Горечь нашего сахара

Раньше Украина была сахарной республикой: ее 192 сахарозавода выпускали 7 миллионов тонн cахара при потребности 2 миллиона тонн. В 2009 году украинские заводы сварили чуть больше 1,5 миллиона тонн при той же потребности. Схожие проблемы есть и в России, и в Белоруссии. Попробуем разобраться в причинах и понять, как следует делать сахар в XXI веке. Разговор об этом необходимо начать еще и потому, что и автор этих строк, и другие разработчики технологий, позволяющих качественно изменить производство сахара, находятся уже в том возрасте, когда передачу опыта новым поколениям лучше не откладывать надолго.

Иллюстрация Натальи Колпаковой

Свекла против тростника

Первое российское сахарное производство, завод Вестова, было построено в Санкт-Петербурге по указу Петра I от 14 марта 1718 года, а к концу ХVIII века в Российской империи было уже 20 сахарных заводов, которые варили тростниковый сахар. Но это было тупиковое направление, ведь в России негде выращивать сахарный тростник. Нужно было искать новое сырье. Им оказалась свекла.

Еще в 1575 году французский ботаник Оливье де Серр обнаружил высокое содержание сахара в свекле, однако лишь в 1747 году немецкому химику Андреасу Сигизмунду Маргграфу удалось извлечь этот сахар и сделать его твердым. С 1786 года работу Маргграфа продолжил его ученик, Карл Ахард, который в своем имении под Берлином начал селекцию свеклы для производства сахара.

11 января 1799 года Ахард представил прусскому королю Фридриху-Вильгельму III четырехкилограммовый конус литого свекловичного сахара. При покровительстве короля с 1802 года в имении Кунерн, которым ученый владел в Пруссии, заработал свеклосахарный завод. Выход сахара составлял 3–5% от веса свеклы при сахаристости последней около 10%.

В это же время сахарной свеклой занимается наш ботаник Яков Степанович Есипов. В 1802 году, одновременно с прусским, вступил в строй свеклосахарный завод Есипова в селе Алябьеве Чернинского уезда Тульской губернии. Неподалеку от него, в селе Михайловском, построил свой сахарный завод граф А.Г. Бобринский — сын Екатерины II от графа Г.Г. Орлова. Благодаря ему сахарное производство стало модной темой бесед в петербургских салонах, об этом писал Пушкин:

Стих вяло тянется, холодный и туманный.
Усталый, с лирою я прекращаю спор,
Иду в гостиную; там слышу разговор
О близких выборах, о сахарном заводе...

Свекловичный сахар стал теснить тростниковый после того, как 21 ноября 1806 года Наполеон начал континентальную блокаду, вызвав этим рост цен на заморское сырье. Свекловичный сахар стал конкурентоспособным. 2 января 1812 года Бенджамин Делессерт принес Наполеону первый сахарный слиток, сделанный им на заводе в Пасси. Попробовав сладость, Наполеон издал декрет о поощрении свеклосахарного производства, благодаря которому Франция стала лидером отрасли. Спустя сто лет, уже перед Первой мировой войной, производство свекловичного сахара почти сравнялось с производством тростникового. Правда, тростниковый сахар так и не сдал своих позиций — его добыча стала возрастать, и в наши дни из общего объема производства сахара на долю свеклы приходится всего около 27%.

Сахар Украины

В 1822 году родственник графа Бобринского граф Потоцкий построил в своем поместье в Каневском уезде сахарный завод. Выращивать сахарную свеклу на юге России оказалось настолько выгодно, что основатель Нежинской гимназии граф А.Г. Кошелев-Безбородко через два года открыл в своем поместье в селе Макошине самый большой на то время в Российской империи сахарный завод. Прибыльность этого завода была так велика, что граф А.А. Бобринский, которому жена принесла в приданое Смелянщину, решил перевезти на юг свой Михайловский завод из холодной Тульской губернии, где свекла не успевала дозревать до морозов. Волами и на конях все заводское оборудование перевезли в теплую Смелу, в 1838 году обновленный завод заработал в полную силу и работает до сих пор. В сезон 1911/12 года на нем сварили 1422 тыс. пудов сахара. (Для сравнения: в наиболее урожайном 2007 году Смелянский сахарокомбинат сделал 2,2 тыс. тонн сахара, или 1375 тыс. пудов.)

