IN MEMORIAM

A cukorgyártás

Készítette: Hajagos Emese E-mail: [email protected] 10.e osztály Hőgyes Endre Gimnázium Hajdúszoboszló, Rákóczi u. 44. Felkészítő tanár: Károlyné Teleki Anikó E-mail: [email protected]

IN MEMORIAM

1976-2006 Miért a cukorgyártást választottam témául? Hisz Magyarországon már csak egy működő üzem van. A szüleim, nagyszüleim, dédszüleim mind-mind cukorgyárakban dolgoztak. Sőt az üknagyapám már 1912-ben az ercsi cukorgyárban dolgozott. Annyira sajátomnak éreztem ezt a légkört, ezt a világot, hogy meg sem fordult a fejemben, hogy a dolgok így megváltozhatnak. Szerencsésnek érzem magam, hogy többször is járhattam cukorgyárban répafeldolgozási időszakban. Érezhettem a szagokat, illatokat, hallhattam a gépek zaját, megkóstolhattam az édesszeletet, a szörpöket. A friss meleg cukor íze és illata felejthetetlen! A dolgozatom nem adhatja vissza ezeket, de talán egy kis betekintést nyújtanak mások számára is.

Az ember életműködése során különböző anyagokat használ fel arra, hogy a szervezetében előálló hiányokat pótolja és, hogy a munkavégzésben, továbbá a test állandó hőmérsékletének fenntartásában szükséges energiát belőlük megkapjuk. Energiát adó tápanyagaink legnagyobbrészt szénhidrátok, s kisebb mennyiségben zsírok. A szénhidrát tápanyagok közül a legkönnyebben megemészthető a cukor. Élelmiszeripari szempontból a legfontosabb diszaharid a szacharóz. A szacharóz a mindennapi életben használt közönséges cukor. Európában cukorrépából, a trópusokon (pl. Kubában) cukornádból állítják elő. Innen ered a répacukor, illetve a nádcukor elnevezés. A kristálycukor előállítása lényegét tekintve nem annyira kémiai, mint inkább fizikai műveletek sorozata, hiszen gyártása során a növény által már előállított anyagot kell a növényből kivonni. A szacharóz áttetsző, kristályos, vízben kiválóan oldódó, nagyon édes ízű vegyület. Kb. 160 C°-on megolvad, 180-200 C°-on megsárgul, majd megbarnulás jellemző illatot árasztva bomlani kezd, karamellizálódik. Ha ekkor kiöntjük, akkor üvegszerű alakban megdermed. A melegítést tovább folytatva a cukor elszenesedik és ehetetlenné válik. A szacharóz α-D-glükózból és β-D-fruktózból jön létre, 1-2 kötéssel. A szacharóz egyik gyűrűje sem nyílik ki vizes oldatban, tehát nem redukáló anyag. Így nem adja sem az ezüsttükörpróbát, sem a Fehling-reakciót. Ásványi sav hatására szőlőcukorra és gyümölcscukorra hidrolizál. Szervezetünkben a szacharóz hidrolízisét enzimek katalizálják. C12H22O11+ H2O C6H12O6+C6H12O6 (A fruktóz és szőlőcukor összegképlete megegyezik, de a szerkezeti képletük nem.)

