تاریخچه شکر ابتدا از گیاه نیشکر استخراج شد و سوابق تاریخی نشان میدهد که ایران جزء کشورهایی بود که برای اولین بار توانست شکر را از نیشکر استخراج کند و گیاه نیشکر از ایران به کشورهای غربی برده شده است .در بعضی روایات گفته میشود که نیشکر ابتدا از هندوستان وارد ایران شده است .در هر حال ،در زمان جنگهای صلیبی که اروپاییها به ایران مهاجرت کرده بودند با شکر برای اولین بار در ایران آشنا شدند تا حدی که بعد از پایان جنگ ،هنگام بازگشت به کشورهایشان ،شکر را بهعنوان یک هدیه و کاالی لوکس به کشورهایشان بردند و تا مدتها افراد ثروتمند در اروپا از شکر استفاده میکردند .دلیل نامگذاری خوزستان این است که در زبان عربی "خوز" به معنای نیشکر است و هنگام حمله اعراب که نیشکر را در آن منطقه دیدند ،اسم آنجا را خوزستان گذاشتند ،یعنی سرزمین شکر. سالها بعد حدود سال 1700میالدی ،دانشمندی به نام « مارگراف » متوجه شد که میتوانیم از چغندر هم قند استخراج کنیم و چند سال بعد ،شاگرد او به نام « آشار » توانست برای اولین بار مقداری قند از چغندر استخراج کند. در ایران اولین کارخانه قند در سال 1272در منطقه کهریزک توسط روسها احداث شد ،امّا به دالیل سیاسی بعد از یک سال تعطیل شد ،چون روسها دوست نداشتند که ایران بتواند خودش قند و شکر تولید کند .امّا بعد از حدود یک سال این کارخونه دوباره راهاندازی شد ،سپس کارخانه های قند دولتی دیگری نظیر کارخانه قند کرج ،مرودشت و فریمان هم شروع به کار کردند و از سال 1330به بعد بخش خصوصی هم وارد این صنعت شد و کارخانههایی مانند اصفهان ،نیشابور ،شیرین و خوی تاسیس شدند .در حال حاضر حدود 33کارخانه قند چغندر و 4کارخانه قند نیشکر در ایران مشغول فعالیتاند ،بهطوری که کارخانههای قند نیشکری فقط در استان خوزستان هستند. چغندر قند چغندر قند با نام انگلیسی Sugar beetو نام علمی Beta vulgarisمیباشد. چغندر قند یک گیاه دوساله است ،که سال اول رشد رویشی دارد و سال دوم رشد زایشی دارد .در سال دوم مقدار قند آن کم میشود ،پس اگر قرار است چغندر به کارخانه برده شود باید انتهای سال اول برداشت گردد. اصطالحات .1پالریزاسیون (: )Polarization در صنعت قند برای اندازهگیری ساکارز از روش پالریزاسیون استفاده میشود .بنابراین برای بیان درصد قند شربتهای کارخانه قند از واژه ( Polمخفف پالریزاسیون) استفاده میکنیم .اساس کار این روش وجود کربن نامتقارن در یک ترکیب است ،بهطوری که کربن نامتقارن میتواند نور پالریزه را به چپ یا راست منحرف کند و از زاویه انحراف ،مقدار قند محاسبه میشود .معموالً بعضی ترکیبات راستگردان نور و برخی چپگردان نور هستند ،مثالً ساکارز نور پالریزه را به سمت راست منحرف میکند .دستگاهی که بدین منظور استفاده میشود ،پالریمتری و یا ساکارومتری است. 1 .2ساکارز : قند اصلی چغندر قند ،ساکارز است ،بهطوری که به ساکارز اصطالحاً قند چغندر هم گفته میشود .هر چند قندهای دیگری مانند فروکتوز ،رافینوز و اینورت در چغندر قند وجود دارد ،امّا چون فقط ساکارز است که به قند و شکر تبدیل میشود لذا در صنعت قند آنها را جزو ترکیبات غیرقندی تقسیمبندی میکنیم. .3عیار : مقدار قند موجود در چغندر را عیار گویند که برحسب درصد بیان میشود. .4دیژسیون : مقدار قند موجود در خالل چغندر قند را دیژسیون گویند. .5بریکس (: )Brix مواد جامد محلول را اصطالحاً بریکس گویند .در شربتهای کارخانه قند ،بریکس شامل مواد قندی و غیرقندی است (یعنی مجموع این دو که محلول باشند) .با استفاده از دستگاهی به نام رفراکتومتر آن را اندازهگیری میکنند و با توجه به درجه بریکس گزارش میشود. .6درجه خلوص یا کوسیان (: )Q برای محاسبه خلوص شربتهای مختلف کارخانه قند از کوسیان با فرمول زیر استفاده میشود. درجه خلوص ساکارز : .7ماده قندی و مواد غیرقندی : منظور از ماده قندی فقط ساکارز است و مواد غیرقندی عبارتند از : الف .ترکیبات غیرقندی بدون ازت؛ مانند گلوکز ،فروکتوز ،اینورت ،پکتین ،گاالکتان و رافینوز. ب .ترکیبات غیرقندی ازتدار؛ مانند اسیدهای آمینه ،پروتئین ،اسانس ،رنگ ،ویتامین و ... ج .ترکیبات غیرقندی معدنی (خاکستر)؛ سدیم ،پتاسیم ،کلسیم ،منیزیم ،سولفاتها ،کلریدها ،فسفاتها و سیلیکاتها. د) مارک ( : )Marcبه ترکیبات غیرقندی نامحلول در آب اصطالحاً مارک گفته میشود و تقریباً 4الی %5ترکیبات چغندر را به خود اختصاص میدهد؛ مثل سلولز ،همیسلولز و لگنین. نکته :ترکیبات غیرقندی بدون ازت ،ازتدار و معدنی جزء بریکس هستند ،ولی مارک جزء بریکس محسوب نمیشود. 2 توضیحات نمودار .1چغندر قند : همانطور که گفته شد ،چغندر قند یک گیاه دوساله است که در ایران بیشتر بهصورت کشت بهاره کاشته میشود و بین 180تا 240روز طول میکشد تا به مرحله برداشت برسد ،یعنی دوره رشد آن 6ماه تا 8ماه است. .2برداشت چغندر : برداشت چغندرهای بهاره تقریباً از اوایل شهریور شروع میشود و برداشت چغندرهای پاییزه از اوایل فروردین شروع میشود که به دو صورت مکانیزه و سنتی قابل برداشت است. .3سرزنی (: )Topping بالفاصله پس از برداشت چغندر در مزرعه قسمتهای ساقه و برگ از قسمت طوقه جدا میشود (با استفاده از ماشین یا دست) و آنچه که به کارخانه میرسد فقط غده است. .4بارگیری کامیون : چغندرهای برداشت شده و سر زده شده ترجیحاً باید بالفاصله به کارخانه منتقل شود و نباید مدت زیادی پس از برداشت در مزرعه باقی بماند ،زیرا مشکالتی از نظر تکنولوژیک برای آنها ایجاد خواهد شد. .5انتقال به کارخانه : کامیون به محض ورود به کارخانه وارد باسکول میشود جهت توزین اولیه که تحت عنوان W1ثبت میشود .در واقع W1تشکیل شده از وزن کامیون ،وزن چغندر و وزن تمام ناخالصیهای همراه با چغندر. .6عیارسنجی : کامیون بعد از باسکول به قسمت عیارسنجی هدایت میشود .در این قسمت از طریق نمونهبرداری از چغندرهای داخل کامیون ،دو پارامتر اندازهگیری میشود که شامل درصد افت و عیار است .منظور از درصد افت ،تمام ناخالصیهای همراه چغندر است و عیار هم یعنی درصد قند چغندر .بدین منظور معموالً حدود 25تا 30عدد چغندر بهطور تصادفی برداشت میشود و سپس آنها را وزن میکنند تحت عنوان وزن اولیه نمونهها ( ،)P1سپس نمونهها شسته میشود و مجدداً وزن میشود تحت عنوان وزن ثانویه نمونهها ( )P2و بعد با استفاده از فرمول زیر درصد افت محاسبه میشود : بعد از آن نمونهها را تبدیل به یک خمیر یا اصطالحاً پالپ ( )Pulpمیکنند و با استفاده از روش پالریمتری درصد قند در چغندر (عیار) را اندازه میگیرند .علت این که این دو پارامتر را در همان ابتدای ورود باید تعیین کنیم این است که قیمت چغندر بر اساس عیار تعیین میگردد .هرچه عیار بیشتر ،قیمت هم بیشتر خواهد بود و بالعکس .از درصد افت هم برای محاسبه وزن اصلی استفاده میکنیم. 3 .7دستگاه تخلیه چغندر و سیلو : این دستگاه کامیون را بهصورت مایل درآورده تا چغندرها از عقب کامیون خارج گردند ،امّا ابتدا با ضربات مالیمی که به چغندرها وارد میکند تا حد امکان گل و خاک از چغندر جدا میشود ،البته نه بهطور کامل بلکه نسبی ،سپس چغندرها را به سیلوهای نگهداری منتقل میکنیم .در این مرحله کامیون که خالی شد از دستگاه خارج میشود و گل و خاکی که از چغندرهای داخل کامیون جدا شده به کامیون منتقل میشود و سپس این کامیون که محتوی بخشی از گل و خاک جدا شده است ،مجددا وارد باسکول شده و وزن میشود که این وزن تحت عنوان W2ثبت میشود .در واقع W2شامل وزن کامیون و وزن بخشی از ناخالصیهای همراه با چغندر است. .8سیلوهای نگهداری چغندر : سیلوهای نگهداری چغندر ،سیلوهایی رو باز هستند که در فضای باز کارخانه قرار گرفتهاند .در واقع بهصورت یک استخر کم عمق هستند که طول آنها حدود 80الی 100متر و عرض آنها 4الی 5متر است و کف این سیلوها یک کانال آب در طول سیلو وجود دارد که از این کانال آب برای انتقال چغندر از سیلو به سمت فرآیند استفاده میکنیم و این کانال آب بعد از سیلو هم ادامه پیدا میکند و وارد یک کانال مرکزی میشود .در کانال مرکزی دو بخش وجود دارد شامل :کشوی تنظیم و چرخ تنطیم .وظیفه کشوی تنظیم ،تنظیم دبی وزنی چغندر است یعنی وزن چغندر در واحد زمان و وظیفه چرخ تنظیم ،تنظیم دبی حجمی چغندر است یعنی حجم چغندر در واحد زمان که بر اساس ظرفیت کارخانه این دو را تنظیم میکنند. .9دستگاه شنگیر و علفگیر : در این قسمت برگ ،علف ،شن و سنگریزه از چغندر جدا میشود ،بدین صورت که با استفاده از غوطهوری در آب و اختالف سرعت سقوط این مواد در آب ،آنها را از یکدیگر جدا میکنند. .10انتقال به باالترین نقطه کارخانه با روش پمپ چغندر یا بوسیله الواتور : بهعنوان یک اصل در صنایع غذایی باید ماده اولیه را ابتدا به باالترین نقطه کارخانه هدایت کنیم و سپس فرآوری را شروع کنیم .دلیل این کار صرفهجویی در مصرف انرژی است ،چون یکبار انرژی مصرف میکنیم و ماده اولیه را باال می بریم ،از آن به بعد با استفاده از نیروی جاذبه جابهجاییها انجام میشود و دیگر نیاز به صرف انرژی یا کاربرد پمپ و تسمه نقاله نداریم .در کارخانجات قند برای این کار از دو روش استفاده میشود : الف) استفاده از روش پمپ چغندر که به روش تر هم معروف است و چغندر توسط پمپاژ آب به باال منتقل میشود. ب) دیگری روش استفاده از الواتور ( )Elevatorیا باالبرنده که به روش خشک نیز معروف است و از الواتورهای مختلفی بدین منظور استفاده میشود .از جمله الواتور مارپیچ ( )Helix Elevatorکه شبیه مارپیچ داخل چرخ گوشت است و یا الواتور کاسهای ( )Bucket Elevatorکه به آن سبدی هم میگویند و شبیه چرخ و فلک است و یا استفاده از الواتورهای تسمهای ( )Belt Elevatorکه معموالً بهصورت شیبدار یا مایل مورد استفاده قرار میگیرد. 4 .11شستشو بوسیله چرخ الور : در سیستم شستشو بوسیله چرخ الور از جریان معکوس ( )Counter Currentاستفاده میشود ،بطوری که آب و چغندر در خالف جهت یکدیگر حرکت میکنند و درنتیجه چغندر از طریق غوطهوری در آب و سایش ،شسته و تمیز میشود .در نهایت خروجی چرخ الور شامل آب گلآلود و چغندر شسته شده است. الف) آب گلآلود :آب گلآلود خارج شده از سیستم الور حاوی دم چغندر و قطعات شکسته شده و ریز چغندر است، به همین دلیل وارد دستگاه دمگیر میشود تا آب گلآلود از دم و قطعات ریز چغندر جدا شود (مثل آبکش کردن). دم و قطعات ریز به سه صورت ممکن است استفاده شوند که در نمودار نشان داده شده و شامل : استفاده در دامداری بهعنوان غذای دام. مخلوط با تفاله که در نهایت باز هم غذای دام میشود. مخلوط با خالل چغندر تا فرآیند استخراج قند روی آنها انجام شود. آب گلآلود جدا شده از دستگاه دم گیر ابتدا وارد دکانتور تصفیه آب شده و بعد از مدتی که در دکانتور بهصورت راکد باقی ماند ،گل تهنشین میشود و یک آب نیمهشفاف بدست میآید و سپس مقداری آهک به آب نیمهشفاف اضافه میشود تا بار میکروبی آن کاهش پیدا کند و مجددا مورد استفاده قرار گیرد ،به عبارتی مجددا این آب را به کانال آب سیلوهای چغندر برگشت میدهند .در کارخانه قند مصرف آب خیلی زیاد بوده و باید هرجا که ممکن است آب را بازیابی کنیم که اینجا آب به سیلو برگشت میخورد. ب) چغندر شسته شده :چغندر تمیز خروجی از الور ،ابتدا وارد ویبراتور (لرزاننده) میشود .ویبراتور سه وظیفه دارد : )1در ابتدای ویبراتور یک دوش آب حاوی پرکلرین وجود دارد که چغندرها از زیر آن عبور میکنند تا سطح خارجی چغندرها ضدعفونی شود. )2در ادامه مسیر با لرزش ویبراتور قطرات آبی که روی سطح چغندر وجود دارند جدا میشوند .زیرا نباید آب اضافی وارد فرآیند تولید شود ،زیرا برای جدا کردن یا تبخیر آنها باید هزینه و انرژی بیشتری صرف کنیم. )3در انتهای ویبراتور یک آهنربا وجود دارد که اجسام آهنی احتمالی را از چغندر جدا کند( .مثل پیچ ،میخ و )... .12مخزن ذخیره چغندر (بونکر چغندر) : معموالً به مخازنی که کف آنها حالت مخروطی شکل و شیبدار داشته باشد ،بونکر گفته میشود .بونکر چغندر مخزن تغذیه آسیاب است؛ یعنی چغندر از اینجا وارد آسیاب شده و اندازه و ظرفیت آن در کارخانجات بهنحوی در نظر گرفته میشود که بتواند به اندازه 20دقیقه خوراک کارخانه را تأمین کند و از طرفی چغندری که در این مخزن انباشته میشود هیچگاه نباید از یک حداقلی کمتر و از یک حداکثری بیشتر شود ،زیرا فشاری که الزم است به چغندرهای پایینی وارد شود تا به آسیاب منتقل شوند باید در یک حد مشخص باشد. .13آسیاب خالل : وظیفه آسیاب خالل این است که چغندرها را تبدیل به رشتههای باریک خالل کند تا خروج قند و عصاره از خالل راحتتر صورت گیرد .نحوه کار این آسیابها بدین صورت است که خالل تولیدی آنها دارای سطح مقطع Vشکل هستند (ناودانی). 5 .14ترانسپورتر خالل : ترانسپورتر یعنی انتقالدهنده ،بنابراین یکی از وظایف ترانسپورت ر این است که خالل را به دیفوزیون انتقال دهد و عالوه بر این مجهز به یک باسکول است که اصطالحاً به آن باسکول کورینوس گفته میشود که در واقع وزن خالل ورودی به فرآیند را در واحد زمان اندازهگیری میکند .به همین دلیل در کارخانجات قند اصطالحی به نام عدد کورینوس وجود دارد که به معنی وزن خالل ورودی به فرآیند در واحد زمان است. .15دیفوزیون (: )Diffusion دیفوزیون به معنای استخراج به روش اسمز است ،به عبارتی در این روش از اختالف فشار اسمزی برای استخراج قند از خالل استفاده میکنیم .همانطور که در نمودار هم دیده میشود ،آب تازه از یک طرف و خالل از جهت روبرو (مخالف با جهت آب) وارد دیفوزیون میشود و بنا به پدیده اسمز ،قند و مواد غیرقندی خالل وارد آب شده و درنتیجه این آب تبدیل به شربت میشود که اصطالحاً به آن شربت خام گفته میشود .در این قسمت از یک طرف شربت خام و از طرف دیگر تفاله آبدار از دیفوزیون خارج میشود( .خالل تبدیل به تفاله آبدار میشود و آب تبدیل به شربت خام) الف) تفاله آبدار :تفاله آبدار خروجی از دیفوزیون از یک طرف مقدار زیادی آب دارد و از طرف دیگر مقداری قند دارد، به همین دلیل وارد دستگاه پرس میشود و در نتیجه آب پرس تفاله و تفاله پرس شده بدست میآید. آب پرس تفاله در واقع حاوی قند است و مجددا به دیفوزین برگشت داده میشود که این کار دو مزیت دارد : هم در مصرف آب تازه صرفهجویی میشود. هم با برگشت مقداری قند به دیفوزیون ضایعات قندی را کاهش میدهیم. تفاله پرس شده حاصله تقریباً 70الی % 80رطوبت دارد .بخشی از آن بهصورت تازه و روزانه به دامداریها داده میشود تا به مصرف غذای دام برسد و بخش دیگری از آن خشک میشود تا رطوبت آن را به حدود % 10برسانند و اصطالحاً به آن تفاله خشک پرک گفته میشود و میتوان آن را مدتی نگهداری کرد. ب) شربت خام :ترکیبات شربت خام عبارت است از قند (ساکارز) ،آب و مواد غیرقندی محلول .برای جدا کردن مواد غیرقندی که ناخالصی محسوب میشوند ،باید شربت را تصفیه کنیم ،لذا شربت خام وارد مرحله تصفیه میشود. .16مراحل تصفیه به روش کالسیک : طبق نمودار ،مراحل تصفیه به روش کالسیک به ترتیب شامل : .1آهکخور اول .2آهکخور دوم .3اشباع اول .4دکانتور .5اشباع دوم. در واقع طی این مراحل که آهک و گاز CO2به شربت اضافه میشود ،بخش عمده ناخالصیهای شربت جدا میشود و در واقع شربت تصفیه میشود .بعد از آن شربت از صافیهای مختلف عبور میکند و یک شربت شفاف و زرد رنگ بدست میآید که اصطالحاً به آن شربت رقیق گفته میشود .معموالً بریکس شربت رقیق حدود 12تا 17است. .17اواپراسیون (: )Evaporation در این مرحل ه شربت رقیق به شربت غلیظ تبدیل میشود .در واقع برای تبخیر آب شربت از سیستم اواپراسیون چند مرحلهای ( )Multi Stageاستفاده میشود ،یعنی شربت رقیق طی چند مرحله غلیظ میشود و به شربت غلیظ با بریکس 60الی 70تبدیل میشود. 6 .18کریستالیزاسیون (: )Crystallization مرحله اول -آپارت پخت یک که شروع فرآیند کریستالیراسیون به این صورت است که شربت غلیظ حاصل از مرحله اواپراسیون ابتدا وارد آپارات پخت یک میشود .در این مرحله ،شربت مجددا تغلیظ میکنند تا حدی که به مرحله فوق اشباع برسد .این عملیات تحت خال انجام میگردد و زمانی که به حد معینی از فوق اشباعی رسید با وارد کردن شوک فیزیکی یا حرارتی به شربت فوق اشباع ،هستههای اولیه کریستال در آن تشکیل میشود و تعداد کریستالها به مرور افزایش مییابد تا جایی که شربت فوق اشباع پر از کریستالهای ساکارز شود که به این مخلوط ،پخت یک یا ماسکوییت گفته میشود .سپس آن را وارد مرحله بعد میکنند. مرحله دوم -رفریژرانت (ماالکسور) :پخت بعد از آماده شدن وارد رفریژرانت یا مبرد میگردد .