Zahărul constituie unul din cele mai importante alimente, fiind un produs pe care organismul uman îl asimilează în totalitate, caracterizat ...
Zahărul constituie unul din cele mai importante alimente, fiind un produs pe care organismul uman îl asimilează în totalitate, caracterizat şi printr-o valoare calorică ridicată. Procesul tehnologic de fabricare a zahărului este unul complex, format din diverse operaţii fizice, fizico-chimice şi chimice, în urma căruia se asigură condiţiile tehnice cele mai favorabile extragerii şi cristalizării unei părţi cât mai mari a zahărului, pe care îl conţine sfecla de zahăr şi trestia de zahăr supuse prelucrării.
Pentru sfecla de zahăr principalele etape ale procesului tehnologic sunt: pregătirea sfeclei în vederea extragerii zahărului, extragerea zahărului şi obţinerea zemii de difuzie, purificarea zemii de difuzie şi concentrarea până la obţinerea zemii groase, fierberea, cristalizarea şi rafinarea, condiţionarea şi depozitarea zahărului.
În condiţiile ţării noastre, materia primă folosită la fabricarea zahărului o constituie rădăcinile sfeclei de zahăr din primul an de vegetaţie, respectiv zahărul brut din trestie.
Compuşii chimici ai sfeclei de zahăr au valori ce oscilează în limite largi, în funcţie de soi, gradul de maturare, condiţiile pedoclimatice, durata de depozitare în silozuri, etc. În general compoziţia sfeclei este următoarea: 75 % apă şi 25 % substanţă uscată din care 17,5 % zahăr şi 7,5 % nezahăr. Nezahărul este alcătuit din pulpă 5 % şi substanţe nezaharoase în suc 2,5 %, acestea din urmă incluzând atât substanţe organice, cât şi substanţe anorganice. Principalii componenţi ai sfeclei de zahăr sunt prezentaţi în tabelul de mai jos.
Principalii componenti ai sfeclei de zahar
Zaharoza, principalul component al sfeclei şi produsul industriei zahărului, este un corp solid care se topeşte la 186-188 grade C, solubilizează uşor în apă, solubilitatea crescând cu temperatura. Ca structură zaharoza este un dizaharid, compus din două monozaharide: d-glucoza şi d-fructoza, legate prin grupările lor glicodizice.
Ca materie primă sfecla de zahăr trebuie recoltată la maturitatea tehnologică (când a acumulat maximum de zahăr), decoletarea să fie corect executată, rădăcinile să fie sănătoase, fără vătămări sau rupturi, iar când este prelucrată cu mult după momentul recoltării, să fie însilozată corespunzător.
Extragerea zahărului din sfeclă, obţinerea zemii de difuzie şi epuizarea borhotului
Extragerea zahărului din sfeclă se realizează prin difuzie, principalele operaţii prin care se obţine zeama de difuzie fiind prezentate în figura de mai jos. Sfecla, descărcată din mijloacele de transport, este adusă în ciclul de fabricaţie de obicei prin transport hidraulic, cantitatea de apă necesară fiind de 600-1000 % faţă de masa de sfeclă.
Schema tehnologică de obţinere a zemii de difuzie
Separarea impurităţilor grosiere
Pe canalele de transport ale sfeclei sunt dispuse prinzătoare de pietre şi bulgări de pământ, care împiedică accesul lor spre maşinile de tăiat.
Pentru curăţirea de paie, frunze sau vrejuri, pe canalul colector se montează greble suspendate ale căror vârfuri pătrund sub suprafaţa apei.
Spălarea sfeclei
Dacă pe canalele de transport s-au separat o parte din impurităţile cu care sfecla intră în procesul de fabricaţie, prin spălare se urmăreşte îndepărtarea pământului, nisipului şi a altor impurităţi aderente la suprafaţa sa. Pentru aceasta se folosesc maşini de spălat orizontale sau cu duze, la care spălarea se face cu apă în contracurent.
După spălare, apa trebuie separată de sfeclă pentru a nu ajunge în tăiţei şi apoi în procesul de difuzie. De obicei sfecla este trecută pe grătare de scurgere, iar apele de transport şi spălare sunt dirijate la staţiile de purificare (decantare şi dezinfectare), după care sunt reintroduse la transportul şi spălarea sfeclei.
Pentru îndepărtarea impurităţilor feroase care au trecut de prinzătoarele de pietre şi care pot deteriora cuţitele maşinilor de tăiat, sfecla este trecută pe un transportor separator prevăzut cu un electromagnet.
Tăierea sfeclei
Întrucât difuzia zahărului dizolvat în sucul celular depinde de suprafaţa de contact dintre sfeclă şi apă, sfecla se taie sub formă de tăiţei subţiri în V. Datorită unei relative elasticităţi şi rezistenţe la compresiune, tăiţeii subţiri nu se tasează în instalaţiile de difuzie, permiţând ca apa de difuzie să treacă printre ei, difuzia zahărului fiind rapidă şi completă.
Difuzia
Zahărul se află dizolvat în sucul celular, în vacuola din mijlocul celulei. Aceasta este izolată de membrana permeabilă (peretele celulei) printr-o protoplasmă, mărginită de o peliculă semipermeabilă şi care împiedică trecerea zahărului prin membrană în mediul înconjurător.
Pelicula semipermeabilă poate fi distrusă prin încălzirea celulei la o temperatură mai mare de 70 grade C, situaţie în care sucul celular trece în apa de difuzie. Fenomenul a fost denumit plasmoliză, având un rol determinant în procesul de extracţie.
Temperatura la care se realizează plasmoliza depinde de calitatea materiei prime şi este de 70-82 grade C la sfecla normală calitativ, scăzând până la 65 grade C pentru sfecla parţial îngheţată. Când sfecla este îngheţată total, celulele sunt distruse iar sucul celular poate părăsi vacuolele şi fără plasmoliză, încălzirea fiind necesară doar pentru a accelera difuzia zahărului din tăiţei în zeama de difuzie.
Procesul de extracţie a zahărului din sfeclă se realizează în două etape: migrarea zahărului din sfeclă către interfaţa solid-lichid şi transferul de masă de la interfaţa solid-lichid către masa soluţiei. A doua etapă este determinată de natura curgerii lichidului de extracţie şi de diferenţa de concentraţie. Ca urmare, principiul constructiv şi funcţional al difuzoarelor de extracţie asigură menţinerea unei diferenţe de concentraţie solid-lichid şi reînnoirea repetată a lichidului de extracţie la interfaţa de contact.
Prin urmare extracţia zahărului se realizează prin difuzie, osmoză şi dializă, după denaturarea termică a celulelor ţesutului sfeclei. În procesul de extracţie se urmăreşte epuizarea tăiţeilor de sfeclă, de aceea aceştia sunt încălziţi rapid pentru denaturarea celulelor, după care
începe difuzia propriu-zisă.
Factorii care influenţează procesul de difuzie
Funcţionarea normală a unei instalaţii de difuziune, cu desfăşurarea corectă a procesului de difuzie, este influenţată de un mare număr de
factori.
Calitatea materiei prime
Instalaţiile sunt concepute pentru prelucrarea unei materii prime care să satisfacă anumite criterii de calitate. Dacă se prelucrează o sfeclă calitativ necorespunzătoare, atunci sunt denaturaţi parametrii optimi de desfăşurare a difuziei, având ca efect pierderi semnificative de zahăr în borhot, puritate scăzută a zemii de difuzie şi randamente inferioare la prelucrare.
