СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СИРОПА ИЗ САХАРОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ Российский патент 2003 года по МПК C13D3/16 

Изобретение относится к сахарной промышленности и может быть использовано для производства сиропа из сахаросодержащего сырья.

В настоящее время в сахарной промышленности применяются различные способы производства сиропа, имеющие своей целью снижение потерь сахарозы в процессе переработки сырья, повышение качества сиропа, уменьшение его себестоимости и в конечном счете увеличение выхода и удешевление товарного сахара.

Так известен способ, предусматривающий экстракцию измельченного сырья водой с получением диффузионного сока, его очистку от механических примесей, охлаждение, ультрафильтрацию сока с образованием ультрафильтрата и концентрата, который подвергают электролизу с целью коагуляции содержащихся в нем высокомолекулярных соединений (ВМС) и коллоидно-диспергированных веществ, с последующим осаждением коагулянта в отстойнике, фильтрацию отделенного от осадка раствора с наполнителем и возврат его в процесс путем смешивания с исходным соком. Полученный ультрафильтрат концентрируют до сиропа обратным осмосом и проводят деионизацию сиропа электродиализом в две ступени (Авт. св. 482496, кл. C 13 D 3/16, 1975).

Недостатки способа заключаются в следующем. В процессе экстракции получают сок с высоким содержанием ионов жесткости и веществ коллоидной дисперсности. Скорость ультрафильтрации такого сока по мере отбора ультрафильтрата быстро снижается, что обусловлено блокированием пор мембран веществами коллоидной дисперсности и труднорастворимыми солями жесткости. Это вызывает необходимость частых промывок ультрафильтрационного оборудования, образование экологически грязных стоков.

В процессе электрокоагуляции качество сока снижается за счет дополнительного перехода в сок ионов металлов, которые ультрафильтрацией не задерживаются. Операция концентрирования ультрафильтрата ведется с малой эффективностью из-за быстрого блокирования мембран солями жесткости, что также вызывает необходимость частых промывок оборудования.

Реализация этого способа приводит к большим эксплуатационным расходам, высокой себестоимости производимого сиропа.

Известен также и способ, предусматривающий экстракцию сахарозы из стружки сахаросодержащего сырья водой с солесодержанием не более 30 мг/л, с получением диффузионного сока, его охлаждение, ультрафильтрацию в несколько стадий с разбавлением сока перед первой стадией и образующегося на каждой стадии концентрата указанной выше водой. При этом полученные на стадиях ультрафильтраты смешивают, затем объединенный ультрафильтрат умягчают и концентрируют методом обратного осмоса до получения сиропа с содержанием сухих веществ (СВ) 30-50% и фильтрата, имеющего солесодержание не более 30 мг/л, с последующим использованием его в процессе экстракции и ультрафильтрации. (Патент Российской Федерации 2118664 C 13 D 3/16 на изобретение "Способ производства сиропа из сахаросодержащего сырья" - 1997 г.).

Указанный способ также имеет ряд недостатков. Процесс экстракции проводят таким образом, что получающийся жом содержит достаточно большое количество сахарозы, при этом в диффузионный сок из стружки переходит много несахаров: гидратопектина, ВМС, кислот и других. Как следствие, например, в свеклосахарном производстве потери сахарозы в жоме достигают 0,3-0,5% к массе свеклы, а доброкачественность (чистота) диффузионного сока составляет 85-86%.

Очистка такого сока ультрафильтрацией с разбавлением требует применения дорогостоящего оборудования и высоких эксплуатационных затрат на его обслуживание: промывку мембран, утилизацию образующихся промывочных стоков и т. п. При этом с концентратом после последней стадии ультрафильтрации теряется сахароза в количестве 0,2-0,4% к массе свеклы. Кроме того, в процессе очистки получают объединенный ультрафильтрат с низким содержанием СВ ~2,4%, для сгущения которого требуется большее количество дорогостоящих установок обратного осмоса.

