Cukier jest jednym z najchętniej spożywanych produktów spożywczych na świecie, pozyskiwany głównie z trzciny cukrowej i buraków cukrowych. Produkcja wysokiej jakości cukru to złożony proces obejmujący wiele etapów: ekstrakcję, klarowanie, odparowywanie, krystalizację i rafinację. Na każdym etapie przetwarzania cukru jakość i czystość soku cukrowego muszą być precyzyjnie kontrolowane. Naturalne zanieczyszczenia, takie jak cząsteczki koloidalne, białka, pigmenty i mikroorganizmy, mogą poważnie wpłynąć na wydajność klarowania, filtracji i krystalizacji.
Chemikalia odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych procesach produkcji cukru. Bez odpowiedniej kontroli chemicznej zanieczyszczenia te mogą powodować osadzanie się kamienia, problemy z barwą i straty produkcyjne. Chemikalia do produkcji cukru nie tylko zwiększają wydajność i produktywność, ale także poprawiają jakość produktu, zmniejszają zużycie energii i pomagają fabrykom spełniać normy ochrony środowiska. Chemikalia te mogą:
- Zwiększa wydajność klarowania i efekt separacji fazy stałej od cieczy.
- Zapobiega rozwojowi mikroorganizmów w sokach owocowych i syropach.
- Wzmocnij efekt odbarwiania białego cukru granulowanego o wysokiej czystości.
- Kontroluj powstawanie piany i kamienia w parowniku i parowniku próżniowym.
W artykule, aby kompleksowo podsumować proces produkcji cukru, wykorzystano przykład trzciny cukrowej. Wyjaśniono również, jak na każdym etapie stosowano różne środki chemiczne – flokulanty, środki dezynfekujące, odbarwiające i przeciwpieniące – aby zapewnić płynne działanie i wysoką jakość produkcji cukru.
Proces produkcji cukru i zastosowanie chemikaliów
Przygotowanie surowca
Produkcja cukru rozpoczyna się od zbioru i przygotowania surowców. Trzcina cukrowa jest myta i siekana w celu usunięcia ziemi, kamieni i liści. Na tym etapie, jeśli sok pozostanie długo w stanie zamrożonym, zaczną się w nim rozwijać mikroorganizmy. Aby zmniejszyć obciążenie mikrobiologiczne powierzchni surowców, zapobiec zanieczyszczeniu lub zepsuciu soku cukrowego podczas procesu scukrzania, na powierzchnię trzciny cukrowej, wody magazynowej lub sprzętu czyszczącego nakłada się niekiedy środki dezynfekujące.
| Rodzaj środka dezynfekującego | Zalecane stężenie | Metoda aplikacji | Główne funkcje | Środki ostrożności | Zalety |
| Podchloryn sodu (NaClO) | 50–200 ppm wolnego chloru | Spryskiwanie lub namaczanie powierzchni trzciny cukrowej przez 5–10 minut | Sterylizacja o szerokim spektrum działania, zmniejszająca obciążenie mikrobiologiczne | Kontroluj stężenie (zwykle 50–200 ppm wolnego chloru). Unikaj nadmiaru resztkowego chloru w soku, aby zapobiec przebarwieniom lub krystalizacji. W razie potrzeby przepłucz lub osusz po użyciu. | Sterylizacja o szerokim spektrum działania, niski koszt. |
| Dichloroizocyjanuran sodu (SDIC) | 50–150 ppm wolnego chloru | Spryskiwanie lub namaczanie powierzchni trzciny cukrowej przez 5–10 minut | Wysoka stabilność, duża skuteczność sterylizacji | Kontroluj ilość wolnego chloru, aby nie wpływał na krystalizację i kolor soku. | Bardziej stabilny niż podchloryn sodu; wysoka wydajność; kontrolowana ilość chloru resztkowego; szeroko stosowany w zakładach przetwórstwa spożywczego. |
| Nadtlenek wodoru (H₂O₂) | 0,1%–0,5% | Dodawany do wody czyszczącej lub do opryskiwania powierzchni | Sterylizacja, brak pozostałości, przyjazność dla środowiska | Stężenie kontrolne; zazwyczaj 0,1–0,5% w przypadku obróbki powierzchni. Zachować ostrożność podczas pracy. | Rozkłada się bez pozostałości; bezpieczny i przyjazny dla środowiska. |
| Gorąca woda / para | Gorąca woda o temperaturze 80–90°C lub para o temperaturze 100°C | Płukanie gorącą wodą lub obróbka parą przez 2–5 minut | Sterylizacja bez dodatku chemikaliów | Wysokie zużycie energii; wymaga odpowiedniego sprzętu; należy przestrzegać środków ostrożności. | Bez dodatków chemicznych; zmniejsza ilość pozostałości chemicznych. |
| Dezynfekcja wody do czyszczenia zakładów/obiektów | SDIC, 50–100 ppm | Czyszczenie sprzętu, pojazdów transportowych | Zapobiega wtórnemu zanieczyszczeniu | Należy regularnie wymieniać i monitorować stężenie wolnego chloru. | — |
Zalecana praktyka
Gdy trzcina cukrowa trafia do fabryki, jest poddawana wstępnemu myciu czystą wodą w celu usunięcia zanieczyszczeń i zabrudzeń.
