Раніше Україна була цукрової республікою: її 192 цукрозаводу випускали 7 мільйонів тонн цукру при потребі 2 мільйони тонн. У 2009 році українські заводи зварили трохи більше 1,5 мільйона тонн при тій же потреби. Далі стало ще гірше. Такі самі проблеми є і в Росії, і в Білорусії. Спробуємо розібратися в причинах і зрозуміти, як слід робити цукор в XXI столітті. Розмова про це необхідно почати ще й тому, що і автор цих рядків, і інші розробники технологій, що дозволяють якісно змінити виробництво цукру, знаходяться вже в тому віці, коли передачу досвіду новим поколінням краще не відкладати надовго.
(Кандидат технічних наук В.В.Сиротено, Львів)
Буряк проти тростинни
Перше російське цукрове виробництво, завод Вістова, було побудовано в Санкт-Петербурзі за указом Петра I від 14 березня 1718 року, а до кінця XVIII століття в Російській імперії було вже 20 цукрових заводів, які варили тростинний цукор.
Але це було тупіковий напрямок, адже в Росії ніде вирощувати цукрову тростину. Потрібно було шукати нову сировину. Ним виявилася буряк.
Ще в 1575 році французький ботанік Олів'є де Серра виявив високий вміст цукру в буряках, проте лише в 1747 році німецькому хіміку Андреасу Сигізмунду Маргграф вдалося витягти цей цукор і зробити його твердим. З 1786 року роботу Маргграф продовжив його учень, Карл Ахард, який в своєму маєтку під Берліном почав селекцію буряка для виробництва цукру.
11 січня 1799 року Ахард представив прусському королю Фрідріху-Вільгельму III чотирикілограмовий конус литого бурякового цукру. При заступництві короля з 1802 року в маєтку Кунерн, яким учений володів в Пруссії, запрацював бурякоцукровий завод. Вихід цукру становив 3-5% від ваги буряків при цукристості останньої близько 10%.
В цей же час цукровими буряками займається ботанік Яків Степанович Єсіпов. У 1802 році, одночасно з прусським, став до ладу бурякоцукровий завод Єсипова в селі Аляб'єве Чернінського повіту Тульської губернії. Неподалік від нього, в селі Михайлівському, побудував свій цукровий завод граф А.Г.Бобрінскій - син Катерини II від графа Г.Г.Орлова. Завдяки йому цукрове виробництво стало модною темою бесід в петербурзьких салонах, про це писав Пушкін:
"Стих вяло тянется, холодный и туманный.
Усталый, с лирою я прекращаю спор,
Иду в гостиную; там слышу разговор
О близких выборах, о сахарном заводе..."
Буряковий цукор став тіснити тростинний після того, як 21 листопада 1806 Наполеон почав континентальну блокаду, викликавши цим зростання цін на заморську сировину. Буряковий цукор став конкурентоспроможним. 2 січня 1812 року Бенджамін Делессерт приніс Наполеону перший цукровий злиток, зроблений ним на заводі в Пассі. Спробувавши солодкість, Наполеон видав декрет про заохочення цукробурякового виробництва, завдяки якому Франція стала лідером галузі. Через сто років, уже перед Першою світовою війною, виробництво бурякового цукру майже зрівнялося з виробництвом тростинного. Правда, тростинний цукор так і не здав своїх позицій - його видобуток став зростати, і в наші дні із загального обсягу виробництва цукру на частку буряка доводиться всього близько 27%.
