صنایع شیمیایی – چغندر

فهرست مطالب

مقدمه و تاريخچه 1

فصل اول 6

1-1 چغندر قند 6

2-1 مراكز كشت چغندر قند و نيشكر در جهان 8

3-1 چغندرقند در ايران 9

فصل دوم 12

1-2 برداشت، نگهداري و تحويل چغندر قند 12

2-2 تحويل و تخليه 15

3-2 تخليه چغندر 16

4-2 تخليه مكانيكي 16

5-2 تخليه هيدروليكي 17

6-2 تخليه با آب يا تخليه هيدروليكي 18

7-2 روش تخليه خشك 18

فصل سوم 20

13-3 شكر خام چغندر 56

14-3 شكر خام نيشكر 58

15-3 شكر سفيد 58

16-3 ملاس چغندر 61

17-3 ملاس نيشكر 62

فصل چهارم 64

1-4 مصرف چغندر در كارخانه 64

2-4 شستشوي چغندر، خلال كردن وتوزين آن 64

3-4 جداسازي سنگ‌ريزه و دم چغندر 69

4-4 انتقال چغندر از چغندرشويي به مخزن ذخيره 69

5-4 خرد كردن يا خلال كردن چغندر 70

6-4 آسياب خلال با صفحه متحرك (برش كامل) 71

7-4 آسياب خلال توربيني با برش كامل 72

فصل پنجم 74

حمل چغندر به كارخانه 74

1-5 نمونه‌برداري 74

2-5 عيارسنج 76

3-5 روش نگهداري چغندر قند 79

4-5 رسيده بودن چغندر قند از نظر فيزيولوژيكي 80

5-5  مراحل تميز كردن و شستشوي چغندر قند 81

6-5 ديفوزيون 83

منابع 87

 مقدمه و تاريخچه

چغندر قند از گونه بتاولگاريس بوده و گياهي دوساله مي‌باشد، اين گياه سال اول غده تشكيل داده، سال دوم توليد بند، گل و بذر مي‌نمايد. از نظر ظاهري، چغندر قند رسيده آماده مصرف در كارخانه مخروطي شكل مي‌باشد كه ريشه آن باريك است. ريشه تا 5/1 متر نيز ممكن است طولش باشد كه به آن دم چغندر قند مي‌گويند.

قسمت فوقاني آن را تنه مي‌گويند. از قسمت انتهايي دم كه قطري حدود يك سانتيمتر دارد را قطع نموده و جزء ضايعات محسوب مي‌شود. سطح خارجي شيارهايي با ريشه‌هاي ضعيف دارد كه مقدارش بستگي به رقم انتخابي چغندر دارد. قسمت بالاي تنه كه ريشه جانبي ندارد را گردن گويند و قسمتي كه روي آن تاج برگ قرار دارد را سر چغندر قند مي‌گويند.

 چغندر قند در سال اول كاشت پس از 240-170 روز برداشت شده و پس از جداسازي برگ و سر به كارخانه حمل شده و نسبت قطر غده به طول غده بستگي به وضعيت مزرعه و آبياري آن دارد. اگر آب كافي به مزرعه برسد اين نسبت بيشتر مي‌شود.

بيشترين مقدار ساكارز در تنه مي‌باشد. اگر در تنه عيار 90/17% باشد در سر چغندر قند حدود 5/14% است و در قسمت دم نيز ميزان عيار بيشتر كاهش مي‌يابد.

چغندر قند همانند ساير گياهان از تعداد زيادي سلول تشكيل شده وبافت سلولي اصلي چغندر قند شامل سلول‌هاي ذخيره‌اي است كه به آن سلول‌هاي پارانشيمي اطلاق مي‌شود. در يك سانتيمتر مكعب از اين بافت حدود 150 ميليون سلول پارانشيم وجود دارد كه مركز تجمع عصاره قندي هستند.

