Способ производства сахара

Способ производства сахара

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к способу производства сахара (сахарозы) из сахарной свеклы.

Традиционный способ производства свекловичного сахара включает мойку свеклы, измельчение ее в стружку, экстрагирование сока из стружки диффузией, очистку сока известью (дефекацией) и углекислым газом (сатурацией), концентрирование сока многоступенчатым выпариванием, многостадийное уваривание сока в кристаллизаторах, отделение, промывку и сушку сахара.

Экстрагирование сока в традиционном способе проводится в условиях, позволяющих сахару проникать через стенки клеток свеклы. Клеточные стенки пропускают сахара и другие низкомолекулярные соединения, но задерживают высокомолекулярные соединения. Этот процесс селективной диффузии имеет два преимущества. Удерживание высокомолекулярных соединений способствует получению сока высокой чистоты. Это также облегчает фильтрацию, которую затрудняют полисахариды и белки, являющиеся высокомолекулярными соединениями.

Очистка свекловичного сока в традиционном способе основана на обработке известью. Известь выполняет несколько функций в процессе очистки свекловичного сока. Она повышает кислый рН сока до нейтральных значений и осаждает кальциевые соли некоторых органических и неорганических кислот. Осадок адсорбирует другие загрязняющие примеси. Известковый осадок образует пористую массу, которая способствует последующей фильтрации сока.

Однако традиционный диффузионный процесс экстрагирования сока из свеклы имеет и свои недостатки. К недостаткам относится большая длительность процесса, способствующая развитию бактерий и приводящая к потере сахара и образованию нежелательных соединений. Трудно повысить температуру измельченной стружки достаточно быстро для предотвращения роста микроорганизмов. Обычно мезга, остающаяся после диффузии, прессуется, и сок возвращается в диффузор. Значительная часть высокомолекулярных соединений, удерживаемая клеточными стенками в диффузионном процессе, высвобождается при прессовании и смешивается с диффузионным соком. Это частично снижает преимущества селективного диффузионного процесса.

В традиционном процессе известкования (дефекации) используют значительное количество извести, составляющее до 2,5% общей массы перерабатываемой свеклы. На заводах по производству сахара работают печи для получения извести посредством обжига известняка, и для этой цели известняк транспортируется на значительные расстояния. Стоки от процессов дефекации и сатурации, содержащие использованную известь и отделившиеся примеси, утилизируют как отходы производства. Получение извести и утилизация стоков после дефекации сока являются дорогостоящими операциями. Утилизация стоков во многих регионах становится все сложнее и дороже.

Традиционная "тупиковая" фильтрация не позволяет отделить сахарозу от макромолекулярных примесей в свекловичном соке. Из уровня техники известны некоторые способы, в которых для очистки используется мембранная фильтрация, в частности ультрафильтрация без использования дефекации (см, напр., RU 2118664, кл. МКИ C 13 D 3/16, 10.09.1998), но эти способы основаны на обычном технологическом процессе переработки сахарной свеклы, предусматривающем отделение сока при температуре около 70°С, не обеспечивающей высокого выхода продукта.

Таким образом, в настоящее время все еще существует давняя потребность в усовершенствованных способах получения сахара из сахарной свеклы, устраняющих или, по меньшей мере, сводящих к минимуму один или несколько недостатков применяемых в настоящее время способов.

Изобретение предлагает способ производства сахара из сахарной свеклы, предусматривающий получение сока путем мацерации сахарной свеклы или ее кусков или экстракции свекловичной стружки при температуре по меньшей мере 65°С, фильтрацию сока через первую ультрафильтрационную мембрану с первым порогом отсечения по молекулярной массе для получения первого пермеата и первого ретентата, фильтрацию пермеата через вторую ультрафильтрационную мембрану, имеющую второй, более низкий, чем у первой мембраны, порог отсечения по молекулярной массе с получением второго пермеата и второго ретентата, и фильтрацию второго пермеата через нанофильтрационную мембрану с получением нанофильтрационного пермеата и нанофильтрационного ретентата, имеющего более высокую концентрацию сахарозы по сухому веществу, чем исходный сок, и концентрирование этого ретентата до получения сахаросодержащего сиропа.

Мацерацию свеклы или ее кусков обычно проводят в одном или более устройств, таких как мельница или дробилка.

В варианте выполнения свекловичный сок выделяют из свекловичной мацерированной массы путем центрифугирования или вакуум-фильтрации.

