первый сахар. Образец сахара вместе с трактатом «О получении сахара из свеклы» он вручил 11 января 1799 г. королю Фридриху Вильгельму 111.

На ссуду, выданную королем, Ахард купил в Нижней Силезии (местечко Кунерн) имение и построил первый в мире свеклосахарный завод. В марте 1802 г., он приступил к переработке 250т свеклы из урожая 1801 г. Свеклу вначале промывали в деревянных решетчатых ящиках и измельчали на терках. Из кашки отжимали сок и очищали его серной кислотой, древесной золой и жженой известью. В 1807 г. завод был уничтожен пожаром. Первое упоминание в исторических документах о появлении на Руси кристаллического сахара, ввозившегося с «заморскими товарами», появилось в 1273 г. Из-за высокой цены сахар много лет был предметом роскоши и одно время его продавали в аптеках эквивалентно массе серебра. Спрос на него сильно возрос с середины XVIII в., когда в России начали употреблять чай, который быстро стал национальным напитком. В 1718 г. купец Павел Вестов получил от царя Петра I разрешение на строительство заводов по переработке привозного тростникового сахара-сырца. П. Вестову было поручено вырабатывать сахар, качество которого не должно было уступать заграничному, и продавать по цене не выше рыночной. Первый завод

В ноябре 1802 г. начал работать первый в России свеклосахарно-спиртовой завод, построенный Я. С. Есиповым при участии Е. И. Бланкеннагеля в селе Алябьеве Чернского уезда Тульской губернии. В производственный 1802-1803 г. на заводе было получено 4,9 т. сахара-сырца из свеклы, убранной с 11 десятин посевов (1 десятина = 1,09 га). Чистота сахара-сырца была примерно 85 %. Отходы сахарного производства (меласса, промой и др.) перерабатывали в этиловый спирт. С 1807 г. на заводе начало действовать сахарорафинадное отделение. К осени 1802 г. Я. С. Есипов построил в селе Никольском: второй, более совершенный свеклосахарный завод с сахарорафинадным отделением. В 1803-1804 г. на нем вырабатывали не только сахар-сырец, но и белый сахар, спирт, ликер. Жом использовали на корм скоту. По расчетам Я. С. Есипова, выход сахара-сырца из свеклы составлял 3,1 % к массе свеклы. В 1809 г. в селе Верхи Брянского уезда Орловской губернии И. А. Мальцевым был построен третий в России свеклосахарный завод для выработки сахара-сырца, полностью оснащенный отечественным оборудованием, изготовленным на Брянском машиностостроительном заводе. Получаемый сахар-сырец отправляли на рафинирование на Алябьевский завод. Ежегодно публикуя отчеты о работе своего завода, Мальцев развернул активную пропаганду свеклосахарного производства. Научной основой создания известкового (щелочного) способа очистки свекловичного сока, использованного на первом отечественном свеклосахарном заводе, послужили разработки академика Российской академии наук Т.Е.Ловица который установил, что сахароза в водных растворах весьма устойчива к действию щелочей и высокой температуры, а редуцирующие сахара быстро разлагаются в щелочной среде. Кислотный же способ очистки сока, разработанный Ф. К.Ахардом и получивший распространение на сахарных заводах Европы и Северной Америки, имел серьезные недостатки. Под действием серной кислоты значительная часть сахарозы подвергалась инвертированию, образуя редуцирующие сахара, которые при последующем разложении давали большое количество продуктов распада, в том числе красящих веществ, сильно затрудняющих проведение технологических процессов. Выход товарного сахара из свеклы при кислотном способе очистки ее сока был меньше, чем при щелочном, а чистота сахара-сырца — ниже (58...62 %). Кислотный способ очистки свекловичного сока просуществовал до 30-х годов XIX в. Совершенствованию технологии очистки сахарсодержащих растворов и повышению их кристаллизационных свойств способствовало также открытие адсорбционных свойств древесного угля, сделанное российским академиком Т.Е.Ловицем еще в 1786 г., которое он применил позднее для обесцвечивания свекловичных соков и сиропа. Первые свеклосахарные заводы строились в центральных районах России ближе к промышленным центрам, но вскоре подавляющее их большинство сосредоточилось на Украине и в Центрально-Черноземном районе России, где почвенно-климатические условия благоприятствовали культивированию свеклы. В 1825 г. в России действовали семь свеклосахарных заводов, вырабатывавших 240 т. сахара в год, а в 1860 г. 380 заводов, которые выпускали свыше 64 тыс. т. сахара в год. Но это были мелкие предприятия с примитивной технологией. Число их постепенно уменьшалось, а производственная мощность увеличиваюсь, совершенствовались техника и технология.

