Technologie potravin - cukr 1

Knihu můžete zakoupit přes E-shop www.keypublishing.cz nebo v Univerzitním knihkupectví NTK za cenu 570 Kč. Technologie potravin - cukr 2

VÝROBA CUKRU V ČR A VE SVĚTĚ Počátky průmyslové výroby cukru u nás - rok 1831 Výroba cukru v ČR - ročně 370-500 tis. t -tuzemská spotřeba cukru 400 tis. t za rok Výrobní náklady - 16.000 Kč/t Rozhodující nákladové položky: cena cukrovky 53 % doprava a příjem cukrovky 7 % výrobní náklady cukrovaru 36 % skladování cukru 4 % Technologie potravin - cukr 3

Světové ceny cukru nejsou odrazem výrobních nákladů - řídí se tržním mechanismem nabídky a poptávky - stavem světových zásob cukru Technologie potravin - cukr 4

Světová výroba cukru 20 % řepný cukr Technologie potravin - cukr 7

Charakteristické ukazatele řepařství a cukrovarnictví ČR nejlepší v EU výnos cukrovky (t/ha) 63-66 80 plocha na pěstitele (ha) 70 10 cukernatost (%) 18,3 19 výtěžnost (%) 87 87 výnos rafin. cukru (t/ha) 10,0-10,5 13,2 zprac. kapacita (t/d) 5100 8000 Rekordní výnosy cukrovky ve Francii se pohybují nad 90 t/ha při cukernatosti 16 %, u nás 63 66 t/ha při průměrné cukernatosti 18,5 %. Výnos cukru Francie 14 15 t/ha, Švýcarsko, Belgie a Nizozemsko 12 13 t/ha Velká Britanie, Dánsko, Německo, Rakousko 11 t/ha Technologie potravin - cukr 11

CUKR A JEHO POUŽITÍ v lidské výživě k chemickým a biochemickým transformacím Dlouhodobá skladovatelnost Relativně nízká cena CUKR zajišťuje podstatnou dávku celkového příjmu energie široká nabídka průmyslově a dílensky vyráběných potravin přímá spotřeba v domácnostech funkce cukru: sladidlo ochucovadlo konzervační činidlo látka dodávající potravinám objem látka upravující texturu potravin fermentační substrát Spotřeba cukru v ČR - 40 kg na osobu a rok Základní výživový směr - snížení spotřeby cukru asi o 30 % Vyšší spotřeba cukru a výskyt různých onemocnění Technologie potravin - cukr 12

CUKR JAKO SUROVINA PRO CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ TECHNOLOGIE pouze 5 % světové produkce cukru se využívá k nepotravinářským účelům produkty chemické či biochemické transformace sacharosy jsou biologicky odbouratelné a nejsou toxické Možnosti výrob, vycházející ze sacharosy: fermentační zpracování na bioetanol, následné využití jako palivo nebo přísada do pohonných směsí 4,1 % do benzinu, do r. 2020 10 % klasické kvasné výroby - líh, droždí, organická rozpouštědla a kyseliny (citronová) produkty chemické transformace sacharosy (sorbit, vitamin C, kyselina glukonová, 5-hydroxymethylfurfural aj.) Technologie potravin - cukr 13

surovinové laboratoře stanovení obsahu minerálních a rostlinných příměsí analytické stanovení obsahu cukru sodíku a draslíku amidického dusíku výpočet předpokládané výtěžnosti rafinovaného cukru, resp. ztrát cukru ve vyrobené melase podle složení cukrovky Technologie potravin - cukr 16

Voda Voda Ukládka řepy Separace balastu Praní řepy Kameny, písek Chrást Úprava vody Voda Dezinfekce Řezání řepy Extrakce Lisování řízků Hlinitý kal Surová šťáva Q=89-92 % Lisované řízky S=24%, P=0.5% teplota < 80 C, doba < 120 min ph 5,8 Technologie potravin - cukr 19

sladké řízky surová šťáva extraktor vyslazené řízky voda bilance sušiny a sacharosy m 1 S 1 = m 2 S 2 + m 4 S 4 m 1 P 1 = m 2 P 2 + m 4 P 4 výpočet hmotnostního odtahu surové šťávy m 2 (% ř.) S 4 P 1 - S 1 P 4 m 2 = ----------------------. m 1 S 4 P 2 - S 2 P 4 Technologie potravin - cukr 22

Extraktory věžové žlabové bubnové 60 C 74 C 74 C 72 C Technologie potravin - cukr 23