Történeti áttekintés: A cukor az emberiségnek ma már nélkülözhetetlen tápláléka. Az első édesítőszer minden bizonnyal a méz volt, melegebb égöv alatt pedig cukornád, melyet eredeti állapotában is lehet fogyasztani. Hazánkban már IV. Béla idején ismert volt a nádból gyártott cukor. 1747-ben MARGRAFF német vegyész kutatásai alapján kimutatta. hogy egyes répafajtákban a nádból előállított cukorral azonos cukor található. Ez a felismerés jelenti a répacukorgyártás kezdetét. Margraff tanítványa ACHARD 1784-től 1798-ig tartó kísérletei után eredményt ért el a répanemesítés, vagyis cukortartalom fokozása terén. Évekig tartó munkával elérte, hogy 100 kg általa nemesített répából 3 kg cukrot tudott nyerni. Napóleon 1806-ban Anglia ellen elrendelte a kontinentális zárlatot és megtiltotta, hogy angol vagy angol érdekeltségű árut behozzanak Európába. A nádcukor nem juthatott Európába s így a répacukorgyártás fellendült. Hazánkban a répacukorgyártás a 19. század elején kisiparként honosult meg. Tessedik Sámuel Németországban tanulta meg a cukorfőzést és Szarvason alapított első mezőgazdasági iskolában megtanította a jelentkezőknek. Répacukorgyár alapítására először GERTINGER János eperjesi gyógyszerész kért engedélyt, de nem kapta meg. 1830-ban LACSNY Miklós létesítette az első cukorgyárakat. A nagyüzemek kialakulásának időszakában (1879-1880) épült az ácsi és petőházi cukorgyár. 1888-1894 között létesült a hatvani a

kaposvári és a sárvári gyár. A századforduló utáni években létesült a sarkadi, szolnoki és az ercsi cukorgyár.1976-1979 között épült a kabai cukorgyár, állami nagyberuházás keretében lengyel kivitelezésben.

A magyarországi gyártás és termelés 2006-ban az EU cukorrendtartási reformjával kezdődött. Az uniós reform oka, hogy 2006 előtt a WTO eljárást indított az EU ellen azzal az indokkal, hogy a kvótán felüli cukrot támogatással értékesítették a piacon, mely az unió elmarasztalásával zárult. Ezután került sor fokozatosan a gyárak bezárására. 2007-ben még működő 4 gyár közül 3-ra került lakat. Mára csak a Magyar Cukor Zrt. kaposvári gyára üzemel.

Néhány cukoripari kémiai alapfogalom: Fajsúly: Adott hőmérsékleten és nyomáson valamely anyag súlyának térfogatához viszonyított hányadosát, vagyis egységnyi térfogatának súlyát értjük. Értékét úgy kapjuk meg, hogy az anyag G súlyát osztjuk V térfogatával. γ = G/V [γ]= kg/dm3 vagy g/cm3 A gyakorlatban általában a sűrűségen és fajsúlyon ugyanazt az egységnyi anyag tömegének és térfogatának viszonyát értik. Koncentráció: Töménység, valamely anyagnak az a mennyisége, amely valamely másik anyag súlyvagy térfogategységében van jelen. Szárazanyag-tartalom: Valamely anyag vízmentes részét jelenti Meghatározási módszerei: A.) Szárítás, illetve víztartalom meghatározása B.) Fajsúlymérés C.) Törésmutató meghatározása A szárítással meghatározott szárazanyag-tartalmát „valódi szárazanyag- tartalomnak” nevezzük, és szilárd anyagok szárazanyag-tartalmát határozzuk meg. Az oldatoknál inkább fajsúlymérésen vagy fénytörésen alapuló módszerrel ellenőrizzük. A cukoriparban az oldatok szárazanyagtartalmát BRIX-fokban (Bx°) fejezzük ki.

Tisztasági hányados: A cukorgyárakban nem tiszta cukoroldatokkal dolgozunk, oldatainkat tisztasági hányadossal jellemezzük. A tisztasági hányados (Q) azt fejezi ki, hogy az összes oldott anyagnak (szárazanyagnak) hány százaléka cukor. Q= 100* P/S S—szárazanyag-tartalom % (szacharizáció) P—cukortartalom % (polarizáció) A teljesen tiszta cukoroldat tisztasági hányadosa 100. Minél kisebb a tisztasági hányados, annál több nemcukor van az oldatban a cukorhoz viszonyítva. Kémhatás: Valamely oldat kémhatását, savasságát vagy lúgosságát a H+ illetve OH-mennyiségével (koncentrációjával) jellemezzük. A kémhatás jellemzésére a hidrogénion- koncentráció negatív tizes alapú logaritmusát szoktuk megadni. A tiszta víz és a semleges oldatok pH-ja 7, a savas oldatok esetében pH <7; a lúgos oldatoknál pedig pH> 7. Cukor: Köznapi értelemben a cukornak a szacharózt nevezzük. A szacharóz diszaharid. Felépítésében 7 egyszerű 6 szénatomos cukor (glükóz és fruktóz) vesz részt. A szacharóz tapasztalati képlete: C12H22O11; Egyszerűsített szerkezeti képlete:

