Диффузия в сахарном производстве

Определение "Диффузия в сахарном производстве" в словаре Брокгауза и Ефрона

Диффузия в сахарном производстве — Под Д. в сахарном производстве понимают получение сока из свекловицы с помощью проникновения (осмоза) сока через оболочки клеток в воду. Если кусочек свекловицы поместить в воду, то сок из клеток, непосредственно соприкасающихся с водой, переходит в последнюю, между тем как вода поступает в клетки. При этом различные составные части сока диффундируют не с одинаковой скоростью: одни быстрее, другие медленнее, а некоторые почти совершенно не диффундируют (коллоиды). Скорость Д., кроме природы находящегося в растворе вещества, зависит от концентрации раствора, именно, пропорциональна ей, от температуры, с повышением которой она возрастает, и от свойств оболочек, через которые происходит осмоз. При применении осмоза для получения свеклосахарного сока имеют дело не с одним относительно простым явлением осмоза, происходящим при погружении отдельной растительной клетки в воду, но с целой группой явлений, а именно с явлениями осмоза, происходящими в клетках, соприкасающихся между собой, и кроме того, с явлениями простого выщелачивания, так как при сокодобывании с помощью Д. свекла разрезается на тонкие пластинки, а потому вода действует на целые комплексы клеток, а часть клеток бывает перерезана, вследствие чего их сок растворяется в окружающей воде. Техническая задача при добывании свеклосахарного сока состоит в том, чтобы, во-первых, произвести возможно полное извлечение сахара и, во-вторых, получить сок в возможно более концентрированном состоянии, т. е. мало отличающимся по концентрации от естественного сока, содержащегося в клетках данной свеклы. Последнее важно для того, чтобы избежать излишних затрат на сгущение или испарение сока. Уяснить, каким образом такая задача может быть решена при заводском выполнении процесса Д., можно на следующем примере. Положим, что на 100 частей размельченной свеклы, содержащих 90 частей сока с 14 частями сахара, налито 90 частей воды; после Д. вся масса будет заключать 180 частей сока с 14 част. сахара. Если теперь слить 90 ч. сока, то в них будет содержаться 7 ч. сахара и столько же сахара будет в оставшейся массе. Повторяя такую же операцию второй раз, получим еще 90 частей сока с 3,5 ч.; в третий раз получим еще 90 ч. сока с 1,75 ч. сахара и т. д. Повторяя операцию 6 раз, получим 90,6 = 5 40 ч. сока с 7 + 3,5 + 1,75 +. = 13,782 ч. сахара, т. е. после шестой операции в свекле останется очень незначительное количество сахара, дальнейшее извлечение которого невыгодно. Но полученный таким образом сок будет слишком разбавлен, он будет содержать только (13,78/540) ·100=2,5% сахара. Чтобы получить достаточно концентрированный сок, нужно употребить следующий прием. Положим, что 90 ч. сока, слитого со свеклы при первой вышеупомянутой операции, вновь налиты на 100 ч. свежей свеклы. По окончании Д. масса будет содержать 180 ч. сока с 14 + 7 = 21 ч. сахара. Если с этой массы слить 90 ч. сока, в которых будут содержаться 21/2 = 10,5 ч. и опять налить на 100 ч. свеклы, то получится масса, содержащая 180 ч. сока с 14 + 10,5 = 24,5 ч. сока, а в 90 ч. слитого сока будет 12,25 ч. сахара. Если повторить операцию 6 раз, то получим сок, в 90 ч. которого будет содержаться 13,78 ч. сахара, т. е. сок будет содержать почти столько же сахара, как естественный сок, заключающийся во взятой свекле. Из сказанного видно, что, обрабатывая свеклу последовательно новыми порциями воды, можно извлечь из нее почти весь сахар, а наливая слабые соки последовательно на ряд порций свежей свеклы, можно получить сок почти такой же крепости, как заключающийся во взятой свекле.

Свекла для извлечения из нее сока посредством Д. должна быть измельчена на тонкие и узкие пластинки, или ленты, называемые резкой, или стружкой. Наиболее употребительная машина для получения свекловичной резки имеет следующее устройство. Исполнительный механизм машины состоит из быстро вращающегося горизонтального железного круга d, в котором сделано несколько прямоугольных отверстий (до 8) по радиальному направлению, и в эти отверстия вставлены коробки с ножами. Круг насажен на вертикальной оси с, приводимой во вращательное движение при помощи конических зубчатых колес от шкива l. Круг имеет диаметр 1,2 до 2,5 м и делает 40—150 оборотов в минуту. Над кругом помещается приемник для свеклы е, а под кругом ящик g с рукавом для отвода резки. Резка передается к аппаратам, в которых производится извлечение сока. В такой машине измельчают до 6000 пудов свеклы в 20 часов. Для того, чтобы извлечение сока из свеклы происходило наилучшим образом, нужно, чтобы резка представляла длинные, тонкие, приблизительно одинаковые по размерам пластинки с гладкой поверхностью. Резка, состоящая из коротких неравных отрезков, легко спадается при обработке водой и делается трудно проницаемой для нее; чем тоньше резка, тем извлечение сахара полнее; при шероховатой поверхности резки частички мякоти попадают в значительном количестве в сок и ухудшают его качество.

