Cukurs ir viens no pasaulē visplašāk patērētajiem pārtikas produktiem, ko galvenokārt iegūst no cukurniedrēm un cukurbietēm. Augstas kvalitātes cukura ražošana ir sarežģīts process, kas ietver vairākus posmus: ekstrakciju, dzidrināšanu, iztvaikošanu, kristalizāciju un rafinēšanu. Katrā cukura pārstrādes posmā ir precīzi jākontrolē cukura sulas kvalitāte un tīrība. Dabiskie piemaisījumi, piemēram, koloīdās daļiņas, olbaltumvielas, pigmenti un mikroorganismi, var nopietni ietekmēt dzidrināšanas, filtrēšanas un kristalizācijas efektivitāti.
Ķīmiskajām vielām ir izšķiroša nozīme mūsdienu cukura ražošanas procesos. Bez pienācīgas ķīmiskās kontroles šie piemaisījumi var izraisīt katlakmens veidošanos, krāsas problēmas un ražības zudumus. Cukura ražošanas ķimikālijas ne tikai uzlabo efektivitāti un ražību, bet arī uzlabo produktu kvalitāti, samazina enerģijas patēriņu un palīdz rūpnīcām ievērot vides aizsardzības standartus. Šīs ķimikālijas var:
- Uzlabojiet dzidrināšanas efektivitāti un cietvielu un šķidrumu atdalīšanas efektu.
- Novērst mikroorganismu augšanu augļu sulā un sīrupā.
- Uzlabojiet augstas tīrības pakāpes baltā granulētā cukura atkrāsošanas efektu.
- Kontrolējiet putu un mērogojuma veidošanos iztvaicētājā un vakuuma iztvaicētājā.
Šajā rakstā par piemēru tiek ņemta cukurniedres, lai visaptveroši apkopotu cukura ražošanas procesu. Tajā arī paskaidrots, kā katrā posmā tika izmantotas dažādas ķīmiskas vielas — flokulanti, dezinfekcijas līdzekļi, krāsas noņēmēji un putu slāpētāji —, lai nodrošinātu netraucētu darbību un augstas kvalitātes cukura ražošanu.
Cukura ražošanas process un ķīmisko vielu pielietošana
Izejvielu sagatavošana
Cukura ražošana sākas ar izejvielu novākšanu un sagatavošanu. Cukurniedres mazgā un sasmalcina, lai noņemtu augsni, kauliņus un lapas. Šajā posmā, ja sula ilgstoši stāv, tajā sāk vairoties mikroorganismi. Lai samazinātu mikrobu slodzi uz izejvielu virsmas, novērstu cukura sulas piesārņošanu vai bojāšanos saharifikācijas procesā, cukurniedru, uzglabāšanas ūdens vai tīrīšanas iekārtu virsmai dažreiz uzklāj dezinfekcijas līdzekļus.
| Dezinfekcijas līdzekļa veids | Ieteicamā koncentrācija | Pielietošanas metode | Galvenās funkcijas | Piesardzības pasākumi | Priekšrocības |
| Nātrija hipohlorīts (NaClO) | 50–200 ppm brīvā hlora | Cukurniedru virsmas apsmidzināšana vai mērcēšana 5–10 minūtes | Plaša spektra sterilizācija, samazina mikrobu slodzi | Kontrolējiet koncentrāciju (parasti 50–200 ppm brīvā hlora). Izvairieties no pārmērīga hlora atlikuma sulā, lai novērstu krāsas vai kristalizācijas problēmas. Ja nepieciešams, pēc lietošanas noskalojiet vai noteciniet. | Plaša spektra sterilizācija; zemas izmaksas. |
| Nātrija dihlorizocianurāts (SDIC) | 50–150 ppm brīvā hlora | Cukurniedru virsmas apsmidzināšana vai mērcēšana 5–10 minūtes | Augsta stabilitāte, spēcīga sterilizācijas efektivitāte | Kontrolējiet brīvā hlora daudzumu, lai neietekmētu sulas kristalizāciju un krāsu. | Stabilāks nekā nātrija hipohlorīts; augsta efektivitāte; kontrolēts hlora atlikums; plaši izmanto pārtikas pārstrādes vidē. |
| Ūdeņraža peroksīds (H₂O₂) | 0,1%–0,5% | Pievienot tīrīšanas ūdenim vai virsmas izsmidzināšanai | Sterilizācija, bez atlikumiem, videi draudzīga | Kontroles koncentrācija; virsmas apstrādei parasti 0,1–0,5 %. Darbības laikā rīkojieties uzmanīgi. | Sadalās bez atlikumiem; drošs un videi draudzīgs. |
| Karsts ūdens / tvaiks | Karsts ūdens 80–90 °C temperatūrā vai tvaiks 100 °C temperatūrā | Skalošana ar karstu ūdeni vai tvaika apstrādi 2–5 minūtes | Sterilizācija bez ķīmisku vielu pievienošanas | Augsts enerģijas patēriņš; nepieciešams atbilstošs aprīkojums; ievērojiet drošības pasākumus. | Bez ķīmiskām piedevām; samazina ķīmisko atlieku daudzumu. |
| Rūpnīcas/telpu tīrīšana Ūdens dezinfekcija | SDIC, 50–100 ppm | Iekārtu, transportlīdzekļu tīrīšana | Novērš sekundāru piesārņojumu | Regulāri nomainiet un uzraugiet brīvā hlora koncentrāciju. | — |
Ieteicamā prakse
Kad cukurniedres nonāk rūpnīcā, tās sākotnēji tiek mazgātas ar tīru ūdeni, lai noņemtu augsni un piemaisījumus.
