تصفیه شیرابه نیشکر: مرحله دوم — فرآیندهای شیمیایی پیشرفته

1. مقدمه

پس از مرحله اول تصفیه که عمدتاً بر جداسازی فیزیکی ناخالصی‌ها از طریق آهک‌زنی و ته‌نشینی متمرکز بود، این فصل به فرآیندهای شیمیایی پیشرفته‌تر می‌پردازد. این فرآیندها با هدف حذف کامل‌تر ناخالصی‌های محلول، کلوئیدی و رنگی، بهبود شفافیت و آماده‌سازی شیرابه برای مراحل بعدی (تبخیر و کریستالیزاسیون) انجام می‌شوند.

2. تصفیه شیمیایی: اصول و روش‌ها

هدف اصلی در این مرحله، حذف ناخالصی‌هایی است که با آهک‌زنی به طور کامل حذف نشده‌اند، به ویژه ترکیبات رنگی، مواد آلی کلوئیدی و برخی املاح معدنی.

الف) کربناسیون (Carbonation)

کربناسیون فرآیندی است که در آن دی‌اکسید کربن (CO2) به شیرابه قلیایی (حاصل از آهک‌زنی) تزریق می‌شود. این فرآیند عمدتاً در تصفیه شکر چغندر قند رایج است، اما در برخی فرآیندهای تصفیه شکر نیشکر نیز کاربرد دارد.

• اصول:

1. تزریق CO2: گاز CO2 از میان شیرابه آهک‌زده عبور داده می‌شود.
2. تشکیل کربنات کلسیم: CO2 با هیدروکسید کلسیم (آهک) واکنش داده و کربنات کلسیم (CaCO3) نامحلول تشکیل می‌دهد:

$Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$

3. ته‌نشینی ناخالصی‌ها: ذرات کربنات کلسیم تشکیل شده، مانند یک “ماده جاذب” عمل کرده و بسیاری از ناخالصی‌های باقی‌مانده (مانند رنگدانه‌ها، مواد کلوئیدی و فسفات‌ها) را به خود جذب کرده و با آن‌ها رسوب تشکیل می‌دهند.
4. کنترل pH: در این مرحله، pH شیرابه به سمت خنثی (حدود ۷-۸.۵) کاهش می‌یابد.

• مراحل: معمولاً به صورت دو مرحله‌ای انجام می‌شود: کربناسیون اول (با pH بالا) و کربناسیون دوم (با pH خنثی).
• اثرات: کاهش قابل توجه رنگ، حذف فسفات‌ها و بهبود شفافیت شیرابه.

ب) سولفیتاسیون (Sulphitation)

این فرآیند شامل تزریق گاز دی‌اکسید گوگرد (SO2) به شیرابه است و کاربرد گسترده‌ای در تصفیه شکر نیشکر دارد.

• کاربرد: عمدتاً برای حذف رنگ و جلوگیری از تشکیل رنگ‌های جدید در مراحل بعدی (مانند تبخیر و کریستالیزاسیون) به کار می‌رود. همچنین به عنوان یک عامل ضدعفونی‌کننده ملایم عمل می‌کند.
• مکانیزم:

1. تزریق SO2: گاز SO2 به شیرابه (معمولاً پس از آهک‌زنی و قبل از ته‌نشینی نهایی یا بین مراحل ته‌نشینی) تزریق می‌شود.
2. کاهش pH و تشکیل اسید سولفورو: SO2 در آب حل شده و اسید سولفورو (H2SO3) را تشکیل می‌دهد که باعث کاهش pH شیرابه می‌شود.

$SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$

3. اثر کاهنده رنگ (Bleaching): SO2 با ترکیبات رنگی واکنش داده و آن‌ها را به ترکیبات بی‌رنگ یا کم‌رنگ‌تر تبدیل می‌کند (اثر کاهنده).
4. رسوب‌دهی: SO2 می‌تواند با یون‌های کلسیم واکنش داده و سولفیت کلسیم (CaSO3) نامحلول تشکیل دهد که به همراه ناخالصی‌ها ته‌نشین می‌شود.
5. اثر ضدعفونی‌کننده: کاهش pH و وجود SO2، فعالیت میکروبی را کند می‌کند.

• توجه: استفاده بیش از حد از SO2 می‌تواند باعث تولید شکر با طعم نامطبوع گوگردی شود.

ج) فسفاتاسیون (Phosphatation)

این روش بیشتر در تصفیه شکر نیشکر استفاده می‌شود و هدف آن حذف رنگ و مواد کلوئیدی با استفاده از فسفات کلسیم است.

• اهداف: حذف رنگدانه‌ها، پروتئین‌ها و پکتین‌ها.
• روش اجرا:

1. افزودن فسفات: معمولاً از فسفات مونوکلسیم (Ca(H2PO4)2) یا فسفات دی‌کلسیم (CaHPO4) به همراه آهک استفاده می‌شود.
2. تشکیل رسوب فسفات کلسیم: در محیط قلیایی حاصل از آهک‌زنی، فسفات‌ها با کلسیم واکنش داده و رسوب نامحلول فسفات کلسیم (Ca3(PO4)2) را تشکیل می‌دهند.

