3.1 Technologie cukru (Pavel Kadlec) 3.1.1
Princip výroby cukru
Princip výroby cukru z řepy spočívá v řadě za sebou navazujících procesů. Souhrnný přehled jednotkových operací, které se uplatňují při výrobě cukru je uveden v Tab. 3.1.
Příprava surovin Doprava pevného materiálu Doprava tekutin Desintegrace Extrakce Výměna tepla Míchání Lisování Adsorpce Sedimentace Filtrace Membránová separace Odpařování Krystalizace Odstřeďování Sušení Chlazení Tvarování Třídění
x x x x
x x
x x
x x
x x x x
x x
x x
x x x x
x
x x
Rafinace
Odpařování a krystalizace
Epurace
Těžení šťávy
Manipulace se surovinou
Tab. 3.1 Jednotkové operace při výrobě cukru
x x x
x
x x x x x x x
Pomocí mechanických a hydraulických operací se nejprve kořen cukrovky zbaví nečistot a rostlinných i minerálních příměsí, vypraná řepa se rozřeže na tenké proužky, tzv. sladké řízky a ty se extrahují teplou vodou. Při těžení šťávy, kdy přechází cukr z řepných buněk do vyluhovací vody, se uplatňuje jak volná extrakce, tak i difuze látek řepné šťávy tepelně denaturovanou buněčnou stěnou. Získaný extrakt - surová šťáva - obsahuje vedle žádané sacharosy řadu dalších složek o různé velikosti částic, od hydratovaných jednoduchých iontů až po koloidně dispergované látky. Tyto látka se odstraňují čištěním, neboli epurací pomocí vápenného mléka a oxidu uhličitého. Účinkem vápna, vápenatých a hydroxylových iontů dojde k postupnému vysrážení koloidně dispergovaných látek do vápenaté sraženiny. Přebytek vápna ze šťávy se odstraňuje saturací oxidem uhličitým za tvorby sraženiny uhličitanu vápenatého, která slouží jako dobrý adsorpční a filtrační prostředek. Při čištění šťáv se tedy uplatňují vedle chemických reakcí i fyzikálně chemické procesy, jako je absorpce
(rozpouštění) oxidu uhličitého ve šťávě, srážení a krystalizace uhličitanu vápenatého a adsorpce vysrážených látek na povrchu krystalického uhličitanu vápenatého. Sraženinu je pak nutno v několika stupních odseparovat s využitím dekantace a filtrace. Vyčištěná šťáva se zahušťuje v několikanásobné odparce a pak podrobuje opakované odpařovací krystalizaci za sníženého tlaku, kdy se získá heterogenní směs krystalů cukru a matečného sirobu, tzv. cukrovina. Uvařená cukrovina se následně zpracovává v krystalizátorech, kde sacharosa dále krystaluje při postupném ochlazování cukroviny. K oddělení krystalů a matečného sirobu z vykrystalované cukroviny se využívá odstředivé síly ve filtračních odstředivkách. Cukr, který se obvykle získá z první krystalizace, obsahuje v povrchové vrstvě krystalů zbytky matečného sirobu, které je nutno odstranit rafinačními postupy. Základní operací rafinace je afinace, při níž se cukr nejprve ovlhčí mísicím sirobem, tento sirob se odstředí a krystaly se opláchnou v odstředivce vodou nebo čistým cukerným roztokem. Takto očištěný cukr se rozpouští ve vodě, případně se i odbarvuje a svařuje odpařovací krystalizací na bílý cukr. K výslednému bílému cukru se dostaneme po několika stupních svařování a krystalizace, což záleží na uspořádání výrobního schématu a požadované kvalitě bílého cukru. Z dokončovacích operací v rafinerii ještě následuje sušení, třídění, balení a skladování cukru. Celé technologické schéma výroby cukru představuje složitý systém, skládající se z velkého počtu aparátů, které jsou navzájem propojeny rozsáhlou potrubní a energetickou sítí. Dobrá funkce takového výrobního procesu jako celku závisí nejen na správné činnosti jednotlivých zařízení a stanic, ale též na jejich vzájemném sladění, které je potřebné k dosažení maximálního celkového efektu. 3.1.2
Historie a současnost výroby cukru u nás
Pěstování cukrovky a výroba cukru má na území současné České republiky tradici více než 170 let a stále patří k důležitým úsekům zemědělsko-potravinářské výroby. Řepařství ovlivnilo příznivě rozvoj rostlinné i živočišné výroby a zejména v oblastech vhodných pro pěstování cukrovky přispělo k hospodářské prosperitě zemědělců. Cukrovarnický průmysl zase přispěl významnou měrou k rozvoji dalších průmyslových odvětví, zejména strojírenství a oborů navazujících na zpracování cukru a melasy. Počátky průmyslové výroby cukru na našem území se datují od roku 1831, kdy došlo k rozvoji pěstování cukrovky a zakládání cukrovarů. Skutečným průmyslem se stává cukrovarnictví až po roce 1850 a jeho úroveň významně ovlivnila řada technologických postupů a strojních zařízení, vyvinutých českými cukrovarníky. Rozhodující nákladové položky při výrobě cukru tvoří: cukrovka 53 %, doprava a příjem cukrovky 7 %, výrobní náklady cukrovaru 36 %, skladování cukru 4 %. Koncem 90. let 20. století se v ČR vyrábělo 450 – 500 tis. t cukru ročně, což plně kryje tuzemskou spotřebu. Případný export dosahuje cca 50 tis. t, do budoucna lze uvažovat s exportem maximálně ve výši 10 % roční spotřeby (systém EU). V minulosti byl export cukru významnou komoditou zahraničního obchodu, vyváželo se 100 – 200 tis. t. Otázka exportu cukru je bezprostředně svázána se světovou výrobou a především cenou cukru. Světová výroba cukru dosahuje přes 135 milionů t ročně, z toho je asi 25 % řepného a 75 % třtinového cukru. Světové ceny cukru nejsou odrazem výrobních nákladů, ale řídí se vysloveně tržním mechanismem nabídky a poptávky. Žádný stát nevyrobí cukr za současnou světovou cenu nebo pod ní. Současná světová cena cukru je o 30 % nižší než náklady na výrobu cukru z cukrové třtiny v nejlepších pěstitelských oblastech světa. Světová cena cukru je velmi variabilní a je mimořádně závislá na světových zásobách obchodovatelného cukru.
Současná situace v pěstování cukrovky a ve výrobě cukru v ČR svědčí, že po značném zaostávání za úrovní a vývojem ve vyspělých státech v 80. a začátkem 90. let dochází postupně k přibližování se k evropskému průměru. Srovnání s cukrovarnicky vyspělými státy EU lze dokumentovat na několika základních ukazatelích: ČR EU výnos cukrovky (t/ha) 51 55 plocha na pěstitele (ha) 70 5 - 10 cena cukrovky (Kč/t) 1500 1500 cukernatost (%) 18,5 20 výtěžnost (%) 85 85 výnos rafin.cukru (t/ha) 8 9,3 zpracovatelská kapacita (t/d) 4 000 8 000 Řešení a zajištění stability v produkci cukrovky a cukru může přinést regulace trhu s cukrem v ČR, vycházející z logiky systému EU a umožňující v ČR dlouhodobě pěstovat cukrovku na 75 tis. ha. Regulační systém vychází z principů: • bezpečné ochrany trhu před spekulativními dovozy, • zavedení kvót, • podpory vývozu při zachování principu samofinancování uvnitř komodity. 3.1.3
Cukrovka
Cukrovka byla vyšlechtěna tak, aby při poměrně dlouhé vegetační době a v podmínkách úrodných půd mírného zeměpisného pásma poskytovala maximální výnosy cukru. Při pěstování na odlišných typech a druzích půd a v odchylném klimatu ztrácí cukrovka rychle schopnost vytvářet požadované výnosy a kvalitu. V Čechách jsou nejvhodnější podmínky pro pěstování cukrovky hlavně v Polabí, dolním Povltaví a v údolí Ohře, na Moravě je to oblast Hané, Hodonínsko, Břeclavsko, Znojemsko a Opavsko. V podmínkách ČR jsou pro cukrovku limitujícím faktorem srážky a jejich vhodné rozdělení. 3.1.3.1
Složení cukrovky a základní analytické pojmy
Kořen cukrovky (bulva) má sušinu 23 – 25 %, z toho je asi 5 % nerozpustného podílu, který se nazývá dřeň a tvoří jej především polysacharidy celulosa, pentosany, lignin a pektinové látky. Zbývající obsah sušiny tvoří rozpustné látky řepné šťávy, mezi nimiž převažuje sacharosa (16 – 18 %). Zbývajících asi 2,5 % připadá na skupinu látek, které se souhrnně nazývají rozpustné necukry (tímto pojmenováním se zdůrazňuje to, že do těchto látek nepatří sacharosa – cukr). Mezi rozpustné necukry patří monosacharidy – glukosa, fruktosa; oligosacharidy – raffinosa; organické kyseliny – šťavelová, jablečná, citronová, mléčná; saponin - bezdusíkatý glykosid, skládající se z β-D-glukuronové kyseliny a oleanové kyseliny; bílkoviny, aminokyseliny, amidy, betain – trimethylamin kyseliny octové; anorganické sole, tvořící popeloviny – kationty draselné, sodné, vápenaté, hořečnaté, amonné, anionty fosforečnanové, dusičnanové, chloridové aj.). K základním pojmům cukrovarnické analytiky patří: Obsah sušiny (% hm.), u roztoků se stanovuje nepřímo refraktometricky a nazývá se sacharizace S. Obsah sacharosy (cukru) (% hm.) se stanovuje polarimetricky na základě změny optické otáčivosti a nazývá se polarizace P. Rozdíl mezi sacharizací a polarizací je obsah necukrů N (% hm.). Velmi důležitou veličinou, která charakterizuje jakost jednotlivých mezivýrobků a výrobků je čistota (dříve kvocient čistoty) Q (% hm.), vyjadřující
obsah sacharosy v sušině. Z jednotlivých skupin necukrů se stanovuje obsah popela konduktometricky A (% hm.) a obsah redukujících látek (invert) RL (% hm.). V cukrovarnictví je obvyklé uvádět a počítat relativní množství mezivýrobků, výrobků a pomocných hmot, vztažené na hmotnost zpracované řepy, což se označuje jako (% n. ř.). 3.1.3.2
Technologická jakost cukrovky
Technologickou jakostí cukrovky se rozumí komplex mnoha vlastností řepy, mezi které patří vedle chemického složení též vlastnosti biologické, fyzikálně chemické i mechanické. Technologická jakost cukrovky se utváří na poli při pěstování, kde ji ovlivňuje řada faktorů, jako klimatické podmínky, odrůda, kvalita půdy, agrotechnika, výživa, závlaha, vegetační doba, výskyt chorob a škůdců a z toho vyplývající ochrana cukrovky během vegetace aj. Na technologickou jakost cukrovky má rovněž vliv kvalita, způsob sklizně a sklízecí technika a totéž se dá říci o dopravě a skladování. Při skladování cukrovky ovlivňuje její technologickou jakost v posklizňovém období vedle klimatických podmínek též chemická ochrana a větrání. 3.1.3.3
Sklizeň a skladování cukrovky
Pěstování cukrovky, její sklizeň, přejímka, skladování a zpracování představují proces, jehož úspěšné zvládnutí je možné jen při dobré organizaci a návaznosti jednotlivých dílčích etap. Vzhledem ke krátké době sklizně a omezené skladovatelnosti cukrovky je cukrovarnictví průmyslem kampaňovým, jehož činnost je soustředěna do období září až prosinec kalendářního roku. Sklizeň cukrovky probíhá podle časového harmonogramu sklizně a dodávek cukrovky do závodu. Při skladování sklizené cukrovky probíhají složité biologické, mikrobiologické a chemické pochody, které mají za následek jak změnu složení cukrovky, tak především ztráty cukru. Při skladování je nutno zabezpečit takové podmínky, aby tyto ztráty byly minimální. Ztráty cukru při skladování závisejí vedle zdravotního stavu cukrovky především na teplotě a klimatických podmínkách. Denní ztráty cukernatosti při skladování jsou cca 0,035 %, průměrná doba skladování cukrovky je 15 - 20 dnů. Doba skladování cukrovky souvisí se zpracovatelskou kapacitou cukrovarů, se zvyšující se kapacitou cukrovarů se doba skladování prodlužuje. 3.1.3.4
Přejímka cukrovky
Cukrovka se přejímá podle cukernatosti a k tomu účelu jsou cukrovary vybaveny surovinovými laboratořemi. Na Obr. 3.1 je znázorněna analytická část takovéto laboratoře vybavená automatickým systémem BETALYSER (firma Dr. Kernchen, Německo), který se skládá z plamenového fotometru (stanovení K, Na), spektrofotometru (stanovení αaminodusíku) a automatického polarimetru (stanovení obsahu cukru), včetně příslušného počítačového vyhodnocení analýz a zpracování výsledků. Po odečtení minerálních a rostlinných příměsí podle výsledků prací zkoušky lze na základě těchto analytických údajů vypočítat předpokládané ztráty cukru ve vyrobené melase cM (% n. ř.), resp. výtěžnost rafinovaného cukru BZ (% n. ř.) vyplývající ze složení cukrovky: cM = a . wK+Na + b . wa-N + c
(3.1)
BZ = P - cM - 0,6
(3.2)
wK+Na obsah alkalických kovů (%), wa-N obsah α-aminodusíku (%),
P
obsah cukru, cukernatost, digesce (%).