Вначале корнеплоды свеклы размягчали паром и отжимали из них сок на винтовых прессах, а в 1834 г. Д. А. Давыдов заменил этот способ новым, вымачивая гребешки свеклы в холодной воде. В 1841 г. Н. П. Шишков вымачивал гребешки горячим способом, что явилось началом перехода от прессового к диффузионному способу сокодобывания. В 1864 г. появилась непрерывно действующая диффузионная батарея чеха Ю. Роберту которая была испытана в России в 1866 г. В 1850 г. русский академик Г. Гесс применил угольную кислоту для осаждения избытка извести из дефекованного сока, а в 1863г. М. А. Толпыгин предложил двухступенчатую сатурацию диффузионного сока угольной кислотой. В 1851 г. мастера Балаклеевского сахарного завода А. И. Федосеев и И. А. Фоменко впервые в мире сварили сахарный утфель в вакуум-аппарате «на кристалл». До этого сироп сгущали в вакуум-аппаратах до пробы «на волос» и спускали в открытые сосуды с двойными обогреваемыми стенками. При медленном охлаждении в перенасыщенном сиропе самопроизвольно зарождались и наращивались кристаллы сахара. Смесь кристаллов и межкристального раствора (утфель) выгружали в конусообразные формы для продолжения кристаллизации сахарозы из сиропа. Излишки межкристального раствора вытекали через нижнее отверстие в форме. Непробеленный сахар вынимали из формы и межкристальную жидкость отделяли от кристаллов через салфетку на прессах. Полученный сахар-сырец подвергали рафинированию: растворяли до сиропа, очищали активным углем от несахаров и кристаллизовали. Производственный цикл длился несколько недель. Центрифуги на заводах стали применять с 1850 г. Стремясь упростить технологию и ликвидировать стадию рафинирования сахара-сырца в общем цикле получения белого сахара, инженер М. А. Толпыгин в 1854 г. в конце цикла центрифугирования первого утфеля применил пробеливание паром и получил белый сахар. Этот способ назвали в Европе «русской паровой пробелкой». Уваривание утфеля «на кристалл» и центрифугирование его с паровым пробеливанием кристаллов сахара завершили формирование оригинальной технологии получения белого сахара, минуя промежуточную стадию сахара-сырца. Сульфитацию очищенного сока в России стали применять с 1873 г. Позднее, в 1897г., К. Ф. Абрагам, В. В. Ярошевский и К. Р. Закс создали и внедрили способ переработки оттеков первого утфеля путем уваривания их в вакуум-аппарате «на кристалл» с последующим обессахариванием межкристальной жидкости в мешалках-кристаллизаторах при охлаждении. До этого оттеки первого утфеля уваривали в вакуум-аппарате до пробы «на волос», а затем сироп выгружали в емкости и сахар выкристаллизовывали охлаждением («в покое»).