 هر سلول پارانشيمي از يك جدار سلولزي كه سلول را احاطه كرده است تشكيل شده است. عصاره قندي كه در واكوئل تجمع يافته، داراي غشاء بيولوژيكي به نام پروتوپلاست است كه براي خروج اين عصاره بايد ابتدا اين غشاء از حالت نيمه تراوا به تراوا تبديل شود. لايه بعدي سيتوپلاسم نام دارد كه قسمتهاي مختلف سلولي در آن جاي دارد، غشاء ديگر بيولوژيكي كه روي سيتوپلاسم است پلاسمالما نام دارد كه نيمه تراوا است و  مواد را از خارج به داخل وارد مي‌كند (آب، Na ، K… ) و مولكولهاي كوچكتر را خارج مي‌كند ولي به ساكارز اجازه خروج نمي‌دهد و براي خروج بايد تراوا گردد. اما لايه سلولزي قابليت تراوايي دارد بنابراين سه عامل محدود كننده عبور ساكارز وجود دارد كه براي عمليات استخراج بايد تراوا گردند.

 دو غشاء بيولوژيكي بايد داراي سوراخ‌هايي باشد كه حين حرارت‌دهي باز شده و عبور مواد از آن صورت گيرد. عصاره پس از خروج از سلول وارد كانال‌هاي برون سلولي شده كه اين كانالها عصاره را به خارج بافت هدايت مي‌كنند.

چغندر قند از بافت‌هاي مختلفي تشكيل شده است كه به صورت حلقه‌هاي رنگي مي‌باشد، حلقه‌هاي مربوط به سلول‌هاي پارانشيمي به رنگ سفيد شيري مي‌باشد و بافت آنها   كل بافت است. حلقه بعدي آوندها هستند كه رنگشان تيره تر از بافت پارانشيم است. رويش و گسترش اين آوندها در بافت سلولي چغندر قند موجب افزايش مقاومت برش در چغندر قند مي‌شود كه خصوصا در خلال‌سازي با اهميت هستند.

در سر چغندر قند سلولهاي پارانشيمي كمتري وجود دارد، به همين دليل درصد قند قسمت سر چغندر قند كمتر است و عيار آن پايين‌تر است همچنين انرژي برش هم بيشتر است. بنابراين سر چغندر قند از سلولهاي خشبي تشكيل شده است و داراي ارزش تكنولوژيكي كمتري مي‌باشد.

به طور كلي چغندر قند از مواد زير تشكيل شده است كه در جدول (1) نشان داده شده مي‌شود.

جدول (1) _ اجزاي تشكيل دهنده چغندر قند و برگ چغندر قند

تركيبات شيميايي چغندر قند برگ چغندر قند

ماده خشك

ساكارز

پروتئين

چربي

الياف

عصاره بدون ازت

خاكستر 6/23 درصد

5/16 درصد

05/1 درصد

12/0 درصد

6/1 درصد

92/2 درصد

75/0 درصد 85/13 درصد

0 درصد

41/2 درصد

19/0 درصد

78/0 درصد

88/6 درصد

75/2 درصد

مارك: قسمت عمده تشكيل دهنده چغندر قند كه در مقدار معين آب گرم به مدت زمان معين به صورت غير محلول باشد.

فصل اول

1-1 چغندر قند

مارك گراف رئيس انجمن علمي برلين و نخستين رئيس آكادمي آزمايشگاه شيميايي در آزمايش‌هايي كه در مورد گياهان بومي انجام مي‌داد متوجه گرديد در ريشه بعضي چغندرها مثل چغندر سفيد و چغندر قرمز ماده‌اي وجود دارد كه شبيه شكر نيشكر است. او در مقاله‌اي در سال 1747 به اين نكته اشاره كرد كه مزه شيرين چغندر سفيد در اثر وجود ماده‌اي همانند شكر نيست بلكه در چغندر هم همان شكر نيشكر است كه به مقدار فراوان وجود دارد و مي‌توان آن را سفت، خشك و به صورت دانه‌هاي بلور و زيبا و سخت درآورد. البته چون او به دنبال مواد معدني در ريشه گياهان بود و هيچ‌گونه انگيزه‌اي وجود نداشت كه در مورد استخراج شكر از چغندر اقداماتي انجام دهد، لذا اين امر به دست فراموشي سپرده شد. در آن زمان درصد قند چغندر سفيد 6/1 و درصد قند چغندر قرمز 5/0 بود.