Obr. 3.1 Automatický systém BETALYSER 3.1.4 3.1.4.1
Manipulace s řepou Ukládka řepy
Manipulaci s řepou, tj. skládání z povozů, separaci nečistot a dopravu je možno provádět mokrým (kombinovaným) nebo suchým způsobem. Jako progresivní lze doporučit suchý způsob, který se používá u moderních cukrovarů. Vlastním prostorem ukládky jsou povrchové mělké splavy, na které se řepa vrší pomocí ukládacího stroje na hromady o výšce 6 - 8 m. Uprostřed splavu je plavicí kanál (kyneta, Riedinger), široký 30 - 50 cm, hluboký 60 - 100 cm. Vyskladňování řepy z ukládky se provádí proudem vody pomocí splachovacích hubic Főlsche, které jsou rozmístěny podél ukládky. Při trvale vysokém znečištění řepy dodávané do cukrovaru a nedostatečné funkci separačních zařízení na odloučení balastu se doporučuje ukládat předepranou řepu. Samotné předeprání řepy bez následné aktivní chemické ochrany je neúčinné, spíše škodlivé, neboť praním se ztrácí přirozené ochranné látky, které se nacházejí v epidermu bulvy. Po výstupu z pračky je řepa oplachována vodou a dezinfikována vápenným mlékem nebo chemickými fungicidními prostředky. Předepraná řepa se ukládá na akumulační část ukládky, kde je aktivně větrána vzduchem vháněným do prostoru ukládky pomocí ventilátorů. V případech, kdy dojde v důsledku teplotních změn k poškození buněk v pletivech řep, ať již se jedná o zapaření při vyšších teplotách nebo zmrznutí při teplotách nižších než –9 °C, jsou narušeny normální fyziologické procesy, které probíhají ve sklizených řepách. Pak mluvíme o tzv. alterované řepě, protože vzápětí po teplotním poškození dochází k enormnímu rozvoji bakterií, kvasinek, plísní a k následným chemickým změnám, které se projevují inverzí sacharosy a nárůstem obsahu redukujících látek a kyseliny mléčné. Při alteraci
dochází dále k odbourávání makromolekul pektinu pektolytickými enzymy, produkovanými plísněmi. To má za následek, že bulvy měknou, vznikají pektiny s nízkou molekulovou hmotností, které se rozkládají až na kyselinu galakturonovou a tato se chová podobně jako redukující látky. Odbourané pektiny silně zhoršují filtrační vlastnosti šťáv a zvyšují též kompresibilitu kalu. V důsledku mikrobielní činnosti půdních mikroorganismů dochází k slizové hnilobě alterovaných řep a produkci polysacharidů dextranu a levanu, které podobně jako pektiny zhoršují filtrační vlastnosti šťáv. 3.1.4.2
Doprava a praní řepy
Doprava řepy ze splavů se provádí hydraulicky ve vyspádovaných plavicích kanálech, ať již jsou to hluboké betonové podpovrchové kynety nebo visuté plechové plavicí žlaby. Rychlost proudu řepy s vodou s ohledem na přítomnost příměsí (písek, kameny, hlína, chrást, plevel) nesmí klesnout pod 0,9 m s-1, kdy dochází k usazování pevných příměsí na dno kynety a k jejich ucpávání. Ke zvednutí dopravované řepy s vodou z hluboké kynety do plavicího žlabu, umístěného na ocelové konstrukci ve výšce 3 - 5 m nad zemí, se používá řepné čerpadlo. K separaci kamenů, hlíny a písku se používají nejrůznější lapače kamenů, které pracují na principu sedimentace těžších příměsí při snížené rychlosti proudění. Plovoucí rostlinné příměsi – chrást, plevel, tráva, se separují pomocí lapačů chrástu. Po separaci kamenů a chrástu následuje oddělení špinavé plavicí vody. Na úseku plavicích a pracích vod se výhradně pracuje s uzavřeným okruhem vod, spotřeba plavicí vody je 400 - 800 % n. ř. Plavicí a prací vody se zbavují sedimentu v dekantérech nebo usazovacích jámách. Voda používaná k praní řepy nemá být teplejší než 20 °C, má být neutrální a co nejméně kontaminovaná. V pračce dochází k dodatečné separaci kamenů a písku. Moderní prací linky kombinují všechny typy řepných praček – bubnové, žlabové a tryskové. Nedílnou součástí linky na příjem a praní řepy je linka na zachycení a zpracování řepných úlomků a kořínků. Stoupající mechanizace prací při sklizni, dopravě a příjmu řepy zvyšuje množství řepných úlomků a kořínků, jejichž množství se pohybuje okolo 2 - 5 %, obsah cukru 5 - 8 % i více. Zpracováním úlomků a kořínků se zvýší výtěžnost cukru z řepy o 0,35 - 0,70 % n. ř., což je pro ekonomiku provozu značně důležité. 3.1.4.3
Doprava řepy k řezačkám a výroba sladkých řízků
Aby se účinně předešlo možné kontaminaci zařízení při těžení šťávy, je nutno vypranou řepu za pračkou dezinfikovat, neboť prakticky veškerá kontaminace je na povrchu bulev. K dezinfekci povrchu vyprané řepy se používá vápenné mléko, suspenze chlorového vápna, roztok chlornanu sodného nebo prostředek na bázi aktivního jódu. Řepa je na řezačkách rozřezána na sladké řízky, u nichž převažuje tzv. žlábkovitý (stříškovitý) tvar. Řezačky jsou deskové nebo bubnové, s trojúhelníkovými noži (Gollerovy nože), upevněnými v nožových vložkách. Sladké řízky se dopravují pásovým dopravníkem k automatické pásové váze a dále do extraktoru. Automatická pásová váha udává čistou hmotnost zpracovávané řepy a tento údaj slouží jak pro výpočet bilance výroby a ztrát, tak i pro placení za řepu pěstitelům. Kvalita sladkých řízků se hodnotí podle délky 100 g řízků, vyjádřené v m (je to ve skutečnosti nepřímý údaj o měrném povrchu řízků) a podle obsahu drti (%), což jsou řízky kratší než 1 cm. Doporučená délka 100 g řízků je od 10 do 20 m, obsah drti pak 5 %, skutečné délky řízků jsou od 5 do 16 m a obsah drti od 7 do 10 %.
3.1.5
Těžení šťávy a vyslazené řízky
3.1.5.1
Extrakce a difuze
Při těžení šťávy se uplatňují dva fyzikální pochody: volná extrakce a difuze. Volná extrakce látek řepné šťávy z otevřených buněk závisí na povrchu řízků a stupni otevření (poškození) řepných buněk řezem. V praxi se jedná asi o jednu třetinu buněk. Difuzí látek řepné šťávy umrtvenou buněčnou stěnou se získají zbývající dvě třetiny množství cukru. Aby se buněčná stěna stala propustnou pro sacharosu, je nutno protoplasmu denaturovat zahřátím na teplotu nad 70 oC. Při těžení šťávy dochází k dalším chemickým, enzymovým a mikrobiologickým přeměnám všech látek, které se účastní extrakčního a difuzního procesu. Při extrakci a difuzi přecházejí z řepné šťávy i z dřeně do roztoku kromě sacharosy i další látky. Především se jedná o pektiny, bílkoviny a popeloviny. Přechod pektinových látek do roztoku závisí na teplotě, pH a času. Z technologického hlediska je nutné vést extrakci tak, aby přechod pektinových látek do roztoku byl minimální, neboť pektiny se při následujícím čištění šťáv odstraní pouze z jedné třetiny. V alkalickém prostředí vytvářejí pektát vápenatý a ten způsobuje potíže jak při extrakci, tak i při filtraci, krystalizaci a odstřeďování a projevuje se též ve zvýšené výrobě melasy. S ohledem na minimalizaci přechodu pektinových látek platí pro extrakci následující podmínky: • teplota se nesmí zvyšovat nad 80 oC (volí se mezi 70 - 75 oC), záleží též na kvalitě cukrovky; u zdravé cukrovky lze pracovat s vyšší teplotou, u alterované cukrovky je nutné pracovat s nižší teplotou; • doba pobytu řízků v extraktoru do 120 min; • pH při extrakci je nutno udržovat na hodnotě okolo 5,8. Procesy extrakce a difuze lze teoreticky popsat pomocí Fickových zákonů: 1. Fickův zákon (v diferenciální formě) dm = - D . A . dc/dx . dτ
(3.3)
2. Fickův zákon (ve tvaru parciální diferenciální rovnice) ∂c/∂τ = D . (∂ 2c/∂x2 + ∂ 2c/∂y2+ ∂ 2c/∂z2) m D A c
τ
x,y,z
(3.4)
množství difundující sacharosy, difuzní koeficient, plocha fázového rozhraní (povrch extrahovaných řízků), koncentrace sacharosy, doba extrakce, lineární rozměry řízku, tloušťka řízku je x.
Protože rychlost difuze částic je nepřímo úměrná jejich velikosti, difundují z umrtvených buněk nejrychleji jednoduché soli, zřetelně pomaleji sacharosa, nejpomaleji pak koloidně dispergované látky. Dlouhá doba extrakce je tedy nevýhodná, protože dochází ke zhoršení jakosti šťávy přírůstkem obsahu necukrů. Do extraktu rovněž přechází část zkoagulovaných bílkovin z otevřených buněk.. Podle níže uvedeného bilančního schématu stanice extrakce lze sestavit rovnice bilance sušiny a bilance sacharosy a na jejich základě pak vypočítat hmotnostní odtah, tj. množství surové šťávy m2.