Pēc tam virsmas dezinfekciju veic, atkarībā no apstākļiem izsmidzinot zemas koncentrācijas SDIC vai nātrija hipohlorītu.
Arī cukura fabrikas ūdens avoti un tīrīšanas iekārtas regulāri jādezinficē, lai nodrošinātu vispārējo higiēnisko vidi.
Sulu ekstrakcija
Pēc pirmās tīrīšanas un dezinfekcijas darbības nākamais solis ir cukurniedru sulas iegūšana. Sulu parasti iegūst, izmantojot mehānisku presēšanu vai difūzijas sistēmas. Šajā posmā tiek sadalīta cukurniedru cietā struktūra un iegūta sula no tās.
Vairumā gadījumu cukurniedru sulu spiede sastāv no trim veltņu dzirnavām apvienojumā ar smalcinātāju vai rotējošiem asmeņiem. Pēc tam, kad cukurniedres ir apstrādātas uz vienas konveijera lentes, tās tiek transportētas uz citu konveijera lenti, lai iegūtu vairāk sulas. Tomēr pirms transportēšanas vispirms tiek apsmidzināts ūdens, lai vēl vairāk iegūtu sulu. Atlikumu, kas paliek pēc sulas spiešanas, sauc par bagasu.
Sula satur šķīstošus un suspendētus piemaisījumus, tostarp augu šķiedras, olbaltumvielas un pat augsnes daļiņas, kas ir pilnībā noskalotas. Šie piemaisījumi ir jāapstrādā, lai uzlabotu turpmākās dzidrināšanas un kristalizācijas efektivitāti.
Cukurniedru sulas dzidrināšana
Sulas dzidrināšana ir vissvarīgākais solis cukura ražošanas procesa sākumposmā. Mērķis ir no cukurniedru sulas atdalīt piemaisījumus (piemēram, augsni, olbaltumvielas, koloīdus, organiskās skābes utt.) un uzlabot tās tīrību. Parasti tiek izmantots kaļķa process apvienojumā ar fosfora flotācijas metodi vai karbonizācijas metodi.
Ķīmiskā lietošana
Kaļķis (CaO)/kaļķa piens (Ca(OH)2): Neitralizē skābas vielas un nogulsnē piemaisījumus.
Oglekļa dioksīds (CO2) (izmanto karbonizācijas metodē): Reaģē ar kaļķi, veidojot kalcija karbonāta nogulsnes, kas adsorbē piemaisījumus.
Flokulants/koagulants: Palīdz suspendētajām cietvielām ātri nosēsties.
Bieži izmanto: polialumīnija hlorīdu (PAC), poliakrilamīdu (PAM) utt.
Sērs (SO2) vai nātrija sulfīts: Tam ir nozīme balināšanā, krāsas samazināšanā un sterilizācijā fosfora flotācijas procesā.
Filtrēšana un iepriekšēja uzsildīšana
Pēc dzidrināšanas sula ir jāfiltrē, lai atdalītu nogulsnes. Sulas iepriekšēja uzsildīšana pirms iztvaicēšanas ir ļoti svarīga, jo tas palīdz samazināt sulas viskozitāti un novērš mikrobu augšanu.
Iztvaikošana un koncentrēšana
Pēc tam augļu sulu, izmantojot daudzfunkcionālu iztvaicētāju, koncentrē sīrupā, samazinot mitruma saturu no aptuveni 85% līdz 30–40%. Vakuuma iztvaicēšana palīdz saglabāt cukura kvalitāti, taču tā rada arī dažas darbības problēmas:
- Izšķīdušas olbaltumvielas un virsmaktīvās vielas izraisa putu veidošanos.
- Kaļķakmens uzkrāšanās uz iztvaicētāja virsmas.
Ķīmiskie pielietojumi:
Putu slāpētāji: Uz silikona bāzes veidoti putu slāpētāji augstas temperatūras putu slāpēšanai. Uz poliētera un taukskābju spirta bāzes veidoti putu slāpētāji, kas piemēroti vidēji putojošām augļu sulu sistēmām.