ظیفه رفریژرانت این است که از یک طرف دمای پخت را کاهش میدهد و از طرف دیگر اندازه کریستالهای ساکارز را افزایش میدهد یا بهعبارتی کریستالهای موجود درشتتر میشود .سپس از طریق ناو باالی سانتریفیوژ ،پخت وارد سانتریفیوژ میشود و در این مرحله دانههای کریستال از مایع اطراف آن یا شربت جدا میشود .در واقع سانتریفیوژ از طریق نیروی گریز از مرکز ،کریستالها را از شربت جدا میکند بطوری که دانه های کریستال داخل سبد سانتریفیوژ باقی میماند و در نتیجه شربتی که از کریستال جدا میشود از سانتریفیوژ خارج میشود که اصطالحاً به آن پساب ضعیف گفته میشود. در این مرحله کریستالهایی که درون سانتریفیوژ ماندهاند هنوز سفید نیستند و کمی زرد رنگ هستند ،زیرا یک الیه نازک شربت به سطح آنها چسبیده است و به همین دلیل مقداری بخار یا ذرات آب روی آنها پاشیده میشود تا سطح بیرونی کریستالها شسته شده و بهصورت یک شربت از سانتریفیوژ خارج شوند .به شربتی که در این مرحله بدست میآید ،پساب قوی گفته میشود و کریستالهای سفیدی که در این مرحله در سانتریفیوژ باقی میماند ،بهعنوان شکر سفید شناخته میشوند و چون مقداری رطوبت دارند ،آن را وارد خشککن میکنند تا خشک شده و رطوبت آن کاهش یابد؛ سپس آن را وارد انبار میکنند. همانطور که در نمودار مشاهده میشود ،پساب قوی و ضعیف حاصل از پخت یک بهعنوان پایه پخت دو استفاده میشود و در آپارات پخت دو تمام عملیانی که قبالً در پخت یک توضیح داده شد ،انجام میگیرد تا پخت دو تهیه شود و بعد از رفریژرانت ،از طریق ناو باالی سانتریفیوژ ،وارد سانتریفیوژ میشود و در اثر سانتریفیوژ کردن پخت دو پساب آن خارج میشود که پساب پخت دو ( )IIگفته میشود و از آن بهعنوان پایه پخت سه استفاده میشود و شکری که از این مرحله بدست میآید ،شکر زرد یا قهوهای شناخته میشود که این شکر در آب گرم حل میشود و کلرس ( )IIیا رفونت ( )IIبدست میآید که از آن بهعنوان پایه پخت یک استفاده میشود .در ادامه پساب حاصل از پخت دو بهعنوان پایه پخت سه استفاده میشود .پخت سه نیز به روش مشابه تهیه میشود و زمانی که پخت سه وارد سانتریفیوژ میشود، پسابی که از آن بدست میآید را اصطالحاً مالس گویند (مالس پساب حاصل از سانتریفیوژ پخت سه است) و شکری که از این مرحله بدست میآید ،شکر خام یا شکر سرخ گفته میشود .این شکر به دو روش قابل استفاده است : در یک حالت میتوانیم آن را در آب حل کنیم و در نتیجه کلرس ( )IIIیا رفونت ( )IIIبدست میآید که از آن بهعنوان پایه پخت سه و یک استفاده میشود. در حالت دیگر میتوانیم شکر خام را در شربت رقیق حل کنیم که در این حالت آفینه بدست میآید و این آفینه بهعنوان پایه پخت دو استفاده میشود. 7 چغندر قند چغندر قند با نام علمی Beta vulgarisگیاهی دوساله از خانواده اسفناجیان ( )Chenopediaceaeاست که بهصورت گیاهی یکساله برای کارخانجات قند کشت می شود ،زیرا اگر وارد سال دوم کاشت شود تولید گل و بذر میکند و قند ذخیره شده در ریشه آن کاهش پیدا میکند .بنابراین چغندرهایی که با هدف تولید شکر کشت میشوند ،در پایان سال اول برداشت میشوند .چغندر قند طی سال اول که رشد رویشی دارد ،معموال فاقد ساقه است و طی این مدت تولید انواع برگهای افقی و عمودی و ریشه مخروطی شکل میکند و ساکارز ساخته شده در برگها را در ریشه ذخیره میکند .معموال طول دوره رشد چغندر در سال اول برای تولید قند بین 6تا 9ماه است ،بهطوری که ریشه مخروطی چغندر یک ریشه مستقیم و عمودی است که بعد از مدت کوتاهی تا عمق 170الی 200سانتیمتر در خاک نفوذ میکند و زمانی که سن گیاه به 6الی 8هفته میرسد ،دو ردیف ریشه جانبی از داخل شیارهای طرفین ریشه (غده) روییده میشود که چغندر از طریق این ریشههای جانبی هم از خاک سطحی و هم از خاک عمقی تغذیه میکند. قسمت مخروطی شکل ریشه چغندر که در واقع ریشه اصلی محسوب میشود ،به صورتی است که اگر آن را بهصورت عرضی برش دهیم 8 ،تا 12حلقه هم مرکز به رنگهای تیره و روشن در آن دیده خواهد شد .غده چغندر قند در واقع ریشهای بزرگ و آبدار است که از چهار قسمت زیر تشکیل شده است : .1طوقه :قسمت باالیی غده را تشکیل میدهد و برگها از این قسمت منشأ میگیرند. .2گردن (سر) :قسمت صاف و بدون زائده در زیر طوقه است و قطورترین نقطه غده است. .3ریشه اصلی (تنه) :از زیر گردن شروع شده و تا دم ادامه دارد ،یعنی تا جایی که قطر ریشه به حدود 3 cmمیرسد. .4دم :انتهاییترین بخش غده چغندر است ،یعنی از جایی که قطر غده چغندر به 3 cmمیرسد. بخش عمده وزن خشک ریشه را ساکارز تشکیل میدهد و قندهای دیگری مانند گلوکز ،فروکتوز ،رافینوز و همچنین مواد آلی و معدنی مختلفی در ریشه چغندر وجود دارد .هرچه مقدار ناخالصی در ریشه چغندر قند کمتر باشد ،راندمان استخراج قند یا شکر از چغندر افزایش پیدا میکند .معموالً بیشترین غلظت قند در قسمت میانی تنه اصلی چغندر قند است و معموالً در قسمت مرکز مقدار قند بیشتر است و هرچه به سمت پوسته پیش میرویم ،غلظت ساکارز کمتر میشود .عالوه بر این مقدار قند در منطقه طوقه ،گردن و دم پایین است و بهطور کلی مقدار قند در ارقام اصالح شده چغندر بین 16الی %20است .هرچند که ممکن است در بعضی از انواع چغندر این مقدار کمتر یا بیشتر هم باشد. 8 ترکیبات شیمایی موجود در چغندر قند معموالً طی دورهی کاشت چغندر سه نوع کود به آن داده میشود که شامل ازت ،فسفر و پتاس میباشد .بهطوری که کود پتاس تاثیر تکنولوژیک دارد ،یعنی میتواند از یک طرف سبب افزایش قند چغندر (عیار) شود و همزمان مقدار سدیم و پتاسیم موجود در چغندر را افزایش دهد که این مسئله برای کارخانه مناسب نیست؛ زیرا به سدیم و پتاسیم، امالح مالسزا گفته میشود که باعث افزایش مقدار مالس در کارخانه میشوند و در نهایت راندمان تولید شکر کاهش مییابد .بنابراین از یک طرف کشاورزان مایل هستند کود پتاس بیشتری به چغندرها بدهند تا عیار آن باال برود و گرانتر به کارخانهها بفروشند ،امّا از طرف دیگر چون سدیم و پتاسیم هم باال میرود ،بنابراین در کارخانه راندمان تولید شکر کاهش پیدا میکند و این مسئله به ضرر کارخانه است؛ زیرا کارخانه چغندرها را گرانتر میخرد درحالیکه شکر کمتری بدست میآورد. ترکیبات کلی غده چغندر قند در دیاگرام زیر نشان داده شده است : الف .ماده قندی چغندر -ساکارز : قند اصلی چغندر ساکارز است که یک دیساکارید با فرمول شیمیایی C12 H22 O11میباشد .فقط ساکارز در صنعت قند تبدیل به کریستال خواهد شد ،به همین دلیل قندهایی مانند گلوکز و فروکتوز که در چغندر وجود دارند بهعنوان مواد غیرقندی شناخته می شوند .ساختار ساکارز به این شکل است که یک مولکول گلوکز و یک فروکتوز از طریق یک پیوند آلفا ( )αبه هم متصل شده و ساکارز را تشکیل میدهند .مانند شکل زیر : 9 ساکارز یک قند غیراحیاکننده است ،بنابراین در واکنشهای قهوهای شدن مایالرد شرکت نمیکند .امّا اگر ساکارز هیدرولیز شود ،یعنی پیوند بین گلوکز و فروکتوز شکسته شود ،تبدیل به قند اینورت میشود که در این حالت احیاکننده خواهد شد و در واکنشهای مایالرد شرکت میکند .این واکنش در صنعت قند یک واکنش مضر است ،زیرا از یک طرف تولید رنگ قهوهای باعث میشود رنگ محصول نهایی خراب شود و کیفیت شکر کاهش یابد ،از طرف دیگر وقتی که ساکارز هیدرولیز شود ،در واقع قند را از دست میدهیم و ضایعات قندی ایجاد میشود .بنابراین هر نوع هیدرولیز ساکارز میتواند منجر به ضایعات قندی و انجام واکنش مایالرد شود .واکنشهای ساکارز در محیطهای اسیدی و قلیایی بهصورت زیر است : اثر اسیدها بر روی ساکارز : ساکارز به محیط اسیدی حساس است و هیدرولیز میشود ،در نتیجه تبدیل به قند اینورت میشود که شدت و سرعت هیدرولیز ساکارز در محیط اسیدی بستگی به ، pHزمان و دما دارد .بنابراین نتیجه میگیریم که در کارخانه قند نباید در هیچ یک از مراحل فرآیند محیط اسیدی شود. اثر قلیا بر روی ساکارز : معموالً در شرایط قلیایی ساکارز مقاوم است ،مگر اینکه قلیا خیلی شدید باشد که در این صورت هم ساکارز هیدرولیز شده و تبدیل به اینورت میشود .بنابراین در کارخانه قند تقریبا در اکثر مراحل pH ،فرآیند قلیایی است. هیدرولیز ساکارز به سه صورت انجام میگیرد که شامل : .1هیدرولیز اسیدی .2هیدرولیز قلیایی (قلیای شدید) .3هیدرولیز توسط میکروارگانیسمها تشکیل ساکارات ساکارز میتواند در اثر ترکیب با فلزات قلیایی خاکی (کلسیم ،منیزیم ،باریم ،استرانسیم و رادیوم) ،تولید ساکارات کند. از این خاصیت در کارخانه قند برای قندگیری از مالس به روش استفن استفاده میشود .از بین فلزات قلیایی خاکی در روش استفن از کلسیم استفاده میشود؛ زیرا هم ارزان است و هم در دسترس و هم این که مشکالت بهداشتی و سمیّت سایر فلزات این گروه را ندارد .باید توجه داشت ساکارز در واکنش با کلسیم فقط در دمای پایین و حدود ℃ 4 تبدیل به ساکارات کلسیم میشود .طبق واکنش زیر : مونو کلسیم ساکارات دی کلسیم ساکارات فقط در دمای 4درجه سانتیگراد کلسیم + ساکارز تری کلسیم ساکارات تری کلسیم ساکارات بهصورت نامحلول است و رسوب میکند ،در حالی که مونو و دی کلسیم ساکارات محلول هستند. البته بیش از % 90ساکارز موجود در مالس طی این واکنش تبدیل به تری کلسیم ساکارات میشود. در کارخانه قند برای قندگیری از مالس به این شکل عمل میشود که ابتدا مالس اولیه را با آب رقیق میکنند تا بریکس آن به 10برسد ( ،)BX = 10به این مالس رقیق شده اصطالحا " فر مالس" گفته میشود .سپس فر مالس 10 را تا دمای ℃ 4سرد میکنند و بعد پودر آهک به آن اضافه میشود .بدین ترتیب ساکارز موجود در مالس با کلسیم موجود در آهک واکنش میدهد و تبدیل به مونو ،دی و تری کلسیم ساکارات میشود .از آنجا که تریکلسیم ساکارات نامحلول است ،رسوب میکند .بنابراین در مرحله بعد مالس را از صافی عبور میدهند تا رسوب تریکلسیم ساکارات جدا شود و این رسوب را به فرآیند اصلی تولید شکر از چغندر در مرحله آهکخور دوم اضافه میکنند تا بقیه مراحل فرآیند را طی کند .هرچند که مونو و دی کلسیم ساکارات محلول هستند ،امّا میتوانیم مالس را حرارت دهیم تا این دو نیز رسوب کنند و قابل جداسازی شوند؛ البته این کار توجیه اقتصادی ندارد چون مقدار آنها کم است. ب .مواد غیرقندی چغندر .1قند اینورت : از نظر تعریف به مجموع گلوکز و فروکتوز به نسبت مساوی که از هیدرولیز ساکارز بدست میآیند ،قند اینورت گفته میشود .بطور طبیعی مقداری قند اینورت در چغندر وجود دارد ،امّا اگر شرایط نگهداری چغندر در سیلوها مناسب نباشد ،مقدار آن میتواند افزایش پیدا کند و یا اگر محیط شربتها اسیدی شود و یا میکروارگانسیمها فعالیت کنند، مقدار قند اینورت افزایش پیدا میکند .واکنش اینورت در محیط قلیایی و اسیدی برعکس ساکارز است بهطوری که اینورت در محیط قلیایی تجزیه میشود و تبدیل به اسید الکتیک میشود ،امّا اینورت در محیط اسیدی مقاوم است مگر اینکه محیط بسیار اسیدی باشد که در این حالت اینورت تجزیه میشود و تبدیل به "هیدروکسی متیل فورفورال" میشود .این واکنش اساس یک آزمون به نام تست مولیش یا آزمایش آلفا نفتول است .این آزمایش برای تشخیص کیفی ساکارز میباشد که وجود یا عدم وجود ساکارز را معلوم میکند .در واقع این آزمایش کمی نیست ،یعنی مقدار ساکارز را اندازهگیری نمیکند و بهعنوان مثال جهت تشخیص تقلب در عسل و یا در کارخانه قند جهت تشخیص وجود یا عدم وجود قند در آب ورودی کوره بخار است؛ چون اگر آب ورودی کوره بخار قند داشته باشد ،خطرناک است و میتواند منجر به انفجار کوره بخار شود ،به همین دلیل دائما این آب را آزمایش میکنند تا از عدم وجود قند مطمئن شوند .بدین صورت که مقداری نمونه آب ورودی کوره بخار را در یک لوله آزمایش میریزیم و بعد چند قطره اسید سولفوریک غلیظ ( )H2SO4به آن اضافه میکنیم ،در این صورت اگر قند در نمونه وجود داشته باشد در محیط اسیدی تبدیل به اینورت میشود و اینورت هم در محیط اسیدی قوی تبدیل به هیدروکسی متیل فورفورال میشود و بعد با اضافه کردن معرف آلفا نفتول ،یک حلقه بنفش رنگ در سطح محلول تشکیل میشود و بنابراین با دیدن رنگ بنفش نتیجه میگیریم که در نمونه مورد آزمایش قند وجود دارد. .2رافینوز : یک تری ساکارید است که از گلوکز ،فروکتوز و گاالکتوز تشکیل شده است و معموالً به مقدار کمی در چغندر وجود دارد ،اما ممکن است شرایط نگهداری چغندر در سیلوها مناسب نباشد و مقدار آن افزایش یابد .در هر حال رافینوز در نیشکر وجود ندارد امّا در چغندر وجود دارد و دو مشکل اصلی میتواند در صنعت قند ایجاد کند شامل : رافینوز از یک طرف ویسکوزیته شربت را افزایش میدهد و افزایش ویسکوزیته میتواند عملیات کریستالیزاسیون ساکارز را دچار مشکل کند ،سرعت عبور شربت از صافی را نیز کم میکند و همچنین سرعت تهنشین شدن مواد در شربت کاهش پیدا میکند .مشکل دیگر رافینوز این است که معموالً در قسمت تصفیه از شربت جدا نمیشود ،بنابراین تا آخرین مرحله فرآیند در شربت باقی میماند تا وارد مرحله کریستالیزاسیون میشود و در این مرحله بخشی از رافینوز 11 به کریستالهای سوزنی شکل تبدیل میشود که کیفیت شکر را کاهش میدهد و بخشی دیگر از آن که به کریستال تبدیل نشده هم وارد مالس میشود .مالسی که رافینوز باالیی داشته باشد ،برای قندگیری از مالس معموال مناسب نیست .یکی از تفاوتهای مالس چغندر و مالس نیشکر در رافینوز است ،بطوری که مالس نیشکر رافینوز ندارد. .3کستوز : یک تری ساکارید است که به مقدار کمی در چغندر وجود دارد و طی نگهداری چغندر در سیلو ممکن است مقدار آن افزایش یابد ،امّا تاثیر تکنولوژیک خاصی در فرآیند ندارد. .4مارک (: )Marc به مواد غیرقندی نامحلول در آب چغندر ،اصطالحا مارک گفته میشود و مقدار آن بهطور متوسط %5از ترکیبات چغندر است .مارک از ترکیباتی مانند سلولز ،همیسلولز و لگنین تشکیل شده است که به این مواد اصطالحا مواد خشبی (مواد چوبی) هم گفته میشود .در واقع تمام ترکیبات موجود در چغندر قند بجز مارک وارد شربت چغندر خواهند شد و مارک در واقع بهصورت تفاله از دستگاه دیفوزیون خارج میشود. .5پکتین : پکتین موجود در چغندر بهصورت طبیعی مولکولهای بزرگی دارد و به همین دلیل غیرمحلول است ،در واقع مولکولهای پکتین زمانی بهصورت محلول در میآید که مولکولهای آن شکسته شود و زنجیره آن کوتاه شود .از جمله عواملی که طی فرآیند میتواند باعث شکسته شدن پکتین شود ،وجود محیط قلیایی و دمای باالست و بخصوص در مرحله دیفوزیون یا استخراج شربت از خالل ،اگر مولکول پکتین شکسته شود ،از یک طرف باعث میشود ویسکوزیته شربت باال برود و در نتیجه عبور شربت از صافیها مشکلتر میشود و سرعت تهنشین شدن مواد در شربت کم میشود و همچنین کریستال شدن ساکارز هم مشکلتر میشود و از طرف دیگر پکتین باعث میشود سطح خارجی تفالهای که از دیفوزیون خارج میشود ،لزج شده و در نتیجه این تفاله در دستگاه پرس به خوبی پرس نمیشود و آب بیشتری در تفاله پرس باقی میماند ،لذا برای خشک کردن این تفاله باید سوخت و انرژی بیشتری مصرف کنیم. .6اسیدهای آلی : اسی دهای موجود در چغندر شامل اسید مالیک ،اسید گالیکونیک ،اسید بوتریک ،اسید استیک ،اسید سوکسنیک ،اسید نیتریک ،اسید پیرولیدین و اسید فرمیک میباشد .مقدار این اسیدها بسته به شرایط رشد چغندر و نگهداری در سیلوها متغیر است .معموال چون در اکثر مراحل فرآیند pHشربت قلیایی است ،لذا این اسیدها تاثیر تکنولوژیک خاصی ندارند. .7ساپونین : ساپونین یک ماده کفزا است و در بسیاری از محصوالت کشاورزی وجود دارد مانند چغندر ،لبو ،گوجه فرنگی، سیبزمینی ،برنج و ...که باعث می شود هنگام جوشاندن این مواد ،کف زیادی تولید شود .در صنعت ایجاد کف دو مشکل اساسی ایجاد میکند :اوالً کف مانند یک الیه عایق عمل میکند و انتقال حرارت را کاهش میدهد و ثانیاً با توجه به اینکه کف بخشی از حجم دستگاه و مخازن را اشغال میکند ،بنابراین باعث میشود ظرفیت دستگاه کاهش یابد .به همین دلیل در صنعت باید با استفاده از مواد ضدکف ،آنها را از بین ببریم .مواد ضدکف عمدتاً با استفاده از روغنهای معدنی که از قطران نفت بدست میآیند ،تهیه میشوند. 12 .8لیپیدها : در چغندر قند مقدار جزئی چربی وجود دارد ،اما بسیار ناچیز است و از نظر قندسازی و تکنولوژی اهمیتی ندارد. .9مواد غیرقندی ازتدار : مهمترین ترکیبات غیرقندی ازتدار در چغندر قند شامل آمیدها ،بتائینها ،پروتئینها ،اسیدهای آمینه و ازتهای مضر میباشد .ترکیبات این چنینی ترکیباتی هستند که حاللیت ساکارز را افزایش میدهند و در نتیجه از کریستالیزاسیون ساکارز جلوگیری میکنند؛ زیرا حاللیت و کریستالیزاسیون عکس یکدیگرند .