تحقیق چغندر قند و نیشکر

مقدمه و تاریخچه

چغندر قند از گونه بتاولگاریس بوده و گیاهی دوساله می‌باشد، این گیاه سال اول غده تشکیل داده، سال دوم تولید بند، گل و بذر می‌نماید. از نظر ظاهری، چغندر قند رسیده آماده مصرف در کارخانه مخروطی شکل می‌باشد که ریشه آن باریک است. ریشه تا 5/1 متر نیز ممکن است طولش باشد که به آن دم چغندر قند می‌گویند.

قسمت فوقانی آن را تنه می‌گویند. از قسمت انتهایی دم که قطری حدود یک سانتیمتر دارد را قطع نموده و جزء ضایعات محسوب می‌شود. سطح خارجی شیارهایی با ریشه‌های ضعیف دارد که مقدارش بستگی به رقم انتخابی چغندر دارد. قسمت بالای تنه که ریشه جانبی ندارد را گردن گویند و قسمتی که روی آن تاج برگ قرار دارد را سر چغندر قند می‌گویند.

چغندر قند در سال اول کاشت پس از 240-170 روز برداشت شده و پس از جداسازی برگ و سر به کارخانه حمل شده و نسبت قطر غده به طول غده بستگی به وضعیت مزرعه و آبیاری آن دارد. اگر آب کافی به مزرعه برسد این نسبت بیشتر می‌شود.

بیشترین مقدار ساکارز در تنه می‌باشد. اگر در تنه عیار 90/17% باشد در سر چغندر قند حدود 5/14% است و در قسمت دم نیز میزان عیار بیشتر کاهش می‌یابد.

چغندر قند همانند سایر گیاهان از تعداد زیادی سلول تشکیل شده وبافت سلولی اصلی چغندر قند شامل سلول‌های ذخیره‌ای است که به آن سلول‌های پارانشیمی اطلاق می‌شود. در یک سانتیمتر مکعب از این بافت حدود 150 میلیون سلول پارانشیم وجود دارد که مرکز تجمع عصاره قندی هستند.

هر سلول پارانشیمی از یک جدار سلولزی که سلول را احاطه کرده است تشکیل شده است. عصاره قندی که در واکوئل تجمع یافته، دارای غشاء بیولوژیکی به نام پروتوپلاست است که برای خروج این عصاره باید ابتدا این غشاء از حالت نیمه تراوا به تراوا تبدیل شود. لایه بعدی سیتوپلاسم نام دارد که قسمتهای مختلف سلولی در آن جای دارد، غشاء دیگر بیولوژیکی که روی سیتوپلاسم است پلاسمالما نام دارد که نیمه تراوا است و  مواد را از خارج به داخل وارد می‌کند (آب، Na ، K... ) و مولکولهای کوچکتر را خارج می‌کند ولی به ساکارز اجازه خروج نمی‌دهد و برای خروج باید تراوا گردد. اما لایه سلولزی قابلیت تراوایی دارد بنابراین سه عامل محدود کننده عبور ساکارز وجود دارد که برای عملیات استخراج باید تراوا گردند.

دو غشاء بیولوژیکی باید دارای سوراخ‌هایی باشد که حین حرارت‌دهی باز شده و عبور مواد از آن صورت گیرد. عصاره پس از خروج از سلول وارد کانال‌های برون سلولی شده که این کانالها عصاره را به خارج بافت هدایت می‌کنند.

چغندر قند از بافت‌های مختلفی تشکیل شده است که به صورت حلقه‌های رنگی می‌باشد، حلقه‌های مربوط به سلول‌های پارانشیمی به رنگ سفید شیری می‌باشد و بافت آنها  کل بافت است. حلقه بعدی آوندها هستند که رنگشان تیره تر از بافت پارانشیم است. رویش و گسترش این آوندها در بافت سلولی چغندر قند موجب افزایش مقاومت برش در چغندر قند می‌شود که خصوصا در خلال‌سازی با اهمیت هستند.

در سر چغندر قند سلولهای پارانشیمی کمتری وجود دارد، به همین دلیل درصد قند قسمت سر چغندر قند کمتر است و عیار آن پایین‌تر است همچنین انرژی برش هم بیشتر است. بنابراین سر چغندر قند از سلولهای خشبی تشکیل شده است و دارای ارزش تکنولوژیکی کمتری می‌باشد.