$3Ca^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow$

3. جذب ناخالصی‌ها: ذرات فسفات کلسیم، مانند یک جاذب قوی، عمل کرده و ناخالصی‌های رنگی و کلوئیدی را به سطح خود جذب می‌کنند.
4. ته‌نشینی: مخلوط حاصل در دستگاه ته‌نشینی، جداسازی می‌شود.

• مزایا: حذف مؤثر رنگ و مواد کلوئیدی.

د) رفلاسیون عملی (Practical Refination) یا تصفیه مجدد

این اصطلاح به فرآیندهایی اطلاق می‌شود که هدفشان بهبود کیفیت شیرابه یا شکر خام از طریق مراحل تصفیه اضافی است. این می‌تواند شامل ترکیبی از روش‌های شیمیایی، فیزیکی (مانند فیلتراسیون غشایی) یا جذب‌کننده‌ها (مانند کربن فعال یا رزین‌های تبادل یونی) باشد. در بسیاری از کارخانه‌های مدرن، ترکیبی از این روش‌ها برای دستیابی به بالاترین خلوص شکر به کار گرفته می‌شود.

ه) سیستم جاوه (Java System) و متدهای پیشرفته‌تر

سیستم جاوه (Java System) که به آن روش “کلسیم-سولفیت-کربنات” (Calcium-Sulfite-Carbonate) نیز گفته می‌شود، یک روش تصفیه جامع است که در برخی مناطق، به ویژه در اندونزی (جاوه)، رایج بوده است. این سیستم ترکیبی از فرآیندهای زیر است:

1. آهک‌زنی (Liming): تنظیم pH با آهک.
2. سولفیتاسیون (Sulphitation): تزریق SO2 برای کاهش رنگ و pH.
3. کربناسیون (Carbonation): تزریق CO2 برای تشکیل رسوب کربنات کلسیم و حذف ناخالصی‌های جذب شده.
4. ته‌نشینی: جداسازی رسوبات.

متدهای پیشرفته‌تر: شامل استفاده از فرآیندهای غشایی (مانند اولترافیلتراسیون و نانوفیلتراسیون) برای حذف مولکول‌های بزرگ و رنگی، استفاده از کربن فعال برای جذب رنگ، و رزین‌های تبادل یونی برای حذف املاح و رنگ. این روش‌ها معمولاً در پالایشگاه‌های شکر (Refineries) که شکر خام را به شکر سفید تبدیل می‌کنند، بیشتر کاربرد دارند.

مثال کاربردی

مثال: بهبود رنگ شیرابه با سولفیتاسیون

یک کارخانه تولید شکر سفید از نیشکر، متوجه می‌شود که شیرابه پس از آهک‌زنی و ته‌نشینی اولیه، همچنان رنگ قهوه‌ای تیره‌ای دارد که باعث کاهش کیفیت شکر سفید نهایی می‌شود. مدیر فنی تصمیم می‌گیرد فرآیند سولفیتاسیون را قبل از مرحله تبخیر اضافه کند. با تزریق کنترل شده گاز SO2 به شیرابه شفاف، pH از 11.5 به حدود 8.0 کاهش یافته و رنگ شیرابه به طور محسوسی روشن‌تر می‌شود. این کار باعث می‌شود که شکر سفید تولیدی، شفافیت و سفیدی بیشتری داشته باشد و استانداردهای کیفی بالاتری را کسب کند.

تمرین‌های پایان فصل

1. کربناسیون چیست و چه نقشی در تصفیه شیرابه دارد؟ (به ویژه در مقایسه با سولفیتاسیون)
2. تفاوت اصلی بین سولفیتاسیون و فسفاتاسیون در تصفیه شیرابه نیشکر چیست؟
3. چرا سولفیتاسیون به عنوان یک “عامل کاهنده رنگ” عمل می‌کند؟
4. “رفلاسیون عملی” به چه معناست و چه رویکردهایی را شامل می‌شود؟
5. سیستم جاوه (Java System) چه مراحلی را به صورت ترکیبی شامل می‌شود؟
6. اثرات نامطلوب احتمالی استفاده بیش از حد از SO2 در فرآیند سولفیتاسیون چیست؟

نکات کلیدی فصل

• مرحله دوم تصفیه بر فرآیندهای شیمیایی برای حذف ناخالصی‌های محلول و رنگی تمرکز دارد.
• کربناسیون (با CO2) باعث تشکیل کربنات کلسیم و جذب ناخالصی‌ها می‌شود.
• سولفیتاسیون (با SO2) عمدتاً برای کاهش رنگ و جلوگیری از تیرگی بیشتر شیرابه کاربرد دارد.
• فسفاتاسیون با استفاده از فسفات کلسیم، رنگ و مواد کلوئیدی را حذف می‌کند.
• رفلاسیون به فرآیندهای تکمیلی برای بهبود کیفیت اشاره دارد.
• سیستم جاوه ترکیبی از آهک‌زنی، سولفیتاسیون و کربناسیون است.
• روش‌های پیشرفته شامل فرآیندهای غشایی و جذب‌کننده‌ها هستند.