Mez ő gazdasági iparok Cukorgyártás

1. Mezőgazdasági iparokCukorgyártás Dienes Dóra Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék 2008. 02. 20. 8:15-9:45 Ch 302

2. Szacharóz (szukróz) édes, nem-redukáló diszacharid C12H22O11 glükóz (szőlőcukor) + fruktóz (gyümölcscukor) oldódás vízoldható hőbomlás melegítés 100-180°C → karamellizálódás forgatóképesség cukoroldatok a polarizált fény síkját jobbra forgatják 20°C répacukor fajlagos forgatóképessége +66,5° cukortermékek és cukortartalmú nyersanyagok (répa) cukortartalmának meghatározása hidrolízis →glükóz+fruktóz (invertcukor) inverzióveszély miatt a szacharóz tartalmú oldatokat: pH 7-10 (leginkább 8–8,5) között kell tartani inverzió veszély (hidrolízis): 6,5–6,7 pH alatt Kristályosodás túltelítés vagy beoltás Szacharóz a-D-glükozil(1,5)-b-D-fruktozid Cukorgyártás

3. Étkezési cukor cukorrépa → répacukor cukornád → nádcukor juharfa → juharcukor IV-VII. század nádcukor India cukornád → nádméz perzsák → Egyiptom → Szicília → Spanyolország→ keresztes hadjáratok → Európa többi része Magyarország XV. század 1490: cukornád → Amerika XIX. század répacukor Cseh-, Franciaország Cukorgyártás - alapanyagok a növény gyártja, mi csak kivonjuk, tisztítjuk CO2 + víz + klorofill +napfény → cukor cukorrépa levél: invertcukor →gyökérbe →répacukorrá alakul Cukorgyártás

4. Felhalmozódás 4–6 méter hosszú, húsos, bütykös szárának levében Összetétel, % eltér a répáétól aránylag sok invertcukrot és szabad növényi savakat, de kevesebb nitrogénvegyületet (fehérjét, aminosavat) tartalmaz összetétel = f (fajta, éghajlat, művelés, talaj, időjárás ) → 13-15% cukor + 0,2-0,6% invertcukor Feldolgozás apró darabokra tört nád →sajtolás (vízzel újra) → lé 60-90%-a → derítés mésztejjel (mennyisége a lé 0,1%-a) → melegítés 88°C-ra → fehérje és mészsó kiválás, habképződés → hab eltávolítása → ülepítés → leöntés → szűrés → bepárlás → kristályosítás → finomítás melasz → erjesztés → rum Cukorgyártás - alapanyagok cukornád - Saccharum officinarum Cukorgyártás

5. Felhalmozódás Földközi-tenger partjain vadon termő burgundi répából nemesítés által kitenyésztett változat felhalmozódás a megvastagodott gyökérben cukortartalom = f (éghajlat, talaj és egyéb tényezők) → 12-24% Összetétel, % rost 5 cukor 17 nemcukor 3 víz 75 Nemcukor anyagok növényi savak sói, fehérjék, aminosavak, betain, továbbá igen kis mennyiségben invertcukor, glükozidok, zsír, gyantaanyagok, nyálkaanyagok, enzimek Cukorgyártás - alapanyagok cukorrépa - Beta maritima var. saccharifera Cukorgyártás

6. Lényerés - kivonás tisztított, felszeletelt cukorrépa + melegvíz: diffúzió  diffuzőr Létisztítás Meszezés: szennyezett cukoroldat + mész → a növényi savak oldhatatlan kálciumsók formájában kiválnak Kicsapás: mész fölösleg + CO2 bevezetés → CaCO3 Szűrés → barna színű cukoroldat Bepárlás és kristályosítás Vákuum bepárlás → kivált sárga nyerscukor kristályok Centrifugálás, forró gőz bevezetés elválasztás a sűrű barna anyalúgtól (melasz) a gőz a kristályokon lecsapódik és feloldja a melasz réteget, majd kicentrifugálódik Feloldás vízben, derítés csontszénnel Bepárlás → tiszta kristályok Cukorgyártás - technológia cukorrépából Cukorgyártás

