Ziemniaki są poza kukurydzą, tapioką i pszenicą czwartym źródłem pozyskiwania skrobi. Całkowite zbiory światowe wynoszą 294 mln ton. Głównymi producentami ziemniaków są: Unia Europejska, Chiny, Rosja, Indie, Stany Zjednoczone i Polska. Około 5% światowej produkcji ziemniaków jest przeznaczana do wytwarzania skrobi. Ponad 80% skrobi ziemniaczanej jest wytwarzana w Unii Europejskiej, zaś Holandia, RFN i Francja są tu głównymi producentami.

W Unii Europejskiej hodowla ziemniaków jest subsydiowana jakkolwiek sytuacja ta uległa zmianie po decyzji Komisji Europejskiej, która wprowadziła limity dopłat. System ten opiera się na kontyngentach limitujących wielkości produkcji objętej dopłatami. Sytuacja ta uległa zmianie po tym jak Europejska Komisja wprowadziła w 1995 ograniczenia dopłat. Wprowadzone zostały kontyngenty dopłat dla każdego państwa w wyniku, czego produkcja ziemniaków nie będzie rosła. Rolę głównego źródła skrobi będzie przejmowała kukurydza i pszenica. Lepsze prognozy rozwoju wykazuje pszenica.

Wszystko wskazuje, iż subsydia do ziemniaków będą malały aż do ich zaniku. Taki stan może stanowić zagrożenie dla produkcji skrobi ziemniaczanej w Unii Europejskiej.

W innych krajach jak Chiny, produkcja skrobi ziemniaczanej rośnie. Spadek produkcji skrobi w Unii Europejskiej może być szansą do modernizacji przemysłu przetwórstwa ziemniaków w krajach poza Unią jak Polska.

W krajach Unii rozwój produkcji skrobi pociągnął za sobą zaostrzenie norm ochrony środowiska i zmusił przemysł do obniżenia BZT w ściekach poprodukcyjnych. Polepszenie technologii prowadzi do odzysku białka w odcieku i obniżeniu zużycia wody w produkcji. Należy przypuszczać, że zmiany te będą następowały też w innych krajach.

W mojej prezentacji przedstawię podstawowe informacje o produkcji skrobi ziemniaczanej, jak również metody ograniczenia zużycia wody i odzysku białka.

Podstawowe procesy wytwarzania skrobi ziemniaczanej

Opis różnych procesów dotyczy etapów od rozdrabniania ziemniaków do odwadniania. Mycie i płukanie ziemniaków oraz ich suszenie jest takie samo we wszystkich procesach.

Proces bez użycia dekanterów

Rozdrabnianie

Rozdrabnianie prowadzone jest w wysokowydajnych i wysokoobrotowych rozcierakach. Maszyny te pracują z prędkością obrotową 2100 min^-1 i pozwalają na uzyskanie stopnia ekstrakcji 96% – 98% w zależności od gatunku ziemniaków. Miazga ziemniaczana jest następnie przepompowywana do stacji ekstrakcji

Ekstrakcja skrobi, mycie i odwadnianie pulpy ziemniaczanej

Mycie i ekstrakcja pulpy dokonywana jest na czterostopniowych sitach obrotowych. Każdy stopień składa się ze:

• stożkowego obrotowego sita gdzie następuje odwodnienie pulpy (wraz z ekstrakcją skrobi) za pomocą siły odśrodkowej
• układu dysz za pomocą których następuje ciągły natrysk wody na warstwę pulpy na stożkowym sicie
• obudowy wyposażonej w dysze CIP do mycia “od tyłu” sita oraz obudowy
• napędu

Odwodniona pulpa spływa grawitacyjnie ze stożka sita do specjalnej pompy, która podaje ją do następnego stopnia. Filtrat ( woda płucząca wraz z odzyskaną skrobią) jest pompowany w przód do następnych stopni. Cztery stopnie wraz z pompami pulpy i filtratu są zestawione w jeden blok, w którym pulpa przesuwa się od stopnia 1 do stopnia 4, podczas gdy woda płucząca porusza się w przeciwprądzie od stopnia 4 do stopnia 1. W przypadku, gdy pulpa jest za mokra, jest ona dodatkowo filtrowana na dodatkowym sicie do 12% – 14% SM.

