فرآیند عصاره‌گیری از نیشکر: استخراج شیرابه

1. مقدمه

پس از آماده‌سازی نیشکر خرد شده، مرحله حیاتی بعدی، استخراج شیره (آب نیشکر) از بافت فیبری آن است. این فصل به تشریح فرآیندهای اصلی عصاره‌گیری، شامل استفاده از غلتک‌ها (آسیاب‌ها) و معرفی روش انتشار (Diffusion) می‌پردازد. درک این مراحل برای تعیین بازده کلی تولید شکر و کیفیت شیره اولیه، اهمیت بسزایی دارد.

2. غلتک‌های نیشکر (Cane Mills) و خط آسیاب‌ها (Milling Tandems)

الف) غلتک‌های نیشکر (Cane Mills):

این دستگاه‌ها قلب فرآیند استخراج شیره در بسیاری از کارخانه‌های قند هستند. هر آسیاب شامل مجموعه‌ای از غلتک‌های استوانه‌ای (معمولاً سه غلتک) است که با فشار بسیار زیاد، نیشکر خرد شده را بین خود فشرده و شیره را از آن خارج می‌کنند.

• ساختار: غلتک‌ها از فولاد سخت ساخته شده و دارای شیارهایی (Grooves) برای افزایش اصطکاک و تسهیل خروج شیره هستند. یک غلتک تغذیه (Feed Roller)، یک غلتک فشاری (Pressure Roller) و یک غلتک خروجی (Discharge/Impingement Roller) معمولاً در هر واحد آسیاب وجود دارند.

ب) خط آسیاب‌ها (Milling Tandems):

برای افزایش بازده استخراج، معمولاً چندین واحد آسیاب به صورت سری (پشت سر هم) قرار می‌گیرند که مجموعاً “خط آسیاب” یا “Tandem” را تشکیل می‌دهند.

• فرآیند: نیشکر پس از عبور از اولین آسیاب، همچنان حاوی مقداری شیره است. این نیشکر نیمه‌عصاره‌گیری شده به آسیاب بعدی منتقل می‌شود. در هر مرحله، ممکن است عملیات اشباع‌سازی (Maceration) برای افزایش راندمان انجام شود. یک خط آسیاب استاندارد معمولاً شامل ۳ تا ۶ واحد آسیاب است.

3. اصول کار غلتک‌ها: فشار، سرعت و طراحی

الف) فشار (Pressure):

• فشار هیدرولیک: نیروی اصلی برای فشرده‌سازی نیشکر توسط سیستم‌های هیدرولیک تأمین می‌شود که به غلتک فشاری اعمال می‌گردد. این فشار می‌تواند بسیار بالا باشد (تا بیش از ۱۰۰ تن).
• هدف: شکستن ساختار سلولی نیشکر و فشردن شیره به بیرون.

ب) سرعت (Speed):

• سرعت غلتک‌ها: سرعت چرخش غلتک‌ها باید با توجه به نوع نیشکر و مرحله آسیاب تنظیم شود. سرعت‌های پایین‌تر امکان فشرده‌سازی بهتر را فراهم می‌کنند، اما ظرفیت را کاهش می‌دهند.
• سرعت نسبی غلتک‌ها: اختلاف سرعت بین غلتک‌ها باعث ایجاد نیروی برشی و کششی می‌شود که به خرد شدن بهتر نیشکر و خروج شیره کمک می‌کند.

ج) طراحی (Design):

• اندازه غلتک‌ها: قطر و طول غلتک‌ها بر ظرفیت و راندمان تأثیر می‌گذارد.
• زاویه غلتک‌ها: زاویه بین غلتک‌ها (Roller Angle) و زاویه تغذیه (Feed Angle) برای بهینه‌سازی جریان نیشکر و استخراج شیره طراحی می‌شود.
• شیارها (Grooving): نوع و عمق شیارهای روی غلتک‌ها برای جلوگیری از لغزش نیشکر و هدایت شیره به سمت خروجی، حیاتی است.

4. محاسبات ظرفیت خط آسیاب

ظرفیت خط آسیاب (میزان نیشکر ورودی در واحد زمان) به عوامل متعددی بستگی دارد:

• عرض غلتک‌ها: هرچه عرض غلتک‌ها بیشتر باشد، ظرفیت بالاتر است.
• سرعت غلتک‌ها: سرعت دوران غلتک‌ها.
• ابعاد غلتک‌ها: قطر و طول.
• تعداد واحدها در خط آسیاب: هرچه تعداد واحدها بیشتر باشد، زمان ماند نیشکر افزایش یافته و راندمان استخراج بالاتر می‌رود.
• میزان بازیافت شیره (Extraction Rate): درصد وزنی شیره استخراج شده نسبت به وزن نیشکر ورودی.

فرمول تقریبی ظرفیت (بر اساس وزن نیشکر در ساعت):

$\text{ظرفیت (تن/ساعت)} = \text{عرض غلتک (متر)} \times \text{طول غلتک (متر)} \times \text{ضریب چگالی نیشکر} \times \text{سرعت غلتک (دور در دقیقه)} \times \frac{\text{زمان ماند (ثانیه)}}{\text{دوره تناوب}} \times 60$

نکته: محاسبات دقیق نیازمند در نظر گرفتن پارامترهای هندسی و دینامیکی پیچیده‌تری است.