Następnie przeprowadza się dezynfekcję powierzchni poprzez spryskiwanie jej niskim stężeniem SDIC lub podchlorynu sodu, w zależności od warunków.
Źródła wody i sprzęt czyszczący w cukrowni należy również regularnie dezynfekować, aby zapewnić ogólną higienę środowiska.
Ekstrakcja soku
Po pierwszym etapie czyszczenia i dezynfekcji, kolejnym krokiem jest wytłoczenie soku z trzciny cukrowej. Sok jest zazwyczaj pozyskiwany za pomocą prasowania mechanicznego lub systemów dyfuzyjnych. Etap ten polega na rozbiciu twardej struktury trzciny cukrowej i wytłoczeniu z niej soku.
W większości przypadków wyciskarka do soku z trzciny cukrowej składa się z trzech młynów walcowych połączonych z rozdrabniaczem lub obracającymi się ostrzami. Po przetworzeniu trzciny cukrowej na jednym przenośniku taśmowym, jest ona transportowana na kolejny przenośnik taśmowy w celu wyciśnięcia większej ilości soku. Jednak przed transportem jest ona najpierw spryskiwana wodą w celu dalszego wyciśnięcia soku. Pozostałość po wyciskaniu soku nazywana jest bagassą.
Sok zawiera rozpuszczalne i zawieszone zanieczyszczenia, w tym włókna roślinne, białka, a nawet cząsteczki gleby, które zostały całkowicie wypłukane. Zanieczyszczenia te muszą zostać poddane obróbce w celu zwiększenia wydajności późniejszego klarowania i krystalizacji.
Klarowanie soku z trzciny cukrowej
Klarowanie soku to najważniejszy etap na wczesnym etapie procesu produkcji cukru. Celem jest usunięcie zanieczyszczeń (takich jak gleba, białko, koloidy, kwasy organiczne itp.) z soku z trzciny cukrowej i poprawa jego czystości. Zazwyczaj stosuje się proces wapienny w połączeniu z metodą flotacji fosforu lub metodą karbonatyzacji.
Zastosowanie chemiczne
Wapno (CaO)/mleko wapienne (Ca(OH)2) : Neutralizuje substancje kwaśne i wytrąca zanieczyszczenia.
Dwutlenek węgla (CO2) (stosowany w metodzie karbonatyzacji): reaguje z wapnem, tworząc osad węglanu wapnia, który adsorbuje zanieczyszczenia.
Środek wspomagający flokulację/koagulację: Pomaga w szybkim opadaniu zawiesin.
Powszechnie stosowane: chlorek poliglinu (PAC), poliakrylamid (PAM) itp.
Siarka (SO2) lub siarczyn sodu: Odgrywa rolę w wybielaniu, odbarwianiu i sterylizacji podczas flotacji fosforu.
Filtracja i podgrzewanie wstępne
Po klarowaniu sok należy przefiltrować w celu usunięcia osadu. Podgrzanie soku przed odparowaniem jest kluczowe, ponieważ pomaga zmniejszyć jego lepkość i zapobiega rozwojowi mikroorganizmów.
Parowanie i zagęszczanie
Sok owocowy jest następnie zagęszczany do postaci syropu za pomocą parownika wielostopniowego, co pozwala na redukcję zawartości wilgoci z około 85% do 30-40%.Odparowywanie próżniowe pomaga zachować jakość cukru, ale wiąże się również z pewnymi wyzwaniami operacyjnymi:
- Rozpuszczone białka i środki powierzchniowo czynne powodują tworzenie się piany.
- Nagromadzenie się kamienia na powierzchni parownika.