За аристократами последовали и купцы — Терещенки, Ханенки, Яхненки, Бродские, Симиренки, Хряковы... Именно с этих пор Украина становится сахарным сердцем Российской империи. Чтобы обеспечить специалистами новую отрасль, в 1884 году решением Южного отделения Российского технического общества, при содействии таких ученых, как А.М. Бутлеров, Д.И. Менделеев, П.П. Алексеев, М.А. Бунге, и аристократов-сахарозаводчиков Бобринских, Браницких, Бутурлиных, Потоцких, Безбородко в Смелянском двухклассном училище были открыты технические классы. В 1917 году их преобразовали в техническое училище, а в 1929 году на его базе был создан Институт сахарной промышленности. На основании постановления Президиума Верховного Совета СССР за № 1240 от 27.04.1930 к этому институту были присоединены кафедры сахарных факультетов Киевского политехнического института, Харьковского, Ленинградского и Каменец-Подольского химико-технологических институтов. Чтобы сохранить профессорский состав, институт перевели в Киев, а в 1933 году он получил название «Киевский технологический институт пищевой промышленности им. А.И. Микояна», сокращенно КТИПП.

Свекольный тупик

В годы советской власти этот институт был ведущим в подготовке кадров ив научных разработках всего Советского Союза и стран социалистического содружества. Еще в семидесятые здесь предсказывали тупиковость традиционной технологии свеклосахарного производства. Ведь сахар вырабатывается на большинстве наших предприятий уже две сотни лет. Два века сахарная свекла выращивается на одних и тех же площадях. Даже при использовании семипольного севооборота в таких условиях урожайность снижается. Низкие урожаи определяют высокую цену сахара. Сейчас украинские свекловоды собирают всего 200–300 центнеров с гектара. Сравним: на Западе — 700–800 ц/га, в Белоруссии — 400–500 ц/га, в России — 300–350 ц/га. С учетом того, что на украинских заводах затраты энергии в два-три раза выше, чем на Западе, говорить о конкурентоспособности не приходится.

Однако переход на новые площади затруднен тем, что свекольное поле по традиционной технологии должно находиться не далее 30 км от завода. Иначе корнеплоды сильно побьются во время транспортировки и быстро сгниют. Кроме того, придется закрывать старые заводы, а они не только дают работу жителям сложившихся вокруг поселков, но и обеспечивают бюджет района.

Поэтому стали разрабатывать программу, которая позволила бы и новые места для сахарной свеклы освоить, и старые заводы сберечь. Увы, разработка дошла до завершения в 1991 году, за которым последовали события, сделавшие ее реализацию невозможной, а в 2000 году и сам УкрНИИ сахарной промышленности закрыли за ненадобностью. Однако проблема осталась.

Как делают сахар

Рассмотрим традиционную технологию сахарного производства. Собранную в поле свеклу привозят в кагатохранилище, где складируют собранную с полей свеклу, делая запас на весь сезон: 45–90 суток (в более мягком западноевропейском климате хранят только двухсуточный запас). Потому-то наша свекла не должна быть сильно поврежденной — отсюда возникает требование 30 километров от поля до завода.

С кагатного поля свеклу гидротранспортером подают на мойку. Промытые корнеплоды превращаются в стружку, из нее в диффузорах горячей (70–75°С) водой извлекают сок темно-серого цвета, который кроме сахарозы содержит и балластные вещества. На этих трех этапах тратится огромное количество воды, поэтому рядом с любым сахарным заводом есть водоем и поля фильтрации. Это не считая немалых площадей, занятых кагатохранилищем.