Nemcukor anyagok: Azokat az oldott anyagokat, amelyek a répában a szacharózon kívül előfordulnak nemcukor anyagoknak nevezzük, bár kémiai tekintetben vannak köztük szénhidrátok, tehát cukrok is. A.) Rosttartalom: a répa nemcukor anyagainak nem oldott része a rost, melynek értéke 3,5-6 % B.) Invertcukor: nagyobb mennyiségben a fagyott és újra felengedett répában található, vagy mikroorganizmusok tevékenységének eredménye. A gyártás során a különböző levekben mindig a szacharóz bomlásából, inverzió folytán keletkezik. C.) Pektinek: a pektinek nagy molekulájú kolloid tulajdonságú szénhidrát származék. A répatestnek kb. 2,4%-a. A sejtfalban és a sejtközi üregekben található. Vízben nem oldódik. D.) Szervetlen nemcukor anyagok: A répában előforduló szervetlen nemcukor anyagok általában hamu gyűjtőnéven ismertek, Répára számított mennyisége 0,3-0,8%. A hamuban a szervetlen savak közül a sósav, salétromsav, kénsav, foszforsav illetve ezek sói fordulnak elő.

A cukor gyártása:

A gyártást általában 6 fő részre oszthatjuk: 1.Előkészítő műveletek 2. Lényerés (diffúzió) 3.Létisztítás 4.Bepárlás 5.Cukoroldal - Homokcukorgyártás 6.Cukoroldal - Finomítás A bepárlással bezárólag a műveleteket nyersgyári munkának, nyersoldali munkának, a többit pedig finomítói vagy cukoroldali munkának is szokták nevezni.

ELŐKÉSZÍTŐ MŰVELETEK A gyárudvarra beérkező répát vagy úsztatóra rakják vagy közvetlenül a gyárba irányítják. A répát az úsztatóról is, a szállítóeszközről is áramló víz mossa be a gyárba. Közben áthalad a gazfogón és a kőfogón, ezek a berendezések részben megtisztítják a répát az idegen anyagoktól. A gyárépületben a répát először alaposan megtisztítják, mossák, majd lemérik a mennyiségét. Az úsztatáshoz szükséges víz a répamennyiség 4-8 szorosa, hőmérséklete 15-20 C°; nagy hidegben legfeljebb 35 C°. Az úsztató és mosóvíz a répa sérült felületén keresztül cukrot old ki. Az előkészítő műveletek utolsó szakasza a megtisztított és lemért répa felaprítása. A tisztítás és mérés, valamint aprítás közben a feladat a nagytömegű répa mozgatása. Az előkészítő műveletek lényege tehát a répa tisztítása, mérése, felaprítása, vágása s közben a répa mozgatása, szállítása egyik műveleti helyről a másikra.

Fix pont

Gazfogó

Mosógép

Répa szalag

LÉNYERÉS

A lényerésben a felaprított répából vízzel oldják a cukrot. A lényerés célja a cukorrépa sejtnedvében oldott szacharóz minél tökéletesebb extrakciója (kivonása). E művelet során a vékony szeletekre felvágott répát az extraháló folyadékkal - diffúziós lével-, ellenáramban érintkeztetve olyan hőmérsékletre melegítjük fel, hogy a sejtek áteresszék az oldott szacharózt, és addig áramoltatunk át rajta egyre hígabb extrahciós folyadékot, amíg a benne maradó szacharóz mennyisége elég kicsi nem lesz. A keletkező nyerslé színe szürkésfekete, kémhatása gyengén savas. Összetétele igen változó. Cukortartalma kb. 13-15%, szárazanyag-tartalma kb. 15-17%.

