Получение сахара

Б. И. Меншуткин

Из дисахаров С₁₂Н₂₂O₁₁ наиболее интересным является обыкновенный сахар, тростниковый или свекловичный (нередко называемый «сахарозой».

История сахарозы полна любопытных моментов, характеризующих, как мы увидим, взаимную борьбу тростникового и свекловичного сахара за преобладание на европейском рынке. Потребность в сладких веществах, конечно, всегда существовала в человеческой природе, и, несомненно, с самых отдалённых времён жителям тёплых стран были известны растения, обладающие сладким соком; но первым по времени сахаристым материалом, применявшимся в пищу, вероятно, ещё в доисторические времена и служившим предметом мены и потом торговли, был, вне сомнения, мёд — продукт, извлекаемый пчёлами из цветов растений. Древние, по видимому, широко пользовались им для изготовления сладких, а затем и опьяняющих напитков — название медок для последних сохранилось ещё до нашего времени. До войны 1914 года на вывесках портерных красовалась традиционная надпись: пиво, портер, мёд; но продававшийся мёд имел мало общего с напитком древности.

Растение, в котором раньше других было обнаружено присутствие большого количества сахара, был сахарный тростник, произрастающий исключительно в жарких странах. За 200 лет до нашей эры сладкий сок его уже употреблялся в пищу китайцами и индусами. Затем из Китая и Индии сахарный тростник начал распространяться по тем странам, где для него имелись подходящие климатические условия: в Египте, Греции, Сицилии. Известно, что в VIII в. нашей эры сахар в твёрдом виде служил уже предметом торговли персов, в IX в. арабы усиленно разводили сахарный тростник в Египте, Сирии, Испании, на Крите и торговали сахаром. В XV в. португальцы ввели культуру сахарного тростника па острове Мадера и в Бразилии, испанцы — в Вест-Индии и на Канарских островах, голландцы — на Яве и Гвиане; так, постепенно, сахарный тростник распространился по всему свету, в тропических и подтропических странах. Вместе с этим растёт и потребление сахара, главным образом в Европе, куда вывозился тростниковый сахар тёплых стран; торговля сахаром находилась поэтому в руках народов мореходных — португальцев и голландцев — и в XVIII в. сосредоточилась у англичан.

Тем временем появился незаметный на первых порах конкурент тростникового сахара — свекловичный сахар, та же самая сахароза, найденная, вероятно, ещё в конце XVII в., в свёкле; в 1747 г. берлинский аптекарь Маргграф показал, что в соке кормовой свекловицы количество сахара достигает 6% и что возможно техническое добывание сахара из этого сока: это и осуществил ученик его Карл Ахард в 1801 г., основавший в своём имении в Коперне (Силезия) первый свеклосахарный завод. Но завод этот оказался нежизнеспособным: удавалось извлекать только половину сахара, содержащегося в соке свекловицы, и выработка его стоила значительно дороже, чем готовый продукт. Поэтому несмотря на субсидию короля Фридриха-Вильгельма Прусского производство свекловичного сахара тогда прекратилось.

Вскоре, однако, дела на материке Европы сложились так, что вспомнили о свекловичном сахаре. Как известно, в 1806 г. по почину Наполеона Франция и союзные с нею государства установили континентальную блокаду против Англии, и подвоз английского тростникового сахара прекратился. Наполеон решил заменить его продуктом собственного изготовления — сахаром из свекловицы. Прежде всего, он поручил учёным Франции разработать во всех подробностях добычу сахара из свекловичного сока в лаборатории, затем призвал техников и инженеров для перенесения в заводскую практику результатов научных исследований. Была ассигнована огромная по тому времени сумма денег — до миллиона франков — на устройство заводов и разведение свекловицы; площадь, занятая под её культуру, быстро увеличивалась и вскоре измерялась несколькими десятками тысяч гектаров. В результате всех этих мер в 1814 г., когда после битвы под Ватерлоо окончилась континентальная блокада, основы свеклосахарной промышленности были прочно заложены; заводы и после этого постепенно совершенствовались, и в 1828 г. Франция насчитывала 58 сахарных заводов, выпускавших ежегодно до 30000 т сахара.

Конечно, после снятия континентальной блокады тростниковый сахар немедленно появился на материке Европы; но он уже не мог вытеснить совершенно свекловичный сахар, свеклосахарная промышленность продолжала развиваться и к середине прошлого века пришла в цветущее состояние, покровительствуемая правительствами. Производившими свекловичный сахар странами были Франция, Германия и Австрия, а через несколько лет к ним присоединились Бельгия и Россия, где первые начинания в этом направлении относятся ещё к самому началу прошлого столетия. Предвидения Наполеона осуществились вполне — свекловичный сахар сделался опасным конкурентом тростникового сахара, и от этого страдали прежде всего английские плантаторы Вест-Индских островов, в то время дававших главное количество тростникового сахара.

