Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО БЕЛОГО САХАРА

Изобретение относится к производству сахара и может быть использовано для повышения эффективности работы продуктового отделения сахарного завода.

Известен способ производства сахара, предусматривающий сгущение сиропа, заводку в нем центров кристаллизации из расчета 10-12 шт. на 1 мм длины поверхности пробного стекла, их наращивание до 0,2-0,3 мм в первом вакуум-аппарате, отбор части утфеля в количестве 50-55% от общей его массы и подачу во второй вакуум-аппарат, уваривание утфеля в первом и втором вакуум-аппаратах до готовности, спуск утфелей в приемную утфелемешалку и центрифугирование с отбором первого оттека, промывание кристаллов сахара с отделением второго оттека и выгрузку из центрифуги кристаллического белого сахара [SU №1017736 A, C13F 1/02. Опубл. 17.09.1981 г.].

Недостатком данного способа является неоднородность кристаллов сахара, ввиду использования для заводки центров кристаллизации сахарной пудры, имеющей неоднородный гранулометрический состав, так как в ней много обломков и сколов не только правильных кристаллов, но и их агрегатов. Гранулометрический состав получаемых на ее основе кристаллов оказывает существенное влияние на физико-химические показатели такого сахара.

Наиболее близким является способ производства сахара, предусматривающий уваривание утфеля первой кристаллизации в первом вакуум-аппарате, отбор части этого утфеля и подачу его во второй вакуум-аппарат, спуск готовых утфелей в приемную утфелемешалку и центрифугирование в фильтрующей центрифуге с отделением первого оттека, промывание кристаллов сахара с отделением второго оттека и выгрузку кристаллического белого сахара. Причем в качестве центров кристаллизации используют маточный утфель с размером кристаллов 0120-0,160 мм и их наращивают при содержании в утфеле 88,0-90,0% сухих веществ, после чего часть утфеля из этого аппарата в количестве 30-40% от общей массы отбирают в смеси с сиропом и клеровкой во второй вакуум-аппарат в качестве кристаллической основы. В первом аппарате утфель уваривают до 92,0-92,5% сухих веществ, а во втором до 93,0-93,5% сухих веществ. Утфель из первого вакуум-аппарата направляют на центрифугирование на 50-60 минут раньше, чем из второго. Промывание кристаллов проводят в два этапа - сначала сахарсодержащим раствором концентрацией 70-76% сухих веществ в количестве 2,5-3,5% к массе утфеля при температуре 70-90°С, а затем паром при его давлении 0,3-0,4 МПа в количестве 1,5-2,0% к массе утфеля [RU 2544596, С2. Опубл. 20.03.2015, Бюл. №8].

К недостаткам данного способа следует отнести не совсем четко обоснованные условия проведения процессов уваривания утфеля в вакуум-аппарате и его последующее разделение в поле действия центробежных сил, что снижает эффективность их осуществления и приводит к снижению выхода и качества сахара.

Техническим результатом заявленного способа является повышение выхода сахара в процессе его уваривания и центрифугирования при одновременном улучшении его органолептических и физико-химических показателей качества.

Этот результат достигается тем, что в предложенном способе производства кристаллического белого сахара, предусматривающем уваривание утфеля первой кристаллизации в первом вакуум-аппарате, отбор части этого утфеля и подачу его во второй вакуум-аппарат, спуск готовых утфелей в приемную утфелемешалку и центрифугирование в фильтрующей центрифуге с отделением первого оттека, промывание кристаллов сахара с отделением второго оттека и выгрузку кристаллического белого сахара, причем в качестве центров кристаллизации используют маточный утфель с размерами кристаллов 0,120-0,160 мм, которые наращивают при сгущении утфеля до 88,0-90,0% сухих веществ при температуре 72,0-76,0°С и обогрева паровой камеры вакуум-аппарата паром температурой 105-110°С, после чего часть утфеля из этого вакуум-аппарата в количестве 30-40% от общей массы отбирают в смеси с сиропом и клеровкой во второй вакуум-аппарат в качестве кристаллической основы, в первом и втором вакуум-аппаратах утфель уваривают до содержания в них 50-55% кристаллов, выдерживая расстояние между ними 1,5⋅10^-4-2,5⋅10^-4 м, при этом утфель из первого вакуум-аппарата направляют на центрифугирование раньше, чем из второго вакуум-аппарата, затем температуру загружаемого в центрифугу утфеля доводят до 68-72°С для обеспечения его минимальной вязкости, промывание кристаллов сахара проводят в два этапа - сначала сахаросодержащим раствором концентрацией 70-75% сухих веществ, причем отделение первого оттека сопровождается вводом в ротор центрифуги насыщенного влагой воздуха температурой выше, чем утфеля, на 2-5°С, затем промывной водой, насыщенной озоном из расчета 5-10 мг/л, в количестве 1,0-1,2% к массе утфеля.