Temperatura de difuzie
Temperatura de difuzie are un rol determinant întrucât ea favorizează plasmoliza celulelor. În acelaşi timp este favorizată difuzia prin scăderea vâscozităţii zemii, iar la temperaturi de 70-74 grade C sunt distruse unele microorganisme care prin fermentaţie ar putea consuma zahăr.
La unele instalaţii tăiţeii sunt opăriţi cu zeamă fierbinte la 85-90 grade C şi prin aceasta acţiunea de sterilizare este mult mai pronunţată, tratamentul putându-se aplica doar la cei care provin dintr-o sfeclă de calitate. Când se prelucrează sfeclă parţial sau total îngheţată, temperatura de difuzie fiind scăzută se vor folosi dezinfectanţi care să inhibe acţiunea microorganismelor.
Dacă se depăşeşte temperatura optimă de difuzie (fig de mai jos a), are loc, pe de o parte trecerea masivă a substanţelor pectice în zeama de difuzie (fig de mai jos b), cu efecte negative asupra procesului tehnologic, iar pe de altă parte înmuierea şi terciuirea tăiţeilor, cu scăderea randamentului
difuziei.
Fig. A) Diagrama de temperatură la o instalaţie de difuzie cu funcţionare continuă. Fig. b) Variaţia conţinutului de substanţe pectice din zeama de difuzie cu temperatura: 1-120 min; 2-60 min.
Sutirajul
Sutirajul reprezintă cantitatea de zeamă de difuzie ce se extrage din instalaţia de difuzie. Are valori între 105-135 % şi se exprimă în kg, în raport cu masa de sfeclă introdusă la extracţie. Prin sutiraj sunt influenţate pierderile de zahăr în borhot, astfel că dacă o instalaţie lucrează la nişte parametri constanţi, prin creşterea cantităţii sutirate scad pierderile de zahăr şi invers, depăşirea limitei de 130 % determinând însă o înrăutăţire a calităţii zemii de difuzie. Viteza zemii în instalaţia de difuzie este o componentă de bază a hidrodinamicii difuziei şi ea trebuie astfel aleasă încât procesul să se desfăşoare în condiţii optime.
Calitatea tăiţeilor de sfeclă
Cu cât aceştia sunt mai subţiri şi mai lungi, suprafaţa de difuzie este mai mare iar procesul decurge mai repede şi mai complet. Practic calitatea tăiţeilor este exprimată prin cifra Silin (reprezintă lungimea a 100 g tăiţei din care s-au eliminat cei cu lungimea mai mică de 1 cm şi plăcuţele) sau cifra suedeză (reprezintă raportul dintre masa tăiţeilor care depăşesc lungimea de 5 cm şi masa celor cu lungimea sub 1 cm).
Calitatea tăiţeilor determină permeabilitatea zemii de difuzie în masa de tăiţei şi din acest punct de vedere cea mai mare permeabilitate o au tăiţeii a căror cifră suedeză este cuprinsă între 15-30, valoarea optimă fiind în jur de 20.
Gradul de încărcare a instalaţiei cu tăiţei
Încărcarea specifică este o caracteristică foarte importantă, influenţând hidrodinamica procesului de difuzie, iar nerespectarea ei conduce la scăderea productivităţii instalaţiei şi înrăutăţirea indicilor calitativi ai extracţiei.
O încărcare specifică mai mică decât cea optimă determină trasee preferenţiale ale zemii, difuzie neomogenă în masa de tăiţei şi pierderi mari de zahăr. Depăşirea valorii optime duce la scăderea permeabilităţii tăiţeilor, scade viteza de difuzie, procesul în sine fiind afectat. Şi în această situaţie cresc pierderile de zahăr în borhot.
Durata de difuzie
Durata de difuzie la o extracţie normală este cuprinsă între 60-100 minute, în funcţie de tipul instalaţiei, capacitatea de prelucrare, calitatea materiei prime şi temperatura de difuzie. Creşterea temperaturii şi duratei de difuzie peste valorile normale determină dereglarea întregului proces de fabricaţie, prin trecerea unor mari cantităţi de nezaharuri în zeama de difuzie.
Calitatea apei de difuzie
Calitatea apei de difuzie influenţează considerabil procesul de extracţie, principalii indicatori ai acesteia fiind puterea de tamponare, pH-ul şi încărcătura bacteriologică. Prin tamponare apa de difuzie neutralizează efectul alcalinizant propriu al pulpei epuizate, ea determinând evoluţia pH-ului amestecului pulpă-apă şi prin aceasta calitatea conţinutului în substanţe coloidale.
Apa de difuzie trebuie să aibă un pH de 5,8-6,2, o apă alcalină favorizând solubilizarea substanţelor pectice şi trecerea lor în zeama de difuzie, iar o apă acidă prezintă pericolul apariţiei unor fenomene de coroziune. Întrucât din considerente economice la difuzie se utilizează apă condensată la evaporare, precum şi apele de la presarea borhotului, acestea se supun unor tratamente care să le aducă la parametrii necesari.
Instalaţia de acidulare a apei de difuzie cu reglaj automat: 1-conductă alimentare; 2-rezervor de reacţie; 3-pompă; 4-conductă agitare; 5-conductă evacuare; 6- lanţ de electrozi; 7- conductă acid; 8-vană reglabilă; 9-traductor; 10-aparat înregistrare; 11-regulator. Astfel, la apele condensate, datorită alcalinităţii ridicate (pH-ul 8,7-9,5) ele se tratează cu acid sulfuric sau bioxid de sulf (fig. de mai sus), iar apele de presă se separă de pulpă şi suspensii coloidale, se sterilizează termic după care se poate face şi corecţia pH-ului prin neutralizare sau acidulare.
Acţiunea microorganismelor
Acţiunea microorganismelor asupra procesului de difuzie se manifestă prin apariţia unor pierderi de zahăr nedeterminate. Microorganismele ajunse în instalaţiile de difuzie provin din sfecla infectată, apa de transport, apa de spălare, apa de presă, resturi de tăiţei rămaşi pe conductele de transport şi care iau contact cu aerul atmosferic.
Pentru a evita pierderile de zahăr şi dezvoltarea microorganismelor în zeama de difuzie, toate componentele ce intră în procesul de difuzie trebuie bine dezinfectate, iar temperatura de minimum 70 grade C trebuie atinsă rapid şi menţinută pe toată durata difuziei.
Tehnica de extragere a zahărului prin difuzie foloseşte instalaţii cu funcţionare continuă, în care apa de difuzie şi tăiţeii circulă în contracurent, determinând o extracţie cât mai bună a zahărului. Cele mai utilizate instalaţii de difuzie în fabricile de zahăr din ţara noastră sunt: instalaţia de difuzie continuă cu coloană BMA, instalaţia de difuzie continuă cu tambur orizontal RT II şi instalaţia de difuzie continuă DDS.
În instalaţia BMA tăiţeii de la maşina de tăiat sunt preîncălziţi, cu zeama provenită din turn, în preîncălzitor unde temperatura amestecului ajunge la 45 grade C. Zeama se separă de tăiţei iar după reţinerea nisipului şi a pulpei este introdusă în fabricaţie. Tăiţeii sunt trecuţi în vasul de opărire unde este pompată zeama recirculată şi încălzită la 85-90 grade C, aici având loc şi plasmoliza.