Ближайшим техническим решением к предложенному является способ, предусматривающий экстракцию сахарозы из измельченного сырья водой в течение 90-120 мин при массовом соотношении сырья и экстрагента 1:0,8-1:1,2. В качестве экстрагента используется смесь воды из естественного водоема, жомопрессовой воды и парового конденсата. Получающийся диффузионный сок очищают от мезги и направляют на дефекацию, где смешивают с известковым молоком. В процессе дефекации часть несахаров разлагают, коагулируют или переводят в труднорастворимые соединения, выпадающие в осадок. Затем сок сатурируют (насыщают углекислым газом) с целью максимального перевода ионов жесткости в нерастворимые соединения и одновременной дополнительной очистки от несахаров. Далее сок фильтруют и сульфитируют. Общая продолжительность процессов дефекации, сатурации, фильтрации и сульфитации составляет 140-180 мин. Сульфитированный сок с содержанием СВ 12-14% сгущают до сиропа с содержанием СВ 55-65% выпариванием при температуре 80-130^oС в течение 75-90 мин (Востоков А. И. , Лепешкин И.П., Свеклосахарное производство - М., Пищевая промышленность. 1973 г., с.42).

Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Этот способ хотя и получил широкое распространение, обладает целым рядом существенных недостатков.

Процесс экстракции проводят таким образом, что получающийся жом содержит большое количество сахарозы, при этом в диффузионный сок из сырья также переходит много несахаров: гидратопектина, ВМС, кислот, коллоидов и других. Как следствие, например, в свекловичном производстве потери сахарозы в жоме достигают 0,3-0,8% к массе свеклы, а доброкачественность получаемого сока составляет 82-86%.

Очистка сока осуществляется с использованием большого количества химреагентов: известкового молока, углекислого газа. Для их получения требуется наличие специального энергоемкого производства по обжигу известняка с большим грузооборотом (6-10% к массе свеклы). В процессе очистки образуются значительные объемы отходов, которые наносят серьезный экологический ущерб. В ходе очистки сок сильно насыщается накипеобразующими ионами жесткости. Процесс очистки требует применения громоздкого оборудования, больших производственных и складских помещений, высоких трудозатрат. Однако общий эффект очистки сока от несахаров составляет всего 25-45%, а доброкачественность очищенного сока в свеклосахарном производстве повышается лишь до 87-89%. Увеличение при экстракции соотношения массы экстрагента к сахаросодержащему сырью более чем 1,2:1,0, что соответствует коэффициенту откачки сока ~150%, при существующей технологии экономически не выгодно, так как выпаривание сока с невысоким содержанием сухих веществ требует впоследствии очень больших энергозатрат.

В процессе выпаривания происходит сильное накипеобразование на нагревательных поверхностях, что вызывает дополнительный расход греющего пара и топлива. Кроме того, возникает необходимость периодической остановки предприятия для химической отмывки выпарного оборудования, что приводит к упущенной выгоде. Высокая общая продолжительность переработки сырья в сироп (3,5-4,5 час. ) приводит к дополнительным потерям сахарозы вследствие ее термического разложения и гидролиза, ухудшению качества сиропа.

Указанные выше недостатки обусловливают низкое качество сиропа и высокие потери сахарозы в процессе его производства. На свеклосахарных заводах, например, сироп имеет чистоту 86-89%, а потери сахарозы при производстве сиропа составляют 1,8-2,8% к массе свеклы.

Решить задачу по устранению указанных выше недостатков стало возможным за счет создания нового оригинального способа производства сиропа.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в уменьшении потерь сахарозы в жоме и в процессе переработки сырья, повышении качества получаемого диффузионного сока и сиропа, снижении затрат на производство сиропа.

