За матеріалами статті на тему «Виробництво цукру та біоетанолу з цукрових буряків та жому» («Production of beet sugar and bio-ethanol from sugar beet and its bagasse») журналу «Міжнародний журнал інженерних тенденцій та технологій» («International Journal of Engineering Trends and Technology») №4, січень 2017 р.

Про цукор

Цукор — один із найпопулярніших продуктів на світовому ринку. Цукор (так звана сахароза) — це вуглевод, який зустрічається в природі в більшості фруктів та овочів. Це основний продукт фотосинтезу, процесу, за допомогою якого рослини перетворюють енергію сонячного світла у харчові продукти, такі як цукор. Відповідна добре відома фотохімічна реакція, яка відбувається в рослинах, показана в наступній реакції:

12CO₂ + 11H₂O → C₁₂H₂₂O₁₁ + 12O₂

Сахароза зустрічається у великих кількостях у цукрових буряках та цукровій тростині, з яких її виділяють та використовують як підсолоджувач в побутових умовах, а також як промислову сировину для виробництва таких хімічних речовин, як етанол, ацетон, ацетальдегід, тощо. Цукор — загальний термін для класу підсолоджуючих речовин, що використовуються як харчові інгредієнти в харчовій промисловості. Як натуральна поживна речовина, цукор, також відомий як сахароза, є життєво-важливим компонентом нашого щоденного раціону.

Цукор — це речовина, попит на яку ніколи не зникне, і яка має широке застосування у харчовій галузі, а також у хімічних та біохімічних реакціях, за допомогою яких перетворюється на інші корисні продукти. Вважається хорошим джерелом енергії, а також широко використовується в продуктах харчування, виконуючи функції підсолоджувача та смакової добавки. Лише 5% цукру використовуються для виробництва нехарчової продукції при хімічних або біохімічних перетвореннях сахарози, яка біологічно розкладається і є нетоксичною. Також існують можливості виробництва, що виходять із анаеробного метаболічного розпаду (ферментації) молекул сахарози в біоетанол, який використовується як паливо або добавка до палива, та типові продукти ферментації, такі як дріжджі, органічні розчинники та кислоти (лимонна та молочна кислота), оцет та амінокислоти. Цукор поділяється на тростинний та буряковий з урахуванням унікальних характеристик виробництва. Загалом виробництво бурякового цукру є більш конкурентоспроможним, порівняно з тростинним цукром. У регіонах-виробниках цукрових буряків виробництво тростинного цукру замінили на буряковий цукор, що дозволяє збільшити виробничі та переробні потужності місцевих заводів. Буряковий цукор, який виробляється на бурякопереробних заводах, і тростинний цукор, який виробляється на тростинних заводах, є ідеальними замінниками один одного, але їх виробничі процеси абсолютно різні.

Цукрова сировина

Майже три тисячі років тому людство почало використовувати цукор (сахарозу) для підсолоджування їжі. До 1750 року виробництво цукру існувало за рахунок цукрової тростини, яка вирощувалася в тропічних і субтропічних регіонах та поставлялася по всьому світу. У 1880 роках німецький хімік Андреас Марґграф вилучив перший цукор із буряка (Beta Vulgaris), цукровий буряк поступово замінив тростину та став основною сировиною для виробництва цукру в Континентальній Європі. Крім того, спочатку цукровий буряк вирощували в основному для використання в якості корму для тварин, а пізніше виявлений в ньому цукор виявився аналогічним до тростинного цукру. Зазвичай у багатьох країнах цукор виробляється у великих обсягах як із цукрової тростини (Saccharum officinarum), так і з цукрового буряка (Beta vulgaris), вони є конкурентами і вирощуються у різних погодно-кліматичних умовах.

Інші види сировини для виробництва цукру можуть включати солодкі м'ясисті плоди фінікової пальми (Алжир, Ірак), які містять до 81% цукру в складі твердих речовин, пальмовий цукор, отриманий з різних видів пальм, таких як пальмірська пальма, сагова пальма або тодді-пальма, кокосова та ніпа пальма, які ростуть в Індії, Шрі-Ланці, Малайзії, Філіппінах і т.д.

Вміст цукру в цих видах сировини дуже низький та становить близько 5% із незначною кількістю рафінози та декількома іншими олігосахаридами невідомої структури. Такий цукор продається в концентрованому вигляді або як кленовий сироп чи кленовий цукор. Ароматичні речовини є важливими складовими цих продуктів. Сироп також містить різні кислоти, наприклад, лимонну, яблучну, фумарову, гліколеву та янтарну кислоти. У світовому масштабі цукор виробляється із цукрової тростини, пальм, кокосів, цукрових буряків та кукурудзи (використовується лише для виробництва підсолоджувачів).

