3.2. Отримання дифузійного соку

Буряковий сік, що містить розчинені "у воді цукрозу і нецукри, добувають із бурякової стружки екстракцією.

Екстракцією, чи дифузією, називається витягнення зі складної за складом сировини одного чи кількох компонентів за допомогою розчинника. Дифузія цукрози з. бурячної тканини називається молекулярною. Рушійною силою дифузії є градієнт концентрації речовин у дотичних рідинах, внаслідок чого виникає спрямований потік речовини, що сприяє вирівнюванню концентрації. Причиною дифузії є безладний тепловий рух атомів, молекул, іонів, часток речовини. Дифузія може бути описана за допомогою першого закону Фіка, відкритого в 1855 p., що встановлює зв'язок між кількістю речовини,що екстрагується, й основними параметрами процесу: кількість розчиненої речовини S, що продифузіювала крізь деякий шар розчинника, прямо пропорційна різниці концентрацій на межах цього шару (С — с), часу t, площі шару F и обернено пропорційна товщині шару х, тобто довжині шляху дифузії часток. Отже:

, де можна назвати грандієнтом концентрації, a D є коефіцієнтом пропорційності і називається коефіцієнтом дифузії. Величина D залежить від роду дифузіюючої речовини і від температури дифузії. Вона приблизно обернено пропорційна радіусу дифузіюючих часток розчиненої речовини. З підвищенням температури D збільшується, тому що зростає швидкість руху молекул і, крім того, зменшується в'язкість розчинника, внаслідок чого молекули розчиненої речовини легше перемішуються між молекулами розчинника.

Незважаючи на те, що величини F, (С — с), t перебувають у прямій залежності від кількісті продифузійованої речовини S, тобто цукру, витягнутого зі стружки шляхом дифузії, на практиці усі вони мають природні обмеження. Відкачку соку обмежують 115—125 %, тобто з 100 кг стружки витягають 115—125 кг соку, тому що зі збільшенням витрати води на знецукрювання стружки зростають витрати палива й електроенергії на наступне випарювання зайвої води при згущенні соку.

Збільшення тривалості- обезцукрювання (£) сприяє не тільки більш повному переходу цукру зі стружки, а й нецукрів буряку, зокрема збільшується пептиЗація нерозчинного протопектина і т.п. Тому доцільно обмежувати тривалість екстракції (г) за рахунок використання доброякісної стружки оптимальної товщини з гарною пружністю, що полегшує витяг соку (F, х). Однак тривалість дифу-зіювання в апаратах безупинної дії в зв'язку з необхідністю застосування для них більш грубої цукрової стружки становить нормативно 70-80 хв.

Підвищення температури сприяє збільшенню коефіцієнта дифузії (D) цукрози, але при температурі вище 75°С відбувається швидке набрякання пектинових речовин і зниження пружності стружки, а при температурі нижче 70°С інтенсивно розвиваються мікроорганізми, що Призводить до псування стружки. Тому в активній частині дифузійної установки підтримують температуру 70-75 °С.

В даний час у цукробуряковому виробництві цукор з клітин буряку екстрагують у безперервно діючих дифузійних апаратах, у яких бурячна стружка та дифузійний сік знаходяться в безупинному про-типоточному русі (рис. 3).

Рис. 3. Схема протипоточного знецукрювання бурякової стружки з поверненням жомопресової води: С₁ С₂, с₁, с₂ — концентрація цукрози відповідно в буряковій стружці, жомі, екстрагенті і дифузійному соку.

Стружка буряку з концентрацією цукру С, надходить у головну частину апарата А і рухається до хвостової його частини В, віддаючи цукор, у розчинник, що рухається назустріч (вода, дифузійний сік). У всіх частинах апарата успішно йде процес дифузії, тому що різниця концентрацій зберігається. У хвостовій частині апарата в стружці залишається дуже мало цукру, але дифузія продовжується, тому що сюди надходить вода з нульовою концентрацією цукру.

У головній частині апарата різницю концентрацій (С, - с₂) збільшують зниженням величини с₂, за рахунок підвищення відкачки соку. Внаслідок такої протипоточної екстракції можна вивільнити максимум цукру зі стружки.

Для здійснення дифузійного процесу екстракції цукру з буряку використовують дифузійні апарати безупинної дії, процес роботи яких цілком автоматизований, а втрати цукру в стружці мінімальні і становлять 0,25—0,30 % до маси буряку.

