کریستالیزاسیون و سانتریفیوژ (Crystallization & Centrifugation)

1. مقدمه

پس از مرحله تغلیظ شربت در واحد اواپراسیون، شربت غلیظ (با غلظت حدود 60-65% بریکس) آماده ورود به مرحله نهایی تولید شکر یعنی کریستالیزاسیون است. در این مرحله، بلورهای خالص ساکارز از محلول فوق اشباع جدا شده و سپس با استفاده از دستگاه‌های سانتریفیوژ، بلورهای شکر از مایع مادر (ملاس) جدا می‌گردند. این فصل به اصول، روش‌ها و تجهیزات مرتبط با این دو فرآیند کلیدی می‌پردازد.

2. کریستالیزاسیون (Crystallization)

کریستالیزاسیون فرآیندی است که طی آن مولکول‌های حل شده (در اینجا ساکارز) به صورت منظم در یک ساختار شبکه‌ای بلوری سازماندهی می‌شوند.

الف) اصول کریستالیزاسیون

1. فوق اشباعی (Supersaturation): کریستالیزاسیون تنها در محلول‌های فوق اشباع رخ می‌دهد. فوق اشباعی به وضعیتی گفته می‌شود که غلظت ماده حل شده از حد تعادل (اشباع) بیشتر باشد. این وضعیت معمولاً با افزایش غلظت (تبخیر آب) یا کاهش دما به دست می‌آید. در صنعت قند، فوق اشباعی عمدتاً از طریق تبخیر بیشتر در دیگ‌های پخت (Vacuum Pans) و تا حدی با کاهش دما حاصل می‌شود.
2. تشکیل نطفه بلور (Nucleation): اولین مرحله، تشکیل هسته‌های اولیه بلور است. این هسته‌ها می‌توانند به صورت خودبه‌خودی (Spontaneous Nucleation) در محلول فوق اشباع تشکیل شوند، یا از طریق القایی (Seeding) با افزودن بلورهای ریز شکر به محلول فوق اشباع، سرعت و کنترل بیشتری به فرآیند داد.
3. رشد بلور (Crystal Growth): پس از تشکیل نطفه، مولکول‌های ساکارز از محلول فوق اشباع بر روی سطح بلورهای موجود رسوب کرده و باعث افزایش ابعاد آن‌ها می‌شوند. سرعت رشد بلور به عواملی مانند درجه فوق اشباعی، دما، ناخالصی‌های موجود در شربت و شدت هم‌زدن بستگی دارد.

ب) روش‌های کریستالیزاسیون

دو روش اصلی برای کریستالیزاسیون در صنعت قند وجود دارد:

1. روش بچ (Batch Crystallization): در این روش، فرآیند در یک دیگ پخت (Vacuum Pan) به صورت مرحله‌ای انجام می‌شود. ابتدا شربت تغلیظ شده وارد دیگ شده، بلورهای اولیه (نطفه) اضافه می‌شوند و سپس با کنترل دقیق شرایط (فشار، دما، تغذیه شربت)، بلورها تا اندازه و غلظت نهایی رشد می‌کنند. پس از اتمام فرآیند، مخلوط بلور و ملاس (که به آن مم-کُیت یا Massecuite گفته می‌شود) از دیگ تخلیه شده و برای مرحله سانتریفیوژ آماده می‌شود.
2. روش پیوسته (Continuous Crystallization): در سیستم‌های پیوسته، فرآیند کریستالیزاسیون در چندین دیگ متوالی (Cascade) انجام می‌شود. شربت و بلورها به طور مداوم وارد سیستم شده و مخلوط بلور-ملاس با غلظت و اندازه مشخص به طور پیوسته از انتهای سیستم خارج می‌شود. این روش کنترل دقیق‌تری بر اندازه و توزیع بلورها فراهم می‌کند و راندمان بالاتری دارد، اما پیچیدگی و هزینه اولیه بیشتری دارد.

ج) کریستالیزاسیون سرد یا ممباسه (Massecuite Boiling)

این اصطلاح عمدتاً به فرآیند پخت در دیگ‌های بچ اشاره دارد. در این روش:

• شربت غلیظ با بریکس بالا وارد دیگ خلاء می‌شود.
• بلورهای شکر (به عنوان نطفه) به مخلوط اضافه می‌شوند (Seeding).
• با تغذیه مداوم شربت و تبخیر آب، فوق اشباعی حفظ شده و بلورها رشد می‌کنند.
• پس از رسیدن به غلظت و اندازه بلور مطلوب، کل محتویات دیگ (مخلوط بلور شکر و ملاس) به صورت مم-کُیت (Massecuite) تخلیه می‌شود.
• مراحل کنترل دما و تغذیه شربت در دیگ‌های پخت برای دستیابی به اندازه یکنواخت بلورها و جلوگیری از تشکیل بلورهای ناخواسته (مانند شکر غیربلوری یا A-massecuite, B-massecuite, C-massecuite) بسیار حیاتی است.