Čištění šťávy - epurace Hlavní cíl: 1) odstranit maximální podíl necukrů (30-40 %) 2) neutralizovat kyselou reakci surové šťávy 3) minimalizovat rozklad sacharosy 4) dezinfikovat šťávu 5) odstranit částice pevných látek K epuračnímu procesu se používá: vápenné mléko (suspenze Ca(OH) 2 a CaO ve vodě) saturační plyn (obsahující 30-34 % obj. CO 2 ) Technologie potravin - cukr 30

Válcová vápenka Skipový výtah dávkování vápence a koksu doprava nad vápenku plnění vápenky Plnicí komora Dvojitý uzávěr zvon Indikátory hladiny 800 C 1100 C 50-100 C Vyprazdňovací zařízení pohyblivé rošty talířové podavače vyhrnovací lopatky vibrační talíře Technologie potravin - cukr 31

Surová štáva, Q=89-92 % Vápenné mléko Předčeření - ph 11 Vápenné mléko Čeření ph 12,5 Saturační plyn CO 2 1. saturace ph 11 30-34 % CO 2 Zahušťování kalu Saturační plyn CO 2 Filtrace 2. saturace ph 9-9,5 Saturační kal P<1 %; S=60-65 % Filtrace Lehká šťáva, Q=92-94 % Technologie potravin - cukr 32

Předčeření 0,25-0,30 % CaO n.ř. Koagulační předčeřovací křivka - odstranění koloidně dispergovaných látek - vysrážení nerozpustných vápenatých solí - vysrážení a dehydratace sraženiny Progresivní předčeření -postupné a plynulé zvyšování ph k hodnotě 11 - probíhá srážení, dehydratace, koagulace - stabilizace kalových částic -repeptizace koloidů -teplota 50-60 C nebo 85-90 C Technologie potravin - cukr 33

Dočeření cíl: rozložit amidy aminokyselin, redukující látky, oxalogenní látky přídavek vápenného mléka: 1,0-1,6 % CaO n.ř. teplota 85 90 C doba 10-15 min ph vyšší než 12 Tvorba sacharátů Vysrážení nerozpustných vápenatých solí Technologie potravin - cukr 34

1. saturace Hlavní cíl - vysrážet krystalický uhličitan vápenatý, na jehož povrchu se adsorbují barevné látky, povrchově aktivní látky a další necukry Základní srážecí reakce Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 ---> CaCO 3 + 2 H 2 O Hydratace CO 2 Doplňkové fyzikálně chemické čištění srážení a krystalizace uhličitanu vápenatého adsorpce necukrů na povrchu uhličitanu vápenatého rozpouštění plynného oxidu uhličitého teplota 80 85 C končí se při ph 11 Technologie potravin - cukr 35

2. saturace hlavní cíl: snížit obsah vápenatých solí ve šťávě na minimum, zvýšit čistotu šťávy chemické čištění šťávy ochrana před tvorbou inkrustací kal po 2.saturaci - čistý uhličitan vápenatý Technologie potravin - cukr 37

Surová štáva, Q=89-92 % Vápenné mléko Předčeření - ph 11 Vápenné mléko Čeření ph 12,5 Saturační plyn CO 2 1. saturace ph 11 Zahušťování kalu Saturační plyn CO 2 Filtrace 2. saturace ph 9-9,5 Saturační kal P<1 %; S=60-65 % Filtrace Lehká šťáva, Q=92-94 % Technologie potravin - cukr 38

Využití páry k výrobě elektrické energie VÝROBA PÁRY k čtyř až pěti stupňovému odpařování v odparce s následným využitím brýdových par pro technologické náhřevy Technologie potravin - cukr 39

Hlavní úkoly odparky: Odpařování šťáv 1. zahustit šťávu na sacharizaci 60-65 % 2. zásobit provoz cukrovaru potřebnou topnou párou na účelové ohřevy Množství odpařené vody m w (% n.ř.) m w = m 1 (1-S 1 /S 2 ) Pro m 1 = 120 %, S 1 = 16 %, S 2 =65 %, pak m w = 90 % n.ř. K odpaření m w kg vody se spotřebuje teplo Q w = m w. r (kj) r výparné teplo vody při teplotě t (kj/kg) Hrubý předpoklad: k odpaření 1 kg vody ze šťávy ohřáté k bodu varu se spotřebuje 1 kg páry Technologie potravin - cukr 40

Brýdové páry Nezkondenzované plyny Pára Přívod šťávy Odvod šťávy O d v Kondenzát Technologie potravin - cukr 41

Těžká šťáva S = 65 % Q = 92-94 % alkalita 0,02-0,03 g CaO/100 ml obsah rozpustných Ca ++ solí (tvrdost, zavápnění) 0,05 g CaO/100 ml barva světle hnědá jemný zákal Technologie potravin - cukr 43

