Kademesiz çapraz akımla çalışan bir difüzörde şeker pancarından şeker ekstraksiyonu

Abstract

- Ill ÖZET Bir şeker fabrikasında yapılan işlem, gelişme sürecinde sakaroz.depo lay an..bitkilerden sakarozun saf olarak elde edil mesi olup, şeker pancarının işlenmesinde, ana hedef, kusursuz kalitede beyaz şeker elde etmektir. % 10-22 arasında sakaroz içeren şeker pancarları, V kesitli kıyımlar halinde kesilerek hücreyi saran protoplâzmanm -, şeker için geçirgen hâle gel mesi amacıyla, sıcak şerbetle haşlanırlar. Haşlanmış kıyımlar ters akım prensibi ile çalışan cihazlarda sıcak su kullanıla rak, ekstraksiyona tâbi tutulurlar. Sakaroz, bu işlemde sulu şerbet halinde kazanılır. Burada, ekstraksiyon işlemi d if üz- ' yön kontrollü olduğundan, bu cihazlara difüzör adı verilmek tedir. Bu çalışma, şeker teknolojisinde halen uygulanmakta o- lan ekstraksiyon yöntemlerinden farklı bir yöntem ve kullanıl makta olan ekstraktörlerden farklı bir ekstraktör kullanıla rak, şeker pancarından şekerin daha iyi koşullarla elde edil mesi.amacıyla yapılmıştır. Günümüzün şeker teknolojisinde kullanılan difüzörlerin tümü, esas olarak, ters akim prensibi ile çalışmaktadırlar» Denemelerimizde kullandığımız Gülbaran EkstraktÖr-Difüzörü ise, çapraz akım prensibi ile çalışır. Taşıyıcı sonsuz bir bant üzerinde, belirli yükseklikte pancar kıyımları, bantla birlikte hareket halinde iken üzerine damlalar halinde su bes lenerek, difüzyonun oluşması sağlanır ve difüzyon şerbeti, bantın altından alınır. Böylece, kıyım ve suyun hareket doğ rultuları biri birine dik olduğundan, çapraz akım prensibi tam olarak uygulanmış olur. Pancar kıyımlarından şekerin difüzyonu prosesinde, dört bağımsız değişken vardır. Bunlar, 1- Ortalama difüzyon sıcak lığı, 2- Kıyım boyutları, : 3~ Difüzyon süresi ve 4- Şerbet çekişi'dir. Ekstrakte edilen kıyımda (küspede) kalan şeker do layısıyla olan kaybın, dolaylı etkili ve taze kıyımların şeker içeriğinin ise, etkisiz değişkenler olduğu bilinmektedir. Kı yımların, kıyım yatağı.içinde hareketsiz oldukları bantlı eks- traktörlerde, ` pancar kıyımı yatak yüksekliği` de bağımsız bir değişken olarak ortaya çıkmaktadır. Denemelerimizde, orta lama difüzyon sıcaklığı 70-73°C ve şerbet çekişi % 125 alına rak, sabit kabul edilmiştir. Böylece, diğer üç bağımsız değiş kenin, difüzyonla % şeker kaybına etkisi araştırılmıştır.- IV - Denemeler, pilot-plant Gülbaran difüzörü ve kolon tipi difüzörde gerçekleştirilmiştir. Pilot tesiste yapılan I. gurup denemelerde, ön haşlamasız yöntemin Gülbaran difüzörü için uy gun olmadığı bulunmuş tur. ön haşlamalı ve kesikli olarak yapılan II. gurup denemelerde, kıyım boyutları sabit, kıyım yatağı yük sekliği parametre alınarak, difüzyon süresinin difüzyonda % şe ker kaybına olan etkisi araştırılmıştır. Bu gurup denemelerin sonucu olarak, en iyi difüzyon süresi 80 dakika bulunmuş, ancak yatak yüksekliğinin 15 cm' den 20 cm' ye çıkarılmasıyla^ difüz yonda % şeker kayıplarının azaldığı görülmüştür. III. gurup de-* nemeler, sürekli çapraz akım yöntemi ile yapılmıştır. Bu dene melerden elde olunan sonuçlarla, II. gurup denemelerin sonuçla rının uyum halinde olduğu, çizilen difüzyon eğrileri ile göste rilmiştir. Kolon tipi difüzördeki denemeler, üç gurupta toplanabi lir. JL. gurupta, kıyım bpyutları sabit, yatak yüksekliği para metre alınarak, difüzyon süresinin difüzyonda % şeker kaybına olan etkisi araştırılmıştır. II. gurupta, yine kıyım boyutları sabit, difüzyon süresi parametre alınarak, yatak yüksekliğinin % şeker kaybına etkisi bulunmuştur. III. gurupta ise, yatak yüksekliği sabit, kıyım kalınlığı parametre alınarak, difüzyon süresinin, % şeker kaybına etkisi incelenmiştir. Denemelerin sonuçlarından, Gülbaran difüzörünün en iyi çalışma koşulları : I- Ortalama difüzyon sıcaklığı, 70-73 C 2- Şerbet çekişi % 125 ; 3- Kıyım kalınlığı, 1-1,1 mm ; 4- Difüzyon süresi, 65 dakika ve 5- Kıyım yatağı yüksekliği, 70 cm, olarak elde edilmiştir. Bu koşullarda, küspe ile % 5,4 şe ker kaybı olduğu bulunmuştur. Yapılan denemelerin sonuçlarından yararlanılarak, sabit sıcaklık ve şerbet çekişi için, difüzyon süresi (t), yatak yüksekliği (H) ve silindir şekilli olarak kabul edildiğinde kıyımların yarıçapı (R) ile, difüzyonda % şeker kaybı (X ) arasında bir ampirik bağıntı elde edilmiştir. Xm= 1280(t~°'854)[ l-l,645xlO~2(H)+ l,152xl0~4(H2)]x [l-2,12(R)+ 1,65(R2)]V - Bu eşitlikte, t= 45-80 dakika, H= 15-85 cm ve R= 0,59-1,17 mm olarak alınmalıdır. Eşitliğin kullanılabilmesi İçin, ortalama difüzyon sıcaklığı T== 70-73 C ve şerbet çekişi D= 1,25 veya % 125 olmalıdır. Yapılan hesaplamalar sonucu, pilot difüzörün pancar iş leme kapasitesi, 20 cm yatak yüksekliği için 450 kg/gün ve 70 cm yatak yüksekliği için 1575 kg/gün olarak bulunmuştur. Ön haşlama-Difüzyon-Pres sistemi ile çalışıldığında, şekerin % 25 'inin ön haşlama işleminde alındığı ve yaş küspenin %50 oranında preslenerek, pres suyunun difüzöre geri verildiği kabul edilerek, pancardaki şekerin % 98 oranında alınabildiği hesaplanmıştır. Gülbaran difüzyon sisteminin, DeSmet difüzörü ile bir kıyaslaması yapılarak, üstünlükleri ve sakıncalı yönleri be lirtilmiştir. Ayrıca, şeker sanayiinde kullanılan diğer difü- zörler arasındaki yeri belirtilerek, basit yapıda olması, düşük enerji gereksinimi ve daha yüksek arılıkta şerbet elde edilebilmesi gibi üstünlükleri olduğu da bildirilmiştir.