Zastosowania chemiczne:
Środki przeciwpieniące: Środki przeciwpieniące na bazie silikonu do tłumienia piany w wysokich temperaturach. Środki przeciwpieniące na bazie polieterów i alkoholi tłuszczowych, odpowiednie do systemów z sokami owocowymi o średniej zawartości piany.
Inhibitory/dyspergatory kamienia: Zapobiegają tworzeniu się kamienia węglanowego lub siarczanowego w parowniku.
Wpływ: Skuteczna kontrola piany i zapobieganie osadzaniu się kamienia zapewniają płynne parowanie, wyższą wydajność wymiany ciepła i mniej przestojów.
Krystalizacja
Proces krystalizacji w produkcji cukru (często określany w przemyśle jako gotowanie) jest kluczowym etapem w procesie przekształcania zagęszczonego syropu cukrowego w stałe kryształy sacharozy. Zagęszczony syrop jest gotowany w kotle próżniowym w celu zainicjowania krystalizacji cukru. Prawidłowa krystalizacja jest niezbędna dla wydajności cukru, wielkości kryształów i koloru. Jest to złożony proces fizykochemiczny, którego celem jest kontrola wielkości i jednorodności wytrącanych kryształów sacharozy.
W tym procesie często stosuje się środki przeciwpieniące. Kontrolują one powstawanie piany podczas gotowania, zapobiegając wylewaniu się syropu.
Stabilna krystalizacja zwiększa wydajność cukru i zmniejsza straty podczas wirowania.
Wirowanie i separacja
Po uformowaniu kryształów, są one oddzielane od melasy za pomocą wirówki, a następnie suszone w gorących rurach. Melasa może być dalej przetwarzana w celu produkcji etanolu, paszy dla zwierząt lub innych zastosowań.
Dekoloryzacja i rafinacja
Odbarwianie i rafinacja to ostatni etap procesu produkcji cukru, stosowany głównie do produkcji białego cukru rafinowanego o wysokiej czystości (takiego jak cukier granulowany lub cukier kamienny). Etap ten wymaga użycia dużych ilości chemikaliów i adsorbentów.
Do powszechnie stosowanych substancji chemicznych należą:
Węgiel aktywowany (proszek lub granulki): Adsorbuje polifenole, karmel i inne pigmenty.
Żywice odbarwiające/żywice jonowymienne: usuwają jonowe i niejonowe związki barwne.
Nadtlenek wodoru (H₂O₂): utlenia pozostałe pigmenty, dodatkowo rozjaśniając kolor syropu.
Środki odbarwiające: zapewniają niskie wartości ICUMSA i wysoką jakość wizualną.
Powyżej przedstawiono główne procesy i zastosowania substancji chemicznych w przemyśle cukrowniczym.
Wyświetlanie powiązanych substancji chemicznych:
Jak oczyszcza się ścieki z przemysłu cukrowniczego?
Cukrownie wytwarzają ścieki w procesie produkcji cukru. Ścieki te charakteryzują się złożoną jakością i wysokim poziomem zanieczyszczeń, co wymaga systematycznego oczyszczania wody przed odprowadzeniem.
Ścieki pochodzą głównie z mycia surowców, czyszczenia urządzeń, ścieków z procesów produkcji cukru, wody chłodzącej/kondensatu oraz z odmulania kotłów. Ścieki te charakteryzują się bardzo wysokim ChZT i BZT (ze względu na zawartość cukru), wysoką zawartością zawiesiny, wysoką biodegradowalnością, a czasami zawierają olej i muł. Dlatego do oczyszczania tych ścieków zazwyczaj stosuje się kombinację procesów – wstępnego oczyszczania + koagulacji i sedymentacji + oczyszczania biologicznego + oczyszczania zaawansowanego. Typowe metody oczyszczania obejmują oczyszczanie fizyczne (takie jak sedymentacja i filtracja), oczyszczanie chemiczne (takie jak koagulacja i neutralizacja) oraz oczyszczanie biologiczne (takie jak procesy osadu czynnego i sztuczne oczyszczalnie podmokłe).
Jakie środki chemiczne są potrzebne do oczyszczania ścieków z przemysłu cukrowniczego?
