Brevet FR2616805A1 — publié le 19881223

Z61680S La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de sucre au moyen d'une cristallisation par refroidissement. Il est bien connu que la coloration du sucre consti- tue un facteur négatif que l'on s'efforce d'éliminer dès l'étape de cristallisation. Des études récentes faites par la Demanderesse et par d'autres chercheurs ont montré que la présence tant de couleur que de cendres dans les cristaux de sucre est d'autant plus marquée que sont accusées les conditions de cristallisation, notamment: - la température - la sursaturation - la viscosité des solutions de sucre considérées. En conséquence, il est pratiquement impossible d'ob- tenir un sucre suffisamment blanc par le procédé de cris- tallisation usuel. Certains chercheurs ont suggéré d'ap- pliquer un traitement de cristallisation par refroidisse- ment pour cristalliser des solutions de sucre (DE VRIES, ACCINELLI), mais jusqu'à présent on n'a pas mis au point de procédé industriellement viable de ce type. Le but de la présente invention est de combler cette lacune. Suivant la présente invention, le traitement de cris- tallisation par refroidissement a lieu en plusieurs éta- pes, en série, chaque étape comportant une concentration sous vide, puis une cristallisation par refroidissement. A l'étape initiale de la cristallisation par refroi- dissement, on prévoit l'addition de sirop saturé; à la fin de la cristallisation, on sépare les cristaux précipi- tés. Deux ou trois étapes de ce type mènent, après la dernière concentration, à un sirop de faible pureté qu'il faut cristalliser de la manière traditionnelle, par éva- poration.. Le sucre obtenu peut être redissous et ajouté au sirop de départ. Les caractéristiques de l'invention, sa portée et ses Z6 1 6805 avantages sont indiqués dans la description donnée ci-dessous de modes de mise en oeuvre choisis à simple titre d'exemples, en se référant aux dessins annexés,sur lesquels: la figure 1 est un schéma du dispositif expérimental au moyen duquel on a mis l'invention en oeuvre à l'échel- le du laboratoire; la figure 2 est un diagramme indiquant le principe du procédé suivant l'invention; la figure 3 est analogue à la figure précédente mais comporte quelques variantes d'application; la figure 4 est encore semblable à la figure 2,mais avec d'autres variantes d'application. Aux fins d'essais à l'échelle du laboratoire, on a eu recours au dispositif simple représenté sur la figure 1. Les symboles suivants sont utilisés dans la descrip- tion donnée ci-dessous: Brix = teneur en matière sèche de la solution; Qz = quotient de pureté, égal au rapport de la teneur en sucre de la solution à la matière sèche totale (sucre et "non-sucre") x-100; CS = coefficient de saturation de la solution impure par rapport à la solution pure; BETA = coefficient de sursaturation; C.V. = coefficient de variabilité; M.A. = ouverture moyenne. On a procédé à une première série d'essais sur des fractions de sirop standard fabriqué en usine à Brix = 72 et Qz = 91, qu'on a concentrées d'avance jusqu'à Brix = 81 et maintenues à une température de 80 C dans un ballon de maintien A. Dans ces conditions, pour un CS de 1,05,1e sirop est saturé. On a concentré dans le ballon B une partie du même sirop standard jusqu'à Brix = 84 à une température de "C. En supposant CS égal à 1,05, le sirop a dans ce cas une sursaturation BETA de 1,23. On a ensuite ajouté dans le récipient B une petite quantité de la solution d'ense- mencement normalement utilisée pour la fabrication indus- trielle (une à deux gouttes). Après s'être assuré de la formation de la charge de grainage, on a amorcé un refroidissement lent, en ajou- tant simultanément du sirop en provenance de A dans B au moyen d'un dispositif aspirant. Le rapport de la quantité de pied-de-cuite initialement ajoutée dans B au sirop d'alimentation était de 1:9. On a interrompu l'alimentation au bout d'environ 40 minutes et le refroidissement au bout de quatre heures, en procédant par progression linéaire. A la fin de la cristallisation, on a centrifugé la masse-cuite à l'aide d'une centrifugeuse à bol perforé de laboratoire, et l'on a soigneusement lavé le sucre afin d'éliminer complète- ment la couche de sirop adhérente. Le sirop obtenu avait une Brix de 74, confirmant le rendement théorique exposé ci-dessous. En même temps, on a prélevé des échantillons de su- cre obtenus par centrifugation de masse-cuite fabriquée en usine a partir du même sirop standard, et on les a la- vés de la même manière que les échantillons de sucre ob- tenus par refroidissement. Une comparaison entre les caractéristiques des échan- tillons moyens des deux types de sucre est établie dans le tableau 1. Les différences tant de couleur que de gros- seur de grain entre les deux types de sucre étaient