Zeama cu tăiţeii iese din opăritor cu temperatura de 70-80 grade C şi sunt pompaţi în turnul de difuzie. Prin intermediul unui sistem cu palete elicoidale tăiţeii sunt transportaţi pe verticală în sus, în sens invers circulând apa de difuzie (proaspătă şi de la presă), la partea superioară fiind preluaţi şi distribuiţi cu două şnecuri la presa de borhot.
Schema instalaţiei de difuzie BMA: 1-maşină de tăiat; 2-bandă transportoare cu cântar; 3,10- prinzătoare de nisip; 4-preopăritor; 5-vas pentru zeamă sutirată; 6,8,9,12,14,23-pompe; 7-opăritor; 11- prize pentru zeamă; 13-rezervor ape de presă; 15-rezervor apă proaspătă; 16,18,21,22-preîncălzitoare;
17,24-prinzătoare de pulpă; 19-presă; 20-turn de difuzie. Schema instalaţiei de difuzie RT II: 1-maşină de tăiat; 2-bandă transportoare cu cântar; 3-opăritor; 4-preîncălzitor; 5-prinzător de pulpă; 6,14,16-vane dozatoare automate; 7-rezervor ape de presă; 8-cap de alimentare; 9-pompă; 10-vas de recirculare; 11-tambur; 12-cap de alimentare pentru apă; 13-transportor pentru borhot; 15,17-rezervoare de apă.
Schema instalaţiei de difuzie DDS: 1-maşină de tăiat; 2-bandă transportoare; 3-cântar; 4-separator pulpă;5-vas cu zeamă brută; 6,14,18-pompe; 7-albia aparatului; 8-rezervor de apă; 9-roată ridicătoare; 10-jgheab; 11-presă borhot; 12,19-prinzătoare de pulpă; 13-rezervor apă de presă; 15,20-preîncălzitoare; 16-transportor elicoidal; 17-manta de încălzire.
Apa proaspătă şi apa de presă se adaugă în cantitatea şi la temperatura care să asigure în turnul de difuzie 70-75 grade C. Instalaţia cu tambur orizontal RT II se caracterizează prin faptul că, datorită construcţiei acesteia, se reduce timpul de staţionare al zemii de difuzie în aparat, prin existenţa unei spirale duble în interiorul aparatului de difuzie.
Tăiţeii de la maşina de tăiat sunt cântăriţi şi transportaţi la opăritor, unde sunt opăriţi cu zeamă recirculată şi încălzită la 85 grade C. După terminarea plasmolizei amestecul zeamă-tăiţei este adus la capul de alimentare unde are loc separarea zemii şi trecerea ei în vasul de recirculare, tăiţeii fiind introduşi în tambur. Apa de difuzie este introdusă prin capul de alimentare, având o circulaţie inversă tăiţeilor, temperatura acesteia fiind de 75 grade C. Borhotul epuizat şi scurs este preluat de un transportor care îl va duce la presa de borhot.
Regimul termic al instalaţiei este bine determinat, dar pentru a compensa pierderile de căldură aceasta este prevăzută cu posibilitatea introducerii de abur pentru reglarea temperaturii. Instalaţia de difuzie DDS are aparatul de difuzie format dintr-o cuvă bicilindrică înclinată, prevăzută în interior cu două transportoare elicoidale, iar la exterior cu o manta de încălzire pe sectoare. Astfel tăiţeii de sfeclă ajunşi în gura de alimentare cad în zeama încălzită la 80 grade C, unde sunt opăriţi.
Preluaţi de transportoarele cu palete aceştia sunt epuizaţi de apa care circulă în contracurent, iar cu ajutorul roţii ridicătoare tăiţeii sunt deversaţi în jgheabul de alimentare al presei de borhot. Din instalaţiile de difuzie rezultă ca produse zeama de difuzie şi borhotul de tăiţei, compoziţia lor fiind prezentată în tabelul de mai jos.
Zeama de difuzie
Zeama de difuzie reprezintă un sistem polidispers ce conţine suspensii fine, substanţe ce formează soluţii coloidale şi substanţe ce formează soluţii adevărate. Suspensiile fine sunt date de cantitatea de pulpă din zeamă şi care depinde de caracteristicile mecanice ale tăiţeilor de sfeclă. Conţinutul de pulpă fină din zeama de difuzie variază între 0,2-0,6 g/l, la care se mai adaugă cca 1% urme de sol rămase pe sfeclă după spălare.
Compoziţia zemii de difuzie şi a borhotului, în % S.U.
Substanţele coloidale trec din sfeclă în zeama de difuzie în proporţii ce depind de calitatea materiei prime şi parametrii procesului de difuzie, fiind alcătuit din proteine şi polizaharide. Proteinele din zeamă depăşesc 40 % din cantitatea existentă în pulpă, fiind prezente sub forma complexului proteină-pectine (componenta proteică este o polipeptidă alcătuită din cistină, lizină, histrolină, arginină, acid aspartic, serină, acid glutamic, alanină, tirozină, metionină, fenilalanină, leucină, etc.).
Aminoacizii şi betanina se extrag aproape complet din sfeclă, iar dintre polizaharide în zeama de difuzie se regăsesc pectine, araban, galactan şi dextran. Conţinutul în pectine al zemii variază între 0,08 şi 0,3 % S.U. fiind cu atât mai mare cu cât timpul de difuzie este mai scurt.
Dintre substanţele fără azot în zeamă se găsesc acizi organici şi acizi anorganici liberi sau sub formă de săruri şi care, împreună cu aminoacizii, imprimă capacitatea tampon, importantă la purificarea şi concentrarea zemii de difuzie.
Tot în zeama de extracţie se regăsesc şi zaharuri reducătoare precum trioze, arabioză, ziloză, fructoză, glucoză şi galactoză, conţinutul lor depinzând de calitatea sfeclei, gradul de solubilizare şi hidroliză a componenţilor pulpei şi a zemii. Cenuşa din zeamă este formată din anioni fosfat, clorură, sulfat precum şi din cationi de potasiu, calciu, sodiu sau magneziu, ajungând la 3-4 % S.U.
O parte din cenuşă este reţinută de borhot în pereţii celulari sau în unele ţesuturi, în zeamă cenuşa fiind prezentă sub formă de săruri minerale sau legată de substanţe coloidale. Culoarea brună-cenuşie a zemii de difuzie este dată de către melanina aflată în stare coloidală şi care se îndepărtează în procesul de purificare calco-carbonică.
Borhotul
Borhotul reprezintă tăiţeii epuizaţi în zahăr şi este alcătuit din pulpa de sfeclă formată din celuloză, hemiceluloză şi substanţe pectice, precum şi din substanţe proteice coagulate, acestea făcând din borhot un furaj bun pentru zootehnie. Întrucât borhotul conţine un procent mic de substanţă uscată, în majoritatea cazurilor acesta se presează şi se usucă, apele de presă fiind reintroduse în procesul tehnologic.