- VI - SUMMARY The main purpose of the operation of a sugar plant is production of pure sucrose from the plants that are stored during their growth. The main aim of sugar beet processing- is the production of best quality white sugar. The beets, containing 10 to 22 % sucrose, are sliced into long narrow strips called cossettes and are scalded by hot diffusion juice in order to make the cell wall permeable for sucrose. Scalded cossettes are- extracted with hot water in the ex traction apparatus by using the counter-current principle. In this operation, sucrose is obtained as the sugar soluti on called raw juice or diffusion juice. The apparâtusus used in this process are called diff users, because the extraction is controlled by diffusion. This study was carried out to recover sugar from sugar beets at higher yields. In order to achieve this a new met hod and dif fuser is developed which has different features from the conventional systems. Almost ali of the diff users used in the sugar industry are operated by counter-current flow, because the most effi cient sugar extraction can be achieved by this contacting systems. In practice, there are only a few diffusers that are designed for continuous counter-current extraction. The difficulty in continuous extractor design is the resistance of the water flow through the cossettes which move in the opposite direction. Gülbaran diffuser used in this study ope rates^ using the cross-current principle. A fixed of defined height cossettes while on an endless carrier belt, are wash ed with fresh hot water sprayed from the upper surface. This ensures the diffusional process to operate. The extracted juice is withdrawn from the bottom of the carrier belt. In this way, the cross-current principle is justified, since the movement of the cossettes and water are vertical to each oth er. The reasons for the spraying of the water are as follows: 1- To produce a concentrated juice using a small amount of water,?- VII - 2- To ensure the slow movement of water through the cossettes so that a greater amount of sugar may be extracted, 3- To permit the best distribution of water across the bed. There are four independent variables controlling the diffusion of the sugar from sugar beets. These are : 1- The mean temperature at which extraction takes place, 2- The size of cossettes, 3- The time of diffusion of the sugar solution from solid to solvent, and 4- The juice draft which is defined as the ratio of (7 the weight of the diffused juice drawn from the diffüser to the weight of the cossettes introduced. It is known that the % losses of sugar originally in the solution contained in the solid are indirectly effective and the average sugar contents of the fresh beet cossettes are, however, ineffective variables. In the belt type diffu- sers, after the formation of the cossettes layer, the cosset tes undergo no further movement, and the height of the layer then, arises as an independent variable. In our experiments, the mean temperature of the diffu sion and the juice draft are 70-73 C and 125 % respectively and constant at these values. Consequently, the effects of the other independent variables to % losses of sugar in dif fusion are studied. The beets were sliced as strips by the pilot-slicer and the experiments were carried out on the pilot-plant Gül- baran diffuser and the column type diffuser. In the first group of experiments carried out on the pilot-rplant, extrac tion without scalding was found to be inapplicable for Gül- baran diffuses. In the second group of experiments, carried out with scalding, the effects of the diffusion time to % losses of sugar in diffusion are studied, taking into acco unt that the size of cossettes is constant and the blanket thickness of the cossettes is a parameter. The optimum dif fusion time, as the results of experiments carried out in this group, was found to be 80 minutes. In addition, when the cossettes layer thickness was increased from 15 to 20 cm,- VIII - a decrease in the % losses of, sugar in diffusion was obser-. ved. The third group of experiments were carried out by con tinuous cross-current principle. By means of drawing the dif fusion curves, it is shown that the results of these experi ments are in agreement with the results of thesecond group of experiments. - ^The experiments carried out at the column type diffu ser may be classified into three groups. In the first group, the effects of the diffusion time to % losses of sugar in diffusion are studied for a constant cossettes size and the blanket thickness