DdS diffúzió

Répavágó állomás ; Diffúzió garat

Kazánház (kiskazán)

Generátor

Mészkőház

Koksz és mészkő vibrátor

Mészégető dob

LÉTISZTÍTÁS A létisztítás célja a nyerslében lévő nemcukoranyagok minél tökéletesebb eltávolítása. A létisztításhoz felhasznált anyagok mennyisége igen jelentős, tehát azokat is a cukorgyárban állítják elő. A gyárépület melletti mészégető kemence szolgáltatja az égetett meszet s a CO2 tartalmú torokgázt, a szaturációs gázt. A cukorgyári mészégetéshez úgynevezett cukorgyári mészkövet (cukormészkő) használnak, amely ásványi kő, fő tömegében kristályos kalcium karbonátból (CaCO3), kalcitból áll. A cukorgyártáshoz használt mészkő összetételével szemben egyik legfontosabb követelmény, hogy CaCO3 tartalma legalább 95 % legyen. A mészkemencébe a mészkő kiégetéséhez kokszot adagolunk. A mészkemencéből kikerült mész, CaO fehér porózus anyag, mely víz hozzáadása esetén gyorsan oldódik. A mészkő tökéletes kiégetéséhez, illetve tökéletes elbomlásához feltétlenül szükséges, hogy a keletkezett CO2-t a kemencéből folyamatosan eltávolítsák. Az égetett mészből megfelelő berendezésben állítják elő a mésztejet. CaO + H2O Ca (OH) 2+ 15,5 kcal Létisztítás szempontjából a mésztej sűrűsége (Bé°) illetve az ennek megfelelő CaO tartalom a fontos. A létisztítás igen fontos anyaga a CO2 gáz. A CO2-t a mészkemencéből nyerik. A mészkemence tetején kilépő 250-300 C°-os gázelegy a szaturációs gáz.

A LÉTISZTÍTÁS FOLYAMATA A.) Előderítés: Célja nemcukoranyagoknak előnyös fizikai tulajdonságú csapadék alakjában való leválasztása, amelyből a szénsavazás után jól szűrhető iszap képződik, melynek progresszív ellenáramú erőderítéssel állítunk elő 10,8-11,1 pH értéket. B.) Főderítés: Célja, hogy a szénsavazás utána a szűrési segédanyagként és adszorbensként használt CaCO3 –hoz elegendő Ca-t juttassunk a lébe, s hogy az invertcukrot kedvező körülmények között roncsoljuk. Az invertcukor teljes roncsolása után is maradnak a lében redukáló anyagok, de rendszerint a lé további feldolgozásánál nem okoz nehézséget. Az előderítésben kb. 0,25 % meszet adunk a léhez. A teljes mészadagolás célszerű értéke répára számítva kb. 2 %-ig terjed. A többi meszet a főderítésben adjuk a léhez. C.) Szénsavazás: A szénsavazás (szaturáció) feladata az, hogy a derített lében lévő mészfelesleget szénsavgázzal oldhatatlan kálciumkarbonáttá (szénsavas mésszé) alakítsa. A szénsavazást két lépcsőben végezzük. Az első lépcsőben 0,07-0,09 % CaO alkalitásig, ennek a lúgosságnak kb. 10,8 pH-érték felel meg. Ezután a csapadékot leszűrjük. A leszűrt lé még jelentős mennyiségű meszet tartalmaz. A második szénsavazás feladata az, hogy

