Как получают сахар из тростника: промышленный цикл от плантации до белых кристаллов

Получение сахара из тростника включает шесть основных этапов: уборка и транспортировка сырья, измельчение и экстракция сока, его очистка известью и диоксидом серы, выпаривание до густого сиропа, кристаллизация и центрифугирование. На выходе получают тростниковый сахар-сырец, который затем отправляют на рафинирование или реализуют непосредственно как коричневый сахар.

Уборка тростника и первичная обработка

Сахарный тростник убирают при содержании сахарозы в стеблях 12-16%, что приходится на сухой сезон, когда накопление сахара максимально. Стебли достигают высоты 3-6 метров и весят по 1,5-2 кг каждый. Механизированные комбайны срезают стебли, очищают их от листьев и измельчают в куски длиной 15-20 см прямо в поле. На плантациях, где рельеф не позволяет работать технике, уборку ведут вручную при помощи длинных мачете.

Срезанный тростник необходимо переработать в течение 24-48 часов: при хранении ферменты разрушают сахарозу, расщепляя её на глюкозу и фруктозу. Потери сахара при задержке переработки составляют 0,1-0,2% от общего содержания за каждый час. Поэтому заводы строят непосредственно в центре плантаций, минимизируя транспортное плечо.

Извлечение сока

На заводе тростник проходит через серию молотков-дробилок, которые разрывают жёсткие волокна, а затем через 4-7 последовательных прессов. Каждый пресс состоит из трёх массивных металлических вальцов, которые выжимают сок. Между прессами волокнистую массу (жом) орошают горячей водой, чтобы вымыть оставшийся сахар. Этот метод называют мацерацией. В итоге из тонны тростника получают 600-700 литров сока с содержанием сахарозы 10-13%.

Оставшийся жом (примерно 250-270 кг на тонну тростника) не выбрасывают. Его направляют в котельные, где сжигают как топливо: теплотворность жома достигает 7,5-8 МДж/кг. Большинство тростниковых заводов полностью обеспечивают себя электрической и тепловой энергией за счёт сжигания жома и продают излишки энергии в сеть.

Очистка и выпаривание сока

Свежий тростниковый сок содержит сахарозу, но также воск, белки, минеральные соли, органические кислоты и взвешенные частицы. Первый этап очистки — дефекация: в сок добавляют известковое молоко (гидроксид кальция), доводят до 70-80 градусов. Кальций реагирует с кислотами и коагулирует белки, формируя хлопья осадка, которые захватывают взвешенные примеси. Сок отстаивают в крупных резервуарах-отстойниках, осадок (дефекационный шлам) отводят на фильтры и используют как удобрение на плантациях.

Очищенный сок упаривают в многокорпусной выпарной установке. Принцип установки в том, что каждый следующий корпус работает при более низком давлении и, соответственно, более низкой температуре кипения. Пар, образующийся в первом корпусе, обогревает второй, пар второго корпуса — третий, и так далее. Это позволяет расходовать тепло значительно экономнее, чем при однократном выпаривании. После прохождения через 4-5 корпусов сок превращается в сироп с содержанием сухих веществ 60-65%.

Кристаллизация и получение сахара-сырца

Сироп поступает в вакуум-аппараты, где при давлении ниже атмосферного кипит при 60-70 градусах. Пересыщенный сахарный раствор при этих условиях начинает выделять кристаллы. В аппарат добавляют «затравку» — мелкие кристаллы сахара размером 0,1-0,2 мм, чтобы кристаллизация шла равномерно и контролируемо. Кристаллы наращивают до размера 0,8-1,2 мм, непрерывно перемешивая массу мешалками.

Полученную смесь кристаллов и маточного сиропа (утфель) центрифугируют. Центрифуга со скоростью вращения 1200-1500 оборотов в минуту отделяет кристаллы: межкристальный сироп уходит через сетчатые стенки барабана, кристаллы промывают горячей водой и паром. Сахар-сырец содержит 97-99% сахарозы и имеет коричневый цвет из-за плёнки мелассы на кристаллах.

Маточный сироп, оставшийся после первой кристаллизации, кристаллизуют повторно. Так получают второй и третий продукт с меньшим выходом кристаллов. Финальный сироп — меласса, или патока, содержит 40-50% несахаров и не поддаётся экономически эффективной кристаллизации. Её используют как сырьё для производства этилового спирта, дрожжей и кормовых добавок для животноводства.

Рафинирование: от сырца к белому сахару

Сахар-сырец растворяют снова, получая клеровку концентрацией 60-65%, затем дополнительно очищают активированным углём или ионообменными смолами, удаляя красящие вещества и неорганические соли. Обесцвеченный раствор повторно кристаллизуют. Белый рафинированный сахар получают со степенью чистоты 99,95-99,99% по содержанию сахарозы. Рафинад прессуют в куски или выпускают в виде мелкокристаллического сахара-песка. Весь цикл от заготовки тростника до упаковки готового продукта занимает 3-5 суток.