يُعدّ السكر من أكثر الأطعمة استهلاكًا في العالم، ويُستخرج أساسًا من قصب السكر وبنجر السكر. إنتاج سكر عالي الجودة عملية معقدة تتضمن مراحل متعددة: الاستخلاص، والتصفية، والتبخير، والتبلور، والتكرير. في كل مرحلة من مراحل معالجة السكر، يجب التحكم بدقة في جودة ونقاء عصير السكر. يمكن للشوائب الطبيعية، مثل الجزيئات الغروية والبروتينات والأصباغ والكائنات الدقيقة، أن تؤثر سلبًا على كفاءة التصفية والترشيح والتبلور.
تلعب المواد الكيميائية دورًا حاسمًا في عمليات صناعة السكر الحديثة. فبدون التحكم الدقيق في هذه المواد، قد تتسبب الشوائب في تراكم الترسبات، ومشاكل في اللون، وانخفاض الإنتاج. ولا تقتصر فوائد المواد الكيميائية المستخدمة في صناعة السكر على تحسين الكفاءة والإنتاج فحسب، بل تشمل أيضًا تحسين جودة المنتج، وخفض استهلاك الطاقة، ومساعدة المصانع على الالتزام بمعايير حماية البيئة. ويمكن لهذه المواد الكيميائية أن:
- تحسين كفاءة التصفية وتأثير فصل المواد الصلبة عن السائلة.
- منع نمو الكائنات الدقيقة في عصير الفاكهة والشراب.
- تعزيز تأثير إزالة اللون من السكر الأبيض المحبب عالي النقاء.
- التحكم في تكوين الرغوة والترسبات في المبخر والمبخر الفراغي.
تتناول هذه المقالة قصب السكر كمثال لتلخيص عملية إنتاج السكر بشكل شامل. كما تشرح كيفية استخدام مواد كيميائية مختلفة - مثل المواد المُرَسِّبة والمطهرات ومزيلات اللون ومضادات الرغوة - في كل مرحلة لضمان سير العمل بسلاسة وإنتاج سكر عالي الجودة.
عملية إنتاج السكر واستخدام المواد الكيميائية
تحضير المواد الخام
تبدأ عملية إنتاج السكر بحصاد قصب السكر وتجهيز المواد الخام. يُغسل قصب السكر ويُفرم لإزالة التربة والحجارة والأوراق. في هذه المرحلة، إذا تُرك العصير لفترة طويلة، سيبدأ بتكاثر الكائنات الدقيقة. وللحد من الحمل الميكروبي على سطح المواد الخام، ومنع تلوث عصير السكر أو تلفه أثناء عملية التحلل السكري، تُستخدم المطهرات أحيانًا على سطح قصب السكر، ومياه التخزين، أو أدوات التنظيف.
| نوع المطهر | التركيز الموصى به | طريقة التطبيق | الوظائف الرئيسية | احتياطات | المزايا |
| هيبوكلوريت الصوديوم (NaClO) | 50-200 جزء في المليون من الكلور الحر | رش أو نقع سطح قصب السكر لمدة 5-10 دقائق | التعقيم واسع النطاق يقلل من الحمل الميكروبي | اضبط تركيز الكلور الحر (عادةً ما بين 50 و200 جزء في المليون). تجنب وجود كمية زائدة من الكلور المتبقي في العصير لمنع تغير اللون أو حدوث تبلور. اشطف أو صفّ العصير بعد الاستخدام إذا لزم الأمر. | تعقيم واسع النطاق؛ منخفض التكلفة. |
| ثنائي كلورو إيزوسيانورات الصوديوم (SDIC) | 50-150 جزء في المليون من الكلور الحر | رش أو نقع سطح قصب السكر لمدة 5-10 دقائق | استقرار عالٍ، وكفاءة تعقيم قوية | يجب التحكم في نسبة الكلور الحر لتجنب التأثير على تبلور العصير ولونه. | أكثر استقرارًا من هيبوكلوريت الصوديوم؛ كفاءة عالية؛ نسبة كلور متبقية مضبوطة؛ يستخدم على نطاق واسع في بيئات تصنيع الأغذية. |
| بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) | 0.1%–0.5% | يُضاف إلى ماء التنظيف أو يُرش على الأسطح | تعقيم، بدون بقايا، صديق للبيئة | التحكم في التركيز؛ عادةً ما يكون 0.1-0.5% لمعالجة الأسطح. يجب التعامل بحذر أثناء التشغيل. | يتحلل دون ترك أي بقايا؛ آمن وصديق للبيئة. |
| ماء ساخن / بخار | ماء ساخن بدرجة حرارة 80-90 درجة مئوية أو بخار بدرجة حرارة 100 درجة مئوية | يُشطف بالماء الساخن أو يُعالج بالبخار لمدة 2-5 دقائق | التعقيم بدون إضافة مواد كيميائية | استهلاك عالٍ للطاقة؛ يتطلب معدات مناسبة؛ يجب مراعاة احتياطات السلامة. | لا يحتوي على إضافات كيميائية؛ يقلل من المخلفات الكيميائية. |
| تنظيف المصانع/المنشآت وتطهير المياه | SDIC، 50-100 جزء في المليون | تنظيف المعدات ومركبات النقل | يمنع التلوث الثانوي | استبدل الكلور الحر بانتظام وراقب تركيزه. | — |
الممارسات الموصى بها
عندما يدخل قصب السكر إلى المصنع، يخضع لعملية غسل أولية بالماء النظيف لإزالة الأتربة والشوائب.