Предпочтительно ультрафильтрацию проводят в режиме "кросс-флоу" при температуре по меньшей мере около 80°С с получением пермеата, рН которого составляет около 7,0.

В варианте выполнения нанофильтрационный ретентат очищают электродиализом и очищенный ретентат умягчают путем ионообмена с получением умягченного очищенного сахаросодержащего раствора, из которого удалено по меньшей мере около 65 мас.% несахаров, которые содержались во втором ультрафильтрационном пермеате.

В варианте выполнения первый ультрафильтрационный ретентат подвергают диафильтрации с получением первого диафильтрационного ретентата и первого диафильтрационного пермеата, этот пермеат фильтруют через ультрафильтрационную мембрану, полученный при этом ретентат подвергают диафильтрации с получением второго диафильтрационного ретентата и второго диафильтрационного пермеата, и этот пермеат подвергают нанофильтрации.

Первый и второй ультрафильтрационные ретентаты, нанофильтрационный пермеат и концентрат, полученный при электродиализе нанофильтрационного ретентата, обычно смешивают для получения мелассы.

Первый и второй диафильтрационные ретентаты и нанофильтрационный пермеат также смешивают для получения мелассы.

Температура сока при его фильтрации через первую ультрафильтрационную мембрану может составлять около 60-93°С.

Предпочтительно первая ультрафильтрационная мембрана имеет порог отсечения по молекулярной массе 4000-200000 Дальтон и размер пор не более чем около 0,1 микрона.

Предпочтительно первый ультрафильтрационный пермеат имеет цветность около 3000-10000 международных единиц icu, a второй ультрафильтрационный пермеат имеет цветность не более чем около 4000 icu.

Предпочтительно вторая ультрафильтрационная мембрана имеет порог отсечения по молекулярной массе 500-5000 Дальтон.

Предпочтительно нанофильтрационный пермеат содержит по сухому веществу около 30 мас.% золы, около 30 мас.% инвертного сахара и около 25 мас.% бетаина по сравнению с их содержанием в исходном соке.

В варианте выполнения исходный сок, первый и второй ультрафильтрационный пермеат и нанофильтрационный ретентат обрабатывают реагентом, содержащим серу, в количестве, обеспечивающем его концентрацию по меньшей мере около 100 частей на миллион (ppm).

Предпочтительно в исходный сок перед первой ультрафильтрацией вводят воздух для полимеризации красящих веществ, при этом некоторые из красящих веществ удаляются из сока при этой фильтрации.

Сахарозу обычно кристаллизуют в сиропе, полученном из нанофильтрационного ретентата.

В варианте выполнения очищенный сахаросодержащий раствор выпаривают до получения сиропа и в нем кристаллизуют сахарозу в одну или две стадии.

Оттек, отделенный от кристаллов и содержащий раффинозу, предпочтительно обрабатывают ферментом мелибиазой для удаления по меньшей мере 75 мас.% раффинозы, после чего подают на вторую ультрационную мембрану.

Предпочтительно в способе по изобретению ни известь, ни углекислый газ не контактируют с соком или пермеатом.

Один из конкретных предпочтительных вариантов способа предусматривает следующие стадии: (а) нарезания сахарной свеклы на куски; (b) мацерации разрезанной на куски свеклы; (с) механического отделения сока из мацерированной свеклы; (а) сульфитации экстрагированного сока; (е) доведения значения рН экстрагированного сока по меньшей мере до около 7; (f) мембранной фильтрации сока с получением ретентата и пермеата; (g) диафильтрации ретентата с получением диафильтрата, обогащенного сахаром по сравнению с ретентатом; (h) объединения диафильтрата и пермеата со стадии мембранной фильтрации с получением объединенного сока; (i) концентрирования объединенного сока обратным осмосом с получением концентрированного раствора; и (j) упаривания концентрированного раствора и кристаллизации из него сахарозы.

Этот вариант изобретения имеет много преимуществ по сравнению со традиционным способом, в котором используется диффузия, известкование (дефекация) и сатурация (обработка углекислым газом). Например, данный способ имеет более короткую длительность, что снижает степень микробного разрушения сахарозы. Измельчение мацерированной свеклы уменьшает содержание остающейся в мезге сахарозы до менее чем около 0,5%, тогда как в обычном способе это содержание составляет около 0,75%. Более высокая степень экстракции благодаря мацерации и снижению инверсии сахаров вследствие уменьшения длительности процесса повышает общее количество полученного сахара примерно на 1-2% от общей массы перерабатываемой свеклы.