Диффузионный сок очищают известковым молочком (этот этап носит неблагозвучное название «дефекация»), а затем углекислым газом (сатурация). Частицы слаборастворимого гидроксида кальция, образующего молочко, служат сорбентом, на котором при дефекации оседают несахара — этим словом называют все ненужные примеси в сахарном соке. Сахароза в это время частично реагирует с известью, образуя выпадающие в осадок сахараты. Их-то и разлагают до сахарозы, проводя сатурацию, при этом известь переходит в нерастворимый карбонат кальция.

Когда после двойной сатурации сок профильтруют и обработают сернистым газом, он станет светло-желтым, прозрачным, с содержанием сахарозы около 14%. Далее его уваривают до 65%-ного сиропа, обрабатывают адсорбентами, фильтруют и снова применяют сернистый газ. Прозрачный бесцветный сгущенный сироп поступает в вакуум-аппараты, где происходит дальнейшее выпаривание воды, а после внесения затравочных кристаллов сахара — его кристаллизация. В результате этого образуются густая масса (7,5% воды) — утфель первой кристаллизации и межкристальная жидкость — зеленая патока, которую отделяют на центрифугах. Осевшие там кристаллы сахара промывают небольшим количеством воды, пропаривают и вновь центрифугируют. При этом отделяется белая патока, содержащая растворенные в воде кристаллы сахара. Ее собирают и направляют в вакуум-аппараты для повторного уваривания. Зеленую патоку также уваривают в вакуумаппаратах и получают утфель второй кристаллизации. Если содержание сахара в патоке утфеля второй кристаллизации осается высоким, то из нее получают утфель третьей кристаллизации. Патоку утфеля последней кристаллизации — мелассу используют для получения этилового спирта, лимонной кислоты, аминокислот или скармливают скоту. Сахар-песок из центрифуг поступает на сушку. Затем его пропускают через магнитный улавливатель, сортируют и упаковывают.

Посмотрим, как сейчас работает эта схема, на примере типичной частной агрофирмы в самом лучшем для свеклосахарного производства черноземном Липовецком районе Винницкой области.

После смены десятка собственников завод и земли в его сырьевой зоне приобрел миллионер, имевший доступ к дешевым кредитам. Увы, местная власть у нас так часто меняется, что этот доступ через несколько лет был перекрыт и ему пришлось делать то же, что и окружающим, то есть искать деньги.

Единственное, на что хватило средств, — сохранить севооборот. А вот на удобрения средств не нашлось; кроме аммиачной воды, поля ничем не обрабатывали. Закупили на местном частном семенном предприятии семена «лучших голландских сортов». На самом деле те семена оказались не голландскими, а неизвестного происхождения и неизвестных сортов. Всю сельскохозяйственную технику для посева, обработки и уборки свеклы в советские времена выпускали на Украине. Увы, после распада Союза эти предприятия дышат на ладан, и приходится использовать агрегаты советских времен, ведь на импортную технику даже у миллионеров денег не хватит. Посеяли с горем пополам свеклу. Пестицидов нет, а если и есть, то по заоблачным ценам. С весны до осени с тяпками на плантациях горбатятся крестьяне. Осенью на свекловичные поля стало страшно выходить из-за вони пораженных черной гнилью корнеплодов. С горем пополам собрали в сентябре немного больше 100 ц/га. Везли свеклу с поля сразу на переработку, ведь в кагатах такая свекла и пары суток не выдержит. Я смотрел лабораторные журналы. Средние показатели сахарной свеклы, принимаемой от своих и соседних хозяйств, не впечатляли: засоренность до 30%, сахаристость — 10–11%. Это гораздо хуже, чем на том же заводе сто лет назад при Демидовой, княгине Сан-Донато: засоренность была 4–5%, а сахаристость доходила до 18%!

Свекольное поле

Сахарный завод — межотраслевое предприятие, и он становится прибыльным при комплексном использовании весьма разнородных ресурсов, а именно свеклы и навоза. Чтобы вырастить хороший урожай, нужно помимо дорогих минеральных удобрений обеспечить поля органикой. Следовательно, свекловоду нужен скот. А скотоводу нужен жом сахарной свеклы, из которого забрали сахар, но оставили белки — лучший зимний корм. Это значит, что производство свеклы, жома и выращивание скота должны быть в одних руках.

