PRODUKCJA SACHAROZY
Proces wstępny
Burak cukrowy zawiera 15-30% sacharozy. Cukrownie przechowują buraki w kopcach, które muszą być przewietrzane (ok. 4st C). Przed włożeniem ich do kopca są one wstępnie oczyszczane (na wstrząsaczach), a następnie trafiają do kanałów spławnych (twody=20oC), gdzie usuwane są liście i wszystkie zanieczyszczenia znajdujące się na powierzchni wody. Następnie za pomocą pompy wirowej są one kierowane do płuczki. Tam w specjalnej wannie zaopatrzonej w wał, który transportuje buraki wzdłuż płuczki. Dzięki temu pozbywamy się piasku, liści i innych zanieczyszczeń, które nie zostały wcześniej usunięte. Następuje tu bardzo duże wykorzystanie wody. Zawartość zanieczyszczeń po tych procesach wynosi 0,2%. Straty cukru to ok. 0,1%.
Krojenie
Trafiają do krajalnicy tarczowej, gdzie powstaje z nich krajanka, która musi mieć określony kształt:
Rysunek
Ekstrakcja
wyekstrahowanie max sacharozy przy min innych cukrów. średni czas procesu 70-80min. im wyższa temp to szybsza dyfuzja, krótszy czas więc mniejsze niebezpieczeństwo rozpadu ścian komórkowych. nie powinna być wyższa niż 76 st.c bo wtedy intensyfikuje przechodzenie innych cukrów, niecukrów. woda świeża jest zakwaszana, hamuje dyfuzję niecukrów i zabezpiecza mikrobiologicznie, H2O2, H2S2O8 jeszcze bardziej zabezpiecza. wysłodki- buraki pozbawione sacharozy, poddawane są wyżymaniu, uzyskuje się wodę wysłodkową ok.1% cukru. sok surowy- półprodukt, zawiera 13-15% sacharozy, 1,5% zanieczyszczeń (białka, sole, cukry, barwniki), nie można jeszcze wykrystalizować sacharozy, trzeba go poddać oczyszczaniu
Nawapnianie wstępne
CaO ~0,2%nb 45oC ~25 min
Jony Ca- absorpcja na powierzchni koloidów, koloidy przestają się odpychać, łączą się w agregaty i powstaje osad.
Z pektyn powstają trudno rozpuszczalne połączenia kwasu pektynowego (wysokocząsteczkowego) z wapniem, związki te przechodzą do osadu i utrudniają jego filtrację. Krótsze cząsteczki kwasu pektynowego powstają w soku.
Z hemicelulozy powstają policukry; arabany i galaktany tworzące (częściowo) z Ca trudno rozpuszczalne żele i przechodzące (w znacznym stopniu) aż do melasu. Prawie całkowicie wypadają poprzez koagulację barwniki melaninowe. Wypadają także sole wapniowe kwasów: szczawiowego, winowego, siarkowego oraz wodorotlenki metali (Mg, Fe, Al).
Cukrzan półwapniowy- dobrze rozpuszczalny:
(C12H22O11)2Ca x 2H2O
Połączenia addytywne sacharozy i tlenku wapnia:
C12H22O11 x 2H2O x CaO
Aparat do nawapniania jest podzielony na kilka przedziałów. Mieszanie musi być stopniowe (mleko wapienne i sok surowy) po to, aby utrzymać równe pH roztworu. Na początku aparatu dodawany jest węglan wapnia, aby koloidy szybciej wypadały. Osad tu powstający jest większy co ma znaczenie później przy filtracji. Ten osad nie nadaje się na początku do filtrowania. Aby poprawić postać osadu stosuje się nawapnianie główne.
Nawapnianie główne
CaO do 2% nb, 85- 87% C, 10 min
Następuje tu rozkład białek, pektyn, inwertu oraz amidów pod wpływem CaO.