Это достигается за счет того, что в предложенном способе производства сиропа предусматривается экстракция измельченного сахаросодержащего сырья экстрагентом при массовом соотношении сырья и экстрагента 1:1,4-1:3,5 с получением диффузионного сока, его очистка от взвесей, умягчение, предварительное концентрирование умягченного сока до содержания СВ 20-40% обратным осмосом или нанофильтрацией с последующим сгущением до СВ 55-70% путем выпаривания. Умягченный сок перед предварительным концентрированием следует обесцвечивать на ионитах или активированном угле. Также целесообразно в качестве экстрагента использовать обессоленную воду с солесодержанием не более 30 мг/л, что дополнительно повышает доброкачественность диффузионного сока.

Предложенный способ поясняется технологической схемой, изображенной на чертеже, и заключается в следующем.

Из емкости 1 забирают воду, а затем доводят с помощью установки 2 ее водородный показатель (рН) до уровня 5,5-6,5 (воду подкисляют) и направляют в экстрактор 3. В экстрактор противоточно воде подают ошпаренное, измельченное сырье. Экстракцию проводят при массовом соотношении сырья и экстрагента 1: 1,4-1:3,5 при продолжительности процесса 25-60 мин. При таких условиях уменьшают переход в диффузионный сок несахаров: гидратопектина, белков, жиров и других веществ, увеличивают скорость и глубину экстракции сахарозы.

В результате получают диффузионный сок с чистотой 90-93%, содержанием СВ 5-9%, при этом потери сахарозы в жоме составляют 0,05-0,15% к массе исходного сырья.

Получающийся в процессе экстракции жом отводят из экстрактора, прессуют и используют в качестве корма для животных. Образующуюся при прессовании жомопрессовую воду очищают термическим, или химическим, или другим известным способом и повторно используют, например, для промывки, взрыхления ионообменных смол.

Полученный в процессе экстракции диффузионный сок очищают от взвесей на фильтре 4 и направляют для умягчения на установку 5, загруженную катионитом в натриевой или калиевой форме. Регенерацию отработанного катионита осуществляют раствором натриевой или калиевой соли. При регенерации катионита получают растворы, содержащие десорбированные соли. Эти растворы используют для получения ценных продуктов, например хлористого магния.

При необходимости получения сиропа с более низкой цветностью умягченный сок следует обесцвечивать на анионите или активированным углем.

Регенерацию анионита осуществляют раствором соли, щелочи (или их комбинированным раствором). Образующиеся при регенерации растворы содержат десорбированные несахара. Их используют для получения ценных веществ, например яблочной, лимонной кислот.

Регенерацию активированного угля осуществляют после его выгрузки термическим или термохимическим способами.

Обесцвеченный сок с чистотой 93-96% направляют на установку 7, где осуществляют его предварительное концентрирование до содержания СВ 20-40% обратным осмосом или нанофильтрацией.

Образующийся в процессе предконцентрирования фильтрат обратного осмоса представляет собой воду с солесодержанием не более 30 мг/л, где сахароза присутствует в виде следов, и которую возвращают в емкость 1. Нанофильтрат представляет собой воду с солесодержанием ~60-100 мг/л, в которой массовая концентрация сахарозы составляет 0,05-0,1%. Нанофильтрат также возвращают в емкость 1.

Предварительно сконцентрированный сок подают на выпарную установку 8, где осуществляют его окончательное сгущение до сиропа с содержанием СВ 55-70%. Длительность процесса выпаривания под вакуумом составляет 20-45 мин при температуре 80-100^oС. Готовый сироп, полученный из обесцвеченного сока, имеет чистоту 92-94% и цветность 8-12 условных единиц оптической плотности. Сироп из необесцвеченного сока имеет доброкачественность 90-92% и цветность 140-180 условных единиц оптической плотности.

Общие потери сахарозы в процессе производства сиропа составляют 0,2-0,4% к массе исходного сырья.

Пример 1.

В лабораторный экстрактор подают ошпаренную стружку сахарной свеклы с содержанием сахарозы 16,8% в количестве 20 кг/час. Противоточно стружке подают воду с солесодержанием 250 мг/л и рН 6,1. Расход воды 28 кг/час, при этом массовое соотношение сырья и экстрагента составляет 1:1,4. Температура экстракции 65^oС, продолжительность 55 мин.