Производство того и другого сахара почти сравнялось в 1855г. (было получено около 1 500000 т каждого, всего 3000000 т), затем держалось в течение многих лет на одинаковом уровне, всё время увеличиваясь в одной и той же пропорции, а с 1890-х годов свекловичного сахара добывалось уже больше тростникового.

Подача сахарной свёклы на завод по гидравлическому транспортёру

Увеличение добычи свекловичного сахара во второй половине XIX столетия и в начале нынешнего обусловлено прежде всего трудами первоклассных учёных, приложивших все свои знания к разрешению задач, возникавших в технике свеклосахарной промышленности. Вряд ли в какой другой области органической промышленности сделала столько наука, как здесь; главные её достижения касаются двух областей: а) улучшения способов извлечения и очистки сахара из свекловичного сока; б) увеличения содержания сахара в свекловице. Первые были настолько усовершенствованы, что в настоящее время стало возможным на новейших свеклосахарных заводах извлекать более 90% всего содержащегося в соке сахара.

Увеличение содержания сахарозы в свекловице кажется более трудно разрешимой задачей, но и это было достигнуто путём производившейся с середины прошлого века учёными агрономами «селекции», т. е. тщательного отбора и культивирования отдельных сортов свекловицы, показывающих наибольшее содержание сахара. Результаты работы их поразительны: в 1850-х годах сок свекловицы содержал около 6% сахара, ныне же имеются сорта, дающие сок с 19% и более. Такое содержание значительно превосходит содержание сахарозы в тростниковом соке, где оно не бывает выше 19%, а в среднем, например на Кубе, составляет около 13%. Постепенное увеличение содержания в свекловице сахарозы хорошо показывают такие цифры: одна тонна свекловицы в 1836 г. давала около 60 кг сахара, в 1871 г. — около 100, в 1900 г. — около 150 и в 1913 г. — около 165 кг сахара.

Переходя к способам выделения сахара, опишем в самых общих чертах приготовление только свекловичного сахара, которое складывается из таких главных операций:
а) выделение сока из бураков (техническое название корней свекловицы),
б) очистка этого сока,
в) выпаривание его для кристаллизации сахара,
г) отделение кристаллов сахара от жидкости,
д) получение сахара-рафинада (производится обыкновенно на особых заводах — так называемых рафинадных.

«Кампания» сахароваренного завода продолжается каких-нибудь три-четыре месяца в году, осенью: торопятся переработать всё количество бураков, так как при лежке свекловица «съедает» понемногу свой сахар, и содержание его в бураке уменьшается.

Рис.1. Диффузоры: Д — диффузор, Б — бункер со стружкой свеклы,
К — конвейер, подающий стружку з диффузоры через трубку Т;
в желоб Ж вываливается обессахаренная стружка-жом.

В бураке, из которого надо извлечь сахар, последний расположен неравномерно: наибольшее количество его наблюдается в наружных слоях средней части бурака, оно затем уменьшается по направлению к центру, книзу и, в меньшей степени, к верхушке бурака. Прежде путем прессования из бураков выдавливали сок с содержащимся в нём сахаром, но теперь для выделения сахара применяют исключительно диффузионный способ, как более выгодный, позволяющий более полно удалить сахар. Способ этот заключается в том, что мелко нарезанные в стружку бураки обливаются тёплой водой; сахар, находящийся внутри отдельных клеточек, из коих построен весь бурак, проходит через стенки их — как говорят, «диффундирует» в воду. Это производится в так называемых диффузорах, которые по нескольку (до 10) соединяют в одну батарею; каждый из них представляет собой железный цилиндр, вместимостью до 80 гектолитров, нижняя часть которого соединяется перепускной трубой с верхней частью следующего; кроме того, каждый соединён с водопроводом и трубой, отводящей сок. Свежая вода поступает в диффузор с уже обработанной водой стружкой, а в диффузоры со свежей стружкой входит вода, уже побывавшая в нескольких диффузорах и содержащая значительное количество сахара. Таким путём достигается, с одной стороны, получение сока с наибольшим количеством сахара, с другой — производится возможно более полное извлечение сахара из бурака (остаётся не больше 0,3% сахара при умелом ведении дела). Оставшаяся («высоложенная») стружка прессуется, высушивается и под названием жома идёт на корм скоту.