1 - sladké řízky
4 - vyslazené řízky EXTRAKTOR
2 - surová šťáva
3 - voda
Bilance sušiny a sacharosy m1S1 = m2S2 + m4S4 (3.5)
m1P1 = m2 P2 + m4 P4
(3.6)
Výpočet hmotnostního odtahu surové šťávy m2 (% n. ř.) S4 P1 - S1P4 m2 = -------------------- . m1 m S P 3.1.5.2
množství (% n. ř.), obsah sušiny (%), obsah sacharosy (%).
(3.7)
S4 P2 - S2 P4
Extraktory
K těžení surové šťávy z řepných řízků se používají extraktory, což jsou mechanizované a plně automatizované kontinuální aparáty s protiproudným tokem řízků a extrakční kapaliny. Šťáva se těží tak, že se řepné řízky nejprve prohřejí ve spařovacím mísidle a pak se extrahují ve vlastním extraktoru vodou při teplotě 70 - 75 oC nebo se řízky vedou přímo do extraktoru, v jehož vstupní části dojde zahřátím na teplotu 75 oC k tepelné denaturaci buněčné stěny. Nejčastěji se vyskytující konstrukce extraktorů jsou extraktory věžové, žlabové a bubnové. Hlavním cílem řízení extraktoru je dosáhnout stabilizace hmotnostních toků a teplot. Od hmotnostního průtoku sladkých řízků se odvozuje přítok extrakční vody, která se skládá z vracené řízkolisové vody a čerstvé přídavné vody. Základním pravidlem řízení je dodržovat poměr průtoku sladkých řízků a extrakční vody, přičemž je nutno zpracovat veškerou vracenou řízkolisovou vodu. Měření a regulace teploty v extraktoru zabezpečuje dodržení teplotního režimu v jednotlivých místech extraktoru, teplota se snímá odporovými teploměry. Automaticky je rovněž zajištěna úprava pH přídavné vody a časové odměřování dezinfekčního prostředku podle naměřené hodnoty pH v jednotlivých místech extraktoru. Technologické požadavky na extraktory je možno shrnout do následujících bodů: a) vyslazení řízků na 0,2 - 0,4 % cukru při sušině 8 %, což představuje tzv. známé ztráty při extrakci; b) doporučuje se pracovat s odtahem 105 - 115 % n. ř.; c) doba průchodu řízků extraktorem - 90 - 110 min; d) požadavek co nejrychlejšího prohřátí na teplotu nad 60 oC na začátku extraktoru, účinkem teploty se rovněž potlačuje rozklad sacharosy mikrobiologickou nebo enzymatickou cestou, nejlépe je splněno u extraktorů se souproudným spařováním řízků;
e) f) g) 3.1.5.3
nízká spotřeba mechanické a tepelné energie - tepelné hospodářství je výhodné u extraktorů se zabudovaným tepelným výměníkem na ohřev řízků horkou šťávou, spotřeba energie je největší u věžových extraktorů; vysoká kvalita surové šťávy, nízký obsah drtě; minimální mechanické poškození vyslazených řízků. Mikrobiologická kontaminace při extrakci
Výši neznámých ztrát při těžení šťávy (pohybují se okolo 0,1 % n. ř.) ovlivňuje rozhodujícím způsobem činnost mikroorganismů. Primárním zdrojem mikrobiálního znečištění je půda ulpělá na cukrovce. Další kontaminace je vnášena nedostatečně odloučenou plavicí vodou a dále přídavnou vodou, především vracenou řízkolisovou vodou. Surová šťáva představuje pro činnost mikroorganismů ideální prostředí, a to jak z hlediska složení (sacharosa, pektiny, organické kyseliny, aminokyseliny aj.), hodnoty pH (hodnota pH okolo 6,0 je pro růst bakterií vyhovující) i teploty. Při teplotách 15 - 45 oC se rozmnožují mesofilní mikroorganismy, které se uplatňují především u štávního konce extraktoru. Jedná se především o aerobní a fakultativně anaerobní bakterie pocházející z půdy, které rozkládají sacharidy za vzniku organických kyselin. Spory těchto mikroorganismů, přežívající teplotu nad 100 oC, patří do rodu Bacillus. Dále jsou to kvasinky, plísně a slizotvorné bakterie, produkující polysacharidy, a to dextrany nebo levany. Termofilní mikroorganismy, jejichž teplotní rozmezí růstu je mezi 45 – 80 oC mají dobré podmínky pro svou činnost uprostřed extraktoru a na jeho vodním konci. Jsou to aerobní a fakultativně anaerobní bakterie pocházející z půdy, dále kokovité bakterie, anaerobní sporotvorné bakterie aj. Nejběžnějším metabolitem degradace sacharosy je kyselina mléčná (asi 80 % rozloženého cukru) a kyselina octová. Kyselina mléčná se při vyslázení následně uvolňuje z řízků a snižuje pH šťávy pod hodnotu 5,8 při 20 oC. Tento pokles pH je jedním z faktorů, který signalizuje mikrobiologickou kontaminaci extraktoru. Má-li se v provozu těžit šťáva pokud možno sterilně, docílí se toho při teplotách 70 - 75 o C pouze při současném použití dezinfekčních prostředků. Obecně platí zásada: čím nižší teplota na extrakci, tím vyšší spotřeba dezinfekčních prostředků. Z dezinfekčních prostředků se nejčastěji používá technický formalin (asi 40% vodný roztok formaldehydu), chlornan sodný (vodný roztok NaClO, obsahující 14 - 15 % aktivního chloru), Persteril (36 40% vodný roztok silně korosivní kyseliny peroctové CH3COOOH), prostředky na bázi aktivního jódu, dithiokarbamáty aj. Dezinfekci je nutno provést vždy při každém přerušení provozu extraktoru. Pravidelně je nutno věnovat pozornost dezinfekci řízkolisových vod, u nichž lze dosáhnout téměř úplné technické sterility pasterací při teplotě 80 - 100 °C po předchozím odstranění drtě. 3.1.5.4
Lisování řízků
Vyslazené řízky představují důležitý odpad při zpracování cukrovky. Jsou cenným krmivem, které je možno zkrmovat přímo nebo konzervované silážováním či sušením. Výroba vyslazených řízků závisí na obsahu dřeně a pohybuje se okolo 80 % n. ř. při sušině 8 %. První operací konzervace vyslazených řízků je mechanické odstranění vody lisováním, kdy se získají řízky o sušině 15 - 25 %. Účinnost lisování závisí vedle strojně technických parametrů lisů především na fyzikálních vlastnostech řízků, teplotě a hodnotě pH. Oddělení vody mechanickým lisováním od dřeně úzce souvisí s vysokým obsahem pektinu v řepné dřeni. Je známo, že pektin se může chemicky i enzymaticky rozkládat na produkty, které silně
zhoršují lisovatelnost řízků. Proto je nutné eliminovat všechny vlivy, které mohou hydrolýzu pektinu způsobit. Účinnost lisování lze zvýšit (až na 30 - 35 % sušiny) přídavkem vápenatých nebo hlinitých solí, jejichž účinkem se rozpustný pektin opět vysráží. 3.1.5.5
Silážování řízků
Silážování je způsob biochemické a chemické konzervace, který má zabránit vysokým ztrátám sušiny. Normální ztráty sušiny při silážování jsou 15 %, u špatných siláží se jedná až o 40 % ztráty. Siláž z řepných řízků je výborné objemové krmivo, řepná vláknina není v něm lignifikovaná, a proto je lehce stravitelná nejen pro skot, ale i pro prasata. Aby byla zachována dobrá jakost silážovaných řízků, je nutno dodržet následující podmínky: a) zasilážování je nutno provést co nejrychleji, pokud možno do 24 h, je nutno omezit na minimum meziskladování na dvoře cukrovaru, jinak nastává rozvoj kvasinek a rozklad cukru, který pak v substrátu chybí a neproběhne v něm žádané mléčné kvašení; b) siláž je nutno co nejdříve hermeticky uzavřít a zabránit styku řízků se vzduchem a vodou, např. zakrýt nepropustnou folií, vytlačit ze siláže vzduch; c) pro silážování jsou vhodné řízky o sušině okolo 20 % (vysoká sušina řízků působí zvýšení osmotického tlaku, což spolu s kyselostí silně inhibuje rozvoj máselných a proteolytických bakterií), teplota silážovaných řízků má být 50 °C s následujícím snižováním teploty o 1 °C denně. Při silážování musí být vytvořeny podmínky pro mléčné kvašení. Je-li intenzivní, sníží se pH pod 4 a tím se zablokuje fermentační aktivita všech ostatních zárodků. Při nedostatečném mléčném kvašení, např. za nízké teploty, nastává máselné kvašení, vytváří se kyselina máselná (jako produkt činnosti Bacillus butyricus), která má nepříjemný, pronikavý zápach a je pro zvířata toxická. Rovněž mykotoxiny jako produkty různých plísní na silážích jsou pro zvířata nebezpečné. Pro zvířata je důležitá textura, vůně a barva siláže. Silážované řízky mají zůstat tuhé a málo zbarvené. Změknutí až ztekucení řízků dělá siláž pro zvířata nepoživatelnou, i kdyby měla odpovídající chemické složení (max. kyseliny mléčné, min. kys. octové a žádnou kys.máselnou). V poslední době se rozšiřuje technologie silážování objemové píce i vyslazených řízků do nepropustných polyethylenových vaků. Vaky se plní speciálními lisy, které z materiálu vytlačí vzduch a nepropustná folie udrží anaerobní prostředí po celou dobu skladování. Naplněný vak má kruhový průřez o průměru 3 m, dlouhý může být až 70 m a pojme asi 300 t řízků. Při plynulém přísunu materiálu trvá jeho naplnění 3 - 4 h. Siláž je možno zkrmovat již několik dní po uzavření vaku. 3.1.5.6
Sušení řízků
Jedná se o dlouhodobý způsob konzervace lisovaných řízků. Sušené řízky totiž lze skladovat bez nebezpečí jejich znehodnocení, mají velmi dobrou stravitelnost a používají se k přípravě krmných směsí. Sušení lisovaných řízků je energeticky vysoce náročný proces. Spotřeba energie na sušení veškeré produkce lisovaných řízků představuje asi 1/3 celkové spotřeby energie v celém cukrovaru a je příčinou řady problémů se znečišťováním okolního prostředí v případě sušení v bubnových sušárnách s přímým spalováním. Spotřeba tepla se pohybuje od 3 000 do 3 500 kJ kg-1 odpařené vody. Nejdůležitějším kriteriem jakosti sušených řízků je jejich obsah sušiny, který má být 88 - 90 %. Z hlediska tepelné bilance je výchozí sušina lisovaných řízků důležitější než konečná sušina řízků suchých. Vývojové trendy v sušení řízků, které vedou ke snížení spotřeby energie, uplatňují zejména:
• • • •
maximální možné mechanické odvodnění řízků před sušárnou; předsoušení lisovaných řízků odpadním teplem v cukrovaru; sušení pomocí kouřových plynů; využití přehřáté páry k sušení.