Purificarea şi concentrarea zemii de difuzie
Zeama rezultată în urma extragerii zahărului din sfeclă conţine, pe lângă zahăr şi un mare număr de substanţe cu caracteristici fizice şi chimice diferite, denumite nezaharuri. Purificarea urmăreşte îndepărtarea cât mai completă a lor, în urma căreia să rezulte o zeamă bogată în zahăr, de calitate superioară. Ca metode de purificare a zemii de difuzie se cunosc: purificarea calco-carbonică, schimbul ionic la demineralizare sau excluderea de ioni, electrodializa şi osmoza inversă.
Datorită costurilor cu mult mai scăzute, purificarea calco-carbonică este cea mai răspândită în practica industrială. Purificarea calco-carbonică utilizează oxidul de calciu şi bioxidul de carbon, care adăugate în zeama de difuziune, contribuie la precipitarea şi separarea coloizilor, descompunerea substanţelor reducătoare şi obţinerea unei zemi termostabile, separarea nămolului din zeama purificată şi decalcifierea zemii de difuzie, schema de principiu a procesului tehnologic fiind prezentată în figura de mai jos.
Predefecarea sau precipitarea coloizilor se realizează prin adăugarea laptelui de var în zeama de difuzie, având ca scop precipitarea nezahărului sub formă de săruri de calciu insolubile şi coagularea substanţelor proteice şi pectice. Reacţiile ce au loc la predefecare sunt datorate în special ionilor de Ca2+ şi OH-. Ionii de calciu reacţionează cu anionii unor acizi şi dau săruri de calciu insolubile, prin această reacţie precipitând acidul oxalic, citric, oxicitric şi tartric, anionul fosforic şi parţial cel sulfuric.
Totodată, în prezenţa ionilor de calciu are loc coagularea şi precipitarea polimerilor înalţi, în special proteinele, saponinele şi melaninele. Ionii de OH- neutralizează acizii liberi iar în reacţii cu săruri de aluminiu, fier şi magneziu, precipită metalele sub formă de hidroxizi.
Schema tehnologică de purificare şi concentrare a zemii de difuzie
În conducerea operaţiei de predefecare trebuie ţinut cont de faptul că solubilitatea laptelui de var (a hidroxidului de calciu) este mai mare în soluţia de zahăr şi că aceasta creşte cu concentraţia de zahăr, dar scade cu creşterea temperaturii. Coloizii din zeama de difuzie sunt alcătuiţi din proteine, pectine saponine, araban, galactan, etc. , compuşi cu structură liniară şi pronunţat caracter hidrofil, care prezintă două valori ale pH-ului la care coagularea este optimă: un mediu acid cu pH-ul de 3,5, corespunzător punctului lor izoelectric şi un mediu alcalin la un pH cuprins între 10,8-11,2, în prezenţa varului.
Esenţial în operaţia de predefecare este variaţia pH-ului în instalaţia de predefecare (fig de mai jos), evoluţia lui trebuind să dea timp suficient substanţelor ce coagulează să se stabilizeze şi să se deshidrateze în toată zeama. O evoluţie după curba I produce o zeamă ce spumează uşor şi un nămol greu de prelucrat, cea mai favorabilă fiind evoluţia pH-ului după curba III.
Aparatele de predefecare sunt construite din compartimente în care dozele de var diferă progresiv. Circulaţia zemii de difuzie se face în contracurent, cu pH-ul crescător dinspre primul spre ultimul compartiment. Cantitatea de var adăugată este de 0,15-0,25 % CaO, procesul
desfăşurându-se la temperaturi de 60-70 grade C, la care precipită compact proteinele şi pectinele, îmbunătăţind filtrabilitatea nămolului.
Defecarea sau descompunerea substanţelor reducătoare
Defecarea sau descompunerea substanţelor reducătoare, constă în tratarea zemii predefecate cu o cantitate de var de 1,5-2 % CaO. Prin creşterea pH-ului peste 12 varul adăugat acţionează atât asupra coagulului coloidal şi sărurilor precipitate, cât şi asupra substanţelor dizolvate.
Moduri de variaţie ale pH-ului
Sub acţiunea ionilor de OH- la defecare se produc reacţii de descompunere: sărurile de amoniu trec în amoniac şi sare de calciu, amidele acizilor (glutamina, asparagina şi amida acidului oxalic) degajă la descompunere amoniac, iar în soluţie rămân sărurile de calciu ale aminoacizilor (au dezavantajul că măresc pierderile de zahăr în melasă, dau reacţii de brunificare şi îngreuiază fierberea şi cristalizarea zahărului), ureea se transformă în amoniac şi bioxid de carbon, iar zaharurile reducătoare se descompun cu generarea unor acizi (lactic, zaharinic, zaharumic şi humic, ultimii doi precipitând cu varul, iar restul fiind dizolvaţi sub formă de săruri de calciu).
La defecare grăsimile din zeamă suferă procesul de saponificare, acizii graşi rezultaţi în prezenţa varului precipitând sub formă de săruri de calciu, glicerina rămânând în soluţie. Sub influenţa căldurii trec din pulpă în zeamă pectina şi arabanul care, în contact cu varul, dau naştere la un precipitat gelatinos, scăzând puritatea şi filtrabilitatea precipitatului.
Prin creşterea temperaturii viteza reacţiilor creşte, temperatura cea mai favorabilă, în
condiţii normale (conţinutul de zahăr reducător de 0,3-0,4 % S.U.) fiind de 70-80 grade C, mergând până la maxim 85 grade C. În acest domeniu reacţiile se desfăşoară rapid (se pot descompune cca 97 % din substanţele reducătoare din zeamă), iar zaharoza nu este distrusă într-o proporţie semnificativă, fapt ce conduce la o foarte bună termostabilitate a zemii, necesară în fazele următoare ale procesului tehnologic.
Carbonatarea I-a
Carbonatarea I-a sau prima saturaţie constă în tratarea zemii defecate cu bioxid de carbon şi are ca scop:
- purificarea zemii prin intermediul precipitatului de carbonat de calciu, care crează condiţii ca o mare parte din nezahărul zemii să fie adsorbit sau absorbit de către cristalele de CaCO3 în formare sau pe cristalele deja formate;
- precipitarea cu bioxid de carbon sub formă de carbonat de calciu a varului ce se află în exces sau slab legat (zaharaţi mono şi bicalcici);
- formarea precipitatului de carbonat de calciu care constituie un material ajutător la filtrarea zemii carbonatate.
S-a constatat practic că purificarea chimică este îmbunătăţită atunci când cristalele de carbonat de calciu sunt fine, cu suprafaţă mare de adsorbţie, dar în aceste condiţii scade viteza de sedimentare şi de separare a nămolului. Pentru a obţine cristale mari de precipitat trebuie evitată suprasaturarea soluţiei în carbonat de calciu, prin carbonatare la un pH redus.
Menţinerea unui pH redus se face cel mai bine prin carbonatare continuă, păstrând în aparatul de saturaţie o alcalinitate constantă şi redusă prin recirculare de zeamă saturată, condiţia cea mai importantă a carbonatării fiind menţinerea unui pH optim pentru zeama carbonatată.
Procesul de carbonatare constă în încălzirea zemii defecate la 85-90 grade C şi tratarea cu gaze ce conţin 23-34 % CO2 (provenite de la calcinarea varului), prin barbotare cu dispozitive speciale până la obţinerea unei alcalinităţi caracterizată de pH-ul optim. În condiţii obişnuite (zeama provine din sfeclă de calitate) carbonatarea se face până la un pH cuprins între 10,8-11,2, respectiv un conţinut de 0,06-0,1 % CaO, durata nedepăşind 10 minute. Cu cât zeama este expusă un timp mai scurt la alcalinităţi şi temperaturi ridicate, cu atât sunt mai bune rezultatele carbonatării.