Способ осуществляется следующим образом. Вначале готовится маточный утфель в отдельном охлаждающем кристаллизаторе с размерами кристаллов 0,120-0,160 мм по известной технологии [Современные технологии и оборудование свеклосахарного производства. Часть 2./ В.О. Штангеев, В.Т. Кобер, Л.Г. Белостоцкий и др. - Под редак. В.О. Штангеева. - К.: «ЦУКОР УКРАIНИ», 2004. - 320 с. (с.116-117)].

Требования к размерам кристаллов в маточном утфеле в диапазоне 0,120-0,160 мм получены экспериментальным путем. При размере кристаллов сахара менее 0,120 мм возрастает риск их срастания с образованием агрегатов, а при более 0,160 мм снижается скорость роста, появляется риск образования новых центров кристаллизации и нужно больше времени на обеспечение этих размеров в процессе охлаждения утфельной массы.

Процесс уваривания утфеля в вакуум-аппарате начинается с того, что открытием вентиля предварительного разрежения в нем создают остаточное давление до 0,02-0,015 МПа. Одновременно с открытием вентиля предварительного разрежения в вакуум-аппарат начинают подавать сироп с маточным утфелем и клеровкой. Как только аппарат заполнится на 1/3 высоты паровой камеры, начинают ее прогревать. Когда уровень вводимой смеси закроет всю площадь поверхности паровой камеры вакуум-аппаратов, паровой вентиль открывается полностью, и при остаточном давлении около 0,015 МПа начинают проводить процесс выпаривания воды из сахарного раствора. При этом основной задачей является наращивание уже имеющихся кристаллов маточного утфеля. Эту операцию проводят при сгущении утфеля до 88,0-90,0% сухих веществ при температуре утфельной массы 72,0-76,0°С и обогреве паровой камеры вакуум-аппарата греющим паром температурой 105-110°С. При этих условиях обеспечивается максимальная скорость роста кристаллов при минимальных включениях в них несахаров, особенно красящих веществ. Помимо этого при данных температурных параметрах обеспечивается достаточно высокая полезная разность температур между греющим паром и кипящим раствором, поэтому процесс сгущения сопровождается небольшими потерями сахарозы. При запредельных значениях по содержанию сухих веществ и температуре ухудшаются условия достижения технического результата изобретения. Особенно это наблюдается при использовании греющего пара менее 105°С и более 110°С для обогрева паровой камеры вакуум-аппарата.

После того как количество утфеля в вакуум-аппарате будет достаточно для отбора части его в количестве 30-40% от общей массы в другой (второй) аппарат приступают к ее осуществлению. Отбирается часть утфеля, которая будет играть роль кристаллической основы для второго вакуум-аппарата. Для обеспечения необходимого количества кристаллической основы ее подают во второй аппарат в смеси с сиропом и клеровкой сахаров последних кристаллизаций. После отбора части утфеля из первого во второй вакуум-аппарат они должны быть заполнены так, чтобы поверхность их паровых камер не была оголена. Количество отбираемого утфеля в диапазоне 30-40% установлена экспериментальным путем и при запредельных значениях установленного диапазона достижение технического результата ухудшается. Как в первом, так и во втором вакуум-аппаратах утфели уваривают до содержания в них 50-55% кристаллов, выдерживая расстояние между ними 1,5⋅10^-4-2,5⋅10^-4 м. При запредельных значениях этих параметров, т.е. при уваривании утфеля до содержания в нем кристаллов менее 50% или более 55%, а также при выдерживании расстояния между кристаллами менее 1,5⋅10^-4 м и более 2,5⋅10^-4 м достижение технического результата изобретения значительно ухудшается. При наличии в утфеле менее 50% кристаллов уменьшается выход сахара и возрастает общее количество оттеков первой кристаллизации, что требует дополнительных затрат на их переработку. При возрастании содержания кристаллов в утфеле более 55% возрастают затраты времени на этот процесс, кроме того, он плохо центрифугируется, что отрицательно сказывается не только на качественных показателях сахара, но и на его выходе из центрифуг. При запредельных значениях по расстоянию между кристаллами сахара в утфеле могут быть созданы условия появления вторичных кристаллов за счет их срастания, что не только влияет на процесс роста кристаллов, но и на их качество. Выдерживание диапазона в интервале 1,5⋅10^-4-2,5⋅10^-4 м обеспечивает оптимальные условия для достижения технического результата изобретения. Отмеченные в описании патента предельные значения обуславливают необходимость направлять на центрифугирование утфель из первого аппарата раньше, чем из второго. Это обеспечивает оптимальные условия центрифугирования утфелей и высокий выход сахара требуемого качества.