در سال 1786  شاگرد و جانشين مارك گراف، آشارد آزمايش‌هاي منظم و پيگيري را درباره كشت و پرورش چغندر سفيد آغاز كرد و به بررسي آزمايش‌هاي استاد خود پرداخت و بالاخره در سال 1798 موفق شد براي نخستين بار شكر را چغندر  استخراج و در 11 ژانويه 1799 آن را همراه با رساله‌اي كه درباره روش تهيه شكر از چغندر سفيد بود به پادشاه پروس فردريك سوم ارائه نمايد. فردريك سوم از او استقبال كرد ولي براي اينكه كشفش مورد قبول قرار گيرد بايستي تهيه شكر از چغندر را در حضور كميته منتخب دولت پروس عملا نشان دهد.

پيشنهاد او پس از انجام دو آزمايش مورد قبول واقع گرديد و راندماني كه او در اين آزمايش‌ها به دست آورد معادل 4/5% چغندر بود. پس از دو سال انتظار بالاخره اين محقق موفق شد كه قطعه زميني كه از مزارع دولتي را در شهر كونرن در اختيار بگيرد و در آنجا اولين كارخانه قند چغندري را در سال 1801 تاسيس نمايد.

روش كار آشارد بدين صورت بود كه او ابتدا چغندرها را در صندوق چوبي مي‌شست و در يك دستگاه مالش چغندرها را تبديل به خمير مي‌كرد. سپس عصاره خمير را به وسيله پرسهاي استوانه‌اي استخراج و پس از آن عصاره را تصفيه مي‌نمود. او براي اينكه مواد سفيده‌اي موجود در شربت را منعقد نمايد به شربت سرد اسيد سولفوريك غليظ اضافه كرده و سپس اسيد اضافي را با خاكستر چوب همراه با آهك كافي خنثي و پس از ته‌نشين شدن سولفات كلسيم، شربت زلال را با اضافه كردن آهك قليايي مي‌كرد. پس از صاف كردن با پارچه‌هاي پنبه‌اي، شربت تصفيه شده را در ديگهاي مسطح تا توليد كريستال تغليظ و پس از آن مخلوط كريستال و شربت را در قالب‌هاي مخروطي‌شكل مي‌ريخت. پس از چند هفته كله قندها را از قالب خارج كرده و براي خشك شدن در هواي آزاد قرار مي‌داد.

در ماه مارس 1802 كارخانه كونرن اولين بهره‌برداري خود را با 250 تن چغندر كه از محصول سال قبل بود شروع كرد. از نتيجه اين بهره‌برداري اطلاعاتي در دست نيست. اين كارخانه در سال 1807 در اثر آتش‌سوزي از بين رفت.

البته در ساير نقاز اروپا كارخانه‌هاي قند چغندري ايجاد گرديد ولي چون از نظر اقتصادي توليد شكر از چغندر مقرون به صرفه نبود و با شكر نيشكر نمي‌توانست رقابت كند بعد از مدتي كارخانه‌ها ورشكست و تعطيل مي‌شدند. شورش بردگان در ساندومينگو و از بين بردن آسياب‌ها و مزارع نيشكر و نرسيدن شكر به اروپا باعث گرديد  كه بهاي شكر افزايش يابد. فكر اينكه شكر را بايد از محصولي تهيه كرد كه در اروپا قابل كشت باشد همراه با فرمان تحريم تجار انگليسي توسط ناپلئون در سال 1806 و عدم ورود شكر به اروپاي مركزي باعث پيشرفت كشت چغندر قند در اروپا گرديد. به دنبال اين بحران و اتخاذ سياست‌هاي تشويقي و حمايتي فوق‌العاده كار بر روي زراعت چغندر قند و روش‌هاي جديد استحصال شكر از چغندر بالا گرفت و كارخانجات توليد شكر از چغندر مورد حمايت كامل دولت قرار گرفتند.

 در اين دوران تعداد زيادي كارخانه‌هاي قند از چغندر در اروپا راه‌اندازي شد ولي پس از برداشتن منع ورود شكر و شكست ناپلئون در سال 1813 اغلب اين كارخانه‌ها دچار بحران شدند.

در سي سال  سده نوزدهم ميلادي در اغلب كشورهاي اروپا صنعت قند مجددا جان تازه گرفت و با استفاده از پيشرفت‌هاي علمي و دستگاه‌هاي جديد روش جديدي ابداع و به دوران سلطه چندين هزار ساله نيشكر به عنوان تنها منبع شكر از نيشكر پايان داده شد. در سال 1800 ميلادي ميزان توليد شكر در جهان 245000 تن و سهم چغندر در آن 4% بود در حالي كه در سال 2002/2001 ميزان توليد شكر به 132507000 تن رسيد كه سهم چغندر در آن (33850000 تن ) معادل 54/25% است.