У даний час на цукрових заводах працюють різні дифузійні апарати безупинної дії: колонні (вертикальні), шнекові нахилені.

В одноколонній дифузійній установці КДА (рис. 4) бурячна стружка подається в теплообмінну частину ошпарювача 1, де нагрівається і попередньо ошпарюється дифузійним соком з температурою 72 °С. Сік при цьому охолоджується до 45—55 °С, відбирається і направляється на очищення вапном. У мішалку опарювача подається дифузійний сік з температурою 85 °С. Сокостружкова суміш з температурою 75 °С подається насосом знизу в колонний дифузійний апарат 2 і переміщається нагору назустріч воді за допомогою обертового вала з лопастями і нерухомими лопастями. Дифузійний сік через ситову поверхню виходить з нижньої частини колони і поділяється на два потоки: перший іде через теплообмінник у мішалку ошпарювача, а другий — у теплообмінну частину ошпарювача, минаючи теплообмінник. Знецукрена стружка (жом) виходить з верхньої частини апарата і попадає в шнековий водовідділювач, потім у вертикальний жомовий прес. Виділена при цьому вода очищається на мезголовках, підігрівається, стерилізується і подається в дифузійний апарат. Свіжа вода подається у верхню частину апарата (роздільно чи разом з жомопресовою водою) з температурою 72 °С та рН 5,5-6,0.

Відбір дифузійного соку на даному апараті становить 125—130 % до маси буряку. Довжина 100 г стружки повинна бути 11 — 13 м. Тривалість активної дифузії становить 75—80 хв при 74—75 °С. Колонні дифузійні установки мають такі недоліки: високий відбір соку, необхідність використання додаткових теплообмінників і насосів для підігріву і перекачування продукту, велика чутливість до якості стружки.

У цукровій промисловості використовуються кілька типів нахилених шнекових дифузійних апаратів.

Рис. 4. Дифузійна установка КДА:

1 — випарювачі; 2 — вертикальний холодний дифузійний апарат; 3 - підігрівач і насоси

Отриманий дифузійний сік внаслідок наявності багатьох компонентів, що гальмують кристалізацію і забруднюють кінцевий продукт, непридатний без додаткової обробки для кристалізації цукру. Сік має майже чорний колір, слабокислу (рН = 6,0—6,5) реакцію, містить розірвані клітинні тканини , скоагульовані агрегати білків, розчинні нецукри, що заважають кристалізації цукрози, збільшуючи її витрати з мелясою. Тому до найважливіших завдань цукровиробницт-ва належать технологічні операції видалення нецукрів та інших шкідливих компонентів із цукрових розчинів. Типова технологічна схема очищення дифузійного соку наведена на рис. 5.

Рис. 5. Принципова технологічна схема очистки дифузійного соку

Основними технологічними операціями очищення соку є: двостадійна дефекація, двостадійна сатурація, сульфітація соку та сиропу, концентрування соку до сиропу, розділення технологічних суспензій фільтруванням чи відстоюванням.

1. Дефекація соку.

Дефекація — це двостадійна обробка соку вапном з метою подальшого виділення з нього більшості нецукрів.

Основними цілями дефекації є:

• переведення більшості нецукрів у кальцієві солі чи інші форми, придатні для їх виділення адсорбцією на поверхні високодисперсного СаС0₃ при наступній сатурації;

• переведення в осад максимальної кількості речовин колоїдної дисперсності та високомолекулярних сполук;

• осадження кальцієвих солей деяких кислот, що містяться в дифузійному соку;

• отримання осаду, який є стійким при подальшій технологічній обробці і легко фільтрується.

Суть попередньої дефекації (переддефекації) полягає в обережній дії вапном Са(ОН)₂ На відділений від мезги підігрітий до 85— 90 °С дифузійний сік, змішаний із соком І сатурації і основної дефекації при рН = 10,8—11,6. Після цього проводять основну дефекацію, доводячи рН соку до 12,2—12,3, додаючи до нього надлишок суспензії вапняного молока.

За режимом проведення переддефекацію поділяють на оптимальну, прогресивну, холодну, теплу та гарячу.

Прогресивна та оптимальна передефекації відрізняються тим, що необхідну для досягнення оптимального рН кількість вапна вводять поступово (20—30 хв) або одноразово відповідно. При холодній, теплій та гарячій переддефекації вапно додають до соку, нагрітого до 50,50—60 та 85—90 °С відповідно.

