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 і обернено пропорційна товщині шару х, тобто довжині шляху дифузії часток. Отже:

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 кількості 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 (t) 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 (t) за рахунок використання доброякісної стружки оптимальної товщини з гарною пружністю, що полегшує витяг соку (F, х). Однак тривалість дифузіювання 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 протипоточному 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 С₁ 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 (С₁ - 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.

Рис. 4. Дифузійна установка КДА:

1 — випарювані; 2 — вертикальний холодний дифузійний апарат; 3 — підігрівам і насоси

У цукровій промисловості використовуються кілька типів нахилених шнекових дифузійних апаратів.

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 цукровиробництва 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.