per- ceptibles à l'examen à l'oeil nu. Le sirop essoré obtenu par cette première cristalli- sation, à Brix = 74 à 350C et Qz = 86, contient encore une quantité considérable de saccharose susceptible de cris- tallisation. On pourrait assurer une nouvelle cristallisation en amenant ce sirop essoré à saturation à haute température (par exemple de 80eC), par évaporation rapide et nouvelle cristallisation par refroidissement telle que décrite ci- dessus. Pour le faire à l'échelle du laboratoire, il a fallu utiliser des mélanges de sirops standards et de sirops verts fabriqués en usine de façon à obtenir un sirop reproduisant les conditions correspondant à cette seconde cristallisation par refroidissement. En utilisant le même dispositif représenté sur la figure 1 et en préparant le pied-de-cuite exactement de la même manière que pour la première cristallisation, on a procédé à la seconde cristallisation par refroidisse- ment avec obtention d'un sirop essoré à Brix = 76 et Qz d'environ 80 pratiquement saturé à une température de 35eC. Afin d'obtenir un sirop essoré suffisamment épuisé pour qu'on procède à l'ébullition de bas-produit traditionnelle, il a bien entendu fallu opérer une autre cristallisation, en procédant à nouveau comme ci-dessus, c'est-à-dire en saturant à nouveau par évaporation rapide le sirop essoré à 800C et en effectuant une autre cristallisation par re- froidissement. Dans ce cas encore, il a même été nécessai- re, afin de préparer une quantité de la solution suffisan- te pour être cristallisée, de préparer un mélange à l'ai- de de sirops et mélasses fabriqués en usine. On a encore effectué la troisième cristallisation à l'aide de pied- de-cuite préparé de la même manière et en maintenant,com- me dans les deux cas précédents, le rapport pied-de-cuiteê sirop alimentaire de 1:9, et l'on a effectué la troisième étape de cristallisation par refroidissement avec obten- tion d'un sirop à Brix d'environ 78,5 et à Qz d'environ 73. Il est clair qu'avec ce type de sirop d'essorage, il est possible de procéder à l'épuisement final donnant de la mélasse par une ébullition de type traditionnel. Les caractéristiques analytiques des trois types de sucre obtenus sont présentées conjointement dans le ta- bleau 2. Ces caractéristiques, en ce qui concerne la cou- leur et la teneur en cendres du sucre obtenu par la se- conde et surtout par la troisième cristallisation, sont certainement inférieures à celles de la première étape de cristallisation. Ceci est dû à ce qu'il a fallu utiliser comme sirop d'alimentation des mélanges de sirops d'esso- rage fabriqués en usine qui avaient précédemment subi une ébullition à haute température. Si l'on disposait de sirops obtenus par les cris- tallisations par refroidissement, tant la teneur en cen- dres que la couleur, notamment pour les cristaux prove- nant de la troisième cristallisation, devraient être beaucoup plus faibles. En effet, dans la cristallisation par refroidissement, la couleur ne fonce que dans une me- sure très limitée au cours des trois étapes attendu que les sirops ne demeurent pas très longtemps à haute tempé- rature, comme c'est le cas pour l'ébullition tradition- nelle. En examinant les valeurs de C.V. des trois sucres, en particulier par rapport au C.V. de sucre brut fabriqué en usine, comme indiqué sur la figure l, on constate l' uniformité de grosseur des cristaux obtenus. Outre ceci, il faut souligner que les cristaux obtenus par refroidis- sement sont particulièrement brillants, du fait qu'ils n'ont subi aucun choc thermique particulier. En se basant sur les résultats obtenus lors des es- sais de laboratoire décrits ci-dessus, on a établi un processus de cristallisation en trois étapes, tel que présenté sur la figure 2. Les données indiquées, en ce qui concerne la Brix, le Qz et le rendement en cristaux, découlent de calculs théoriques basés sur les variations de la solubilité à différentes températures et sur les coefficients de saturation des sirops d'essorage à pure- tés différentes. En examinant les valeurs de Brix et de Qz des divers sirops, on voit que les rendements de cris- tallisation obtenus en laboratoire permettaient d'épuiser les divers sirops à un degré très satisfaisant. Il est à noter que le rendement de cristallisation pour les trois étapes varie entre 37 et 38%, donnant ain- si des masses-cuites très fluides susceptibles de rendre faciles la centrifugation et le lavage. Le rendement total en cristaux est d'environ 73% du saccharose initial, tandis que la distribution du pourcen- tage de cristaux entre les trois étapes devient: 45,6 pour la première, 32,3 pour la seconde et 22,1 pour la troisième. Z6 1 6B05 Sur ce premier diagramme grossier, on n'a tenu compte ni de l'utilisation du sucre obtenu par cristallisation du bas-produit ni de l'égout de