3.1.6
Čištění šťáv
Surová šťáva, která opouští extraktor, má sacharizaci S = 15 %, čistotu Q = 85 - 90 % a slabě kyselou reakci - pH 6,0 - 6,3. Vedle sacharosy obsahuje řadu dalších rozpuštěných látek, které je nutno odstranit. Jedná se především o koloidně dispergované látky, bílkoviny, saponin, polysacharidy, barevné látky aj. Hnědočerné až černé zbarvení surové šťávy způsobuje především přítomnost melaninů a komplexních sloučenin s ionty Fe. Melaniny vznikají ve sladkých řízcích a v surové šťávě enzymovou i neenzymovou oxidací polyfenolů. Obsah koloidně dispergovaných látek v surové šťávě se mění v závislosti na kvalitě zpracovávané cukrovky a podle způsobu práce při těžení šťávy na extrakci. Koloidně dispergované látky komplikují další zpracování šťáv především tím, že vytváří s vápnem slizovité komplexy, které jsou příčinou špatně filtrovatelnosti. Důležitou roli v technologii hraje dále vznik a přeměna redukujících látek a rozklad amidů. Vzhledem k tomu, že přímé získání cukru ze surové šťávy je technicky velmi obtížné a neekonomické, podrobuje se surová šťáva čištění, neboli epuraci. Hlavním cílem epurace je: a) odstranit maximální podíl rozpuštěných necukrů, b) odstranit pevné látky přítomné ve šťávě, c) neutralizovat a dezinfikovat surovou šťávu, d) minimalizovat rozklad sacharosy, e) získat šťávy s vysokou tepelnou odolností (malá změna barvy a nízký pokles pH při odpařování). Obecně se ustálil postup čištění surové šťávy pomocí vápenného mléka a oxidu uhličitého. Použití vápna se osvědčilo nejen pro svou speciální vhodnost, ale i pro relativně nízkou cenu. Přebytek vápna z roztoku se odstraňuje saturací oxidem uhličitým za tvorby sraženiny uhličitanu vápenatého, která slouží jako dobrý adsorpční a filtrační prostředek. Epurace se skládá z následujících operací: předčeření, dočeření, 1. saturace, separace kalu, 2. saturace, filtrace a úprava lehké šťávy před odparkou. 3.1.6.1
Chemické reakce při čeření šťáv
Účinkem vápna, vápenatých a hydroxylových iontů probíhají při epuraci následující pochody: a) vysrážení a rozklad vysokomolekulárních necukrů - pektinu, bílkovin, arabanu a galaktanu; b) vysrážení aniontů (fosforečnanů, síranů, citranů, jablečnanů, šťavelanů aj.) ve formě vápenatých solí; v přítomnosti sacharosy a s rostoucí alkalitou se rozpustnost vápenatých solí zvyšuje; c) vysrážení hořečnatých iontů ve formě hydroxidu hořečnatého; d) důležitou skupinou rozkladných reakcí při čeření jsou reakce oxalogenní, při nichž se vysráží šťavelan vápenatý: patří k nim reakce kyseliny glyoxylové, která přechází vnitřní oxidací a redukcí na kyseliny glykolovou a šťavelovou, dále pomalý rozklad oxaminové kyseliny a allantoinu na močovinu a kyseliny glykolovou a šťavelovou; e) odbourání invertního cukru, galaktosy a kyseliny galakturonové za vzniku kyseliny mléčné, dále se tvoří kyselina mravenčí, octová, arabanová a sacharinová; probíhá-li
f) g) h)
odbourání invertního cukru za anaerobních podmínek, vznikají příslušné aldehydy, tj. formaldehyd, acetaldehyd; v přítomnosti vzdušného kyslíku se zabrání tvorbě α-dikarbonových sloučenin, které reagují s aminokyselinami podle Streckerovy reakce, přičemž se z aminokyselin tvoří těkavé aldehydy a pyraziny; zmýdelnění glutaminu na kyselinu pyrolidonkarbonovou a asparaginu na kyselinu asparagovou; do vápenaté sraženiny se strhávají částice řepné drtě, bakterie a jejich spory.
Aby proběhly všechny výše uvedené reakce a pochody, k tomu stačí poměrně malý přídavek vápna - 0,2 - 0,3 % CaO n. ř. Získaná sraženina by ale byla velice obtížně separovatelná a šťávy by nebyly termostabilní. Z toho důvodu následuje za předčeřením hlavní čeření, kdy se pracuje s daleko vyšším přídavkem vápna, čímž se získají šťávy stabilní, dobře sedimentující a filtrovatelné. Přebytek CaO se totiž následující saturací plynným CO2 převádí v krystalický CaCO3, který slouží jako vhodný filtrační prostředek, na jehož povrchu se adsorpcí zachycují barevné látky a vysrážené necukry. 3.1.6.2
Předčeření
Předčeření ve velké míře ovlivňuje celý proces čištění šťáv. Dochází zde k: • vysrážení nerozpustných a těžko rozpustných vápenatých solí; • dehydrataci silně hydratovaných koloidů; • odstranění koloidně dispergovaných látek - bílkovin, pektinových a barevných látek ve formě snadno sedimentující a filtrující sraženiny. Přídavek vápna na předčeření je 0,25 - 0,40 % CaO n. ř. Nejlepších výsledků je dosahováno při progresivním předčeření, které do cukrovarnictví zavedli Vašátko a Dědek. Při postupné alkalizaci surové šťávy vápenným mlékem dochází ke koagulace bílkovin a vzniká hrubozrnná sraženina, která je základem pro dobře filtrovatelný kal. pH se postupně zvyšuje až k hodnotě pH 11. Doba zdržení šťávy v předčeřiči závisí na teplotě. U studeného způsobu při 30 °C je to 25 min, u poloteplého při 50 - 60 °C 10 - 15 min, u horkého způsobu při 85 °C pak 5 - 7 min. 3.1.6.3
Dočeření
Po vysrážení koloidně dispergovaných látek a necukrů, k němuž dojde při předčeření, následuje dočeření s větším přídavkem vápna. Při pH 12 a teplotě nad 85 °C dochází k reakcím, při nichž se rozkládají především amidy aminokyselin, invertní cukr a oxalogenní látky. Tyto rozkladné reakce vyžadují určitou dobu, aby proběhly co nejúplněji a získaly se šťávy termostabilní, jejichž jakost se působením tepla již dále nezhoršuje. Přídavek vápna na dočeření je 1,0 - 1,6 % CaO n. ř., teplota 85 - 90 °C, doba 10 - 15 min. Z hlediska získání světlých šťáv je výhodné vhánět do šťávy během čeření vzduch. K odměřování dávek vápenného mléka na předčeření a dočeření, ev. do dalších míst epurace se používají odměrky různých typů. Většina odměrek dávkuje vápenné mléko objemově, přesnější však jsou odměrky, které dávkují vápenné mléko podle hustoty. 3.1.6.4
1. saturace
Jestliže předčeření a čeření je chemický způsob čištění šťávy, tak následující 1. saturace je doplňkovým fyzikálně chemickým čištěním. Hlavním cílem 1. saturace je vysrážet krystalický uhličitan vápenatý, na jehož povrchu se pak adsorbují barevné látky, povrchově
aktivní látky a další necukry. Krystalický uhličitan vápenatý rovněž urychluje filtraci šťávy. Základní srážecí reakcí je reakce mezi hydroxidem vápenatým a kyselinou uhličitou Ca(OH)2 + H2CO3 → CaCO3 + 2 H2O Při saturaci se do sraženiny dále strhuje volné vápno a dochází ke vzniku sacharátů a cukrokarbonátů. Cukrokarbonáty jsou komplexní sloučeniny obsahující sacharosu, vápno a uhličitan vápenatý a tvoří objemnou sraženinu, která se v konečné fázi saturace rozkládá a vznikají kladně nabité částice CaCO3, které působí jako účinný adsorbent během saturace C12H21O11- Ca-CO3-Ca-C12H21O11 → +Ca-CO3-Ca+ kladně nabité částice Vedle základní chemické reakce mezi hydroxidem vápenatým a kyselinou uhličitou probíhají při saturaci další fyzikálně chemické procesy: • rozpouštění plynného CO2 v kapalné fázi, absorpce CO2; • rozpouštění tuhého Ca(OH) 2; • krystalizace CaCO3. Pro správný průběh 1. saturace je nutné zajistit dokonalé promíchání kapalné a plynné fáze a co nejvyšší využití CO2. Rychlost absorpce CO2 je přímo úměrná koncentračním spádu koncentrací CO2 v plynné a kapalné fázi a měrné ploše mezifázového rozhraní, což je součet povrchových ploch bublin saturačního plynu přiváděného do roztoku. 1. saturace probíhá při teplotě 80 - 82 °C. Řízení alkality šťávy v průběhu 1. saturace zajišťují provozní pH metry. Alkalita šťávy po 1. saturaci dosahuje 0,08-0,10 g CaO/100 ml a tomu odpovídá pH 11. Je-li alkalita vyšší, jedná se o nedosaturovanou šťávu, která se vyznačuje špatnou filtrací a vyššími ztrátami sacharosy v důsledku tvorby komplexů cukrokarbonátů a sacharátů, sraženina CaCO3 je disperzní, nastává dobrá adsorpce, a resultují světlé šťávy. Je-li alkalita nižší, jedná se o přesaturovanou šťávu (0,05 - 0,07 g CaO/100 ml), která má velmi dobré filtrační a sedimentační vlastnosti, ovšem její kvalita je nevyhovující – má vysoké zavápnění, tmavou barvu a nízkou čistotu. Zhoršení kvality šťávy při přesaturování je nebezpečné z hlediska následné tvorby inkrustací. 3.1.7
Separace kalu po 1. saturaci
Oddělování kalu ze šťávy po 1.saturaci se provádí sedimentací a filtrací. Rozeznáváme dva způsoby práce: • dvoustupňová filtrace - kal se nejprve zahušťuje v dekantérech nebo zahušťovacích filtrech, zahuštěný kal se pak filtruje na membránových komorových filtrech, mechanizovaných kalolisech nebo vakuových rotačních filtrech; • jednostupňová filtrace - veškerý objem kalné šťávy po 1. saturaci se filtruje na membránových komorových filtrech nebo mechanizovaných kalolisech. 3.1.7.1
Dekantéry
Moderní dekantéry mají malou výšku a maximální usazovací plochu. Tomuto požadavku vyhovují několikapatrové dekantéry umístěné nad sebou. Kalná šťáva, obsahující 5 - 6 % kalových částic, se v dekantéru rozdělí na čirý dekantát, který představuje asi 80 % objemu původní šťávy a na zahuštěný podíl, představující zbývajících 20 %. Zahuštěný podíl obsahuje 16 - 20 % kalových částic, jeho hustota je 1 150 – 1 200 kg m-3. Čirý podíl může obsahovat maximálně 20 mg kalu/100 ml. Celková doba prodlevu šťávy v dekantéru je od 40
do 70 min. Při delší době zdržení a při nízkých teplotách šťávy pod 80 °C dochází v dekantéru ke zhoršení kvality šťávy v důsledku mikrobiální kontaminace, poklesu alkality, nárůstu koncentrace barevných látek a zvýšeného zavápnění šťávy (vyšší obsah rozpustných vápenatých solí). Zahuštěný podíl z dekantéru se vede dále na druhý stupeň filtrace, část zahuštěného podílu se vrací na předčeření. Při zpracování alterované řepy se doporučuje použít ke zlepšení sedimentačních vlastností šťávy flokulační činidla. Nejpoužívanější jsou polymery akrylamidu nebo kopolymery akrylamidu a akrylátu sodného. Vazbou flokulantu a kalových částic se vytvářejí velké shluky kalových částic, které dobře sedimentují. Nezbytnou podmínkou správné funkce flokulačních činidel je jejich dokonalé promísení se šťávou. Přídavek flokulantů do kalné šťávy se pohybuje okolo 0,01 - 0,02 %. 3.1.7.2
Zahušťovací filtry
Použití zahušťovacích filtrů pro první stupeň separace kalu z 1. saturované šťávy přináší ve srovnání s dekantéry výhody spočívající v tom, že v jednom zařízení probíhá dekantace i filtrace, takže se získá na jedné straně dokonale čirý filtrát a na druhé straně dostatečně zahuštěný kalový podíl. Zahušťovací filtry mají vyšší výkonnost, separace kalu ze šťávy je zde značně efektivnější a doba zdržení šťávy ve filtru je podstatně kratší, takže nedochází ke zhoršování kvality šťávy a ke vzniku barevných látek. Kontinuální zahušťovací filtr (Obr. 3.2) se skládá z válcové nádoby s kuželovým dnem (1), filtrační vestavby (2) a rozdělovací hlavy (3). Filtrační vestavbu tvoří filtrační články, povlečené filtrační plachetkou, připevněné na trubkovém roštu a rozdělené do několika sekcí. Hnací silou při filtraci je tlakový rozdíl, který je zajištěn nátokem kalné 1. saturované šťávy z nádrže, umístěné v dostatečné výšce nad stanicí filtrace. V jednotlivých sekcích zahušťovacího filtru probíhají postupně tyto fáze pracovního cyklu: a) filtrace - kalná šťáva (4) se přivádí do vnitřního prostoru filtru, šťáva protéká plachetkou dovnitř filtračního článku a odtud se odvádí sběrnou trubkou (5) přes rozdělovací hlavu (3) a vytéká jako filtrát (6); tlakový rozdíl je 80 kPa tato fáze trvá asi 10 min; b) shození koláče a zpětný proplach - do vnitřního prostoru filtračního článku se pod tlakem o 50 kPa vyšším než je filtrační tlak přivádí filtrovaná šťáva; tímto zpětným tokem (7) dochází k odhození filtračního koláče z povrchu filtračního článku a zároveň k regeneraci plachetky; doba zpětného protlaku je 30 s; koláč padá ke dnu filtru, kde se homogenizuje míchadlem (8) a odvádí jako zahuštěný podíl (9). Obr. 3.2 Kontinuální zahušťovací filtr Střídání těchto fází pracovního cyklu v jednotlivých sekcích filtru zajišťuje rozdělovací hlava, která je spojena se všemi sekcemi filtru. Funkce rozdělovací hlavy je v širokém rozmezí programovatelná.