W przypadku, gdy ma ona być suszona, odwadnia się ją na dekanterze do 20% – 22% SM.

Wyekstrahowana skrobia o gęstości ok. 5 Be jest pompowana do piaskownika gdzie następuje oddzielanie piasku i gliny. Usunięcie tych zanieczyszczeń jest kluczowe do ochrony wirówki-koncentratora jak również spełnieniem wymogów jakościowych, jeśli chodzi o zawartość popiołów i czarnych plam.

Z piaskownika zagęszczona skrobi kierowana jest do koncentratora skrobi (wirówka).

Koncentracja skrobi

Koncentracja skrobi jest zwykle dokonywana w talerzowych wirówkach dyszowych.
W wirówce takiej skrobia jest zagęszczana za pośrednictwem siły odśrodkowej do 15 – 16 Be.

Odciek z wirówki ( sok wraz z nadmiarem wody) opuszcza wirówkę jako ściek. W przypadku występowania “ucieczki” skrobi należy zastosować następną wirówkę talerzową w celu obniżenia ubytków skrobi do minimum.

W niektórych przypadkach stosuje się zamiast wirówek stację multicyklonów (z powodów ekonomicznych). Zagęszczone mleczko skrobiowe jest pompowane do stacji mycia.

(Zgrubne) mycie skrobi / Klasyfikacja / Ostateczne przesiewanie

Pierwsze mycie jest dokonywane na 10 stopniowej baterii 15 mm cyklonów. Zastosowanie 15 mm cyklonów umożliwia rozdział skrobi na gruboziarnistą i drobnoziarnistą wraz z drobnymi włóknami. Skrobia gruboziarnista przechodzi przez 10 stopni mycia w przeciwprądzie ze świeżą wodą i opuszcza 10 stopień ze stężeniem 21 Be. Skrobia drobna wraz z drobnym włóknem z nadmiarem wody opuszcza system na pierwszym stopniu i jest podawane do sita filtracyjnego o małych otworach, które odseparowuje włókno. Oddzielone włókno jest dodawane do pulpy.

Pozostałe mleczko o drobnych cząstkach jest przepompowywane do koncentratora.

Koncentracja mleczka o drobnych cząstkach i ich mycie

Mleczko skrobiowe z sita filtracyjnego jest bardzo rzadkie, 2 – 3 Be i wymaga zagęszczenia przed następną obróbką. Zagęszczanie jest dokonywane na 3 stopniowej baterii hydrocyklonów koncentracji. Po zagęszczaniu drobna skrobia podlega puryfikacji na 8 stopniowej baterii hydrocyklonów o 10 mm cyklonetkach. Po tym procesie skrobia ta jest dodawana do puryfikowanej skrobi gruboziarnistej.

Odciek z koncentratora jest wodą procesową i służy do mycia pulpy.

Ekstensywne mycie jak to opisano powyżej zapewnia ciągłość procesu produkcji skrobi ziemniaczanej.

Powyższy system może być uproszczono poprzez dodawanie zagęszczonej skrobi drobnoziarnistej przed 4 stopniem zgrubnego mycia skrobi i zastosowaniem 10 mm cyklonetek na stopniu od 4 do 10. W takim przypadku można pominąć 8 stopniowy system mycia skrobi drobnoziarnistej. System ten ma mniej więcej tę samą skuteczność, jednak wymaga niższych kosztów inwestycyjnych. Jest on proponowany do modernizacji zakładów przetwórstwa ziemniaków w Polsce. W takim przypadku rolę baterii hydrocyklonów pełni wirówka talerzowa koncentrator.

Odwadnianie skrobi

Odwadnianie skrobi przed suszeniem odbywa się na filtrach. Składa się on z:

• kadzi do której pompuje się puryfikowaną skrobię,
• obrotowego filtra z tkaniną podłączonego do próżni
• napędu

Za każdym obrotem bębna, skrobia nanoszona na powierzchnię filtra a następnie odwadniana za pomocą próżni. Ruchomy nóż zamontowany wzdłuż bębna skrawa w sposób ciągły skrawki o grubości 0.05 do 03 mm ciasta skrobiowego. Odwodniona skrobia jest transportowana następnie do suszarki. Warstwa filtracyjna skrobi jest zmieniana ( usuwana/nakładana ponownie), co każde 8-12 godzin w trakcie zatrzymania filtra. Odciek z filtra jest zawracany do procesu.