Из экстрактора отбирают диффузионный сок в количестве 34 кг/час со следующими показателями: содержание СВ 11,26%, сахарозы 10,20%, доброкачественность 90,6%. Потери сахарозы в жоме составляют 0,15% к массе свеклы. Сок очищают сначала от мезги на лабораторных ситах, затем от взвесей на фильтре с зернистой загрузкой (песок с размером частиц 0,8 мм).

После этого сок умягчают на ионообменной смоле типа КУ-2-8 в натриевой форме до жесткости 0,1 мг-экв/кг. Умягченный сок направляют на обесцвечивание, которое проводят на ионообменной смоле типа АВ-17 в хлор-форме. Обесцвеченный сок имеет следующие показатели: содержание СВ 11,0%, сахарозы 10,19%, доброкачественность 92,6%, цветность 17 условных единиц оптической плотности, жесткость 0,1 мг-экв/кг.

Умягченный обесцвеченный сок с расходом 34 кг/час направляют на предварительное концентрирование, которое осуществляют на лабораторной установке обратного осмоса с элементами марки 2540-LST-CPA2 фирмы "Гидронотикс" (США). Рабочее давление 35 атм. Отбирают фильтрат с расходом 21,3 кг/час. В результате получают сконцентрированный сок с содержанием СВ ~27,5%.

Отбирают 10 кг предварительно сконцентрированного сока и загружают в лабораторную выпарную установку, работающую под вакуумом. Вапаривание производят при температуре 88^oС в течение 40 мин. Получают сироп со следующими показателями: содержание СВ 59,8%, сахарозы 55,25%, доброкачественность 92,4%, цветность 22 условные единицы оптической плотности.

Пример 2.

Способ осуществляют, как в примере 1, но в лабораторный экстрактор противоточно стружке подают воду с солесодержанием 25 мг/л и рН, равным 5,9. При массовом соотношении сырья и экстрагента 1:1,4 расход обессоленной воды составит 28 кг/час. Продолжительность экстракции также составляет 55 мин.

Из экстрактора отбирают диффузионный сок в количестве 34 кг/час со следующими показателями: содержание СВ 10,95%, сахарозы 10,23%, доброкачественность 93,4%. Потери сахарозы в жоме составляют 0,11% к массе свеклы. Обесцвеченный сок имеет следующие показатели: содержание СВ 10,5%, сахарозы 10,2%, доброкачественность 95,1%, цветность 8 условных единиц оптической плотности, жесткость 0,08 мг-экв/кг.

Умягченный обесцвеченный сок с расходом 34 кг/час направляют на предварительное концентрирование, которое осуществляют на лабораторной установке обратного осмоса с элементами марки 2540-LST-CPA2 фирмы "Гидронотикс" Рабочее давление 35 атм. Отбирают фильтрат с расходом 21,3 кг/час. В результате получают сконцентрированный сок с содержанием СВ 27,6%.

Отбирают 10 кг предварительно сконцентрированного сока и загружают в лабораторную выпарную установку, работающую под вакуумом. Выпаривание производят при температуре 88^oС в течение 40 мин. Получают сироп со следующими показателями: содержание СВ 59,5%, сахарозы 56,5%, доброкачественность 95%, цветность 18 единиц условной оптической плотности.

Пример 3.

Способ осуществляют, как в примере 1, с той лишь разницей, что в экстрактор подают ошпаренную стружку сахарной свеклы в количестве 20 кг/час с содержанием сахарозы 17%, а воду с общим солесодержанием 15 мг/л и имеющую рН 5,5, подают с расходом 70 кг/час, обеспечивая соотношение сырья к экстрагенту 1:3,5. Продолжительность экстракции длится 25 мин.

При таких условиях достигнуты следующие результаты.