raffinage provenant du lavage centrifuge des cristaux. Sur le diagramme selon la figure 3, on a considéré le cas dans lequel on raffine le sucre premier jet, on le dissout et on l'ajoute au sirop standard,et o l'on dis- sout 8% des cristaux pendant le lavage centrifuge. Il en découle bien entendu qu'on a à cristalliser une quantité différente de sucre aux diverses étapes et ceci exige des distributions de températures différentes pour le refroi- dissement. Sur le diagramme selon la figure 4, après raffinage, on envoie le sucre de bas-produit subir la dernière éta- pe de cristallisation par refroidissement, toujours en considérant qu'il y a dissolution de 8% des cristaux au cours du lavage centrifuge. Dans ce cas aussi, la distri- bution de températures entre les diverses étapes est dif- férente, afin qu'on obtienne le meilleur-degré d'épuise- ment possible. Un examen poussé des trois diagrammes montre que selon le type de solution choisi, il est possible d'ob- tenir le degré d'épuisement prévu aux trois étapes de cristallisation en se basant sur une distribution de tem- pératures. Le tableau 3 indique diverses possibilités, entre autres la dissolution d'une plus faible quantité de sucre pendant la centrifugation (5%), un Qz du jus épais de 90 au lieu de 91 et un diagramme hypothétique de cristallisa- tion en quatre phases au lieu de trois. Afin d'évaluer l'ensemble du procédé de cristallisa- tion par refroidissement du point de vue de la consomma- tion d'énergie et de la conception de l'installation, on s'est livré à des calculs permettant de comparer l'agen- cement selon la figure 3 à celui d'une raffinerie et à celui d'un procédé de libre cuite pour sucre raffiné.Les données obtenues, présentées dans le tableau 4, montrent que la balance énergétique est nettement en faveur de la cristallisation par refroidissement par rapport à un cycle de raffinerie (la consommation d'énergie est moin- dre plus que de moitié). La comparaison avec un agence- ment de libre cuite pour sucre raffiné révèle des niveaux de consommation comparables. Toutefois, il ne faut pas per- dre de vue que dans ce dernier cas le sucre produit est de qualité beaucoup plus médiocre. En ce qui concerne la superficie d'évaporation totale, elle est beaucoup plus faible pour la cristallisation par refroidissement que pour le procédé traditionnel (environ quatre fois moindre). Enfin, le volume des récipients de cristallisation néces- saires est plus grand pour la cristallisation par refroi- dissement que pour la cristallisation traditionnelle (environ 1,5 fois). En se basant sur ce qui précède, on peut résumer com- me suit les avantages de la présente invention: - en partant de jus épais, il est possible d'obtenir directement du sucre granulé de qualité industrielle; - les temps de cristallisation pour chacune des trois étapes envisagées ne dépassent pas quatre heures; - la baisse de température au refroidissement est comprise entre 80 et 35eC et l'on peut procéder à des modifications convenables selon les différents agence- ments utilisés; - le sucre fabriqué est facile à centrifuger et à laver, en raison de la fluidité de la liqueur-mère. Outre ses caractéristiques analytiques, il a de bonnes caracté- ristiques de brillant ainsi que des valeurs de M.A. et de C.V. satisfaisantes; - la couleur des divers sirops fonce moins que pour le procédé traditionnel pendant l'ensemble de la phase de cristallisation; - la balance énergétique est en faveur de la cristal- lisation par refroidissement par rapport à la cristallisa- tion traditionnelle; - le total de superficie d'évaporation est remarqua- blement limité; - le supplément de volume de récipients de cristalli- sation nécessaire est assez limité. Bien entendu, on pourra apporter aux dispositions décrites ci-dessus et illustrées, à simples titre d'exem- ples, par les dessins annexés diverses modifications et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'inven- tion. TABLEAU 1 Sucre d'usine lère cristallisation premier jet par refroidissement Couleur en solution (points MEC) 19,3 5,3 Cendres (points MEC) 27,8 8,3 Farbtype (points MEC) 11 4 Total de points MEC 58,1 17,6 M.A. 0,57 0,61 C.v. 40 27 Comparaison entre les caractéristiques de sucre obtenu par refroidissement (lère étape) et de sucre de premier jet fabriqué en usine. TABLEAU 2 1ère cristal- 2ème cristal- 3ème cristal- lisation par lisation par lisation par refroidisse- refroidisse- refroidisse- ment ment * ment XE Couleur en solution (points MEC) 5,3 5,5 10,5 Cendres (points MEC) 8,3 8,9 17,7 Farbtype (points MEC) 4 4 8 Total de points MEC 17,6 18,4 36,2 M.A. O,61 0,56 0,56 C.V. 27 27 29 -Caractéristiques analytiques des trois types de sucre fabriqué à l'échelle du laboratoire lors des trois étapes de cristalli- sation. * Sirop d'essorage artificiel obtenu