При завершении процесса уваривания утфеля в вакуум-аппаратах его выгружают в приемную утфелемешалку и затем направляют на центрифугирование. Перед центрифугированием температуру утфеля доводят до 68-72°С, что необходимо для обеспечения его минимальной вязкости. При запредельных значениях температур утфеля, т.е. менее 68°С и свыше 72°С, его вязкость возрастает, что отрицательно влияет как на выход сахара из центрифуг, так и на его потери ввиду повышенного расхода воды на промывание кристаллов сахара.

Промывание кристаллов сахара в роторе центрифуги проводят в две стадии. Сначала их обрабатывают сахарсодержащим раствором концентрацией 70-75% сухих веществ, причем отделение первого оттека сопровождается вводом в ротор центрифуги насыщенного влагой воздуха температурой выше, чем утфеля, на 2-5°С.

Использования для промывания кристаллов сахарсодержащего раствора концентрацией 70-75% сухих веществ позволяет значительно уменьшить растворение их по сравнению с промыванием горячей водой. Кроме того, использование сахарсодержащего раствора с указанным диапазоном по концентрации сухих веществ позволяет более полно вытеснить из слоя кристаллов остатки оттека первой кристаллизации и уменьшить его пленку на кристаллах. Поэтому второй этап промывания кристаллов позволяет улучшить эффект от их промывания озонированной водой. Введение в ротор центрифуги насыщенного влагой воздуха температурой выше, чем утфеля, на 2-5°С способствует снижению вязкости отделяемого из кристаллов первого оттека, так же как и его пленки на самих кристаллах. Эти результаты получены экспериментальным путем и соответствуют условиям повышения выхода и качества сахара.

Поэтому на втором этапе промывания кристаллов сахара насыщенной озоном промывной воды из расчета 5-10 мг/л обеспечивается достижение технического результата изобретения при уменьшенном растворение кристаллов сахара. Содержание озона в промывной воде в количестве 5-10 мг/л установлено опытным путем и существенно влияет на удаление красящих веществ из получаемого по данному способу сахара. Кроме того, такой сахар лучше сохраняет качественные показатели в процессе хранения. Расход такой промывной воды в количестве 1,0-1,2% к массе утфеля по схеме промывания кристаллов в две стадии значительно меньше, чем по типовой технологии [Сапронов А.Р. Технология сахарного производства. - 2-е изд., исправл. и доп. - М.: Колос, 1999. - 495 с.].

После промывания кристаллы сахара высушивают в роторе центрифуги до влажности 0,6% и затем выгружают из нее. Оттеки утфеля из первого и второго аппаратов направляют в соответствующие сборники, а кристаллический белый сахар - в сушильное отделение.

Для сопоставления предлагаемого способа с известным определяют основные технологические показатели: чистоту утфеля первой кристаллизации в первом и втором вакуум-аппаратах (Ч¹_утфI, Ч²_утфI %), содержание в них сухих веществ (СВ¹_утфI, СВ²_утфI %), средний выход кристаллов сахара из центрифуги для двух утфелей первой кристаллизации (К_ср, % к массе утфеля), физико-химические показатели качества кристаллического белого сахара: цветность (Ц_сах, усл.ед.), мутность (М_сах, физ.ед.), содержание редуцирующих веществ (PB, %), содержание золы (Зол, %), гранулометрические показатели кристаллического белого сахара: средний размер кристаллов (С_р, мм), коэффициент неоднородности (К_н, %).

Пример 1. Получение утфеля первой кристаллизации по предлагаемому способу.

В первый вакуум-аппарат, позволяющий за цикл сварить 60 т утфеля, набирают маточный утфель с размерами кристаллов 0,160 мм в смеси с сиропом и клеровкой сахаров последующих ступеней кристаллизации сахара. Эту операцию проводят до закрытия поверхности паровой камеры с последующим вводом в нее греющего пара из выпарной установки температурой 107°С, процесс наращивания кристаллов маточного утфеля начинают при температуре 74°С и проводят его до содержания в утфеле 90% сухих веществ. После обеспечения в первом вакуум-аппарате требуемого для отбора количества утфеля готовят второй аппарат, создавая в нем необходимое разрежение, а в первом - его значительно снижают. При этом эти два вакуум-аппарата соединены между собой трубопроводом диаметром не менее 180 мм и вентилями с пропариванием для отбора и забора утфеля. Затем из первого аппарата отбирают часть утфеля в количестве 40% от общей его массы во второй аппарат. При этом для исключения процесса образования вторичных центров кристаллизации и заполнения объема второго аппарата до закрытия паровой камеры одновременно с отбираемым из первого аппарата утфелем вводят смесь сиропа с клеровкой, а в его паровую камеру подают греющий пар температурой 107°С. А процесс наращивания кристаллов сахара кристаллической основы ведут до содержания в этих утфелях перед спуском из вакуум-аппаратов 92,5%. Кроме того, в этот период процесс кристаллизации сахара в обоих вакуум-аппаратах проводят, выдерживая расстояние между кристаллами сахара 2,0⋅10^-4 м, регулируя при этом параметры вводимых на уваривание сиропа и клеровки.