Krystalizační proces: 1) nukleace (vznik zárodků) 2) růst krystalů podmínkou nukleace a růstu krystalů je existence přesyceného cukerného roztoku hnací silou nukleace i růstu krystalů je rozdíl mezi skutečnou koncentrací v roztoku a koncentrací nasyceného roztoku (přesycení) Přesycení cukerného roztoku se vyjadřuje koeficientem přesycení Kp, který je dán vztahem Kp = H/H 1, H - hmotnostní poměr P/W v daném roztoku H 1 - hmotnostní poměr P/W v nasyceném roztoku Technologie potravin - cukr 44

Metastabilní oblast nedochází zde k tvorbě nových zárodků, pouze k růstu krystalů oblast přesycení vhodná pro odpařovací i chladicí krystalizaci hranice metastabilní oblasti jsou ovlivněny především teplotou, čistotou a přítomností tuhé fáze spodní hranice odpovídá nasycenému roztoku Technologie potravin - cukr 45

Teorie růstu krystalů z roztoku Průběh krystalizačního procesu se skládá z následujících fází: a) transport molekul sacharosy z roztoku k difúzní vrstvě b) difúze molekul sacharosy difúzní vrstvou c) povrchová difúze molekul na povrchu krystalu (v reakční vrstvě) a zařazení do krystalové mřížky dm/d = A. D/d. (c - c r ) = A. k d. (c - c r ) dm/d = k r. A. (c r - c 0 ) r krystalizační rychlost v ustáleném stavu k d. k r v = dm/(d. A) = -----------. (c - c 0 ) k d + k r = K. (Kp - 1) Technologie potravin - cukr 46

Svařování cukrovin 1) příprava - vypaření párou, zkouška těsnosti - úprava sirobů - 85 o C, 70-75 %, alkalita 2) zahušťování - sirob na základ varu - se stoupajícím zahuštěním roste teplota varu, - při tlaku 67 až 80 kpa je teplota 78-82 o C 3) zrnění očkováním - Kp 1,10-1,25 - mikroočko - suspenze krystalků sacharosy o velikosti 1-10 m v ethanolu nebo propanolu 4) úprava zrna - stabilizace - přechod z fáze tvorby zrna do fáze růstu krystalů - metastabilní oblast, Kp se sníží na 1,08-1,12 Technologie potravin - cukr 48

5) naváření Kp 1,10, sacharosa krystaluje z matečného sirobu, ten se vyčerpává, znovu se přitahuje další sirob až je dosažena horní hladina cukroviny v zrniči 6) vysoušení zahuštění cukroviny na sacharizaci 92 % 7) spouštění varu do mísidla se přidává nahřátý mísicí sirob, aby se snížilo přesycení matečného sirobu cukroviny při jejím ochlazení Technologie potravin - cukr 49

Automatizace svařování cukrovin hlavní vstupní veličina - koeficient přesycení veličiny pomocné - obsah krystalů, výška hladiny K měření koeficientu přesycení se nejčastěji využívá: měrné elektrické vodivosti viskozity (konzistence) Technologie potravin - cukr 50

Q=60-65 % Technologie potravin - cukr 52

nádrž na mísicí sirob surový cukr (meziproduktový, zadinový) drtič hrudek voda záděl afinační mísidlo odstředivka tekutý cukr zelený bílý afináda af.sirob af.sirob klér nádrže rozpouštěcí pánev 0,05 % vody Technologie potravin - cukr 53

Melasa Složení: S = 80-85 %, Q = 60-65 %, A = 10 % ph melasy by mělo být vyšší než 8,3, alkalické na fenolftalein Pro skladování a expedici nutno upravovat na S = 80 %. Použití melasy 1) zkrmováním přímo nebo ve formě melasových krmiv 2) surovina pro biotechnologické výroby - klasické fermentační výroby (líh, droždí, krmné kvasnice, organické kyseliny - citronová, mléčná, ocet, organická rozpuštědla, aminokyseliny) - moderní biotechnologické výroby 3) izolace dusíkatých látek (betain, aminokyseliny, ) 4) vycukerňování - oddělení sacharosy ve formě sacharátu vápenatého - Steffenův postup - odstranění necukrů pomocí ionexů - demineralizace nebo iontová exkluse - cukerná frakce se zpracuje na tekutý cukr - necukerná frakce jako krmivo nebo hnojivo Technologie potravin - cukr 54

Sušení a chlazení cukru Cukr z odstředivek 1 1,5 % H 2 0 Při sušení cukru dochází k přestupu vlhkosti z krystalu, resp. povrchové vrstvy nasyceného cukerného roztoku do okolního vzduchu Přestup vlhkosti mezi krystalem a okolním vzduchem povrchová vrstva sirobu, nasycený cukerný roztok vrstva amorfní sacharosy nasycený cukerný roztok Technologie potravin - cukr 55