Pektyny i hemicelulozy- reakcjie jak podczas nawapniania wstępnego.
Białka- hydrolizowane (powstają aminokwasy) aminokwasy powstają też z amidów z których uwalniany jest również amoniak.
Produkty rozkładu białek i amidów wchodząc w reakcje z inwertem tworzą barwniki melanoidynowe. Z glukozy i fruktozy powstają kwasy organiczne, których sole wapniowe są rozpuszczalne w soku. Część inwentur karmelizuje barwiąc sok. Po nawapnianiu gł kilkanaście procent sacharozy występuje w postaci cukrzanu. Następnie jest saturacja.
Saturacja
Zwiększa się ilość krystalicznego węglanu wapnia w osadzie. Przez sok przepuszczamy CO2.
CaCO3+ - koloidy
Koloid zostaje obudowany CaCO3 przez co osad nie jest już śluzowaty i nadaje się do filtracji. W tym procesie rozkładany jest cukrzan wapnia i uwalniana sacharoza. Osad trafia do dekantatora i tam poddawany jest obróbce ok. 15-20 min w temp. 80-85 oC. uzyskujemy tu sok flokulantny i gęstwę. Gęstwa trafia do prasy filtracyjnej gdzie otrzymujemy 70% suchej substancji.
Druga saturacja
>90oC
Celem jest obniżenie pH oraz wytrącenie jak największej ilości jonów wapniowych z soków i ich usunięcie. Tu jest usuwane 3-4% zanieczyszczeń. Aparaty o konstrukcji takiej samej jak przy saturacji I ale mają mniejsze wymiary, bo tu jest krótszy czas przepływu soku i ten przepływ jest szybszy.
Filtracja
Po filtracji jest sam węglan wapnia i jest stosowany do wapniowania w aparatach wstępnych. Sok jaki tu otrzymaliśmy to sok rzadki, zawiera 40% zanieczyszczeń mniej; zawiera też jony wapnia które trzeba usunąć przed etapem zagęszczania.
Usuwanie jonów wapnia przez przepuszczanie przez złoże kationowe. Na tym złożu są umieszczone jony sodu. Wapń wymieniana jest z sodem. Uzyskuje się w ten sposób lepiej rozpuszczalne sole. To złoże ma 2,5m wys i pracuje przez kilka do kilkudziesięciu godzin zanim zostanie poddane regeneracji. Dodajemy SO2, aby zapobiec przyrostowi barwy podczas zatężania. Ten sok ma ok. 15% ss dlatego trzeba go zatężyć.
Zatężanie soku
Odbywa się w wyparkach wielodziałowych. Temp w każdym dziale wraz z ciśnieniem musi być coraz niższa. Po zatężaniu uzyskujemy sok gęsty o 65-70% ss.
Filtracja
Sączymy tak aby nie był mętny. Temp ok. 90oC. Ma on konsystencje miodu. Sok po tym procesie trafia do produktowni.
Zatężanie w warmniku
Warmnik to zbiorniki z elementami grzewczymi. Szybkość krystalizacji zależy: 1. od stopnia przesycenia 2. temp im wyższa tym krystalizacja zachodzi szybciej- następuje dyfuzja; ale nie za wysoka 3. obecność innych sacharydów powoduje wzrost rozpuszczalności sacharozy 4. obecność barwników powoduje powstawanie cukru o żółtym zabarwieniu.
Zatężanie prowadzi się: 0,25 atm w temp 70-80oC i utrzymuje się cukrzycę I. Aby ona miała duże kryształy to współczynnik przesycenia musi mieć od 1,15 do 1,2. dodać kryształy zaszczepowe. Robimy dociągi soku, aby utrzymać cały czas tą krystalizację. Trwa to ok. 1,5h przy współczynniku przesycenia ok. 1,05. po tym czasie wypuszcza się cukrzycę z warmników do specjalnych zbiorników, gdzie jest ona powoli mieszana i dzięki temu utrzymywana w płynnym stanie.