Якість буряку, який переробляють, визначає вибір режиму переддефекації. Для високоякісного буряку можна використовувати холодну та гарячу переддефекацію, але при гарячій сік краще фільтрується. При переробці низькоякісного буряку краща холодна переддефекація, при якій у соку утворюється менше забарвлених речовин, пектинів та продуктів розпаду білків. Оптимальну переддефекацію проводять при 85-90°С відсатурованим нефільтрованим соком І сатурації (100-150% до маси буряка) та дефекованим соком (15-30% до маси буряку). Переддефекацію проводять у вертикальному переддефекаторі — циліндрі з мішалками та пінозбирачами.

Прогресивну переддефекацію найчастіше проводять у вертикальних переддефекаторах, розділених перегородками по висоті, конструкція яких забезпечую прогресивне наростання лужності соку знизу вгору, що забезпечує ефект очищення соку 9—12 %.

Основну дефекацію соку проводять після введення основної кількості вапняного молока У вертикальних циліндричних дефекаторах.

Після основної дефекації сік разом з осадом надходить у сатуратор, де через нього продувають сатураційний газ, що містить ЗО— 34 % С0₂. Сік, що поступає на першу сатурацію, містить близько 10 % вапна в розчині, а близько 90 % — в осаді.

3.3.2. Сатурація соку

Сатурація — це двостадійне насичення соку діоксидом вуглецю з метою переведення надлишкового Са(ОН)₂ в мікрокристали СаС0₃ для адсорбції на них нецукрів соку і наступного виділення останніх разом з осадом.

Основними цілями сатурації є:

• утворення максимальної кількості дрібних кристалів СаС0₃ шляхом взаємодії С0₂ сатураційного газу з надлишком Са(ОН)₂, введеним в сік вапняним молоком на стадії дефекації;

• найповніше переведення в осад нецукрів, адсорбованих на поверхні мікрокристалів СаС0₃;

• полегшення наступного фільтраційного виділення соку.

При продуванні С0₂ майже все надлишкове вапно випадає в осад у вигляді позитивно заряджених часток карбонату кальцію, які адсорбують негативно заряджені нецукри. Завдяки надлишку вапна, введеному на стадії дефекації, збільшується кількість, дисперсність та адсорбційна здатність СаС0₃ та полегшується наступне фільтрування осаду.

Оптимальний кінцевий вміст вапна першої сатурації 0,12-0,14%СаО, що дозволяє знизити накипоутворення у теплообмінниках. Повніше видалення вапна небажане: утворюється так званий пересатурований сік, в якому підвищена забарвленість, осади пеп-тизуються, набуваючи рихлої желеподібної структури, що знижує якість фільтрування. При більш значній (рН < 9,5) пересатурації соку із осаду в розчин переходять речовини колоїдної дисперсності, які забивають пори фільтруючого шару і тканини. Першу сатурацію проводять при 80—85 °С в одноступеневому сатураторі безперервної дії— циліндричному апараті, в якому за принципом зустрічних потоків взаємодіють газ, що подається знизу, та сік після дефекатора, що подається зверху. Більша частина С0₂ реагує з Са(ОН)₂, утворюючи СаС0₃. Швидкість сатурації впливає на чистоту і фільтраційну здатність соку: чим вона вища, тим дрібніші частки осаду і вища їхня адсорбційна здатність.

Для покращення умов сатурації соку і отримання дрібнокристалічного СаС0₃ у двосекційних сатураторах проводять двоступеневу сатурацію, що підвищує ефект очищення на 3—4 %, а використання вуглецевого газу— на 10—12 %. Коефіцієнт використання сатураційного газу становить 60—65 %.

Для пониження в соку вмісту розчинних солей кальцію проводять другу сатурацію, після якої сік не повинен вміщувати вільного Са(ОН)₂. Оптимальна лужність соку другої сатурації, що відповідає найнижчому вмісту солей кальцію, залежить від складу нецукрів соку і найчастіше дорівнює рН = 9. Другу сатурацію проводять при 85—92 °С протягом 10 хв при коефіцієнті використання сатураційного газу близько 50 %.

3.3.3. Сульфітація соку та сиропу

Сульфітація — це двостороння обробка соку та сиропу діоксидом Сульфуру з метою зменшення в них вмісту забарвлюючих речовин.