Перед первой мировой войной (1914 г.) на территории России действовало 235 свеклосахарных заводов. Эти заводы могли перерабатывать до 137 тыс. т. свеклы в сутки. Среднесуточная мощность одного завода составляла 0,57 тыс. т. свеклы. В производственный сезон 1914-1915 г. эти сахарные заводы выработали 1,71 млн. т. сахара. За время первой мировой и гражданской войн большинство сахарных заводов было разрушено, и в 1921-1922 гг. годовое производство сахара уменьшилось до 51 тыс. т. Начиная с 1922 г., выработка сахара-песка стала увеличиваться и сахарная промышленность твердо встала на путь восстановления. Уже в 1930 г. производство сахара превысило наибольший довоенный уровень: в сезон 1930-31 г. было выработано 1,78 млн. т. сахара-песка. Перед второй мировой войной (1940 г.) отечественная сахарная промышленность выработала 2,17 млн. т. сахара-песка. Во время войны она понесла громадный урон. Большинство предприятий пострадало так, что их пришлось отстраивать заново. К 1950 г. сахарные заводы в границах бывшего СССР были полностью восстановлены. В 1991 г. в СССР действовало 318 свеклосахарных заводов общей производственной мощностью более 840 тыс. т. переработки свеклы в сутки. В 1990-1991 г. было выработано 12,3 млн. т. сахара-песка, из них 3,8 млн. т. из импортного тростникового сахара-сырца. Общая площадь посевов сахарной свеклы составляло 3,5 млн. га. В настоящее время в Российской Федерации действует 95 свеклосахарных заводов. Средняя производственная мощность Одного завода составляет 2,84 тыс. т переработки свеклы в сутки. Посевные площади под свеклой снизились до 1,5 млн. га. В 1997 г. было заготовлено 15 млн т сахарной свеклы и выработано из нее около 15 млн. т. сахара-песка. Коэффициент извлечения сахара из свеклы был 72 %. Сахарорафинадное производство, как упоминалось ранее, возникло в России в начале XVIII в., заводы работали на привозном тростниковом сахаре-сырце, а после создания своей сахарной промышленности стали получать сахар-рафинад из свекловичного сахара-песка. Первые заводы имели производственную мощность около 0,5 т/сут. литого сахара-рафинада, а в 1914г. максимальная годовая выработка литого сахара-рафинада достигла 937 тыс. т., и средняя производственная мощность завода составляла уже 90 т/сут. В 1938 г. был разработан способ получения прессованного сахара-рафинада, который по качеству соответствовал литому сахару-рафинаду. При этом резко повысились производительность труда и степень механизации производства.

Сахар — практически чистая сахароза (С₁₂Н₂₂О₁₁), обладающая сладким вкусом, легко и полностью усваиваемая организмом, способствующая быстрому восстановлению затраченной энергии. Сахароза — это дисахарид, который под действием кислоты или фермента расщепляется на глюкозу и фруктозу (инвертный сахар). Сахароза может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. По химической природе сахар является слабой многоосновной кислотой, дающей с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов соединения — сахараты. Инвертный сахар благодаря фруктозе гигроскопичен. Он предохраняет варенье от засахаривания, замедляет процесс черствения хлеба, предохраняет от высыхания кондитерские изделия (мармелад, пастилу, зефир, помадку и др.). Сахароза хорошо растворяется в воде, при повышении температуры ее растворимость возрастает. В растворах сахароза является сильным дегидратором. Она легко образует пересыщенные растворы, кристаллизация в которых начинается только при наличии центров кристаллизации. Скорость этого процесса зависит от температуры, вязкости раствора и коэффициента пересыщения. Исходным сырьем для получения сахара являются сахарная свекла и сахарный тростник. Благодаря более высокой урожайности сахарного тростника по сравнению с сахарной свеклой с каждого гектара его посевов получают сахара примерно в 2 раза больше, хотя содержание сахарозы в стеблях сахарного тростника несколько меньше, чем в сахарной свекле. Сахарная промышленность выпускает следующие виды сахара:

— сахар-песок — сыпучий пищевой продукт белого цвета (без комков), имеющий сладкий вкус без посторонних привкусов и запахов (с содержанием влаги не более 0,14 %, сахарозы не менее 99,75 %, металлопримесей не более 3 мг на 1 кг сахара, с размерами на более 0,3 мм);