Carbonatarea a doua
Carbonatarea a doua sau decalcifierea zemii subţiri are ca scop reducerea la minimum posibil a sărurilor de calciu, pe care le conţine zeama filtrată de la carbonatarea întâia. Prin aceasta se măreşte gradul de puritate al zemii, cu scăderea pierderilor de zahăr în melasă şi se reduc depunerile de crustă pe ţevile instalaţiilor de fierbere. Carbonatarea a doua constă în tratarea zemii filtrate cu bioxid de carbon până la obţinerea alcalinităţii necesare.
Zahărul reducător, substanţele alcalogene şi amidele nedescompuse anterior, se descompun la carbonatarea a doua, substanţele colorante (de tip melanoidinic) formate la predefecare şi defecare sunt absorbite de carbonatul de calciu, reacţiile fundamentale în această fază fiind cele de natură ionică.
Componenţii zemii se pot împărţi în două grupe distincte:
- consumatori de alcalinitate: amide, zahăr reducător, ionii de calciu şi magneziu, aminoacizii şi acizii slabi;
- producători de alcalinitate: acizii oxalic şi fosforic, pectine proteine, acidul citric, acidul malic, acidul sulfuric.
Aceşti compuşi participă în diverse proporţii la balanţa ionică, influenţând alcalinitatea disponibilă şi care depinde de punctul final al primei carbonatări. Deoarece nu tot calciul precipită ( în zeamă rămâne o cantitate de “calciu remanent”), alcalinitatea reală este mai mare decât cea teoretică şi se numeşte “alcalinitate naturală practică”. Valoarea la care zeama are cel mai scăzut conţinut de “calciu remanent” se numeşte “alcalinitatea optimă” a carbonatării a doua.
În practică se controlează continuu alcalinitatea optimă a carbonatării prin pH-ul zemii, menţinerea constantă a acesteia pe toată durata procesului de tratare cu bioxid de carbon reglându-se automat, în funcţie de pH-ul final al zemii. PH-ul soluţiei trebuie menţinut în limitele 9,0-9,25 (măsurat la 25 grade C), tratarea cu CO2, a cărui debit este reglat pe bază de pHmetrie, se face la temperaturi cuprinse între 92-95 grade C, când gradul de utilizare a CO2 este de 60-65 %.
La unele instalaţii de purificare zemii filtrate, înainte de a fi introdusă la carbonatarea a doua, i se face o defecare cu 0,1-0,3 % CaO, în urma căreia creşte puritatea zemii prin obţinerea unui precipitat mai bogat şi uşor filtrabil.
Decalcifierea zemii prin schimb ionic
Întrucât prin metodele prezentate nu se pot elimina toate sărurile de calciu solubile din zeamă, se face apel la răşini schimbătoare de ioni. Prin schimb ionic se elimină practic calciul din zeamă, dar pentru protecţia ţevilor fierbătoarelor se lasă un procent de 0,002 % calciu remanent. Răşinile folosite sunt de tipul stiren-divinil-benzensulfonat, puternic acide, zeama trecând prin stratul de răşină cu o viteză de 20-30 m/h la temperatura de 85-90 grade C.
Decalcifierea cu amoniac şi carbonat de amoniu
Decalcifierea cu amoniac şi carbonat de amoniu presupune ca la o temperatură ridicată, zeama să fie carbonatată până la un pH de 11,0, condiţii în care are loc peptizarea coloizilor, filtratul conţinând săruri de calciu dizolvate. După un tratament cu lapte de var (0,1 % CaO) se face carbonatarea, urmată de tratarea cu amoniac şi carbonat de amoniu într-un reactor vertical, în prezenţa cărora ionii de calciu precipită în cristale mari de carbonat de calciu. Prin această metodă se poate purifica orice zeamă, eliminându-se 90-95 % din sărurile de calciu.
Separarea nămolului din zeamă
Precipitatul rezultat la cele două carbonatări se separă din zeamă şi se concentrează, prin compoziţia sa chimică fiind util atât pentru ameliorarea solurilor acide, cât şi ca îngrăşământ. Nămolul de defeco-carbonatare este alcătuit în principal de CaCO3 (cca 80 %), proteine coagulate, săruri de calciu, acid oxalic, acid citric, saponine, melanine, săruri de calciu ale acidului fosforic şi sulfuric, compuşi cu fosfor şi azot.
De obicei separarea suspensiei de precipitat de la carbonatare se face prin decantare şi filtrare sau numai prin filtrare. Concentrarea nămolului se face până la 20-25 % S.U. după care suspensia se îngroaşă cu filtre de concentrare, turtele de nămol spălându-se cu apă în vederea recuperării zahărului.
Sulfitarea
Pentru a îmbunătăţi calitatea zemii subţiri sub aspectul vâscozităţii şi coloraţiei, aceasta se tratează cu bioxid de sulf. Sulfitarea poate merge până când zeama groasă rezultată de la evaporare are o alcalinitate finală de 0,01-0,02 % CaO, respectiv un pH cuprins între 8,2-8,6. Din reacţia bioxidului de sulf cu apa rezultă acid sulfuros care oxidând în soluţie apoasă, trece în acid sulfuric şi hidrogen. Prin reducerea de către hidrogen a substanţelor colorante şi trecerea lor în substanţe incolore, zeama se decolorează.
La sulfitare în zeamă apar săruri de potasiu ale acidului imidodisulfonic care, având acelaşi coeficient de solubilitate ca şi zaharoza, cristalizează împreună cu ea iar zahărul obţinut din clere conţine un procent ridicat de cenuşă. Din această cauză trebuie eliminată acţiunea microorganismelor în instalaţiile de difuzie, prin dezinfectarea periodică a acestora. Ca urmare a cercetărilor în domeniul purificării zemii de difuzie, s-a stabilit o gamă largă de variante ale procesului, bazate pe recircularea carbonatului de calciu în zeama de difuzie şi pe defeco-carbonatare simultană, în continuare fiind prezentate instalaţiile de purificare mai des întâlnite în practică.
Schema instalaţiei de purificare BMA: 1-vas stabilizator; 2,7,9,14,19,24-pompe; 3,10,15-preîncălzitoare; 4-rezervor lapte de var; 5-distribuitor; 6-presaturator; 8,13-vase tampon; 11-vas defecare principală; 12-vas saturaţia I- a; 16-distribuitor zeamă saturaţia I- a; 17-decantor; 18-rezervor concentrat nămol: 20-distribuitor concentrat nămol; 21-filtru cu vid; 22-separator zeamă; 23-rezervor zeamă limpede.
Instalaţia de purificare BMA (fig de mai sus) este de tipul fără coagularea coloizilor înaintea primei carbonatări. Zeama din vasul de stabilizare este amestecată cu concentratul de nămol în cantitate de 8-10 % vol. , astfel că amestecul zeamă-nămol conţine cca 0,70 % CaO, la un pH având valoarea 8. Încălzită la 75-80 0C zeama este trecută în primul vas de saturare, unde se face o presaturare la un pH de 8,5-9, varul în această fază (cca 40 % din varul total) fiind adăugat în zeama presaturată.