Цукор України
У 1822 році родич графа Бобринського граф Потоцький побудував у своєму маєтку в Канівському повіті цукровий завод. Вирощувати цукровий буряк на півдні Росії виявилося настільки вигідно, що засновник Ніжинської гімназії граф А.Г.Кошелев-Безбородько через два роки відкрив у своєму маєтку в селі Макошине найбільший на той час у Російській імперії цукровий завод. Прибутковість цього заводу була така велика, що граф А.А.Бобрінскій, якому дружина принесла в придане Смілянщину, вирішив перевезти на південь свій Михайлівський завод з холодної Тульської губернії, де буряк не встигав дозрівати до морозів. Волами і на конях все заводське обладнання перевезли в теплу Смілу, в 1838 році оновлений завод запрацював на повну силу і працює до цих пір. У сезон 1911/12 року на ньому зварили 1422 тис. пудів цукру. (Для порівняння: в найбільш урожайному 2007 року Смілянський цукрокомбінат зробив 2,2 тис. тонн цукру, або 1375 тис. пудів.)
За аристократами пішли і купці - Терещенки, Ханенки, Яхненки, Бродські, Симиренки, Хрякові... Саме з цього часу Україна стає на цукровий серцем Російської імперії. Щоб забезпечити фахівцями нову галузь, в 1884 році рішенням Південного відділення Російського технічного товариства, за сприяння таких вчених, як А.М.Бутлеров, Д. І. Менделєєв, П.П.Алексеев, М.А.Бунге, і аристократів-цукрозаводчиків Бобринських, Браницьких, Бутурліних, Потоцьких, Безбородько в Смілянському двухклассном училищі було відкрито технічні класи. У 1917 році їх перетворили в технічне училище, а в 1929 році на його базі було створено Інститут цукрової промисловості. На підставі постанови Президії Верховної Ради СРСР за № 1240 від 27.04.1930 до цього інституту були приєднані кафедри цукрових факультетів Київського політехнічного інституту, Харківського, Ленінградського і Кам'янець-Подільського хіміко-технологічних інститутів. Щоб зберегти професорський склад, інститут перевели до Києва, а в 1933 році він отримав назву «Київський технологічний інститут харчової промисловості ім. А.И.Микояна», скорочено КТІХП.
Буряковий тупик
У роки радянської влади цей інститут був провідним у підготовці кадрів і в наукових розробках всього Радянського Союзу і країн соціалістичної співдружності. Ще в сімдесяті тут передбачали безвихідність традиційної технологією бурякоцукрового виробництва. Адже цукор виробляється на більшості наших підприємств вже дві сотні років. Два століття цукрові буряки вирощуються на одних і тих же площах. Навіть при використанні Семипільної сівозміни в таких умовах врожайність знижується. Низькі врожаї визначають високу ціну цукру. Зараз українські буряківники збирають всього 200-300 центнерів з гектара. Порівняємо: на Заході - 700-800 ц/га, в Білорусії - 400-500 ц/га, в Росії - 300-350 ц/га. З урахуванням того, що на українських заводах витрати енергії в два-три рази вище, ніж на Заході, говорити про конкурентоспроможність не доводиться.
Однак перехід на нові площі ускладнено тим, що бурякове поле за традиційною технологією повинно знаходитися не далі 30 км від заводу. Інакше коренеплоди сильно поб'ються під час транспортування і швидко згниють. Крім того, доведеться закривати старі заводи, а вони не тільки дають роботу жителям навколо селищ, а й забезпечують бюджет району.
Тому стали розробляти програму, яка дозволила б і нові місця для цукрових буряків освоїти, і старі заводи зберегти. На жаль, розробка дійшла до завершення в 1991 році, за яким послідували події, які зробили її реалізацію неможливою, а в 2000 році і сам УкрНДІ цукрової промисловості закрили через непотрібність. Однак проблема залишилася.
Як роблять цукор
Розглянемо традиційну технологію цукрового виробництва. Зібрану в полі буряки привозять в кагатохраниліще, де складують зібрану з полів буряк, роблячи запас на весь сезон: 45-90 діб (в більш м'якому західноєвропейському кліматі зберігають тільки дводобовий запас). Тому-то наша буряк не повинен бути сильно пошкоджений - звідси виникає вимога 30 кілометрів від поля до заводу.
