Сахар — один из наиболее широко потребляемых продуктов питания в мире, получаемый в основном из сахарного тростника и сахарной свеклы. Производство высококачественного сахара — сложный процесс, включающий множество этапов: экстракцию, осветление, выпаривание, кристаллизацию и рафинирование. На каждом этапе переработки сахара необходимо точно контролировать качество и чистоту сахарного сока. Природные примеси, такие как коллоидные частицы, белки, пигменты и микроорганизмы, могут серьезно повлиять на эффективность осветления, фильтрации и кристаллизации.
Химические вещества играют решающую роль в современных процессах производства сахара. Без надлежащего химического контроля эти примеси могут вызывать образование накипи, проблемы с цветом и потери производительности. Химические вещества, используемые в производстве сахара, не только повышают эффективность и производительность, но и улучшают качество продукции, снижают энергопотребление и помогают предприятиям соответствовать стандартам защиты окружающей среды. Эти химические вещества могут:
- Повышение эффективности осветления и улучшение эффекта разделения твердой и жидкой фаз.
- Предотвращает рост микроорганизмов во фруктовых соках и сиропах.
- Усиливает обесцвечивающий эффект высокочистого белого гранулированного сахара.
- Контролировать образование пены и накипи в испарителе и вакуумном испарителе.
В данной статье на примере сахарного тростника подробно описывается процесс производства сахара. Также объясняется, как на каждом этапе применялись различные химические вещества — флокулянты, дезинфицирующие средства, обесцвечивающие агенты и пеногасители — для обеспечения бесперебойной работы и производства высококачественного сахара.
Процесс производства сахара и применение химических веществ
Подготовка сырья
Производство сахара начинается со сбора урожая и подготовки сырья. Сахарный тростник промывают и измельчают, удаляя почву, камни и листья. На этом этапе, если сок оставить надолго, в нем начнут размножаться микроорганизмы. Для снижения микробной нагрузки на поверхности сырья, предотвращения загрязнения или порчи сахарного сока в процессе осахаривания, иногда на поверхность сахарного тростника, воду для хранения или оборудование наносят дезинфицирующие средства.
| Тип дезинфицирующего средства | Рекомендуемая концентрация | Способ применения | Основные функции | Меры предосторожности | Преимущества |
| Гипохлорит натрия (NaClO) | 50–200 ppm свободного хлора | Опрыскивание или замачивание поверхности сахарного тростника в течение 5–10 минут. | Стерилизация широкого спектра действия, снижение микробной нагрузки. | Контролируйте концентрацию (обычно 50–200 ppm свободного хлора). Избегайте чрезмерного остаточного содержания хлора в соке, чтобы предотвратить изменение цвета или кристаллизацию. При необходимости промойте или слейте воду после использования. | Стерилизация широкого спектра действия; низкая стоимость. |
| Дихлоризоцианурат натрия (SDIC) | 50–150 ppm свободного хлора | Опрыскивание или замачивание поверхности сахарного тростника в течение 5–10 минут. | Высокая стабильность, высокая эффективность стерилизации | Контролируйте содержание свободного хлора, чтобы избежать влияния на кристаллизацию сока и его цвет. | Более стабилен, чем гипохлорит натрия; высокая эффективность; контролируемое остаточное содержание хлора; широко используется в пищевой промышленности. |
| Перекись водорода (H₂O₂) | 0,1%–0,5% | Добавлять в воду для мытья или распылять на поверхности. | Стерилизация, отсутствие остатков, экологичность | Контролируемая концентрация; обычно 0,1–0,5% для обработки поверхностей. Обращаться с осторожностью во время работы. | Разлагается без остатка; безопасен и экологичен. |
| Горячая вода / Пар | Горячая вода при температуре 80–90 °C или пар при температуре 100 °C | Промывание горячей водой или обработка паром в течение 2–5 минут. | Стерилизация без добавления химических веществ. | Высокое энергопотребление; требуется соответствующее оборудование; необходимо соблюдать меры безопасности. | Не содержит химических добавок; снижает остаточное содержание химических веществ. |
| Очистка оборудования/объектов, дезинфекция воды. | SDIC, 50–100 ppm | Очистка оборудования, транспортных средств. | Предотвращает вторичное загрязнение | Регулярно заменяйте хлор и контролируйте его концентрацию. | — |
Рекомендуемая практика
Когда сахарный тростник поступает на завод, его сначала промывают чистой водой, чтобы удалить грязь и примеси.
Затем проводится дезинфекция поверхности путем распыления низкоконцентрированного раствора SDIC или гипохлорита натрия в зависимости от условий.
Для обеспечения общей гигиенической обстановки необходимо также регулярно дезинфицировать источники воды и уборочное оборудование сахарного завода.
Извлечение сока
После первого этапа очистки и дезинфекции следующим шагом является извлечение сока из сахарного тростника. Обычно сок извлекают механическим прессованием или с помощью диффузионных систем. Этот этап включает в себя разрушение твердой структуры сахарного тростника и извлечение из него сока.