Wirówki
Są to duże urządzenia i dość skomplikowane. Najistotniejszy jest bęben o porach
Afinacja
Czyszczenie sacharozy
Popłukuje się sacharozę poprzez rozpylanie wody o temp. Ok. 90oC (20l na tonę); ona wypłukuje resztki soku znajdującego się pomiędzy kryształami. Trwa to ok. 30s. Następnie stosuje się parę wodną o temp >150oC i traktuje się nią cukier. Para ulega wykropleniu, bo styka się z zimnym cukrem przez co dodatkowo go obmywa. Tu uzyskujemy cukier wybielony, który zawiera do ok. 1% wody i jest wygarniany z wirówki. W tym momencie uzyskuje się ok. 50% sacharozy, która została wprowadzona na początku z burakami. Ten cukier jeszcze musi zostać poddany osuszeniu.
Suszenie
Cukier traktowany jest gorącym i zimnym powietrzem (zimne w II etapie po to aby można było go spakować). Odbieramy w ten sposób cukier suchy, który zawiera różnej wielkości kryształy. Wysypujemy go na sito, aby przesegregować. Cukier jest poddawany działaniu elektromagnesu a następnie jest pakowany lub trafia do silosów.
Wirowanie
Po wirowaniu otrzymujemy odciek ciemny I. On zawiera ponad 80% ss w tym ponad 85% sacharozy. Jest on kierowany do warmników i z niego gotuje się cukrzycę II. Gotuje się ją 2 razy dłużej, bo zawiera więcej zanieczyszczeń. Gdy osiągniemy ok. 93% suchej substancji to kierujemy ją do wirowania- inna wirówka niż w przypadku cukrzycy I. Powstała sacharoza po odwirowaniu nazywa się mączką. Wybiela się ją tylko przy użyciu wody- brak pary. Uzyskany cukier jest drobniejszy i zawiera większą ilość zanieczyszczeń. Mączka + sok rzadki daje klarówkę ok. 65% ss i jest wykorzystywana do gotowania cukrzycy I. Odciek jest po raz 3 zatężany i mamy do czynienia z cukrzycą III. Ze względu na niską czystość cykl gotowania jest bardzo długi- 10-14h. Po osiągnięciu >93% ss cukrzycę transportuje się do mieszadeł cukrzycy III. To zbiornik z mieszadłami, które są chłodzone wodą od środka. W ciagu 24h następuje obniżenie temp do 40oC. Następuje powolny przyrost kryształów. 40% masy cukrzycy to kryształki sacharozy. Nie przekraczać tej ilości bo inaczej wzrośnie lepkość sacharozy. Poddaje się ją wirowaniu na aparatach do cukrzycy II, ale bez oczyszczania. Uzyskujemy mączkę III i ona jest używana do inicjowania krystalizacji cukrzycy II i melas- produkt uboczny. 99,7% sacharozy zawiera cukier do spożycia. Melas zawiera 50% sacharozy 30% innych substancji i jest wykorzystywany w przemyśle fermentacyjnym np. do produkcji etanolu (60l etanolu na 100kg sacharozy). Melas jest składowany w dużych zbiornikach i stanowi on 4% zużytych buraków.
WYSŁODKI ZIEMNIACZANE - do 90% zużytych buraków. Stosuje się je jako paszę dla zwierząt, bo zawiera ok. 94% wody. Z nich wyrzyna się ok. 10% ss aby mogły być stosowane jako pasza. Można je suszyć do ok. 10% zaw wody- mogą być dzięki temu długo składowane. Stosowane jako źródło błonnika pokarmowego, jako materiał do spalania po uprzednim wysuszeniu.
PRODUKCJA SKROBII ZMIENIACZANEJ
Skrobia ziemniaczana jest w postaci ziaren. W ziemniakach jest jej 9-29%. Są one albo przerabiane na bieżąco albo składowane.