3. دستگاه‌های پخت (دیگ‌های خلاء) و سانتریفیوژ (Centrifugal Separators)

پس از تولید مم-کُیت، مرحله بعدی جداسازی فیزیکی بلورهای شکر از مایع مادر (ملاس) است. این کار توسط دستگاه‌های سانتریفیوژ انجام می‌شود.

الف) اصول کار سانتریفیوژ

سانتریفیوژها با استفاده از نیروی گریز از مرکز، بلورهای جامد شکر را از مایع غلیظ ملاس جدا می‌کنند.

1. تغذیه: مم-کُیت (مخلوط بلور و ملاس) به داخل یک سبد یا استوانه دوار (Basket) که با پوشش فیلتر (معمولاً از جنس پارچه یا فلز توری) پوشیده شده است، پمپ می‌شود.
2. چرخش: سبد با سرعت بسیار بالا (صدها یا هزاران دور در دقیقه) شروع به چرخش می‌کند.
3. جداسازی: نیروی گریز از مرکز قوی ایجاد شده، باعث می‌شود بلورهای سنگین‌تر شکر به سمت دیواره سبد رانده شده و روی پوشش فیلتر باقی بمانند. ملاس که سبک‌تر است، از میان منافذ پوشش فیلتر عبور کرده و به بیرون هدایت می‌شود.
4. شستشو (Washing): پس از جداسازی بخش عمده ملاس، ممکن است با پاشیدن مقدار کمی آب داغ یا بخار، لایه نازک ملاس چسبیده به بلورها شسته شود تا خلوص شکر افزایش یابد.
5. تخلیه: پس از اتمام چرخه، سبد با سرعت کمتری چرخش کرده و شکر خالص از آن تخلیه می‌شود.

ب) انواع سانتریفیوژ

• سانتریفیوژهای بچ (Batch Centrifugals): در این نوع، فرآیند تغذیه، جداسازی، شستشو و تخلیه به صورت مرحله‌ای انجام می‌شود. برای تولید شکر سفید یا شکر خام استفاده می‌شوند.
• سانتریفیوژهای پیوسته (Continuous Centrifugals): این دستگاه‌ها قادرند مم-کُیت را به طور مداوم دریافت کرده و شکر و ملاس را به طور پیوسته جدا کنند. سرعت و ظرفیت بالاتری دارند و معمولاً برای تولید شکر خام به کار می‌روند.

4. انواع ملاس (Molasses) و کاربردهای آن

ملاس مایع غلیظ و تیره‌رنگی است که پس از جداسازی بلورهای شکر در فرآیند سانتریفیوژ باقی می‌ماند. ملاس حاوی مقداری شکر باقی‌مانده، ناخالصی‌ها، رنگدانه‌ها و مواد معدنی است.

الف) انواع ملاس

با توجه به اینکه هر بخش از مم-کُیت (پس از جداسازی بلورها) دوباره برای کریستالیزاسیون مجدد استفاده می‌شود تا حداکثر شکر ممکن استخراج گردد، انواع مختلفی از ملاس تولید می‌شود:

1. ملاس اول (First Molasses / A-Molasses): ملاس حاصل از جداسازی اولین بچ مم-کُیت. دارای بالاترین میزان شکر باقی‌مانده (حدود 30-40% ساکارز) و کمترین میزان ناخالصی است.
2. ملاس دوم (Second Molasses / B-Molasses): ملاس حاصل از کریستالیزاسیون مجدد A-Molasses. غلظت شکر آن کمتر (حدود 25-30% ساکارز) و میزان ناخالصی‌ها بیشتر است.
3. ملاس سوم (Third Molasses / C-Molasses): ملاس حاصل از کریستالیزاسیون مجدد B-Molasses. کمترین میزان شکر باقی‌مانده (حدود 15-20% ساکارز) و بیشترین میزان ناخالصی‌ها را دارد. این ملاس معمولاً به عنوان پساب نهایی در نظر گرفته می‌شود.