ثم يتم إجراء عملية تطهير الأسطح عن طريق رش محلول منخفض التركيز من مادة SDIC أو هيبوكلوريت الصوديوم وفقًا للظروف.
ينبغي أيضاً تطهير مصادر المياه ومعدات التنظيف في مصنع السكر بانتظام لضمان بيئة صحية شاملة.
استخلاص العصير
بعد الخطوة الأولى من التنظيف والتعقيم، تأتي الخطوة التالية وهي استخلاص عصير قصب السكر. يُستخلص العصير عادةً بالضغط الميكانيكي أو أنظمة الانتشار. تتضمن هذه الخطوة تكسير البنية الصلبة لقصب السكر واستخلاص العصير منه.
في معظم الحالات، تتكون عصارة قصب السكر من ثلاث مطاحن أسطوانية بالإضافة إلى مفرمة أو شفرات دوارة. بعد معالجة قصب السكر على سير ناقل، يُنقل إلى سير ناقل آخر لاستخلاص المزيد من العصير. ولكن قبل النقل، يُرش الماء أولاً لاستخلاص المزيد من العصير. يُطلق على البقايا المتبقية بعد العصر اسم "البقايا".
يحتوي العصير على شوائب ذائبة ومعلقة، بما في ذلك ألياف نباتية وبروتينات وحتى جزيئات من التربة التي تم غسلها بالكامل. يجب معالجة هذه الشوائب لتعزيز كفاءة عمليات الترويق والتبلور اللاحقة.
تصفية عصير قصب السكر
تُعدّ عملية تصفية عصير قصب السكر الخطوة الأهم في المراحل الأولى من عملية إنتاج السكر. وتهدف هذه العملية إلى إزالة الشوائب (مثل التربة، والبروتين، والمواد الغروية، والأحماض العضوية، وغيرها) من عصير قصب السكر وتحسين نقائه. وعادةً ما تُستخدم عملية الجير، إلى جانب طريقة التعويم بالفوسفور أو طريقة الكربنة.
استخدام المواد الكيميائية
الجير (CaO) / حليب الجير (Ca(OH)2) : يعادل المواد الحمضية ويرسب الشوائب.
ثاني أكسيد الكربون (CO2) (يستخدم في طريقة الكربنة): يتفاعل مع الجير لتكوين راسب كربونات الكالسيوم، الذي يمتص الشوائب.
عامل مساعد للتلبيد/التخثر: يساعد المواد الصلبة العالقة على الترسيب بسرعة.
شائعة الاستخدام: كلوريد البولي ألومنيوم (PAC)، بولي أكريلاميد (PAM)، إلخ.
الكبريت (SO2) أو كبريتيت الصوديوم: يلعب دورًا في التبييض وإزالة اللون والتعقيم في عملية تعويم الفوسفور.
الترشيح والتسخين المسبق
بعد التصفية، يجب ترشيح العصير لإزالة الرواسب. يُعد تسخين العصير قبل التبخير أمراً بالغ الأهمية، إذ يساعد على تقليل لزوجته ويمنع نمو الميكروبات.
التبخر والتركيز
يُركّز عصير الفاكهة بعد ذلك ليتحول إلى شراب باستخدام مبخر متعدد المراحل، مما يقلل نسبة الرطوبة من حوالي 85% إلى 30-40%. يساعد التبخير بالتفريغ على الحفاظ على جودة السكر، ولكنه يطرح أيضاً بعض التحديات التشغيلية.
- تتسبب البروتينات والمواد الفعالة بالسطح الذائبة في تكوين الرغوة.
- تراكم الترسبات على سطح المبخر.
التطبيقات الكيميائية:
مزيلات الرغوة: مزيلات رغوة سيليكونية لكبح الرغوة في درجات الحرارة العالية. مزيلات رغوة بولي إيثر وكحول دهني مناسبة لأنظمة عصائر الفاكهة متوسطة الرغوة.
مثبطات/مشتتات الترسبات: تمنع تكوين ترسبات كربونات الكالسيوم أو الكبريتات في المبخر.