В большинстве случаев соковыжималка для сахарного тростника состоит из трех вальцовых мельниц в сочетании с измельчителем или вращающимися лопастями. После обработки сахарного тростника на одном конвейере он транспортируется на другой конвейер для извлечения сока. Однако перед транспортировкой его предварительно поливают водой для дальнейшего извлечения сока. Остаток, оставшийся после отжима сока, называется багассой.
В соке содержатся растворимые и взвешенные примеси, включая растительные волокна, белки и даже частицы почвы, которые были полностью вымыты. Эти примеси необходимо обрабатывать для повышения эффективности последующего осветления и кристаллизации.
Осветление сока сахарного тростника
Осветление сока — важнейший этап на ранней стадии процесса производства сахара. Цель состоит в удалении примесей (таких как почва, белки, коллоиды, органические кислоты и т. д.) из сока сахарного тростника и повышении его чистоты. Как правило, применяется известковый процесс в сочетании с методом фосфорной флотации или методом карбонизации.
Химическое использование
Известь (CaO)/известковое молоко (Ca(OH)2): Нейтрализует кислые вещества и осаждает примеси.
Углекислый газ (CO₂)2) (используется в методе карбонизации): реагирует с известью, образуя осадок карбоната кальция, который адсорбирует примеси.
Вспомогательное вещество для флокуляции/коагуляции: способствует быстрому осаждению взвешенных частиц.
Наиболее часто используемые: полиалюминиевый хлорид (ПАХ), полиакриламид (ПАМ) и др.
Сера (SO₄)2) или сульфит натрия: Он играет роль в отбеливании, обесцвечивании и стерилизации при флотации фосфора.
Фильтрация и предварительный нагрев
После осветления сок необходимо отфильтровать для удаления осадка. Предварительный нагрев сока перед выпариванием имеет решающее значение, поскольку он помогает снизить вязкость сока и предотвращает рост микроорганизмов.
Испарение и концентрация
Затем фруктовый сок концентрируют в сироп с помощью многоступенчатого испарителя, снижая содержание влаги примерно с 85% до 30-40%. Вакуумное выпаривание помогает сохранить качество сахара, но также создает некоторые производственные сложности:
- Растворенные белки и поверхностно-активные вещества вызывают образование пены.
- Образование накипи на поверхности испарителя.
Применение химических веществ:
Пеногасители: Силиконовые пеногасители для подавления пенообразования при высоких температурах. Пеногасители на основе полиэфиров и жирных спиртов, подходящие для систем производства фруктовых соков со средней пенообразованием.
Ингибиторы образования накипи/диспергаторы: Предотвращают образование накипи из карбоната или сульфата кальция в испарителе.
Результат: Эффективный контроль пенообразования и предотвращение образования накипи обеспечивают плавное испарение, более высокую эффективность теплопередачи и сокращение времени простоя.
Кристаллизация
Процесс кристаллизации в производстве сахара (часто называемый в отрасли кипячением) является важнейшим этапом превращения концентрированного сахарного сиропа в твердые кристаллы сахарозы. Концентрированный сироп кипятят в вакуумном котле для инициирования кристаллизации сахара. Правильная кристаллизация необходима для выхода сахара, размера кристаллов и их цвета. Это сложный физико-химический процесс, предназначенный для контроля размера и однородности осажденных кристаллов сахарозы.
В этом процессе часто используются пеногасители. Пеногасители контролируют образование пены во время кипячения, предотвращая переливание сиропа.
Стабильная кристаллизация повышает выход сахара и снижает потери при центрифугировании.
Центрифугирование и разделение
После образования кристаллов их отделяют от мелассы с помощью центрифуги, а затем высушивают через горячие трубы. Мелассу можно дополнительно перерабатывать для производства этанола, кормов для животных или других целей.
Обесцвечивание и очистка
Обесцвечивание и рафинирование — это заключительный этап процесса производства сахара, используемый в основном для получения высокочистого белого рафинированного сахара (например, гранулированного сахара или леденцового сахара). На этом этапе требуется использование больших количеств химикатов и адсорбентов.
К числу часто используемых химических веществ относятся:
Активированный уголь (порошок или гранулы): адсорбирует полифенолы, карамель и другие пигменты.
Обесцвечивание смол/ионообменных смол: удаление ионных и неионогенных красящих соединений.
Перекись водорода (H₂O₂): окисляет оставшиеся пигменты, дополнительно осветляя цвет сиропа.
Обесцвечивающие агенты: Обеспечивают низкие значения ICUMSA и высокое визуальное качество.
Выше описаны основные процессы и химические методы, применяемые в сахарной промышленности.
Отображение сопутствующих химических веществ:
Как осуществляется очистка сточных вод сахарной промышленности?
В процессе производства сахара сахарные заводы образуют сточные воды. Эти сточные воды имеют сложную структуру и высокую степень загрязнения, что требует систематической очистки перед сбросом.