5. ماسراسیون (Maceration) یا اشباع‌سازی

الف) هدف:

ماسراسیون فرآیندی است که در آن آب یا شیره رقیق شده به کیک نیشکر (Bagasse) پس از عبور از یک واحد آسیاب، اضافه می‌شود تا شیره باقی‌مانده در آن را حل کرده و استخراج آن در واحد آسیاب بعدی را تسهیل کند. هدف اصلی، افزایش بازده استخراج قند است.

ب) روش‌ها:

1. ماسراسیون نوع اول (First Milling Maceration): آب داغ یا شیره رقیق شده به کیک خروجی از اولین آسیاب اضافه شده و سپس به آسیاب دوم تغذیه می‌شود.
2. ماسراسیون نوع دوم (Second Milling Maceration): این فرآیند بین واحدهای بعدی خط آسیاب تکرار می‌شود.
3. اشباع‌سازی با شیره غلیظ (Imbibition): اضافه کردن شیره غلیظ استخراج شده از آخرین مراحل به کیک نیشکر قبل از آخرین آسیاب. این روش به دلیل جلوگیری از رقیق شدن بیش از حد شیره کل، رایج‌تر است.

میزان ماسراسیون معمولاً بین ۳٪ تا ۱۵٪ وزن نیشکر است.

6. دکستراکسیون (Diffusion)

الف) معرفی:

دکستراکسیون یک روش جایگزین یا مکمل برای استخراج شیره از نیشکر است که به جای استفاده از فشار مکانیکی غلتک‌ها، بر اساس اصول انتشار (Diffusion) عمل می‌کند. در این روش، نیشکر خرد شده در معرض آب داغ قرار می‌گیرد و قند از ذرات نیشکر به داخل آب منتشر می‌شود.

ب) اصول اولیه:

• انتقال جرم: قند (ساکارز) از غلظت بالاتر (داخل سلول‌های نیشکر) به سمت غلظت پایین‌تر (آب) حرکت می‌کند.
• دمای بالا: استفاده از آب داغ (حدود ۷۰-۸۰ درجه سانتی‌گراد) باعث افزایش حلالیت قند و نفوذپذیری غشای سلولی می‌شود.
• دستگاه‌های دیفیوزر: معمولاً به صورت استوانه‌های بلند (مانند ریمک – Rhymek Diffuser) طراحی می‌شوند که نیشکر خرد شده به آرامی در یک جهت و آب داغ در جهت مخالف حرکت می‌کند تا حداکثر تماس و انتقال قند صورت گیرد.

مزایای دکستراکسیون: پتانسیل بازده استخراج بالاتر (تا ۹۵-۹۷٪)، مصرف انرژی کمتر نسبت به خط آسیاب‌های طولانی، و تولید تفاله با رطوبت کمتر.

معایب: هزینه اولیه بالا، نیاز به کنترل دقیق دما و جریان، و احتمال استخراج بیشتر ناخالصی‌ها در صورت عدم کنترل صحیح.

مثال کاربردی

مثال: مقایسه بازده استخراج با و بدون ماسراسیون

یک کارخانه قند با خط آسیاب ۳ واحدی، نیشکر را بدون هیچ‌گونه ماسراسیون پردازش می‌کند و بازده استخراج شیره ۷۵٪ گزارش می‌شود (یعنی ۲۵٪ قند در تفاله باقی می‌ماند).

پس از اجرای سیستم ماسراسیون نوع اول (اضافه کردن آب داغ به کیک خروجی از آسیاب اول قبل از ورود به آسیاب دوم)، با همان نیشکر و شرایط، بازده استخراج به ۸۵٪ افزایش می‌یابد. این افزایش ۱۰ درصدی مستقیماً به افزایش تولید شکر نهایی منجر می‌شود. اگر از اشباع‌سازی با شیره غلیظ استفاده شود، این بازده می‌تواند حتی بالاتر نیز باشد.

تمرین‌های پایان فصل

1. وظیفه اصلی غلتک‌های نیشکر در فرآیند عصاره‌گیری چیست؟
2. “خط آسیاب” (Milling Tandem) به چه معناست و چرا از چندین واحد آسیاب به صورت سری استفاده می‌شود؟
3. سه عامل کلیدی در اصول کار غلتک‌ها که بر راندمان استخراج تأثیر می‌گذارند را نام ببرید.
4. ماسراسیون (Maceration) چیست و هدف از اجرای آن چیست؟
5. تفاوت اصلی بین ماسراسیون با آب داغ و اشباع‌سازی با شیره غلیظ را توضیح دهید.
6. دکستراکسیون (Diffusion) چگونه قند را از نیشکر استخراج می‌کند؟
7. یکی از مزایا و یکی از معایب روش دکستراکسیون در مقایسه با غلتک‌ها را بیان کنید.

نکات کلیدی فصل

• غلتک‌های نیشکر (Cane Mills) با اعمال فشار مکانیکی، شیره را از نیشکر خرد شده استخراج می‌کنند.
• خط آسیاب (Milling Tandem) مجموعه‌ای از غلتک‌هاست که به صورت سری عمل کرده و بازده استخراج را افزایش می‌دهد.
• فشار، سرعت غلتک‌ها و طراحی آن‌ها عوامل مهمی در راندمان استخراج هستند.
• ماسراسیون (Maceration) یا اشباع‌سازی با افزودن مایع به کیک نیشکر، بازده استخراج را در مراحل بعدی افزایش می‌دهد.
• دکستراکسیون (Diffusion) روشی مبتنی بر انتشار است که می‌تواند جایگزین یا مکمل غلتک‌ها باشد و بازده بالایی دارد.