Produzione del saccarosio

Produzione del saccarosio
Il saccarosio, o zucchero comune, è il carboidrato commercialmente più importante.
Tra le diverse proprietà di questa sostanza 4 sono quelle più rilevanti dal punto di
vista tecnologico: 1) potere rotatorio; 2) idrolisi; 3) solubilità in acqua; 4) formazione
dei saccarati o sucrati. Il saccarosio è una sostanza otticamente attiva ed ha un
potere rotatorio specifico [ α ]20°D pari a +66,5°. A contatto con soluzioni di acidi
organici o inorganici o di particolari enzimi, il saccarosio subisce l'idrolisi ossia la
scissione della molecola in fruttosio e glucosio. La soluzione equimolare di questi due
zuccheri è dotata di un potere rotatorio di -20°. Questo fenomeno viene chiamato
inversione e la miscela di glucosio e fruttosio viene detta anche zucchero invertito. Il
saccarosio è dotato di elevata solubilità in acqua. A 20° la solubilità corrisponde a
circa il 65% in peso. Il saccarosio reagisce con gli idrossidi dei metalli alcalini e
alcalino-terrosi (Calcio, Stronzio e Bario) per formare composti a carattere salino
detti saccarati o sucrati, ad esempio:
C12H22O11·CaO
C12H22O11·2CaO
C12H22O11·3CaO
In natura il saccarosio è contenuto principalmente in due piante: la canna da zucchero
e la barbabietola da zucchero . La prima è coltivata nelle regioni sub-tropicali, la
seconda in Europa ed in America settentrionale. La beta-vulgaris esiste in diverse
varietà, quelle coltivate sono la bietola da orto, da foraggio, da zucchero.
Quest'ultimo tipo contiene nella parte radicale una quantità di saccarosio variabile tra
il 15-20% in peso. La composizione media della radice di barbabietola può essere così
schematizzata:
zucchero:15-20%; H2O:circa70%;
non-zucchero:1,5-2,5%; polpa:4-6%.
Il non zucchero è costituito prevalentemente da ceneri o sali minerali (cloruri e solfati
di Na, K, Ca, Mg) acidi organici (glicolico , ossalico , succinico , tartarico e glutarico ),
amminoacidi (leucina , acido glutammico, glutammina , tirosina ), sostanze proteiche,
sostanze coloranti, sostanze pectiche. La produzione dello zucchero da barbabietola si
basa sull’estrazione con acqua e successiva purificazione e concentrazione della
soluzione ottenuta, detta sugo, fino ad ottenere lo zucchero cristallino. Oltre al
saccarosio, si ottengono come sottoprodotti le polpe esauste e il melasso. Le polpe
esauste sono costituite dalla parte legnosa e insolubile della barbabietola che residua
dopo l’estrazione. Trovano impiego principalmente come mangimi. Il melasso è un liquido
scuro, denso, viscoso e corrisponde alle acque madri di cristallizzazione. Contiene
ancora molto saccarosio, circa il 50%, ma non cristallizzabile, oltre a tutto il nonzucchero solubile, non eliminato con la depurazione. Viene utilizzato come terreno di
coltura per fermentazioni o anche ulteriormente trattato per recuperare il saccarosio.
La maturazione della barbabietola avviene nel mese di agosto pertanto la raccolta e la
lavorazione è concentrata nei mesi di agosto e settembre e nei primi giorni di ottobre.