Сточные воды в основном образуются в результате промывки сырья, очистки оборудования, сточных вод сахарного производства, охлаждающей воды/конденсата и продувки котлов. Эти сточные воды характеризуются очень высоким содержанием ХПК и БПК (из-за содержания сахара), высоким содержанием взвешенных твердых частиц, высокой биоразлагаемостью, а иногда содержат масло и ил. Поэтому для очистки этих сточных вод обычно используется комбинация процессов: предварительная обработка + коагуляция и седиментация + биологическая обработка + усовершенствованная обработка. Распространенные методы очистки включают физическую обработку (например, седиментация и фильтрация), химическую обработку (например, коагуляция и нейтрализация) и биологическую обработку (например, процессы с использованием активного ила и искусственных водно-болотных угодий).
Какие химические вещества необходимы для очистки сточных вод сахарной промышленности?
Конкретные этапы и способы применения химических веществ следующие:
| Этап лечения | Цель | Рекомендуемые химические вещества | Основные функции |
| 1. Промывка сырья и первичная предварительная обработка. | Удалите песок, грязь, волокна, взвешенные твердые частицы. | ПАК (полиалюминиевый хлорид) | Быстрая коагуляция, удаление взвешенных твердых частиц и мутности. |
| Полиакриламид (ПАМ) – анионный/неионный | Образование хлопьев способствует осаждению. | ||
| Пеногаситель | Контролирует образование пены в процессе промывки сахарного тростника и извлечения сока. | ||
| 2. Выравнивание и регулировка pH | Стабилизация качества поступающей воды, корректировка pH для последующих технологических процессов. | Известь (CaO / Ca(OH)₂) | Повышает pH, частично удаляет жесткость. |
| Гидроксид натрия (NaOH) | Точная регулировка pH | ||
| Серная кислота / Соляная кислота | Снижает pH | ||
| Пеногаситель | Уменьшает образование пены в уравнительном резервуаре. | ||
| 3. Коагуляция и флокуляция (первичное осаждение) | Удаляет взвешенные частицы, коллоиды, цвет; снижает ХПК. | PAC / ПолиDADMAC / Полиамин | Первичные коагулянты для удаления мутности и цвета. |
| ПАМ (анионный) | Улучшает прочность хлопьев и скорость осаждения. | ||
| Вспомогательные вещества для коагуляции (например, силикат магния) | Улучшает прозрачность и характеристики осаждения. | ||
| 4. Анаэробная биологическая очистка (UASB, EGSB) | Снижение высокой органической нагрузки (ХПК, БПК) | Питательные добавки (источники азота и фосфора) | Поддерживайте микробную активность и здоровую биомассу. |
| Регуляторы pH | Поддерживайте оптимальный уровень pH (6,8–7,2) для анаэробных бактерий. | ||
| Пеногаситель | Подавляет образование пены, связанной с биогазом. | ||
| 5. Аэробная очистка (активированный ил, SBR) | Дальнейшее снижение ХПК, БПК и аммиака. | Питательные добавки (N и P) | Обеспечьте микроорганизмы сбалансированным питанием. |
| Пеногаситель | Контролирует пенообразование во время аэрации. | ||
| Биоферменты / Микробные культуры | Повышает эффективность биологического разложения. | ||
| 6. Расширенное лечение (при соблюдении строгих стандартов выписки) | Улучшить прозрачность, удалить остаточные значения ХПК, взвешенных твердых частиц и цвета. | Полиамин / ПолиДАДМАК | Эффективное обесцвечивание и удаление мутности. |
| ПАК | Дополнительное удаление СС и коллоидов. | ||
| ПАМ (высокомолекулярный материал) | Завершающая флокуляция и полировка | ||
| Активированный уголь | Удаляет цвет, запах и органические остатки. | ||
| 7. Дезинфекция и повторное использование воды | Обеспечьте микробиологическую безопасность при сбросе или повторном использовании. | Гипохлорит кальция | Мощная дезинфекция |
| Гипохлорит натрия | Обычное дезинфицирующее средство для онлайн-дозирования | ||
| SDIC (дихлоризоцианурат натрия) | Стабильное и длительное высвобождение хлора. | ||
| ТХКК (трихлоризоциануровая кислота) | Высокое содержание хлора, хлорирование с медленным высвобождением |
Производство сахара — это сложный промышленный процесс, требующий точного контроля на каждом этапе: от подготовки сырья и отжима сока до осветления, выпаривания, кристаллизации, рафинирования и очистки сточных вод. Каждый этап представляет свои собственные проблемы, включая взвешенные твердые частицы, цвет, микробную активность, образование пены и накипи. Интегрируя соответствующие химические вещества на каждом этапе процесса производства сахара, сахарные заводы могут увеличить производительность, улучшить качество кристаллов, повысить цвет, сократить потери и минимизировать простои. Одновременно оптимизированные химические решения способствуют защите окружающей среды за счет более эффективной очистки сточных вод и сокращения химических отходов.
Правильный выбор химического партнера позволяет сахарным заводам повысить эффективность производства, обеспечить стабильное качество продукции, продлить срок службы оборудования и достичь долгосрочной эффективности работы.