Данный способ очистки приводит к получению свекловичного сока меньшей окрашенности по сравнению с традиционным способом диффузии и сатурации. Меньшая окрашенность сока позволяет уменьшить промывку конечного кристаллического продукта. Мембранная фильтрация удаляет макромолекулы из свекловичного сока с получением сиропа меньшей вязкости. Сиропы меньшей вязкости быстрее кристаллизуются и легче удаляются с поверхности кристаллической сахарозы. Меньшая окрашенность и низкая вязкость сиропа сокращают рециркуляцию в процессе кристаллизации, приводя к повышению выхода сахара.

Этот способ позволяет устранить печь для обжига извести, добычу извести и все связанное с этим оборудование, процессы, продукты, побочные продукты и отходы. Применение гидроксида натрия для нейтрализации сока примерно на 50% дешевле по сравнению с применением извести. Гидроксид натрия по сравнению с известью более удобен в обращении, чище и менее абразивно действует на оборудование.

Кроме того, данное изобретение приводит к радикальному уменьшению количества отходов, загрязняющих окружающую среду. В традиционном способе на фильтре образуется осадок, включающий материалы, используемые для дефекации, и примеси, удаленные из сока. Этот осадок утилизируют в водоемах или ямах. Предлагаемый способ полностью исключает необходимость утилизации таких побочных продуктов. Инвертные сахара переходят в мелассу, которая является побочным продуктом, подлежащим продаже, и не поступают в отходы. Данное изобретение позволяет также исключить обработку сока углекислым газом, который является основным источником загрязнения атмосферы заводами по производству сахара.

В варианте выполнения изобретения исходный сок, полученный из сахарной свеклы, фильтруют через первую ультрафильтрационную мембрану, имеющую первый порог отсечения по молекулярной массе. На этой стадии ультрафильтрации получают первый ультрафильтрационный пермеат и первый ультрафильтрационный ретентат. Первый ультрафильтрационный пермеат фильтруют через вторую ультрафильтрационную мембрану, имеющую второй порог отсечения по молекулярной массе ниже первого порога отсечения по молекулярной массе. На этой второй стадии ультрафильтрации получают второй ультрафильтрационный пермеат и второй ультрафильтрационный ретентат. Второй ультрафильтрационный пермеат подвергают нанофильтрации через нанофильтрационную мембрану с получением нанофильтрационного пермеата и нанофильтрационного ретентата. Нанофильтрационный ретентат имеет более высокую концентрацию сахарозы по сухому веществу, чем сок, подаваемый на стадию первой ультрафильтрации, и может использоваться в операциях выпаривания и кристаллизации для получения кристаллов белого сахара.

В конкретном варианте изобретения исходный сок получают мацерацией сахарной свеклы или ее кусков с получением мацерированного материала, включающего мезгу и сок, и последующим отделением сока от мезги, например, одним или несколькими центрифугированиями, простой фильтрацией или процеживанием. В одном конкретном варианте сахарную свеклу мацерируют сначала пропусканием через молотковую мельницу и, возможно, затем через жерновую мельницу, и в результате свекла превращается в смесь мезги и сока. Предпочтительно в мезге после отделения сока остается не более чем около 5 мас.% сахарозы, более предпочтительно - не более чем около 3%.

После отделения волокнистой мезги от сока и перед первой ультрафильтрацией сока способ может включать еще одну или несколько необязательных стадий удаления из отделенного сока остаточных свекловичных волокон и осадка. Такое удаление может выполняться процеживанием и/или фильтрацией. Предпочтительно процеживанием или фильтрацией удаляется по меньшей мере 90 мас.% всех волокон и осадка с наибольшим размером около 150 мкм или более, более предпочтительно по меньшей мере 90 мас.% всех волокон и осадка с наибольшим размером около 50 мкм или более.

В другом варианте изобретения вместо мацерации сахарную свеклу измельчают в стружку, а исходный сахарозосодержащий сок получают из нее диффузией.