نوآوري‌ها و تحقيقاتي كه در پنجاه سال نخست سده نوزدهم ميلادي انجام گرفته به شرح زير است:

 تغليظ شربت در خلاء توسط ادوارد هووارد 1816.

 توليد قند حبه توسط ياكوب راد در سال 1840.

 راه‌اندازي ديفوزيون باطري توسط جوليوس روبرت در سال 1842.

 اختراع دستگاه پولاريمتر توسط ونستكه در سال 1842.

 راه‌اندازي اولين دستگاه تبخير با لوله‌هاي عمودي توسط فلورانت روبرت 1850.

 طراحي اواپراسيون چند بدنه‌اي توسط مولي يه در سال 1850.

2-1 مراكز كشت چغندر قند و نيشكر در جهان

مراكز اصلي كشت چغندر قند در مناطق معتدله اروپا و آمريكاي شمالي كه حد متوسط گرما در ماه‌هاي تير و مرداد بين 17 تا 27 درجه سانتيگراد و مقدار بارندگي بين 500 تا 1000 ميلي‌متر در سال است و 50% ميزان بارندگي در ماه‌هاي ارديبهشت تا مهرماه مي باشد قرار دارد. نيشكر جزو گياهان گرمسيري و حاره محسوب مي‌شود و دوره رشد آن دوازده ماه طول مي‌كشد و نياز به آب فراواني دارد و به سرما حساس است بنابراين مركز اصلي آن ميان خط ايزوترم (هم‌گرمايي) 20 درجه شمالي و جنوبي خط استوا قرار دارد در اين مناطق همراه با تابش شديد آفتاب بايستي ساليانه 1200 ميليمتر بارندگي و يا امكان آبياري مصنوعي وجود داشته باشد.

 مراكز كشت چغندر قند و نيشكر در جهان و درصد توليد آن

كشورهايي كه فقط چغندر قند كشت مي‌شود درصد توليد كشورهايي كه فقط نيشكر كشت مي‌شود درصد توليد كشورهايي كه چغندر قند و نيشكر كشت مي‌شود

اروپا (تمام كشورهاي اروپائي) 98 – 2 پرتغال و اسپانيا

آمريكاي شمالي، كانادا و ايالات متحده 57 فلوريدا، لوئيزيانا، تگزاس، هاوائي، پرتوريكو 47 –

آمريكاي مركزي – تمام كشورهاي اروپاي مركزي 100 –

آمريكاي جنوبي، آرژانتين، اوروگوا 2 كوبا، برزيل، شيلي، پرو و بقيه كشورهاي آمريكاي جنوبي 98 –

آفريقا، الجزيره، مراكش، تونس 6 بقيه كشورهاي آفريقايي 94 مصر

آسيا، لبنان، افغانستان، و سوريه 9 برمه، بنگلادش، اندونزي، مالازيا، نپال 91 چين، هندوستان،عراق، ايران، ژاپن، پاكستان

اقيانوسيه – استراليا، فوجي 100 –

3-1 چغندرقند در ايران

صنعت قند ايران پس از سالها در سال 1274 با تاسيس كارخانه چغندري در كهريزك با سرمايه بلژيكي‌ها مجددا پايه‌گذاري گرديد و اين اميد رابه وجود آورد كه با كشت چغندر و تاسيس كارخانه‌هايي ديگر مي‌توان قسمت اعظم قند مورد نياز آن زمان كشور را تامين نمود. اين موضوع براي روس‌ها كه در آن زمان قند و شكر ايران را تامين مي‌كردند  ناخوش‌آيند بود لذا سخت كوشيدند تا اين صنعت نوپا را از بين ببرند و از بين هم بردند، زيرا كارخانه پس از دو بهره‌برداري به كلي تعطيل شد و تا 1309  نه از قند ايران خبري بود  و نه از چغندر كاري در ايران…

در 1309 كارخانه قند كهريزك با سرمايه دولت بازسازي شد و بلافاصله پس از آن كارخانه قند كرج به صورت كارخانه اي مدرن (در آن زمان) با سرمايه دولت تاسيس شد و طولي نكشيد كه كارخانه‌هاي قند مرودشت _ اسلام‌آباد _ ورامين (شاهي) و آبكوه و مياندوآب با سرمايه دولت تاسيس شدند و به بهره‌برداري مشغول گرديدند و به علت پيشرفت كشت چغندر پاره‌اي از آنها توسعه ظرفيت هم يافتند.