Płuczka
Tak jak w przypadku buraków cukrowych
Rozdrabnianie ziemniaków
Są wciskane pomiędzy bęben a wał i tam następuje zniszczenie struktury i uwolnienie ziarenek skrobiowych.
Wirowanie
Wirówka sedymentacyjna oddziela sok (zawiera tyrozynę- która nadaje ciemna barwę). Po oddzieleniu soku zapobiegamy ciemnieniu miazgi. Można stosować SO2 jako substancję zapobiegającą ciemnieniu. Wodę z zawrotu wprowadza się na miejsce tego soku.
Wymywacze strumieniowe
Bęben z powierzchnią perforowaną obraca się wolno. Miazga jest dociskana siłą odśrodkową i się przesuwa a na nią jest natryskiwana wodą, która wypłukuje skrobię (jest to zimna woda) w postaci mleczka. Stałe elementy miazgi po wyciśnięciu skrobi to wycierki. Mleczko ma wiele zanieczyszczeń.
Rozdzielenie włókien
Odwłókniasz: działa podobnie do wymywacza. Ma bęben, który wiruje. Włókna są wydostawane na zewnątrz.
Usuwanie piasku w bihydrocyklonie
Po uruchomieniu urządzenia materiał lekki (skrobia w wodzie) będzie wirować przy osi i idzie w górę, a piasek opada na dno. Woda miesza się z piaskiem i czynność się powtarza- oddzielenie piasku ze skrobią od skrobi => efekt -> czysty piasek
Oczyszczanie skrobi
W hydrocyklonach rafinujących- są one małe. Mleczko skrobiowe trafia do I hydrocyklonu raf. Następuje tu oddzielenie skrobi od wody sokowej. Woda jest wypychana do góry a skrobia idzie do dołu. Przechodzi do drugiego ale wcześniej jest oczyszczana wodą z trzeciego itd. Opuszcza ostatni hydrocyklon jako mleczko rafinowane zawierające do 40% ss. Woda sokowa z I hydrocyklonu raf kierowana jest do I układu klarującego. Skrobia schodzi w dół i jest zawracana a woda idzie dalej. Woda sokowa używana jest do wymywania skrobi z miazgi. Może ona trafiać do osadników, gdzie gromadzi się skrobia.
Odwadniacz próżniowy
Bęben posiadający perforowaną powierzchnię i na tej pow jest tkanina filtracyjna. Zanurzony jest on w mleczku i się obraca w nim. Na powierzchni filtracyjnej pozostaje skrobia a wewnątrz woda. Nóż ścina warstwę skrobi z bębna. Następnie bęben znowu jest zanurzany w mleczku. Skrobia ta zawiera od 60% ss.
Suszarnia
Gorące powietrze ok. 160oC styka się z mokrą skrobią przez 2-3s. Nie można jej podgrzać do 40oC bo to doprowadzi do jej modyfikacji- powstanie kleik. Po tym procesie skrobia zawiera 80% ss.
Cyklony
Pył jest zawracany i łączy się z masą skrobi. Dalej jest ona transportowana przenośnikami śrubowymi do silosów. W czasie tego procesu następuje ujednolicenie produktu. Produkt w silosach mimo to jest zróżnicowany- posiada pył jak i duże grudki.
Segregatory
Zestaw sit o coraz mniejszych oczkach. Na górnych zlepieńce a na dolnych mączka. Zlepieńce są przeznaczone do produkcji hydrolizatów skrobiowych. Mączka zaś jest pakowana do worków.
