Производство сахара из свёклы и тростника

Производство сахара — это многоступенчатый технологический процесс извлечения сахарозы из растительного сырья (сахарной свёклы или сахарного тростника) и её очистки до состояния кристаллического продукта, пригодного для пищевого употребления. Сахароза (C₁₂H₂₂O₁₁) — дисахарид, составляющий в зрелых корнеплодах свёклы 16–20 % массы, в стеблях тростника — 12–15 %. Технология переработки обоих видов сырья принципиально схожа и включает стадии извлечения сока, очистки, выпаривания, кристаллизации и сушки.

Сырьё для производства

Основным сырьём в России и странах Европы является сахарная свёкла (Beta vulgaris subsp. vulgaris). Это двулетнее растение: в первый год формирует корнеплод, накапливающий сахарозу. Выращивается в регионах с умеренным климатом (Центральное Черноземье, Краснодарский край, Татарстан, Башкортостан). В странах с тропическим и субтропическим климатом (Бразилия, Индия, Таиланд, Китай) доминирует сахарный тростник (Saccharum officinarum) — многолетнее злаковое растение, сахарозу накапливающее в стеблях. На мировом рынке около 80 % сахара производится из тростника, в России — практически 100 % из свёклы.

Дополнительным сырьём служит импортный сахар-сырец из тростника, который перерабатывают на аффинационных заводах для получения белого рафинированного сахара.

Технологическая схема производства сахара из свёклы

Подготовка сырья

Свёкла, доставленная с полей, хранится на кагатных полях в буртах. Перед переработкой её гидротранспортёром подают в завод. Процесс начинается с мойки: корнеплоды очищают от земли, камней, ботвы и посторонних примесей в моечных машинах с проточной водой. Затем свёкла поступает на автоматические весы и далее на свеклорезки, где превращается в тонкую стружку — пластинки толщиной 1–2 мм. Качество стружки (её форма и размер) напрямую влияет на полноту извлечения сока.

Диффузия (извлечение сока)

Стружку загружают в диффузионные аппараты (барабанные или колонные), где она обрабатывается горячей водой (70–75 °C) в противотоке. Вода движется навстречу свежей стружке, последовательно вымывая сахарозу из клеток. В результате получается диффузионный сок с концентрацией сахара 12–15 % и жом — обессахаренная стружка, идущая на корм скоту. Чтобы предотвратить развитие микроорганизмов, в диффузор добавляют формалин или другие антисептики.

Очистка сока (дефекация и сатурация)

Диффузионный сок содержит, помимо сахарозы, белки, пектины, органические кислоты и красящие вещества. Очистка проходит в два этапа:

1. Дефекация — обработка сока известью (известковым молоком, Ca(OH)₂) при нагревании. Известь нейтрализует кислоты, коагулирует белки и осаждает несахара в нерастворимый осадок.
2. Сатурация — пропускание через сок углекислого газа (CO₂). Избыток извести превращается в карбонат кальция (CaCO₃), который, оседая, увлекает за собой взвешенные частицы. Сок фильтруют на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах, отделяя осадок (дефекат), который используется как удобрение.

Сгущение и выпаривание

Очищенный сок содержит около 15 % сухих веществ. Его сначала сгущают в выпарных установках (многокорпусных вакуум-аппаратах) до состояния сиропа с концентрацией сухих веществ 60–65 %. Затем сироп дополнительно очищают (сульфитация — обработка сернистым газом SO₂, осветление и фильтрация) для удаления красящих веществ и снижения цветности.

Кристаллизация (утфель)

Сироп подают в вакуум-аппараты, где при температуре около 70–80 °C и пониженном давлении выпаривают оставшуюся воду. Раствор доводят до состояния перенасыщения, вводят затравку — мелкие кристаллы сахара (или сахарную пудру), на которых начинают расти кристаллы сахарозы. Полученную массу называют утфелем — смесь кристаллов и межкристального раствора (маточного сиропа).

Центрифугирование и сушка

Утфель подают в центрифуги — барабаны с сетчатыми фильтрами, вращающиеся с большой скоростью. Под действием центробежной силы кристаллы сахара отделяются от сиропа (патоки). Кристаллы промывают горячей водой и паром (отбеливание). Получается сахар-песок влажностью около 1 %. Его сушат в сушильных барабанах горячим воздухом до влажности 0,03–0,14 %, охлаждают и расфасовывают.

Особенности переработки тростника

Производство сахара из тростника отличается на начальном этапе. Стебли тростника срезают и быстро доставляют на завод (в течение 24–48 часов, чтобы избежать инверсии сахарозы). Сырьё измельчают, отжимают сок на вальцовых мельницах, добавляя воду для лучшего извлечения (мацерация). Оставшийся жом (багасса) сжигается для получения энергии или идёт на производство бумаги и стройматериалов. Сок очищают по схожей схеме, но с добавлением извести и фосфорной кислоты. Конечным продуктом часто является сахар-сырец — кристаллы с остатками патоки (цвет от жёлтого до коричневого). Его отправляют на рафинадные заводы.

Рафинация сахара

Рафинирование — процесс получения сахара высокой чистоты (не менее 99,9 % сахарозы). Сахар-сырец растворяют в воде, полученный сироп очищают (адсорбция активированным углём, ионообменные смолы, фильтрация), уваривают и кристаллизуют повторно. Рафинад выпускается в виде кускового прессованного сахара, сахарной пудры или литого сахара. На рафинадных заводах также перерабатывают белый сахар-песок для получения кускового продукта.

Конечная продукция и стандарты

Основные виды продукции свеклосахарных заводов:

• Сахар-песок — белые кристаллы размером 0,2–2,5 мм, влажность не более 0,14 %.
• Сахар-рафинад — кусковой прессованный, колотый, быстрорастворимый; сахарная пудра.
• Жидкий сахар — сироп для пищевой промышленности (напитки, кондитерские изделия).
• Меласса (кормовая патока) — побочный продукт, тёмный сироп, содержащий до 50 % сахара; используется для производства спирта, дрожжей, лимонной кислоты, в кормопроизводстве.
• Жом — обессахаренная стружка, ценный корм для крупного рогатого скота.
• Дефекат — известковое удобрение для почв.

В России качество сахара регламентируется ГОСТ 33222-2015 «Сахар белый. Технические условия». Ключевые показатели: цветность, массовая доля влаги, содержание редуцирующих веществ (не более 0,05 %), отсутствие посторонних примесей.

Экономика и энергоэффективность

Свеклосахарное производство — энергоёмкое. Современные заводы стремятся к автономности: жом и меласса частично используются для выработки тепла и электроэнергии. Выход сахара из свёклы в среднем составляет 12–14 % от массы корнеплодов (из 1 тонны свёклы получают около 120–140 кг сахара). Сезон переработки в России длится 100–140 дней (с сентября по январь), после чего заводы останавливаются на ремонт и реконструкцию. Крупнейшие производители сахара в России — группы компаний «Продимекс», «Русагро», «Доминант».

История развития производства

Промышленное получение сахара из свёклы стало возможным благодаря открытию немецкого химика Андреаса Маргграфа (1747), доказавшего наличие сахарозы в свёкле. Его ученик Франц Карл Ахард в 1801 году построил первую в мире свеклосахарную фабрику в Силезии (Куцерн). В России первый завод открылся в 1802 году в селе Алябьево Тульской губернии. Массовое развитие свеклосахарной отрасли в России пришлось на вторую половину XIX века, когда заводы появились в Черноземье и на Украине. К началу XX века Российская империя стала одним из крупнейших производителей сахара в мире.