З кагатного поля буряки гідротранспортери подають на мийку. Промиті коренеплоди перетворюються в стружку, з неї в диффузорах гарячою (70-75оС) водою витягають сік темно-сірого кольору, який крім сахарози містить і баластні речовини. На цих трьох етапах витрачається величезна кількість води, тому поблизу будь-якого цукрового заводу є водойма і поля фільтрації. Це не рахуючи чималих площ, зайнятих кагатохранилищем.
Дифузійний сік очищають вапняним молочком (цей етап носить немилозвучну назву «дефекація»), а потім вуглекислим газом (сатурація). Частинки слаборозчинного гідроксиду кальцію, що є молочко, служать сорбентом, на якому при дефекації осідають несахара - цим словом називають всі непотрібні домішки в цукровому розчині. Сахароза в цей час частково реагує з вапном, утворюючи випадаючий в осад сахарат. Їх-то і розкладають до сахарози, проводячи сатурацию, при цьому вапно переходить в нерозчинний карбонат кальцію.
Коли після подвійної сатурації сік профільтрують і оброблять сірчистим газом, він стане ясно-жовтим, прозорим, з вмістом сахарози близько 14%. Далі його уварюють до 65%-ного сиропу, обробляють адсорбентами, фільтрують і знову застосовують сірчистий газ. Прозорий безбарвний згущений сироп надходить в вакуум-апарати, де відбувається подальше випарювання води, а після внесення затравочних кристалів цукру - його кристалізація. В результаті цього утворюються густа маса (7,5% води) - утфель першої кристалізації і межкрістальная рідина - зелена патока, яку відокремлюють на центрифугах. Осілі там кристали цукру промивають невеликою кількістю води, пропарюють і знову на центрифугу. При цьому відділяється біла патока, яка містить розчинені у воді кристали цукру. Її збирають і направляють в вакуум-апарати для повторного уварювання. Зелену патоку також уварюють в вакуум-апаратах і отримують утфель другий кристалізації. Якщо вміст цукру в патоці утфелю другий кристалізації залишається високим, то з неї отримують утфель третьої кристалізації. Патоку утфелю останньої кристалізації - мелясу - використовують для отримання етилового спирту, лимонної кислоти, амінокислот або згодовують худобі. Цукор-пісок з центрифуг надходить на сушку. Потім його пропускають через магнітний уловлювач, сортують і упаковують.
Подивимося, як зпрацювала ця схема на прикінці першого десятиліття нового століття, на прикладі типової приватної агрофірми в найкращому для цукробурякового виробництва черноземному Липовецькому районі Вінницької області.
Після зміни десятка власників завод і землі в його сировинній зоні придбав мільйонер, який мав доступ до дешевих кредитів. На жаль, місцева влада у нас так часто змінюється, що цей доступ через кілька років був перекритий і йому довелося робити те ж, що і оточуючим, тобто шукати гроші.
Єдине, на що вистачило коштів, - зберегти сівозміну. А ось на добрива коштів не знайшлося; крім аміачної води, поля нічим не обробляли. Закупили на місцевому приватному насіннєвому підприємстві насіння «кращих голландських сортів». Насправді те насіння виявилися не голландськими, а невідомого походження і невідомих сортів. Всю сільськогосподарську техніку для посіву, обробки і збирання буряків в радянські часи випускали на Україні. На жаль, після розпаду Союзу, ці підприємства дихають на ладан. Довелося використовувати агрегати радянських часів, адже на імпортну техніку навіть у мільйонерів грошей не вистачить. Посіяли з горем навпіл буряк. Пестицидів немає, а якщо і є, то за захмарними цінами. З весни до осені з сапками на плантаціях горбляться селяни. Восени на бурякові поля стало страшно виходити через сморід уражених чорної гниллю коренеплодів. З горем навпіл зібрали у вересні трохи більше 100 ц/га. Везли буряк з поля відразу на переробку, адже в кагатах такий буряк і пари діб не витримає. За даними лабораторних журналів середні показники цукрових буряків, що приймається від своїх і сусідніх господарств, не вражали: засміченість до 30%, цукристість - 10-11%. Це набагато гірше, ніж на тому ж заводі сто років тому при Демидовій, княгині Сан-Донато: засміченість була 4-5%, а цукристість доходила до 18%!