7. Tárolás szedés, feldolgozás: októbertől enzimtevékenység → cukortartalom csökkenése invertáz enzim → invert cukor → légzési enzimek bontják → hőmérséklet csökkentése → tárolás: 0-3°C → idényjellegű ipar, kampány: 80-100 nap Előkészítés a beszállítás előtt fejelés: eltávolítják a répa kis cukortartalmú fej- és farok részét Tisztítás gyárba szállított cukorrépa → mintázás (K, Na, N-tartalom) tárolás un. prizmákba (levegőztetés) rakva vagy közvetlen feldolgozás → hosszú, árokszerű csatornákba: úsztatók a tárolt répát víz szállítja be a gyárépületbe → a mosógép megtisztítja a földtől, a kövektől és a gaztól Technológiai lépések Tárolás Előkészítés Tisztítás Cukorgyártás

8. Szeletelés tisztított répa → vágógépekbe → vékony csíkok, szeletek (háztető alak) → lé nyerés megkönnyítése diffúzió sebessége = f (répaszelet felülete, kidiffundálás útja) → finomabb aprítás túlzott aprítás → nem cukor anyagok kioldódása + kis mechanikai szilárdság miatt összetömörödés (nem átrjárható) → az aprítás mértékét optimalizálni kell szeletelés minősége (szilin szám): 100 g szeletke együttes hossza m-ben (durvább 8-12 m, finomabb 20-25 m) Kilúgzás répaszelet (un. édes szelet): cukor az ép sejtek levében → kinyerés: a sejtfal felszakításával / diffúzióval diffúzió: minél kevesebb idegen anyag kinyerése a cukor mellett → tiszta vízzel plazmolízis: hőhatás → sejtfal membrán fehérjék elhalása → átjárható az oldott anyagok számára 50-60°C: lassú, 80°C: 10 perc, >80°C: sejtfal károsodás (megfő) optimális: 70-75°C pH 5,5-5,6 + Ca2+ adagolás, hogy a pektin ne oldódjon ki Technológiai lépések Szeletelés Lényerés Cukorgyártás

9. Technológiai lépések Lényerés Diffúzió Fick: S – az F felületen átdiffundáló anyagmennyiség D – diffúziós állandó F – a felület, melyen a diffúzió végbemegy C – tömény oldat koncentrációja (répaszeletben) c – híg oldat koncentrációja (a kilúgzó lében) x – diffúziós réteg vastagsága t – diffúziós idő hajtóerő a konc. gradiens: Dc/x, azaz az egységnyi távolságra eső konc. különbség Einstein: K – állandó = f(molekulaméret) T – absz. hőmérséklet h – a víz viszkozitása adott hőmérsékleten szelethossz → F, x kilúgzó lé mennyisége / ellenáram → konc. gradiens: Dc/x Cukorgyártás

10. Technológiai lépések Lényerés forrázó teknő (80°C: plazmolízis + diffúzió) toronydiffúzőr 70-80 perc diffúziós torony diffúziós teknő 120-140 perc 80°C: plazmolízis + diffúzió Cukorgyártás

11. Technológiai lépések Létisztítás Lélehúzás: 100 tömegrész répaszeltből hány tömegrész nyerslé, % Diffúzió → zöldes szürke / fekete nyerslé 120-170 g/l cukoroldat pH 6,0-6,5 tisztaság: cukor/össz. sza. 85-88% Létisztítás → nemcukor anyagok eltávolítása → kioldott szerves savak és alkáli sóik → rosszul oldódó Ca-só → anionok kicsapása → rosszul oldódó Ca-só → invertcukor → szerves sav → lében levő / keletkező színes anyagok eltávolítása Meszes-szénsavas eljárás nyerslé + mésztej (Ca(OH)2)→ nemcukor anyagok kicsapható formában → CO2 bevezetés → CaCO3 szűrő-derítő anyag → szaturálás → jól szűrhető nemcukor anyagok → minimális cukorveszteség → a keletkező anyagok ne gátolják - a cukorkinyerést - a bepárlást Cukorgyártás

12. Technológiai lépések Létisztítás Meszes-szénsavas eljárás mészkő égetés a cukorgyáron belül → mésztej és CO2 eá. I. Előderítés 1,5-2,5 kg/m3 CaO egyenérték mésztej → pH 10,8-11,2 → fehérjék, kolloidok kicsapása → oldott szerves savak és alkálisók egy része → rosszul oldodó Ca-só csapadék II. Főderítés/főmeszezés → az invertcukor és savamidok elroncsolása → a kicsapott iszap szűréséhez szükséges CaCO3-hoz elegendő mész biztosítása (+9-20 kg/m3 egyenérték mésztej) III. Szénsavazás 1. CO2 bevezetés → pH 10,8-11,2 → előderítés csapadéka+kivált CaCO3 szűrése IV. Szénsavazás 2. szűrlet + további CO2 bevezetés → Ca2+ felesleg eltávolítása szűréssel Cukorgyártás

