خانه استفن – تلاشی برای شیرین‌زدایی ملاس که نتوانست جذابیتی کسب کند

چه اتفاقی برای خانه استفن افتاد، که زمانی یکی از ویژگی های مهم کارخانه های قند چغندر، به ویژه در اروپا بود؟ خانه استفن آنقدر برای موفقیت اقتصادی یک کارخانه قند چغندر ضروری تلقی می شد که هنری اوکسنارد، بازیگر اصلی در تجارت ساخت و راه اندازی کارخانه های قند چغندر در نخستین روزهای قرن بیستم، گفت که قراردادی را نمی پذیرد. یک کارخانه قند بسازید مگر اینکه شامل خانه استفن باشد.

اندازه گیری کلیدی عملکرد یک کارخانه چغندر در آن زمان و اکنون، درصد ساکارز در ملاس است. ظاهر هر گونه ساکارز در ملاس گواه این است که شکر در نظر گرفته شده برای انبار در عوض به ملاس ختم می شود. در زمان اوکسنارد، ملاس به عنوان یک محصول زائد در نظر گرفته می شد و به همین دلیل اغلب به رودخانه های مجاور کارخانه قند ریخته می شد. به طور معمول، در یک کارخانه استاندارد فاقد استفن هاوس، یا در این دوره مدرن‌تر، فرآیند تبادل یونی، ملاس چغندر از پنجاه درصد ساکارز تشکیل می‌شود که ضرری غیرقابل قبول برای افرادی که در مدیریت کارخانه چغندر فعالیت می‌کنند، خواهد بود. ناظران کارخانه از وجود شکر در ملاس به عنوان “خلوص” یاد می کنند. بنابراین، خلوص بالا منعکس کننده تلفات بالای قند به ملاس است – مانند ریختن پول در زهکش.

تولید ملاس به طور کلی برابر با پنج درصد در چغندر فرآوری شده است، بنابراین یک کارخانه با 1000000 تن چغندر می تواند منجر به تولید 50000 تن ملاس شود که حاوی تقریباً 25000 تن شکر است که ارزش بازار آن ده میلیون دلار است. با فرض اینکه شکر به ازای هر پوند 20 دلار فروخته می شود، بدون هزینه های تولید. ناگفته نماند که جلوگیری از هدر رفتن قند به ملاس چالشی اساسی برای مدیران کارخانه چغندر است. از همان ابتدا، فناوری به اندازه‌ای که تجهیزات موجود در آن زمان مجاز بود، شکر را جذب می‌کرد، درمان بعدی حذف شکر از ملاس بود. این به نقش خانه استفن تبدیل شد.

فرآیند استفن روشی برای استخراج شکر از ملاس بود که توسط کارل استفن اتریشی متولد وین اختراع شد که این فرآیند را در سال 1883 در حالی که مشغول تولید شکر در موراویا بود به ثبت رساند. در حالی که روش او دارای چندین تغییر است، فرآیند اساساً با رقیق کردن ملاس با آب (به اندازه کافی برای ایجاد محلولی از ساکارز 5-12٪) و خنک کردن آن تا دمای بسیار پایین (زیر 18 درجه سانتیگراد) و سپس پودر آهک ریز (کلسیم) آغاز می شود. اکسید) به مقدار کافی برای ایجاد رابطه 130 درصدی با محتوای ساکارز به طور مداوم با هم زدن با سرعت یکنواخت و آهسته اضافه می شود. شکر موجود در ملاس با آهک ترکیب می شود و ساکاراژی از آهک به وجود می آید که در مایع نامحلول است. سپس ساکارات جدا شده و در فیلتر پرس شسته شد. کیک از فیلتر پرس (ساکارات آهک) با آب شیرین مخلوط شد تا به غلظت خامه برسد و در فرآیند کربناته شدن جای شیر آهک را گرفت.

حدود نود درصد از قند موجود در چغندر در کارخانه هایی که از فرآیند استفن استفاده می کردند استخراج می شد. در برخی از تأسیسات، فاضلاب حاصل از فرآیند استفن، که از نظر کیفیت کود دهی (عمدتاً سولفات پتاسیم) غنی بود، برای آبیاری زمین های مجاور کارخانه استفاده می شد. ساختار طراحی شده برای قرار دادن تجهیزات به کار رفته در فرآیند استفن به طور کلی در صنعت به عنوان “خانه استفن” شناخته شد.