ezt a meszet teljes egészében oldhatatlan kalcium karbonát formájában kicsapja a léből. A művelettel a lében maradt kalciumionokat távolítjuk el, mert a csapadék leszűrése után feleslegessé, a bepárlás és kristályosítás számára pedig károssá válik. Ezen kívül a fölös hidroxilionokat is közömbösítjük addig a kémhatásig (pH 9,0-9,2), amelynél a szacharóz a legkevésbé bomlik. A létisztítás végterméke a híglé. A híglé világossárga színű, átlátszóan tiszta folyadék. Szárazanyag-tartalma valamivel kisebb, mint a nyersléé, mennyisége a répa mennyiségéhez viszonyítva 120-125%. A híglé tisztasági hányadosa (Q) kb. 92 %. Az a nemcukoranyag, amelyet a híglé tartalmaz, a gyártás során továbbjut és végül az ún. melaszba kerül.

Szűrő állomás (híglé szűrő)

BEPÁRLÁS A létisztításban eltávolítottuk a léből a nemcukrok egy részét. A bepárlásnak az a feladta, hogy a híglevet gőzzel való forralással besűrítsük. A híglé szárazanyag-tartalma 14-16 Bx°, a pépé 9394 Bx°. A felesleges víz nagyobb részét a bepárlóban, kisebb részét a főzőállomáson távolítjuk el. A bepárlóban általában 65 Bx°-ig sűrítenek, de egyes külföldi gyárakban 70 Bx° a határ. A bepárló akkor működik jól, ha a híglevet minőségi romlás (színeződés, cukorbomlás) nélkül és gazdaságosan párolja be. Akkor gazdaságos a bepárlás, ha a bepárló kevés fűtőgőz felhasználásával további célokra sok párát szolgáltat és levet kellően besűríti. A híglé mennyisége répára számítva kb. 120-125%, a sűrűléé 25-30%. Ez azt jelenti, hogy a hígléből 100kg répára 90-95 kg vizet kell elpárologtatni.

Bepárló állomás

Schenk szűrő (sűrűlé szűrő)

CUKOROLDAL – HOMOKCUKORGYÁRTÁS – FINOMÍTÁS

A cukorgyárnak a bepárló után következő állomásait együttvéve cukoroldalnak nevezzük. A cukoroldal munkája a sűrűlé feldolgozásától a fehércukor raktározásáig terjed. A cukoroldali technológia feladata az, hogy a sűrűléből a leggazdaságosabb eljárással szabványos minőségű fehércukrot készítsen. A sűrűlé koncentrált (tömény) cukoroldat, melyből főzéssel kristályosítjuk ki a cukrot. A sűrűlében a cukron kívül nemcukoranyagok is vannak. A kristályos anyagok oldataikból kristályos alakban válnak ki. Az oldatból kikristályosított cukor vegytiszta, benne idegen anyag, tehát nemcukoranyag nincs, ezért a cukor kristályosítással tisztítható. A cukorfőzés az a művelet, amellyel a sűrűlében oldott cukrot kristályos, tiszta állapotban különítjük el a nemcukoranyagoktól.