Можно также перед первой ультрафильтрацией ввести в исходный сок воздух для окисления красящих веществ. Такое окисление, усиливая цвет сока, вызывает полимеризацию красящих веществ, что способствует их удалению при последующей ультрафильтрации. (Когда здесь упоминается полимеризация красящих веществ, то подразумевается, что она включает физическую агломерацию и химическую полимеризацию). Другой альтернативой является введение в исходный сок перед первой ультрафильтрацией перекиси водорода, озона или их обоих. Данные вещества также способствуют окислению.

Предпочтительно перед ультрафильтрацией значение рН исходного сока доводят до около 6-8, например, добавлением основания. Это может способствовать снижению инверсии сахаров до минимума.

Первая ультрафильтрационная мембрана предпочтительно имеет порог отсечения по молекулярной массе по меньшей мере около 2000 Дальтон и размер пор не более чем около 0,1 микрон. Более предпочтительно ее порог отсечения по молекулярной массе составляет около 4000-200000 Дальтон. Пермеат первой ультрафильтрации предпочтительно имеет окрашенность около 3000-100000 международных единиц (international color units - icu). (Все значения окрашенности, приведенные в описании, определены по шкале ICUMSA).

Способ по изобретению может осуществляться при различных условиях процесса. Например, температура сока, подаваемого на первую ультрафильтрацию, может составлять около 60-93°С, более предпочтительно около 71-85°С.

Вторая ультрафильтрационная мембрана предпочтительно имеет порог отсечения по молекулярной массе около 500-5000 Дальтон, более предпочтительно около 1000-4000 Дальтон. В одном конкретном варианте способа вторую ультрафильтрацию проводят в две стадии, причем на первой стадии используют ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения по молекулярной массе около 3500-4000 Дальтон, а на второй стадии используют ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения по молекулярной массе менее чем около 3500 Дальтон. Пермеат второй ультрафильтрации предпочтительно имеет окрашенность не более чем около 4000 icu, более предпочтительно не более чем около 2500 icu.

Для снижения до минимума потерь сахарозы в ретентате первой и второй стадий ультрафильтрации предпочтительно включать в способ стадии диафильтрации. Термин "диафильтрация", используемый в данном описании, означает ультрафильтрацию, при которой в подаваемый поток добавляют воду для ускорения прохода сахарозы через мембрану.

В одном таком варианте способа ретентат первой ультрафильтрации подвергают диафильтрации через по меньшей мере первую диафильтрационную/ультрафильтрационную мембрану. При этом получают первый диафильтрационный пермеат диафильтрации и первый диафильтрационный ретентат. Первый диафильтрационный пермеат затем объединяют с первым ультрафильтрационным пермеатом и фильтруют через вторую ультрафильтрационную мембрану.

Аналогично ретентат из второй ультрафильтрации может подвергаться диафильтрованию через по меньшей мере вторую диафильтрационную/ультрафильтрационную мембрану. Эта стадия второй диафильтрации приводит к получению второго диафильтрационного пермеата и второго диафильтрационного ретентата. Второй диафильтрационный пермеат затем объединяют со вторым ультрафильтрационным пермеатом и фильтруют через нанофильтрационную мембрану.

Ретентаты первой и второй ультрафильтраций (или диафильтрации) и нанофильтрационный пермеат могут быть объединены в качестве мелассы. Если требуется, то эта объединенная меласса может быть сконцентрирована путем упаривания.

В дополнение к стадии нанофильтраци можно включать в способ стадии ионообменной и/или электродиализной очистки. Эти три метода очистки могут использоваться в любой последовательности. В одном особенно предпочтительном варианте способа нанофильтрационный ретентат очищают электродиализом, в результате которого получают очищенный сок и электродиализный остаток, и затем этот очищенный сок очищают ионным обменом, в результате чего получают еще более очищенный сок. Предпочтительно ни известняк, ни углекислый газ не контактируют с любым из пермеатов.

Нанофильтрация удаляет золу (включая моно- и двухвалентные катионы), инверт, органические кислоты, азотистые вещества и другие низкомолекулярные вещества, органические или несущие заряд. С помощью нанофильтрации и возможно электродиализа и/или ионного обмена предпочтительно удаляется по меньшей мере около 65 мас.% Са, Angerer, К, Na и ассоциированных с ними неорганических и органических анионов, которые присутствуют в пермеате второй ультрафильтрации. С помощью ионного обмена оставшиеся двухвалентные катионы, такие как кальций и магний, замещаются одновалентными катионами, такими как калий и натрий. Предпочтительно концентрация двухвалентных катионов в нанофильтрационном ретентате меньше концентрации двухвалентных катионов (по сухому веществу) в пермеате второй ультрафильтрации.