Alcalinizată la un pH de 10,5-11, zeama este readusă în vasul presaturator unde se amestecă în proporţie de 800-1000 % cu zeamă stabilizată. Zeama saturată este preîncălzită în defecator şi trecută la saturaţia principală, fiind tratată cu CO2 până la valori ale pH-ului de 10,8- 11, varul pentru defecare adăugându-se înaintea preîncălzirii. Separarea nămolului din zeama saturată se face cu ajutorul unor filtre cu vid. Această instalaţie conduce la obţinerea unui nămol ce sedimentează uşor şi repede, gradul de purificare al zemii de difuzie fiind satisfăcător.
Instalaţia de purificare RT (fig de mai jos) filtrează zeama predefeco-saturată, cantitatea de var utilizată fiind cea necesară epurării chimice, iar carbonatul de calciu este recirculat o singură dată. Zeama de difuzie este predefecată progresiv la 71 grade C, în compartimentul patru al predefecatorului introducându-se 1,1-1,8 % CaCO3 rezultat la filtrarea zemii de la carbonatarea întâia, alcalinitatea zemii fiind adusă la 0,2 % CaO. Preîncălzită la 85 0C, după adăugarea de var (cca 0,15 % CaO) zeama este saturată cu CO2 până la o alcalinitate de 0,05 % CaO, apoi după adăugarea de zeamă şi o parte din nămolul concentrat, este pompată la filtrare.
Schema instalaţiei de purificare RT: 1-predefecator; 2,11,15,19-preîncălzitoare; 3,12,21- saturatoare; 4,7,13,18,23-malaxoare; 5,8,14,16,20-pompe; 6,17,22-filtre; 9-defecator; 10-filtru rotativ.
Zeama de la prima îngroşare şi de la filtrul rotativ este supusă unei defecări, urmată de încălzire la 80 grade C, saturare, respectiv filtrare. Nămolul este recirculat la predefecare iar zeama, încălzită la 95 grade C, se saturează până la o alcalinitate de 0,015-0,02 % CaO, după care se supune unei ultime filtrări.
Instalaţia de purificare DDS (fig. de mai jos) foloseşte o predefecare cu recirculare de nămol concentrat de la prima saturaţie, în vederea stabilizării coloizilor. Se foloseşte o defecare la rece urmată de o defecare la cald, până la o alcalinitate de 1-2 % CaO, în raport cu calitatea materiei prime prelucrate. După prima carbonatare ( cu control automat al pH-ului) zeama este concentrată în nămol cu un filtru concentrator DDS, o parte a nămolului fiind readus la predefecare iar zeama filtrată, după o încălzire, se supune celei de a doua carbonatări, până când alcalinitatea ajunge la 0,016-0,028 % CaO. Acest procedeu fiind condus şi reglat automat poate prelucra orice calitate de sfeclă, având posibilitatea de a lucra cu defeco-carbonatare, când se cere evitarea defecării.
Schema instalaţiei de purificare DDS: 1-predefecator; 2-defecator la rece; 3,7,14,17-pompe; 4,18-preîncălzitoare; 5-defecator; 6-saturator; 8-rezervor zeamă nefiltrată; 9-transportor nămol; 10- rezervor nămol concentrat; 11-filtru cu vid; 12,16-rezervoare zeamă filtrată; 13-rezervor nămol; 15- filtru DDS; 19-vas pentru carbonatarea I- a; 20-rezervor; 21-filtru.
Evaporarea sau concentrarea zemii prin evaporare
Evaporarea sau concentrarea zemii prin evaporare este o operaţie termică prin care se îndepărtează cea mai mare parte a apei din zeama purificată, zeama groasă astfel obţinută având un conţinut de minim 60-65 % S.U. În timpul evaporării, pe lângă o concentrare a zemii în substanţă uscată, au loc şi unele fenomene chimice, cele mai importante fiind schimbarea alcalinităţii şi deci a pH-ului, intensificarea coloraţiei şi formarea de precipitate insolubile. Ca urmare, zeama groasă rezultată la evaporare are o puritate superioară faţă de zeama subţire.
Amoniacul şi carbonatul de amoniu prin evaporare ajung în apele de condensare, ape în care se regăsesc şi alte substanţe volatile (acizi organici, aldehide, alcooli). Exceptând descompunerea amidelor, scăderea alcalinităţii este provocată de descompunerea zahărului invertit în mediu alcalin, cu formarea de acizi humici, precum şi caramelizarea slabă a zaharozei.
Instalaţie de evaporare cu cinci corpuri (trepte): 1, 2, 3, 4, 5 – corpuri de evaporare; 6 – prinzător de picături; 7 – condensator barometric ; 8 – cadă barometrică.
Din considerente economice staţiile de evaporare cele mai utilizate sunt de tipul cu multiplu efect şi funcţionare continuă. Astfel aburul este folosit la încălzirea primului corp, vaporii secundari de la corpul I încălzesc corpul al II-lea, vaporii secundari ai acestuia încălzesc corpul al III-lea şi aşa mai departe (fig. de mai sus). După modul cum se face circulaţia zemii şi a aburului, evaporarea se poate face în paralel, în contracurent sau în curent mixt (fig. de mai jos).
Procedee de evaporare: a-în paralel; b-în contracurent; c-în curent mixt
După presiunea la care lucrează evaporarea se poate face în instalaţii sub vid, sub presiune sau mixt, fiecare dintre acestea având un număr de 4, 5 şi chiar 6 corpuri de evaporare.
Cristalizarea zahărului
Obţinerea zahărului din zeama groasă se realizează prin fierberea şi concentrarea ei în vid. Prin evaporarea graduată a apei din sirop creşte concentraţia în substanţă uscată, determinând o suprasaturare la care zaharoza trece din soluţie în stare lichidă, depunându-se pe cristale, siropul pierzându-şi fluiditatea şi devenind o masă groasă (suspensie de cristale într-un sirop intercristalin).
Pentru interpretarea fenomenelor de cristalizare este necesară cunoaşterea proprietăţilor soluţiilor, cristalelor şi a legilor ce guvernează trecerea de la o stare în alta şi în special viteza cu care se face această transformare. Zaharoza formează uşor soluţii suprasaturate care sunt însă instabile. Pentru ca zaharoza din soluţie să cristalizeze este necesară o forţă asemănătoare diferenţei de potenţial, care să determine trecerea moleculelor în reţeaua cristalină. Acest fenomen este posibil numai în soluţii suprasaturate, prin evaporarea apei în aparate de fierbere sub vid sau prin răcirea produsului obţinut la fierberea sub vid, în malaxoare-refrigerente.
Gradul de saturaţie al soluţiei apă-zaharoză se apreciază prin coeficientul de suprasaturaţie α, definit ca raportul dintre cantitatea de zahăr din soluţia analizată şi din soluţia saturată, pentru aceiaşi temperatură şi grad de puritate. Coeficientul are următoarele valori: α<1 la soluţii nesaturate, α=1 la soluţii saturate şi α>1 la soluţii suprasaturate. Procesul de cristalizare a zahărului are loc în două faze distincte: formarea primelor cristale prin apariţie nucleelor de cristalizare şi creşterea cristalelor formate cu o viteză determinată, numită viteză de cristalizare.