Proces z użyciem dekantera do częściowego usuwania soku

Rozdrabnianie ziemniaków jest identyczne z opisanym w punkcie A powyżej, jednakże miazga ziemniaczana jest pompowana do dekantera zamiast do stacji ekstrakcji.

Odwadnianie miazgi ziemniaczanej

Dekanter składa się z:

• poziomego bębna wraz ze ślimakiem
• napędu wraz z przekładnią

Miazga ziemniaczana jest dostarczana poprzez rurę wlotową i jest łagodnie przyspieszana przez wyloty w ślimaku Obroty bębna generują siłę odśrodkową, która wywołuje proces osadzania się skrobi i włókna (cząstek stałych) na obwodzie bębna. Ślimak obracający się w tę samą stronę, co bęben, jednak z prędkością obrotową mniejszą przesuwa cząstki stałe w kierunku stożka wirówki. W części stożkowej następuje końcowe odwadnianie i usuwanie na zewnątrz dekantera. Odciek wypływa poprzez regulowane tamy z tyłu dekantera. Stopień odwodnienia po dekanterze wynosi ok. 40% SM. W procesie odwadniania usuwa się 60%-62% wody. Pozostała część wody przechodzi wraz ze skrobią i włóknami do odcieku i łączy wraz z odciekiem z koncentratorów. Pozostała część procesu jest taka jak w procesie A powyżej.

Proces z użyciem dekantera z całkowitym usuwaniem soku

Rozdrabnianie ziemniaków przebiega tak samo jak opisano w punktach A, B, jednakże w celu pełnego usunięcia soku, miazga ziemniaczana jest rozpuszczana odciekiem z zagęszczacza przed podaniem do dekantera. Funkcja dekantera podobnie jak cała pozostała część są identyczne jak proces B.

Proces z użyciem 2 dekanterów do całkowitego usuwania soku

Rozdrabnianie ziemniaków przebiega tak samo jak opisano w punktach A,B,C. W tym procesie odwadnianie miazgi dokonywane jest za pośrednictwem 2 dekanterów. Umożliwia to uzyskanie wyższego stopnia odwodnienia miazgi. Do miazgi z rozcieraczek dodawana jest woda odciekowa z 2 dekantera a następnie podawana na 1 dekanter. Odciek z 1 dekantera jest mieszany z odciekiem z koncentratora i podawany na 2 dekanter. Pozostała część procesu jest taka sama jak opisana w punkcie C.

Porównanie różnych procesów w odniesieniu do zużycia wody i zagęszczenia soku

Zaletą wszystkich procesów jest małe zużycie wody, a w konsekwencji mały strumień odcieku, co prowadzi do obniżenia kosztów opłat za ścieki. Ponadto obniża się ilość cyrkulującej cieczy a tym samym zużycie energii.

Dekantery zaangażowane w proces odwadniania miazgi zapewniają skuteczny i efektywny odzysk białka. Niskie odwodnienie wymagałoby wysokich nakładów inwestycyjnych, wyższe zużycie energii, wyższe zużycie środków chemicznych w porównaniu z wysokim stopniem odwodnienia. Jednakże ostateczne wyniki procesu zależą od surowca oraz efektywności poszczególnych zainstalowanych urządzeń.

Z tych powodów poniższe dane oparte są o konkretne parametry wyjściowe:

Skład ziemniaków

• Woda 77.5%
• Skrobia 16.8%
• Białko 2.0%
• Włókno 1.8%
• Inne 1.9%

Uwaga % fazy mokrej

Jakość włókna

• SM 14%
• Skrobia 33%
• Białko 5%

Uwaga % fazy suchej

Jakość skrobi

• SM 58%
• Białko 0.1%

Uwaga % fazy suchej

Obliczenia zostały wykonane w oparciu o różne wielkości zużycia wody zużycie wody.