Бурякове поле
Цукровий завод - міжгалузеве підприємство, і він стає прибутковим при комплексному використанні вельми різнорідних ресурсів, а саме буряка і гною. Щоб виростити хороший урожай, потрібно крім дорогих мінеральних добрив забезпечити поля органікою. Отже, буряководам потрібна худобу. А скотарю потрібен жом цукрових буряків, з якого забрали цукор, але залишили білки - кращий зимовий корм. Це означає, що виробництво буряка, жому та вирощування худоби повинні бути в одних руках.
Не тільки від забезпечення полів добривами залежить урожай. Одну з головних ролей відіграють насіння. І не тільки в врожайності справу. Щоб зменшити відходи, потрібні коренеплоди правильної форми - не потворні, без западин, тріщин і наростів. Вони повинні давати хорошу тонку стружку, що забезпечує високий вихід цукру. Отже, потрібне насіння високоврожайних, високоцукристих сортів з коренеплодами правильної форми. У нас такі сорти є. Це «Український ЧС 72», «Уманський ЧС 90», «Уманський ЧС 97», «Олександрія», «ВЕСТО» і інші із середнім потенціалом врожайності 600-800 ц/га при цукристості 17-18%. На жаль, вітчизняні сорти можуть розводити тільки вітчизняні насіннєзнавці, а у них немає ресурсів для того, щоб конкурувати з зарубіжними компаніями.
Так як з добривами у нас проблема, то доцільно згадати досвід кандидата сільськогосподарських наук Євгена Галатовича, який в 70-і роки, не маючи ні грама добрив, отримував на Прикарпатській дослідної станції високі врожаї буряків, використовуючи попередники-сидерати: ріпак, масну редьку, гірчицю і зелене жито. Їх ще до дозрівання насіння переорюють в землю, збагачуючи її перегноєм. Доцільно включити в сівозміну стевію, яка містить цукрозамінник стевіозід , - це дасть можливість отримувати після закінчення сезону цукроваріння додатковий дохід на тому ж обладнанні, адже стевіозід теж витягають з сушеного листя водою. Правильна сівозміна може допомогти і з відсутністю гербіцидів. Якщо попередником буряка буде озима пшениця, то вона заб'є бур'яни, особливо при правильному лущении стерні ...
У XXI столітті посів, обробка і збір буряків повинні бути механізовані. Тернопільський і Дніпропетровський комбайнові заводи ледве дихають, Львівсільмаш практично знищений. Найнадійнішу і відносно дешеву техніку для буряка на території колишнього СРСР зараз випускають Гомельський Сільмаш і Тульський комбайновий завод.
Міні-завод на буряковому полі
Найкращі землі для вирощування цукрових буряків - чорноземи і суглинки. На чорноземах буряк вирощують століттями, і земля зменшилась. Отже, потрібно освоювати нові регіони з суглинкових грунтами. Однак на цих землях немає цукрових заводів. Чим більше завод, тим нижча собівартість цукру, тому оптимальні заводи-десятитисячників (тобто дають по 10 тис. тонн цукру на рік). Їх вартість - сотні мільйонів доларів, але проблема не в цьому. Якщо повернутися до найефективнішої семипільній системі сівозміни, то сировинна зона в 30 км не забезпечить навіть тисячник. Виходить, при нашій системі землеробства потрібно будувати цукрові міні-заводи. Досвід зі створенням безвідходних комплексів показав, що при наявності технічної документації (а її колись розробляли і в згаданому Київському інституті харчової промисловості, і в Курськом інституті цукрової промисловості, і в Новосибірському Академмістечку) обладнання для них можна виготовити на будь-якому заводі продовольчого машинобудування. Але поки наші заводи не освоїли випуск такого устаткування, його нам поставляють китайці.