به طور کلی چغندر قند از مواد زیر تشکیل شده است که در جدول (1) نشان داده شده می‌شود.

جدول (1) _ اجزای تشکیل دهنده چغندر قند و برگ چغندر قند

ترکیبات شیمیایی

چغندر قند

برگ چغندر قند

ماده خشک

ساکارز

پروتئین

چربی

الیاف

عصاره بدون ازت

خاکستر

6/23 درصد

5/16 درصد

05/1 درصد

12/0 درصد

6/1 درصد

92/2 درصد

75/0 درصد

85/13 درصد

0 درصد

41/2 درصد

19/0 درصد

78/0 درصد

88/6 درصد

75/2 درصد

مارک: قسمت عمده تشکیل دهنده چغندر قند که در مقدار معین آب گرم به مدت زمان معین به صورت غیر محلول باشد.

فصل اول

1-1 چغندر قند

مارک گراف رئیس انجمن علمی برلین و نخستین رئیس آکادمی آزمایشگاه شیمیایی در آزمایش‌هایی که در مورد گیاهان بومی انجام می‌داد متوجه گردید در ریشه بعضی چغندرها مثل چغندر سفید و چغندر قرمز ماده‌ای وجود دارد که شبیه شکر نیشکر است. او در مقاله‌ای در سال 1747 به این نکته اشاره کرد که مزه شیرین چغندر سفید در اثر وجود ماده‌ای همانند شکر نیست بلکه در چغندر هم همان شکر نیشکر است که به مقدار فراوان وجود دارد و می‌توان آن را سفت، خشک و به صورت دانه‌های بلور و زیبا و سخت درآورد. البته چون او به دنبال مواد معدنی در ریشه گیاهان بود و هیچ‌گونه انگیزه‌ای وجود نداشت که در مورد استخراج شکر از چغندر اقداماتی انجام دهد، لذا این امر به دست فراموشی سپرده شد. در آن زمان درصد قند چغندر سفید 6/1 و درصد قند چغندر قرمز 5/0 بود.

در سال 1786  شاگرد و جانشین مارک گراف، آشارد آزمایش‌های منظم و پیگیری را درباره کشت و پرورش چغندر سفید آغاز کرد و به بررسی آزمایش‌های استاد خود پرداخت و بالاخره در سال 1798 موفق شد برای نخستین بار شکر را چغندر  استخراج و در 11 ژانویه 1799 آن را همراه با رساله‌ای که درباره روش تهیه شکر از چغندر سفید بود به پادشاه پروس فردریک سوم ارائه نماید. فردریک سوم از او استقبال کرد ولی برای اینکه کشفش مورد قبول قرار گیرد بایستی تهیه شکر از چغندر را در حضور کمیته منتخب دولت پروس عملا نشان دهد.

پیشنهاد او پس از انجام دو آزمایش مورد قبول واقع گردید و راندمانی که او در این آزمایش‌ها به دست آورد معادل 4/5% چغندر بود. پس از دو سال انتظار بالاخره این محقق موفق شد که قطعه زمینی که از مزارع دولتی را در شهر کونرن در اختیار بگیرد و در آنجا اولین کارخانه قند چغندری را در سال 1801 تاسیس نماید.

روش کار آشارد بدین صورت بود که او ابتدا چغندرها را در صندوق چوبی می‌شست و در یک دستگاه مالش چغندرها را تبدیل به خمیر می‌کرد. سپس عصاره خمیر را به وسیله پرسهای استوانه‌ای استخراج و پس از آن عصاره را تصفیه می‌نمود. او برای اینکه مواد سفیده‌ای موجود در شربت را منعقد نماید به شربت سرد اسید سولفوریک غلیظ اضافه کرده و سپس اسید اضافی را با خاکستر چوب همراه با آهک کافی خنثی و پس از ته‌نشین شدن سولفات کلسیم، شربت زلال را با اضافه کردن آهک قلیایی می‌کرد. پس از صاف کردن با پارچه‌های پنبه‌ای، شربت تصفیه شده را در دیگهای مسطح تا تولید کریستال تغلیظ و پس از آن مخلوط کریستال و شربت را در قالب‌های مخروطی‌شکل می‌ریخت. پس از چند هفته کله قندها را از قالب خارج کرده و برای خشک شدن در هوای آزاد قرار می‌داد.