فرآیند استفن به سرعت در اروپا محبوبیت یافت، اما به احتمال زیاد در ایالات متحده محبوبیت کمتری پیدا کرد زیرا این فرآیند از نظر شیمی مرتبط با آن پیچیده‌تر از هر فرآیندی بود که تا آن زمان در کارخانه چغندر معرفی شده بود. اولین چنین فرآیندی در سال 1888 در Watsonville، کالیفرنیا نصب شد. این یک کارخانه آزمایشی کوچک با سه خنک کننده 5 فوتی بود که توسط شرکت Grevenbroich Machinery آلمان تامین می شد. Grevenbroich در نهایت بسیاری از تجهیزات را برای سه کارخانه پیشگام کالیفرنیا، Watsonville، Los Alamitos و Chino تامین کرد و به تامین تجهیزات فرآیند استفن Oxnard ادامه داد تا اینکه چند سال بعد شرکت او و Kilby Manufacturing در کلیولند، اوهایو، شروع به تولید مدل های بهبود یافته کردند.

در ایالات متحده، فهرست شیمیدانان ماهری که در کارخانجات چغندر پستی داشتند، کم بود. اغلب ناظران کارخانه‌ها به فناوری‌های آزمایش‌شده و واقعی گذشته توجه می‌کردند و روش‌های آموخته‌شده از تجربه را به جای دانش‌آموزی ترجیح می‌دادند. آنها با هدایت تجربیات عملی به جای تئوری، بدون سوء نیت ایده ها و روش هایی را که فاقد مبنایی برای درک آنها بودند، رد می کردند. برای مثال، فرآیند استفنس آزمایشی واتسونویل چندان مورد استفاده قرار نگرفت، زیرا سرپرست کارخانه «به آن اعتقاد نداشت».

جذابیت اصلی فرآیند استفن در مزیت نسبی بود. ملاس در آن زمان یک کالای ناخواسته بود و خود را بیشتر به عنوان یک موضوع ضایعات نشان داد تا یک محصول قابل فروش. حذف شکر از ملاس به منزله دریافت ارزش خوب از چیزی بود که در غیر این صورت به رودخانه ریخته می شد، رویه ای که از همان روزهای اولیه صنعت چغندر ایالات متحده توسط کسانی که برای سایر اهداف صنعتی از جمله ماهیگیری به رودخانه ها متکی بودند با آن مخالفت می کردند. با گذشت زمان، ملاس که اساساً یک شربت قند است که چندین بار در کارخانه بوده و با فرآیند حذف عمدتاً ضایعات چغندرقند حاوی پنجاه درصد ساکارز است، بازارهای مختلفی پیدا کرد. در اوایل، به منبعی از الکل اتیلیک تبدیل شد، اما برای سال‌ها به دلیل قیمت پایین نفت خام خارجی، مورد پسند خود را از دست داد. در دهه 1970 که قیمت نفت خام افزایش یافت، علاقه به تولید الکل اتیلیک احیا شد. ملاس همچنین یک ماده خام اصلی برای تولید مخمر نانوایی است و منبع اصلی برای تولید مونوسدیم گلوتامات (MSG) و اسید سیتریک است. با این حال، حجم تقاضای آن کاربران در مقایسه با مقداری که شرکت های قند چغندر کشور در دسترس قرار داده بودند، کم بود. در نتیجه قیمت ملاس پایین بود.

در دهه 1970، نگرش در مورد زباله های کارخانه ها از پذیرش عموم به رد تقریباً کامل این فرضیه که کارخانه ها خوب انجام می دهند (ارائه محصولات مفید و قدرت اقتصادی) محصولات زائد آنها را باید تحمل کرد، تغییر کرد. بنابراین فرآیند Steffens که ضایعات مایع با خاصیت قلیایی و pH بالا و همچنین محتوای آلی بالا و در نتیجه ترکیبات بدبو تولید می‌کرد، نامطلوب شد. یک خانه Steffens آب فاضلاب را به میزان هشتصد درصد از حجم ملاس فرآوری شده تخلیه می کرد.