از بین ترکیبات فوق ،بتائین ترکیبی است که در نیشکر وجود ندارد و فقط در چغندر است ،این ترکیب در تمام مراحل فرآیند در شربت باقی میماند و وارد مرحله کریستالیزاسیون میشود و باالخره وارد مالس میشود .بنابراین یکی دیگر از تفاوتهای مالس حاصل از چغندر و مالس حاصل از نیشکر ،مربوط به وجود و عدم وجود بتائین است. .10مواد رنگی : ب طور طبیعی در چغندر قند رنگی وجود ندارد ،امّا بعضی از ترکیبات موجود در چغندر میتوانند باعث تولید رنگ شوند و بهطور کلی در صنعت قند هر رنگی که ایجاد میشود ،مضر است و میتواند از یک طرف رنگ محصول نهایی را خراب کند و از طرف دیگر بعضی از این رنگها باعث از دست رفتن ساکارز میشوند .بهطور کلی در کارخانه قند رنگهای کارامل ،مالنوئیدین ،کمپلکس پلیفنول آهن و مالنین میتواند تشکیل شود. الف) کارامل : کارامل رنگی است قهوهای که مستقیما از ساکارز بدست میآید ،بدین صورت که اگر همزمان دما باال باشد و بریکس (ماده خشک) هم باال باشد (رطوبت کم) ،ساکارز تبدیل به کارامل میشود و در نتیجه از یک طرف ساکارز را از دست میدهیم و ضایعات قندی ایجاد میشود و از طرف دیگر تشکیل کارامل باعث خراب شدن رنگ محصول نهایی میشود. بنابراین در مراحلی از فرآیند که بریکس شربت باال است ،مثل آخرین مرحله اواپراسیون و کل مراحل کریستالیزاسیون، الزم است برای جلوگیری از تشکیل کارامل دما را کاهش دهیم که بدین منظور این مراحل تحت خأل انجام میشود. ب) مالنوئیدین : این رنگ قهوهای است و در اثر واکنش میالرد که در واقع ترکیب قند احیاکننده با اسیدهای آمینه است ،بوجود میآید. در صنعت قند اینورت موجود در شربت بهعنوان قند احیاکننده با اسیدهای آمینه موجود در شربت مثل آسپارژین و گلوتامین واکنش میدهد و تبدیل به مالنوئیدین میشود و به این واکنش میالرد گفته میشود .اگر مالنوئیدین در شربت تولید شود ،نمی توانیم در قسمت تصفیه آن را از شربت جدا کنیم و به همین دلیل بایستی از تشکیل آن جلوگیری کنیم .بدین منظور این شربت را در مرحله آهکخور دوم قلیایی میکنیم ( )pH ≥ 12.6که در نتیجه آن، اینورت و اسیدهای آمینه آسپارژین و گلوتامین تجزیه میشوند و دیگر قادر به تشکیل مالنوئیدین نخواهند بود. ج) کمپلکس پلیفنول آهن : این رنگ که آجری مایل به قرمز است ،معموال در اثر تماس شربت با آهن دستگاهها و مخازن و یا لولهها ممکن است ایجاد شود .امّا با توجه به اینکه جنس ماشینآالت و مخازن از استیل ضد زنگ و یا پوششدار است ،معموال این رنگ تشکیل نمیشود مگر این که خوردگی در دستگاهها ایجاد شده باشد. 13 د) مالنین : مالنین سیاه رنگ است که از اسیدهای آمینه موجود در چغندر و فعالیت آنزیمهای اکسیداز و در حضور اکسیژن هوا ایجاد میشود؛ بهطوری که اسید آمینه تیروزین موجود در چغندر در اثر فعالیت آنزیم تیروزیناز در مجاورت اکسیژن هوا تبدیل به مالنین میشود .به عبارتی علت اینکه خاللهای چغندر (برشهای چغندر) بعد از مدتی که در معرض هوا قرار میگیرند سیاه می شوند ،در واقع تشکیل مالنین است .در هر حال این رنگ خواه ناخواه در خاللهای چغندر تشکیل میشود و وارد شربت خواهد شد و یکی از دالیل اینکه شربت خام چغندر تیره و سیاه است ،مربوط به مالنین است؛ امّا این رنگ مشکلی در تکنولوژی ایجاد نمیکند و نیازی نیست مانع از تشکیل آن شویم ،زیرا بهراحتی در قسمت تصفیه از شربت جدا میشود. .11مواد معطر : عمدهترین مواد معطر چغندر الکل پیرون ،وانیلین و استامین میباشند که به لحاظ تکنولوژیک تاثیر خاصی ندارند و مقدار آنها جزئی است. .12آنزیمها : آنزیمهای موجود در چغندر قند شامل فسفریالز ،اینورتاز ،دهیدروژناز ،اکسیداز ،دسیموالز و ردوکتاز میباشد .همانطور که قبالً هم اشاره شد ،برخی از این آنزیمها در واکنش تولید رنگ شرکت میکنند مثل تیروزیناز که جزو آنزیمهای اکسیداز است و همچنین اینورتاز که باعث میشود ساکارز موجود در چغندر هیدرولیز شود و تبدیل به اینورت شود و ضایعات قندی ایجاد کند که عالوبر این اینورت حاصله نیز میتواند در واکنش میالرد شرکت کند؛ بخصوص در مرحله نگهداری چغندر در سیلوها چنانچه به هر دلیلی رطوبت چغندر کاهش پیدا کند ،فعالیت اینورتاز هم بیشتر میشود. امّا با توجه به اینکه غشا سلولی آنزیمها عمدتا پروتئینی است ،بنابراین آنزیمها در اثر حرارت از بین میروند ،لذا در کارخانه قند تا مرحله تولید خالل احتمال فعالیتهای آنزیمی وجود دارد که از حرارت استفاده نشده است .به عبارتی از سیلوهای نگهداری تا مرحله تولید خالل و قبل از دستگاه دیفوزیون و از دیفوزیون به بعد چون دما باال میرود، آنزیمها نیز از بین میروند. .13مواد معدنی : به مواد معدنی خاکستر ( )Ashهم گفته میشود که شامل کاتیونها و آنیونها هستند .مانند سدیم و پتاسیم (امالح مالسزا) ،منیزیم (امالح قندساز و کمککننده کریستالیزاسیون ساکارز) ،کلسیم ،فسفاتها ،کلریتها ،سیلیکاتها و ترکیبات کم مقدار ( )Trace Elementsکه در مجموع %0/75از ترکیبات چغندر را تشکیل میدهند. .14میکروارگانیسمها : از آنجا که همراه با چغندر همیشه مقداری گل و خاک وجود دارد ،طبیعی است که میکروارگانیسمها همراه با چغندر بتوانند وارد فرآیند تولید شوند و چنانچه شرایط برای فعالیت میکروارگانیسمها در فرآیند مهیا شود ،دو مشکل اساسی را ایجاد میکنند : اوالً ساکارز را مصرف میکنند و در نتیجه ضایعات قندی ایجاد میشود. 14 ثانیاً میکروارگانیسمها در اثر فعالیت متابولیتهایی تولید میکنند مثل گاز ،اسید و پلیساکاریدها که هر کدام از اینها باعث بروز مشکالت مضاعفی میشوند؛ مثالً گاز مانند یک الیه عایق عمل میکند و انتقال حرارت را کاهش میدهد و همچنین اگر در مرحله دیفوزیون گاز تولید شود ،می تواند حرکت خالل را دچار اختالل کند و یا اسید تولید شده میتواند pHشربت را کاهش دهد و در نتیجه مجددا ساکارز هیدرولیز شود و ضایعات قندی بوجود آید و یا پلیساکارید تولید شده باعث باال رفتن ویسکوزیته شربت شده و در نتیجه مشکالت مربوط به افزایش ویسکوزیته شربت ایجاد میشود (مانند سخت شدن عبور از صافی ،کم شدن سرعت تهنشین شدن مواد در شربت و ایجاد مشکل در کریستالیزاسیون ساکارز) .مهمترین میکروارگانیسمهایی که در صنعت قند با آنها سروکار داریم شامل B.subtillisو ( L.mesenteroidesباسیلوس سوبتیلیس و لوکونوستوک مزانتروئیدس) میباشد. عملیات قبل از سیلو کردن یا نگهداری چغندر .1برداشت چغندر در مزرعه .2توزین اولیه کامیون در کارخانه ()W1 .3عیارسنج .4تخلیه چغندر در سیلوها .5توزین ثانویه کامیون در کارخانه ()W2 پس از برداشت ،کامیون محتوی چغندر به محض ورود به کارخانه وزن میشود و تحت عنوان ( )W1این وزن ثبت میشود و بعد از آن کامیون به قسمت عیارسنج منتقل میشود .در عیارسنج از طریق نمونهبرداری از چغندرها باید دو پارامتر درصد افت و عیار اندازه گیری شود .درصد افت برای محاسبه وزن خالص چغندر الزم است ،به این دلیل که درصد افت نشاندهنده ناخالصیهای همراه با چغندر است و عیار نیز برای تعیین قیمت چغندر الزم میباشد ،بدین صورت ک ه در هر کشوری یک عیار پایه یا عیار مبنا برای تعیین قیمت چغندر تعریف میشود و در ایران عیار پایه %16 است ،به این معنی که دولت هر سال قیمت هر تن چغندر را (بهاره و پاییزه) اعالم میکند که منظور از این قیمت هر تن چغندری است که %16قند داشته باشد .بنابراین در کارخانه در همان ابتدا باید عیار چغندرهایی که به کارخانه فرستاده شده را اندازه گرفت تا قیمت هر تن چغندر را محاسبه کرد و پول کشاورز را پرداخت کرد. برای تعیین درصد افت و عیار ابتدا از چغندرهای داخل کامیون نمونهبرداری میکنیم و وزن نمونهها را تحت عنوان P1قرار میدهیم ،سپس آنها را شستشه و دوباره تحت عنوان P2وزن میکنیم .با استفاده از فرمول زیر درصد افت یا درصد Tareمحاسبه میشود : سپس عیار چغندر نیز به روش پالریمتری اندازهگیری می شود تا بتوانیم با این دو پارامتر وزن و قیمت چغندر را محاسبه کنیم .بعد از این مرحله ،کامیون به سمت دستگاه تخلیه میرود تا چغندرهای آن تخلیه و به سیلوها منتقل شود .البته دستگاه تخلیه در حد ممکن بخشی از گل و خاک را از چغندر جدا میکند و بعد از اینکه کامیون خالی شد ،این گل و خاک را به کامیون برمیگردانند و سپس کامیون مجددا به سمت باسکول میرود تا وزن آن را مجددا اندازه بگیرند و تحت عنوان وزن ثانویه ( )w2ثبت میشود .بعد از این مرحله میتوان محاسبات مربوط به وزن و قیمت را انجام داد. 15 مثال) اگر وزن کامیون محتوی چغندر که به کارخانه داده شده 40/55تن باشد و وزن کامیون بعد از اینکه تخلیه شد، 15تن باشد ،چنانچه وزن نمونههای برداشت شده در عیارسنج 12/52کیلوگرم و بعد از شستشو وزن نمونهها 11/97 کیلوگرم شده باشد : الف) درصد افت را محاسبه کنید. )(p1 − p2 12.52 − 11.97 = × 100 × 100 = 4.39 % p1 12.52 = درصد افت ب) وزن نسبی یا وزن ناخالص ( )Gross weightرا محاسبه کنید. = w1 − w2 = 40.55 − 15 = 25.55 Tonneوزن نسبی ج) وزن خالص چغندر را محاسبه کنید. )(25.55)(100 − 4.39 = 24.42 Tonne 100 = )درصد افت ((100 −وزن نسبی) 100 = وزن خالص )(Net Weight د) مقدار ناخالصی را محاسبه کنید. = 25.55 × 4.39% = 1.121645 Tonneوزن نسبی × درصد افت = وزن ناخالصیها = 25.55 − 24.42 ≈ 1.13 Tonneوزن نسبی −وزن خالص = وزن ناخالصیها برای محاسبه قیمت هر تن چغندر بایستی ابتدا فاکتور قیمت ( )Payment factorمربوط به این کشاورز را با توجه به عیار چغندر بدست آوریم و بعد با در نظر گرفتن وزن چغندر ،مبلغ قابل پرداخت به کشاورز محاسبه میشود. ه ) اگر عیار چغندری که این کشاورز به کارخانه ارسال کرده %17باشد و عیار متوسط چغندر کشاورزان منطقه %16 باشد ،فاکتور قیمت را محاسبه کنید. 17 = 1.0625 16 = متوسط درصد قند هر کشاورز متوسط درصد قند همه کشاورزان = فاکتور قیمت یا پیمان ()Payment Factor و) چنانچه قیمت پایه چغندر که از طرف دولت اعالم میشود 620هزار تومان باشد ،مبلغ کلی که باید به کشاورز پرداخت کنیم را محاسبه کنید. تومان = 1.0625 × 620000 = 658750قیمت پایه × فاکتور پیمان = قیمت هر تن چغندر این پول بابت وزن نسبی چغندر داده میشود .بنابراین خواهیم داشت : تومان = 25.55 × 658750 = 16831062.5قیمت هر تن چغندر × وزن نسبی = کل مبلغ پرداختی به کشاورز نکته :وزن کل که الزم داریم برای محاسبه قیمت نباید وزن خالص یعنی شسته شده را استفاده کنیم ،باید با همان مقدار گل و خاک محاسبه کنیم یعنی با وزن نسبی. ز) اگر عیار چغندرهای این کشاورز %15باشد ،قیمت هر تن چغندر و کل مبلغ را حساب کنید. 15 = 0.9375 16 = فاکتور قیمت یا پیمان تومان = 0.9375 × 620000 = 581250قیمت هر تن چغندر تومان = 25.55 × 581250 = 14850937.5کل مبلغ پرداختی 16 نگهداری چغندر در سیلوهای کارخانه قند سیلوهای نگهداری چغندر در کارخانه قند کامالً روباز هستند و عمدتا از سه نوع سیلو شامل :سیلوهای ذوزنقهای، سیلوهای مدور و سیلوهای هوایی استفاده میشود .بطوری که سیلوهای ذوزنقهای و مدور بهعنوان سیلوهای اصلی محسوب میشوند و سیلوهای هوایی بهعنوان سیلوهای رزرو محسوب میگردند و زمانی که سیلوهای اصلی پُر شده باشند از سیلوهای هوایی بهعنوان نگهداری چغندر استفاده میکنند و بهصورت موقت کاربرد دارند .سیلوهای ذوزنقهای و مدور بهصورت یک استخر کم عمق با عرض 5الی 6متر و طول 80الی 100متر میباشند که یک دیوار به ارتفاع 100تا 120سانتیمتر دور تا دور آن کشیده شده و بخشی از سیلو که داخل زمین قرار میگیرد ،به سمت مرکز شیب دارد .سر تا سر طول سیلو یک کانال آب وجود دارد که برای انتقال چغندر از آنها استفاده می شود .تفاوت سیلوهای مدور با ذوزنقهای در شیب کف سیلو میباشد ،بطوری که در سیلوهای مدور این بخش بهصورت نیم دایره است .معموال سیلوهای هوایی فقط به شکل یک سکوی برآمده از زمین هستند ،بدون این که دیوار یا کانال آبی داشته باشند و تنها در حدی که یک مقدار چغندر باالتر از سطح زمین نگهداری شوند تا آب باران زیر آنها جمع نشود. چغندر قند در حین نگهداری در سیلوها مانند یک گیاه زنده تنفس میکند و برای تامین انرژی تنفسی ،بخشی از قند موجود در ریشه را مصرف میکند ،بنابراین ضایعات قندی ایجاد میشود و بهعنوان ضایعات قندی ناشی از تنفس شناخته میشود .با توجه به اینکه کارخانه چغندر را بر اساس عیار خریداری کرده ،بنابراین قندی که در سیلوها در اثر تنفس از بین میرود به ضرر کارخانه است و ضایعات اقتصادی ایجا میکند .معموالً مقدار قندی که در اثر تنفس در کل سیلوهای کارخانجات قند کشور از بین میرود ،بسیار قابل توجه است و به لحاظ اقتصادی هم عدد قابل توجهی است تا حدی که تقریباً هر سال معادل سرمایهگذاری و احداث یک کارخانه قند جدید در سیلوهای کارخانجات در اثر تنفس از بین میرود .فرمول تنفسی چغندر قند در سیلوهای کارخانه در حین نگهداری بهصورت زیر است : فرمول تنفسی چغندر در حین نگهداری در سیلوها بهصورت واکنش های شماره ( )1و ( )3خواهد بود .در اولین مرحله از تنفس بطوری که در فرمول شماره ( )1دیده میشود ،ساکارز هیدرولیز شده و تبدیل به قند اینورت (یک گلوگز + یک فروکتوز) میشود .بطوری که تا این مرحله ،وجود یا عدم وجود اکسیژن نقشی ندارد امّا در ادامه چنانچه چغندر در معرض اکسیژن باشد و یا در فضای باز قرار بگیرد ،ادامه تنفس بهصورت واکنش شماره ( )3است بطوری که گلوکز یا فروکتوز ناشی از اولین مرحله تنفس ،تبدیل به ،CO2آب و گرمای تنفسی میشود .امّا اگر اکسیژن کافی در اختیار چغندر نباشد ،ادامه فرآیند تنفس بهصورت واکنش شماره ( )2بیهوازی و به شکل یک فرآیند تخمیری خواهد بود. همانطور که مالحظه میشود ،نگهداری در شرایط هوازی باعث تولید گرمای تنفسی بیشتری میشود ،در حالی که در شرایط بیهوازی گرمای تنفسی تولید شده کمتر است و هر چه گرما کمتر باشد ،سرعت و شدت تنفس نیز کمتر خواهد بود .امّا با توجه به اینکه در واکنش ( )2الکل اتانول تولید شده ،بدین معنی است که واکنش ( )2در واقع یک 17 واکنش تخمیری است و مسلماً در اثر تخمیر ،بافت چغندر کامال از بین میرود و له میشود و در این شرایط چغندر دیگر برای فرآیند مناسب نخواهد بود .پس میتوان نتیجه گرفت که هر چند در شرایط هوازی گرمای تنفسی بیشتری تولید می شود ،امّا به ناچار بایستی چغندر را در شرایط هوازی یعنی در معرض اکسیژن و فضای باز نگهداری کنیم. قندی که در سیلوهای کارخانه از بین میرود ،بسیار زیاد است و ساالنه قندی به ارزش 24تا 25هزار دالر از بین میرود .بدین ترتیب آنچه که در سیلوهای کارخانه در اثر تنفس رخ میدهد ،واکنش شماره ( )1و سپس واکنش شماره ( )3است که همانطور که دیده میشود ،قند ساکارز از بین میرود و تبدیل به آب CO2 ،و گرما میشود. عوامل موثر در نگهداری و تنفس چغندر .1سطح نسبی چغندر :سطح نسبی در واقع نسبت سطح به حجم میباشد .چغندرهای یزتر سطح نسبی بیشتری نسبت به چغندرهای بزرگتر دارند ،در نتیجه تماس بیشتری با اکسیژن هوا دارند و شدت تنفس و ضایعات قندی در آنها بیشتر خواهد بود .از طرف دیگر چون چغندرهای کوچکتر هنوز دوره ی رشد خودشان را بطور کامل طی نکردند، لذا سرعت واکنشهای آنها باالست و تنفس آنها بیشتر است( ..مخرج کسر فقط مربوط به یک عدد نیست ،در یک حجم مشخص تعداد چغندهای ریز بیشتر از چغندرهای درشت است) .برای کنترل این عامل اوالً باید تا حد امکان از برداشت چغندرهای کوچک خودداری کرد ،ثانیاً به هر حال چغندرهای ریز و درشت وارد کارخانه خواهند شد ،لذا باید سعی کرد تا حد امکان آنها را جدا کرده و در سیلوهای جداگانه نگهداری شود تا بتوان چغندرهای ریزتر را زود وارد فرآیند تولید کرد. .2اکسیژن :اگر اکسیژن محل نگهداری چغندر یا البهالی بوته چغندر در سیلوها به کمتر از %7برسد ،تنفس از حالت هوازی به سمت بیهوازی میرود و شرایط تخمیر طبق فرمول شماره ( )2پیش خواهد رفت .به همین دلیل باید سعی کرد تا غلظت اکسیژن در توده چغندر انباشته شده در سیلوها کاهش پیدا نکند .این فرآیند بخصوص در چغندرهای زیرین که تماس کمتری با هوا دارند ،بیشتر رخ میدهد .لذا برای جلوگیری از کاهش غلظت اکسیژن میتوان از طریق تهویه و هوادهی به توده چغندر استفاده کرد تا اکسیژن کافی برای تنفس هوازی چغندر را فراهم کنیم ،که این عمل از طریق دمیدن هوا به داخل توده چغندر انجام میشود. .3رطوبت نسبی :رطوبت نسبی محیط اطراف سیلوها و پیرامون توده چغندر باید بین 90الی %95باشد .