Нанофильтрационный пермеат будет содержать значительный процент примесей, присутствовавших в подаваемом соке. Так, во многих примерах нанофильтрационный пермеат будет содержать по меньшей мере около 30 мас.% (по сухому веществу) золы, по меньшей мере около 40% инверта и по меньшей мере около 25% бетаина, присутствовавших в подаваемом соке.

Содержание золы в очищенном соке (то есть после нанофильтрации и электродиализа и/или ионного обмена в любой последовательности) предпочтительно составляет не более чем около 2,5 мас.% по сухому веществу, более предпочтительно не более чем около 2%, наиболее предпочтительно не более чем около 1,0%.

После стадий мембранной фильтрации (и любой из стадий электродиализа и/или ионного обмена) вода может выпариваться из очищенного сока для получения концентрированного сиропа (например, с содержанием 75% сухих веществ). После этого из концентрированного сиропа может кристаллизоваться белый сахар. Благодаря высокой степени очистки от примесей с помощью данного изобретения в концентрированном сиропе можно провести две кристаллизации белого сахара в отличие от одной кристаллизации в традиционных способах переработки свеклы.

После одной или нескольких кристаллизаций белого сахара из концентрированного сиропа будет оставаться оттек. Этот оттек может рециркулироваться на одну из ультрафильтраций. Возможно рециркулируемый оттек может подвергаться дополнительной очистке для снижения содержания в нем раффинозы.

Способ может также предусматривать, включать сульфитацию одного или нескольких процессовых потоков. В частности, по меньшей мере, один поток, выбранный из группы, состоящей из исходного сока, первого ультрафильтрационного пермеата, второго ультрафильтрационного пермеата, нанофильтрационного ретентата и потока, подаваемого в выпарной аппарат, может контактировать с агентом, выбранным из группы, состоящей из диоксида серы, сульфитных солей, бисульфитных солей, метабисульфитных солей, солей дитионистой кислоты и их смесей, подаваемых в количестве, достаточном для обеспечения в потоке концентрации диоксида серы по меньшей мере около 100 частей на миллион (ppm).

Одним особенно предпочтительным вариантом изобретения является способ производства сахара из сахарной свеклы, предусматривающий стадии:

(a) мацерации сахарной свеклы или ее кусков с образованием мезги, включающей сок,

(b) отделения сока от мезги или, в качестве альтернативы стадиям (а) и (b), измельчения сахарной свеклы в стружку и получения из нее исходного сока диффузией,

(c) фильтрации сока через первую ультрафильтрационную мембрану, имеющей порог отсечения по молекулярной массе около 40000-200000 Дальтон, получая при этом первый ультрафильтрационный пермеат, имеющий окрашенность не более чем около 10000 icu, и первый ультрафильтрационный ретентат;

(d) фильтрации первого ультрафильтрационного перемеата через вторую ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения по молекулярной массе около 2000-4000 Дальтон, получая при этом второй ультрафильтрационный пермеат, имеющий окрашенность не более чем около 4000 icu, и второй ультрафильтрационный ретентат;

(e) фильтрации второго ультрафильтрационного пермеата через нанофильтрационную мембрану, получая при этом нанофильтрационный пермеат и нанофильтрационный ретентат, причем концентрация сахарозы в нанофильтрационном ретентате по сухому веществу выше, чем в соке на стадии (b);

(f) очистки нанофильтрационного ретентата с помощью ионного обмена и/или электродиализа, получая при этом очищенный сок, подаваемый в выпарной аппарат;

(g) выпаривания воды из очищенного сока, подаваемого в выпарной аппарат, с получением концентрированного сиропа; и

(h) кристаллизации белого сахара из концентрированного сиропа.

Возможно данный вариант способа может дополнительно включать стадии:

(i) кристаллизации оттека первой кристаллизации с получением белого сахара;

(j) обработки оттека второй кристаллизации хроматографическим разделением или ферментом для удаления раффинозы; и

(k) рециркулирование обработанного оттека обратно в нанофильтрационный поток или в поток, подаваемый в выпарной аппарат.