3.1.7.3
Mechanizované kalolisy a membránové komorové filtry
U filtrace na tlakových filtrech (kalolisy, membránové komorové filtry) nebo vakuových rotačních litrech je hlavní hnací silou procesu rozdíl tlaků před a za filtrační přepážkou. Klasické kalolisy (tlakové rámové filtry) byly fyzicky značně náročné na manuální obsluhu, často u nich docházelo k netěsnostem, stříkání šťávy apod. Od 60. let byly do cukrovarů zaváděny mechanizované kalolisy, u nichž je řada pracovních funkcí zmechanizována. Nejčastěji se jedná o horizontální tlakové kalolisy, skládající se z komorových desek, mezi nimiž je vložena filtrační plachetka v podobě nekonečného pásu. Filtrační plachetka je ke středu filtračních desek připevněna šroubením. Doba pracovního cyklu je 60 min, z toho doba filtrace 30 min. Ve srovnání s ostatními způsoby filtrace jsou u mechanizovaných kalolisů nízké nároky na filtrační vlastnosti kalu, dosahuje se dobré vyslazení kalu o vysoké sušině, a to je výhodné z hlediska manipulace, odvozu i skladování kalu. Posledním vývojovým typem je kalolis osazený kombinací komorových a membránových desek Lenser s polypropylenovými membránami, umožňující kal po filtraci předlisovat a po promývání vodou dolisovat na vysokou sušinu, což se projeví dalším zvýšením výkonu, zkrácením pracovního cyklu a lepším vyslazením kalu. K moderním filtračním zařízením dále patří vertikální filtrační automat. Jedná se o filtr vybavený komorovými deskami s pryžovými membránami a průběžnou filtrační plachetkou. Tento filtrační automat umožňuje dosažení vysoké sušiny kalu 65 - 70 % a minimalizaci neproduktivních časů, zejména ve fázi vyprazdňování filtru. Celková doba pracovního cyklu je krátká - 6 min. 3.1.7.4
Vakuový rotační filtr
Vakuový rotační (bubnový) filtr je kontinuálně pracující filtr, na němž se filtruje zahuštěný podíl z dekantéru nebo ze zahušťovacího filtru. Je to otáčející se, vodorovně umístěný buben, jehož plášť je povlečen filtrační plachetkou. Buben je z jedné třetiny ponořen do vany s míchadlem, kam přitéká zahuštěný podíl na filtraci. Vnitřní prostor bubnu je rozdělen na jednotlivé sekce, v nichž se udržuje podtlak 47 kPa pomocí vývěvy a samostatné barometrické kondenzace. Pracovní fáze filtru: filtrace, prosávání filtračního koláče vzduchem, promytí koláče vodou, odsátí vody, odstranění koláče. Hlavní nevýhodou při filtraci na vakuových rotačních filtrech je nízká sušina získaného kalu (50 – 55 %) a poměrně vysoký obsah cukru v kalu. 3.1.7.5
Saturační kal
Saturační kal je významný cukrovarnický odpad, jehož množství se pohybuje okolo 6 - 8 % n.ř. V sušině saturačního kalu převažuje CaCO3 (50 %), dále jsou přítomny organické látky v množství 7,5 %, sacharosa (v průměru 1 %), P2O5 (1 %), MgO (1 %) a K2O (0,2 %). Ztráty cukru v kalech dosahují 0,06 - 0,08 % n. ř. Saturační kal se využívá jako: a) hnojivo k úpravě kyselé reakce půd - pro přímé rozmetání po poli je nutné, aby kal měl sušinu okolo 70 %; organická hmota v kalech se snadno přemění na humus a tvoří ideální substrát pro mikrobiologickou aktivitu; v kalech jsou dále přítomny dusík, fosfor a hořčík; použití kalu zlepšuje půdní strukturu; b) hnojivo pro zahrádkáře - k saturačnímu kalu o sušině 65 % se přidá přídavek 10 % vápenného prachu;
c)
krmivo - minerální přísada do krmných směsí, výhodné především u kalu po předčeření, ve směsi s lisovanými řízky a melasou.
Je bezpodmínečně nutné produkovat kal o co nejvyšší sušině (60 – 70 %) a minimálním obsahu cukru, aby nedocházelo k vysokým ztrátám cukru, ke zhoršování životního prostředí v okolí cukrovaru, při dopravě kalu a na skládkách. 3.1.8 3.1.8.1
2. saturace a úprava šťávy před odparkou 2. saturace
Hlavním úkolem 2. saturace je snížit obsah vápenatých solí ve šťávě na minimum a zvýšit čistotu šťávy. 2. saturace je chemické čištění šťávy a je důležitá především pro následující provoz odparky, aby nedocházelo k tvorbě inkrustací. Uhličitan vápenatý vysrážený při 2. saturaci je poměrně čistý a obsahuje malé množství vysrážených a adsorbovaných necukrů. Čirá šťáva po 1. saturaci se zahřívá na teplotu 95 – 98 °C, přidává se k ní poslední část vápenného mléka (0,2 % CaO n.ř.) a saturuje se na optimální alkalitu, která odpovídá minimálnímu obsahu vápenatých solí ve šťávě. Z chemických reakcí 2. saturace uvádíme: 1) Srážecí reakce (CO3)2- + Ca2+ → 2. saturace, tj. v oblasti 9,0 - 9,5.
CaCO3 probíhá nejúplněji při optimálním pH
2) Reakce kyseliny uhličité s alkalickými hydroxidy za vzniku alkalických uhličitanů, při níž dochází k poklesu alkality. 2 KOH + H2CO3 → K2CO3 + 2 H2O 3) Reakce alkalických uhličitanů s rozpustnými vápenatými solemi, zejména organických kyselin: K2CO3 + CaA2 → CaCO3 + 2 KA Tato reakce je pro průběh 2. saturace nejdůležitější, vede k maximálnímu vysrážení vápenatých solí. 4)
Při další saturaci CO2 (přesaturování na pH < 9) vznikají hydrogenuhličitany, které jsou rozpustnější ve vodě než uhličitany a to má za následek zvyšené zavápnění šťáv, což je pro průběh 2. saturace nepříznivé a nežádoucí K2CO3 + H2CO3 → 2 KHCO3 CaCO3 + H2CO3 → Ca(HCO3) 2 Teplota 95 - 98 °C je nejlepší ochranou před vznikem hydrogenuhličitanů, které jsou nestabilní a varem se rozkládají Ca(HCO3) 2 → CaCO3 + CO2 + H2O
Alkalita na 2. saturaci závisí především na přítomnosti K2CO3. Po vysrážení CaCO3 zůstane ve šťávě ještě určitý podíl rozpuštěného K2CO3. Tento nadbytek K2CO3, resp. množství uvolněných hydroxidů z K2CO3 tvoří přirozenou alkalitu, alkalitu zůstávající ve šťávě po 2. saturaci po ukončení reakcí s rozpustnými vápenatými solemi. Nízká přirozená alkalita je u řepy dlouho skladované a nezralé a lze ji upravit přídavkem sody nebo MgO do 1. saturované šťávy.
Za 2. saturací je v epurační lince zařazena nádrž s intenzivním mícháním, kde se šťáva zdrží asi 10 min a kde se dokončí rozklad hydrogenuhličitanů. Tímto postupem se nahrazuje dřívější vyvářka šťávy. 3.1.8.2
Filtrace šťávy po 2. saturaci
Šťáva po 2. saturaci obsahuje poměrně malé množství kalových částic, jedná se prakticky o chemicky čistý uhličitan vápenatý. K filtraci se používají zahušťovací filtry, nízkotlaké listové filtry – ceďáky, diskové filtry nebo naplavovací filtry. Vzhledem k jemné struktuře kalových částic, které snadno ucpávají póry filtrační plachetky, používají se pomocné filtrační prostředky, které pomáhají vytvořit příznivou strukturu kalového koláče. Kal po 2. saturaci se v epurační lince vrací zpět na předčeření, kde slouží jako krystalizační zárodky pro koagulaci koloidně dispergovaných látek. Zfiltrovaná šťáva se nazývá lehkou šťávou, kterou je možno dále sířit k potlačení nežádoucího zbarvení a změkčovat na ionexech za účelem omezení tvorby vápenatých inkrustací na topných stěnách odparky. Lehká šťáva má sacharizaci 15 – 17 % hm., čistotu 90 – 93 % hm., pH 9,0 – 9,5 a světle žlutou barvu. 3.1.9 3.1.9.1
Zahřívání a odpařování šťáv Výroba páry
Výroba cukru se vyznačuje vysokou spotřebou páry a elektrické energie. Pára, která se vyrábí v kotelně cukrovaru, se využívá jednak k výrobě elektrické energie ve vlastních protitlakových parních turbinách a dále se používá v technologii k čtyř až pěti stupňovému odpařování v odparce s následným využitím brýdových par pro technologické náhřevy. Získané teplo se tak v průměru čtyř až pětinásobně využívá. Účinnost výroby páry závisí na typu a stavu kotlů v kotelně, používaném palivu a přebytku vzduchu ve spalovacím procesu.
