فصل 3

تصفیه شیرابه نیشکر: مرحله اول — جداسازی ناخالصی‌ها

1. مقدمه

شیرابه خام استخراج شده از نیشکر حاوی مقادیر قابل توجهی ناخالصی‌های جامد معلق، کلوئیدی و محلول است که باید قبل از مراحل بعدی تصفیه و کریستالیزاسیون حذف شوند. این فصل به معرفی این ناخالصی‌ها و بررسی فرآیندهای اولیه جداسازی آن‌ها، به ویژه با استفاده از آهک‌زنی، می‌پردازد.

2. معرفی ناخالصی‌های موجود در شیرابه نیشکر

ناخالصی‌های موجود در شیرابه خام نیشکر به طور کلی به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

• مواد جامد معلق: ذرات خاک، ماسه، الیاف ریز نیشکر، بقایای گیاهی که در طی فرآیند استخراج وارد شیرابه شده‌اند.
• مواد کلوئیدی: ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا مانند پکتین‌ها، پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها و رنگدانه‌ها که باعث کدر شدن شیرابه می‌شوند.
• مواد محلول معدنی: نمک‌های مختلف (مانند سولفات‌ها، کلرورها، فسفات‌ها و کربنات‌های پتاسیم، سدیم، کلسیم و منیزیم).
• مواد محلول آلی غیرقندی: اسیدهای آلی، آمینواسیدها، دکستران‌ها (تولید شده توسط باکتری‌ها)، و ترکیبات فنلی.
• رنگدانه‌ها: ترکیبات طبیعی موجود در نیشکر یا حاصل از واکنش‌های شیمیایی در طول فرآیند.

حضور این ناخالصی‌ها فرآیند تبلور شکر را دشوار کرده، بازده را کاهش داده و بر کیفیت نهایی شکر تأثیر منفی می‌گذارند.

3. روش‌های تصفیه (معرفی کلی)

هدف اصلی تصفیه، حذف حداکثری ناخالصی‌ها برای دستیابی به شیره شفاف و با خلوص بالا است. دو دسته کلی از روش‌ها وجود دارد:

الف) روش‌های ته‌نشینی (Precipitation Methods):

این روش‌ها بر پایه افزودن مواد شیمیایی (مانند آهک) به شیرابه استوارند که با ناخالصی‌ها واکنش داده و ترکیبات نامحلولی را تشکیل می‌دهند که به راحتی قابل جداسازی از طریق ته‌نشینی یا فیلتراسیون هستند.

• روش جاوه (Java Method): این روش که در اندونزی توسعه یافته، عمدتاً از فرایندهای شیمیایی مانند آهک‌زنی و سپس سولفیتاسیون (افزودن دی‌اکسید گوگرد) برای تصفیه استفاده می‌کند. هدف آن حذف رنگ و بهبود شفافیت شیره است.
• متد مندهاوائی (Mandahawei Method): این روش که در هند رایج است، نیز بر پایه آهک‌زنی و سپس کربناتاسیون (افزودن کربنات کلسیم) یا فسفاتاسیون (افزودن فسفات کلسیم) استوار است.

ب) روش انتشار (Diffusion) و روش‌های ترکیبی:

همانطور که در فصل قبل اشاره شد، دکستراکسیون (Diffusion) می‌تواند به عنوان روشی برای استخراج قند عمل کند. سیستم‌های مدرن ممکن است ترکیبی از روش‌های استخراج و تصفیه را به کار گیرند.

4. اصول آهک‌زنی (Liming / Sweetening of Juice)

آهک‌زنی مهم‌ترین و رایج‌ترین مرحله تصفیه اولیه شیرابه نیشکر است. در این فرآیند، هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2، آهک شکفته) یا اکسید کلسیم (CaO، آهک زنده) به شیرابه اضافه می‌شود.

الف) نقش آهک:

1. خنثی‌سازی اسیدها: شیرابه نیشکر معمولاً کمی اسیدی است (pH حدود ۵-۶.۵). آهک اسیدهای آلی موجود را خنثی کرده و pH را بالا می‌برد.
2. تشکیل رسوب هیدروکسید کلسیم: با افزایش pH، بسیاری از مواد جامد معلق و کلوئیدی (مانند پروتئین‌ها، پکتین‌ها و رنگدانه‌ها) با یون‌های کلسیم واکنش داده و هیدروکسیدهای نامحلول تشکیل می‌دهند.
3. تشکیل فسفات کلسیم: اگر شیرابه حاوی یون فسفات باشد، آهک باعث تشکیل رسوب فسفات کلسیم (Ca3(PO4)2) می‌شود که جاذب بسیاری از ناخالصی‌ها و رنگدانه‌هاست.
4. تسهیل انعقاد (Coagulation): آهک به انعقاد و تجمع ذرات کلوئیدی کمک می‌کند.
5. کاهش ویسکوزیته (لزجت): افزایش pH و حذف برخی ترکیبات، ویسکوزیته شیرابه را کاهش می‌دهد.

ب) فرآیند آهک‌زنی:

• اضافه کردن آهک: آهک به صورت دوغاب (Slurry) به شیرابه اضافه می‌شود.
• کنترل pH: pH نهایی معمولاً بین ۱۱.۵ تا ۱۲.۵ تنظیم می‌شود (بسته به روش تصفیه). تنظیم دقیق pH برای جلوگیری از تجزیه قند (Invert Sugar) در دماهای بالا و حذف بهینه ناخالصی‌ها حیاتی است.
• حرارت‌دهی: شیرابه آهک‌زده معمولاً تا دمای حدود ۷۰-۸۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود تا واکنش‌ها و تشکیل رسوب تسهیل شود.
• ته‌نشینی (Clarification): شیرابه حرارت دیده وارد دستگاه ته‌نشینی (Clarifier) می‌شود، جایی که رسوبات (اسلِج یا Sludge) به آرامی ته‌نشین شده و شیرابه شفاف از بالا خارج می‌شود.