ب) کاربردهای ملاس

ملاس به دلیل داشتن قند و مواد مغذی، کاربردهای متعددی دارد:

• خوراک دام: رایج‌ترین کاربرد ملاس، استفاده از آن به عنوان یک افزودنی مغذی و خوش‌خوراک در جیره غذایی دام‌ها (گاو، گوسفند و طیور) است.
• تولید الکل: ملاس منبع اصلی برای تخمیر و تولید اتانول (الکل) است که در صنایع نوشیدنی، سوخت زیستی (بیواتانول) و صنایع شیمیایی کاربرد دارد.
• تولید مخمر: در صنعت نان، از ملاس برای تغذیه و رشد مخمر استفاده می‌شود.
• تولید اسید سیتریک و سایر محصولات تخمیری: در صنایع بیوتکنولوژی، ملاس به عنوان سوبسترای غنی برای تولید اسیدهای آلی و آمینواسیدها به کار می‌رود.
• استفاده مجدد در فرآیند: همانطور که گفته شد، ملاس‌های اول و دوم مجدداً در فرآیند کریستالیزاسیون برای استخراج شکر بیشتر استفاده می‌شوند.

مثال کاربردی

مثال: فرآیند تولید شکر در کارخانه “شکر ناب”

در کارخانه “شکر ناب”، پس از تولید مم-کُیت با غلظت 92% (وزنی) و حاوی بلورهای شکر با اندازه متوسط 0.5 میلی‌متر، مم-کُیت به سه بخش تقسیم می‌شود:

1. مم-کُیت A: حدود 60% مم-کُیت ورودی، ابتدا وارد سانتریفیوژهای بچ شده و پس از جداسازی ملاس اول (A-Molasses)، شکر سفید با خلوص بالا تولید می‌شود.
2. مم-کُیت B: ملاس اول (A-Molasses) با غلظت 75% بریکس، مجدداً وارد دیگ‌های پخت شده و پس از کریستالیزاسیون، مم-کُیت دوم (B-Massecuite) تولید می‌شود. این مم-کُیت وارد سانتریفیوژهای پیوسته شده و شکر خام (Second Sugar) به همراه ملاس دوم (B-Molasses) جدا می‌گردد.
3. مم-کُیت C: ملاس دوم (B-Molasses) با غلظت 70% بریکس، مجدداً تغلیظ و کریستالیزاسیون شده و مم-کُیت سوم (C-Massecuite) حاصل می‌شود. این مم-کُیت وارد سانتریفیوژهای مخصوص شده و آخرین بلورهای شکر (Low-grade Sugar) با کمترین خلوص به همراه ملاس سوم (C-Molasses) جدا می‌شوند.

ملاس سوم (C-Molasses) به عنوان پساب نهایی، عمدتاً برای خوراک دام و تولید اتانول به فروش می‌رسد.

تمرین‌های پایان فصل

1. مفهوم “فوق اشباعی” در فرآیند کریستالیزاسیون چیست و چگونه در صنعت قند حاصل می‌شود؟
2. تفاوت اصلی بین روش بچ و پیوسته در کریستالیزاسیون شکر را توضیح دهید.
3. “مم-کُیت” (Massecuite) چیست و چه اجزایی دارد؟
4. اصول کار دستگاه سانتریفیوژ در جداسازی بلور شکر از ملاس را شرح دهید.
5. سه کاربرد اصلی ملاس در صنایع مختلف را نام ببرید.
6. چرا ملاس‌ها را بر اساس شماره (اول، دوم، سوم) دسته‌بندی می‌کنند و چه تفاوتی با هم دارند؟
7. نقش پوشش فیلتر در سبد سانتریفیوژ چیست؟

نکات کلیدی فصل

• کریستالیزاسیون فرآیند تشکیل و رشد بلورهای شکر از محلول فوق اشباع است.
• فوق اشباعی، تشکیل نطفه و رشد بلور، اصول کلیدی کریستالیزاسیون هستند.
• روش‌های بچ و پیوسته برای کریستالیزاسیون وجود دارند که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند.
• مم-کُیت مخلوطی از بلور شکر و ملاس است که پس از مرحله پخت در دیگ‌های خلاء حاصل می‌شود.
• سانتریفیوژها با استفاده از نیروی گریز از مرکز، بلور شکر را از ملاس جدا می‌کنند.
• ملاس، مایع باقی‌مانده پس از جداسازی شکر است و کاربردهای فراوانی در صنایع خوراک دام، الکل‌سازی و… دارد.
• ملاس‌ها بر اساس مراحل استخراج شکر (اول، دوم، سوم) دسته‌بندی می‌شوند و خلوص و کاربرد متفاوتی دارند.