13. + CaO kolloid Ca2+ H+, K+, Na+ Technológiai lépések Létisztítás - Derítés Derítés kolloidok a nyerslében: - töltés, hidrátburok (+ töltés: H+, K+, Na+) kicsapási optimum: pH 3,5 és 10,8-11,2 savas → inverzió  lúgos kicsapás (Ca2+ ioncsere) Cukorgyártás

14. Technológiai lépések Létisztítás - Derítés Előderítés Ca2+ ioncsere =f(idő) egyenlőtlen / hirtelen meszezés → nem teljes Ca2+ ioncsere → nyálkás, nehezen szűrhető csapadék → helyi túlmeszezés → kicsapódott kolloidok visszaoldódása • többlépcsős (un. progresszív) derítőberendezés későbbi fázisból nagy szemcseméretű CaCO3 csapadék szuszpenzió visszavezetése → adszorbeál Cukorgyártás

15. Technológiai lépések Létisztítás - Derítés Főderítés/főmeszezés nagyobb mészadag rövidebb idő: néhány perc ( előderítés: 10-15 perc) 75-85°C a folyamatban: invert cukor → szerves savak (szacharóz → szerves savak) (kicsapódott kolloid fehérje visszaoldódása túllúgozás esetén) az adagolt CaO → CaCO3 szükséges a csapadék szűrhetővé tételéhez szaturáció → CaCO3 nagyfelületű, adszorbeálja az invertbomlás és a nyerslé színes anyagait Cukorgyártás

16. Technológiai lépések Létisztítás - Szénsavazás Szénsavazás/szaturáció CO2 bevezetése 2 lépésben 1. CO2 → optimális pH (pH 10,8-11,2) beállítása CO2 → CaCO3 → szűrési segédanyag → lé szűrés, tisztulás + szacharóz visszanyerése a Ca-szacharátokból CaCO3 szemcseméret: szűréshez elég durva derítéshez elég finom, nagyfelületű CO2 → Ca2+ ionkonc.  szaturáció 1 lépésben →Ca2+ ionkonc.  → koagulált kolloidok peptidizálódása (megkötött Ca2+ ionok  1értékű ionok)  előderítés végső pH (Ca2+ ionkonc.) elérése → CO2 bevezetés leáll → mésziszap szűrése szűrés: ülepítők / zagysűrítő szűrők → 25-30% sza. zagy → vákuumdobszűrő → ülepített lé → szűrés kovaföld / perlit szűrőrétegen 2. további CO2 bevezetése a mésziszap eltávolítása után → minimális maradék Ca2+ Cukorgyártás

17. Technológiai lépések Létisztítás Cukorgyártás

18. Technológiai lépések Létisztítás - Ioncsere Ioncserés tisztítás ionos nemcukor anyagok eltávolítása: kation- és anioncserélő gyantákkal Ca2+ és Mg2+ hátrányosak a bepárlásnál: lerakódások előnyösek bepárlás után: szacharóz kristályosodási hajlama   bepárlás előtt: Ca2+ → 2 Na+ ioncsere bepárlás után: 2 Na+ → Ca2+ ioncsere Cukorgyártás

19. Technológiai lépések Bepárlás Létisztítás → 130-160 kg/m3 cukorkonc. Bepárlás → 600-650 kg/m3 cukorkonc. 4 fokozatú bepárló nyomás alatti (>100°C) / vákuumrendszerű (65-70°C) / vegyes - kémiai változások: invertcukor és savamidok teljes bomlása mészsók és karbonátok bomlása cukor karamelizálódása → pH  (→ invertcukor képződése és bomlása + karamelizáció → lé sötétedése) - mészsók kirakódása a fűtőfelületre  szóda-adagolás → alkalitás pótlása Cukorgyártás