Из экстрактора отбирают диффузионный сок в количестве 76 кг/час со следующими показателями: СВ 5,04%, сахарозы 4,76%, доброкачественность 94,45%. Потери сахарозы в жоме составляют 0,06% к массе свеклы. После умягчения и обесцвечивания диффузионный сок получают со следующими показателями: содержание СВ 4,93%, сахарозы 4,75%, доброкачественность 96,3%, цветность 7 единиц условной оптической плотности, жесткость 0,03 мг-экв/кг.

Умягченный обесцвеченный сок с расходом 76 кг/час направляют на предварительное концентрирование на указанной выше установке обратного осмоса. Отбирают 62,4 кг/час фильтрата. Получают предварительно сконцентрированный сок с содержанием СВ 25%. После выпаривания сконцентрированного сока получают сироп со следующими показателями: содержанием СВ 61,3%, сахарозы 58,9%, доброкачественность 96,08%, цветность 16 единиц условной оптической плотности.

Пример 4.

Способ осуществляют, как в примере 1, с тем лишь отличием, что умягченный сок направляют на предварительное концентрирование на установке нанофильтрации с элементами марки ESPA фирмы "Гидронотикс". Рабочее давление 8 атм. Отбирают фильтрат с расходом 20,5 кг/час. В результате получают сконцентрированный сок с содержанием СВ 26,8%, из которого выпариванием получают сироп с содержанием СВ 59,2%, сахарозы 55,0%, доброкачественностью 92,85%, цветностью 160 условных единиц оптической плотности.

В фильтратах обратного осмоса сахароза присутствует в виде следов, в нанофильтрате массовое содержание сахарозы составляет 0,07%. Общие потери сахарозы в процессе переработки сахаросодержащего сырья в сироп составили в указанных выше примерах от 0,1 до 0,4% к массе свеклы.

Во всех примерах в процессе выпаривания не отмечалось образование накипи на нагревательных поверхностях, а также снижение скорости отбора фильтрата обратного осмоса и нанофильтрата.

Результаты реализации способа отражены в таблице.

Анализ таблицы и данных, указанных в примерах 1-4, показывает, что с уменьшением солесодержания в воде возрастает доброкачественность диффузионного сока и полученного сиропа. Такая же закономерность соблюдается и при увеличении массового соотношения экстрагента к сырью и уменьшении продолжительности экстракции.

Дальнейшее увеличение массового соотношения экстрагента и сырья сверх заявленного в способе экономически нецелесообразно из-за дополнительных затрат на предконцентрировании.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает снижение потерь сахарозы в жоме и в процессе производства сиропа, повышает качество сиропа, снижает затраты на его производство.

Изобретение относится к сахарной промышленности и может быть использовано для производства сиропа из сахаросодержащего сырья. Способ предусматривает экстракцию измельченного сахаросодержащего сырья экстрагентом при массовом их соотношении 1:1,4-1:3,5. Полученный диффузионный сок перед сгущением умягчают на катионите и концентрируют обратным осмосом или нанофильтрацией до содержания сухих веществ 20-40%. В качестве экстрагента предпочтительно выбирают воду с общим содержанием солей не более 30 мг/л. Умягченный диффузионный сок перед концентрированием целесообразно обесцвечивать на анионите или активированным углем. Использование предложенного способа позволяет обеспечить снижение потерь сахарозы в жоме, улучшает качество сиропа и обеспечивает снижение затрат на производство. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ производства сиропа из сахаросодержащего сырья, предусматривающий экстракцию измельченного сырья экстрагентом с получением диффузионного сока, его очистку от взвесей и сгущение до сиропа с содержанием СВ 55-70% выпариванием, отличающийся тем, что экстракцию проводят при массовом соотношении сырья и экстрагента 1: 1,4-1: 3,5, для предотвращения перехода органических несахаров в сок, при этом перед сгущением сок умягчают на катионите и концентрируют обратным осмосом или нанофильтрацией до содержания СВ 20-40%. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве экстрагента используют обессоленную воду с общим содержанием солей не более 30 мг/л. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что умягченный диффузионный сок перед концентрированием обесцвечивают на анионите или активированным углем.