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Già durante la fase di raccolta i tuberi vengono privati del lembo e del colletto ed
inviati allo zuccherificio dove vengono immagazzinati nei silos. Da questi le barbabietole
vengono trasportate al reparto di lavorazione tramite canali di acqua corrente. Durante
il trasporto pertanto inizia la fase di lavaggio che si completa dentro vasche munite di
agitatori chiamate lavatrici e alla quale segue l'invio, mediante un elevatore a tazze,
nella parte più alta dello stabilimento. Qui le bietole vengono pesate automaticamente
ed inviate dentro una tagliatrice che provvede ad affettarle. Il taglio viene eseguito in
modo tale da ridurre le bietole in fettucce di sezione a " V " con spessore di 0,5 - 1 mm
e larghezza di 2 - 3 mm e con una superficie specifica di 2.5-3.5 m2/kg. Dopo il taglio,
tramite un nastro trasportatore, le fettucce arrivano all' impianto di diffusione ;
operazione che consente di sciogliere ed estrarre lo zucchero in esse contenuto. Il
trattamento viene eseguito in apparecchi continui a tamburo rotante. Le fettucce
vengono inserite all'estremità del tamburo mentre dall'altra parte entra acqua a 70 75°C. L'operazione avviene in controcorrente cosa questa che garantisce l'esistenza di
una differenza costante di concentrazione tra solido e liquido lungo tutto il tamburo,
all'interno del quale vi è una coclea che consente alle fettucce di muoversi. La
temperatura dell'acqua viene attentamente controllata per evitare che si superino gli
80°C. A tale temperatura infatti oltre allo zucchero si scaricherebbero nell'acqua
anche sostanze indesiderate. Per permettere allo zucchero di diffondere nel liquido il
tempo di permanenza delle fettucce all'interno del diffusore è di oltre 2 ore, con una
resa pari al 99%. Le fettucce esaurite, dette "polpe", vengono pressate per eliminare
parte dell'acqua, e poste a fermentare per qualche giorno all'interno di vasche;
verranno usate come mangime per il bestiame. Il liquido in uscita dal diffusore (sugo
grezzo) ha una concentrazione di 11 - 13° Brix, è di colore giallino, torbido e imbrunisce
all'aria. L'operazione successiva è la depurazione del sugo grezzo dalle sostanze
indesiderate, che oltre a rendere problematica la cristallizzazione dello zucchero,
inquinerebbero il prodotto finale. Tale operazione detta anche "defecazione" viene
eseguita addizionando al sugo del latte di calce in quantità pari allo 0,3 - 0,5% di CaO
rispetto al sugo . L'aumento del pH consente di precipitare i colloidi in sospensione,
l'eccesso di calce viene poi eliminato saturando il liquido con CO2. Sia l’ossido di calcio
che l’anidride carbonica necessari al processo sono ottenuti all’interno dello stesso
stabilimento decomponendo termicamente in forni del calcare di elevata purezza. La
sospensione viene inviata in un decantatore Dorr (o in un filtro a tamburo) dal quale si
estraggono i fanghi detti anche "melme". Il liquido chiaro viene inviato in un secondo
saturatore di CO2 , per eliminare la calce residua, filtrato ed immesso nel reparto di
concentrazione. La concentrazione del sugo leggero viene eseguita mediante un sistema
di evaporatori a multipli effetti costituito da 4-6 evaporatori disposti in serie. Il primo,
alimentato con vapore di rete a bassa pressione, lavora sotto leggera pressione (2-3
atm) e ad una temperatura di 120° circa. La pressione e la temperatura vanno via via
decrescendo fino all'ultimo evaporatore che lavora in leggera depressione ad una
temperatura di circa 80°. Talvolta la concentrazione ha inizio in evaporatori a
termocompressione per poi proseguire nei multipli effetti. Lo schema di flusso
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utilizzato è quello di equicorrente data la natura termolabile del soluto. Durante la
concentrazione si verificano 3 fenomeni:
1. decomposizione delle ammine, amminoacidi e proteine, contenute nel sugo di
partenza con sviluppo di NH3;
2. reazione tra questi composti azotati (o i loro prodotti di decomposizione) ed il
saccarosio e formazione di sostanze di colore scuro chiamate melanoidine;
3. abbassamento del pH della soluzione (retrogradazione alcalina) con conseguente
pericolo di inversione dello zucchero.