Навряд чи на нових місцях варто будувати цукрові міні-заводи по повному циклу, адже це призведе до ліквідації старих цукрових заводів з їх багатотисячними селищами. Цукрові міні-заводи вигідні тим, що для них не потрібно кагатів - буряк доставляють прямо з поля. А оскільки господареві поля потрібна органіка і, отже, корм для худоби, виходить, що на такому заводі досить переробляти буряк на сік і жом.
Не думайте, що це питання має просте рішення. Згадайте традиційну технологічну схему: вимиті коріння цукрових буряків подрібнюють в тонку стружку, з якої в дифузійних апаратах гарячою водою витягають сік. На багатьох складах ще порошаться не викуплені замовниками з радянських часів дифузійні апарати. Всі вони після розпаду Союзу перестали користуватися попитом, так як поступаються імпортним за всіма показниками, крім ціни. На зміну радянським прийшли дешеві китайські агрегати. Але вони недовговічні. А чи немає чогось революційно нового? Є. Ось цукровий завод, який придумали інженери з підприємства Казанського технопарку «Ідея» - ТОВ «Роста», - що реалізують так звану дробну технологію.
Згідно технології Казанського енергетичного університету, помиту буряк подрібнюють в крихту діаметром від З до б мм. А цукор, вірніше, буряковий сік з неї витягують в гідроекстракторі, простіше кажучи - віджимають в центрифузі. В апараті створюється режим пульсації, розроблений ще більше 40 років тому співробітниками університету під керівництвом професора А.І.Гурьянова. Такий режим інтенсифікує дифузію сахарози. Дрібна крихта і пульсації скорочують тривалість процесу з 70 до 30 хвилин, а температуру знижують з 75 до 30° С. За рахунок цього продуктивність зростає в десять разів! Знижено і витрата води, оскільки вона після очищення від твердих домішок надходить назад в мийне відділення.
Тепер нам потрібно очистити сік від баластних речовин. Традиційна технологія очищення сирого соку вимагає не тільки величезних металевих судин, а й великих печей для випалювання вапна. Тому знову повернемося до розробки казанських учених. Справа втому, що більшість несахарів бурякового соку активні в електричному полі, що обумовлено їх дисоціацією у воді. Тому частина з них витягує апарат електрохімічної обробки. Фарбувальні з'єднання в проточному режимі зв'язуються іонообмінними фільтрами. Розчин чистої сахарози згущується в пластинчастих теплообмінних апаратах в циркуляційному режимі.
Отриманий сироп, в залежності від призначення, розливають в цистерни та інші ємкості і продають найвигіднішим споживачам - великим цукровому заводу, де є потужності для переробки сиропу. Сироп, на відміну від буряка або сирого соку, добре зберігається, його можна зберігати, чекаючи оптимальної ціни. Втім, можна обійтися виготовленням сирого дифузійного соку і відразу ж переробити його на технічний спирт для біопалива. Для цього є безліч міні-спиртозаводів, що виготовляються і полтавською «Кварта», і харківським НВО «Рект-Лисс».
Цукровий завод майбутнього
Насправді ця технологія (її називають дробною) потрібна тільки для того, щоб зберегти існуючі цукрові заводи. Але є по-справжньому революційна технологія, здатна вивести наш цукор на світовий ринок і перемогти там всіх конкурентів ціною і якістю. Її розробили вчені Одеської державної академії холоду під керівництвом професора Леонарда Федоровича Смирнова. Суть її - заміна нагріву заморожуванням і використанням хладонов - інертних рідин, киплячих при низьких температурах. Необхідне обладнання можна виготовити на будь-якому чинному продмашзаводі.
Не можна сказати, що це зовсім нова ідея. Дешеву технологію витягання бурякового соку з буряка і очищення його за допомогою холодоагентів, зокрема рідкого СО2, розробляли в ще в 70-ті роки вчені КТІПП під керівництвом ректора, професора І.М.Федоткіна. На жаль, тоді ці розробки на найвищому рівні визнали антидержавними і антинаучнимі, а самого Федоткін зняли з поста ректора.