Kaļķakmens inhibitori/disperģētāji: Novērš kalcija karbonāta vai sulfāta kaļķakmens veidošanos iztvaicētājā.
Ietekme: Efektīva putu kontrole un katlakmens novēršana nodrošina vienmērīgu iztvaikošanu, augstāku siltuma pārneses efektivitāti un mazāku dīkstāves laiku.
Kristalizācija
Kristalizācijas process cukura ražošanā (rūpniecībā to bieži dēvē par vārīšanu) ir izšķirošs solis koncentrēta cukura sīrupa pārvēršanā cietos saharozes kristālos. Koncentrēto sīrupu vāra vakuuma katlā, lai uzsāktu cukura kristalizāciju. Pareiza kristalizācija ir būtiska cukura ražai, kristālu izmēram un krāsai. Tas ir sarežģīts fizikāli ķīmisks process, kas paredzēts, lai kontrolētu nogulsnēto saharozes kristālu izmēru un vienmērīgumu.
Šajā procesā bieži izmanto putu slāpētājus. Putu slāpētāji kontrolē putu veidošanos vārīšanās laikā, novēršot sīrupa pārplūdi.
Stabila kristalizācija palielina cukura ražu un samazina zudumus centrifugēšanas laikā.
Centrifugēšana un atdalīšana
Pēc kristālu veidošanās kristālus atdala no melases, izmantojot centrifūgu, un pēc tam žāvē karstās caurulēs. Melasi var tālāk pārstrādāt etanola, dzīvnieku barības vai citu mērķu ražošanai.
Krāsošana un rafinēšana
Atkrāsošana un rafinēšana ir pēdējais posms cukura ražošanas procesā, ko galvenokārt izmanto augstas tīrības pakāpes, baltā rafinētā cukura (piemēram, granulētā cukura vai rupjā cukura) ražošanā. Šajā posmā nepieciešams izmantot lielu daudzumu ķīmisko vielu un adsorbentu.
Bieži lietotās ķīmiskās vielas ietver:
Aktivētā ogle (pulveris vai granulas): Adsorbē polifenolus, karameli un citus pigmentus.
Atkrāsojoši sveķi/jonu apmaiņas sveķi: Noņem jonu un nejonu krāsainos savienojumus.
Ūdeņraža peroksīds (H₂O₂): oksidē atlikušos pigmentus, vēl vairāk padarot sīrupa krāsu gaišāku.
Krāsotāji: Nodrošina zemas ICUMSA vērtības un augstu vizuālo kvalitāti.
Iepriekš minētais ieskicē galvenos procesus un ķīmiskos pielietojumus cukura rūpniecībā.
Saistīto ķīmisko vielu displejs:
Kā tiek attīrīti cukura rūpniecības notekūdeņi?
Cukura fabrikas cukura ražošanas procesā rada notekūdeņus. Šiem notekūdeņiem ir sarežģīta kvalitāte un augsta piesārņojuma slodze, tāpēc pirms novadīšanas atmosfērā ir nepieciešama sistemātiska ūdens attīrīšana.
Notekūdeņi galvenokārt rodas no izejvielu mazgāšanas, iekārtu tīrīšanas, cukura ražošanas procesa notekūdeņiem, dzesēšanas ūdens/kondensāta un katlu izpūšanas. Šiem notekūdeņiem raksturīgs ļoti augsts ĶSP un BSP (cukura satura dēļ), augsts suspendēto cietvielu saturs, spēcīga bioloģiskā noārdīšanās spēja, un dažreiz tie satur eļļu un dūņas. Tāpēc šo notekūdeņu attīrīšanai parasti izmanto procesu kombināciju — pirmapstrādi + koagulāciju un sedimentāciju + bioloģisko attīrīšanu + uzlabotu attīrīšanu. Izplatītākās attīrīšanas metodes ietver fizikālu attīrīšanu (piemēram, sedimentāciju un filtrēšanu), ķīmisku attīrīšanu (piemēram, koagulāciju un neitralizāciju) un bioloģisko attīrīšanu (piemēram, aktīvo dūņu procesus un mākslīgos mitrājus).
Kādas ķīmiskās vielas ir nepieciešamas cukura rūpniecības notekūdeņu attīrīšanai?