مطالعات مختلف نشان داد که می توان قدرت بوهای ناشی از ضایعات استفن را بهبود بخشید. با این حال، هزینه نصب و راه‌اندازی سیستم‌های مؤثر، سود اقتصادی حاصل از این فرآیند را جبران می‌کند. بنابراین، مدیران کارخانه‌ای که از فرآیند استفنس استفاده می‌کردند، شروع به تعطیلی آن‌ها کردند و آن‌هایی که خواهان مزایای چنین فرآیندی بودند، به جای دیگری نگاه کردند. علاوه بر کاستی های آن در زمینه محیطی، فرآیند Steffens تنها حدود 60 درصد از قند ملاس را بازیابی کرد. تولیدکنندگان شکر به دنبال راه حلی برای بازیابی شکر از ملاس بودند. نفوذ در افکار آنها این ایده بود که بهتر است در وهله اول از تهیه ملاس خودداری کنند. آنها به تبادل یونی روی آوردند، فرآیندی که از ساخت ملاس به معنای سنتی جلوگیری می کرد.

تبادل یونی یا دییونیزاسیون، روشی برای کاهش ناخالصی‌های آبمیوه است که باعث افزایش استخراج قند می‌شود. اصل تبادل یونی بیش از 125 سال است که شناخته شده است، اما به ندرت در صنعت قند چغندر استفاده می شود، زیرا عادت ناگوار آن در افزایش محتوای سدیم آب قند است که توانایی کریستالی شدن شکر را به تاخیر می اندازد. با این حال، تولیدکنندگان شکر در روزگار بعدی به روش کروماتوگرافی حذف یونی روی آورده اند که اولین بار با موفقیت برای تولید شربت ذرت با فروکتوز بالا (HFCS) مورد استفاده قرار گرفت. این فرآیند بر اساس حذف ترکیبات یونی و گنجاندن ترکیبات غیر یونی است.

پس ملاس که زمانی به عنوان دزدی شناخته می شد که حجم عظیمی از شکر با ارزش را در طول فرآیند تولید شکر به دام انداخته بود، سرانجام مجبور شد تا غارت خود را از طریق تبادل یونی که در آن نرخ بازیافت شکر به 90 درصد می رسد در مقایسه با 60 درصد در جهان، رها کند. خانه قدیمی استفنس و بدون تاثیر منفی زیست محیطی. و باز هم امتیاز دیگری در انتظار کارخانه های قند بود که به تبادل یونی روی آوردند.

کارخانه‌های مدرن که در دهه 1990 شروع به کار کردند، شروع به تولید بتائین از ملاس کردند، یک افزودنی غذایی ارزشمند با فواید دارویی اضافی. مرکز پزشکی دانشگاه مریلند در یکی از مطالعات خود اشاره کرد که شراب های ارزان قیمتی که از قند چغندر برای افزایش محتوای الکل استفاده می کنند، حاوی بتائین هستند. برخی از کارشناسان معتقدند که این ممکن است توضیح دهد که چرا مصرف کنندگان شراب از فرانسه با وجود رژیم های غذایی سرشار از چربی و کلسترول تمایل به ابتلا به بیماری های قلبی کم دارند. با این حال، ارزش بتائین به عنوان مکمل غذایی برای جوجه‌ها و خوک‌ها مقرون به صرفه‌تر است. تعدادی از آزمایشات نشان می دهد که افزودن بتائین به خوراک باعث بهبود عملکرد می شود. همچنین، مطالعات روی خوک ها نشان دهنده تأثیر بتائین در متابولیسم انرژی و افزایش شدید هورمون های رشد است. انسان ها نیز در حال یافتن موارد استفاده از بتائین به عنوان مکمل غذایی با نامی دیگر، تری متیل گلیسین یا TMG هستند.

بنابراین، فرآیند استفن، زمانی که ناجی کارخانه‌های شکر به دلیل نگرانی‌های زیست‌محیطی و هزینه‌ها بدنام شد، اما راه را برای تبادل یونی کارآمدتر و دوست‌دار محیط زیست باز کرد.

منابع:

GREAT WESTERN SUGAR COMPANY، The Technology of Beet Sugar Manufacture، The Great Western Sugar Company، دنور، کلرادو، 30 ژوئن 1920 – دستورالعملی که عمدتاً توسط DJ Roach برای استفاده توسط کارمندان کارخانه های قند چغندر این شرکت تهیه شده است.

GUTLEBEN, Dan, The Sugar Tramp-1954- میشیگان, چاپ شده توسط: Bay City Duplicating Co, San Francisco, 1954

McGINNIS، RA (ویرایش) 1982، فناوری قند چغندر، فورت کالینز، کلرادو، بنیاد توسعه شکر چغندر