Фиг. 1. Резка свекловицы для диффузии.

Наиболее употребительные кенигсфельдские ножи (Goller's Königsfeldermesser) приготавливаются из стальных пластин или штампованием, или на них (при толщине около 7 мм) вытачивают с обеих сторон треугольные желобки, так что лезвие их представляет зигзагообразную линию. Толщина резки (5—7 мм) может изменяться при помощи соответственной установки особой планки в ножевой коробке. Извлечение сока из резки производится в ряде железных сосудов — диффузоров (диффузионная батарея); форма сосудов цилиндрическая или близкая к цилиндру. Каждый диффузор имеет отверстие, или горловину, вверху, служащую для нагрузки, и отверстие внизу для разгрузки; оба отверстия во время работы герметически закрываются крышками. На фиг. 2 представлен диффузор из наиболее часто употребляемых.

Фиг. 2. Один диффузор для извлечения сока из свекловичной резки.

Диффузоры, в зависимости от частных условий производства, делаются разных размеров; вместимость их бывает от 20 до 40 гкл, отношение диаметра к высоте как 1 к 2 до 2½. Для приведения и удаления жидкости каждый диффузор соединяется с двумя трубами, с одной вверху, с другой внизу; перед отверстиями труб устанавливаются сита; вся диффузионная батарея находится в соединении с целой системой труб. Для нагревания сока в диффузорах чаще всего пользуются теперь так называемыми калоризаторами, причем обычно каждому диффузору соответствует особый калоризатор. Калоризатор состоит из системы параллельных вертикальных латунных или медных труб, вставленных в закрытый железный цилиндр; сок пропускают через эти трубки и нагревают, пропуская пар в железный цилиндр, окружающий эти трубки. Вместо калоризаторов нагревание сока производится также непосредственно паром, для чего помещают паровые инжекторы в трубы (перепускные), соединяющие диффузоры между собой. Диффузоры устанавливаются или в один ряд по направлению прямой, или в два ряда по направлениям двух прямых, параллельных между собой, или, наконец, по кругу. На основании вышеуказанного можно было бы думать, что достаточно иметь 6 диффузоров в батарее; но на практике оказалось, что батарея должна состоять не менее как из 9 диффузоров; обычно же в состав батареи входят 1 0 —12 диффузоров. Наиболее благоприятная температура для Д. 72—78°С; при низкой температуре извлечение сахара неполно, что зависит главным образом от того, что живая протоплазма, облекающая изнутри стенки клеток, препятствует Д. сахара; при слишком высокой температуре ухудшается сок и затрудняется передвижение жидкости вследствие разбухания массы. Жидкость в разных диффузорах нагревается неодинаково. При ныне принятых приемах работы низшая температура поддерживается в 1-м диффузоре, а наивысшая не в последнем, а в середине батареи; в частности, работа в этом отношении на различных заводах ведется различно; примером может служить следующее распределение температуры в батарее из 12 диффузоров, из которых в работе постоянно находятся 10: в 1-м диффузоре температура 25°, во втором 43,5°, с 3-го по 8-й включительно 75°, в 9-м 43,5° и в 10-м 25°.