5. معرفی IMB (Integrated Milling & Boiling) یا سیستم‌های تلفیقی

سیستم‌های تلفیقی (Integrated Milling & Boiling - IMB) رویکردهای مدرنی هستند که در آن‌ها فرآیندهای مختلف تولید شکر، مانند استخراج شیره، تصفیه و حتی تا حدی تبخیر، به صورت بهینه‌تر و با هم‌افزایی بیشتری طراحی می‌شوند.

• هدف: افزایش بهره‌وری، کاهش مصرف انرژی، کاهش هزینه‌ها و به حداقل رساندن اتلاف قند.
• مثال: در برخی سیستم‌ها، گرمای حاصل از فرآیندهای نهایی (مانند کریستالیزاسیون) یا گرمای حاصل از احتراق تفاله، برای مراحل اولیه مانند آهک‌زنی یا تبخیر اولیه شیرابه استفاده می‌شود. همچنین، ممکن است فرآیندهای تصفیه با استخراج شیره (مانند استفاده از دکستراکسیون به جای برخی واحدها) ادغام شوند. این سیستم‌ها معمولاً پیچیده‌تر بوده و نیاز به طراحی مهندسی دقیقی دارند.

6. باگاس (Bagasse)؛ کاربردهای آن در کارخانه (تولید بخار)

همانطور که در فصل قبل ذکر شد، تفاله نیشکر (Bagasse) محصول جانبی فیبری حاصل از فرآیند استخراج شیره است.

• ترکیب: عمدتاً سلولز، همی‌سلولز و لیگنین با رطوبت حدود ۴۵-۵۰٪ پس از فرآیند آسیاب (یا کمتر در صورت استفاده از دکستراکسیون).
• کاربرد اصلی در کارخانه قند:
• تولید بخار و انرژی: باگاس به عنوان سوخت اصلی در بویلرها (دیگ‌های بخار) کارخانه قند سوزانده می‌شود. گرمای حاصل از احتراق، آب را به بخار تبدیل می‌کند.
• نقش بخار: بخار تولید شده در کارخانه برای مصارف مختلفی استفاده می‌شود:
• حرارت‌دهی: در مراحل تبخیر شیرابه، گرم کردن شیرابه قبل از آهک‌زنی، و فرآیندهای پخت شکر.
• تأمین انرژی مکانیکی: چرخاندن توربین‌ها برای تولید برق و نیروی محرکه ماشین‌آلات.
• فرآیندهای دیگر: مانند خشک کردن.

در یک کارخانه قند مدرن، باگاس به تنهایی می‌تواند تمام انرژی مورد نیاز کارخانه را تأمین کند و حتی مازاد برق آن به شبکه سراسری صادر شود.

مثال کاربردی

مثال: اثر آهک‌زنی بر شفافیت شیرابه

یک کارخانه قند، شیرابه خام با pH 5.8 و کدورت بالا را دریافت می‌کند. پس از افزودن آهک و تنظیم pH به 12.0 و حرارت‌دهی تا 75 درجه سانتی‌گراد، شیرابه وارد دستگاه ته‌نشینی می‌شود. در خروجی دستگاه، شیرابه به طور قابل توجهی شفاف‌تر شده و ذرات جامد معلق و کلوئیدی به صورت رسوب غلیظ (اسلِج) در کف دستگاه جمع می‌شوند. این شیرابه شفاف‌تر، بازده مراحل بعدی تصفیه (مانند فیلتراسیون و کریستالیزاسیون) را به شدت بهبود می‌بخشد. اگر pH بیش از حد بالا (مثلاً 13.0) تنظیم شود، ممکن است بخشی از قند ساکارز تجزیه شده و به قندهای احیاکننده (گلوکز و فروکتوز) تبدیل شود که بازده کلی را کاهش می‌دهد.

تمرین‌های پایان فصل

1. سه دسته اصلی از ناخالصی‌های موجود در شیرابه خام نیشکر را نام ببرید.
2. آهک‌زنی (Liming) چیست و چرا یکی از مهم‌ترین مراحل تصفیه اولیه محسوب می‌شود؟
3. حداقل سه نقش اصلی آهک در فرآیند تصفیه شیرابه را توضیح دهید.
4. چرا تنظیم دقیق pH در فرآیند آهک‌زنی اهمیت دارد؟
5. “اسلِج” (Sludge) در فرآیند ته‌نشینی شیرابه چیست؟
6. سیستم‌های تلفیقی (IMB) چه اهدافی را دنبال می‌کنند؟
7. باگاس (Bagasse) چیست و نقش اصلی آن در کارخانه قند چیست؟

نکات کلیدی فصل

• شیرابه خام نیشکر حاوی ناخالصی‌های جامد، کلوئیدی و محلول است که باید حذف شوند.
• آهک‌زنی (Liming) با افزودن آهک، pH را بالا برده و باعث ته‌نشینی بسیاری از ناخالصی‌ها می‌شود.
• تنظیم دقیق pH در آهک‌زنی برای حذف مؤثر ناخالصی‌ها و جلوگیری از تجزیه قند حیاتی است.
• دستگاه ته‌نشینی (Clarifier) شیرابه را از رسوبات جدا می‌کند.
• روش‌های مانند جاوه و مندهاوائی از اصول شیمیایی برای تصفیه بهره می‌برند.
• سیستم‌های تلفیقی (IMB) به دنبال بهینه‌سازی فرآیندها برای افزایش بهره‌وری هستند.
• باگاس (Bagasse) سوخت اصلی کارخانه قند برای تولید بخار و انرژی است.