التأثير: يضمن التحكم الفعال في الرغوة ومنع الترسبات تبخرًا سلسًا، وكفاءة أعلى في نقل الحرارة، وتقليل وقت التوقف.
بلورة
تُعدّ عملية التبلور في إنتاج السكر (والتي تُعرف في هذا المجال بالغليان) خطوةً حاسمةً في تحويل شراب السكر المركز إلى بلورات سكروز صلبة. يُغلى الشراب المركز في غلاية مفرغة من الهواء لبدء عملية التبلور. ويُعدّ التبلور السليم ضروريًا للحصول على كمية سكر عالية، وحجم البلورات، ولونها. هذه عملية فيزيائية كيميائية معقدة مصممة للتحكم في حجم وتجانس بلورات السكروز المترسبة.
تُستخدم مواد إزالة الرغوة بكثرة في هذه العملية. فهي تتحكم في تكوّن الرغوة أثناء الغليان، مما يمنع فيضان الشراب.
يؤدي التبلور المستقر إلى زيادة إنتاج السكر وتقليل الخسائر أثناء عملية الطرد المركزي.
الطرد المركزي والفصل
بعد تكوّن البلورات، تُفصل عن دبس السكر باستخدام جهاز طرد مركزي، ثم تُجفف عبر أنابيب ساخنة. ويمكن معالجة دبس السكر لاحقًا لإنتاج الإيثانول، أو علف الحيوانات، أو لأغراض أخرى.
إزالة اللون والتكرير
تُعدّ عملية إزالة اللون والتكرير المرحلة الأخيرة في صناعة السكر، وتُستخدم بشكل أساسي في إنتاج السكر الأبيض المكرر عالي النقاء (مثل السكر المحبب أو سكر الصخور). تتطلب هذه المرحلة استخدام كميات كبيرة من المواد الكيميائية والمواد الماصة.
تشمل المواد الكيميائية شائعة الاستخدام ما يلي:
الكربون المنشط (مسحوق أو حبيبات): يمتص البوليفينولات والكراميل والأصباغ الأخرى.
راتنجات إزالة اللون / راتنجات التبادل الأيوني: إزالة المركبات الملونة الأيونية وغير الأيونية.
بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂): يؤكسد الأصباغ المتبقية، مما يزيد من تفتيح لون الشراب.
عوامل إزالة اللون: ضمان انخفاض قيم ICUMSA وجودة بصرية عالية.
ما سبق يوضح العمليات الرئيسية والتطبيقات الكيميائية في صناعة السكر.
عرض المواد الكيميائية ذات الصلة:
كيف تتم معالجة مياه الصرف الصحي الناتجة عن صناعة السكر؟
تُنتج مصانع السكر مياه صرف صحي خلال عملية إنتاج السكر. وتتميز هذه المياه بتنوعها وتركيبها الملوث، مما يستلزم معالجتها بشكل منهجي قبل تصريفها.
تنتج مياه الصرف الصحي بشكل رئيسي عن غسل المواد الخام، وتنظيف المعدات، ومياه الصرف الناتجة عن عمليات إنتاج السكر، ومياه التبريد/المكثفات، ومياه تصريف الغلايات. وتتميز هذه المياه بارتفاع نسبة الطلب الكيميائي للأكسجين (COD) والطلب البيولوجي للأكسجين (BOD) (بسبب محتواها من السكر)، وارتفاع نسبة المواد الصلبة العالقة، وقابليتها العالية للتحلل البيولوجي، وقد تحتوي أحيانًا على زيوت وطمي. ولذلك، يُستخدم عادةً مزيج من العمليات لمعالجة هذه المياه، تشمل المعالجة الأولية، والتخثير، والترسيب، والمعالجة البيولوجية، والمعالجة المتقدمة. وتشمل طرق المعالجة الشائعة المعالجة الفيزيائية (مثل الترسيب والترشيح)، والمعالجة الكيميائية (مثل التخثير والمعادلة)، والمعالجة البيولوجية (مثل عمليات الحمأة المنشطة والأراضي الرطبة المُصممة).