Спускаемый из первого аппарата утфель направляют на центрифугирование раньше, чем из второго, на 50 мин. Температуру загружаемого в центрифугу утфеля доводят до 70°С, а промывание кристаллов сахара осуществляют в центрифугах марки ФНП-1251Т (производительность одной центрифуги 19 т/ч) с разовой загрузкой утфелем ротора центрифуги 700 кг. Промывание кристаллов сахара в данных центрифугах проводят в два этапа - сначала сахарсодержащим раствором концентрацией 72,5% сухих веществ. Причем отделение первого оттека сопровождается вводом в ротор центрифуги насыщенного влагой воздуха температурой выше, чем утфеля, на 3,5°С. После того кристаллы промывают промывной водой насыщенной озоном из расчета 7,5 мг/л в количестве 1,1% к массе утфеля.

Результаты исследования по предлагаемому способу:

- технологические показатели: Ч¹_утфI=91,8%, СВ¹_утфI=92,25%, Ч²_утфI=91,5%, СВ²_утфI=92,25%, К_ср=52,6%;

- физико-химические показатели качества кристаллического белого сахара:

Ц_сах=0,70 усл.ед.; М_сах=19,4 физ.ед.; РВ=0,028%; Зол=0, 021%;

- гранулометрические показатели:

С_р=0,72 мм; К_н=24,6%.

Параллельно производство кристаллического белого сахара осуществляют по известному способу (прототипу) с использованием тех же условий, что и по предлагаемому.

Пример 2. Вначале готовится маточный утфель в отдельном охлаждающем кристаллизаторе по известной технологии с размером кристаллов 0,160 мм. Затем в смеси с сиропом и клеровкой вводится в первый вакуум-аппарат до полного закрытия поверхности нагрева паровой камеры и после этого начинается процесс уваривания утфеля.

Наращивание кристаллов сахара проводят при содержании в утфеле 90% сухих веществ. После того как количество утфеля в вакуум-аппарате будет достаточно, часть его из расчета 35% от общей массы отбирают в смеси с сиропом и клеровкой во второй аппарат в качестве кристаллической основы. При этом после завершения отбора утфеля паровые поверхности камер в вакуум-аппаратах не должны быть оголены.

Оставшуюся в первом вакуум-аппарате часть утфеля уваривают до 92,25% сухих веществ, а во втором до 93,25% сухих веществ. Перед спуском утфеля из второго аппарата его раскачивают первым оттеком утфеля до 92,25% сухих веществ. Причем утфель из первого аппарата направляют на центрифугирование на 50 мин раньше, чем из второго вакуум-аппарата.

Разделение утфеля на первый, второй оттеки и кристаллический белый сахар проводят в автоматизированных центрифугах периодического действия марки ФНП - 1251Тс загрузкой ротора 700 кг на один цикл.

В процессе центрифугирования утфеля промывание кристаллов сахара проводят в два этапа - сначала сахарсодержащим раствором концентрацией 73% сухих веществ из расчета 2,75% к массе утфеля при температуре 80°С, а затем паром при давлении 0,35 МПа в количестве 1,75% к массе утфеля. После промывания кристаллы сахара подсушивают в центробежном силовом поле до влажности 0,6% и выгружают из центрифуги. Оттеки утфеля из первого и второго аппаратов направляют в соответствующие сборники, а кристаллический белый сахар - в сушильное отделение.

Результаты исследований по известному способу:

- технологические показатели Ч¹_утфI=91,85%, СВ¹_утфI=92,25%, Ч²_утфI=91,53%, СВ²_утфI=93,25%, К_ср=50,1%;

- физико-химические показатели качества кристаллического белого сахара:

Ц_сах=0,80 усл.ед.; М_сах=29,7 физ.ед.; РВ=0,053%; Зол=0, 038%;

- гранулометрические показатели:

С_р=0,70 мм; К_н=29,6%.

Таким образом, из приведенных примеров по реализации предлагаемого способа по сравнению с известным можно видеть, что выход сахара по новому способу после уваривания и центрифугирования утфеля первой кристаллизации возрастает на 2,5% к массе утфеля. Кроме того, получаемый при этом кристаллический белый сахар имеет несколько лучшие физико-химические показатели качества, так же как и его гранулометрический состав. Поэтому обеспечивается более высокая эффективность процесса разделения утфеля первой кристаллизации в центробежном силовом поле. Снижение расхода промывной воды не только снижает потери сахара от растворения, но и уменьшает общие тепловые потери в производстве сахара.