به عبارتی مناسبترین رطوبت نسبی برای نگهداری چغندر در سیلوها 90الی %95است؛ زیرا اگر بیشتر از %95باشد ،احتمال فعالیت میکروبی بخصوص کپکزدگی وجود دارد و اگر کمتر از %90باشد ،ممکن است رطوبت چغندر کاهش یافته و در نتیجه افت وزنی هم پیدا کند و هم با کاهش رطوبت چغندر ،فعالیت آنزیم اینورتاز افزایش پیدا کند و در نتیجه ضایعات قندی هم بوجود آید (تجزیه ساکارز و ایجاد ضایعات قندی) .لذا برای کنترل رطوبت نسبی میتوان با پاشیدن آب به محیط اطراف سیلوهای چغندر ،رطوبت نسبی هوا را با برد و یا برای جلوگیری از کاهش رطوبت چغندر میتوان یک پوشش یا یک الیه نازک با استفاده از آهک یا دوغاب گل (گل رقیق) روی سطح چغندر در سیلو ایجاد کرد تا از تبخیر آب چغندر جلوگیری کنیم. .4درجه حرارت :مناسبترین دما برای نگهداری چغندر در سیلوها -1تا +5درجه سانتیگراد است .زیرا در کمتر از -1درجه سانتیگراد ،انجماد یا یخزدگی چغندر شروع میشود و در بیشتر از +5درجه سانتیگراد ،سرعت تنفس بهصورت تصاعدی افزایش پیدا میکند .بنابراین بایستی دمای البهالی توده چغندر را کنترل کرد که این عمل با هوادهی و بویژه 18 خارج کردن گرمای تنفسی صورت میگیرد تا از افزایش دما در توده چغندر جلوگیری کرد .همچنین برای جلوگیری از یخزدگی چغندر در سیلوها میتوان از پوشش آهک یا گل استفاده کرد. .5آسیبدیدگی :معموالً یک چغندر آسیب دیده دو برابر چغندر سالم تنفس میکند .به همین دلیل ،باید سعی کرد در مراحل برداشت ،بارگیری در کامیون ،حمل و نقل و تخیله در سیلوها کمترین آسیبب به چغندر وارد شود ،بخصوص آسیبهایی که بهصورت له شدن هستند ،ضایعات بیشتری ایجاد میکنند .بدین دلیل که لهشدگی قابل ترمیم نیست و از همان محل فساد شروع میشود امّا آسیبهایی که بهصورت خراش و زخم شدن باشند ،بعد از چند ساعت ترمیم میشوند و در واقع خود چغندر مجددا یک پوسته تشکیل میدهد. .6خاک و گل و مواد خارجی :خاک و گل و یا سایر مواد خارجی همراه با چغندر از یک طرف میتوانند منشا میکروبی باشند و باعث فساد میکروبی شوند و از طرف دیگر ،این مواد فضای خالی البهالی چغندر را پر میکنند .در نتیجه تهویه به خوبی انجام نمیشود و گرمای تنفسی داخل توده چغندر محبوس میشود و نهایتاً سرعت تنفس بیشتر میشود .به همین دلیل سعی میکنند تا قبل از انتقال چغندر به سیلوها ،تا حد امکان پل و خاک را با دستگاه تخلیه از چغندر جدا کنند. .7گرمای تنفسی و یا خودگرمی :طبق واکنش شماره ( )3در اثر تنفس گرما یا کالری تولید میشود و این گرما میتواند دمای هوای البهالی توده چغندر را افزایش دهد و باعث افزایش سرعت تنفس شده و سپس گرمای بیشتری تولید میکند .این سیکل بهصورت تصاعدی ادامه پیدا میکند ،میتواند دائم تکرار شده و باعث گرمتر شدن دمای توده چغندر شود ،به این پدیده خودگرمی گفته میشود .از بین عوامل ذکر شده ،خودگرمی موثرترین عامل در تنفس و ضایعات قندی سیلوها محسوب میشود (بیش از .)%70بنابراین با کنترل این عامل میتوان تا حد زیادی ضایعات قندی و ضایعات وزنی ناشی از تنفس چغندر را کنترل کرد ،که بدین منظور بایستی گرمای تنفسی ایجاد شده را از توده چغندر خارج کرد که این عمل هوادهی با نصب فنتیالتور (فنهای خیلی بزرگ) در دیوارههای جانبی سیلو صورت میگیرد .در شبها که هوا خنکتر است ،فنتیالتورها را روشن میکنند تا هوای خنک بیرون به درون توده چغندر دمیده شود و جایگزین هوای گرم البهالی توده چغندر شود ،بدین ترتیب از افزایش دما جلوگیری میکنیم. مراقبت از سیلوها برای پی بردن به شدت تنفس چغندر و افزایش دمای ناشی از آن در سیلوها چندین روش وجود دارد .یک روش این است که میتوان سنسورهای حرارتی در نقاط مختلف سیلو نصب کرد ،بطوری که این سنسورها به یک آالرم متصل هستند و به محض اینکه دما در اثر تنفس از حدی بیشتر شد ،این سنسورها فعال شده و هشدار میدهند .در این حالت میتوان فنتیالتورها را روشن کرده و فرآیند هوادهی را انجام داد .راه دیگر این است که از تغییرات ظاهری چغندر نیز میتوان به وضعیت تنفسی پی برد .مثالً هنگامی که تنفس شدید شود ،بدلیل وجود آب در واکنش تنفسی شماره ( )3سطح خارجی چغندر خیس میشود و یا ساکارز کاهش پیدا میکند و یا اینورت افزایش پیدا میکند که همگی بیانگر شدت تنفس است .عالوهبر این چغندرهای زیرین چون دیده نمیشوند ،یعنی خیس بودن آنها را نمیتوان متوجه شد ،معموال بدلیل گرما حبس شده ممکن است بخشی از آب بهصورت بخار از سیلو ها خارج شود که این خود نشاندهنده تنفس زیاد در چغندرهای زیرین میباشد. 19 انتقال چغندر از سیلوها به فرآیند برای انتقال چغندر از سیلوها به فرآیند از کانالهای آب استفاده میشود ،بطوری که کانالهای آب زیر سیلوها بعد از خروج از سیلو به یک کانال مرکزی هدایت میشوند .در مسیر این کانال مرکزی ،ابتدا یک کشوی تنظیم وجود دارد که دبی وزنی چغندر ورودی به فرآیند را تنظیم میکند و بعد از آن یک چرخ تنظیم وجود دارد که دبی حجمی چغندر را برای ورود به فرآیند تنظیم میکند. دستگاه علفگیر و شنگیر در این مرحله برگ ،علف ،شن و سنگریزه را توسط دستگاه شنگیر و علفگیر از چغندر جدا میکنند که اساس کار آن اختالف سرعت سقوط این مواد در آب میباشد .البته در برخی از کارخانجات ممکن است سیستم شنگیر و علفگیر از هم جدا باشند ،بدین صورت که ابتدا به روش مکانیکی شن و سنگریزه را از چغندر جدا میکنند و بعد به روش غوطهوری در آب ،برگ و علف جدا میشود. 20 همانطور که در نمای شماتیک سیستم شنگیر و علفگیر دیده میشود ،چغندر همراه با برگ و علف و شن وارد سیستم میشود و کمی پایینتر از سطح آب ،یک جریان آب با سرعت 0/01متر بر ثانیه وارد میشود که این آب مانع از سقوط برگ و علف شده و اجازه نمیدهد از این نقطه پایینتر بیایند ،زیرا سرعت سقوط برگ و علف در آب کمتر از 0/01 متر بر ثانیه است .درحالی که شن ،سنگریزه و چغندر از این نقطه پایینتر میآیند ،زیرا سرعت سقوط آنها در آب بیشتر از 0/01متر بر ثانیه است ،لذا این آب نمیتواند مانع سقوط آنها شود .کمی پایینتر ،یک جریان آب دیگر با سرعت 0/1متر بر ثانیه وارد سیستم میشود ،بطوری که این آب اجازه نمیدهد چغندر از این نقطه پایینتر بیاید اما نمیتواند از سقوط شن و سنگریزه جلوگیری کند ،بنابراین شن و سنگریزه در کف این سیستم جمع شده و از آنجا خارج میشود .بنابراین مالحظه میشود که اساس جدا کردن برگ و علف و شن و سنگریزه از چغندر بر مبنای وزن مخصوص (دانسیته) آنها و اختالف سرعت سقوط آنها در آب است. البته در برخی از فرآیندها برای جدا کردن شن و سنگریزه ممکن است از روش مکانیکی استفاده شود ،مثال چغندر از درون یک استوانه مشبک در حال چرخش عبور کرده و بنابراین شن و سنگریزه از آن جدا میشود. انتقال چغندر به باالترین نقطه کارخانه از داللیل باال بردن چغندر میتوان به هدایت مواد به مراحل بعدی با استفاده از نیروی گرانش و صرفهجویی در مصرف انرژی اشاره کرد .برای انتقال چغندر به باالترین نقطه کارخانه از دو روش میتوان استفاده کرد که عبارتند از : .1پمپ چغندر :در این روش چغندر همراه با جریان آب و توسط پمپ ،بهشکل عمودی از یک لوله قطور به باالترین نقطه کارخانه منتقل میشود. .2استفاده از دستگاه الواتور ( : )Elevatorدر این روش معموالً از سه نوع الواتور استفاده میشود : الواتور تسمهای ( )Belt Elevatorکه بهصورت مایل از این نوع الواتور استفاده میشود. الواتور سبدی ( )Bucket Elevatorکه بهصورت عمودی چغندر را جابهجا میکند ،تقریبا شبیه چرخ و فلک است با این تفاوت که بهصورت بیضی چغندرها را باال برده و تخلیه میکند. الواتور مارپیچ ( )Helix Elevatorکه چغندر را بهصورت عمودی توسط یک مارپیچ در داخل استوانه به سمت باال منتقل میکند ،شبیه مارپیچ چرخ گوشت است. استفاده از هر یک از این روشهای فوق بستگی به شرایط و فضای کارخانه دارد .مثال در مناطقی که مشکل آب وجود ندارد ،از روش پمپ چغندر استفاده میکنیم و در مناطقی که مشکل تامین آب داشته باشیم ،از روش الواتور استفاده میشود .اگر فضای کافی در اختیار داشته باشد ،از الواتور تسمهای استفاده میکنیم ،در غیر این صورت باید از الواتورهای عمودی استفاده کنیم (الواتور سبدی یا مارپیچ). شستشوی چغندر چغندرهایی که به باالترین نقطه کارخانه منتقل شدهاند ،ابتدا با سیستم جریان معکوس ( )Counter Currentتوسط جریان آب مخالف شسته میشوند .بدین صورت که چغندر و آب در خالف جهت یکدیگر وارد سیستمی به نام چرخ الور میشوند و از طریق پرههای الستیکی زاویهدار که حول یک محور میچرخند ،در خالف جهت جریان آب حرکت کرده و همزمان با غوطهور شدن چغندر در آب ،به یکدیگر ساییده شده و چغندرها تمیز میشوند .نمای شماتیک مخزن شستشوی چغندر به روش چرخ الور در شکل نشان داده شده است. 21 همانطور که در نمای شماتیک چرخ الور دیده میشود ،آب گلآلود خروجی از دستگاه ابتدا وارد سیستم دمگیر میشود، چون مقداری قطعات شکس ته چغندر و دم چغندر در این آب وجود دارد ،لذا با دستگاه دمگیر آنها را از آب جدا میکنیم .دم چغندر و قطعات شکسته چغندر بسته به مقدار و یا سیاست کارخانه به سه صورت قابل استفاده است : .1برخی از کاخانجات آن را به دامداریها میدهند. .2برخی دیگر آن را با تفاله مخلوط میکنند و بعد به دامداریها میدهند. .3در بعضی کارخانجات ممکن است آنها را با خالل چغندر مخلوط کرده تا مراحل اصلی فرآیند را همراه خالل طی کند و قند آنها استخراج شود. آب گلآلود خروجی از دستگاه دمگیر برای استفاده مجدد بازیابی میشود؛ بدین منظور ابتدا مقداری آهک به آن اضافه میشود تا بار میکروبی آن کاهش یابد و همچنین pHآن قلیایی میشود ،سپس وارد دکانتور تصفیه آب میشود ،در این قسمت برای مدتی ساکن باقی میماند تا گل آن تهنشین شود .نتیجه یک آب نمیهشفاف از دکانتور تصفیه آب بدست میآید و از این آب مجددا در کانالهای آب سیلوها و یا سایر بخشهای مورد نیاز استفاده میشود. ویبراتور ویبراتور در واقع یک صفحه مشبک و شیبدار درحال لرزش است و همزمان سه کار را انجام میدهد :بدین صورت که در ابتدای ویبراتور یک دوش آب پرکلرین وجود دارد و چغندرها از زیر آن عبور میکنند تا سطح خارجی آنها ضدعفونی شود .در ادامه در اثر لرزش ویبراتور ،قطرات آب از روی سطح چغندر جدا میشود ،لذا نباید آب اضافی وارد فرآیند تولید شود چون برای تبخیر این آب از شربت در مراحل بعدی بایستی انرژی و هزینه صرف کنیم .در نهایت ،در انتهای ویبراتور یک آهنربا قرار گرفته که میخ یا هر جسم آهنی دیگر را از چغندر جدا میکند .بعد از ویبراتور ،چغندر از طریق یک الواتور وارد مخزن ذخیره آسیاب چغندر (بونکر چغندر) میشود. بونکر چغندر بونکر یک مخزنی است که کف آن بصورت یک مخروط ناقص و شیبدار است .چغندرهای انباشته شده در بونکر با نیروی ناشی از فشار و وزن چغندرهای انباشته شده وارد آسیاب خالل شده و با تیغهها برخورد میکنند؛ به همین دلیل بایستی حداقل و حداکثر چغندر انباشته شده در بونکر را رعایت کنیم .زیرا اگر چغندرهای داخل بونکر کمتر از حداقل شود ،ممکن است فشار کافی روی چغندرهای پایینی برای ورود به آسیاب ایجاد نشود و اگر بیش از حد چغندر داخل بونکر باشد ،فشاری که به چغندرهای زیرین وارد میشود ممکن است به قدری زیاد باشد که برای تیغههای آسیاب مشکل ایجاد کند. 22 آسیاب خالل هدف از خالل کردن چغندر این است که سطح تماس چغندر با آب افزایش یابد ،زیرا استخراج قند از خالل از طریق اسمز و غوطهوری در آب صورت میگیرد ،در نتیجه راندمان استخراج ساکارز و عصاره از چغندر افزایش پیدا کند .لذا برای سرعت بخشیدن به فرآیند استخراج ساکارز و عصاره چغندر ،بایستی چغندر را به رشتههای باریک خالل تبدیل کرد تا سطح تماس افزایش یابد .آسیاب خالل چغندر را به رشتههای باریک تبدیل میکند و تیغههای آسیاب به نحوی طراحی شدند که سطح مقطع خالل بهصورت Vاست .سطح مقطع Vدو مزیت نسبت به سطح مقطع گرد دارد : .1سطح تماس آن با آب نسبت به حالت گرد بیشتر است ،پس راندمان باال میرود. .2مسافتی که قند باید طی کند تا از مرکز خالل به خارج هدایت شود ،در حالت Vخیلی کوتاهتر از گرد است. نحوه سنجش کیفیت ظاهری خالل کیفیت خالل با سه پارامتر عدد سیلین ،درصد نرمه (موس) و عدد سوئدی ارزیابی میشود .با نتایج بدست آمده از این سه پارامتر میتوان از یک طرف عملکرد آسیاب را کنترل کرد و از طرف دیگر فرآیند شربتگیری از خالل یا استخراج قند در دستگاه دیفوزیون را قابل کنترل و برنامهریزی خواهد بود. عدد سیلین (: )Sillin number به طول 100گرم خالل برحسب متر ،عدد سیلین گفته میشود که در واقع نشاندهنده ضخامت خالل است .بطوری که اگر عدد سیلین بزرگ باشد ،یعنی ضخامت خالل کم یا خالل نازک است و چنانچه عدد سیلین کوچک باشد ،یعنی خاللها ضخیم هستند .خالل بیش از حد ضخیم باشد ،خروج قند از آن سختتر میشود و اگر خالل بیش از حد نازک باشد ،هر چند که قند راحتتر خارج میشود امّا خروج مواد غیرقندی هم بیشتر میشود و خلوص شربت کم میشود. مناسبترین ضخامت برای خالل زمانی است که عدد سیلین بین 8تا 15متر باشد .اگر عدد سیلین کوچکتر از 8متر باشد ،مربوط به این است که فاصله تیغه و قالب زیاد شده و برعکس اگر عدد سیلین بزرگتر از 15متر باشد یعنی فاصله تیغه و قالب کم است ( 3تا 5میلیمتر باید فاصله باشد). ب .درصد نرمه : خاللهایی که طولشان کوچکتر و مساوی 1سانتیمتر باشد ،نرمه یا موس گفته میشود .حداکثر مقدار قابل قبول برای نرمه در خالل %3تا %5است .زیرا اگر نرمه ریز باشد ،میتواند مشکالت متعددی را طی فرآیند ایجاد کند : خیلی کوچک و ریز است ممکن است توریها و منافذ دستگاهها را مسدود کند. نرمه مواد غیرقندی بیشتری نسبت به خاللهای معمولی وارد شربت میکند و خلوص شربت را کاهش میدهد. نرمه چون ریز است ،البهالی رشتههای خالل قرار گرفته و فضای ما بین خاللها را پر میکند ،بنابراین چرخش آب بین شبکه خالل کم میشود ،اندما ن استخراج شربت کاهش پیدا کرده و قند کمتری از خالل خارج میشود و بنابراین قند باقی مانده در تفاله افزایش پیدا میکند. 23 بنا به دالیل گفته شده ،مقدار نرمه نباید بیشتر از %5باشد .مهمترین دلیل زیاد شدن نرمه در خالل ،کند شدن تیغههای آسیاب است و دلیل دیگر مربوط به سرعت چرخش تیغهها میباشد ،زیرا باید متناسب با بافت چغندر باشد. مثال اگر بافت چغندر نرم شده باشد ،باید سرعت تیغهها را کاهش داد .عالوهبر این مسدود شدخ فضای بین تیغه و قالب با شن ،برگ ،علف ،قطعات چغندر و ...هم باعث افزایش نرمه میشود. : M1وزن خاللهای بزرگتر یا مساوی 5سانتیمتر : M2وزن خاللهای بین 1تا 5سانتیمتر : M3وزن خاللهای کوچکتر یا مساوی 1سانتیمتر ج .عدد سوئدی : یک نسبت است بین وزن خاللهایی که بزرگتر از 5سانتیمتر هستند به وزن خاللهایی که کوچکتر از 5سانتیمتر هستند .عدد سوئدی بیانگر شبکه رشتههای خالل در دستگاه دیفوزیون است ،بطوری که هرچه عدد سوئدی بزرگتر باشد ،شبکه خالل بازتر است و هرچه عدد سوئدی کوچکتر باشد ،شبکه خالل فشردهتر است و چرخش آب از البهالی رشتههای خالل سختتر میشود ،که این مسئله روی چرخش آب ال به الی خالل و در نتیجه استخراج قند از خالل موثر است .مناسبترین عدد سوئدی زمانی است که بیشتر از 15باشد و ایدهآلترین عدد سوئدی هم عدد 25است. : M1وزن خاللهایی که طول آنها بزرگتر از 5سانتیمتر است. : M2وزن خاللهایی که طول آنها بین 1تا 5سانتیمتر هستند. ترانسپورتر و دستگاه توزین خالل خاللهای تولید شده در آسیاب خالل از طریق یک نوار نقاله که به آن ترانسپورتر خالل هم گفته میشود ،به دستگاه دیفوزیون منتقل میشود .در این قسمت یک باسکول وجود دارد که به آن "باسکول کورینوس" گفته میشود و وزن خاللهای ورودی به فرآیند دیفوزیون را در واحد زمان اندازهگیری میکند ،لذا در کارخانجات قند اصطالحی به نام "عدد کورینوس" وجود دارد که بیانگر وزن خالل ورودی به فرآیند در واحد زمان است .عالوهبر این در کارخانه قند از خاللهای ورودی به فرآیند نمونهبرداری میشود و در آزمایشگاه درصد قند آن را اندازه میگیرند ،بدین ترتیب طی 24ساعت متوسط درصد قند خالل که وارد فرآیند میشود بدست میآید .اصطالحاً به قند موجود در خالل ورودی به فرآیند" ،دیژسیون" گفته میشود .