Curbele de solubilitate şi de formare spontana a cristalelor de zahar
Zeama groasă ieşită de la evaporare are o concentraţie inferioară limitei de saturaţie (punctul A din fig. alăturată). La fierberea sub vid are loc concentrarea siropului până la saturaţie, punctul A deplasându-se pe verticala T-A. Dacă fierberea se face fără agitare, concentraţia siropului va depăşi limita de saturare (curba C0), va trece prin zona metastabilă şi va depăşi limita de formare spontană a nucleelor (curba C1), pătrunzând în zona labilă, caracterizată prin suprasaturaţie înaltă dar fără formare de cristale. Dacă siropului i se aplică un şoc termic (răcire bruscă) sau mecanic (agitare), atunci centrele de cristalizare apar spontan, în număr cu atât mai mare cu cât punctul A2 este mai departe de A1.
Formarea cristalelor de zahăr în soluţii suprasaturate se realizează prin adăugarea unor nuclee de aceiaşi natură sau uşurând naşterea nucleelor prin şoc termic sau mecanic. În fabricile de zahăr se folosesc mai multe tehnici de formare a nucleelor de cristalizare şi anume: prin apariţie spontană, prin şoc dirijat, prin însămânţare şi prin amorsare sau inducţie cristalină.
Într-un mediu suprasaturat cinetica procesului de cristalizare este determinată de două fenomene de bază: apropierea moleculelor de zaharoză până la contactul cu cristalul (fenomenul de difuzie moleculară) şi aşezarea moleculelor în reţeaua cristalină.
Durata de fierbere a siropurilor este determinată de viteza de cristalizare a zahărului, variaţia acesteia cu temperatura siropului fiind prezentată în figura 11.16, iar variaţia cu gradul de saturare şi puritatea soluţiei, în figura de mai jos. Cristalizarea zahărului prin fierbere în vid poate poate fi realizată în instalaţii cu flux discontinuu sau continuu.
Variaţia vitezei de cristalizare cu temperatura
Aparatele de fierbere discontinue presupun o succesiune de etape ce trebuiesc respectate: admisia siropului sau a unui picior de cristal, concentrarea la suprasaturaţia de însămânţare, însămânţarea sau formarea nucleelor de cristalizare, creşterea cristalelor, concentrarea
finală a masei şi spălarea aparatului.
Concentrarea siropului se face la o depresiune de maxim 620-640 mm col. Hg, apa evaporându-se iniţial la 68-70 grade C, crescând pe măsura concentrării până la 74-77 grade C. Când suprasaturaţia siropului atinge valorile prestabilite se introduc nuclee pentru însămânţare (pudră de zahăr, sau suspensie de nuclee într-un lichid organic), cantitatea depinzând de masa de produs ce urmează a fi obţinută.
Odată ce nucleele cristaline însămânţate se fixează, cristalele cresc continuu menţinându-şi forma şi caracteristicile, constanţa suprasaturaţiei fiind realizată prin păstrarea unei egalităţi între reducerea concentraţiei prin cristalizare şi creşterea ei prin evaporare.
Pentru atingerea purităţii impuse zahărului, soluţia supusă cristalizării nu poate fi epuizată complet într-o singură treaptă de cristalizare. Cu cât o masă are un conţinut mai mare de cristale, posedă mai puţin sirop fiind insuficient de fluidă. Ca urmare, cristalizarea repetată, în două sau mai multe etape, permite obţinerea unor mase fluide la descărcarea din aparate.
Aparatele de fierbere cu funcţionare continuă au aceleaşi etape ca şi precedentele. Fierberea continuă se caracterizează prin faptul că procesul de cristalizare se efectuează succesiv şi continuu, de la un compartiment la altul al aparatului (fig. de mai jos).
Variaţia vitezei de cristalizare la 75 grade C cu puritatea soluţiei, pentru diferite grade de suprasaturaţie: a-1,03; b-1,06; c-1,09; d-1,12; e- 1,15; f-1,18; g-1,21.Siropul de fierbere se concentrează la 78-80 grade Bx în concentratorul 1, după care se amestecă cu masa groasă preparată în malaxorul 4 şi se introduce în primul compartiment al cristalizorului 3.
Cristalizorul este prevăzut cu şapte compartimente în care are loc creşterea cristalelor de zaharoză, fiecare compartiment fiind cu nivel constant şi alimentat cu masă groasă din compartimentul precedent, la care se adaugă sirop proaspăt dozat cu distribuitorul 2. Cristalizorul are un sistem de încălzire atât interior, cât şi exterior, precum şi o încălzire pe principiul termosifonului (o mare parte a vaporilor formaţi în concentrator sunt injectaţi în masa groasă, având doar un efect mecanic, fără a dilua masa de sirop). Concentraţia masei groase creşte de-a lungul compartimentelor în timp ce prin adăugarea de sirop proaspăt, concentraţia siropului mamă este practic constantă.
Schema unui aparat de fierbere continuă sub vid a siropului
Afinarea zahărului este o operaţie de purificare prin îndepărtarea mecanică a peliculei de sirop de pe cristale, fără dizolvarea acestora. Pentru afinare se amestecă zahărul brut cu siropul de afinare încălzit la 90-95 grade C, într-un malaxor special timp de 20-30 minute, rezultând o masă groasă care, prin centrifugare permite separarea cristalelor de sirop.
Rafinarea zahărului. Zahărul afinat de la centrifugă are o umiditate de 2-5 %, el fiind dizolvat pentru obţinerea clersei cu o concentraţie de cca 65 grade Bx. Operaţia se face în dizolvatoare prevăzute cu agitatoare şi serpentine de încălzire, folosind condensat sau zeamă subţire bine purificată. Decolorarea clersei se face prin amestecarea ei cu cărbune activ pulverulent sau prin trecerea peste coloane cu cărbune granulat sau cărbune de oase.
După decolorare clersele se filtrează cu ajutorul filtrelor cu kieselgur. Astfel se adaugă în clersă la temperatura de 90 grade C cca 0,08 % S.U. pulbere de cărbune activ şi se filtrează la o presiune de până la 3 atmosfere. În ultimul timp se folosesc filtre cu viteză mare de filtrare (filtre cu discuri sau filtre cu lumânări).
Melasa este un sirop de culoare brună închisă, cu gust şi miros caracteristic, ce conţine în suspensie substanţe cu compoziţie şi în cantităţi variabile, provenite din materia primă (compuşi cu azot sau suspensii fine coloidale de nezahăr), constituenţi formaţi în procesul tehnologic (proteine insolubile, produşi de degradare ai zahărului) sau nezahărul insolubil rezultat la concentrarea siropului.
În general melasa conţine cca 50 % din zahăr, are o puritate de 56-62 % cu o concentraţie în substanţă uscată cuprinsă între 78-86 grade Bx. Pentru creşterea randamentului fabricilor de zahăr, melasa rezultată trebuie să aibă o puritate căt mai scăzută sau să fie cât mai epuizată în zahăr. Alegerea unei scheme de fierbere a siropului se face în funcţie de puritatea acestuia şi de calitatea produsului finit. Scheme de fierbere pentru obţinerea de zahăr brut.
Acest sort de zahăr se obţine în urma unei singure cristalizări, din produsul (fierberea) întâi, o variantă fiind cea din figura de mai jos. Schema de fierbere cu două produse pentru un sort de zahăr brut
Siropul verde este recirculat la cele două produse, epuizând melasa până la 60-62 %.