Свекловичный сок содержит обычно около 17 — 18% сахарозы, не более 2 - 5% несахара, т. е. разных органических веществ и солей, выщелоченных из клеточек; остальное — вода. Очистка его имеет целью удалить несахар для выделения возможно большего количества сахарозы. Но даже при самых совершенных современных приспособлениях это удаётся только отчасти и производится, прежде всего, прибавлением к соку 2 — 2,5% гашёной извести при 60' (операция «дефекации»), чтобы выделить примеси в виде осадка, не растворимого в воде; когда это произошло, пропускают угольный ангидрид (процесс «сатурации») для осаждения избытка взятой извести в виде углекальциевой соли. Дефекацию и сатурацию затем повторяют с отфильтрованным соком, но применяя меньшие количества извести (0,2%), и сок снова фильтруют.

Выпаривание очищенного сока производится в две операции: выпаривания на сироп и уваривания на утфель — кристалличеческую полужидкую массу с содержанием около 85% сахара. Первая операция ведётся в больших железных цилиндрах, соединенных вместе по шести, где нагревание производится паром Выпаренный до сиропа сок обыкновенно бывает окрашен в темный цвет и нередко содержит осадок несахаристых веществ, почему его часто подвергают. повторной сатурации сернистым газом и фильтрованию, а затем увариванию под сильно уменьшенным давлением в цилиндрических, так называемых вакуум-аппаратах, из которых может быть вытянут воздух. Как известно, температура кипения всякой жидкости зависит от того давления, под которым она находится: чем меньше это давление, тем ниже температура кипения жидкости. Потемнение сахарного раствора вызывается разложением при температуре его кипения оставшегося в нём сахара; чем ниже температура кипения, тем меньше разлагается несахар и тем меньше темнеет раствор. В вакуум-аппарате давление понижается настолько, чтобы сахарный сироп, кипящий под атмосферным давлением значительно выше 100, кипел не выше 60 градусов. В результате такого уваривания остаётся утфель — полужидкая, бурая масса, из которой при охлаждении кристаллизуется сахар.

Выделение из утфеля сахара-сырца производится в больших (около 1,5 м диаметра) центрифугах, делающих до 1000 оборотов в минуту; под влиянием быстрого вращения кристаллы сахара отделяются от жидкости, и получается твёрдый «первый продукт» и первая патока, густая, бурая жидкость. Последняя опять подвергается увариванию на утфель и по окончании его даёт при центрифугировании «второй продукт» сахара-сырца и патоку. Таким образом, конечными продуктами в этой стадии производства являются два продукта — сахар-сырец и патока; из 100 кг бураков с содержанием 17% сахарозы в среднем получают 14,3 кг первого сахара-сырца («б астра»), содержащего 96% сахарозы; 1,4 килограмма второго сахара-сырца с содержанием 92% сахарозы, и 2,2 килограмма патоки, заключающей 50% сахарозы: всего в этих продуктах, как показывает подсчёт, содержится 16,12 кг сахарозы, следовательно, потеря сахарозы при её добыче составляет всего 0,9% от веса бураков.

Центифуги на сахарном заводе

Рафинирование сахара-сырца позволяет получить химический индивидуум — сахарозу. В СССР оно обыкновенно совершается путём обработки сахара-сырца клерсом (насыщенным, раствором чистого сахара в воде) в центрифугах для его просветления (клерс отмывает от кристаллов сахара приставшую к ним бурую патоку) и растворением сахара в воде. После химической очистки такого раствора, если она требуется, раствор фильтруют через костяной уголь, поглощающий все примеси и делающий раствор бесцветным, а также улучшающий вкус продукта.

Профильтрованный сироп уваривается в вакуум-аппарате, полученный утфель помещается в конические жестяные формы, внутри вылуженные, поставленные верхушкой вниз, в них он медленно охлаждается и отлагает кристаллы сахара. Для удаления оставшейся между кристаллами жидкости открывают пробки выпускных отверстий в верхушках форм, дают жидкости стечь, наливают поверх кристаллической массы клерса, просачивающегося между кристаллами и вытесняющего находящуюся между ними жидкость. Такую «заливку» повторяют несколько раз, пока из отверстия верхушки формы не начнёт вытекать чистый клерс; .тогда сырые головы сахара вынимают из форм, высушивают и обтачивают. Обыкновенно прибавляют к сахару-рафинаду небольшое количество безвредной синей краски, например, ультрамарина, чтобы придать ему ярко-белый вид.

Выпуск сахарного песка на заводе

Сахарный песок получается промыванием в центрифугах первого сахара-сырца клерсом, чтобы смыть с кристаллов жёлтую патоку, затем кристаллическая масса песка высушивается, причем кристаллики всё время находятся в непрерывном движении, что предохраняет их от спекания. Из патоки можно выделить часть оставшегося в ней сахара только рядом химических операций, но не увариванием; на них останавливаться здесь мы не будем.

Источник: «Книга для чтения по химии, ч.2». Изд-во министерства просвещения РСФСР, 1956., стр. 410-420