Buraki oczyszczane na sucho

Ekstrakcja

W tkance buraka sacharoza znajduje się w soku komórkowy, który wypełnia komórki otoczone błoną komórkową.

Błona komórkowa składa się z białkowej protoplazmy, która nie jest przepuszczalna dla sacharozy i składników soku komórkowego.

Aby błona stała się przepuszczalna dla sacharozy i niecukrów trzeba zdenaturować tkankę (popularnie „zabić komórki”).

Denaturacja tkanki buraczanej odbywać się może za pomocą:

• ciepła (temperatura powyżej 60°C)

• zamrożenia tkanki

• środków chemicznych (np. SO₂, chloroform)

• prądu elektrycznego.

W skali przemysłowej denaturacja odbywa się za pomocą ciepła.

Zjawisko dyfuzji można opisać za pomocą modelu matematycznego (prawo Ficka):

$$\mathbf{m = D \bullet A \bullet \tau \bullet}\frac{\mathbf{\text{dc}}}{\mathbf{\text{dx}}}$$

$$gdzie:m - ilosc\ substancji\ dyfundujacej,\ A - powierzchnia\ graniczna,\ \tau - czas\ dyfucji,\frac{\text{dc}}{\text{dx}} - gradient\ stezenia,\ D - stala\ dyfuzji.$$

Według Einsteina i Smoluchowskiego stała dyfuzji D zależy od temperatury bezwzględnej – T, od lepkości ośrodka η i indywidualnych cech cząsteczki dyfundującej – k.

$$\mathbf{D = k \bullet}\frac{\mathbf{T}}{\mathbf{\eta}}$$

We wzorze Ficka – im większa wartość powierzchni A kontaktu krajanki z wodą wysładzającą, tym więcej składnika przedyfunduje, czyli tym korzystniej.

Jednakże nie można zwiększać nadmiernie powierzchni krajanki, ponieważ utrudniałoby to przepływ cieczy przez krajankę. Obowiązuje tutaj zasada umiaru technologicznego.

Przekrój krajanki – daszkowy.

Temperatura T we wzorze ma podwójny pozytywny wpływ na szybkość dyfuzji- zwiększa wartość D (wartość w liczniku) oraz wpływa pośrednio na wartość lepkości (wartość w mianowniku) - im większa temp tym lepkość mniejsza, czyli szybkość dyfuzji większa. Jednakże temperatura nie może być za wysoka, ponieważ istnieje niebezpieczeństwo hydrolizy składnika miąższu (pektyn, białek), których przejście do soku surowego jest niekorzystnym zjawiskiem, ponieważ pogarsza, jakość soku surowego. Temperatura procesu ekstrakcji powinna być powyżej 70-78°C.

Im dłuższy czas ekstrakcji, tym więcej składnika (sacharozy) przedyfunduje do roztworu. Jednakże czas nie może być dobrowolnie wydłużany, ponieważ więcej niecukrów będzie przechodziło wówczas do soku (głównie związki pektynowe).

Ponadto przy zachowaniu określonej pojemności ekstraktora wydłużenie czasu ekstrakcji spowoduje zmniejszenie przerobu buraków.

Czas ekstrakcji musi być odpowiednio dobrany, w zależności m.in. od konstrukcji ekstraktora. Zazwyczaj czas ekstrakcji wynosi od 60 do 75 minut.

W ekstraktorze – krajanka przesuwa się w przeciwnym kierunku do wody wysładzającej, czyli występuje przeciwprąd krajanki względem wody wysładzającej.

Dzięki temu utrzymuje się maksymalna średnia różnica stężeń cukru między fazą stałą a fazą ciekłą na całej długości aparatu dyfuzyjnego.

Na podstawie prawa Ficka można określić wpływ wymienionych we wzorze czynników na proces ekstrakcji sacharozy z krajanki buraczanej. Teoretycznie można określić, że lepsze będzie wysłodzenie (wyekstrahowanie) krajanki, jeżeli będzie:

• wyższa temperatura,

• dłuższy czas ekstrakcji,

• większa powierzchnia wymiany masy,

• większy gradient stężenia.

Ekstrakcja krajanki

Umiar technologiczny polega na wykorzystaniu w przemyśle tych wszystkich wymienionych we wzorze Ficka czynników w takim stopniu, aby:

• uzyskać dobry jakościowo sok surowy,

• jak najmniejsze starty cukru,

• odpowiedni efekt samooczyszczania soku podczas ekstrakcji.

Należy również pamiętać, że podczas ekstrakcji krajanki oprócz sacharozy do soku przechodzą inne związki, tzw. niecukry.

W praktyce cukrowniczej zakłada się uzyskanie wysokiej jakości soku surowego (dyfuzyjnego) w optymalnych warunkach, czyli przestrzeganie tzw. umiary technologicznego.

W przypadku przerobu zdrowych i dojrzałych buraków oraz prawidłowego przebiegu procesu ekstrakcji uzyskuje się sok surowy, którego czystość jest większa niż czystość soku komórkowego (wyciśniętego).

Cz_{soku surowego}>Cz_{soku komorkowego}

Efekt samooczyszczania się w procesie ekstrakcji cukru z krajanki wynosi 10-15%.