A cukoroldal műveletei és termékei: Bármely cukortartalmú oldatból besűrítéssel, majd befőzéssel kikristályosított cukrot tartalmazó elegyet pépnek nevezünk. A pép tehát cukorkristályt és cukoroldatot, anyaszörpöt tartalmaz. A cukorkristályokat a szörptől centrifugában (szűrőcentrifuga) különítjük el, az anyaszörp a pépből a centrifugális erő hatására a centrifuga szitalemezén keresztül kivágódik, a cukorkristályok pedig a szitalemezre rakódnak fel, ezt a cukrot nyerscukornak nevezzük. A nyerscukorról lecentrifugált szörp a zöld szörp. A nyerscukorkristályokra tapadt zöld szörpöt a centrifugában kevés vízzel, gőzzel vagy tiszta cukoroldattal (liker) mossuk le, ez a művelet a nyerscukor fedése vagy affinálása. A kristályokról lecentrifugált mosófolyadékot - cukoroldatotfedőszörpnek, affinációs szörpnek vagy fehérszörpnek nevezzük. A cukorkristályokról lecentrifugált szörpök közös neve lefolyószörp, röviden lefolyó. A fedés után a centrifugában maradó cukor az affinált cukor. A pépet cukorfőző készülékben (vákuumban) légűr alatt főzik, majd pépkavaróba (kavaróba) eresztik le. A péphez centrifugálás előtt – a viszkozitás csökkentése céljából- kevés szörpöt keverünk, ez a bekeverő szörp. Az affinált cukorból további fedéssel vagy ismételt átfőzéssel készül a fehércukor. Ez már a kereskedelmi áru. A sűrűléből főzik az I. termék pépet. Ennek lefolyóiból főzik a II. termék pépet (középtermék). A III. termék pépet (utótermék) általában a középtermék zöld szörpből főzik. Az utótermék pép zöld lefolyója a melasz, amely - nagy nemcukor-tartalma miatt- cukor kristályosítására már alkalmatlan. Finomításnak nevezik azt az eljárást, ha a második, illetve harmadik kristályosításnál nyert cukrot feloldják aktív szénnel vagy más módon tisztítva az oldatot, újra kristályosítják. A finomítás rendszerint nem kerülhető el mert a második és harmadik kristályosítás terméke fogyasztásra nem megfelelő minőségű. Van olyan eset is, hogy újra átkristályosítják az első kristályosítás termékét is, ez esetben teljes finomításról beszélünk. A finomítás során kapott cukrot nemcsak kristálycukor, hanem kocka vagy mokka formájában is forgalomba hozzák.

Cukorfőző állomás

Centrifuga (ABB)

Centrifuga állomás

Cukorszárító dob

Osztályozó rázó

Silótöltő

Silóba betárolt cukor

Cukorszalag híd

Csomagoló üzem

Készáru raktár

Az elmondottakból láthatjuk, hogy a cukorgyártás a répában lévő cukor kinyerése, minél kisebb költséggel és veszteséggel. A nyersanyag mosása, aprítása, a cukor oldása, az oldat tisztítása csapadékképzéssel és szűréssel, a besűrítés párologtatással s végül a kristályosítás önmagában véve nem túlságosan bonyolult feladat. Különleges probléma az, hogy a nyersanyag élő, állandóan változó, a gyártási szempontból értékes anyag, a cukor meglehetősen érzékeny, a kísérőanyagok túlnyomó része szerves vegyület, mégpedig igen nagyszámú s igen különböző természetű. Ezen kívül nagy mennyiséggel, igazi nagyüzemi mértékekkel kell dolgozni, nagy a víz és energiaszükséglet. Ezért a cukorgyártáshoz sokoldalúan képzett műszakiakra van szükség, akik különböző területeken egyaránt el tudnak igazodni. Nem lehet csak gépészeti vagy csak vegyészeti ismeretekkel eredményes munkát végezni a cukorgyártásban. A felmerülő problémák nem is mindig tisztán műszakiak, hanem üzemszervezési, üzemgazdasági kérdések is szép számmal vannak közöttük, tehát ilyen irányban is kell bizonyos alapismeretekkel rendelkezniük a cukorgyári műszaki dolgozóknak.

Források: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Cukoripari technológia I. – Maczelka László Cukoripari technológia – Nagy Józsefné Cukorgyártás —Hangyál Károly, Simon Pál, Krause Jenő Cukoripari zsebkönyv – Wertán Pál Szerves kémia – Halmos Istvánné Így készülj a felvételi vizsgára kémiából – Dr. Máthé Árpád; Dr. Pálfi Aladárné; Dr. Perczel Sándor Képek: Cukorgyári pillanatok 1976-2006