ما هي المواد الكيميائية اللازمة لمعالجة مياه الصرف الصحي الناتجة عن صناعة السكر؟
الخطوات المحددة والتطبيقات الكيميائية هي كما يلي:
| مرحلة العلاج | غاية | المواد الكيميائية الموصى بها | الوظائف الرئيسية |
| 1. غسل المواد الخام والمعالجة الأولية | قم بإزالة الرمل والطين والألياف والمواد الصلبة العالقة. | كلوريد البولي ألومنيوم (PAC) | التخثر السريع، وإزالة المواد الصلبة العالقة والتعكر |
| بولي أكريلاميد (PAM) – أنيوني/غير أيوني | يُحسّن تكوين الندف عملية الترسيب | ||
| مزيل للرغوة | يتحكم في الرغوة المتولدة أثناء غسل قصب السكر واستخلاص العصير | ||
| 2. معادلة وضبط درجة الحموضة | تثبيت جودة المياه الداخلة، وضبط درجة الحموضة للعمليات اللاحقة. | الجير (CaO / Ca(OH)₂) | يرفع درجة الحموضة، ويزيل جزءًا من عسر الماء |
| هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) | ضبط دقيق لدرجة الحموضة | ||
| حمض الكبريتيك / حمض الهيدروكلوريك | يخفض درجة الحموضة | ||
| مزيل للرغوة | يقلل من الرغوة في حوض معادلة الضغط | ||
| 3. التخثر والتلبد (الترسيب الأولي) | إزالة المواد الصلبة العالقة والغرويات واللون؛ تقليل الطلب الكيميائي للأكسجين | PAC / بولي DADMAC / بولي أمين | المواد الأولية المستخدمة في التخثير لإزالة العكارة واللون |
| بام (أنيوني) | يحسن قوة التكتلات وسرعة الترسيب | ||
| مواد مساعدة على التخثر (مثل سيليكات المغنيسيوم) | يعزز الوضوح وأداء الاستقرار | ||
| 4. المعالجة البيولوجية اللاهوائية (UASB، EGSB) | تقليل الحمل العضوي المرتفع (COD، BOD) | إضافات غذائية (مصادر النيتروجين والفوسفور) | الحفاظ على النشاط الميكروبي والكتلة الحيوية الصحية |
| منظمات درجة الحموضة | حافظ على درجة الحموضة المثلى (6.8-7.2) للبكتيريا اللاهوائية | ||
| مزيل للرغوة | يقمع الرغوة الناتجة عن الغاز الحيوي | ||
| 5. المعالجة الهوائية (الحمأة المنشطة، مفاعل الدفعات المتسلسلة) | خفض إضافي لـ COD وBOD والأمونيا | المضافات الغذائية (النيتروجين والفوسفور) | توفير مغذيات متوازنة للكائنات الدقيقة |
| مزيل للرغوة | يتحكم في الرغوة أثناء التهوية | ||
| الإنزيمات الحيوية / المزارع الميكروبية | يعزز كفاءة التحلل البيولوجي | ||
| 6. العلاج المتقدم (في حال تطبيق معايير خروج صارمة) | تحسين النقاء، إزالة بقايا الأكسجين الكيميائي المستهلك، والشوائب، واللون | بولي أمين / بولي دي أ دي إم إيه سي | إزالة قوية للألوان والعكارة |
| لجنة العمل السياسي | إزالة إضافية للمواد الصلبة العالقة والغروانية | ||
| بام (وزن جزيئي عالٍ) | التلبيد والتلميع النهائي | ||
| الكربون المنشط | يزيل اللون والرائحة والمخلفات العضوية | ||
| 7. التطهير وإعادة استخدام المياه | ضمان السلامة الميكروبية قبل التصريف أو إعادة الاستخدام | هيبوكلوريت الكالسيوم | تطهير قوي |
| هيبوكلوريت الصوديوم | جرعات مطهر شائعة عبر الإنترنت | ||
| SDIC (ثنائي كلورو إيزوسيانورات الصوديوم) | إطلاق مستقر وطويل الأمد للكلور | ||
| حمض ثلاثي كلورو إيزوسيانوريك (TCCA) | محتوى عالٍ من الكلور، كلورة بطيئة الإطلاق |
إنتاج السكر عملية صناعية معقدة تتطلب تحكمًا دقيقًا في كل مرحلة، بدءًا من تحضير المواد الخام وعصرها، مرورًا بالتصفية والتبخير والتبلور والتكرير، وصولًا إلى معالجة مياه الصرف. وتواجه كل مرحلة تحدياتها الخاصة، بما في ذلك المواد الصلبة العالقة، واللون، والنشاط الميكروبي، وتكوّن الرغوة، وتراكم الترسبات. ومن خلال دمج المواد الكيميائية المناسبة في كل مرحلة من مراحل إنتاج السكر، تستطيع مصانع السكر زيادة الإنتاج، وتحسين جودة البلورات، وتعزيز اللون، وتقليل الفاقد، وتقليص وقت التوقف. وفي الوقت نفسه، تُسهم الحلول الكيميائية المُحسّنة في حماية البيئة من خلال معالجة مياه الصرف بكفاءة أكبر وتقليل النفايات الكيميائية.
إن اختيار الشريك الكيميائي المناسب يسمح لمصانع السكر بتحسين كفاءة الإنتاج، وضمان جودة المنتج المتسقة، وإطالة عمر المعدات، وتحقيق التميز التشغيلي على المدى الطويل.