Не только от обеспечения полей удобрениями зависит урожай. Одну из главных ролей играют семена. И не только в урожайности дело. Чтобы уменьшить отходы, нужны корнеплоды правильной формы — не уродливые, без впадин, трещин и наростов. Они должны давать хорошую тонкую стружку, обеспечивающую высокий выход сахара. Следовательно, требуются семена высокоурожайных, высокосахаристых сортов с корнеплодами правильной формы. У нас такие сорта есть. Это «Украинский ЧС 72», «Уманский ЧС 90», «Уманский ЧС 97», «Александрия», «ВЕСТО» и другие со средним потенциалом урожайности 600–800 ц/га при сахаристости 17–18%. Увы, отечественные сорта могут разводить только отечественные семеноводы, ау них нет ресурсов для того, чтобы конкурировать с зарубежными компаниями.

Так как с удобрениями у нас проблема, то целесообразно вспомнить опыт кандидата сельскохозяйственных наук Евгения Галатовича, который в 70-е годы, не имея ни грамма удобрений, получал на Прикарпатской опытной станции высокие урожаи свеклы, используя предшественники-сидераты: рапс, масленичную редьку, горчицу и зеленую рожь. Их еще до созревания семян запахивают в землю, обогащая ее перегноем. Целесообразно включить в севооборот стевию, которая содержит сахарозаменитель стевиозид (см., например, «Химию и жизнь» 2005 №4), — это даст возможность получать после окончания сезона сахароварения дополнительный доход на том же оборудовании, ведь стевиозид тоже извлекают из сушеных листьев водой. Правильный севооборот может помочь и с отсутствием гербицидов. Если предшественником свеклы будет озимая пшеница, то она забьет сорняки, особенно при правильном лущении стерни...

В XXI веке посев, обработка и сбор свеклы должны быть механизированы. Тернопольский и Днепропетровский комбайновые заводы еле дышат, Львовсельмаш практически уничтожен. Самую надежную и относительно дешевую технику для свеклы на территории бывшего СССР сейчас выпускают Гомельский сельмаш и Тульский комбайновый завод.

Мини-завод на поле

Наилучшие земли для выращивания сахарной свеклы — черноземы и суглинки. На черноземах свеклу выращивают веками, и земля истощилась. Следовательно, нужно осваивать новые регионы с суглинковыми грунтами. Однако на этих землях нет сахарных заводов. Чем больше завод, тем ниже себестоимость сахара, поэтому оптимальны заводы-десятитысячники (то есть дающие по 10 тыс. тонн сахара в год). Их стоимость сотни миллионов долларов, но проблема не в этом. Если вернуться к самой эффективной семипольной системе севооборота, то сырьевая зона в 30 км не обеспечит даже тысячник. Выходит, при нашей системе земледелия нужно строить сахарные мини-заводы. Мой опыт с созданием безотходных комплексов показал, что при наличии технической документации (а ее когда-то разрабатывали и в упомянутом Киевском институте пищевой промышленности, ив Курском институте сахарной промышленности, и в Новосибирском академгородке) оборудование для них можно изготовить на любом заводе продовольственного машиностроения. Но пока наши заводы не освоили выпуск такого оборудования, его нам поставляют китайцы.

Вряд ли на новых местах стоит строить сахарные мини-заводы по полному циклу, ведь это приведет к ликвидации старых сахарных заводов с их многотысячными поселками. Сахарные мини-заводы выгодны тем, что для них не нужно кагатов — свеклу доставляют прямо с поля. А поскольку хозяину поля нужна органика и, стало быть, корм для скота, получается, что на таком заводе достаточно перерабатывать свеклу на сок и жом.