Ekstrakcja krajanki (Ekstraktor – przeciwprąd krajanki i wody wysładzającej)

Wysłodzona krajanka – wysłodki

Wysłodzona krajanka po wyjściu z ekstraktora (tzw. wysłodki świeże) zawierają 6-8% s.s. i są kierowane do wyżywania w prasach (wyżymaczkach).

Woda zasilająca ekstraktor

Jako wodę zasilającą ekstraktor stosuje się:

• wodę świeżą,

• wodę barometryczną ze skraplaczy barometrycznych,

• skropliny,

• wodę wysłodkową z wyżymania wysłodków.

Woda zasilająca ekstraktor powinna mieć wartość pH w granicach 5,6-6,0 (wtedy najmniej związków pektynowych przechodzi z krajanki do soku surowego).

Woda barometryczna, czyli skropliny mają odczyn alkaliczny (wyższe pH), dlatego uzdatnia się je przez zakwaszenie za pomocą kwasu siarkowego.

Ilość wody wysładzającej – dodaje się tyle wody, aby odciąg soku surowego wynosił 103-110% na masę buraków.

$$\mathbf{Odciag\ soku = \ }\frac{\mathbf{masa\ soku\ surowego\ \bullet 100\%}}{\mathbf{masa\ burakow}}$$

Wodę wysłodkową zwraca się do ekstraktora w miejscu, gdzie stężenie cukru w mieszaninie ekstrakcyjnej jest równe stężeniu cukru w doprowadzającej wodzie wysłodkowej.

Związki barwne

Powierzchnia uszkodzonego buraka, krajanki, czy soku surowego ciemnieją w zetknięciu z powietrzem na skutek powstawania związków barwnych – melanin w reakcji enzymatycznego brunatnienia (w obecności tlenu).

Melaniny są usuwane podczas oczyszczania soku.

Ekstrakcja – straty cukru.

Działalność mikroorganizmów w ekstraktorze.

Warunki podczas procesu ekstrakcji: temperatura 70-80°C, pH≈6,5, czyli dogodne warunki do rozwoju bakterii termofilnych. W związku z tym występują straty cukru (sacharozy) podczas ekstrakcji krajanki.

Niektóre szczepy bakterii z 1 części sacharozy tworzą 1 część kwasu mlekowego.

Przyjmuje się, że sterylne warunki ekstrakcji są wtedy, gdy zawartość kwasu mlekowego w soku surowym wynosi poniżej 0,01%.

Do zwalczania drobnoustrojów w procesie ekstrakcji stosuje się środki chemiczne (środki dezynfekcyjne), np. formalinę.

Skład chemiczny soku surowego.

Otrzymywanie mleka wapiennego i gazu saturacyjnego.

Źródłem ciepła podczas wypalania kamienia wapiennego jest reakcja spalania węgla (koksu).

Dodatek węgla (koksu) do wypalania kamienia wapiennego 8,5-9,5% na masę kamienia.

Skład gazu saturacyjnego:

• dwutlenek węgla 30-33%

• tlenek węgla 0,8-1,2%

• tlen cząsteczkowy 1,5-2%

• azot cząsteczkowy 64-68%

Oczyszczanie soku surowego (dyfuzyjnego)

Nawapnianie wstępne (defekacja wstępna-progresywna)

Cel nawapniania wstępnego:

• zobojętnienie wolnych kwasów,

• zalkalizowanie soku do około 11 pH,

• wytrącenie nierozpuszczalnych soli wapniowych,

• koagulacja związków koloidowych: białek i pektyn,

• zahamowanie rozwoju drobnoustrojów.

Warunki nawapniania wstępnego (defekacji wstępnej)

• temperatura około 40°C

• czas nawapniania 15-20 minut

• wartość pH soku po nawapnianiu wstępnym ≈11

Mleko wapienne w ilości około 0,25% CaO na masę soku surowego dodaje się w taki sposób, aby wartość pH soku wzrastała stopniowo (progresywnie) od około 6,5 pH (sok surowy) do ≈11 pH (sok po nawapnieniu wstępnym).

Nawapnianie główne (defekacja główna)

Cel nawapniania głównego:

• jak największy rozkład inwertu i amidów aminokwasowych, który zapewnia należytą termostabilność do doku oczyszczonego (soku rzadkiego),

• wprowadzenie do soku takiej ilości wapna (Ca(OH)₂), aby w następnym etapie oczyszczania, tj. w procesie saturacji, uzyskać odpowiednią ilość węglanu wapniowego, na powierzchni którego zaadsorbuje się, jak najwięcej niecukrów (szczególnie związków barwnych). Ponadto uzyskać dobrą zdolność filtracyjną soków po saturacji (osadów defekosaturacyjnych).

Warunki nawapniania głównego (defekacji głównej):

• temperatura około 85°C,

• czas 10-15 minut,

• wartość pH soku po nawapnianiu głównym około 12.

Oczyszczanie soku surowego (dyfuzyjnego)

Rozkład inwertu w gorącym, alkalicznym środowisku przebiega dwukierunkowo:

• do kwasów organicznych głównie kwasu mlekowego,

• do związków barwnych alkalicznej degradacji inwertu.

Jednakże w sokach jest zawsze znaczna ilość związków azotowych – aminokwasów, dlatego degradacja inwertu z utworzeniem związków barwnych alkalicznego rozkładu przebiega w niewielkim stopniu, natomiast przeważa reakcja inwertu z aminokwasami (reakcja Maillarda) z utworzeniem związków barwnych melanoidynowych (malenoidyn).