Zahărul brut obţinut la centrifugare se dizolvă cu zeamă subţire şi se amestecă cu siropul concentrat. Asemenea scheme de fierbere determină obţinerea de zahăr brut impropriu comercializării, chiar dacă acestuia i s-ar face o afinaţie ulterioară. Schema de obţinere a zahărului prin trei fierberi cu un singur produs finit
Scheme de obţinere a zahărului alb
Asemenea scheme realizează o dirijare a siropurilor, iar prin spălarea zahărului în centrifuge rezultă siropuri cu purităţi ridicate, necesitând epuizarea lor în mai multe trepte. S-au conceput variante cu 2-5 fierberi (produse), cea mai utilizată schemă fiind obţinerea zahărului alb prin trei fierberi succesive (fig de mai sus). La prima fierbere se foloseşte masa alcătuită din siropul concentrat, clersa obţinută din zahărul intermediar şi final (filtrată şi decolorată) şi siropul alb de la produsul întâi.
Dacă siropul concentrat este de bună calitate, la un randament de zahăr al masei de 40 %, se obţine un zahăr alb de înaltă calitate (8-12 grade braunschweig). Când se cere un zahăr de înaltă puritate sau când siropul este bogat în substanţe colorante, se recomandă o schemă cu patru fierberi la care, prin dirijarea siropurilor, se obţine 30 % masă de rafinadă, restul fiind produse de bază.
Pentru separarea cristalelor de zahăr din siropul intercristalin se foloseşte principiul forţei centrifuge. Astfel masa groasă este introdusă în centrifuge filtrante a căror tambur se roteşte cu viteză unghiulară mare. Intensificarea filtrării în câmp centrifugal se datoreşte creşterii presiunii suspensiei de cristale asupra pereţilor tamburului sub acţiunea forţei centrifuge.
Valoarea forţei centrifuge de separare depinde de uniformitatea cristalelor şi de vâscozitatea siropului intercristalin, cele mai mari forţe de separare fiind necesare la centrifugarea produselor intermediare şi finale. Centrifugele folosite în fabricile de zahăr sunt cu funcţionare discontinuă şi continuă (cu curgere liberă sau cu înaintare forţată a masei groase), la obţinerea zahărului alb fiind utilizată spălarea intermitentă a cristalelor în centrifuge, folosind ape de spălare în cantităţi bine determinate.
Întrucât din fierturile cu puritate scăzută, la care viteza de cristalizare este foarte mică, nu se poate extrage tot zahărul cristalizabil din siropul mamă, procesul de cristalizare întrerupt la sfârşitul fierberii este reluat prin răcirea masei groase, operaţia purtând numele de cristalizare suplimentară.
Pe măsură ce scade temperatura, solubilitatea zaharozei în siropul mamă se reduce, o parte a ei trece din soluţie în stare de suprasaturaţie şi în anumite condiţii de temperatură şi agitare, se depune pe cristalele existente. În acest fel se epuizează siropul intercristalin în zahăr, cu creşterea randamentului în zahăr cristalizat.
Operaţia se execută în malaxoare sau refrigerenţi în care, prin răcire progresivă şi agitare continuă a masei, se menţin forţele ce determină creşterea cristalelor, se uniformizează temperatura şi suprasaturaţia, evitând astfel apariţia de noi nuclee de cristalizare. La cristalizarea prin răcire viteza de cristalizare este foarte redusă, comparativ cu cristalizarea prin fierbere, fiind dependentă de gradul de suprasaturare, temperatură, vâscozitatea masei, suprafaţa cristalelor şi de natura şi concentraţia impurităţilor.
Răcirea masei în malaxoare ar trebui făcută astfel ca suprasaturaţia să se menţină constantă pe toată durata cristalizării. În practică fiecare masă supusă răcirii are o curbă specifică de răcire, respectându-se o cădere de temperatură de 1,5-2 grade C pe oră, iar pentru reducerea duratei de staţionare se poate merge până la 2,5 grade C pe oră. Dacă se ţine cont de temperatura iniţială a masei supuse cristalizării suplimentare, timpul de răcire este de minim 40 ore.
Uscarea, condiţionarea şi depozitarea zahărului
Zahărul obţinut de la centrifugare conţine umiditate între 0,5 şi 2,5 % (0,5 când se aplică albirea cu apă şi abur, iar 2 % în cazul albirii cu apă fierbinte), umiditatea scăzând cu creşterea granulaţiei. Problematica uscării şi condiţionării zahărului a apărut din nevoia ca acesta să fie
depozitat şi păstrat până la comercializare, în condiţii de calitate precum: umiditate de 0,02-0,04 %, răcit la temperatura de 25 grade C, să nu conţină praf de zahăr sau zahăr invertit iar pH-ul să fie de 8,5-9.
Uscarea zahărului
Umiditatea zahărului centrifugat este legată fizic sub trei forme:
- umiditatea liberă, se găseşte în siropul ce înconjoară cristalele de zahăr, fiind uşor de îndepărtat;
- umiditatea legată, formată dintr-un film de sirop suprasaturat la suprafaţa cristalelor, împiedicând moleculele de zahăr să se integreze în structura cristalului şi fiind greu de înlăturat;
- umiditatea internă, formată din grupe de molecule de sirop incluse în structura cristalului şi care poate fi pusă în evidenţă prin creşterea umidităţii aerului la măcinarea zahărului.
Îndepărtarea umidităţii libere se realizează prin uscarea zahărului cu aer cald (cu umiditate medie relativă sub 50 %), iar o parte a umidităţii legate prin alimentarea silozurilor de depozitare cu aer condiţionat. Uscarea realizează trecerea apei prin difuzie de la zahărul umed la aerul cald, operaţia fiind executată în uscătoare-răcitoare tip turn, cu discuri etajate, cu tambur, cu turbină sau în strat fluidizat.
Cernerea zahărului
În vederea obţinerii unui aspect îmbunătăţit, dar şi pentru a corespunde mai bine scopului pentru care a fost obţinut, zahărul uscat şi răcit este trecut peste un electromagnet ce reţine impurităţile feroase, după care se separă prin cernere în diferite fracţii granulometrice.
Sitele utilizate au dimensiunea ochiurilor de 0,3-0,7 mm pentru cristale fine, 0,7-1,5 mm pentru cristale mijlocii şi 1,5-3 mm pentru cristale mari. Pentru a obţine o separare bună sitele trebuie alimentate continuu şi uniform, astfel ca stratul de zahăr de pe site să nu fie prea gros.
Cernerea zahărului este o operaţia care determină formarea unei mari cantităţi de praf de zahăr, separarea şi recuperarea lui efectuându-se pe cale uscată (de obicei în filtre cu saci) sau pe cale umedă (în hidrocicloane).
Depozitarea zahărului
Astfel, aerul uscat şi încălzit vine în contact direct cu zahărul (prin insuflare pe la partea inferioară a celulei sau prin absorbţie pe la partea superioară) sau indirect, prin intermediul unui fascicol de ţevi prevăzut în interiorul celulei de depozitare. În magazii zahărul se păstrează ambalat de preferinţă în saci de hârtie, care asigură o mai bună protecţie la umezeală şi mirosuri, comparativ cu sacii de iută, condiţionarea aerului fiind şi aici necesară.