Не думайте, что этот вопрос имеет простое решение. Вспомните традиционную технологическую схему: вымытые корни сахарной свеклы измельчают в тонкую стружку, из которой в диффузионных аппаратах горячей водой извлекают сок. На многих складах еще пылятся не выкупленные заказчиками с советских времен диффузионные аппараты. Все они после распада Союза перестали пользоваться спросом, так как уступают импортным по всем показателям, кроме цены. На смену советским пришли дешевые китайские агрегаты. Но они недолговечны. А нет ли чего-нибудь революционно нового в отечестве? Есть. Вот сахарный завод, который придумали инженеры из предприятия Казанского технопарка «Идея» — ООО «Роста», — реализующие так называемую дробную технологию. С ней мне пришлось столкнуться при выполнении заказа треста «Марийдорагропром», который решил построить в Марий-Эл купленный в Венгрии сахарный завод-шеститысячник. Как оказалось, земли, пригодные для выращивания сахарной свеклы в необходимых количествах, находились на расстоянии более 100 км друг от друга, вот я и должен был обеспечить решение проблемы.

Согласно технологии Казанского энергетического университета, помытую свеклу дробят в крошку диаметром от 3 до 6 мм. (Напомним читателям, что создатели бутанольного производства в Тулуне, о котором было рассказано в «Химии и жизни» 2009 №5, научились дробить дерево для решения схожей задачи — извлечения полисахарида — до микронной крошки. — Примеч. ред.) А сахар, вернее, свекольный сок из нее извлекают в гидроэкстракторе, проще говоря — отжимают в центрифуге. В аппарате создается режим пульсации, разработанный еще 40 лет назад сотрудниками университета под руководством профессора А.И. Гурьянова. Такой режим интенсифицирует диффузию сахарозы. Мелкая крошка и пульсации сокращают длительность процесса с 70 до 30 минут, а температуру снижают с 75 до 30°С. За счет этого производительность возрастает в десять раз! Снижен и расход воды, поскольку она после очистки от твердых примесей поступает обратно в помывочное отделение.

Теперь нам нужно очистить сок от балластных веществ. Традиционная технология очистки сырого сока требует не только огромных металлических сосудов, но и больших печей для обжига извести. Поэтому вновь вернемся к разработке казанских ученых. Дело в том, что большинство несахаров свекловичного сока активны в электрическом поле, что обусловлено их диссоциацией в воде. Поэтому часть из них извлекает аппарат электрохимической обработки. Красящие соединения в проточном режиме связываются ионообменными фильтрами. Раствор чистой сахарозы сгущается в пластинчатых теплообменных аппаратах в циркуляционном режиме.

Полученный сироп, в зависимости от назначения, разливают в цистерны и другие емкости и продают самому выгодному потребителю — большому сахарному заводу, где есть мощности для переработки сиропа. Сироп, в отличие от свеклы или сырого сока, хорошо хранится, его можно сберегать, дожидаясь оптимальной цены. Впрочем, можно обойтись изготовлением сырого диффузионного сока и сразу же переработать его на технический спирт для биотоплива. Для этого есть множество мини-спиртозаводов, изготавливаемых и полтавской «Квартой», и московской «Молнией», и харьковским НПО «Рект-лисс».

Сахарный завод будущего

На самом деле эта технология (ее называют дробной) нужна только для того, чтобы сохранить существующие сахарные заводы. Но есть по-настоящему революционная технология, способная вывести наш сахар на мировой рынок и победить там всех конкурентов ценой и качеством. Ее разработали ученые Одесской государственной академии холода под руководством профессора Леонарда Федоровича Смирнова. Суть ее — замена нагрева замораживанием и использованием хладонов — инертных жидкостей, кипящих при низких температурах. Необходимое оборудование можно изготовить на любом действующем продмашзаводе.

Нельзя сказать, что это совсем новая идея. Дешевую технологию извлечения свекольного сока из свеклы и очистки его с помощью хладагентов, в частности жидкого СО₂, разрабатывали в еще в 70-е годы ученые КТИППа под руководством ректора, профессора И.М. Федоткина. Увы, тогда эти разработки на самом высшем уровне признали антигосударственными и антинаучными, а самого Федоткина сняли с поста ректора.