كارخانه شاهي قديم (به علت آنكه نمي‌توانسته در مازندران خوب چغندر به عمل آورند) پس از بهره‌برداري 1315 تعطيل گرديد و كليه ماشين‌آلات آن (به جز مراكز نيروي بخار، نيروي برق) به محل كنوني (شازند) منتقل گرديد و كارخانه قند شازند به وجود آمد كه از 1317 تا كنون در اين محل مشغول بهره‌برداري مي‌باشد.

كارخانه قند ورامين نيز پس از بهره‌برداري 1317 تعطيل گرديد و ماشين‌آلات قندسازي آن (براي توسعه ظرفيت كارخانه قند مرودشت)  به مرودشت منتقل گرديد.

با شروع بهره‌برداري از سه كارخانه جديد دولتي كه هر كدام 350 تن ظرفيت داشتند فسا در 1333- بردسير در 1334 و چناران در 1335 جمع واحدهاي آماده به كار كشور كه همه با سرمايه دولت تاسيس شده بود و به وسيله دولت اداره مي‌شدند به 12 واحد رسيد ولي كارخانه قند كهريزك به علت اقتصادي نبودن از گردونه خارج شد و در نتيجه تعداد كارخانه‌هاي قند دولتي مثلا در تاريخ 1337 به 11 واحد تقليل يافت و از اين 11 واحد نيز در 1337 معادل 106000 تن قند و شكر به دست آمد كه خود حد نصابي در آن زمان براي صنعت قندسازي كشور بود.

تا سال 1335  صنعت قندسازي منحصرا با سرمايه دولت به و.جود آمده بود و بخش خصوصي وارد صنعت قندسازي نشده بود، اما در 1336 شركتي توسط بخش خصوصي به نام شركت سهامي كارخانه قند فريمان تاسيس گرديد و كارخانه قندي با ظرفيت يك هزار تن چغندر در 24 ساعت در فريمان (خراسان) نصب شد و از 1338 تا كنون مشغول بهره‌برداري است. گو اينكه كارخانه‌هاي قند تربت جام و ممسني و ياسوج هر كدام با ظرفيت يك هزار تن چغندر در 24 ساعت با سرمايه دولت خريداري شده و كارخانه قند نيز با ورود خود به صنايع قند كشور باعث رونق صنعت گرديده بود. بخش خصوصي نه فقط راسا اقدام به تاسيس كارخانه كرد بلكه كليه واحد‌هاي قندسازي متعلق به دولت (به جز 5 كارخانه) را نيز علي‌الظاهر خريداري نمود.

در هر صورت قبل از سال 1320 كشور داراي 7 كارخانه قند مشغول به كار بود كه در اين كارخانه‌ها از سال 1318 تا سال 1325 همه ساله برابر با 28226 تن (حد نصاب) قند و شكر توليد شده است.

در سال‌هاي 1329 و 1333 دو كارخانه قند اروميه و تربت حيدريه هر يك با ظرفيت 700 تن چغندر در 24 ساعت و با سرمايه دولت به جمع كارخانه‌هاي قند كشور افزوده شد و در نتيجه كشور داراي 9 واحد قندسازي مشغول بهره‌برداري شد.

از 33 كارخانه چغندر قند كه قبل از انقلاب مشغول بهره‌برداري بودند فقط پنج واحد (تربت جام، پيرانشهر، ممسني، چهارمحال و ياسوج) ا ز واحدهاي دولتي به وسيله دولت اداره مي‌شدند و بقيه لااقل به صورت اسمي به وسيله بخش‌هاي خصوصي خريداري و به كار اشتغال داشتند. در اين زمان نزديك به 95 درصد  از توليد  به وسيله بخش خصوصي تامين مي‌شد.