با استفاده از عدد کورینوس و عدد دیژسیون ،برخی محاسبات کارخانه انجام میشود. مثال مقدار قند ورودی به کارخانه ،محاسبه راندمان فرآیند یا درصد ضایعات فرآیند و یا محاسبه ضایعات قندی ناشی از تنفس در سیلوها. مثال) اگر طی 24ساعت عدد کورینوس 50تن باشد و طی این مدت متوسط درصد قند خالل %15باشد : الف) دیژسیون یا قند ورودی به فرآیند را حساب کنید. تن = 50 × 0.15 = 7.5متوسط درصد قند × عدد کورینوس = دیژسیون ب) طی همین مدت اگر 7/3تن شکر قابل فروش تولید شده باشد ،درصد ضایعات و راندمان را حساب کنید. )( 7.5 − 7.3 0.2 = × 100 × 100 = 0.4 % 50 50 24 = × 100 مقدار ضایعات وزن ماده اولیه = درصد ضایعات تن = 7.5 − 7.3 = 0.2قند محصول −دیژسیون = مقدار ضایعات = × 100 خروجی (محصول) ورودی (ماده اولیه) = درصد راندمان نکته :برای اطمینان از درستی نتایج ،مجموع درصد راندمان و ضایعات باید برابر مقدار قند متوسط باشد. شربتگیری از خالل عمل استخراج قند یا شربت از خالل در کارخانه قند با استفاده از دستگاه دیفوزیون انجام میشود .بدین صورت که خالل و آب در دستگاه دیفوزیون در تماس قرار میگیرند و بنا به پدیده اسمز هم قند موجود در خالل و هم مواد غیرقندی محلول ،از خالل وارد آب میشود و درنتیجه آب تبدیل به شربت خواهد شد .به عبارتی ساکارز و مواد غیرقندی بدلیل فشار اسمزی بین خالل و آبی که در اطراف آن وجود دارد ،از خالل خارج شده و وارد آب میشود. این عمل تا زمانی ادامه پیدا میکند که به تعادل اسمزی برسد ،یعنی مقدار قند و مواد غیرقندی باقی مانده در خالل با آنچه وارد آب شده برابر شود .بهعنوان مثال ،فرض کنید یک ظرف محتوی آب داشته باشیم و دورن این ظرف مقداری رشتههای باریک خالل بریزیم؛ چنانچه قند موجود در خالل %16و مواد غیرقندی خالل %2باشد ،در این ظرف آب چه مقدار قند و ماده غیرقندی میتواند وارد آب شود؟ پاسخ %8 :قند و %1ماده غیرقندی میتواند وارد آب شود و در این مرحله به تعادل اسمزی میرسد .اگر بخواهیم قند باقیمانده در خالل را استخراج کنیم ،باید خاللهای این ظرف را به ظرف دیگری که حاوی آب تازه است منتقل کنیم تا بنا به پدیده اسمز بخش دیگری از قند و ماده غیرقندی وارد آب شود .در این مثال در ظرف دوم %4قند و %0/5 هم ماده غیرقندی وارد آب شده و تعادل اسمزی اتفاق میافتد .حال اگر این عمل را ادامه دهیم ،میتوانیم بخش عمدهای از قند و مواد غیرقندی را وارد آب کنیم و درنتیجه آب تبدیل به شربت خواهد شد .باید توجه داشت که بدلیل تعادل اسمزی ،قند موجود در خالل و مواد غیرقندی خالل هیچگاه به صفر نمیرسد و %100قند موجود در خالل استخراج نخواهد شد .لذا تمامی دستگاههای دیفوزیون بر اساس تئوری گفته شده طراحی و ساخته شدهاند. تفاوت Diffusionبا Extractionدر چیست؟ در Diffusionاز طریق فشار اسمز استخراج انجام میشود ،ولی در Extractionبا نیروی مکانیکی و حرارت است .مثال استخراج آب سیب ،خروج روغن از دانههای روغنی و ...از طریق Extractionاست امّا استخراج قند از چغندر قند از طریق Diffusionانجام میگیرد که در دیفوزیون فشار مکانیکی نداریم ،صرفا در آب گذاشته میشود و خود ترکیبات خارج میگردند. دستگاههای دیفوزیون معموالً دستگاههای دیفوزیون به دو دسته تقسیم میشوند شامل : .1دستگاههای غیرمداوم مثل دستگاه باطری رابرت .2دستگاههای مداوم مثل دیفوزیون D.D.S ،Hildebrandt ،Buckau -Wolf ،RT ،BMAو . Desemet امروزه دستگاههای غیرمداوم مثل باطری رابرت تقریباً منسوخ شده و دیگر استفاده نمیشود و اکثرا از دیفوزیونهای مداوم استفاده میکنند .تمام دستگاههای دیفوزیون مداوم از هر نوع که باشند و یا هر سازنده و کشوری که آن را طراحی میکند ،دو بخش اصلی دارند که شامل :دستگاه گرمکننده خالل (همزن مایشه) و برج دیفوزیون. 25 نمای شماتیک دیفوزیونهای مداوم : همانطور که در شماتیک فوق دیده میشود ،دیفوزیونهای مداوم دو بخش اصلی و مشترک دارند که عبارت است از : الف .مخزن مایشه (مخزن گرم کننده) :خالل قبل از ورود به برج دیفوزیون بایستی گرم شود تا دمای آن با دمای شربت داخل برج دیفوزیون تقریباً یکسان شود .لذا در مخز ن مایشه ،خالل با مقداری از شربت خام حاصل از برج دیفوزیون مخلوط میشود و اصطاحاً به مخلوط خالل و شربت خام" ،مایشه" گفته میشود .در مخزن مایشه فرآیند اسمز و استخراج قند صورت نمیگیرد ،یکی به این دلیل که زمان اختالط کوتاه است و دوم به این دلیل که خالل با شربتی مخلوط شده است که حاوی قند و مواد غیرقندی است؛ لذا اختالف فشار اسمزی بین شربت و خالل در مخزن مایشه بسیار کم است ،بنابراین هدف فقط گرم کردن خالل است. ب) برج دیفوزیون :برج دیفوزیون که ممکن است بهصورت افقی ،عمودی و یا مایل طراحی شود ،وظیفه اصلی استخراج قند و فرآیند اسمز را برعهده دارد .همانطور که در طرح شماتیک دیده میشود ،جهت ورود خالل و آب مخالف یکدیگر است ،بنابراین آب و خالل بهصورت جریان معکوس ( )Counter Currentوارد برج دیفوزیون میشود .به این ترتیب خالل در حین حرکت قند و مواد غیرقندی محلول خود را از دست میدهد و در نتیجه آب تبدیل به شربت خواهد شد و در جهت مخالف ورود خالل ،تفاله آبدار خارج می شود( .هیچگاه نباید آب و خالل به تعادل برسند ،به همین دلیل از جریان معکوس استفاده میکنیم). تفاله آبدار خروجی از برج دیفوزیون که دارای مقداری قند است و از طرف دیگر مقدار زیادی هم آب دارد ،وارد دستگاه پرس میشود و تحت فشار قرار میگیرد تا بخش عمده آب آن خارج شده و آبپرس تفاله بدست آید .معموال بخش عمدهای از قند موجود در تفاله آبدار وارد آبپرس تفاله میشود .مثالً اگر تفاله آبدار %0/5قند داشته باشد ،ممکن 26 است %0/4وارد آبپرس و %0/1وارد تفاله شود (چون قند محلول در آب است و بیشتر در آب میماند) .سپس آبپرس تفاله از یک سیستم نرمهگیر عبور داده میشود تا ذرات معلق آن جدا شود ،سپس وارد مبدل حرارتی میشود تا از یک طرف بار میکروبی آن کاهش پیدا کند و از طرف دیگر دمای آن با دمای برج دیفوزیون تقریباً یکسان شود .بعد از آن آبپرس در نقطهای که در شکل شماتیک مشخص شده است ،به برج دیفوزیون برگشت داده میشود ،به عبارتی محل برگشت آبپرس حدودا 1تا 1/5متر بعد از محل ورود آب تازه است .دلیل برگشت آبپرس به برج دیفوزیون یکی بخاطر کاهش ضایعات قندی دیفوزیون است؛ زیرا از این طریق بخش عمدهای از قند موجود در تفاله آبدار که ضایعات محسوب میشود ،مجددا به شربت برگشت داده میشود و دلیل دیگر صرفهجویی در مصرف آب تازه میباشد. تفاله پرس حاصله حدود 70الی %80رطوبت دارد ،بنابراین نمیتوانیم به مدت طوالنی آن را نگهداری کنیم .به همین دلیل بخشی از تفاله پرس بهصورت روزانه و تازه به دامداریها فروخته میشود و بخش عمده آن تبدیل به تفاله خشک خواهد شد .بدین صورت که در قسمت تفاله خشک کن با استفاده از هوای داغ و خشک ،آن را تبدیل به تفاله خشک میکنند تا رطوبت آن به حدود %10برسد و اصطالحاً به آن " تفاله خشک پرک" گفته میشود. با توجه به رطوبت %10تفاله خشک پرک ،نگهداری آن بهصورت فلهای در انبار مشکالتی را ایجاد میکند ،بدین صورت که اگر طی نگهداری در انبار ،رطوبت تفاله پرک بیشتر از %10شود ،یعنی رطوبت جذب کند ،احتمال فعالیت میکروبی وجود دارد و در اثر فعالیت میکروبی ،گرما تولید میشود که در اثر گرمای ایجاد شده و با توجه به خشک بودن تفاله پرک ،میتواند باعث خودسوزی و آتشسوزی تفاله پرک شود .از طرف دیگر ،اگر رطوبت تفاله پرک کمتر از %10شود ،در انبار با توجه به الکتریسیته ساکن که بدلیل برخورد ذرات گردو غبار موجود در فضای انبار ایجاد میشود ،باز هم ممکن است خودسوزی اتفاق بیفتد .همچنین نمیتوانیم تفاله خشک پرک را به دالیل اقتصادی به گونهای بسته بندی کنیم که چنین مشکالتی بوجود نیاید ،به عبارتی ارزش اقتصادی آن در حدی نیست که برای کنترل رطوبت بخواهیم هزینه زیادی برای بستهبندی اختصاص دهیم .به همین دلیل در برخی کارخانجات قند، مقداری مالس به تفاله خشک پرک اضافه میکنند ،تا هم خاصیت چسبندگی الزم را پیدا کند و هم ارزش غذایی آن افزایش پیدا کند و سپس آن را تبدیل به تفاله قالبی میکنند که معموال به دو صورت تهیه میشود شامل : تفاله انگشتی یا فشنگی ( )Fingerکه شبیه به بند انگشت است. بلوکی یا قالبی ( )Brickedیا مکعبی شکل. عوامل موثر در فرآیند دیفوزیون مهمترین عوامل موثر در فرآیند دیفوزیونهای مداوم عبارتند از : .1دما (درجه حرارت) .2کشش (سوتیراژ) .3درجه دیفوزیون .4میکروارگانیسمها .5مدت زمان دیفوزیون .6کیفیت خالل .7آب دیفوزیون pH .8شربت 27 .1دما (درجه حرارت) : همانطور که میدانیم ،سرعت فرآیند اسمز با دما رابطه مستقیم دارد .یعنی هر چه دما باالتر باشد ،اسمز هم سریعتر انجام میشود .نقش دما در خروج قند از خالل یکی بهدلیل افزایش جنبش مولکولی در اثر افزایش دما است که باعث میشود اسمز سریعتر اتفاق بیفتد و نقش دوم درجه حرارت ،در خروج قند و مواد غیرقندی از خالل بدین دلیل است که حرارت باعث میشود دیواره سلولی خالل دناتوره شود و در نتیجه مواد از آن خارج گردد .در واقع دیواره سلولی سلولهای خالل که ساکارز و مواد غیرقندی دارد ،در حالت طبیعی نیمه تراوا است ،بدین معنی که ساکارز و مواد غیرقندی نمیتوانند از این دیواره خارج شوند ،بلکه فقط میتوانند وارد سلول شوند .در واقع زمانی که چغندر در مزرعه وجود دارد ،قند و سایر مواد غیرقندی وارد سلولهای ریشه شده و در این سلولها ذخیره میشوند امّا اجازه خروج ندارند .در فرآیند دیفوزیون ،درجه حرارت پروتئینهای دیواره سلولی را دناتوره میکند و باعث میشود روزنههایی در این دیواره سلولی ایجاد شود تا مواد خارج گردند ،لذا به همین دلیل گفته میشود که حرارت باعث افزایش اسمز در دیفوزیون میشود .با این وجود نمی توان از دمای باال در دیفوزیون استفاده کرد ،زیرا یکی از ترکیبات غیرقندی که از خالل خارج و وارد شربت یا مواد قندی میشود ،پکتین است .پکتین در دمای باال شکسته میشود و مشکالتی را ایجاد میکند ،از جمله باعث افزایش ویسکوزیته شربت میشود و در نتیجه مشکالتی در فرآیند به وجود میآید؛ از طرف دیگر اگر پکتین در شربت داخل برج دیفوزیون شکسته شود ،عالوهبر افزایش ویسکوزیته شربت ،باعث میشود سطح رشتههای خالل لزج شده و در نتیجه خروج قند از خالل مشکل شود ،چون روزنههای دیواره سلولی را مسدود میکند و در نتیجه قند تفاله آبدار افزایش پیدا میکند ،از طرف دیگر چنانچه سطح تفاله آبدار بدلیل پکتین لزج شده باشد، باعث میشود در دستگاه پرس به خوبی پرس نشود و آب بیشتری در تفاله پرس شده باقی بماند .لذا مجبور میشویم هزینه بیشتری برای خشک کردن آن صرف کنیم .بنابراین متوجه شدیم که استفاده از دمای باال در فرآیند دیفوزیون محدودیتهایی ایجاد میکند ،لذا مناسبترین دما برای برج دیفوزیون و انجام فرآیند اسمز 72درجه سانتیگراد در نظر میگیرند .ب طوری که این دما آنقدر باال نیست که باعث شکسته شدن پکتین شود و برای انجام اسمز هم مناسب است ،از طرفی این دما در واقع دمای پاستوریزاسیون محسوب میشود ،لذا تعداد زیادی از میکروارگانیسمهای احتمالی در دیفوزیون غیرفعال شده و از بین میروند .البته در موارد خاص حداکثر دمایی که میتوان به مدت کوتاه در دیفوزیون استفاده کرد 85 ،الی 86درجه سانتیگراد است. روش انتقال حرارت در دیفوزیون : برای تنظیم دمای دیفوزیون در حد مورد نظر ،از یک طرف باید مواد ورودی به دیفوزیون را گرم کنیم (خالل ،آب تازه و آب پرس) که بدین منظور خالل بطوری که قبال گفته شد بهصورت مایشه وارد میشود و آب تازه و آب پرس برگشتی هم با عبور از مبدل حرارتی به دمای مورد نظر میرسند .از طرف دیگر با توجه به طول برج دیفوزیون که میتواند بین 8تا 15متر باشد ،بنابراین الزم است که مسیر حرکت خالل و آب هم در طول دیفوزیون گرم نگه داشته شود ،در غیر این صورت در میانههای برج دیفوزیون افت دما ایجاد میشود .برای این کار دو روش وجود دارد که بر اساس طراحی دیفوزیون و یا سازندگان دستگاه دیفوزیون مورد استفاده قرار میگیرد. روش اول :در فواصل مشخص از انژکتور بخار استفاده میشود و مستقیما بخار به داخل شربت برج دیفوزیون تزریق میشود .عیب این روش این است که اوالً دقیقا در نقطه تزریق بخار بطور ناگهانی دما باال میرود و مشکالتی را میتواند ایجاد کند و ثانیاً چون بخار مستقیم وارد شربت میشود ،در نتیجه مقداری آب اضافی وارد شربت خام میشود که در مراحل بعدی برای تبخیر کردن آن بایستی هزینه صرف کنیم. 28 روش دوم :برج دیفوزیون را بهصورت دو جداره تعبیه میکنند و در آن محفظه (بین دو جدار) آب یا بخار در جریان است که شربت را گرم میکند ،این روش مشکل روش قبلی را ندارد زیرا مستقیما در تماس نیست. بطور کلی میتوان گفت که درجه حرارت عالوهبر تاثیری که روی فرآیند اسمز دارد ،باعث از بین رفتن میکروارگانیسمها نیز میشود و در میزان ضایعات قندی دیفوزیون نیز موثر است .بدین صورت که دمای بیشتر و یا کمتر از دمای مطلوب باعث افزایش ضایعات قندی میشود .قندی که در تفاله پرس شده بماند ضایعات محسوب میشود. .2کشش (سوتیراژ) : آب ورودی به دیفوزیون برحسب خالل کشش دیفوزیون گفته میشود و یا درصد شربت خامی که از خالل بدست میآید ،کشش دیفوزیون میگویند .مثالً اگر به ازای هر 100واحد خالل ورودی 100 ،واحد آب وارد دیفوزیون شود، در این صورت گفته میشود که کشش %100است که در این حالت 100واحد شربت خام بدست میآید ،اما اگر به ازای هر 100واحد خالل 110 ،واحد آب وارد دیفوزیون شود و 110واحد شربت خام بدست آید ،در این حالت گفته میشود که کشش %110میباشد .کشش چون تاثیر مستقیمی در اقتصاد کارخانه دارد ،بنابراین باید با دقت محاسبه و تنظیم شود ،زیرا میتواند باعث ضرر یا سود بیشتر کارخانه شود .مهمترین عواملی که روی کشش اثر دارد و بر اساس این عوامل کشش را افزایش یا کاهش می دهند ،شامل :درصد قند خالل ،درصد قند تفاله آبدار و یا ضایعات قندی دیفوزیون و همچنین خلوص شربت خام میباشد .بهعنوان مثال اگر خالل ورودی به دیفوزیون درصد قند باالتری داشته باشد ،باید کشش را افزایش دهیم تا قند بیشتری از خالل خارج شود و یا اگر درصد قند تفاله آبدار باال باشد، نتیجه میگیریم که کشش پایین بوده و الزم است که افزایش یابد .چنانچه خلوص شربت خام را آزمایش کنیم و متوجه کاهش آن شویم ،این مسئله نشان میدهد که کشش دیفوزیون باالتر از حد مطلوب بوده و در نتیجه مواد غیرقندی بیشتری وارد شربت شده و خلوص را کاهش داده است .بطور کلی ،سوتیراژ را با در نظر گرفتن پارامترهای فوق بایستی بطور دقیق محاسبه کنیم. مثال) اگر قند خالل %17باشد ،قند تفاله آبدار 0/5درصد ،قند آبپرس 0/3درصد و قند شربت خام %15باشد ،کشش را محاسبه کنید. = 0.5% − 0.3% = 0.2%قند تفاله آبدار −قند آب پرس = ضایعات قندی 0.17 − 0.002 × 100 = 112% 0.15 = × 100 ضایعات قندی دیفوزیون −قند خالل قند شربت خام = کشش دیفوزیون نکته :آب پرس به برج دیفوزیون برمیگردد ،پس جزئی از ضایعات نیست و نباید در محاسبات وارد گردد. ضایعات قندی به دو دسته تقسیم میشود که شامل ضایعات معلوم و ضایعات نامعلوم میباشد .در واقع ضایعات قندی کل به ضایعات معلوم و ضایعات نامعلوم تقسیم میشود .منظور از ضایعات قندی معلوم ،قندی است که در تفاله پرس شده وجود دارد (که در مثال فوق 0/2درصد بود) و ضایعات قندی نامعلوم ،قندی است که در مسیر برج دیفوزیون از بین میرود. 29 مثال) اگر قند خالل ،%17قند شربت خام ،%14قند تفاله آبدار 0/5درصد ،قند آب پرس 0/3درصد و کشش یا سوتیراژ %112باشد ،ضایعات قندی معلوم و نامعلوم را محاسبه کنید. × 100 ضایعات قندی 0.17 − 0.14 = 112% × 100 ضایعات قندی −قند خالل قند شربت خام = کشش (سوتیراژ) 112 × 0.14 ( = 0.17 −ضایعات قندی ) = 0.0132 = 1.32% 100 ضایعات قندی نامعلوم +ضایعات قندی معلوم = ضایعات قندی = 0.5% − 0.3% = 0.2%قند تفاله آبدار −قند آب پرس = ضایعات قندی معلوم = 1.32% − 0.2% = 1.12%ضایعات قندی معلوم −ضایعات قندی = ضایعات قندی نامعلوم .3درجه دیفوزیون : منظور از درجه دیفوزیون درصد قندی است که از خالل استخراج میشود .مثالً اگر خالل ورودی %15قند داشته باشد و تمام این %15استخراج شود ،گفته میشود که درجه دیفوزیون %100است ،که البته در عمل چنین اتفاقی نمیافتد. امّا هر چه درجه دیفوزیون باالتر باشد ،قند بیشتری از خالل استخراج میشود .البته اگر درجه دیفوزیون بیش از حد باال باشد ،هرچند که قند بیشتری استخراج میشود ،ولی میتواند باعث کاهش درجه خلوص شربت شود ،زیرا مواد غیرقندی بیشتری هم استخراج میشود. مثال) اگر فرض کنیم خالل ورودی 15%قند داشته باشد ،محاسبه کنید که با درجه دیفوزیون %90و %95چه مقدار قند از خالل استخراج میشود؟ = 0.135 = 13.5%قند قابل استخراج از خالل × 100 = 0.1425 = 14.25%قند قابل استخراج از خالل × 100 قند قابل استخراج از خالل 0.15 قند قابل استخراج از خالل 0.15 = 90% = 95% مثال) اگر خالل ورودی %15قند داشته باشد و %14/5از آن استخراج شده باشد ،درجه دیفوزیون را حساب کنید. 14.5 × 100 = 96.66% 15 30 = × 100 قند قابل استخراج از خالل قند موجود در خالل = درجه دیفوزیون .4زمان یا مدت دیفوزیون : منظور از مدت دیفوزیون در واقع مدت زمانی است که خالل وارد برج میشود تا زمانی که بهصورت تفاله از برج خارج شود .