Konkrētie soļi un ķīmiskie pielietojumi ir šādi:
| Ārstēšanas posms | Mērķis | Ieteicamās ķīmiskās vielas | Galvenās funkcijas |
| 1. Izejvielu mazgāšana un primārā pirmapstrāde | Noņemt smiltis, dubļus, šķiedras, suspendētās cietās vielas | PAC (polialumīnija hlorīds) | Ātra koagulācija, SS un duļķainības noņemšana |
| PAM (poliakrilamīds) – anjonu/nejonu | Floku veidošanās veicina nosēšanos | ||
| Putu slāpētājs | Kontrolē putas, kas rodas cukurniedru mazgāšanas un sulas ieguves laikā | ||
| 2. Izlīdzināšana un pH regulēšana | Stabilizēt ieplūdes kvalitāti, pielāgot pH līmeni lejupējiem procesiem | Kaļķis (CaO / Ca(OH)₂) | Paaugstina pH līmeni, daļēji novērš cietību |
| Nātrija hidroksīds (NaOH) | Precīza pH regulēšana | ||
| Sērskābe / sālsskābe | Pazemina pH līmeni | ||
| Putu slāpētājs | Samazina putu veidošanos izlīdzināšanas tvertnē | ||
| 3. Koagulācija un flokulācija (primārā sedimentācija) | Noņemt suspendētās cietās vielas, koloīdus, krāsu; samazināt ĶSP | PAC / PolyDADMAC / Poliamīns | Primārie koagulanti duļķainības un krāsas noņemšanai |
| PAM (anjonu) | Uzlabo flokulācijas stiprību un nosēšanās ātrumu | ||
| Koagulanta līdzekļi (piemēram, magnija silikāts) | Uzlabo skaidrību un nosēšanās veiktspēju | ||
| 4. Anaerobā bioloģiskā attīrīšana (UASB, EGSB) | Samazināt augstu organisko slodzi (ĶSP, BSP) | Uzturvielu piedevas (N un P avoti) | Uzturēt mikrobu aktivitāti un veselīgu biomasu |
| pH regulētāji | Uzturēt optimālu pH līmeni (6,8–7,2) anaerobajām baktērijām | ||
| Putu slāpētājs | Nomāc ar biogāzi saistītas putas | ||
| 5. Aerobā apstrāde (aktivētās dūņas, SBR) | Vēl vairāk samaziniet ĶSP, BSP, amonjaka līmeni | Uzturvielu piedevas (N un P) | Nodrošiniet mikroorganismiem sabalansētas barības vielas |
| Putu slāpētājs | Kontrolē putas aerācijas laikā | ||
| Bioenzīmi / Mikrobu kultūras | Uzlabo bioloģiskās noārdīšanās efektivitāti | ||
| 6. Paplašināta ārstēšana (ja tiek piemēroti stingri izrakstīšanas standarti) | Uzlabojiet skaidrību, noņemiet atlikušo COD, SS, krāsu | Poliamīns / PolyDADMAC | Spēcīga krāsas atkrāsošana un duļķainības noņemšana |
| PAC | Papildu SS un koloīdu noņemšana | ||
| PAM (augsta molekulmasa) | Galīgā flokulācija un pulēšana | ||
| Aktivētā ogle | Noņem krāsu, smaku un organiskos atlikumus | ||
| 7. Dezinfekcija un ūdens atkārtota izmantošana | Nodrošināt mikrobu drošību izmešanas vai atkārtotas lietošanas laikā | Kalcija hipohlorīts | Spēcīga dezinfekcija |
| Nātrija hipohlorīts | Izplatīts tiešsaistes dezinfekcijas līdzeklis dozēšanai | ||
| SDIC (nātrija dihlorizocianurāts) | Stabila, ilgstoša hlora izdalīšanās | ||
| TCCA (trihlorizocianūrskābe) | Augsts hlora saturs, lēnas iedarbības hlorēšana |
Cukura ražošana ir sarežģīts rūpniecisks process, kam nepieciešama precīza kontrole katrā posmā — sākot ar izejvielu sagatavošanu un sulu spiešanu līdz dzidrināšanai, iztvaikošanai, kristalizācijai, rafinēšanai un notekūdeņu attīrīšanai. Katrs posms rada savas problēmas, tostarp suspendētās cietās vielas, krāsa, mikrobu aktivitāte, putu veidošanās un kaļķakmens uzkrāšanās. Integrējot atbilstošas ķīmiskās vielas katrā cukura ražošanas procesa posmā, cukura dzirnavas var palielināt ražošanas apjomu, uzlabot kristālu kvalitāti, pastiprināt krāsu, samazināt zudumus un samazināt dīkstāves laiku. Vienlaikus optimizēti ķīmiskie risinājumi veicina vides aizsardzību, nodrošinot efektīvāku notekūdeņu attīrīšanu un samazinot ķīmiskos atkritumus.
Pareiza ķīmiskās rūpniecības partnera izvēle ļauj cukura dzirnavām uzlabot ražošanas efektivitāti, nodrošināt nemainīgu produktu kvalitāti, pagarināt iekārtu kalpošanas laiku un sasniegt ilgtermiņa darbības izcilību.