Ход работы с диффузионной батареей состоит, в главных чертах, в следующем. При начале работы с батареей наполняют 1-й диффузор резкой, затем впускают в него нагретую воду в направлении снизу вверх, при чем должна быть открыта верхняя крышка или кран в крышке, предназначенный для выпускания воздуха. Когда нагретая вода наполнит 1-й диффузор, тогда воду заставляют входить сверху вниз, вследствие чего она вытесняет сок из 1-го диффузора, и его вводят во 2-й диффузор, снизу вверх, пока второй диффузор наполнится; тогда заставляют проходить сок через 2-й диффузор сверху вниз и проводят его в том же порядке через следующие диффузоры, пока дойдут до 6-го, из которого начинают спускать сок в мерник, т. е. сосуд для измерения количества спускаемого сока; спустив определенное количество сока из 6-го диффузора, сок указанным порядком переводят в 7-й диффузор и затем начинают спускать сок из этого диффузора. Таким образом доходят постепенно до 11-го диффузора. Тогда разъединяют 1-й диффузор, приступая после этого к его разгрузке, и сок начинают выпускать из 11-го диффузора. С этой стадии начинается установившийся ход батареи. Далее, разъединив 2-й диффузор и приступив к его разгрузке, будут выпускать сок из 12 диффузора; затем спуск сока будет из 1-го диффузора в то время, как 3-й будет разгружаться; сок будет последовательно проходить 10 диффузоров, причем в том диффузоре, в который вступает вода, будет наиболее истощенная (выслащенная) резка, в следующих диффузорах сок будет последовательно встречать резку все более и более богатую сахаром, а спуск сока будет производиться из диффузора, наполненного свежей резкой. На успешный ход диффузионной работы, кроме формы и свойств резки, температуры жидкости в различных диффузорах, имеет влияние количество резки на единицу объема диффузора, или коэффициент наполнения, а также количество получаемого сока на единицу перерабатываемой свеклы. Коэффициент, или величина, наполнения диффузоров изменяется от 40 до 50 кг на 100 литров емкости диффузоров. Количество спускаемого сока изменяется соответственно качеству свеклы, в среднем составляет 110—125 част. на 100 весовых частей свеклы, что соответствует по объему 53—60% емкости диффузоров при коэффициенте наполнения в 50 кг; чем больше спускают сока, тем полнее извлечение сахара, но тем меньше концентрация сока. Крепость сока бывает от 8 до 11°Br. (т. е. сок содержит от 8—11% сухого вещества). Сок, получаемый при Д., представляет, в сущности, смесь настоящего осмозированного сока с естественным соком, вытекающим из разрезанных клеток. Хотя Д. сок содержит составные части так наз. не сахара в иных количествах, нежели естественный, но доброкачественность [Доброкачественность, или чистота, сока есть помноженное на 100 отношение процентного содержания сахара в соке к процентному содержанию в нем сухого вещества Так, при содержании в соке 14 проц. сахара и 16 проц. сухого вещества, доброкачественность сока будет (14/16)×100 = 87,5.] диффузионного сока обычно не превышает доброкачественности естественного сока, заключающегося в данной свекле. Первые попытки применить диффузионный способ для извлечения сока из сахарной свекловицы были сделаны М. Домбалем (Mathieu de Dombasle), но техника способа была выработана в удобоприменимом виде лишь в 1864 г. Ю. Робертом (Julius Robert) в Зееловитце в Моравии, и с тех пор диффузионный способ стал быстро втеснять другие способы сокодобывания на свеклосахарных заводах.

К числу недостатков диффузионного способа принадлежат значительный расход воды (220—230 частей на 100 частей перерабатываемой свеклы) и большое содержание воды в выщелоченной резке, заключающей больше воды, нежели взятая для Д. свекла, вследствие чего такая резка представляет кормовой материал низкого достоинства. Количество выщелоченной резки после Д. составляет около 80% веса свеклы. Выщелоченная резка содержит 94—95% воды и, смотря по приемам диффузионной работы, от 0,15 до 0,7% сахара. При сохранении такая резка, содержащая много воды, легко разлагается, причем одновременно с изменением ее состава происходит также значительная потеря сухого вещества (до 60% первоначального содержания в течение 7-8 месяцев). Важность правильного использования резки для сельского хозяйства заставила испробовать различные приемы для получения ее в виде, более удобном для применения на корм скоту. Из таких приемов в настоящее время применяются два: прессование выщелоченной резки и высушивание ее. Для прессования применяют прессы особой конструкции (Bergreen, также Selwig et Lange), при помощи которых уменьшают содержание воды в резке до 60-50% и увеличивают соответственно содержание сухого вещества до 10%. Однако такой обработкой резки не достигается особенно значительное улучшение ее, т. е. прессованная резка так же легко подвергается разложению при сохранении. Недостатки выщелоченной резки вполне устраняются лишь с помощью высушивания, испробованного в последние годы на некоторых западно-европейских свеклосахарных заводах (употребляемые для высушивания резки аппараты предложены Бютнером и Мейером, Büttner et Meyer, Verdingen).

Ср. Stammer, "Lehrbuch der Zuckerfabrikation" (2-е изд., 1887); Stohmann; "Handbuch der Zückerfabrikation" (2-е изд., 1885; русский перевод), Н. Тавилдарова: "Химическая технология" (т. 1, 1888).

В. M. Руднев. Δ.