— сахар жидкий — жидкий пищевой продукт светло-желтого цвета, сладкий на вкус, без посторонних привкусов и запахов (с содержанием сахарозы не менее 99,80 % для высшей категории и не менее 99,5 % для первой категории, с содержанием сухих веществ не менее 64 %);

— сахар-рафинад — кусковой прессованный сахар, рафинадный сахар-песок и рафинадная пудра белого цвета, сладкие на вкус, без посторонних привкусов и запахов (с содержанием сахарозы не менее 99,9 %, редуцирующих веществ не более 0,03 %, влаги не более 0,2 %). Винницкая, Полтавская, Тернопольская, Хмельницкая, Сумская и Ровенская области наиболее перспективны для производства сахара. Здесь сосредоточено около 60% посевных площадей сахарной свеклы. Украина удерживала мировую пальму первенства в производстве сахара до приобретения независимости — в конце 1980-х в республике производилось около 6 млн тонн продукции в год. Доля УССР в объеме мирового производства сахара составляла почти 15%. Ныне показатели не так блистательны — сегодня наша страна по сахароварению занимает примерно 10-е место в мире, с трудом покрывая потребность своего населения в сладком продукте.  

Схема производства сахара из сахарной свеклы, последовательность и назначение операций. Понятие о двух и трех продуктовых схемах. 

1. Подача свеклы на завод. Из бурачной подача свеклы проводится с помощью воды по гидротранспортеру, представляющему собой желоб, выполненный из стали, бетона, кирпича и имеющий уклон в сторону завода. Свекла, поступающая на переработку, содержит от 5 до 15% примесей: ботвы, песка, камней, земли. Отделению примесей придается большое значение, т.к. они резко увеличивают потери сахара. Отделение начинается в гидротранспортере, который снабжается устройствами-ловушками. При движении происходит разделение по высоте потока благодаря различной плотности. Тяжелые примеси – камни, песок – находятся преимущественно на дне, выше – свекла, а в верхних слоях потока – легкие примеси – ботва и солома. Ботволовушки предназначены для удаления легких плавающих примесей. Для улавливания тяжелых примесей используют противоточные барабанные камнеловушки.

2.      Мойка свеклы. Применяют кулачковые моечные машины различных систем: с высоким и низким уровнем воды и комбинированные. Наибольшее распространение получили свекломоечные машины КМЗ-57М с высоким уровнем воды, производительностью 1,5тыс. т свеклы в сутки. После моечных машин свеклу сверху поднимают на свеклорезки ленточным конвейером или ковшовым элеватором, она проходит электромагнитный сепаратор и попадает в бункер автоматических весов.

3.      Измельчение свеклы в стружку. Для извлечения сахара из свеклы диффузионным способом свеклу измельчают в тонкую стружку различной формы: желобчатой, пластичной, ромбовидной, мелкой пластинчатой. Форма стружки выбирается в зависимости от качества свеклы и типа используемых диффузионных аппаратов. Качество стружки оценивается длиной 100г стружки в метрах или отношением массы стружки длиной более 5 см к массе стружки длиной менее 1 см, а также содержанием в стружке брака. Для получения свекловичной стружки используют центробежные, дисковые или барабанные свеклорезки. При использовании диффузионных аппаратов периодичного действия в пределах 10 м, а непрерывного до 12-15 м.

4.      Получение диффузионного сока. Диффузией называется извлечение из сложного по составу сырья одного или нескольких компонентов с помощью растворителя. Процесс диффузии заключается в противоточном промывании стружки вначале диффузионным соком, а затем горячей водой. Длительность диффундирования составляет 70-80 мин. Поддерживается температура 70-75 градусов. Сахар извлекают из клеток свеклы в непрерывно действующих диффузионных аппаратах, в которых свекловичная стружка и диффузионный сок находятся в непрерывном противоточном движении. Полученный сок представляет собой темную вязкую жидкость, содержащую 15-17% СВ, из них 13-15% сахарозы и 2% - несахаров. Он имеет специфический запах и вкус экстракта свеклы, имеет кислую реакцию среды рН=6-6,5. В соке содержатся взвешенные частицы, хлопья скоагулированного белка, в нем имеется сапонин, обладает способностью сильно пениться, увеличивает потери. Содержит также коллоидные вещества. Для удаления всех примесей сок очищают и обесцвечивают.