Еще одним объектом данного изобретения является способ очистки сахарозосодержащего сока, полученного из сахарной свеклы. Этот способ предусматривает стадии: (а) введения достаточного количества воздуха в сок для того, чтобы вызвать полимеризацию красящих веществ; и (b) удаления по меньшей мере некоторых из красящих веществ из сока мембранной фильтрацией по меньшей мере через одну ультрафильтрационную мембрану или нанофильтрационную мембрану.

Различные объекты данного изобретения обладают рядом преимуществ по сравнению с известными способами производства сахара из сахарной свеклы. Например, способ по изобретению устраняет необходимость применения печи для обжига известняка, добычи известняка и всех, связанных с этим устройств, процессов, продуктов, побочных продуктов и отходов. Данное изобретение приводит также к значительному снижению количества отходов, загрязняющих окружающую среду. В обычном способе образуется осадок на фильтре, который включает материалы, используемые для дефекации, и примеси, удаленные из сока. Этот осадок утилизируется в бассейнах или отвалах. Предлагаемый способ полностью исключает обработку диоксида углерода, которая является основным источником загрязнения атмосферы заводами по переработке сахарной свеклы.

Данное изобретение предоставляет эффективный с точки зрения экономических затрат способ снижения содержания золы в свекловичном соке или сиропе, предпочтительно до около 2% или менее (по сухому веществу), более предпочтительно до около 1,5% или менее, наиболее предпочтительно до около 1% или менее. Такое снижение содержания золы является важным, поскольку позволяет дважды кристаллизовать сахарозу из сиропа. В способах переработки свеклы уровня техники содержание золы на уровне 3,5% делало практически невозможным получать более одной кристаллизации сахарозы.

Кроме того, данное изобретение может позволить исключить необходимость обессахаривания полученной мелассы. Стадии эффективной мембранной фильтрации в первую очередь исключают возможность поступления избыточных количеств сахарозы в потоки мелассы.

Данное изобретение также предоставляет экономичный и воспроизводимый способ удаления красящих веществ из свекловичного сока. Он также снижает образование нежелательных кристаллических форм вследствие присутствия избыточных количеств раффинозы.

На сопровождающих иллюстрациях:

Фиг.1 - схема способа получения сахарозы из сахарной свеклы по изобретению, включающего мацерацию свеклы,

Фиг.2 - схема другого варианта способа по изобретению с массовым балансом,

Фиг.3 и 4 - схемы способов, в которых сахарная свекла подвергается мацерации,

Фиг.5 и 6 - схемы способов по вариантам изобретения, в котором свекла измельчается в стружку.

Данное изобретение предлагает усовершенствованный способ получения сахарозы из сахарной свеклы. Один из вариантов изобретения показан на Фиг.1.

Свекла, получаемая с поля, содержится в хранилище 10. Обычно в этом способе используют свежую сахарную свеклу, но может использоваться и замороженная свекла. Свекла из хранилища 10 потоком воды подается в обычный аппарат 12 для мойки свеклы, в котором с поверхности свеклы удаляется грязь. Мытая свекла после мойки поступает на конвейер 14, где вода удаляется. Промывная вода 18 и транспортерно-моечная вода, удаляемая из аппарата 12, поступает в резервуры 20 для обработки сточных вод.

Мытая свекла 21 транспортером 22 подается в аппарат измельчения 24, такой как молотковая дробилка или свеклорезка, где свекла измельчается на куски, например, средней толщиной около 1 дюйма (2-3 см). Куски 26 свеклы из свеклорезки (или, альтернативно, целой свеклы 21) подают в устройство 28 для мацерирования. Это устройство может включать, например, одну или несколько молотковых дробилок (предпочтительно с фиксированными лопастями), в которых имеется множество вращающихся лопастей, установленных на горизонтальном валу и проталкивающих свекловичную массу через разгрузочное сито. Другое мацерирующее устройство может включать одну или несколько жерновых мельниц, в которых в качестве основных истирающих средств служат жернова. Жернова предпочтительно имеют канавки, способствующие мацерации измельчаемого материала, причем жернова могут быть расположены горизонтально или вертикально. Жерновые мельницы в настоящее время являются предпочтительными по сравнению с молотковыми мельницами, хотя можно последовательно использовать мельницы обоих типов (например, молотковую мельницу, а затем жерновую мельницу дискового типа). Предпочтительно для облегчения выгрузки мацерированной свеклы и/или для регулирования температуры оборудования в мацерирующее устройство 28 подают сок 38 или воду 34. Мацерированную свеклу 30 подают в аппарат 32 для вакуумного отделения сока. Этот аппарат может содержать горизонтальную движущуюся пористую ленту, к которой прикладывают пониженное давление (вакуум) со стороны дна. Мацерированную свеклу подают в виде ровного слоя на один (загрузочный) конец 33 ленты. Чистую воду 34 подают на противоположный (разгрузочный) конец 35 ленты. Таким образом, мацерированная свекла и вода в аппарате 32 движутся в противотоке. Сок 36 повторно подается на ленту, предпочтительно в нескольких местах. Данный способ вакуумного отделения сока приводит к получению мезги 68 с низким содержанием сахара и отделенного сока 38 с высоким содержанием сахара. Вакуумное отделение сока проводят при температуре, предпочтительно повышенной до около 80°С для предотвращения роста микроорганизмов и улучшения отделения сока.