با توجه به این که طی این مدت خالل با شربت در تماس است ،بنابراین مدت دیوزیون را بدین صورت نیز میتوان تعریف کرد :مدت زمانی است که خالل در برج دیفوزیون با شربت در تماس است. برای کم یا زیاد کردن مدت دیفوزیون از دور دیفوزیون استفاده میشود .منظور از دور دیفوزیون ،سرعت حرکت خالل در برج دیفوزیون است؛ بدین صورت که اگر دور دیفوزیون را زیاد کنیم یعنی سرعت حرکت خالل زیاد شود ،مدت دیفوزیون کاهش پیدا میکند و بالعکس .عواملی که میتواند بر مدت دیفوزیون موثر باشد شامل :قند خالل ،قند تفاله آبدار و خلوص شربت خام است .مثالً اگر قند خالل ورودی باال باشد ،در این حالت باید مدت دیفوزیون را افزایش دهیم و یا چنانچه قند تفاله آبدار را آزمایش کردیم و متوجه میزان باالی قند تفاله شدیم ،در این صورت باید مدت را افزایش دهیم و همچنین اگر خلوص شربت خام را آزمایش کنیم و متوجه کاهش خلوص شربت شویم ،نشان میدهد که مدت دیفوزیون زیاد بوده است ،زیرا ترکیبات غیرقندی بیشتری وارد شربت شده است. عالوهبر پارامترهای ذکر شده ،نوع دستگاه دیفوزیون هم میتواند روی مدت دیفوزیون موثر باشد؛ چون طول برج دیفوزیون در انواع دیفوزیونها بین 8تا 15متر متغیر است که میتواند روی مدت دیفوزیون اثر داشته باشد .امّا بطور کلی معموالً مدت دیفوزیون بین 75تا 90دقیقه طول میکشد. .5کیفیت خالل : بطوری که قبالً در بحث خالل گفته شد ،کیفیت خالل با سه پارامتر عدد سیلین ،درصد نرمه و عدد سوئدی ارزیابی میشود و نتایج این پارامترها میتواند روی فرآیند دیفوزیون موثر باشد .چگونگی تاثیر هر یک از این پارامترها در بحث کیفیت خالل بطور کامل گفته شده است. pH .6آب تازه دیفوزیون و pHشربت خام : pHمناسب برای محیط داخل برج دیفوزیون 5/8 ،تا 6/2است؛ بنابراین pHشربت خام حاصل از دیفوزیون نیز همین مقدار است .برای اینکه pHداخل برج را به این اعداد برسانیم باید pHآب تازه ورودی به دیفوزیون را کاهش دهیم و به 5/5تا 5/8برسانیم .در واقع pHآب ورودی را اندکی پایینتر از pHمورد نظر برای برج تنظیم میکنیم ،چون وقتی آب وارد برج میشود ،بدلیل برخی از ترکیبات چغندر pHاندکی افزایش پیدا میکند و در نتیجه به 5/8تا 6/2 خواهد رسید. علت pHاسیدی ضعیف در برج دیفوزیون چیست؟ همانطور که میدانیم pHاسیدی باعث تجزیه ساکارز میشود ،یعنی ضایعات قندی ایجاد میکند ،امّا با این وجود بدلیل جلوگیری از فعالیت میکروبی pH ،را اسیدی ضعیف در نظر میگیریم؛ زیرا اگر میکروارگانیسمها در دیفوزیون فعالیت کنند ،به مراتب قند بیشتری نسبت به آنچه که در pHاسیدی ضعیف از بین میرود ،مصرف میکنند و برای جلوگیری از فعالیت میکروبی باید دما را خیلی باال ببریم که در دیفوزیون امکانپذیر نیست (به دالیلی که در بحث حرارت گفته شد) ،بنابراین به ناچار باید از pHاسیدی ضعیف استفاده کنیم تا از فعالیت میکروبی جلوگیری شود. روشهای اسیدی کردن آب تازه دیفوزیون برای اسیدی کردن آب تازه دیفوزیون دو روش وجود دارد : روش سولفیتاسیون روش افزودن مستقیم اسید به آب 31 الف) روش سولفیتاسیون : در این روش گاز SO2به آب اضافه میشود و تبدیل به اسید سولفورو میشود ،در نتیجه pHآب را کاهش میدهد. کارخانجاتی که از این روش استفاده میکنند برای تهیه گاز SO2باید یک کوره گوگرد داشته باشند ،بطوری که سنگ گوگرد را میسوزانند تا گاز SO2تولید شود. مزیت این روش این است که سنگ گوگرد ارزان است ،امّا اشکالی که این روش دارد این است که باعث آلودگی محیط زیست میشود ،چون هنگامی که سنگ گوگرد در کوره میسوزد ،عالوهبر ،SO2گازهای سمی دیگری نیز تولید میشوند و وارد محیط زیست خواهند شد. ب) روش مستقیم افزودن اسید به آب : در این روش اسیدهایی مانند HClو H2SO4مستقیماً به آب اضافه میشوند تا pHآب را به اندازه مورد نظر کاهش دهد .مزیت این روش این است که برای محیط زیست ضرری ندارد ،امّا در مقایسه با روش سولفیتاسیون ،گرانتر است و مقرون به صرفه نیست. نکته :تا چند سال گذشته استفاده از گاز SO2در صنایع غذایی از نظر سازمان غذا و داروی آمریکا ( )FDAمجاز بود ،امّا پژوهشهایی که در سالهای اخیر انجام شده نشان داده که گاز SO2برای سالمتی انسان خطر دارد ،مخصوصاً با آسیبهایی که به ریه وارد میکند؛ بنابراین FDAاستفاده از SO2را محدود یا غیرمجاز کرد. .7میکروارگانیسمها : مهمترین میکروارگانیسمهایی که احتماالً در دیفوزیون ممکن است رشد و فعالیت کنند ،شامل "باسیلوس سوبتیلیس" و "لوکونستوک مزنتروئیدس" است .بطوری که اگر محیط داخل برج دیفوزیون دچار عفونت میکروبی شود ،از یک طرف ساکارز مصرف میشود و ضایعات قندی ایجاد میشود و از طرف دیگر متابولیتهایی که این میکروبها تولید میکنند (محصوالت ثانویه) مثل اسید ،گاز و پلیساکاریدها ،هر کدام مشکالت مضاعفی را ایجاد میکنند .مثالً اسید میتواند ساکارز را تجزیه کند و ضایعات قندی عالوهبر قندی که میکروارگانیسمها مصرف میکنند ،بوجود آید و یا گازی که توسط میکروارگانیسمها در برج دیفوزیون تولید میشود ،از یک طرف حرکت خالل را داخل برج دیفوزیون دچار مشکل میکند و از طرف دیگر حبابهای گاز در جدارههای برج جمع میشود و مانند یک عایق عمل میکند، در نتیجه انتقال حرارت را کاهش میدهد .پلیساکاریدهای تولید شده هم با افزایش ویسکوزیته شربت مشکالتی را در فرآیند ایجاد میکنند .بنابراین با توجه به مشکالت زیادی که میتواند توسط میکروارگانیسمها ایجاد شود ،ترجیحاً باید از عفونت میکروبی دیفوزیون جلوگیری کنیم که بدین منظور میتوان از روشهای زیر استفاده کرد : عبور چغندرها از زیر دوش آب تمیز و پرکلرین بعد از حوض شستشو دیگ حرارتی باعث کاهش عفونت در دیفوزیون میشود. دمای آب و دمای آب تفاله را تا 72درجه سانتیگراد افزایش دهیم. امّا باید با آزمایش های دقیق و سریع بتوانیم به عفونت میکروبی پی ببریم تا به موقع با آن مبارزه کنیم .آزمایشهای کاربردی که برای پی بردن به عفونت میکروبی میتوان استفاده کرد شامل :اندازهگیری ،pHشمارش میکروبی شربت، اندازهگیری اسیدیته (افزایش پیدا میکند) ،اندازهگیری قند اینورت (افزایش پیدا میکند ،زیرا میکروبها ساکارز را تبدیل به اینورت میکنند) و اندازهگیری نیتریت (میکروارگانیسمها نیترات را به نیتریت تبدیل میکنند ،بنابراین نیتریت افزایش پیدا میکند). 32 روش مورد استفاده عالوهبر دقت ،باید سرعت باالیی هم داشته باشد؛ به همین دلیل از روش تعیین pHاستفاده میشود ،بطوری که اگر میکروارگانیسمها فعالیت کنند pH ،کاهش پیدا میکند .در مورد pHشربت خام باید به این مورد توجه کنیم که شربت خام حالت بافری دارد ،یعنی pHآن به سختی تغییر میکند ،بنابراین اگر pHحتی به مقدار جزئی کاهش پیدا کرده باشد ،نتیجه میگیریم که عفونت میکروبی زیاد است ،یعنی اسید زیادی توسط میکروبها تولید شده است. محاسبات دیفوزیون یکی از پارامترهای محاسباتی مهم در فرآیند دیفوزیون ،محاسبه آب مصرفی است .زیرا در کارخانه قند مصرف آب زیاد است ،بخصوص در مرحله دیفوزیون ،به همین دلیل باید به دقت محاسبه شود .برای محاسبه آب مصرفی دیفوزیون فرمولهای متعددی ارائه شده که در این جا چند نمونه سادهتر را بررسی میکنیم. .1محاسبه درصد آب تازه مصرفی برحسب خالل : مثال) اگر ظرفیت یک کارخانه 6000تن باشد ،تفاله پرس حاصله نسبت به چغندر 3000تن باشد و کشش هم %120 باشد ،مطلوب است : الف) درصد آب تازه مصرفی دیفوزیون را حساب کنید. − 100 = 120 + 50 − 100 = 70%درصد تفاله پرس +کشش = درصد آب تازه مصرفی بر حسب خالل ب) چند تن آب تازه در هر شبانه روز الزم داریم؟ تن = 70% × 6000 = 4200آب تازه ج) حساب کنید در هر شبانه روز چند تن آب تفاله پرس باید وارد دیفوزیون شود؟ تن = (120% × 6000) − 4200 = 7200 − 4200 = 3000آب پرس مثال) اگر ظرفیت کارخانه 3000تن باشد و تفاله پرس حاصله %75خالل مصرفی باشد .چنانچه سوتیراژ %110باشد؛ الف) مقدار آب تازه در هر ساعت چقدر است؟ − 100 = 110 + 75 − 100 = 85%درصد تفاله پرس +کشش = درصد آب تازه مصرفی بر حسب خالل 85% × 3000 2550 = تن = 106.25 24 24 = آب تازه در هر ساعت ب) حساب کنید در هر ساعت چه مقدار آبپرس باید وارد دیفوزیون شود؟ (110% × 3000) − 2550 3300 − 2550 = تن = 31.25 24 24 33 = آب پرس در هر ساعت .2برای محاسبه آب تازه میتوان از فرمولهای موازنه جرم استفاده کرد .بهصورت زیر : در این فرمول Bمقدار خالل یا مقدار چغندر مصرفی W ،مقدار آب تازه مصرفی S ،مقدار شربت خام و Mمقدار تفاله پرس میباشد .اگر مقدار Mمشخص نبود ،آن را معادل یک سوم ( Bخالل) در نظر بگیرید. مثال) چنانچه ظرفیت یک کارخانه 3000تن باشد و با سوتیراژ %120کار کند ،چه مقدار آب تازه در هر شبانه روز و در هر ساعت برای دیفوزیون الزم داریم؟ تن B = 3000 تن S = 120% × 3000 = 3600 B 3000 = تن = 1000 3 3 W = S + M − B = 3600 + 1000 − 3000 = 1600 𝑡𝑜𝑛⁄24ℎ =M B+W=S+M 1600 = 66.66 𝑡𝑜𝑛⁄ℎ 24 = آب تازه در هر ساعت ب) مقدار آبپرس را در هر شبانه روز و در هر ساعت حساب کنید. = S − W = (120% × 3000) − 1000 = 3600 − 1600 = 2000 𝑡𝑜𝑛⁄24ℎآب پرس در هر شبانه روز 2000 = 83.33 𝑡𝑜𝑛⁄ℎ 24 = آب پرس در هر ساعت تصفیه شربت خام ترکیب اصلی شربت خام شامل قند ساکارز ،مواد غیرقندی محلول و آب میباشد ،لذا برای جدا کردن بخش عمده مواد غیرقندی محلول ،شربت خام وارد تصفیه میشود .بطوری که در مراحل مختلف تصفیه با استفاده از گاز CO2و آهک، شربت را تصفیه میکنند .روش های متعددی برای تصفیه شربت وجود دارد که مهمترین آنها عبارتند از : روش کالسیک روش Dorr روش Simulation روش برانشویک روش ویکلوند روش نوی ساد در تمام روشهای فوق از گاز CO2و آهک برای تصفیه شربت استفاده میشود ،بنابراین کارخانجات قند برای اینکه آهک ( ) CaOو گاز کربنیک مورد نیاز را تولید کنند ،بایستی یک کوره آهک در کارخانه داشته باشند تا سنگ آهک ( )CaCO3را تبدیل به CaOو CO2کنند. 34 کوره آهک کورههای آهک بر اساس سوخت مصرفی به سه دسته تقسیم میشوند ،شامل : کورههای آهک ککسوز (زغال سنگ) کورههای آهک مازوتسوز (نفت سیاه یا نفت کوره) کورههای آهک گازسوز تفاوت اصلی این کورهها مربوط به غلظت CO2تولیدی است؛ بدین صورت که بیشترین غلظت CO2در کورههای آهک ککسوز تولید میشود ( 31الی )%33و بعد از آن کورههای آهک مازوتسوز با ( 26الی )%27و در نهایت کورههای آهک گازسوز ( 25الی .)%26در کارخانجات قند ایران بدلیل CO2و ارزان بودن آن ،بیشتر از کورههای ککسوز استفاده میشود .کورههای آهک ککسوز از نظر دما دارای سه منطقه دمایی هستند؛ بدین صورت که از باال به پایین شامل منطقه پیش گرمکن ،منطقه آتش و منطقه سرد میباشند .نمای شماتیک کورههای ککسوز در زیر نشان داده شده است : واکنش اصلی کوره آهک در منطقه آتش صورت میگیرد که بهصورت زیر است : عوامل موثر بر کورههای آهک ککسوز .1دما : دما در منطقه آتش برای تجزیه سنگ آهک یا CaCO3حدود 1150درجه سانتیگراد است ،که البته به کیفیت سنگ آهک بستگی دارد .اگر دمای این منطقه کمتر از حد مطلوب باشد ،باعث میشود که تجزیه سنگ آهک ناقص انجام شود و اگر دما بیشتر از حد مطلوب باشد ،ذرات آهک یا CaOبه یکدیگر می چسبند .در واقع بدلیل دمای باال ذوب میشوند و به هم میچسبند که اصطالحاً به این مورد ،پدیده جوش میگویند که باعث افزایش حجم ذرات آهک میشود ،در نتیجه وزن مخصوص آهک کاهش پیدا میکند و حاللیت آن در آب کم میشود .پس هر چه وزن مخصوص سنگ آهک باالتر باشد ،حاللیت آن بهتر است. 35 .2زمان تماس با حرارت : تاثیر مدت زمان تماس سنگ آهک با حرارت در منطقه آتش مشابه تاثیر دما است؛ یعنی در زمان کم ،تجزیه ناقص و در زمان زیاد ،پدیده جوش را به همراه دارد ،بنابراین دما و زمان را متناسب با هم تنظیم میکنند .بطوری که اگر دما زیاد شد ،زمان کم شود و بالعکس. .3خلوص سنگ آهک : دمای 1150درجه سانتیگراد که گفته شد برای سنگ آهکی است که %99خلوص داشته باشد .هرچه خلوص سنگ آهک کمتر باشد ،باید از دمای پایینتری در منطقه آتش استفاده کرد. .4ابعاد سنگ آهک : ابعاد سنگ آهک باید یکنواخت باشد؛ یعنی سنگ ریز و درشت با هم وارد کوره نشوند. .5ابعاد کک : اندازه ذغال سنگ مصرفی باید طوری باشد که وقتی از پایین کوره خارج میشود ،بهصورت نیمسوز از کوره بیرون آید. زیرا اگر ذغال سنگ کامل بسوزد ،تبدیل به خاکستر شده و با آهک مخلوط میشود. .6نسبت سنگ آهک و کک : معموالً 5تا 7درصد وزن سنگ آهک ،از کک استفاده میشود .مثالً به ازای هر 100کیلوگرم سنگ آهک که وارد کوره میکنیم ،باید 5تا 7کیلوگرم ذغال سنگ استفاده شود. .7مکش کوره : منظور از مکش کوره ،شدت جریان هوای سرد ورودی به کوره آهک است .بطوری که با افزایش شدت جریان هوای سرد ورودی ،مکش کوره افزایش می باید و بالعکس .مکش کوره روی وسعت منطقه آتش تاثیر دارد ،یعنی اگر مکش کوره زیاد شود ،وسعت منطقه آتش بیشتر خواهد شد و بالعکس .تاثیر مکش کوره شبیه تاثیرات دما و زمان است ،بطور کلی مکش را باید در حدی تنظیم کرد که وسعت منطقه آتش تقریباً یک سوم ارتفاع کوره باشد. تصفیه شربت خام الف) روش کالسیک : مراحل تصفیه شربت به روش کالسیک به ترتیب عبارتند از : .1آهکخور اول .2آهکخور دوم .3گازخور اول .4دکانتور .5گازخور دوم 36 مرحله اول -آهکخور اول (( )Iپرشوالژ یا دیفیکاسیون اول یا آهکخور مقدماتی) : در این مرحله شیر آهک به شربت اضافه میشود ( )Ca)OH(2تا pHشربت به 10/8الی 11/2برسد .هدف از پرشوالژ این است که مواد غیرقندی شربت خام را از حالت محلول به حالت کلوئیدی با بار مثبت تبدیل کند ،به عبارت دیگر جدا کردن مواد قندی و مواد غیرقندی. ساکاروز شربت خام مواد غیر قندی تبدیل به بار +می شوند عوامل موثر بر آهک خور اول : : pH شربت خام ورودی به پرشوالژ دارای 5/8 pHتا 6/2است ،لذا با اضافه کردن شیر آهک به شربت pH افزایش مییابد و باید به اندازهای شیر آهک اضافه کنیم که pHبه 10/8الی 11/2برسد .چنانچه pHکمتر از این مقدار باشد ،مواد غیرقندی بطور کامل تغییر حالت نمیدهند و یا کلوئیدی نمیشوند .اگر pHاز 11/2بیشتر شود ،یعنی شیر آهک بیشتری اضافه کنیم ،باعث میشود مواد غیرقندی کلوئیدی مجددا به حالت محلول درآیند. بنابراین دامنه pHحتما باید بین 10/8تا 11/2کنترل شود .منحنی تغییرات pHو مواد کلوئیدی شربت را میتوان بهصورت زیر نشان داد : طریقه اضافه کردن آهک :شیر آهک باید به نحوی اضافه شود که pHشربت به تدریج و آرام آرام افزایش پیدا کند ،چون هر گروه از غیرقندیهای شربت در یک pHخاص به حالت کلوئیدی تبدیل میشود؛ لذا باید فرصت کافی وجود داشته باشد تا کلوئیدی شدن اتفاق بیفتد .برای افزایش تدریجی pHدر آهکخور اول از دستگاهی به نام "بریگل مولر" استفاده می شود ،بطوری که در این دستگاه شربت و شیر آهک خالف جهت یکدیگر وارد مخزن آهکخور اول میشوند و در نتیجه pHشربت به آرامی افزایش پیدا میکند .دستگاه بریگل مولر به صورت یک مخزن استوانه افقی است که داخل آن با صفحات ثابتی تقسیمبندی شده است .در این دستگاه از یک جهت شربت و از جهت دیگر شیر آهک وارد میشود. 37 شکل شماتیک دستگاه بریگل مولر : pH = 10.8 – 11.2 شربت خام با شیر آهک ضعیف شده در خانه اول برخورد میکند و در انتها شیر آهک قویتر است و pHآهسته آهسته باالتر میرود. دما :برای حاللیت بهتر شیر آهک در شربت ،دمای آهکخور اول بین 45الی 55درجه سانتیگراد تنظیم میشود؛ چون اگر دما بیش از حد باال باشد ،حاللیت آهک کم میشود و رسوب میکند. گل برگشتی :منظور از گل برگشتی ،کربنات کلسیم ( )CaCO3است که یا قبل از ورود به پرشوالژ به شربت اضافه میشود و یا در اواسط مرحله پرشوالژ به شربت اضافه میشود .هدف از اضافه کردن گل به شربت این است که مواد کلوئیدی به سطح کربنات کلسیم جذب شوند و در نتیجه تثبیت و پایدار شوند؛ زیرا کربنات کلسیم سطح جذب فعال دارد و می تواند مواد کلوئیدی با بار مثبت را به سطح خودش جذب کند .معموال هر مولکول کربنات کلسیم 4بار منفی دارد ،در نتیجه میتواند 4مولکول کلوئید با بار مثبت را به خود جذب کند .این جذب سطحی بوده و واکنشی اتفاق نمیافتد .در نتیجه با افزایش pHو با عبور از ،11/2مواد کلوئیدی به حالت محلول برنمیگردند. CaCO3 میکروارگانیسمها :با توجه به این که در پرشوالژ دما بین 45تا 55درجه سانتیگراد و pHحداکثر 10/8تا 11/2است ،بنابراین تمام میکروارگانیسمها از بین نخواهند رفت امّا فعالیت میکروبی محدود میشود .