Профессор Л.Ф. Смирнов для внедрения своей технологии на старых заводах предусматривает возможность использования действующих диффузоров, с традиционной экстракцией сока горячей водой. На новых заводах, согласно его идее, воду надо заменить хладонами. Они могут быть использованы ив упомянутых пульсационных диффузорах профессора Гурьянова. Вот как примерно выглядит схема Смирнова.

В диффузоре хладон так же, как и вода, извлекает свекольный сок из размолотых клубней, только делает это без нагрева. Ни сахара, ни вода в хладоне не растворяются, поэтому он лишь создает среду, в которую отжимается сахарный сок. Далее смесь переходит в испаритель, где хладон испаряется и направляется на повторное использование, а оставшийся диффузионный сок, содержащий 15–16% сахаров, концентрируется до 60% в вымораживателе. Водяной лед отделяется от концентрированного сахара, и получаются два продукта — сироп и чистая талая вода, поскольку в лед другие вещества практически не проникают.

Теперь надо очистить сироп от балластных веществ. Для этого сквозь него прокачивают фреон-12, то есть дихлордифторуглерод (температура кипения –29,8^оС). Это неядовитое, негорючее вещество, которое в США, Италии, Франции, Бельгии и Швеции разрешено для замораживания овощей прямым контактом. Хладон легко удаляется из продуктов при хранении и размораживании, а поскольку установка герметична, в атмосферу в больших количествах он улетать не должен.

Хладон замораживает воду и образует твердые частицы газгидратов. Они играют ту же роль, что и частички известкового молочка в традиционной технологии, то есть адсорбируют несахара. Однако поскольку сахар с газгидратами не взаимодействует, нет нужды проводить потом сатурацию. И известь не нужна: частицы газгидратов отделяют от сиропа, расплавляют, после чего испарившийся фреон поступает назад в цикл, а несахара и воду собирают и передают для дальнейшего использования.

После нескольких циклов такой обработки вода уходит в виде газгидратов и содержание сахара в сиропе увеличивается до 67%. Затем начинается кристаллизация. Одновременно кристаллизуются и гидраты хладона. Так как удельный вес кристаллов сахара значительно выше, чем у кристаллов газгидратов, то они разделяются в гидроциклоне. Чистый белый сахар выводят через газозатвор, а оставшийся сироп отправляют назад на переработку, смешивая с первичным соком.

Дополнительно с помощью хладона можно извлекать сок из выжимок сахарной свеклы, получая помимо дополнительного сахара еще и богатый белками сухой нерастворимый порошок — хорошо хранящийся корм для скота. Более того, завод может работать круглый год, изготавливая не только сахар, но и концетраты соков или сухие красители из овощей и фруктов.

По расчетам профессора Смирнова, стоимость оборудования для заводов производительностью 20 тонн в сутки по сахару — 1 млн. долларов, а 50 тонн в сутки — 2 млн. Это дешевле оборудования для китайских сахарных мини-заводов, к тому же наших инженеров в случае чего всегда можно пригласить для консультации.

Мне даже страшно назвать себестоимость производства сахара-песка, получаемого по его технологии, — 70 долларов за тонну, или, после добавления стоимости сырья — свеклы, — чуть менее 9 рублей за килограмм! Это ниже, чем у тростникового сахара. Мало того, по той же технологии можно перерабатывать и тростниковый сахар, а во времена межсезонья извлекать стевиозид из стевии, сок из плодово-ягодных и овощных выжимок, одновременно получая чистую талую воду. Как видите, у нас есть все, чтобы возродить свеклосахарное производство.

К сожалению, на моей Украине ни сейчас, ни в ближайшее время это сделать невозможно. Однако на постсоветском пространстве еще есть государства, нуждающиеся в таких разработках, да и наша диаспора на Западе и в Америке способна воспринимать идеи, приносящие успех. Что ж, мы привыкли, что наши собственные разработки приходят к нам из-за рубежа...

Кандидат технических наук
В.В. Сиротенко

См. также:
Сахар (2010 №4)