Для отделения сока 38 от мезги 68 может использоваться центробежный сепаратор или несколько таких сепараторов. Центробежный сепаратор может состоять из вертикального или горизонтального вращающегося перфорированного барабана, в который вводят мацерированную свеклу и в котором твердую фазу (мезгу) 68 и жидкую фазу (сок) 38 разделяют с помощью центробежной силы, направленной перпендикулярно перфорированной поверхности. В мацерированную свекловичную массу в процессе центрифугирования вводят разбавленный сок 36 для снижения до минимума содержания сахара в мезге 68.

Мезга 68, выходящая из экстрактора 32, имеет очень низкое содержание сахара, но высокое содержание воды. Мезгу отжимают в шнековом прессе для отделения от нее разбавленного сока 72, который содержит около 1% растворенных сухих веществ и около 99% воды. Растворенные сухие вещества содержат около 5% сахарозы и 50% несахаров. Разбавленный сок 72 нагревают до температуры около 80°С в нагревателе 74 и затем возвращают в аппарат 32 в потоке 36. Жом 76 используют в качестве корма для животных с дополнительной сушкой или без нее.

Экстрагированный сок 38 подают в емкость 41 и, возможно, подвергают сульфитации посредством добавления диоксида серы или сульфитных или бисульфитных солей 40, например газообразного диоксида серы или водного раствора бисульфита аммония с концентрацией около 65%. Предпочтительно остаточное содержание диоксида серы в соке после сульфитации составляет по меньшей мере 100 ppm (частей на миллион). Сульфитация может осуществляться при получении свекловичной стружки, мацерации, экстрагировании сока или в других точках процесса, либо в качестве альтернативы, либо дополнительно к стадии сульфитации в данном варианте. Сульфитация предотвращает окрашивание, которое в противном случае усилится при последующей мембранной фильтрации и упаривании. Могут использоваться также другие антиоксиданты.

После этого в резервуаре 43 нейтрализации сок нейтрализуется добавлением водного гидроксида натрия 42 предпочтительно до уровня рН по меньшей мере около 7. Такое регулирование рН помогает предотвратить инверсию сахаров, которая происходит при повышенных температурах. Для регулирования рН могут использоваться и другие химические вещества, например жидкий гидроксид калия или гранулированный карбонат натрия.

Сок, полученный из мацерированной свеклы посредством противоточной вакуумной фильтрации, содержит около 0,2% суспендированных твердых веществ, около 14% растворенных сухих веществ и около 84% воды. Растворенные сухие вещества включают около 85% сахарозы и 15% несахаров. Предпочтительно температура сока составляет по меньшей мере около 65°С, а его рН составляет по меньшей мере 7.

Затем сок может пропускаться через нагреватель 44 для повышения его температуры до около 80°С.

После этого нагретый сок может подвергаться мембранной фильтрации 46, предпочтительно фильтрации в режиме "кросс-флоу", для удаления из него высокомолекулярных соединений. Ультрафильтрация приводит к получению ультрафильтрата (т.е. осветленного сока) 48, который содержит около 12% растворенных сухих веществ и около 88% воды. Эти сухие вещества включают около 90% сахарозы и 10% несахаров. Температура ультрафильтрата 48 предпочтительно составляет около 80°С, а его рН составляет по меньшей мере около 7.