پس میتوان نتیجه گرفت که شربت خروجی از پرشوالژ ،استریل نیست و ممکن است حاوی میکروارگانیسم باشد. مرحله دوم -آهک خور دوم (( )IIشوالژ یا دیفیکاسیون دوم یا آهک خور اصلی) در این مرحله مجدداً به شربت حاصل از مرحله پرشوالژ ،شیر آهک اضافه میکنیم تا pHبیشتر شود .هدف از آهکخور دوم استریل کردن شربت ،کمک به عملکرد صافیها ،فراهم نمودن سطح الزم CaCO3به منظور جذب مواد کلوئیدی، هیدرولیز عوامل تشکیلدهنده رنگ مالنوئیدین و جلوگیری از افت pHشربت در مرحله اواپراسیون میباشد. 38 عوامل موثر بر آهکخور دوم : : pH شیر آهک در این مرحله باید به اندازهای اضافه شود که pHشربت به 12/6یا کمی بیشتر افزایش پیدا کند تا در این pHواکنشهای مورد نظر در شربت رخ دهد .یکی از واکنشهای این مرحله تجزیه شدن عوامل تشکیلدهنده رنگ مالنوئیدین است ،شامل اینورت و اسیدهای آمینه آسپارژین و گلوتامین که تجزیه میشوند و لذا مالنوئیدین تولید نمی شود .از طرف دیگر آهک بیشتری که در این مرحله وارد شربت میشود ،میتواند در مرحله ورودی تصفیه یعنی گازخور اول تبدیل به کربنات کلسیم شود و سطح جذب الزم برای مواد کلوئیدی فراهم شود. زمان :مدت زمان تماس شربت با شیر آهک در این مرحله 8تا 12دقیقه است تا واکنشهای مربوطه بطور کامل انجام شود. تزریق هوا :گاهی ممکن است رنگ شربت کمی تیره باشد که در چنین مواردی با تزریق هوا به داخل شربت، رنگ آن را شفافتر میکنند ولی همیشه الزم نیست. مقدار آهک مصرفی :بسته به مقدار مواد غیرقندی موجود در شربت که از طریق محاسبه بدست میآید ،بطور تقریبی حداقل %85و حداکثر %100مواد غیرقندی شربت ،بایستی آهک اضافه شود. دما :دما در آهکخور دوم به دو مرحله سرد و گرم تقسیم میشود و در واقع شوالژ سرد و شوالژ گرم وجود دارد؛ دمای شوالژ سرد 45تا 55درجه سانتیگراد و دمای شوالژ گرم حدود 85درجه سانتیگراد است .هدف از دو مرحلهای کردن دما در شوالژ این است که شیر آهک در دمای پایینتر یعنی شوالژ سرد ،بطور کامل در شربت حل شود و در شوالژ گرم واکنشهای مورد نظر با سرعت باالتری انجام شود .شیر آهک مورد نیاز ممکن است بطور کامل در شوالژ سرد به شربت اضافه شود و یا نصف شیر آهک مورد نیاز در مرحله سرد و نصف دیگر را در مرحله گرم اضافه کنند. مرحله سوم -اشباع اول (گازخور اول یا ساتراسیون Iیا کربوناسیون : )I شربت خروجی از آهکخور دوم با ، pH ≤ 12/6وارد گازخور اول میشود و در این مرحله گاز CO2به آن اضافه میگردد ،در نتیجه آهک موجود در شربت تبدیل به کربنات کلسیم میشود. بنابراین هدف از گازخور اول تبدیل بخش عمدهای از آهک به کربنات کلسیم ( )CaCO3است؛ زیرا کربنات کلسیم سطح جذب فعال دارد و میتواند مواد غیرقندی را به سطح خود جذب کند. عوامل موثر در اشباع اول : : pH با اضافه کردن گاز pH ،CO2شربت کاهش مییابد و باید به اندازهای گاز CO2اضافه شود که pHشربت در نهایت به 10/8الی 11/2برسد .اگر گاز کمتر از حد نیاز اضافه شود pH ،شربت بیشتر از 11/2خواهد بود ،در نتیجه CaCO3کمتری تشکیل خواهد شد و اگر CO2بیشتر از حد نیاز اضافه شود pH ،به کمتر از 10/8 میرسد ،در نتیجه مواد قندی که جذب کربنات کلسیم شدهاند ،از آن جدا شده و حتی ممکن است در شربت حل شوند .به همین دلیل pHحتماً باید در این دامنه باشد. 39 ارتفاع شربت ( 4/5الی 6متر) :هرچه ارتفاع شربت داخل مخزن گازخور بیشتر باشد ،گاز CO2مسیر بیشتری را با شربت در تماس خواهد بود ،لذا راندمان گاز CO2بیشتر میشود. دما :دمای شربت در گازخور اول به 85درجه سانتیگراد میرسد و حتی ممکن است به 100درجه سانتیگراد هم افزایش پیدا کند تا واکنش مربوطه سریعتر انجام گیرد. ویژگیهای گاز : CO2گاز CO2ورودی هر چه غلظت باالتری داشته باشد ،بهتر است .زیرا باعث افزایش راندمان گازخور اول میشود ،از طرف دیگر اندازه حباب های گاز CO2که وارد شربت میشود ،هر چه ریزتر باشد، سطح تماس بیشتری با شربت دارد و راندمان آن افزایش پیدا میکند .برای ریزتر شدن حبابهای گاز ،CO2 معموالً فشار گاز ورودی را افزایش میدهند. سیرکوالسیون :هدف از سیرکوالسیون شربت در گازخور اول ،درشتتر شدن اندازه ذرات CaCO3میباشد؛ زیرا هر چه اندازه این ذرات بزرگتر باشد ،سرعت تهنشین شدن آنها افزایش پیدا میکند .برای سیرکوالسیون شربت دو روش وجود دارد :در یک روش شربت خروجی از گازخور اول را مجدداً به مخزن گازخور سیرکوله میکنند تا ذرات کربنات کلسیم ( )CaCO3به هم بچسبند و درشتتر شوند .در روش دیگر ،شربت خروجی از گازخور اول را وارد مخزن جداگانهای به نام مخزن سیرکوالسیون میکنند و در این مخزن ،شربت را سیرکوله میکنند تا اندازه ذرات درشتتر شود. در هر دو روش برای سیرکوله کردن شربت بایستی از پمپ سیرکوالسیون که از نوع پمپهای دیافراگمی است، استفاده کنیم تا کمترین ضربه به شربت وارد شود .حجم شربتی که سیرکوله میشود ،معموالً 8برابر مقدار شربت اولیه است. جریان غیرهمسو :در اشباع اول جهت ورود گاز CO2و جریان شربت باید غیرهمسو باشد؛ زیرا اگر گاز CO2 ورودی که غلظت باالیی دارد با شربت ورودی که قلیاییت باالیی دارد برخورد کند ،کف زیادی در مخزن تولید میشود .امّا در حالت غیرهمسو که گاز از پایین وارد میشود ،زمانی که گاز به شربت ورودی میرسد ،از غلظت آن کاسته میشود ،بنابراین در برخورد با شربت ورودی کف تولید نخواهد شد. 40 مرحله چهارم -دکانتور (تهنشینکننده) : شربت خروجی از اشباع اول که حاوی کربنات کلسیم ( )CaCO3است ،باید به آرامی وارد دکانتور شود که معموال برای این کار از پمپ استفاده نمیکنند .به همین دلیل برای این که شربت را از گازخور اول وارد دکانتور کنیم ،از اختالف ارتفاع استفاده میشود .دکانتورها بهصورت مخازن گرد یا چهارگوشی هستند که داخل آنها صفحاتی بهصورت زاویهدار نصب شده تا ذرات کربنات کلسیم ( )CaCO3که مواد غیرقندی را به خودشان جذب کردهاند ،به آرامی تهنشین شوند .بعد از مدتی دکانتور دو فاز شده که فاز پایینی در واقع کربنات کلسیمی است که رسوب کرده و اصطالحاً به آن " گل دکانتور" گفته می شود .فاکتورهای مؤثر در سرعت رسوب کردن گل در دکانتور عبارتند از : اندازه ذرات CaCO3 دمای شربت درون دکانتور که هرچه باالتر باشد ،حاللیت کربنات کلسیم کمتر میشود و در نتیجه سرعت رسوب کاهش پیدا میکند. در هر حال بعد از اینکه دکانتور دو فاز شد ،گل دکانتور به سمت فیلتر خأل هدایت میشود و شربت فاز باالیی دکانتور به سمت فیلتراسیون ارسال میشود تا شربت بطور کامل صاف شود و در واقع فاقد کربنات کلسیم ( )CaCO3شود. در نهایت ،شربتی که از فیلتر خأل فیلتراسیون بدست میآید ،به سمت گازخور دوم فرستاده میشود. مرحله پنجم -اشباع دوم (گازخور دوم یا ساتراسیون IIیا کربوناسیون : )II شربت صاف شده حاصل از فاز پایینی و باالیی دکانتور که در واقع فاقد کربنات کلسیم ( )CaCO3است ،وارد گازخور دوم میشود .در این مرحله نیز گاز CO2به شربت اضافه می شود تا آهک باقی مانده در شربت ،که به آن "سختی کربناته" نیز گفته میشود ،کامالً خنثی شود و تبدیل به کربنات کلسیم نامحلول شود تا بتوان آن را از شربت جدا کرد. بنابراین می توان گفت که هدف از اشباع دوم ،به حداقل رساندن سختی موجود در شربت است .در واقع ،گاز CO2 باید به اندازه ای اضافه شود که سختی کربناته شربت به حداقل برسد .امّ ا اگر بعد از این مرحله گاز بیشتری به شربت اضافه شود ،سختی دیگری به نام "سختی بیکربناته" در شربت ایجاد میشود؛ لذا گاز باید تا رسیدن به pHاپتیمال به شربت اضافه شود pH .اپتیمال pH ،است که در آن کمترین میزان سختی در شربت وجود دارد. شربت خروجی از اشباع دوم وارد چندین مرحله فیلتراسیون میشود تا ذرات CaCO3از آن جدا شود و تبدیل به یک شربت تصفیه شده و شفاف گردد که اصطالحاً به آن "شربت رقیق" گفته میشود .بطوری که بریکس ( )Brixشربت رقیق بین 12تا pH ،17آن بین 8/5تا 9و درجه خلوص (کوسیان یا )Qآن نیز 90تا %95باشد. 41 انواع صافیهای مورد استفاده در صنعت قند : صافی مکانیکی صافی پرس یا فیلتر پرس صافی صنعتی صافی شمعی دستگاه سختیگیر شربت رقیق ممکن است حاوی امالح قابل رسوب باشد و در مرحله اواپراسیون باعث تولید رسوب در لولههای تبخیرکننده شود ،در نتیجه ظرفیت تبخیرکنندهها کاهش پیدا میکند و حتی باعث سوراخ شدن لولههای تبخیرکننده نیز میشود .بنابراین برای جلوگیری از ایجاد رسوب در تبخیرکنندهها ،بایستی شربت رقیق را قبل از ورود به اواپراسیون از سیستم سختیگیر عبور دهیم .یکی از سختیگیرهای مورد استفاده در صنعت قند ،سختیگیر تبادل یونی کوئینتین ( )Quentineمیباشد؛ بطوری که در این سیستم یون کلسیم ( )Ca2+را قبل از اواپراسیون از شربت خارج میکنند و یون سدیم ( )Na+را جایگزین آن میکنند و تبادل یونی صورت میگیرد ،بدین ترتیب شربت رقیق که حاوی یون سدیم میباشد ،وارد اواپراتور میشود .سدیم با افزایش دما رسوب نمیکند و در ادامه قبل از پخت سوم در مرحله کریستالیزاسیون یون سدیم را از شربت خارج میکنند و یون منیزیم ( )Mg2+جایگزین آن میشود؛ زیرا سدیم مالسزا است و اگر در شربت وجود داشته باشد ،مالس بیشتری تولید خواهد شد ،در حالی که منیزیم نه تنها مالسزا نیست، بلکه به کریستالیزاسیون هم کمک میکند. اواپراسیون هدف از اواپراسیون ،غلیظ کردن شربت است ،بطوری که بریکس ( )Brixآن را از 12الی %15به 60الی %70برسانیم و غلیظ نماییم .در صنعت قند از اواپراسیون چند مرحلهای استفاده میشود .علت استفاده از اواپراسیون چند مرحلهای هم ،صرفهجویی در مصرف بخار و انرژی ،جلوگیری از کاراملیزاسیون ،تجزیه ساکارز و ایجاد ضایعات قندی میباشد. در مرحله اواپراسیون ،برای تبخیر یک کیلوگرم آب حدود 54کیلوکالری انرژی الزم است؛ پس اگر از یک بدنه استفاده شود ،در این صورت مصرف انرژی به شدت افزایش پیدا میکند ،امّا با اتصال چند بدنه به یکدیگر میتوان مصرف انرژی یعنی بخار را بسیار کاهش داد .اواپراتوری که بدین ترتیب تشکیل شده را اواپراتور چند مرحلهای مینامند و بر حسب این که سه یا چهار بدنه به دنبال هم قرار داشته باشد ،به آن اواپراتور سه یا چهار مرحلهای گفته میشود. اگر یک اواپراتور با چهار بدنه را در نظر بگیریم ،بخار حاصل از جوشش بدنه اول در بدنه دوم به مصرف میرسد و از بخار تولید شده در بدنه دوم ،بدنه سوم گرم میشود و به همین ترتیب تا آخر ادامه پیدا میکند .بخار تولید شده از بدنه آخر باید به تدریج از آن خارج شود. مشخصات دما و فشار در سیستم چهار بدنه فشار ()Bar دما (سانتیگراد) بدنه اول 2/4 126 بدنه دوم 1/96 119 بدنه سوم 1/46 110 بدنه چهارم 0/72 90 42 برای تأمین انرژی حرارتی در بدنه اول م عموالً از بخار تولیدی در دیگ بخار استفاده میشود .فشاری که در بدنههای اواپراتور چند مرحلهای وجود دارد از بدنه اول تا بدنه آخر تدریجاً کاهش پیدا میکند ،از این جهت در بدنه آخر این نوع اواپراتورها خأل اعمال میشود که به علت تاثیر خأل و فشار کمتر ،تبخیر در بدنه آخر در دمای پایینتری انجام میگیرد و بدین ترتیب از انتقال صدمات حرارتی و تجزیه قند در اثر حرارت کاسته میشود .پس در بدنههای ابتدایی که غلظت کمتر است ،از دمای باالتر و هرچه به سمت بدنه آخر پیش رویم ،با افزایش غلظت ،دما کاهش پیدا میکند. باید توجه داشت افزایش بدنههای اواپراتور محدود است ،چون از هر مرحله به مرحله بعدی کاهش فشار و کاهش انرژی بخار وجود دارد .از طرف دیگر اگر بخواهیم تعداد مراحل یا بدنه ها را زیاد کنیم ،مجبوریم بخاری که از دیگ بخار به بدنه اول اواپراتور وارد میشود ،از نظر فشار ،درجه حرارت و انرژی در حد باالیی در نظر بگیریم که در چنین شرایطی دمای بسیار باال در بدنه اول موجب تجزیه مقدار زیادی قند ساکارز در شربت خواهد شد. همچنین کل بخار حاصل از تبخیر شربت در هر بدنه اواپراتور به مرحله بعدی نمیرود ،بلکه بخشی از این بخار صرف تأمین انرژی حرارتی الزم برای قسمتهای دیگر کارخانه مانند دستگاههای خشککن قند ،دیفوزیون یا دیگهای پخت مرحله کریستالیزاسیون میشود .برای این که در هر بدنه اواپراتور عمل تبخیر به خوبی انجام شود و انتقال حرارت در حد مناسب باشد ،باید مقدار ΔTدر هر بدنه زیاد باشد .برای زیاد بودن ΔTدو راه وجود دارد : باید مقدار ΔTبزرگتر باشد که خود نیز دو حالت دارد : حالت اول ،باید درجه حرارت بخار ورودی به بدنه اول خیلی باال باشد ،که در چنین حالتی تغییر رنگ شربت و ضایعات قندی زیادی در بدنه اول خواهیم داشت .حالت دوم ،باید درجه حرارت خروجی از آخرین بدنه کم باشد، که به این ترتیب در بدنه آخر تبخیر در حد الزم انجام نمیشود .پس تنها یک راه باقی میماند و آن محدود کردن تعداد بدنههای اواپراتور است .به همین دلیل معموالً از 4الی 6بدنه در کارخانهها استفاده میشود. باید مقدار nکم باشد. در برخی کارخانهها ،بخاری که در بدنه اواپراتور از تبخیر شربت حاصل شده و دمای آن در حدی نیست که در هر بدنه بعدی به شکل موثری استفاده شود ،به دستگاههایی به نام Turbo Compressorمنتقل میکنند که با فشردهسازی و افزایش فشار بخار ،درجه حرارتش را باال میبرند ،بطوری که از کارآیی الزم برای استفاده در بدنه بعدی و تبخیر شربت برخوردار باشد. دیاگرام جریان بخار و شربت در اواپراسیون چهار مرحله 43 انواع اواپراتور .1اواپراتور چاپمن :که به دو نوع Internalو Externalتقسیمبندی میشود : : Internal یک سری لولههای موازی که درون آنها شربت بوده و در اطراف لولهها نیز بخار وجود دارد. : External عکس حالت قبل میباشد؛ یعنی یک سری لولههای موازی که درون آنها بخار بوده و در اطراف لولهها نیز شربت وجود دارد. .2اواپراتور کستنر نمای شماتیک تبخیرکننده چاپمن نمای شماتیک تبخیرکننده کستنر 44 قندگیرها : در قسمت باالی اواپراتورها نصب میشوند و بخار و قطرات شربت را از یکدیگر جدا میکند. نمای شماتیک قندگیر چتری محاسبات اواپراسیون در قسمت اواپراسیون معموالً محاسبه آب تبخیر شده ،بخار مصرفی بدنهها ،کالری و انرژی مصرفی انجام میشود. الف .محاسبه آب تبخیر شده مقدار آبی که از شربت رقیق باید تبخیر شود تا از بریکس ( )Brixاولیه به بریکس ( )Brixنهایی برسد و با استفاده از فرمول زیر محاسبه میشود : : wآب تبخیر شده : Aمقدار اولیه شربت : r1بریکس شربت رقیق (بریکس اولیه) : r2بریکس شربت غلیظ (بریکس نهایی) مثال) اگر ظرفیت ( )Capacityیک کارخانه قند 3000تن باشد و کارخانه با سوتیراژ (کشش) %120کار کند و بخواهیم بریکس ( )Brixشربت رقیق را از 15به 60برسانیم ،مطلوب است محاسبه : الف) مقدار آب تبخیر شده در هر شبانه روز را محاسبه کنید. تن A = 3000 × 120% = 3600 r1 15 مقدار آب تبخیر شده در هر شبانه روز بر حسب تن ) = 3600 × (1 − ) = 2700 r2 60 w = A (1 − = 2700 ÷ 24 = 112.5مقدار آب تبخیر شده در هر ساعت بر حسب تن ب) در هر شبانه روز چند تن شربت غلیظ بدست میآید؟ = 3600 − 2700 = 900مقدار شربت غلیظ در هر شبانه روز بر حسب تن = 900 ÷ 24 = 37.5مقدار شربت غلیظ در هر ساعت بر حسب تن 45 ب .محاسبه بخار مصرفی بدنهها بطوری که در دیاگرام سیستم چهار بدنهای اواپراسیون مالحظه میشود ،بدنه اول بخار مورد نیاز را از بخار رتور دریافت میکند و بخار خروجی از بدنه اول که از قسمت باال خارج میشود ،در واقع بخار ناشی از شربتی است که به دو بخش تقسیم میشود :یکی بخار مصرفی در سایر مراکز که اصطالحاً به آن ،بخار جنبی یا E1گفته میشود و دیگری بخاری که وارد بدنه دوم شده که بهعنوان بخار ورودی بدنه دوم یا w2شناخته میشود و به همین ترتیب در سایر بدنهها ادامه پیدا میکند. مثال) اگر مجموع بخار مصرفی چهار بدنه ،یعنی w1تا w4برابر با 120کیلوگرم باشد و بخار جنبی بدنه اول ()E1 هم 8کیلوگرم ،بخار جنبی بدنه دوم ( 12 )E2کیلوگرم و بخار جنبی بدنه سوم ( 20 )E3کیلوگرم باشد ،بخار مصرفی هر بدنه را بطور جداگانه حساب کنید. 𝑔𝑘 w1 + w2 + w3 + w4 = 120 طبق قاعده کلی موازنه جرم ،خواهیم داشت : w 1 = w 2 + e1 w 2 = w 3 + e2 w 3 = w 4 + e3 با جایگزین کردن معادالت در یکدیگر به موارد زیر میرسیم : w1 = w4 + e3 + e2 + e1 = w4 + 40 w2 = w4 + e3 + e2 = w4 + 32 w3 = w4 + e3 = w4 + 20 با توجه به فرض مسئله خواهیم داشت : w1 + w2 + w3 + w4 = 120 w4 + 40 + w4 + 32 + w4 + 20 + w4 = 4w4 + 92 = 120 =7 = 47 = 39 = 27 w4 w1 w2 w3 پس بیشترین مصرف بخار در بدنه اول و کمترین مصرف بخار مربوط به بدنه آخر است .در واقع ،بیشترین سطح تبادل حرارت بین شربت و بخار مربوط به بدنه اول است و هرچه به سمت بدنه آخر پیش برویم ،سطح تبادل حرارت کمتر میشود .