Skuteczność tego procesu to ok. 90% skrobi prowadzonej z Zimniakami. Z 1000t ziemniaków- 600kg skoagulowanego białka
Produkty uboczne w procesie produkcji skrobi:
- wycierka- stała pozostałość po wymywaniu skrobi, zawiera białak tłuszcze błonnik itp. I występuje w postaciach: 1. prasowana (woda ok. 65%) 2. ukiszona (fermentacja mlekowa) 3. suszona (woda ok. 13%)- wykorzystywana w paszach
- sok ziemniaczany- źródło białka (usunięty z miazgi ziemniaczanej przed wydobywaniem skrobi)- w postaci rozcieńczonej stanowi odpad trudny do zagospodarowania
SYROP SKROBIOWY
Wyróżniamy dwie metody produkcji:
1. hydroliza kwasowa
2. hydroliza enzymatyczna
Hydroliza kwasowa: przygotowuje się tu 35% mleczka skrobiowego, które miesza się z kwasem (HCl H2SO4) do pH o wartości 1,5-2 i podgrzane do temp 110oC. Podgrzany roztwór trafia do konwektora rurowego (izolowane połączone ze sobą rury) o ciśnieniu 20 atm. Zapobiega to wrzeniu tego mleczka. Przebywa tu 10 min i przez te 10 min zachodzą różne procesy: do temp 65 st C następuje klarowanie skrobi; ponad 110 st C- hydroliza skrobi (cięcie łańcuchów na mniejsze elementy). Te krótkie elementy to: 1- wysokocząsteczkowe dekstryny o masie cząsteczkowej ok. 10 tys- barwią się z jodem na niebiesko 2- dekstryny o masie 6-7 tys- zabarwienie z jodem na brązowo i 3- dekstryny o masie 1,5-3,7 tys one nie barwią się z jodem.
Równoważnik glukozowy (DE) ilościowe wyrażenie postępu hydrolizy. Opiera się na pomiarze redukcyjności uzyskanego hydrolizatu, np. 50%DE- syrop ma taką redukcyjność jakby zawierał w ss 60% glukozy. Im wyższe DE tym wyższy udział glukozy a mniejszy innych cukrów.
Na szybkość hydrolizy wpływa: 1. temp- im wyższa tym szybsza (w przedziale 110-150 st C to 3 krotny wzrost co 10 stC) 2. stężenie jonów wodorowych- im niższe pH tym szybsza hydroliza 3. wiązania- alfa 1,4 ulegają szybciej hydrolizie niż alfa 1,6
Hydroliza kwasowa obarczona jest różnymi wadami: 1. następuje rewersja glukozy 2. rozklad glukozy- im niższe pH im wyższa temp tym rozkład glukozy wpływa na wartość produktów ubocznych
Neutralizujemy kw węglanem sodu do pH= 4- po wyjściu z konwektora. To hamuje hydrolizę i następnie trafia do cyklonu rozprężnego. Yu panuje ciś ok. 0,5 atm- następnie zahodzi tu gwałtowne wrzenie hydrolizatu- odparowywanie wody, obniżenie temp do ok. 85st C.
Kadź neutralizacyjna
Zbiornik z mieszadłem. Do niego wprowadza się hydrolizat i węglan sodu, aby podnieść pH do 4,8. dodaje się również węgiel aktywny- stosowany do odbarwiania i odbiałczania- absorbuje na swojej powierzchni zanieczyszczenia ok. 1% na suchą substancję. Można wprowadzić popłuczyny z rozlewni, wysłody po schłodzeniu filtratów. Zawartość ss wynosi ok. 35%. Poddajemy hydrolizat filtracji w celu oddzielenie od zanieczyszczeń.
Filtracja
W bębnie filtracyjnym. Do wnętrza zasysany jest hydrolizat na zew pozostają zanieczyszczenia.
Zatężanie
Odbywa się na wyparkach. Podczas zatężania wypadają osady. Są to głównie fosforany sodu a także pewne ilości nisko skoagulowanego białka. Taki hydrolizat zawiera duże ilości glukozy stąd w podwyższonej temp glukoza z aminokwasami tworzy związki Maynarda. Aby temu przeciwdziałać przed zatężaniem dodaje się SO2, które blokuje grupy aminowe aminokwasów. Prowadzi się to zatężanie do uzyskania 60-65% ss. Aby usunąć zmętnienie dodaje się węgiel aktywny ziemię okrzemkową i filtruje się przez fitry świecowe. kieruje się do warnika.