Turbinový chladič Průběh teplot a vlhkostí při sušení a chlazení cukru 0,05 % Technologie potravin - cukr 56

Fluidní sušení cukru vlhký cukr zrnitost 0,6-1,0 mm vlhkost 0,8 % teplota 50-70 C suchý cukr vlhkost max. 0,08 % teplota 35-45 C vzduch teplota 20-30 C relat. vlhkost max. 30 % Technologie potravin - cukr 57

Rovinné vysévače třasadla Vibrační třidiče Třídění krystalu Technologie potravin - cukr 58

Silo na cukr Weibull Závady Cukr vlhne Cukr se vysouší Roste obsah RL Cukr tvrdne Cukr obsahuje hodně cukerného prachu Technologie potravin - cukr 61

Výbušnost cukerného prachu usazený cukerný prach látka obtížně vznětlivá min. teplota vznícení 400-500 o C rozvířený cukerný prach látka vznětlivá min. teplota vznícení 300-450 o C velmi výbušná směs spodní mez výbušnosti 4-50 g/m 3 nebezpečnost výbuchů cukerného prachu tlakový náraz Závislost explozivní koncentrace cukru na velikosti částic Technologie potravin - cukr 62

1 Linka na výrobu kostek 2 4 3 5 vlhčení na 1-2 % 6 9 1 - dopravník krystalu 2 zásobník krystalu 3 váha 4 zásobník vody 5 homogenizátor 6 zásobník před lisem 7 rotační lis 8 dopravní pás na kostky 9 sušárna 10 chladič 11 balení a expedice 7 8 10 11 Technologie potravin - cukr 63

Kostkárna Chambon Technologie potravin - cukr 64

Druhy cukru podle Zákona o potravinách Skupina podskupina Cukr extra bílý krystal směs krystalů stejnoměrného zrnění, volně sypká krupice směs menších nebo rozdrcených krystalů, stejnoměrného zrnění, volně sypká moučka volně sypaná směs jemně mletých drcených krystalů Cukr bílý krystal krupice Cukr (polobílý) moučka krystal krupice moučka Cukr moučka s obsahem protihrudkujících látek (nejvýše 3 %) Tvarovaný cukr (kostky, bridž, homole) Cukr s přísadami Přírodní cukr Kandys Tekuté výrobky sypký, zrnitý, světle žlutý krystal směs velkých krystalů a srostlic, žluté až hnědé barvy invertovaný sirob karamel Technologie potravin - cukr 65

Chemické a fyzikální požadavky na jakost krystalového cukru podle Úředního věstníku Evropské unie Parametr Cukr extra bílý Cukr bílý (cukr) Cukr polobílý Polarizace ( Z) min. 99,7 min. 99,7 min. 99,5 Invertní cukr (%) max. 0,04 max. 0,04 max. 0,1 Úbytek hmotnosti sušením (%) max. 0,06 max. 0,06 max. 0,1 body body Obsah popela (%) 0,0108 max. 6 Barva v roztoku (ICUMSA Unit)22,5 max. 3 Typ barvy 2 max. 4 max. 4,5 max. 9 Celkový počet bodů max. 8 max. 22 max. >22 1 bod odpovídá: 0,0018 % popela 0,5 jednotky typu barvy 7,5 ICUMSA Unit při 420 nm Technologie potravin - cukr 66

Biologické čištění odpadních vod Využívá se činnost tzv. funkční polykultury, což je směs heterotrofních aerobních i fakultativně anaerobních bakterií, plísní, hub, kvasinek, prvoků aj. Organické látky v odpadní vodě jsou těmito mikroorganismy využívány jako substrát, který je zčásti oxidován na CO 2 a vodu, částečně je převeden na novou biomasu. V aktivačním procesu je funkční polykultura kultivována v suspenzi a nazývá se aktivovaný kal. Tento kal se v anaerobní části čistírny odpadních vod vrací. Technologie potravin - cukr 67

1. stupeň čištění anaerobní fermentace kombinace kyselého a methanového kvašení (acido- a metanogenese) Výchozí složky: polysacharidy, bílkoviny, tuky, proces hydrolýza Meziprodukty: monosacharidy, aminokyseliny, alifatické kyseliny, glycerol, proces acidogenese Meziprodukty: nižší alifatické kyseliny a alkoholy, proces metanogenese Finální produkt: stabilizovaný kal, kalová voda, bioplyn (65-75 % methanu, 25-35 % CO 2, výhřevnost 20-30MJ/kg) 2. stupeň čištění aerobní fermentace Technologie potravin - cukr 68

Biologická čistírna odpadních vod Technologie potravin - cukr 69

Zpracování cukrové třtiny Technologie potravin - cukr 71