of the cossettes iş a parameter. In the second group, the effects of the cossettes layer thickness to % losses of sugar in diffusion are searched for constant cossettes size and the diffusion time is taken as a parame ter. In the third group, the effects of the diffusion time to % losses of sugar in diffusion are studied taking that the cossettes layer thickness is constant and the size of the cossettes is a parameter. According to the results of experiments, the optimum operation conditions are determined for Giilbaran diffuser, as follows : 1- The mean temperature of diffusion : 70-73°C 2- Juice draft : 125 % 3- The cossettes thickness ; 1 - 1,1 mm 4- Diffusion time : 65 minutes and, 5- The cossettes layer thickness : 70 cm Under these conditions, the % loss of sugar in diffu sion has been obtained as 5,4 % ` It has been shown that the equation given for a diffu ser cell by using cross-current principle by Schliephake and Wolf, does not give adequate results to represant the Giilba ran diffuser. On the other hand, the equation proposed by Marignetti and co-workers which is reported to be applicable for all types of diff users, may give adequate results for our system, only in very short intervals and under definite conditions.- IX - The optimum thickness.of the cossettes layer is 70 cm. The empirical equation obtained for the results of the. expe riments for this layer thickness was obtained by using the least squares method, and its correlation factor was calcu-r lated as r- -0,97. X- 203x(t)``°»854 m In this equation, the diffusion time (t) is used as minutes in order to obtain the % loss of sugar in diffusion ( X ). The optimum diffusion time (t) is 65 minutes. The em pirical equation of- X - H curve according to the results of the means of fitting a least square parabola, and its correlation factor was calculated as r== 0,99. X-- 13,98 - 0,23(H)+l,61xl0`3(H2) In this equation, the cossettes layer thickness (H), is ta ken as cm. It is assumed that the cossettes used in this study are in cylindrical form, in spite of being in strip form, and call R their radii. X - R relationship for H=JB5 cm and t=65 minutes, was obtained by means of fitting a least square parabola, and its correlation factor was calculated as r=J0,96. - X^ 16,20 * 34,4(R)+ 26, 7 (R2) In this equation, the radii of the* cylindrical cossettes (R) are given in mm.- X - The three equations obtained above may be expressed as a single equation X = f (t,'H,R). Hence, X= 1280(t`°'854) [ l-l,645xl0~2(H)+ l,lS2xl(f 4(H2)]x [l-2,12(R)+l,65(R2)] In this equation, the ranges of t, H, and R are 45-85 minu tes, 15-85 cm and 0,59-1,4.7 mm, respectively. The mean tem perature of diffusion <(T) and the juice draft (D) are 70-73 C and 1,25 or 125 %, respectively for the validity of this e- quation. According to. the results of the calculations, the beet processing capacity of the pilot-plant diffuser, has been obtained as 450 and 1575 kg/day for the cossettes layer thickness of 20 and 70 cm, respectively. If the system of scalding-diffusion-press is used and the following conditions are assumed, a) 25 % of the sugar content of beet is extracted in the scalding operation, b) The exhausted cossettes are pressed in proportion to 50 % in the press-station, c) The press-water is returned to the diffuser, 98 % of the sugar in the beet will be extracted../ GUlbaran diffusion system is similar to DeSmet diffu sion system in construction, but the working principle is different. The most pronounced advantages of Gülbaran extrac tor compared to DeSmet are : the smaller plant size fori.fehe same processing capacity and the elimination of 6 triple puppM sets for juice circulation and 5 heat exchangers for the ju ice streams that are essential in DeSmet diffuser. However, this system has some disadvantages such as : the lower diffusion efficiency and greater juice draft compared to DeSmet.- XI - The construction of Gülbaran diffuser is similar the extractors with forced guide of cosset tes and juice. However, its construction has simplicity and its power demand is less than the similar diff users which grants her an operational advantage In this diffusion system, the diffusion juice is not recycled to the cossettes layer. In other words, the fresh hot water fed to the diffuser is passed through the cossettes layer, only once. In addition, the diffusion juice has the least retention time in cossettes layer in respect to others. In consequence, the diffusion juice purity is higher than others. As a result of the good filtration properties of the cossettes blanket, the diffusion juice contained practically ^tio mechanical impurities. Briefly, Gülbaran diffuser has the following advantages when compared to the conventional systems used on beet-sugar industry ; constructional and operational simplicity, adap- ?_ tation to changes in capacity and possibility of obtaining a very bright, clear and pure diffusion juice.