Warnik
Służy do odparowania wody z gęstego syropu do zawartości ss 83-84%. Nic tu nie krystalizuje. Aby zapobiec powstawaniu barwy dodaje się wodorosiarczek sodowy. Z niego powstaje SO2 blokujący grupę aminową aminokwasu i obecność SO2 nie obniża pH co powoduje zapobieganie produktów rozkładu glukozy. Zatężanie w warniku trwa ok. 1h i po tym czasie wypuszcza się syrop, schładza do temp. 40-60oC i na gorąco rozlewa do beczek gdzie się sam schładza.
Skład syropu może być różny. Może zawierać dużo dekstryn lub oligosacharydów. Stąd wyróżniamy 4 kategorie syropów:
1. syropy niskoscukrzone DE 30-35
2. syropy normalnie scukrzone DE 37-43- wykorzystywane do produkcji karmelu
3. średnio scukrzone DE 45-55- niższa lepkość (mało dekstryn) nadaje się do produkcji chałwy
4. wysokoscukrzony DE 50-65
Hydroliza enzymatyczna: enzymy alfaamylazy- tnie alfa 1,4 wiązanie wewnątrzłańcuchowe, tworzy struktury krótsze. Końcowym efektem alfaamylazy jest mieszanina cukrów o długości 6-7 reszt glikozydowych. Aby to pociąć na mniejsze elementy dodaje się glukoamylazy. Ona odcina glukozę od nieredukującego końca łańcucha- tnie wiązanie alfa 1,4 i 1,6. aby przyspieszyć ten proces dodaje się pullulanazy.
Mleczko skrobiowe i alfaamylizę mieszamy ze sobą i podgrzewamy do temp 85oC. W reaktorze mleczko przebywa tak długo aby uzyskało hydrolizat od 10 do 25 DE. Potem trafia do wymiennika ciepła- 140oC następuje denaturacja białek enzymatycznych- enzym przestaje działać.
Cyklon rozprężny
Tu jest schładzane do t 65oC z kw HCl jest mieszany i obniża się w ten sposób pH do ok. 4,5. dozowana jest glukoamylaza do hydrolizatu. Hydrolizat wchodzi do bikonwektora i krąży tam przez kilkanaście godzin. Następuje tu dalsze scukrzanie. Część hydrolizatu, która jest schładzana dodawana jest do biokondensatora. Podnosi się w ten sposób temp gdynastąpi jej spadek. Jak temp za mocno wzrośnie to możemy ją obniżyć. Najistotniejszy pkt to dodawanie części hydrolizatu na który nie działała glukoamylaza do hydrolizatu gdzie ona działała. Następuje tu wymieszanie i ogrzanie do 110oC. Denaturacja białek tu następuje. To mieszanie jest po to aby produkt końcowy zawierał więcej dekstryn.
Przegrzanie w 110oC i glukoamylaza przestaje działać. W zbiorniku neutralizacyjnym: dodajemy węglan sodu (pH ok. 5) i oczyszczamy poprzez dodanie węgla aktywnego. Następnie filtrujemy (hydrolizat zasysany do środka a węgiel i zanieczyszczenia pozostają na zewnątrz). Hydrolizat po sączeniu trafia do wyparki cienkowarstwowej- zatężanie do 60-65%ss. Ponieważ wypadaja osady przy zatężaniu ponownie filtrujemy. Następnie prowadzi się dalsze zatężanie w warniku do ciągłego zatężania ( dł zbiornika podgrzewany przeponową parą grzewczą). Powstaje tu ponad 80% ss. Schładzanie do ok. 40-60oC w wymiennikach cieplnych i pakowanie do beczek (200kg?).