Цукровий буряк, як правило, вважається культурою, яка вирощується в помірному кліматичному поясі, але завдяки виведенню нових сортів він також став потенційною товарною сільськогосподарською культурою для тропічних і субтропічних регіонів. Цукровий буряк містить достатню концентрацію цукру для його ефективного вилучення та виробництва. Цукрові буряки дуже стійкі до різних ґрунтово-кліматичних умов, їх, навіть, можна вирощувати на маргінальних землях. Програми селекції буряків враховують живлення, вміст цукру, врожайність та стійкість до хвороб/шкідників. Цукровий буряк — коренеплідна культура, яка вирощується в більш прохолодному кліматі. Цукор — це речовина, яка безпосередньо міститься в цукрових буряках і виділяється з нього у вигляді водянистого розчину за допомогою вилуговування, уварювання або віджимання і кристалізується в процесі випаровування води. Сахароза — це параметр, який визначається, в основному, в лабораторних умовах.

Цукровий буряк (Beta vulgaris) — це технічна культура, яка вирощується на комерційній основі як гібрид, із кореня якого вилучається цукор, основна його складова. Крім того, весь буряк, включаючи його побічні продукти, такі як гичку, мелясу та жом, можна використовувати у якості кормів для тварин або сировини для виробництва спиртів.

Склад і використання цукрових буряків та жому

Цукровий буряк — це одна з основних цукрових культур у світі. Рослина бере свій початок із прибережних районів Середземномор’я, звідки поширюється на північні прибережні території, де її завжди вважали дуже стійкою та продуктивною культурою. Буряковий жом є основним побічним продуктом у виробництві бурякового цукру. Він складається зі знецукреної бурякової стружки, яка зазвичай висушується та переробляється на корм для тварин. Сухий жом є цінним кормом для ВРХ, оскільки в його склад входять вуглеводи, білки та мінерали, що також важливо для процесу ферментації, за допомогою якого виробляється енергія. Жом містить приблизно 20% целюлози, в його склад також входить основний полісахарид — пектин, галактуронова кислота, раміноза, арабіноза, галактоза, метанол та оцтова кислота. Пектин відомий своїм позитивним впливом на здоров'я та організм людини — скорочує рівень холестерину та стабілізує рівень глюкози в крові. Цей вплив, ймовірно, залежить від здатності пектину утворювати в'язкі розчини. Крім того, цукрові буряки містять близько 75% води, 18% цукру, 5% клітинних стінок та 2% інших компонентів. Після вилучення цукру рештки клітинних стінок, що залишилися, під назвою жом, використовуються для отримання волокон цукрових буряків, які є натуральним харчовим волокном із високим вмістом клітковини. Високий вміст харчових волокон у цукрових буряках, у поєднанні з поглинанням води, забезпечує низьку енергетичну цінність, що зменшує калорійність їжі. Волокна забезпечують здоров'я травної системи, а також можуть запобігати або зменшувати розвиток ожиріння.

Буряковий жом має безліч переваг для побутових та промислових видів діяльності, які включають його використання у якості корму для тварин, у виробництві волоконної продукції, головним чином целюлози та паперу, для синтезу активованого вугілля та виробництва палива, такого як біоетанол. Залишки целюлози можна використовувати як високоякісну сировину для процесу ферментації у якості інгібіторних сполук. Буряковий жом має дуже високий вміст вуглеводів (~80%), що складаються переважно з глюкози (26%) у вигляді целюлози з арабінозою (23%) та галактуроновою кислотою (15%) у формі пектину. На відміну від багатьох промислових відходів лігноцелюлози, яка має дуже низький вміст лігніну (~1-2%), буряковий жом відносно легко піддається переробці, а легкі умови, в яких відбувається екстракція цукру (60 °С, 75% води), роблять його потенційною сировиною для виділення цукрів та їх подальшого перетворення у продукти з високою доданою вартістю. Буряковий жом — це побічний продукт бурякоцукрового виробництва, який використовується, в основному, в годівлі ВРХ. Його склад говорить про те, що його можна використовувати для виробництва продуктів із високою доданою вартістю.

Таблиця 1. Зброджувані цукри у буряковому жомі

Порівняння цукрових буряків та цукрової тростини

Буряк і тростина дещо відрізняються за вмістом цукру (буряк зазвичай містить 18% цукру, а тростини — близько 13%), але помітно відрізняються за кількістю нецукрів (буряковий сік містить близько 2,5% нецукрів, а тростинний сік — близько 5%), крім того буряк містить близько 5% клітковини, а тростина — близько 10%. Таким чином, відмінності в їх складі вимагають різних способів вилучення цукру з буряка та тростини. Відмінностей у вирощуванні, складі та переробці цих культур достатньо для їх розділення на дві окремі галузі. Бурякоцукрова галузь відіграє важливу роль в економіці країн, які виробляють буряковий цукор, багато людей займаються вирощуванням цукрових буряків, виробництвом цукру та працюють в суміжних галузях.

Умови вирощування

Цукрові буряки вирощуються в помірному кліматі на родючих ґрунтах, а їх вегетаційний період триває близько п’яти місяців. У плані вирощування добре відомі основні переваги цукрових буряків, порівняно з цукровою тростиною: коротший цикл вирощування (приблизно 5 місяців), менша потреба у воді (приблизно 1/3 до 1/2 води, необхідної для вирощування, на відміну від цукрової тростини), а також більше виробництво цукру та етанолу, порівняно з тростиною.