en mélangeant du jus épais et du sirop vert fabriqué en usine. ** Sirop d'essorage artificiel obtenu en mélangeant du jus épais avec de la mélasse fabriquée en usine. TABLEAU 3 Température (OC) Qz épais lère cristal- 2ème cristal- 3ème cristal- 4ème cristal- l.isation lisation lisation lisation Début Fin Début Fin Début Fin Début Fin r Remise par fusion de sucre brut en jus épais 91 80 35 80 35 80 35 - - Raffinage de sucre brut, dernière étape, sol. 5% xx à blanc 91 80 35 80 35 1D1 35 - - Comme ci-dessus mais avec solution 8% xx 91 85 35 85 35 96 35 - - o Comme ci-dessus mais en 4 étapes 91 80 40 80 40 80 40 81 35 91 80 8 40 80 40 92 40 Raffinage de sucre brut, remise par fusion en jus épais, sol. 5% xx à blanc 91 80 35 80 35 87 35 - - Comme ci-dessus mais avec sol. 8%) xx 91 85 35 85 35 88 35 - - Comme ci-dessus mais en 4 étapes 91 80 40 80 40 80 40 80 51 Comme cidessus mais en 3 étapes, Qz d. 90 90 85 35 85 35 72 35 - - 85 35 85 35 85 52 - - Diverses possibilités de réalisation de la cristallisation de refroidissement. ob il TABLEAU 4 Cristalli- Cristalli- Cristalli- sation par sation par sation par refroidis- cycle de cuite pour sement raffinage sucre raf- tradition- finé cris- nel tallisé tradition- nelle Superficie totale d'évapora- tion (m2) 700 2700 2600 Capacité de récipients nécessaire pour la cristalli- sation (m3) 450 300 250 Nombre de centrifugeuses nécessaires (1000 kg chacune) 10 12 10 Consommation de vapeur (en t/jour) pour: a) l'eau à évaporer 508,9 1408,7 601,1 b) le chauffage 113,5* - - Comparaison entre la cristallisation par refroidissement, un cycle de raffinerie et la technique de cuite libre pour sucre raffiné. Production 1000 t/jour de sucre. * A supposer que les sirops d'essorage soient chauffés à la vapeur seulement; on pourrait les chauffer au moins partiel- lement à l'aide d'eau chaude recyclée. REVENDICATIONS 1. Procédé de cristallisation par refroidissement pour la fabrication de sucre de qualité marchande, carac- térisé en ce qu'il comporte une série d'étapes telles que ci-dessous: (a) concentration jusqu'à saturation en un temps aussi court que possible par chauffage sous vide, d'un sirop de départ standard à BRIX comprise entre 65 et 75 et à quo- tient de pureté compris entre 85 et 95 à une température préfixée de 75 à 100 C; (b) addition de germes de cristallisation à la solu- tion concentrée obtenue selon (a) ci-dessus; (c) croissance de germes ajoutés selon (b) par re- froidissement progressif; (d) séparation, par centrifugation, des cristaux formés au cours du refroidissement ci-dessus. 2. Procédé de cristallisation par refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on con- centre jusqu'à saturation les divers sirops qui doivent subir une cristallisation par refroidissement, à une tem- pérature préfixée à l'aide d'évaporateurs sous vide rapi- des de façon que les sirops demeurent à haute température pendant un temps aussi bref que possible, l'objectif en cela étant de limiter au minimum l'augmentation d'inten- sité de la couleur qui intervient à hautes températures. 3. Procédé de cristallisation par refroidissement selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on répète plus d'une fois les quatre étapes décri- tes ci-dessus en utilisant pour les étapes ultérieures à la première les solutions-mères provenant de l'étape pré- cédente. 4. Procédé de cristallisation par refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que suivant un premier mode de mise en oeuvre, les germes de cristal- lisation sont des germes de cristallisation contenus dans un pied-de-cuite. 5. Procédé de cristallisation par refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que suivant une variante de mise en oeuvre, lesdits germes de cris- tallisation sont ajoutés sous forme de suspension de pou- dre de sucre. 6. Procédé de cristallisation par refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de refroidissement progressif intervient en quatre heures environ avec un gradient d'environ 101C par heure et est interrompue quand la température de la solution sursatu- rée est d'environ 30 à 400C. 7. Procédé de cristallisation par refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rap- port du pied-de-cuite à la solution en cours de cristal- lisation est compris entre 1:8 et 1:12, et de préférence entre 1:9 et 1:11. 8. Procédé de cristallisation par refroidissement industriel selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet la solution de faible pureté obtenue par l'étape de cristallisation du dernier cycle d'étapes du procédé à une cristallisation traditionnelle donnant de la mélasse, le sucre obtenu après raffinage pouvant être dissous et ajouté au sirop de départ standard ou lors d'un cycle intermédiaire des cycles d'étapes du procédé de cristallisation par refroidissement.