Вона є останньою стадією очищення дифузійного соку і полягає в обробці фільтрованого соку, після другої сатурації, S0₂, який отримують спалюванням Сульфуру в спеціальних печах. Сульфітацій-ним газом, що містить 10—15 % S0₂, обробляють також суміш сиропу з клеровкою та воду, яку подають на дифузію. Основними цілями сульфітації є:

• знебарвлення соку шляхом відновлення його органічних забарвлених компонентів;

• зменшення потемніння сиропу при його концентруванні випарюванням;

• зниження лужності соку та в'язкості сиропу;

• покращення умов фільтрації соку і сиропу;

• полегшення кристалізації цукру і відділення його кристалів від маточного соку;

• попередження утворення у соку забарвлених речовин шляхом блокування сірчистою кислотою карбонільних груп редукуючих сполук — глюкози, фруктози, манози.

Сульфітацію проводять зустрічнопотоковим методом у сульфіта-торах різного типу, що дозволяють використовувати діоксид Суль-фуру на 98 %. Оптимальне значення рН складає: для сульфітованого соку 8,5—8,8; для сиропу та води 7,8—8,2 та 5,6—6,0 відповідно.

Навіть застосування комплексу складних багатостадійних операцій очищення не дозволяє видалити із дифузійного соку більш ніж 36— 40 % нецукрів. Залишкові 60—65 % їх переходять у мелясу, знижуючи вихід цукру і утримуючи близько 2,5 % цукрози відносно маси переробленого буряку.

3.3.4. Фільтрування соку і сиропу

Фільтрування соку чи сиропу— це процес розділення їх на осад і рідинну фазу. В очищенні дифузійного соку і сиропу воно використовується багатократно у різному апаратурному оформленні.

Сік та сироп відділяють від осадів фільтруванням після першої та другої сатурації та згущення соку у випарній установці відповідно (див. рис. 5).

Для зменшення в'язкості сік спочатку нагрівають до 80—90 °С, а потім, за допомогою листових фільтрів-згущувачів типу ФІЛС, фільтрують під критичним надлишковим тиском 0,3—0,4 МПа.

Сік після першої сатурації містить 3—4 % твердих речовин. У відстійниках він ділиться на дві нерівні фракції: освітлену (75—80 %) та згущену (20—25 %). Освітлена фракція направляється на контрольну фільтрацію, а згущена— на вакуум-фільтри. Фільтраційний осад містить 75—80 % СаС0₃ та 20—25 %— органічних і мінеральних нецукрів (білки, пектини, кислоти). Осад можна використовувати як добриво для кислих грунтів чи добавку до раціону тварин.

Для контрольного фільтрування соку другої сатурації застосовують дискові фільтри типу ФД та модернізовані листові фільтри типу ФІЛС.

Для фільтрування сиропу з клеровкою застосовують тарілчасті фільтри з відцентровим видаленням осаду типу ФЦВО.

3.3. Згущення соку та сиропу

Сік після сульфітації згущують у два етапи: спочатку до вмісту сухих речовин (СР) 65 %, при якому цукроза ще не кристалізується, а потім, після додаткового очищення, сироп упарюють до вмісту сухих речовин 92,5-93,5 % і відділяють кристали цукрози. З очищеного соку, відносно маси буряку, всього видаляють 110-115% води. Двоетапність згущення сиропу обумовлена економічними причинами, на першому етапі при невеликій в'язкості розчину процес ведуть, використовуючи багатокорпусні випарні установки, які дозволяють знизити приблизно в 2,5 раза питомі витрати палива.

Типовою для цукрозаводів є схема з чотирикорпусною випарною установкою і концентратором. Останній корпус працює під тиском нижчим, ніж атмосферний.

Випарна установка працює так. Після сульфітації і нагрівання до температури кипіння (126°С) сік направляється у перший корпус, де із нього випаровується частина води, утворюючи вторинний пар. Сік послідовно переходить із першого корпусу в другий, третій, четвертий, а потім у концентратор, поступово зневоднюючись і концентруючись. Гріючий пар подають лише в перший корпус. Кожен наступний корпус обігрівається вторинним паром із попереднього. Багатократне використання теплоти пару можливе лише за умови зниження від першого корпусу до останнього температури кипіння соку і тиску.

Концентратор паром не обігрівається, і зменшення вмісту води відбувається лише внаслідок її самовипаровування, обумовленого перепадом тиску.