5.      Очистка диффузионного сока. После отделения мезги диффузионный сок подвергают обработке, которая носит название предварительной дефекации и заключается в том, что подогретый до 85-90 град. Диффузионный сок смешивают с соком 1 сатурации и основной дефекации до рН 10,8-11,6. После чего проводят основную дефекацию, добавляя в сок в избытке известковое молоко до рН 12,2-12,3. Под действием извести происходит разложение некоторых несахаров, образуются соли кальция (кальций сахарат).  

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Са(ОН)₂ = С₁₂Н₂₂О₁₁*СаО + Н₂О

6.      Дефекованный сок подвергают обработке диоксидом углерода, известь превращается в карбонат кальция, который выпадает в осадок, адсорбируя на своей поверхности несахара (1 сатурация).    
С₁₂Н₂₂О₁₁*СаО + СО₂ = С₁₂Н₂₂О₁₁ + СаСО₃

7.      Осадок отделяют отстаиванием и фильтрованием сока, после чего сок подогревают и сатурируют повторно (2 сатурация). На 2 сатурации происходит дополнительна физико-химическая очистка сока. После чего сок подвергается контрольной фильтрации и сульфитируют.

8.      Получение и уваривание сиропа. Сок после очистки содержит до 15% СВ, из них 13,6% - сахароза. Качество сока характеризуется доброкачественностью – 91-92%. Для выделения кристаллов сахарозы нужно получить пересыщенный р-р, который получается путем удаления влаги до содержания 65% СВ. Ее удаляют путем уваривания в выпарных установках. После этого производят выпаривание в 4 этапа в вакуум-аппаратах. Вначале сироп сгущают до пробы, уваривают до коэффициента пресыщения 1,25. Кристаллы не выпадают. На втором этапе – 50-100г сахарной пудры для образования центров кристаллизации. После образования центров кристаллизации подкачивают свежий сироп до коэффициента 1,1 пресыщения. Наращивание кристаллов – 1 час. Образуется уваренный сироп – 92-93% СВ. Утфель 1 продукта кристаллизации – в нем содержится до 55% сахарозы и до 45% межкристальной жидкости патоки.

9.      Центрифугирование утфеля 1. Отделение кристаллов сахарозы от патоки. Из вакуум-аппарата сироп сливается в промежуточную емкость, затем подается в центрифуги. После образования кристаллов, их промывают горячей водой и паром, в результате образуется сахар, зеленая патока и белый оттек. Сахар с влажностью 0,8-1% и его отправляют на высушивание.

10.  Высушивание. Производят на барабанных сушилках. Расфасовывают в мешки, направляют на хранение, при постоянной t, в зимнее время не ниже 5 град.

11.  Полученные после центрифугирования утфеля 1 белый оттек и зеленая патока идут на переработку, для получения из него дополнительного сахара. Процесс ведется аналогично, как и при получении белого сахара, но только более медленнее, в следующем порядке: уваривание оттека утфеля 1 – центрифугирование утфеля 2 – получается желтый сахар, оттек утфеля 2.

12.  Желтый сахар растворяют в соке со второй сатурации до содержания 65% СВ и подают в сироп перед варкой утфеля 1, а оттек утфеля 2 идет на получение утфеля 3. Из утфеля 3 получают – бурый сахар и мелассу (черная патока), растворяют в горячей воде и смешивают с сиропом перед увариванием утфеля 1.

Источники: ресурсы Интернет
                     landwirt.ru