Obr. 3.3 Schéma výroby páry Na schématu výroby páry (Obr. 3.3) jsou uvedeny kromě jiného i jednotlivé druhy páry, s kterými se v cukrovarnické energetice a technologii setkáváme. Pára vyrobená v kotelně je
pára ostrá, přehřátá. Ta se používá v turbině na výrobu elektrické energie. Pára se vyrábí v nízkoobjemových parních kotlích pracujících s vysokými teplotami a tlaky nad 2,5 MPa, což přináší vysoké nároky na kvalitu napájecích vod a kondenzátů. Jako napájecí voda se v kotelně používají kondenzáty z 1. a 2. tělesa odparky, jejichž kvalita se kontroluje zkouškou na přítomnost stop cukru. Pára, která projde parní turbinou, se nazývá pára vratná neboli returní. K vyrovnávání důsledků nerovnoměrného provozu cukrovaru z hlediska odběru technologické páry a elektrické energie slouží redukční stanice, kde získáváme páru redukovanou. Vratnou i redukovanou páru je nutno dále chladit v chladiči, kde se pára současně i sytí vstřikováním kondenzátu na pracovní teplotu, která je určena teplotním režimem odparky. Pára, vznikající odpařováním při varu šťávy v odparce nebo v zrničích, se nazývá pára brýdová. 3.1.9.2
Zahřívání šťáv
K zahřívání šťáv v tepelných výměnících (zahřívačích) se využívá tepla brýdových par nebo horkých kondenzátů. Pro ekonomické hospodaření s teplem je nutno pracovat s minimálními teplotními rozdíly, tepelný odpor přepážky oddělující šťávu od topného media by měl být co nejmenší a konstrukce výměníků by měla umožňovat protiproudný tok medií. Nejčastěji se používají trubkové výměníky, moderní jsou výměníky deskové. Aby tepelné výměníky správně fungovaly, je nutno zajistit pravidelný odvod kondenzátů a nezkondenzovatelných plynů z topné komory. 3.1.9.3
Odpařování šťáv
Odparka cukrovaru má dva hlavní úkoly: 1) Zahustit lehkou šťávu o sacharizaci 15 % na těžkou šťávu o sacharizaci 60 - 65 %; 2) Zásobit provoz cukrovaru potřebnou topnou párou na účelové ohřevy. Kombinací obou těchto úkolů v jednom zařízení a několikanásobným využitím páry se dosáhne toho, že na zahuštění šťávy se spotřebuje relativně malé množství páry. Množství odpařené vody mw (% n. ř.) se vypočte z bilančního vztahu mw = m1 (1-S1/S2) m1 S1 S2
(3.8)
množství lehké šťávy (% n. ř.), sacharizace lehké šťávy (%), sacharizace těžké šťávy (%).
V několikanásobné odparce se počítá praktická spotřeba páry mp (% n. ř.) mp = mw /(0,85 . n) n
(3.9)
počet stupňů odparky.
Tepelný výkon odparky je dán množstvím tepla Q (W) převedeného teplosměnnou plochou za jednotku času. Obecně to lze vyjádřit vztahem Q=k.A.Δt A k
Δt
(3.10)
velikost topné plochy (m2), součinitel prostupu tepla (W m-2 K-1), užitečný teplotní rozdíl mezi teplotou páry a šťávy (°C).
Jednotlivé odpařováky, z nichž se odparky sestavují, jsou většinou válcová tělesa s trubkovou topnou komorou, kde šťáva při odpařování cirkuluje nebo dochází k odpařování v tenké
filmové vrstvě. První těleso odparky je vytápěno vratnou nebo redukovanou párou, ostatní tělesa jsou vytápěna brýdovými parami (výparem) z předcházejícího tělesa (Obr. 3.4). Přebytek brýdových par se spotřebovává na různých místech v technologii. Jedná se o tzv. účelové odběry páry, např. na ohřev extraktoru, zahřívání šťávy během epurace a před odparkou a především na svařování cukrovin v zrničích. Úsporná energetická opatření směřují k používání pěti až sedmistupňových odparek, k využití termokomprese brýdových par, k minimalizaci ztrát do kondenzace a vyššímu využití brýdových par ze zadních členů odparky k účelovým náhřevům. Při odpařování šťáv dochází k rozkladu sacharosy, k poklesu alkality v důsledku rozkladu amidů a invertního cukru a k nárůstu koncentrace barevných látek. Průvodním jevem zahřívání a odpařování cukrovarnických šťáv obsahujících rozpustné vápenaté sole je vznik inkrustací, které se ukládají na topných stěnách výměníků nebo odpařováků a podstatně snižují tepelný výkon. Jedním z úspěšných preventivních opatření je použití protiinkrustačních přípravků na bázi polyakrylových derivátů, které způsobují, že vytvořené inkrustace jsou tenké, měkké a dobře odstranitelné. Těžká šťáva má sacharizaci 60 až 65 %, čistotu 90 - 93 %, je mírně alkalická, má hnědou barvu a jemný zákal. Aby se z těžké šťávy získal kvalitní šťávní krystal, doporučuje se těžkou šťávu sířit a filtrovat na tlakových listových filtrech nebo naplavovacích filtrech.
Obr. 3.4 Schéma odparky 3.1.10 Svařování cukrovin a krystalizace cukru 3.1.10.1
Rozpustnost sacharosy, růst krystalů
K lepšímu pochopení průběhu krystalizace je nutno znát podmínky rozpustnosti sacharosy ve vodě a podmínky pro tvorbu nasycených a přesycených cukerných roztoků. Rozpustnost sacharosy ve vodě se vyjadřuje jako sacharizace nasyceného roztoku S (%) nebo jako relativní hmotnostní zlomek, Herzfeldovo číslo H0
H0 = S/(100 – S)
(3.11)
Pro závislost S = f(t) odvodil Vavrinecz vztah, který platí v intervalu teplot t od -13 do 100 o C: S = 64,447 + 0,08222 . t + 1,6169.10-3 . t2- 1,558.10-6 . t3 - 4,63.10-8 . t4
(3.12)
Rozpustnost sacharosy v technických cukerných roztocích Hn je obvykle vyšší než rozpustnost sacharosy ve vodě H0. Vyjadřuje se jako součin Hn = H0 . Kn Kn
(3.13)
koeficient nasycení (1).
Koeficient nasycení závisí na složení daného technického cukerného roztoku. Snížením čistoty technického cukerného roztoku se koeficient nasycení zvyšuje. Závislost koeficientu nasycení na poměru N/W je znázorněna na Obr. 3.5. Pro cukerné roztoky je příznačné, že mohou tvořit přesycené roztoky. Tato schopnost je typičtější pro technické cukerné roztoky než pro roztoky sacharosy ve vodě. Přesycený cukerný roztok lze získat z nasyceného roztoku překročením rovnovážné koncentrace, např. isotermickým odpařováním vody nebo snižováním teploty nasyceného technického roztoku. Takový cukerný roztok pak obsahuje více rozpuštěného cukru, než odpovídá nasycenému roztoku. Tento přebytečný cukr vykrystaluje, až když se do roztoku přidají krystalky cukru a roztok se zaočkuje. Při krystalizaci v cukrovarech se pracuje s přesycenými roztoky, které se získávají odpařováním vody v zrniči nebo ochlazováním cukrovin v krystalizátoru.
Koeficient nasycení Kn(1)
1,400 Technické cukerné roztoky (průměr Česko)
1,300 1,200 1,100
Mikrofiltrovaná surová šťáva
Technické roztoky (průměr Evropa, podle Vavrinecze) Surová šťáva (průměr Česko)
1,000
Surová štáva (průměr jižní Evropa, podle Vaccariho)
0,900 Invertovaná šťáva
0,800 0,00
0,50
1,00 1,50 Poměr necukry/voda N/W(1)
2,00
2,50
Obr. 3.5 Závislost koeficientu nasycení na poměru N/W Krystalizační proces se skládá ze dvou fází: první je nukleace (vznik zárodků), na kterou navazuje vlastní růst krystalů. Podmínkou nukleace i růstu krystalů je existence přesyceného cukerného roztoku a hnací silou krystalizace je rozdíl mezi skutečnou koncentrací v roztoku a
koncentrací nasyceného roztoku, tzv. přesycení. Přesycení cukerného roztoku se vyjadřuje pomocí koeficientu přesycení Kp, který je dán vztahem Kp = H/Hn H Hn
(3.14)
hmotnostní poměr P/W v daném roztoku (1), hmotnostní poměr P/W v nasyceném roztoku (1).