Per contrastare questi fenomeni si cerca di limitare al massimo il periodo di
stazionamento del sugo negli evaporatori utilizzando apparecchi con elevate superfici di
scambio, e aggiungendo al sugo una certa quantità di carbonato di sodio per correggere
il pH. Nel processo di concentrazione vengono evaporati circa 85 - 100 kg di acqua per
quintale di barbabietole ottenendo un sugo ad una concentrazione di 60 - 65° Brix
detto sugo denso di colore scuro. Il trattamento successivo consiste nella
decolorazione del sugo denso, che viene effettuata trattando il sugo con sostanze
riducenti (carbone, SO2) o con resine a scambio ionico e successiva filtrazione del
prodotto. Il liquido chiaro, denso, così ottenuto viene detto sciroppo standard e deve
essere convogliato all'impianto di cristallizzazione. Tale operazione (detta cottura)
viene eseguita con evaporatori singoli a funzionamento discontinuo detti "bolle di
cottura" che lavorano a 0,2 - 0,3 atm e ad una temperatura di circa 60 °C. Lo sciroppo
viene inviato alla prima bolla di cottura e qui rimane fino a quando la concentrazione
raggiunge i 90° Brix dopo di che viene scaricato per gravità e fatto passare nel
cristallizzatore dove viene raffreddato con acqua corrente. Dopo la cristallizzazione la
sospensione passa ad una centrifuga dove i cristalli si separano dal liquido (acque
madri), detto scolo verde, che contiene saccarosio non cristallizzato e il non zucchero.
I cristalli di zucchero vengono lavati all'interno della stessa centrifuga con acqua o
vapore ottenendo così lo scolo bianco, che viene unito allo sciroppo in ingresso alla bolla
di cottura (lo scolo bianco infatti, oltre al poco scolo verde che ha rimosso dalla
superficie dei cristalli, contiene molto saccarosio che ha ridisciolto). Lo zucchero
bianco così ottenuto viene asciugato in un essiccatore a tamburo con una corrente di
aria calda , vagliato e confezionato o stoccato. Lo scolo verde in uscita dalla centrifuga
viene inviato in una seconda bolla di cottura , fatto cristallizzare e centrifugato. Lo
scolo verde di questa seconda centrifugazione costituisce il melasso, lo scolo bianco
viene aggiunto al liquido in ingresso alla bolla mentre lo zucchero grezzo viene sciolto
nuovamente in acqua pura ed inviato alla prima bolla di cottura. Questa operazione viene
chiamate "rifondita". La resa in saccarosio dipende principalmente dal contenuto
zuccherino delle barbabietole poiché le perdite non variano sensibilmente. Circa 2.1 kg
di zucchero per 100 kg di barbabietola vengono persi con i sottoprodotti, polpe e
melasso, mentre circa 0.6 kg vengono persi durante lo stoccaggio, il lavaggio ed il
trasporto delle barbabietole. L’uso di resine a scambio ionico ed il recupero dello
zucchero dai melassi può ridurre le perdite. In genere la quantità di melasso che si
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ottiene dopo il processo è circa il 3% delle bietole trattate. La resa complessiva in
saccarosio è circa 85 - 88%, ciò significa che i sottoprodotti, in particolare il melasso,
contengono ancora il 12 - 15% dello zucchero iniziale. Il consumo di calcare per
produrre CaO è di circa 3.5-5 kg per 100 kg di bietole, mentre sono necessari 7-10 kg
di coke per 100 kg di calcare. Il consumo di acqua teoricamente dovrebbe essere nullo,
visto l’elevato contenuto di acqua delle bietole (oltre il 75%). In effetti l’acqua è
necessaria nelle fasi di trasporto e di lavaggio e per compensare le perdite delle torri
di raffreddamento. Complessivamente sono necessari circa 0.3-0.5 m3 di acqua per
tonnellata di bietole. In pratica all’inizio della campagna di lavorazione gli impianti
vengono riforniti con acqua che viene poi riciclata. Le acque di lavaggio e di trasporto,
nonché la condensa dell’evaporazione, a causa dei composti organici disciolti, devono
essere inviate all’impianto di trattamento biologico prima dello scarico finale. Per
quanto riguarda il fabbisogno energetico, lo si può ripartire in una richiesta di vapore,
utilizzato come fluido di riscaldamento per il processo, ed in una richiesta di energia
elettrica, per tutti gli usi dello stabilimento. Generalmente la centrale termica produce
vapore surriscaldato ad alta pressione, 60-100 bar, che viene prima espanso in turbina
per produrre energia elettrica e poi, a 2.5-3 bar, utilizzato come fluido di
riscaldamento, principalmente nella fase di concentrazione, in cui si consumano circa
20-25 kg di vapore per 100 kg di barbabietole.
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