Получение сахара

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
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.

Диффузоры
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
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
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


Фантастический роман Небо в алмазах

Необычная обложка фантастического романа

Какой представляют читатели обложку фантастического романа? Космической с мириадами звёзд? Да, но это столь избитый приём, что он кажется уже скучным. Загадочной с мордами неизвестных существ? Да, но морды тоже не в новинку, а действительно оригинальных и при этом не вычурных существ в фантастике давно не встречалось. Волшебной с абстрактными образами? Да, но в романе Татьяны Латуковой «Небо в алмазах» нет волшебных сюжетов, это космическая опера в рамках логичной физики, без нарушений второго закона термодинамики.

Розетки на обложке
Нейтральное оборудование из нержавеющей стали

Стальная мебель

Огромные города и протяжённые трассы дорог через всю страну рождают спрос на ту сферу производства и услуг, что всегда была востребованной, однако её новые масштабы потребовали и новых стандартов качества, и новой культуры производства. Речь об общественном питании. Гигиеническая безопасность - первое и важнейшее условие работы любого продуктового цеха, любой кондитерской фабрики и пиццерии. Де-факто стандартом качества стали столешницы из шлифованной нержавеющей стали, обеспечивающие максимальную биобезопасность...

Нейтральное оборудование из нержавеющей стали