Pro praktickou krystalizaci je důležitá především druhá fáze krystalizačního procesu - růst krystalů. Oblast přesycení, která je vhodná pro odpařovací i chladicí krystalizaci, se nazývá metastabilní oblast a je charakterizována tím, že v ní nedochází ke vzniku nových zárodků, ale pouze k růstu krystalů. Hranice metastabilní oblasti jsou ovlivněny především teplotou, čistotou a přítomností tuhé fáze, spodní hranice odpovídá nasycenému roztoku. Při teoretickém vysvětlení krystalizačního procesu dochází postupně k transportu molekul sacharosy z roztoku k difuzní vrstvě v okolí krystalu, difuzi molekul sacharosy difuzní vrstvou, k povrchové difuzi molekul na povrchu krystalu a zařazení do krystalové mřížky. Obecně lze říci, že jak difuze, tak i připojení molekul do krystalové mřížky, spolu souvisejí a nelze je při studiu krystalizace od sebe oddělit. Rozhodující roli však v procesu krystalizace hraje především difuze. 3.1.10.2
Svařování cukrovin
Svařování cukerných roztoků se provádí za sníženého tlaku, kdy dochází k odpařování vody a ke krystalizaci sacharosy z přesycených roztoků. Získává se tak cukrovina, což je krystalizát, heterogenní směs krystalů a matečného sirobu. Svařování může probíhat v periodických nebo kontinuálních zrničích. Zatím převažuje svařování v periodických zrničích s přirozenou nebo nucenou cirkulací cukroviny. Nucený pohyb zlepšuje styk krystalů se sirobem, podporuje růst krystalů a dokonalejší vycukernění sirobů a podstatně zlepšuje přestup tepla do cukroviny. Průběh svařování v periodickém zrniči má šest fází: 1. Příprava - odstranění zbytků cukroviny z předcházejícího varu propařením, evakuace zrniče, úprava sirobů na teplotu 85 oC a sacharizaci 70 - 75 %, natažení sirobů na základ varu. 2. Zahušťování - při stoupající teplotě ze 70 na 85 °C, zvyšuje se koeficient přesycení na hodnotu Kp 1,15 až 1,20. 3. Zrnění - provádí se očkováním mikroočkem nebo zásypem cukerné moučky. Mikroočko je suspenze krystalů sacharosy o velikosti 1 - 10 μm v alkoholu, připravená mletím krystalového cukru nebo srážením cukerného roztoku alkoholem. 4. Úprava zrna, stabilizace - přechod z fáze tvorby zrna do fáze růstu krystalů v metastabilní oblasti, Kp se sníží na 1,08 - 1,12 přítahem těžké šťávy nebo sirobu, zabrání se tím tvorbě srostlých krystalů a upraví se vzdálenost mezi krystaly. 5. Naváření - probíhá při Kp 1,10, sacharosa krystaluje z matečného sirobu a roste na zárodcích krystalů, matečný sirob se vyčerpává, opakovaně se přitahují další dávky sirobu až je dosažena horní hladina cukroviny v zrniči. 6. Vysoušení - zahuštění cukroviny po posledním přítahu sirobu na konečnou sacharizaci cukroviny 93 - 95 %. Vzhledem k tomu, že zrnění a následující úprava zrna patří k nejnáročnějším a nejcitlivějším operacím celého svařování, je daleko výhodnější pracovat s očkovacím zádělem. Očkovací záděl se připraví mísením meziproduktového nebo zadinového cukru (cukru z poslední
krystalizace) s těžkou šťávou nebo se sirobem, záděl se natáhne do zrniče jako základ varu, takže může hned navazovat naváření varu. Tento způsob je výhodný jak z technologického, tak i z ekonomického hlediska, neboť se projeví ve zlepšení granulometrie uvařeného krystalu, v úspoře páry při zkrácené době varu a zjednodušení schématu práce na varně. Svařování cukrovin je automatizovaný proces, založený na regulaci vstupní veličiny pro měření koeficientu přesycení (jako veličiny hlavní) a obsahu krystalů, resp. výšky hladiny (jako veličiny pomocné), podle nichž lze řídit průběh svařování. K měření koeficientu přesycení se nejčastěji využívá měrné elektrické vodivosti nebo viskozity, resp. konzistence cukroviny. Konduktometrický způsob je vhodný pro svařování cukrovin o čistotě nižší než 95 %, viskozimetrický způsob je univerzálnější a používá se při svařování všech druhů cukrovin. Kontinuální svařování cukrovin probíhá v ležatých nebo věžových zrničích, rozdělených do několika sekcí. Do první sekce se přivádí očkovací cukrovina a do dalších sekcí pak přítahy svařované těžké šťávy nebo sirobů, řízené podle průběhu elektrické vodivosti nebo reologických vlastností. Výsledná cukrovina se odtahuje z poslední sekce zrniče. Svařování a následující zpracování cukrovin probíhá na varně, jejíž zařízení je umístěno do několika podlaží pod sebou. V nejvyšším podlaží varny jsou umístěny nádrže na siroby a zrniče, v nichž probíhá vlastní svařování cukrovin a v nižším podlaží jsou mísidla neboli krystalizátory, do nichž se uvařená cukrovina ze zrniče vypouští. K varně patří i barometrická kondenzace, která slouží jednak k úplné kondenzaci brýdových par ze zrničů a z posledního tělesa odparky a dále k vytváření potřebného podtlaku pro svařování cukrovin. 3.1.10.3
Ošetření cukrovin v krystalizátorech
Cukrovina vypuštěná ze zrničů je v krystalizátorech homogenizována s mísicím sirobem a za stálého míchání dále krystaluje při postupném ochlazování. Doba ošetření cukroviny v krystalizátorech závisí na čistotě zpracovávané cukroviny. U první cukroviny trvá 2 - 6 h, u posledních (zadinových) cukrovin, kde krystalizace probíhá nejpomaleji v důsledku vysoké koncentrace přítomných necukrů, trvá 24 až 70 h. Zpracování zadinových cukrovin probíhá v kontinuálních vyzrávacích linkách, skládajících se z kaskády chlazených horizontálních nebo vertikálních krystalizátorů. Cukrovina se ředí teplou vodou nebo sirobem, za účelem snížení viskozity matečného sirobu a vytvoření příznivějších podmínek pro krystalizaci sacharosy. Přesycení matečného sirobu musí být stále udržováno v metastabilní oblasti. K podstatnému zvýšení výtěžnosti krystalů z cukrovin vede zařazení kontinuálních vakuových mísidel. Mísením uvařené cukroviny s vraceným sirobem v uzavřených mísidlech, kde je udržován tlak 9 - 14 kPa, se docílí dalšího vycukernění sirobů a zvýšení obsahu krystalů v cukrovině. 3.1.10.4
Odstřeďování cukrovin
K oddělení krystalů a matečného sirobu slouží filtrační odstředivky, které mohou být periodické nebo kontinuální. Periodické odstředivky pracují cyklicky s plnou automatikou pracovního cyklu a s automatickou programovou recykláží. Jejich pracovní cyklus zahrnuje následující fáze: rozběh na plnicí otáčky a promytí sít; plnění bubnu odstředivky cukrovinou (850 až 1500 kg); rozběh a odstřeďování při maximálních otáčkách, kdy dochází k odstřeďování matečného sirobu s ev. promýváním vrstvy cukru vodou, sirobem nebo parou; brzdění a vyprazdňování cukru. Hlavní součástí odstředivky je svařovaný děrovaný buben vyložený uvnitř štěrbinovými síty. Buben je výkyvně zavěšen a je poháněn stejnosměrným
motorem. Provoz odstředivkové stanice je programově řízen s ohledem na rovnoměrné zatížení elektrické sítě. Snahy o kontinualizaci výrobních procesů směřovaly i na úseku odstřeďování cukrovin k zavedení kontinuálních odstředivek, z nichž převažuje typ kuželové samovyprazdňovací odstředivky. Buben této odstředivky má tvar komolého kužele se sklonem stěn 34°. Cukrovina se do odstředivky napouští středem do spodní části bubnu, kde je rozdělovací zařízení, umožňující rozdělit přiváděnou cukrovinu po stěnách bubnu do tenké vrstvy. Hlavní přednosti kontinuálních odstředivek proti automatickým recyklujícím odstředivkám jsou: jednodušší konstrukce, pohon bez nároku na regulaci otáček, nižší a rovnoměrnější odběr elektrického proudu a nižší investiční, provozní i údržbové náklady. K nevýhodám kontinuálních odstředivek patří poškozování krystalů, obtížné dělení sirobů a nutná homogenizace a temperace cukroviny před vlastním odstřeďováním. Z těchto důvodů je použití kontinuálních odstředivek omezeno na ty druhy cukrovin, z nichž se získaný cukr znovu rozpouští nebo přepracovává. 3.1.10.5
Surový cukr a melasa
Cukr, který se obvykle získá z první krystalizace, je tzv. surový cukr, obsahující v povrchové vrstvě krystalů zbytky matečného sirobu. Barva surového cukru je žlutohnědá, polarizace P = 97 %, obsah popela A = 0,7 %. Rafinační schopnost surového cukru je z obchodního hlediska hodnocena podle hodnoty rendement (čti randmá) Rd, která se vypočte podle vztahu Rd = P - 5.A . Výrobkem, v němž jsou koncentrovány téměř všechny necukry, je melasa matečný sirob od poslední cukroviny. Obsahuje asi 50 % cukru (S = 80 %, Q = 60 - 64 %) a její výroba se pohybuje okolo 5 % n. ř. Melasa je významnou surovinou pro kvasné a biochemické technologie, pro výrobu droždí, ethanolu, kyseliny mléčné, citronové, aminokyselin, betainu, některých organických rozpouštědel a je rovněž významnou složkou krmných směsí. 3.1.11 Rafinace cukru 3.1.11.1
Afinace
Úkolem rafinace je vyrobit bílý cukr žádaného druhu, složení a ve vhodném balení. Základní operací rafinace je afinace surového cukru, při níž se odstraní zbytky matečného sirobu, ulpělého na povrchu krystalů surového cukru. Aby byla afinace možná, je nutno nejprve surový cukr rozmísit s mísicím sirobem v afinačním mísidle na umělou cukrovinu, záděl. Tím dojde k ovlhčení krystalů, naředění barevných látek a popelovin a k jejich rozptýlení v mísicím sirobu. Jako mísicí sirob se používá cukerný roztok, který je kvalitnější, jak z hlediska čistoty, tak i z hlediska obsahu barevných látek a popelovin než zbytky matečného sirobu ulpělého na krystalech surového cukru. Čistota mísicího sirobu je vyšší než 85 % a sacharizace 75 %, množství mísicího sirobu použité k přípravě zádělu je asi 30 % na surový cukr, výsledná sacharizace zádělu je 90 %. Teplota mísicího sirobu 80 - 90 °C usnadní zpracování surového cukru i s vyšším podílem prachového zrna, výsledná teplota zádělu je 40 °C. Záděl se odstřeďuje na afinačních odstředivkách s dělením sirobů. Po odmetání matečného sirobu, zeleného afinačního sirobu (čistota 82 - 85 %) se provádí vlastní afinace, tj. vykrývání (oplachování) cukru v odstředivce vodou nebo čistým cukerným roztokem. Sirob odmetaný při afinaci se nazývá bílý afinační sirob a má obvykle vyšší čistotu, 85 - 88 %. Spotřeba vody na afinaci je 3 - 5 % na hmotnost cukru. Cukr, který se takto získá, se nazývá afináda, má čistotu 99,5 % a její výtěžek je okolo 80 %. Rozpuštěním afinády ve
vodě, lehké šťávě nebo v sirobu se získá klér (S = 65 %), který se alkalizuje vápenným mlékem, filtruje na naplavovacích filtrech a případně odbarvuje pomocí aktivního uhlí nebo odbarvovacích ionexů. 3.1.11.2
Výrobní schéma varny
Pod pojmem výrobní schéma se v cukrovarnictví obvykle rozumí ten úsek výroby cukru, kde dochází ke svařování cukrovin v zrničích, k jejich zpracování v krystalizátorech a chladičích a odstřeďování na odstředivkách. Vzhledem k tomu, že výrobní schéma podstatně ovlivňuje ekonomiku výroby cukru, věnuje se trvale značná pozornost problematice, spojené se sestavováním a výpočtem výrobních schémat. Otázka bilancování a výpočtu schémat je ideální úlohou pro počítačové řešení, neboť umožňuje operativní kontrolu a relativně nenáročné hledání optimálních variant uspořádání a provozování schématu. Nejjednodušším a nejhospodárnějším schématem je výroba šťávního krystalu s jedním klérem (Obr. 3.6). Jedná se o výrobní schéma se třemi cukrovinami - šťávní krystalovou, meziproduktovou a zadinovou. Základem šťávní krystalové cukroviny je očkovací záděl, připravený mísením meziproduktového cukru s bílým krystalovým sirobem. Šťávní krystalová cukrovina se svařuje z jednotného kléru a kvalitní těžké šťávy. Cukrovina se odstřeďuje za horka. Po odmetání matečného sirobu (zelený krystalový sirob) se krystal v odstředivce vykrývá horkým kondenzátem (odmetaný sirob z této fáze odstřeďování je bílý krystalový sirob) a získává se šťávní krystal. Na základ meziproduktové cukroviny se používá očkovací záděl, připravený ze zadinového cukru a zeleného krystalového sirobu. Cukrovina se naváří zeleným krystalovým sirobem a zeleným sirobem od afinace meziproduktového cukru. Z části meziproduktového cukru se připravuje očkovací záděl na základ šťávní krystalové cukroviny a zbývající meziproduktový cukr se afinuje. Takto vyrobená afináda se rozpouští v lehké šťávě nebo ve vodě na klér. Moderní recyklující afinační odstředivky umožňují přímou afinaci meziproduktového cukru a řádné dělení sirobů. Na základ zadinové cukroviny se používá očkovací záděl připravený ze zadinového cukru a zeleného krystalového sirobu, naváří se sirobem od meziproduktové cukroviny a zeleným sirobem od afinace zadinového cukru. Cukrovina se vysouší na sacharizaci 94 %, doporučuje se pracovat s co nejnižším tlakem a maximální sacharizací, což jsou základní podmínky pro minimalizaci zůstatku cukru v melase. K dosažení nízkého tlaku v zadinových zrničích se doporučuje instalovat samostatnou barometrickou kondenzaci. Zadinová cukrovina vyzrává v krystalizační lince za současného přidávání zřeďovací vody, homogenizace a ochlazování podle chladicí křivky. Po odstřeďování získáváme zadinový cukr a melasu. Z části zadinového cukru se připravuje očkovací záděl, zbývající zadinový cukr se afinuje. Zadinová afináda se rozpouští spolu s meziproduktovou afinádou v lehké šťávě na klér. Nejkvalitnější bílý cukr se vyrábí v cukrovarech s úplnou převářkou těžké šťávy. Úplná převářka těžké šťávy znamená, že k výslednému bílému krystalu se dostaneme minimálně po dvou stupních svařování a krystalizace a ne jako u předchozího schématu popisujícího výrobu šťávního krystalu, kde se získá výsledný šťávní krystal již po jednom stupni svařování a krystalizace z těžké šťávy.