20. Kristálycukor gyártása sűrűlé → egyszeri kristályosítás túltelítettségi tényező: H – g cukor / g túltelített oldat H1 – oldhatósági szám: g szacharóz / g tiszta víz adott hőmérsékleten túltelített oldat → gócképződés gócok / növekvő kristályok felületén átmeneti réteg (vonzás kifelé) azon kívül diffúziós réteg → ebből cukormolekulák lépnek a kristályrácsba  túltelítettség  → új molekulák vándorolnak a diffúziós rétegbe Szakaszos vákuumkészülékben (a cukor hőérzékenysége miatt): → 1,2-1,25 túltelítettség → cukorpor adagolása → egyenletesebb kristálynövekedés ( spontán gócképződés) → sűrűlé beszivatás → 1,1-1,15 túltelítettség → kristálynövekedés ( gócképződés) → elpárlás → beszivatás → elpárlás → beszivatás → elpárlás → 90-93% sza.-tartalom leengedett anyag → tárolás: pépkavaró → lehűlés: gyors túltelítődés → porképződés  hígítás vízzel / híg cukoroldattal Cukorgyártás

21. Kristálycukor gyártása pépkavaró → centrifugába → lefolyó anyalúg: zöldszörp → kristályok mosása vízzel és gőzzel: fedés (affinálás) → lefolyó cukros oldat: fehérszörp cukorkristályok oldódnak bele  tisztább, mint a zöldszörp 1. kristályosítás → I. termék (a lében levő cukor 50-55%-a): kristálycukor I. termék szörp → kristályosítás → centrifugálás → II. termék II. termék szörp → kristályosítás → centrifugálás → III. termék III. termék szörp: melasz I. termék: megfelelő tisztaság  kristálycukor II., III. termék → tisztítás: átkristályosítás / finomítás (átkristályosítás anyalúgja: fehérszörp) melasz: sok nemcukor anyag  a cukor kristályosítással nem nyerhető ki kb. 20% víz, 48% cukor, 32% nemcukor anyag tisztasági hányados: kb. 60% → takarmányozás, élesztő- és szeszgyártás nyersanyaga Cukorgyártás

22. Technológiai lépések Bepárlás Cukorgyártás

23. Cukorfinomítás Raffinálás Cukor → feloldás → kezelés felületaktív anyagokkal → kristályosítás → kristálycukor, kockacukor Feloldás: tiszta vízzel / híg lével gőzzel fűtött keverős edényben alkalitás beállítása mész adagolással 10 g/m3 CaO értékre Tisztítás: csontszénnel / aktívszénnel / derítőgyantával csontszén: megköti a színanyagokat és sókat nem köti meg a fehérjéket / azok bomlástermékeit tornyok összekapcsolva → telep kimerült csontszén regenerálása: savas kezelés és izzítás szükséges mennyiség: II. és III. termék cukormennyiség 80-100%-a drága aktívszén: nagy C-tartalmú alapanyagból aktiválással N-tartalmú szennyeződések megkötése bekeverés a derítendő lébe → szűrés / szűrőfelületre rétegezés → derítendő oldat átnyomása szükséges mennyiség: cukormennyiség 0,05-0,4%-a színtelenítő gyanta: erősen szennyezett utótermék finomítására, híg oldatban (25-40% sza.) anioncserélők (megkötés semleges/savas, deszorpció lúgos közegben) Cukorgyártás

24. Felhasználás I. Édesítésre Kereskedelemben kapható cukor • Répacukor (közönséges répa 3-4 % cukor →nemesítés → 20-22%) fehér barna (fehér+melasz) • Nádcukor melasz-tartalommal (finomítatlan) II. Erjesztés → etanol Cukorgyártás

25. Magyarország cukorrépa 1808 Ercsi - mezőgazdasági cukorkészítő üzem (1806 napóleoni kontinentális zárlat → a nádcukor nem juthatott be Európába → répacukor gyártás) 1830 - két cukorgyár építése (Nagyfödémes, Bátorkeszi) 1848 előtt döntően nagybirtokok cukorgyártó üzemeiben 1848 után osztrák ipari tőke 1848-1967 nagyiparrá válás 1868 az osztrák érdekeltség mellett magyar és német tőke I. világháború kitöréséig Magyarországon 31 cukorgyár működött I. világháború után az új határok között 12 cukorgyár maradt II. világháborút követően a cukorgyárakat államosították 1979 Kabán létesített Hajdúsági Cukorgyár rendszerváltozáskor Magyarországon 12 cukorgyár működött privatizáció → osztrák, brit, francia többségi tulajdon 2007 már csak két működő gyár: Magyar Cukor Zrt. Kaposvár, Mátra Cukor Zrt. Szerencs Cukorgyártás