لذا با توجه به اینکه ابعاد و اندازه تبخیرکنندهها یکسان است ،بنابراین ارتفاع شربت در لولههای بدنه اول بیشترین بوده و هرچه به سمت بدنه آخر پیش برویم ،ارتفاع این لولهها کمتر میشود تا سطح تبادل حرارت کاهش پیدا کند. 46 کریستالیزاسیون پس از عملیات تغلیظ ،شربت تغلیظ شده وارد دستگاههای آپارات پخت میشود .شربت بایستی بهصورت لیکور استاندارد وارد آپارات شود .لیکور استاندارد یا شربت استاندارد ،در واقع بهترین شربت برای رفتن به مرحله کریستالیزاسیون است .برای پخت Iدر واقع لیکور استاندارد مخلوطی از شربت غلیظ خروجی از اواپراتور به همراه کلرس IIو کلرس IIIمیباشد .کلرس IIو IIIاز محصوالت حد واسط قسمت کریستالیزاسیون میباشد .در واقع کریستالیزاسیون و تبلور عملی است که در آن ماده از حالت نامنظم به حالت مرتب و منظم تغییر حالت میدهد ،در واقع یک روش جداسازی حرارتی است که از آن برای بدست آوردن یک ماده خالص از مخلوطی از مواد استفاده میشود. برای کریستالیزاسیون الزم است شربت به حالت محلول فوق اشباع برسد .محلول اشباع زمانی است که اگر مقداری از شکر را در ظرفی پر از آب بریزیم ،این شکر حل شده و این حل شدن تا زمانی ادامه دارد که دیگر شکر در آب حل نشده و در ته ظرف بهصورت رسوب باقی میماند؛ به این محلول ،محلول اشباع میگویند .با افزایش دما حاللیت شکر افزایش مییابد .حال اگر محلول اشباعی از شکر تهیه شود و آن را حرارت دهیم قادر است مقادیر بیشتر ساکارز را در خود حل کند .اگر این محلول به حالت خود باقی گذاشته شود و دمای آن کاهش یابد ،قسمتی از شکرهای حل شده بهصورت بلور در ته ظرف باقی میماند؛ به این محلول ،محلول فوق اشباع گفته میشود. شرط الزم برای کریستالیزاسیون ،کم شدن آب محلول از طریق تبخیر یا کاهش دما و رسیدن به حالت فوق اشباع است .در مورد حل شدن شکر و اثر حرارت بر آن میتوان گفت سه ناحیه قابل رویت است که در نمودار مشاهده میشود : .1مرحله اشباع یا Stable .2مرحله Metastable .3مرحله Intermediate .4مرحله Labileیا ( Unstableناپایدار) مراحل کریستالیزاسیون .1اعمال خأل و کاهش فشار در آپارات های پخت تا 0/4بار : در این فشار نقطه جوش آب 75درجه سانتیگراد است. .2شربتگیری : در اینجا ورودیهای آپارات باز شده و شربت را وارد دستگاه میکند .شربت به حدی پر میشود که 200میلیلیتر باالتر از سطح لولههای دستگاه قرار گیرد .برخالف اواپراتور ها ک یکسوم حجم و ارتفاع لولهها از شربت پر میشود. .3تبخیر بیشتر شربت تا رسیدن به مرحله فوق اشباع یا لحظه دانهبندی : در این مرحله شربت آماده شوک دادن و تحریک کردن است و درجه فوق اشباعی بسیار اهمیت دارد .بریکس ()Brix شربت در این مرحله حدود 82الی 83باید باشد .در هنگام شوک دادن از پودر شکر استفاده میشود. 47 .4رشد دانهها : با خوراک دادن متناوب ،عمل دانهبندی انجام میشود .هر چه فاصله خوراکدهی کمتر و تعداد دفعات خوراکدهی بیشتر باشد ،کیفیت کار مطلوبتر است. .5سفت کردن پخت : در این مرحله هدف باال بردن غلظت محتویات آپارات تا %92ماده خشک است. .6تخلیه پخت و پاشیدن آب روی آن : پس از تکمیل کریستالیزاسیون ،ماسکوییت از آپارات خارج میشود و دمای حدود 80درجه سانتیگراد دارد .به هنگام تخلیه وارد دستگاهی به نام ماالکسور (همزن) میشود؛ در اینجا کمی درجه حرارت کاهش پیدا کرده و درجه فوق اشباعیت شربت افزایش مییابد .برای اجتناب از تشکیل دانههای غیریکنواخت و کاذب ،توصیه میشود که به پخت تخلیه شده آب 75درجه سانتیگراد اضافه شود .معموالً میزان آبی که اضافه میشود حدود 0/5درصد وزن پخت اولیه است .پس محتویات ماالکسور در پخت یک و دو بالفاصله سانتریفیوژ میشود ،در حالی که در پخت سه باید یک مدتی بماند و بعد سانتریفیوژ شود. در دستگاه آپارات پخت یک سری شیشهها یا دریچههایی برای رویت محتویات دستگاه وجود دارد .همچنین شیر نمونه برداری نیز در قسمتی از دستگاه تعبیه شده است که بایستی در زمان مشخص تشخیص داده شود که چه موقع پودر شکر اضافه شود .این مرحله از چند طریق قابل تشخیص است : شربت در زمان مناسب به ویسکوزیته مناسب میرسد ،انتقال حرارت در نتیجه جوشش کندتر شده و حبابهای بخار حالت کشیده و دوکی شکل دارند .در اینجا زمان افزودن پودر شکر است. از طریق کش آمدن قطرات شربت یا ریزش قطرات شربت در حال ریختن است .اگر سریع ریزش کرد ،ویسکوزیته پایین است و اگر سخت ریزش کرد ،یعنی ویسکوزیته آن باال است. کش آمدن قطره شربت با قرار دادن یک قطره از آن در بین دو انگشت است .به این ترتیب هر چه شربت غلیظتر باشد ،در مسیر بیشتری در بین دو انگشت کش میآید. 48 کریستالیزاسیون سه پختی در کارخانجات قند به منظور افزایش راندمان تولید و کاهش میزان خلوص مالس تولید شده ،ترجیحاً از سیستم سه پختی استفاده میشود که در یک سیستم سه پختی ،نحوه عملکرد را میتوان بهصورت زیر بیان کرد : .1پخت : I اگر پخت Iرا بهعنوان نقطه شروع طباخی در نظر بگیریم؛ ابتدا مقداری شربت غلیظ بهعنوان پایه پخت به دیگ پخت وارد میشود .سپس مراحل طباخی به همان صورت که قبالً گفته شد ،طی میشود؛ یعنی این پایه پخت با تغلیظ تحت خأل به حالت فوق اشباع مناسب میرسد .عمل ورود کریستالهای شکر بهعنوان هسته اولیه انجام میشود و سپس عملیات پخت تا مرحلهای انجام میشود که این کریستالها یا هستههای اولیه به نحو مطلوبی رشد کرده باشند .به این ترتیب در دیگ پخت ما مخلوطی از کریستالهای شکر با پساب بدست میآید که "ماسکوییت" نامیده میشود .این ماسکوییت پس از تخلیه در قسمت ریز دیگ پخت که به نام "ماالکسور" میشناسند ،وارد قسمت سانتریفیوژ میشود و در سانتریفیوژ تحت تأثیر گردش بسیار سریع و نیروی گریز از مرکز ،پساب از آن جدا شده امّا کریستالهای موجود در آن در پشت صافی دستگاه باقی میمانند .پساب خارج شده در این مرحله "پساب ضعیف" نامیده میشود و درجه خلوص کمتری دارد .در مرحله بعد در حالی که سانتریفیوژ در حال گردش است با پاشیدن مقدار کمی آب یا بخار به کریستالهای باقی مانده در پشت صافی ،آنها را شستشو میدهند و مواد رنگی و ناخالصیهای سطح آنها تا حدی جداسازی میشود .پساب خارج شده در این مرحله نسبت به پساب قبلی ،درجه خلوص باالتری دارند و "پساب قوی" نامیده میشوند .پساب قوی در تهیه پخت Iقابل استفاده است ،در حالی که پساب ضعیف معموالً برای تهیه پخت II بکار میرود که "شکر سفید" مینامند و به دو صورت قابل استفاده است : میتوان آن را به مرحله خشک کردن فرستاد ،سپس آن را بستهبندی و آماده توزیع و مصرف کرد. برای تهیه کله قند یا قند حبّه به آپارات پخت قند فرستاد. کلرس ،در واقع شکری است که از پخت Iیا IIیا IIIخارج میشود که اگر در آب حل شود و مورد استفاده قرار گیرد، به نام کلرس خوانده میشود. .2پخت : II برای تهیه پخت IIمعموالً از پساب ضعیف پخت یک استفاده میشود ،اگرچه میتوان بر حسب شرایط از کلرس ،III آفینه و یا پساب آفینه استفاده کرد .آفینه به این ترتیب حاصل میشود که اگر شکر پخت IIIرا با مقدار کمی شربت رقیق با خلوص باالتر مخلوط کنند ،به صورتی که شکر در آن حل نشود و تنها حالت مرطوب به خود گیرد ،به این صورت آفینه تشکیل میگردد .در مرحله بعد می توان این آفینه را سانتریفیوژ کرد و پساب آن را در پخت IIیا III استفاده کرد .شکری که از این سانتریفیوژ آفینه حاصل میشود ،بر حسب درجه خلوص آن میتوان در مراحل مختلف طباخی از آن استفاده کرد. در پخت IIپس از طی کردن مراحل کریستالیزاسیون ،در نهایت محتویات دیگ پخت IIبهصورت ماسکوییت IIدر میآید و در ماالکسور دیگ پخت IIIهدایت میشود .حاصل سانتریفیوژ پخت ،IIپساب پخت IIو شکر زرد است. پساب این پخت هم مانند پخت Iمی تواند به پساب قوی و ضعیف تقسیم شود .در این صورت ،پساب قوی در همان پخت IIو پساب ضعیف در پخت IIIاستفاده میشود .شکر زردی که از این سانتریفیوژ حاصل میشود ،میتواند در آب حل شود و بهصورت کلرس ،IIپس از صاف شدن در تهیه پخت Iاستفاده شود. 49 .3پخت : III در تهیه پخت IIIمعموالً از پساب ضعیف پخت IIاستفاده میکنند .میزان ناخالصیها در پخت IIIزیاد است ،از این رو مدت الزم برای کریستالیزاسیون در پخت IIIطوالنیتر است .در این پخت از افزایش ناگهانی حالت فوق اشباع باید جلوگیری شود و عمل تغلیظ تدریجی و در دمای کم انجام گیرد .در غیر این صورت ،دانههای شکر بوجود آمده حالت غیریکنواخت دارند و ذرات بزر گ کریستال همراه با ذرات بسیار ریز کریستال را خواهیم داشت .این مسئله موجب میشود هنگام سانتریفیوژ قسمت زیادی از ذرات ریز شکر سریعاً حل شود یا از سوراخهای صافی عبور کند؛ در نتیجه ساکارز زیادی وارد پساب میشود و ضایعات قندی افزایش مییابد. پس از طی شدن مراحل کریستالیزلسیون ،دیگ پخت ما حاوی ماسکوییت IIIخواهد بود .این ماسکوییت در محفظهای به نام "رفریژرانت" در زیر دیگ پخت IIIتخلیه میشود که مدت باقی ماندن ماسکوییت IIIدر این محفظه نسبت به پخت Iو IIطوالنیتر است .در این محفظه با به جریان انداختن آب سرد دمای ماسکوییت را به حدود 45درجه سانتیگراد کاهش میدهند .این عمل موجب میشود ،حالت فوق اشباع ماسکوییت افزایش یا بر کریستالها هم دوام داشته باشد .وقتی ماسکوییت IIIسانتریفیوژ میشود ،حاصل کار شکر پخت IIIو پساب پخت IIIخواهد بود که به این پساب "مالس" گفته میشود .این مالس حاوی %50قند است ،امّا به علت زیاد بودن ناخالصیها با روشهای معمولی و کریستالیزاسیون ،قند آن قابل بازیافت نیست .شکر حاصل از این مرحله "شکر قرمز" نامیده میشود که بهصورتهای مختلفی همچون تهیه آفینه در مرحله طباخی استفاده میشود. زمان پخت در پخت Iحدود 2/ 2الی 5ساعت است ،برای پخت 5/2 IIالی ساعت است و برای پخت IIIبه 12الی 18ساعت میرسد .در حقیقت زمان پخت به درجه خلوص پخت بستگی دارد و با کاهش درجه خلوص ،زمان پخت بیشتر میشود. دیاگرام شربت پساب در سیستم سه پختی در مورد پساب ضعیف ،برخی منابع اصطالحا "شربت سبز" گویند .اصطالح "شربت سبز پخت اول" برای پساب ضعیف پخت Iو اصطالح "شربت سبز پخت دوم" برای پساب ضعیف پخت IIبکار میرود .در مورد پساب قوی ،برخی منابع اصطالح "شربت شستشو" استفاده میکنند. 50 کوسیان پختها و پسابهای کارخانه قند درصد کوسیان ()Q ماسکوییت I 92 - 95 پساب قوی I 90 پساب ضعیف I 78 - 80 ماسکوییت II 82 پساب قوی II 78 - 80 پساب ضعیف II 68 - 70 ماسکوییت III 74 مالس 60 سانتریفیوژ سانتریفیوژ با استفاده از نیروی گریز از مرکز مایع اطراف بلورهای شکر را جدا میکند؛ در واقع سانتریفیوژ دستگاهی است که عمل جداسازی شکر یا به اصطالح بلورهای تشکیل شده را از محلول خروجی پخت یا آپارات انجام میدهد. در اثر سانتریفیوژ کردن سه محصول بدست میآید شامل :شکر مرطوب ،پساب قوی و پساب ضعیف. زمانی که جداسازی بلور از پخت انجام میشود ،پساب خروجی را "پساب ضعیف" میگویند .بلورهای جدا شده برای اینکه خلوص بیشتری پیدا کنند با آب شسته شده و مقدار آب اضافه شده در این مرحله %3وزن پخت میباشد .در این حالت سانتریفیوژ کردن شکرهای شسته شده" ،پساب قوی" را ایجاد میکند ،که دارای خلوص باالیی بوده و برای پخت بعدی استفاده میشود .پس از شستشوی شکر با آب ،بالفاصله شستشوی شکر با بخار نیز انجام میشود .مقدار بخار اضافه شده حدود %3وزن پخت است .هدف از بخاردهی ایجاد جال ،تأللو و براقیت در شکر است .همچنین شستشو با بخار از کلوخه شدن شکر تولید شده جلوگیری کرده و تسهیل خروج آنها را از سانتریفیوژ به دنبال دارد. سانتریفیوژها اصوالً 1000الی 1100دور در دقیقه گردش دارند .زمانی که حدود 2000الی 3000دور دقیقه برسد، تغذیه سانتریفیوژ شروع میشود .در اثر نیروی گریز از مرکز ،پخت به دیواره سانتریفیوژ برخورد میکند و بطور یکنواخت در تمام دیواره توزیع میشود .بایستی دقت نمود مطابق با ظرفیت سانتریفیوژها باردهی انجام میگیرد؛ اگر بیش از ظرفیت باردهی شود ،امکان سر ریز کردن پخت از دیوارهها وجود داشته و ضایعات قندی نیز افزایش مییابد .بطور کلی مراحل سانتریفیوژ کردن شامل : .1باردهی و تغذیه سانتریفیوژ .2جدا کردن پساب از شکر تولیدی .3شستشوی شکر با آب و بخار .4توقف سانتریفیوژ .5تخلیه سانتریفیوژ الزم به ذکر است در پخت Iو IIعملیات سانتریفیوژ بالفاصله انجام میگیرد ،در حالی که در پخت IIIبدلیل باال بودن ناخالصی ها بعد از ماالکسور ،پخت وارد رفریژرانت شده و دما در آنجا کاهش مییابد تا عملیات کریستالیزاسیون تکمیل شود ،سپس وارد سانتریفیوژ میشود. 51 عوامل مؤثر در رشد کریستالهای شکر رشد کریستالها یک عمل انتقال جرم است ،یعنی انتقال مولکولهای ساکارز از فاز مایع اطراف کریستال به فاز جامد. یعنی کریستال الیهای از شربت فوق اشباع که کریستال را احاطه میکند ،باید از سیالیت مناسبی برخوردار باشد تا حرکت مولکولهای ساکارز برای پیوستن به کریستالها از طریق آن میسر باشد. اگر ویسکوزیته محلول زیاد باشد ،حرکت مولکولها در فاز مایع کم شده و رشد کریستالها با مانع مواجه میشود. دومین عامل درجه حرارت است .زیرا حالت فوق اشباعی ،تحرک مولکولی و ویسکوزیته محلول قندی تحت تأثیر درجه حرارت است .پس اگر درجه حرارت افزایش پیدا کند ،به علت کم شدن ویسکوزیته و افزایش تحرک مولکولی و همچنین افزایش سرعت نفوذ مولکولهای ساکارز در فاز مایع ،سرعت رشد کریستالها افزایش پیدا میکند. اگر pHهم کمتر از 7شود ،احتمال تجزیه ساکارز وجود دارد .به همین دلیل ،قلیاییت بیش از حد راندمان کریستالیزاسیون را کم میکند و pHمناسب در مرحله طباخی حدود 8است. چهارمین عامل ،درجه خلوص است .ناخالصیها از دو طریق رشد کریستالها را تحت تأثیر قرار میدهند؛ یکی بهصورت فیزیکی است ،یعنی موجب کاهش تحرک و نفوذ مولکولهای ساکارز میشوند و دوم حاللیت ساکارز را تحت تأثیر قرار میدهند ،مانند ناخالصیهایی از قبیل سدیم ،پتاسیم ،ازت و . ... محاسبه ضریب فوق اشباع در کریستالیزاسیون در مرحله اول کریستالیزاسیون ،باید شربت را مجدداً غلیظ کرد تا به حالت فوق اشباع برسد و در این مرحله زمانی که ضریب فوق اشباع به عدد 1/25الی 1/30رسید ،شوک فیزیکی یا حرارتی به شربت وارد شود تا هستههای اولیه کریستال شکر تشکیل گردد ،سپس تعداد آنها دائماً افزایش پیدا میکند .به این مرحله اصطالحاً "دانه گیری" میگویند. امّا دانهگیری و تشکیل کریستالهای جدید در یک نقطهای باید متوقف شود؛ به عبارت دیگر زمانی که تعداد کریستالها به حد معینی ( 1400عدد در هر میلیلیتر) رسید باید دانهگیری را متوقف کرد تا کریستالهای جدید تشکیل نشود، زیرا باعث میشود که اندازه آنها خیلی ریز شوند .بدین منظور باید ضریب فوق اشباع شربت را کاهش داد و به 1/05 تا 1/10رساند .در این ضریب فوق اشباع کریستالهای موجود درشتتر خواهند شد؛ به این مرحله "تغذیه دانه" گفته میشود .بنابراین مالحظه می شود که محاسبه ضریب فوق اشباع در مرحله تهیه پخت اهمیت خاصی دارد و باید با دقت کنترل شود .از این رو با استفاده از فرمول زیر ،ضریب فوق اشباع را محاسبه میکنند : مثال) اگر یک نمونه شربت یا پساب دارای بریکس ( 54 )Brixو پالریزاسیون ( 48 )Polو دمای 40درجه سانتیگراد باشد و حاللیت ساکارز در آب خالص 40درجه سانتیگراد برابر با 1/05در نظر گرفته شود ،ضریب فوق اشباع شربت مذکور را محاسبه کنید. = Pol = 48مقدار قند = 100 − Brix = 100 − 54 = 46مقدار آب 52 48 = 1.04 46 1.04 = 0.99 1.05 = = مقدار قند مقدار آب حاللیت ساکارز در محلول ناخالص با دمای معین حاللیت ساکارز در آب خالص با دمای معین = حاللیت ساکارز = ضریب فوق اشباع اکنون برای رساندن عدد 0/99به 1/25از آنجا که مخرج را نمیتوان تغییر داد ،پس باید صورت کسر تغییر کند و در صورت کسر دو عامل مقدار آب و مقدار قند موثر است و با کاهش آب میتوان آن را غلیظ کرد. 𝑥 = 1.25 1.05 𝑥 = 1.31 = حاللیت ساکارز در محلول ناخالص با دمای معین حاللیت ساکارز در آب خالص با دمای معین 𝑦 = 36.64 48 = 1.31 𝑦 = 100 − 36.64 = 63.36مقدار آب Brix = 100 − = = ضریب فوق اشباع مقدار قند مقدار آب = حاللیت ساکارز = 100 − Brixمقدار آب یعنی شربت را به قدری غلیظ میکنیم که بریکس ( )Brixبه 63/36برسد تا ضریب فوق اشباع 1/25حاصل شود. همچنین اگر بخواهیم به 1/10برسانیم ،همین مراحل طی میشود. نکته :هرچه ناخالصی بیشتر ،حاللیت ساکارز بیشتر است ،یعنی همیشه صورت کسر ضریب فوق اشباع باید بیشتر از مخرج آن باشد. ماالکسور ( )Mallaxureیا رفریژرانت شامل دو نوع ماالکسور میباشد : ماالکسور های متناوب ماالکسور های دائم 53 فلوچارت قند حبه فلوچارت قند کله 54