Obr. 3.6 Výroba šťávního krystalu s jedním klérem
Schéma s úplnou převářkou těžké šťávy je složitým schématem, které obsahuje 3 rafinádní cukroviny, 3 žluté cukroviny a 3 záděly, jejichž afinací se získají 3 afinády a 3 kléry. Závody s úplnou převářkou těžké šťávy produkují vysoce kvalitní bílý krystal, jejich provoz je však z hlediska nákladů, spotřeby energie, investic i údržby nákladný. Důležitou charakteristikou složitosti výrobního schématu a ukazatelem práce na varně je číslo převářky. Vypočítá se jako poměr hmotnosti všech cukrovin k hmotnosti cukru v konečných výrobcích včetně melasy. Pro výrobu šťávního krystalu je směrné číslo převářky 3,0, pro úplnou převářku těžké šťávy pak 4,0. 3.1.12 Sušení, chlazení a skladování krystalového cukru 3.1.12.1
Sušení a chlazení
Při sušení cukru dochází k přestupu vlhkosti mezi krystalem a okolním vzduchem. Na povrchu krystalu je velmi tenká povrchová vrstva nasyceného cukerného roztoku, ze které se při poklesu relativní vlhkosti okolního vzduchu uvolňuje voda. Tím se původně nasycený cukerný roztok přesytí, a to vede k dodatečné krystalizaci sacharosy na povrchu krystalů. Tento děj probíhá velice pomalu, urychlit se dá zvýšením teploty a intenzivnějším přestupem vlhkosti do vzduchu. Tím se zvyšuje stupeň přesycení na rozhraní roztok - vzduch, což může vést až k tvorbě vrstvy amorfní sacharosy a uzavření vlhkosti pod touto vrstvou. K sušení cukru se používají různé typy sušáren - bubnové, talířové, turbinové, fluidní. Podle uspořádání hmotnostních toků sušeného cukru a sušicího media pracují sušárny se souproudým, protiproudým nebo křížovým tokem. Průběh sušení je nutno volit tak, aby relativní vlhkost vystupujícího vzduchu nepřekročila 80 %, konečná vlhkost cukru má být 0,05 %. Teplý cukr za sušárnou ztrácí dokrystalizací část vázané vody, a proto je výhodná dlouhá dopravní trasa od sušárny k chladiči a silu, kde se cukr dlouhodobě skladuje. V chladiči je cukr intenzivně profukován chladným vzduchem, takže kromě ochlazení cukru na 20 °C dochází i k žádoucímu úletu prachových částic. Konstrukční uspořádání chladičů je stejné jako u sušáren, často jsou chladiče navrhovány jako součást sušárny. Čerstvě usušený cukr obsahuje vázanou vlhkost, která se pozvolna z cukru uvolňuje. Z toho důvodu se provádí tzv. stabilizace cukru - při níž dochází k postupné dokrystalizaci sacharosy ze zbytkové povrchové vrstvičky sirobu a ustavení rovnováhy mezi povrchovou vlhkostí cukru a okolním prostředím. Uvolněnou vodu je nutno odvést suchým provětrávaným vzduchem. Řídicím dějem při stabilizaci cukru je vnitřní difuze molekul vody k povrchu amorfní vrstvy sacharosy. Stabilizace cukru probíhá buď za normální teploty v provětrávaném sile za 5- 6 dní nebo při teplotě 45 - 55 °C za dobu 24 - 48 h. 3.1.12.2
Skladování cukru
S ohledem na sezónní výrobu cukru a zajištění rovnoměrného zásobování spotřebitelského i průmyslového trhu je nutno poměrně velké množství cukru celoročně skladovat. V současné době se převážná část krystalu skladuje bezobalově ve vysokokapacitních silech (10 000 - 20 000 t), část produkce se ještě skladuje v tradičních obalech - pytlích. Ke zjištění podmínek bezpečného dlouhodobého skladování cukru je nutno stanovit závislost vlhkosti cukru na vlhkosti vzduchu pro danou teplotu - sorpční isotermu. Na základě tohoto zjištění se pak určují skladovací podmínky a nastavují parametry klimatizace skladu a úprava vzduchu na teplotu 20 - 22 °C a relativní vlhkost 50 - 60 %. Skladovaný cukr musí mít vlhkost 0,03 0,05 %, obsah popela maximálně do 0,02 %, obsah redukujících látek maximálně do 0,01 % a musí být dokonale odprášený.
Suchý krystal se třídí podle velikosti na třasadlech nebo vibračních třidičích. Vytříděný krystal se plní do pytlů, drobného a spotřebitelského balení. Kromě krystalu, který v sortimentu bílého cukru převažuje (60 %), se vyrábějí lisované kostky (10 %) a mletý cukr (15 %). Dále se vyrábí, především pro průmyslové použití, různé druhy tekutých cukrů a afinovaný cukr. Kontrola jakosti bílého cukru spočívá v analytickém stanovení obsahu cukru, sušiny, popela, redukujících látek, barvy, zrnitosti (u krystalových druhů), přítomnosti nerozpustných látek a mikrobiologické nezávadnosti. 3.1.13 Cukr a jeho použití 3.1.13.1
Cukr jako potravina
Cukr (sacharosa) je z komerčního hlediska velice důležitá látka vzhledem ke svému mnohostrannému použití jak v lidské výživě, tak k různým chemickým i biochemickým transformacím. Předností cukru je především jeho dlouhodobá skladovatelnost a relativně nízká cena. Cukr patří mezi strategické potraviny, které stát skladuje pro použití v případě ohrožení. Jako potravina zajišťuje cukr podstatnou dávku celkového přijmu energie. Vysoká úroveň spotřeby cukru, zejména ve vyspělých zemích, je dána širokou nabídkou průmyslově vyráběných potravin, jako jsou čokoláda a cukrovinky, nealkoholické nápoje, mlékárenské výrobky, zmrzliny, jamy, sirupy, pečivo, sušenky, cukrářské výrobky aj. Zbývající část cukru se spotřebuje v domácnostech, kde se používá k přímému slazení kávy a čaje, k pečení a při vaření. Vedle své funkce sladidla je cukr látkou dodávající potravinám objem, upravuje jejich texturu, působí jako konzervační činidlo, ochucovadlo a fermentační substrát. Cukr na jedné straně činí potraviny mnohem atraktivnější a chutnější, zatímco na druhé straně, zvláště při jeho vysoké spotřebě, je často uváděna souvislost mezi konzumací cukru a výskytem onemocnění. Jedná se např. o tvorbu zubního kazu, obezitu, diabetes, specifické onemocnění kůže, trávicího traktu a kloubů, kardiovaskulární onemocnění, hypoglykémii, nesoustředěnost aj. Kromě podílu na rozvoji zubního kazu však neexistuje jasný důkaz, který by ukázal na nebezpečný vliv sacharosy na lidské zdraví. Spotřebou cukru okolo 40 kg na osobu a rok se řadí ČR ke státům s vysokou spotřebou. Základní výživové směry u nás formulují požadavek snížení spotřeby cukru asi o 30 %. Vzhledem k tomu, že spotřeba cukru je do značné míry i otázkou zdrženlivosti konzumenta, kterému může potravinářský průmysl nabídnout řadu výrobků, v nichž je sacharosa částečně nebo úplně nahrazena méně energetickými sladidly, jsou splněny všechny předpoklady, že tato zdravotní doporučení budou spotřebiteli respektována. 3.1.13.2
Cukr jako surovina pro chemické a biochemické zpracování
S ohledem na budoucí snižování přímé spotřeby cukru v lidské výživě stoupá zájem o využití cukru jako suroviny pro biotechnologie a kvalifikovanou chemii. Spotřeba cukru k nepotravinářským účelům je relativně velmi malá, celosvětově se jedná asi o 5 % světové produkce cukru. Na první pohled je to překvapující, protože sacharosa má mnoho vlastností, pro něž by měla být vhodná jako surovina pro chemické a biochemické technologie. Její produkce stále roste, a rychleji než spotřeba. Jedná se o strategickou surovinu, která je zdrojem každoročně obnovitelné energie. Jako čistá organická látka má 8 funkčních skupin, na nichž lze provádět modifikace, je rozpustná ve vodě, produkty
chemické či biochemické transformace sacharosy nejsou toxické, v mnoha případech jsou biologicky odbouratelné, což je z ekologického hlediska mimořádná přednost. Mezi možné výroby, které vycházejí ze sacharosy, případně z cukrovarnických produktů a odpadů, patří zejména: • produkty chemické transformace sacharosy, např. kyselá hydrolýza na D-glukosu (využití k přípravě D-glucitolu a dále kyseliny askorbové - vitaminu C, D-glukonové kyseliny, D- glukuronové kyseliny, kojové kyseliny) a D-fruktosu (využití k přípravě směsi D-glucitolu a D-mannitolu, 5-hydroxymethylfurfuralu, fruktosových sirupů) a řada dalších; • příprava biologicky odbouratelných polymerů na bázi sacharosy, jejímž zdrojem je sacharosa z cukrovky nebo škrob z obilí ve směsi s kyselinou propionovou, výsledný kopolymer je lineární, termoplastický a biodegradovatelný; • příprava nízkoenergetických tuků (hexa- až okta-acylesterů sacharosy); • příprava biologicky odbouratelných tenzidů na bázi esterů sacharosy a mastných kyselin; • příprava léčiv pro humánní i veterinární medicinu; • klasické a moderní kvasné výroby (výroba ethanolu, droždí, organických rozpouštědel a kyselin, zejména kyseliny citronové a mléčné, aminokyselin aj.); • fermentační zpracování cukrovky nebo řepné šťávy na bioethanol za účelem využití bioethanolu jako energetického paliva, přísady do pohonných směsí nebo při přípravě ethyltercbutyletheru (ETBE), čímž by se nahradil levnější, ale jedovatý methanol, dosud používaný při přípravě MTBE (methyltercbutyletheru), který je standardní složkou benzinu. Při zpracování celé cukrovky na ethanol lze získat z 1 ha cukrovky s výnosem 40 t a cukernatostí 17 % cca 40 hl absolutního alkoholu. Zásadní vliv na výtěžnost lihu má obsah polarizačního cukru v bulvě a ne přítomnost doprovodných necukerných látek. Z vedlejších produktů, které vznikají při zpracování cukrovky na ethanol, jsou dobře využitelné cukrovarské řízky jako krmivo a lihovarské výpalky jako hnojivo.