Wyniki obliczeń zostały przedstawione na rys 5. Przedstawia on zależność zawartości białka SM w funkcji zużycia wody w różnych procesach.

Na przykład: przy zużyciu wody 0.8 m³/1 t ziemniaków zawartość białka przed stopniem mycia wynosi odpowiednio 6.5% w procesie A, 3.4% w procesie B, 1.8% w procesie C, 0.6% w procesie D.; zaś wymagany stopień uwodnienia na stopniu wymycia wynosi odpowiednio: 65 w procesie A , 34 w procesie B, 18 w procesie C, 6 w procesie D w efekcie aby uzyskać zawartość białka 0.1% SM w puryfikowanej skrobi.

Niższe zużycie wody powoduje wzrost zawartości białka przed stacją mycia we wszystkich procesach jak również stopień uwodnienia w stacji mycia.

Efektywność stacji mycia może być mierzona stopniem uwodnienia jako funkcją zużycia wody. Takie obliczenia zostały przeprowadzone w następujących typach stacji mycia skrobi:

• 3 stopniowa stacja cyklonów zgrubna do mycia skrobi/klasyfikacja z 15 mm cyklonetkami i 8 stopniowa stacja mycia drobnych ziaren skrobi z 10 mm cyklonetkami (system Alfa Laval)
• 6 stopniowa stacja multicyklonów z 10 mm cyklonetkam
• 2 stopniowy system mycia w oparciu o wirówki dyszowe

Wyniki zostały zebrane na wykresie 5. Punkt przecięcia linii dla odpowiedniego procesu i odpowiedniego systemu mycia charakteryzuje minimalne zużycie wody w tym procesie.

Wnioski końcowe

Z wykresu 5 można wyciągnąć następujące wnioski:

• minimalne zużycie wody dla konkretnego procesu jest w znacznym stopniu zależne od efektywności zastosowanego systemu mycia
• różnice w zużyciu wody pomiędzy różnymi procesami spadają ze wzrostem skuteczności stacji mycia skrobi
• minimalne zużycie wody i związana z nią koncentracja soku była liczona dla najefektywniejszej stacji mycia skrobi (system Alfa Laval). Wyniki przedstawia rys 6
• oznacza to że różnice w zużyciu wody i koncentracji soku są względnie małe co wskazuje że zaawansowany proces jak D może być tylko opcją w zakładach o dużej produkcji . System B daje najwyższą koncentrację soku i może być dobrą alternatywą, specjalnie, kiedy wymagane są: odzysk białka oraz obniżony ładunek ścieków

Odzysk białka

W przypadku zastosowania odzysku białka z odcieku dekantera (sok) w systemie B,C,D lub z koncentratora w systemie A, sok ten kierowany jest do odpieniaczy, w których następuje jego odpowietrzenie.

Odpowietrzony sok jest następnie pompowany do podgrzewacza w sekcji koagulacji. Sok jest podgrzewany do ok. 45 °C w wymienniku ciepła przez parę wodną. Po podgrzaniu pH soku jest obniżane do 4.8 – 5.2 poprzez dodanie kwasu solnego. Proces koagulacji termicznej następuje z chwilą wstrzyknięcia pary wodnej wywołującej szok termiczny w temperaturze 105 – 110⁰C. Skoagulowane białko jest schładzane do temperatury 85 ^°C a następnie odwadniane na dekanterze do 45 – 50% SM. Odwodnione białko jest następnie suszone w suszarce pierścieniowej do wilgotności 10%. Produktem jest Sproszkowane Białko Ziemniaczane (ang. PPP).

Odciek dekantera stale zawiera nierozpuszczalne cząstki (nie wytrącone), które może być zgęszczone w wyparce. Produktem jest Płynne Białko Ziemniaczane ( ang. LPP).

W celu zmniejszenia zużycia energii i produktów dodatków chemicznych w procesie koagulacji sok może być zagęszczany za pomocą technologii odwróconej osmozydo ok. 90 gr/l przed koagulacją.

Autor: Wim van der Ham Dyrektor Handlowy Alfa Laval Merco B.V. Holandia