هم‌اكنون در كشور 35 كارخانه قند چغندري با ظرفيت 5000 تن (بالاترين) و 500 تن (كمترين) مشغول به كار هستند. اين كارخانجات باظرفيت اسمي 63600 تن قادرند در يكصد روز دوره بهره‌برداري 6360000 تن چغندر را مصرف نمايند.

فصل دوم

1-2 برداشت، نگهداري و تحويل چغندر قند

ميزان چغندر قند توليدي هر منطقه طول دور بهره‌برداري كارخانه يا كارخانه‌هاي آن منطقه را تعيين مي‌كند. كارخانه‌ها مايلند با توجه به ضايعات قندي چغندر به اندازه صد روز ظرفيت كارخانه چغندر داشته باشند و كل چغندر را در مدت يكصد روز يعني اواسط مهرماه تا اواسط ديماه تحويل بگيرند و برهمين مبنا هم باكشاورزان قرار داد منعقد مي‌كنند.

بنابراين حالت مطلوب براي كارخانه آن است كه كشاورزان كندن چغندر خود را طوري ترتيب دهند كه به تدريج به اندازه ظرفيت كارخانه چغندر را برداشت و بلافاصله به كارخانه تحويل دهند.

البته اگر كشت چغندر طبق برنامه در بهار تدريجي انجام شود برداشت آن نيز تدريجي امكان‌پذير است و تا چغندر مزرعه‌اي كه زودتر كاشته شده برداشت شود و تحويل كارخانه گردد. چغندر مزرعه ديگر كه ديرتر كاشته شده رسيده و قابل برداشت مي‌شود. از طرف ديگر كشاورزان متوسط و كوچك كه تعدادشان هم كم نيست و حدود 90% پيمانكاران را تشكيل مي‌دهد به دلايل مختلف مايلند كه چغندر خود را بلافاصله از مزرعه به كارخانه حمل و تحويل نمايند. بعضي از آنها چون زمين چغندر خود را كودريزي و وجين كرده‌اند نمي‌خواهند آن را در آيش بگذارند و معمولا جو يا گندم در آن مي‌كارند اگر صبر كنند تا چغندر خود را در دي و بهمن برداشت و بعد گندم بكارند محصول گندم در اثر كرپه شدن خوب نمي‌شود. بنابراين بدون توجه به برنامه تحويل چغندر خود را در موقع مناسب كار خود مي‌كنند و مي‌خواهند بلافاصله تحويل كارخانه دهند.

در سالهايي كه مقدار چغندر توليدي در اثر افزايش سطح زير كشت يا رعايت اصول به‌زراعي و ايجاد شرايط اقتصادي و اجتماعي و مخصوصا شرايط جوي مناسب افزايش مي‌يابد طول دوره بهره‌برداري به علت ثابت ماندن ظرفيت كارخانه‌ها طولاني شده و كشاورزان اگر نسبت به برداشت چغندر خود به موقع اقدام نكنند مزارع آنها زير برف و باران و يخبندان رفته و زحمات يكساله آنها به هدر مي‌رود. كما اينكه در سالهاي 1324،1347، 1351، 1373 و 1381 به علت سرما و بارندگي مداوم برداشت چغندر به موقع انجام نشد و مقدار زيادي چغندر در استانهاي مركزي، سمنان، خراسان، كرمانشاه و آذربايجان از بين رفت و خسارت مالي زيادي به كشاورزان وارد آمد و اگر هم قبل از سرما نسبت به برداشت چغندر اقدام كنند با تراكم وسايل نقليه جلو درب كارخانه و طولاني شدن تحويل چغندر مواجه مي‌شوند.

بنابراين عدم هماهنگي در توليد و مصرف چغندر مشكلات مادي و معنوي زيادي را براي دست‌اندركاران صنايع قند همواره به دنبال داشته است. اين ناهماهنگي بين كشاورزان و كارخانه‌داران و تضاد منافع باعث شده است كه همه ساله بين هفتاد تا يكصد هزار تن شكر از بين برود و اگر ضايعات قندي از برداشت تا تحويل را به آن اضافه كنيم ضايعات قندي به مراتب بيشتر از يكصدهزار تن شكر خواهد شد. اين مقدار شكر حدودا 50% محصول شكر توليدي استان خراسان با ده كارخانه قند مي‌باشد.