Професор Л.Ф.Смирнов для впровадження своєї технології на старих заводах передбачає можливість використання діючих дифузорів, з традиційною екстракцією соку гарячою водою. На нових заводах, згідно його ідеї, воду треба замінити хладонами. Вони можуть бути використані і в згаданих пульсаційних диффузорах професора Гур'янова. Ось як приблизно виглядає схема Смирнова.
У дифузорі хладон так само, як і вода, витягує буряковий сік з розмелених бульб, тільки робить це без нагріву. Ні цукор, ні вода в хладоні не розчиняються, тому він лише створює середовище, в яку віджимається цукровий сік. Далі суміш переходить у випарник, де хладон випаровується і направляється на повторне використання, а залишився дифузний сік, що містить 15-16% цукрів, концентрується до 60% в виморажувачі. Водяний лід відділяється від концентрованого цукру, і виходять два продукти - сироп і чиста тала вода, оскільки в лід інші речовини практично не проникають.
Тепер треба очистити сироп від баластних речовин. Для цього крізь нього прокачують фреон-12, тобто діхлордіфторвуглець (температура кипіння - 29,8оС). Це неядовита, негорюча речовина, якою в США, Італії, Франції, Бельгії та Швеції дозволено для заморожування овочів прямим контактом. Хладон легко видаляється з продуктів при зберіганні і розморожуванні, а оскільки установка герметична, в атмосферу у великих кількостях він відлітати не повинен.
Хладон заморожує воду і утворює тверді частинки газ-гідратів. Вони грають ту ж роль, що і частинки вапняного молочка в традиційній технології, тобто адсорбируют не-цукри. Однак оскільки цукор з газгідратамі не взаємодіє, немає потреби проводити потім сатурацию. І вапно не потрібно: частинки газгідратов відокремлюють від сиропу, розплавляють, після чого випарувний фреон надходить назад в цикл, а не-цукри і воду збирають і передають для подальшого використання.
Після декількох циклів такої обробки вода йде у вигляді газгідратов і вміст цукру в сиропі збільшується до 67%. Потім починається кристалізація. Одночасно кристалізуються і гідрати хладону. Так як питома вага кристалів цукру значно вище, ніж у кристалів газгідратов, то вони поділяються в гидроциклоні. Чистий білий цукор виводять через газозатвор, а залишковий сироп відправляють назад на переробку, змішуючи з первинним соком.
Додатково за допомогою хладону можна витягувати сік з вичавок цукрових буряків, отримуючи крім додаткового цукру ще й багатий білками сухий нерозчинний порошок - корм для худоби, що добре зберігається. Більш того, завод може працювати цілий рік, виготовляючи не тільки цукор, а й концетрати соків або сухі барвники з овочів і фруктів.
За розрахунками професора Смирнова, вартість обладнання для заводів продуктивністю 20 тонн на добу по цукру - 1 млн. доларів, а 50 тонн на добу - 2 млн. Це дешевше обладнання для китайських цукрових міні-заводів, до того ж наших інженерів в разі чого завжди можна запросити для консультації.
Навіть страшно назвати собівартість виробництва цукру-піску, одержуваного за його технологією, - 70 доларів за тонну, або, після додавання вартості сировини - буряків, - менше ніж у тростинного цукру. Мало того, за тією ж технологією можна переробляти і тростиновий цукор, а за часів міжсезоння отримувати стевіозід з стевії, сік з плодово-ягідних і овочевих вичавок, одночасно отримуючи чисту талу воду. Як бачите, у нас є все, щоб відродити цукробурякове виробництво.
На жаль, на моїй Україні ні зараз, ні найближчим часом це зробити неможливо. Однак на пострадянському просторі ще є потребуючі таких розробок, та й наша діаспора на Заході і в Америці здатна сприймати ідеї, що приносять успіх. Що ж, ми звикли, що наші власні розробки приходять до нас з-за кордону ...