Konkretne kroki i zastosowania środków chemicznych są następujące:
| Etap leczenia | Zamiar | Zalecane środki chemiczne | Główne funkcje |
| 1. Mycie surowców i wstępna obróbka wstępna | Usuń piasek, błoto, włókna i ciała stałe zawieszone | PAC (chlorek poliglinu) | Szybka koagulacja, usuwanie SS i mętności |
| PAM (poliakrylamid) – anionowy/niejonowy | Tworzenie kłaczków, wspomaga osiadanie | ||
| Środek przeciwpieniący | Kontroluje pianę powstającą podczas mycia trzciny i wyciskania soku | ||
| 2. Wyrównanie i regulacja pH | Stabilizacja jakości dopływu, regulacja pH dla procesów dalszych | Wapno (CaO / Ca(OH)₂) | Podnosi pH, usuwa częściową twardość wody |
| Wodorotlenek sodu (NaOH) | Precyzyjna regulacja pH | ||
| Kwas siarkowy / kwas solny | Obniża pH | ||
| Środek przeciwpieniący | Zmniejsza pienienie się w zbiorniku wyrównawczym | ||
| 3. Koagulacja i flokulacja (pierwotna sedymentacja) | Usuń zawieszone ciała stałe, koloidy i barwniki; zmniejsz ChZT | PAC / PolyDADMAC / Poliamina | Podstawowe koagulanty do usuwania zmętnienia i koloru |
| PAM (anionowy) | Poprawia wytrzymałość kłaczków i szybkość opadania | ||
| Środki wspomagające koagulację (np. krzemian magnezu) | Poprawia klarowność i wydajność osadzania | ||
| 4. Beztlenowe oczyszczanie biologiczne (UASB, EGSB) | Zmniejszenie wysokiego ładunku organicznego (ChZT, BZT) | Dodatki odżywcze (źródła N i P) | Utrzymuje aktywność mikrobiologiczną i zdrową biomasę |
| Regulatory pH | Utrzymuj optymalne pH (6,8–7,2) dla bakterii beztlenowych | ||
| Środek przeciwpieniący | Tłumi pianę powstającą w wyniku biogazu | ||
| 5. Oczyszczanie tlenowe (osad czynny, SBR) | Dalsze obniżenie ChZT, BZT i amoniaku | Dodatki odżywcze (N i P) | Dostarczaj mikroorganizmom zbilansowane składniki odżywcze |
| Środek przeciwpieniący | Kontroluje pianę podczas napowietrzania | ||
| Bioenzymy / Kultury mikrobiologiczne | Zwiększa wydajność degradacji biologicznej | ||
| 6. Zaawansowane leczenie (jeśli obowiązują surowe standardy wypisu) | Popraw klarowność, usuń pozostałości COD, SS i kolor | Poliamina / PolyDADMAC | Silne odbarwianie i usuwanie zmętnienia |
| PAC | Dodatkowe usuwanie SS i koloidów | ||
| PAM (o dużej masie cząsteczkowej) | Ostateczna flokulacja i polerowanie | ||
| Węgiel aktywowany | Usuwa kolor, zapach i pozostałości organiczne | ||
| 7. Dezynfekcja i ponowne wykorzystanie wody | Zapewnienie bezpieczeństwa mikrobiologicznego w przypadku zrzutu lub ponownego użycia | Podchloryn wapnia | Silna dezynfekcja |
| Podchloryn sodu | Popularny środek dezynfekujący dozowany online | ||
| SDIC (dichloroizocyjanuran sodu) | Stabilne, długotrwałe uwalnianie chloru | ||
| TCCA (kwas trichloroizocyjanurowy) | Wysoka zawartość chloru, powolne uwalnianie chloru |
Produkcja cukru to złożony proces przemysłowy, wymagający precyzyjnej kontroli na każdym etapie – od przygotowania surowca i produkcji soku, przez klarowanie, odparowywanie, krystalizację, rafinację, aż po oczyszczanie ścieków. Każdy etap wiąże się z innymi wyzwaniami, takimi jak obecność zawiesin, barwa, aktywność mikrobiologiczna, tworzenie się piany i osadzanie się kamienia. Dzięki integracji odpowiednich środków chemicznych na każdym etapie procesu produkcji cukru, cukrownie mogą zwiększyć wydajność, poprawić jakość kryształów, poprawić barwę, zmniejszyć straty i zminimalizować przestoje. Jednocześnie zoptymalizowane rozwiązania chemiczne przyczyniają się do ochrony środowiska poprzez bardziej efektywne oczyszczanie ścieków i redukcję odpadów chemicznych.
Wybór odpowiedniego partnera chemicznego pozwala cukrowniom zwiększyć wydajność produkcji, zagwarantować spójną jakość produktu, wydłużyć żywotność sprzętu i osiągnąć długoterminową doskonałość operacyjną.