Упомянутый ультрафильтрат имеет чистоту около 90%, что эквивалентно чистоте очищенного сока, полученного традиционным способом переработки сахарной свеклы. Однако имеются важные отличия между несахарами в этих двух продуктах. Очищенный ультрафильтрацией сок (ультрафильтрат) может содержать больше инвертного сахара и/или меньше соединений с большой молекулярной массой по сравнению с соком, очищенным традиционным способом.

Инвертные сахара в соке, очищенном ультрафильтрацией, будут переходить, главным образом, в мелассу без существенного снижения выхода сахарозы. Это является преимуществом по сравнению с традиционным известкованием (дефекацией), при котором продукты реакции извести и инвертного сахара уходят в сточные воды. Меньшее содержание соединений с большой молекулярной массой приводит к получению сока меньшей вязкости, который более удобен для варки сахара.

Ультрафильтрация приводит к уменьшенному окрашиванию сока. Экстрагированный сок 38 обычно имеет окрашенность свыше 100000 icu по шкале ICUMSA. Ультрафильтрат 48 обычно имеет окрашенность менее 2000 icu по той же шкале. Это эквивалентно или меньше окрашенности очищенного сока, полученного традиционным способом. Меньшая окрашенность в сочетании с меньшей вязкостью позволяют повысить эффективность варки сахара. В результате обеспечивается лучшее обессахаривание, более эффективная варка и снижение потерь сахара с мелассой.

В данном изобретении могут использоваться мембраны различных конфигураций, включая, например, спиральные мембраны, мембраны из полых волокон и трубчатые мембраны. Мембраны, пригодные для такого метода отделения, должны обладать двумя уникальными характеристиками. Они должны иметь высокую проницаемость для воды и сахарозы, но низкую проницаемость для красящих веществ и других макромолекулярных соединений. Плотные ультрафильтрационные мембраны с порогом отсечения по молекулярной массе в интервале приблизительно от 1000 до 10000 Дальтон и неплотные нанофильтрационные мембраны с задержкой NaCl около 10% хорошо подходят для такого применения. Мембраны с отрицательным поверхностным зарядом являются предпочтительными, поскольку большинство соединений, которые должны задерживаться, являются отрицательно заряженными.

Ретентат 50 ультрафильтрационного процесса содержит главным образом суспендированные и растворенные примеси. Он также содержит значительное количество сахарозы. Для выделения по меньшей мере части этой сахарозы ретентат подвергают диафильтрации через систему мембран 52 с добавлением воды 54. При диафильтрации извлекается большая часть сахара, оставшегося в ультрафильтрационном ретентате. Диафильтрат 56 содержит около 3% растворенных сухих веществ и около 97% воды. Указанное сухое вещество в диафильтрате включает около 88% сахарозы и 12% несахаров. Предпочтительно температура диафильтрата составляет около 80°С, а его рН выше 7. Ретентат 58 диафильтрационного процесса содержит около 5% суспендированных твердых веществ, 3% растворенного сухого вещества и около 87% воды. Его концентрируют выпариванием и используют в корме для скота; при этом он может быть смешан с прессованным жомом.

Ультрафильтрат 48 и диафильтрат 56 объединяют с образованием объединенного продукта 60. Этот продукт (называемый также очищенным соком) содержит около 11% растворенных сухих веществ и около 89% воды. Эти сухие вещества включают около 90% сахарозы и 10% несахаров.

Система мембран 62 с обратным осмосом может использоваться для предварительной концентрации очищенного сока. Это еще один мембранный процесс в режиме "кросс-флоу", который является менее энергоемким и более экономичным для предварительного концентрирования разбавленных растворов сахарозы, чем традиционные технологии. Продукт 64, выходящий из системы мембран 62 с обратным осмосом, содержит около 20% растворенных сухих веществ и около 80% воды. Эти сухие вещества включают около 90% сахарозы и 10% несахаров.

Пермеат 66 обратного осмоса является водой высокого качества. Часть этой воды 34 используют в противоточной вакуумной фильтрации в аппарате 32, а остальную воду - для других целей, например, в воде 54 для процесса диафильтрации 52.

После этого температуру предварительно концентрированного раствора сахарозы (продукта 64) повышают в нагревателе 80 и затем оставшуюся воду удаляют в выпарном аппарате 82. Сахарозу кристаллизуют как в обычных процессах.

Оборудование, используемое в процессе по Фиг.1, является традиционным и хорошо известным специалистам в данной области техники, это оборудование для мойки свеклы, шнековые диффузионные аппараты и выпарные аппараты. Свеклор