Урожайність та вміст цукру

Потенціал урожайності цукрових буряків (Beta vulgaris L.) залежить від декількох факторів. Інтенсивність сонячного випромінювання, задіяного у процесі фотосинтезу, температура під час важливих періодів розвитку культури та розподіл опадів — основні обмежуючі фактори росту та розвитку рослини. Відомо, що азот є важливою поживною речовиною, нестача якої призводить до скорочення врожайності цукрових буряків.

Вміст цукру в буряках може коливатися від 16 до 20%, а в тростині становить 13-16%. Більший вміст цукру та побічні продукти виробництва бурякового цукру збільшують значимість та цінність цукрових буряків, порівняно з тростиною. Норма вилучення цукру залежить від його вмісту в буряках під час їх надходження на переробку на цукровий завод. Як правило, цукровий буряк повинен мати вміст цукру 16%, що дасть можливість отримати 130 кг цукру з 1 т буряків, перероблених на цукровому заводі, а ідеальна ефективність — 82,5%.

Норма вилучення цукру

Яка б сировина для виробництва цукру не використовувалася, цукор накопичується в рослині природним шляхом, за допомогою фотосинтезу, і основною метою роботи цукрового заводу є відокремлення усього цукру від нецукрової речовини. Під час вилучення цукру з тростини збільшуються експлуатаційні витрати через переробку та рафінування продукту, а також знецукрення побічних продуктів, а у випадку цукрових буряків максимальне виробництво цукру досягається без додаткової обробки. Процес вилучення цукру з цукрової тростини здійснюється в два етапи: спочатку на віджимному пресі для цукрової тростини, а потім шляхом рафінування. Технологія бурякоцукрового виробництва подібна до технології виробництва тростинного цукру, але відбувається як один безперервний процес без участі цукру-сирцю. Буряковий цукор, який виробляється на заводах із переробки цукрових буряків, і тростинний цукор, який виробляється на тростинних заводах, є ідеальними замінниками один одного, але технологічні процеси їх виробництва абсолютно різні.

Побічні продукти бурякоцукрового виробництва

Буряковий жом

Буряковий жом — це побічний продукт бурякоцукрової галузі, що має високий вміст геміцелюлози та целюлози та низький вміст лігніну. Буряковий жом, у поєднанні з біополімером та полілактидною кислотою, утворює полімерні композити, що мають подібні до пластмаси властивості при розтягуванні. Жом можна пластифікувати і використовувати як сополімер. Пектин, вилучений з жому, також використовується в пластикових пакувальних матеріалах. У деяких випадках пектин можна використовувати для захисту активних інгредієнтів від термічного впливу під час їх переробки в тонку пакувальну плівку для харчових продуктів. Після вилучення цукру та патоки з буряка, жом переробляється на корм для ВРХ. Цукровий буряк, як правило, вирощується разом з іншими культурами в 3-5-річних сівозмінах. Сівозміна, в яку входить цукровий буряк, покращує родючість ґрунту, обмежує розвиток захворювань, а також збільшує врожайність і якість буряка.

Вуглецеві сполуки для видалення забруднювачів

Забруднення водних ресурсів токсичними речовинами є актуальною проблемою для навколишнього середовища. У плані екологічно чистого хімічного підходу, використання агроматеріалів має певні переваги, включаючи низьку собівартість, регенерацію біосорбентів та потенційне відновлення важких металів. В'язка здатність жому є іонообмінником, його можна вдосконалити і зробити більш цінною сировиною на ринку. У цьому питанні біовугілля виробляється при високій температурі спалювання біомаси, залишаючи лише вуглець (карбонізація). Біовугілля підвищує родючість ґрунту та здатність утримання води, а також виконує функції недорогого абсорбенту, оскільки має високу спорідненість до важких металів. У той час як будь-яка біомаса може бути карбонізована, припускається, що сільськогосподарські відходи можуть стати ще більш придатними до їх переробки на продукцію з високою доданою вартістю.

Використовуючи повільний піроліз (600 °C), залишки цукрових буряків можуть бути карбонізовані, і було доведено, що вони можуть затримувати фосфати, а при високотемпературному піролізі (500-700 °C) з використанням ZnCl₂-активованого бурякового жому було отримано активоване вугілля, що було успішним у видаленні нітратів із води. Перетворення лінгоцелюлози у вуглець методом дегідратації сірчаної кислоти може поглинати важкі метали, особливо Cr (VI). Буряковий жом можна карбонізувати і використовувати для знебарвлення цукрових сиропів.

Меляса

Меляса — це некристалізований сироп, що отримується під час переробки цукрових буряків. Це — одна із видів сировини, яка використовується для виробництва спирту за допомогою бродіння. Це — кінцевий побічний продукт, отриманий під час виробництва цукру шляхом повторного випаровування, кристалізації та центрифугування соків цукрової тростини чи цукрових буряків. Тростинна патока (меляса) є побічним продуктом виробництва або рафінування цукру (сахарози) з цукрової тростини. Вона повинна містити не менше 46% інвертних цукрів. Бурякова патока (меляса) є побічним продуктом виробництва цукру (сахарози) з цукрових буряків. Вона містить не менше 48% загальних цукрів.