در ماه مارس 1802 کارخانه کونرن اولین بهره‌برداری خود را با 250 تن چغندر که از محصول سال قبل بود شروع کرد. از نتیجه این بهره‌برداری اطلاعاتی در دست نیست. این کارخانه در سال 1807 در اثر آتش‌سوزی از بین رفت.

البته در سایر نقاز اروپا کارخانه‌های قند چغندری ایجاد گردید ولی چون از نظر اقتصادی تولید شکر از چغندر مقرون به صرفه نبود و با شکر نیشکر نمی‌توانست رقابت کند بعد از مدتی کارخانه‌ها ورشکست و تعطیل می‌شدند. شورش بردگان در ساندومینگو و از بین بردن آسیاب‌ها و مزارع نیشکر و نرسیدن شکر به اروپا باعث گردید  که بهای شکر افزایش یابد. فکر اینکه شکر را باید از محصولی تهیه کرد که در اروپا قابل کشت باشد همراه با فرمان تحریم تجار انگلیسی توسط ناپلئون در سال 1806 و عدم ورود شکر به اروپای مرکزی باعث پیشرفت کشت چغندر قند در اروپا گردید. به دنبال این بحران و اتخاذ سیاست‌های تشویقی و حمایتی فوق‌العاده کار بر روی زراعت چغندر قند و روش‌های جدید استحصال شکر از چغندر بالا گرفت و کارخانجات تولید شکر از چغندر مورد حمایت کامل دولت قرار گرفتند.

 در این دوران تعداد زیادی کارخانه‌های قند از چغندر در اروپا راه‌اندازی شد ولی پس از برداشتن منع ورود شکر و شکست ناپلئون در سال 1813 اغلب این کارخانه‌ها دچار بحران شدند.

در سی سال  سده نوزدهم میلادی در اغلب کشورهای اروپا صنعت قند مجددا جان تازه گرفت و با استفاده از پیشرفت‌های علمی و دستگاه‌های جدید روش جدیدی ابداع و به دوران سلطه چندین هزار ساله نیشکر به عنوان تنها منبع شکر از نیشکر پایان داده شد. در سال 1800 میلادی میزان تولید شکر در جهان 245000 تن و سهم چغندر در آن 4% بود در حالی که در سال 2002/2001 میزان تولید شکر به 132507000 تن رسید که سهم چغندر در آن (33850000 تن ) معادل 54/25% است.

نوآوری‌ها و تحقیقاتی که در پنجاه سال نخست سده نوزدهم میلادی انجام گرفته به شرح زیر است:

تغلیظ شربت در خلاء توسط ادوارد هووارد 1816.

تولید قند حبه توسط یاکوب راد در سال 1840.

راه‌اندازی دیفوزیون باطری توسط جولیوس روبرت در سال 1842.

اختراع دستگاه پولاریمتر توسط ونستکه در سال 1842.

راه‌اندازی اولین دستگاه تبخیر با لوله‌های عمودی توسط فلورانت روبرت 1850.

طراحی اواپراسیون چند بدنه‌ای توسط مولی یه در سال 1850.

2-1 مراکز کشت چغندر قند و نیشکر در جهان

مراکز اصلی کشت چغندر قند در مناطق معتدله اروپا و آمریکای شمالی که حد متوسط گرما در ماه‌های تیر و مرداد بین 17 تا 27 درجه سانتیگراد و مقدار بارندگی بین 500 تا 1000 میلی‌متر در سال است و 50% میزان بارندگی در ماه‌های اردیبهشت تا مهرماه می باشد قرار دارد. نیشکر جزو گیاهان گرمسیری و حاره محسوب می‌شود و دوره رشد آن دوازده ماه طول می‌کشد و نیاز به آب فراوانی دارد و به سرما حساس است بنابراین مرکز اصلی آن میان خط ایزوترم (هم‌گرمایی) 20 درجه شمالی و جنوبی خط استوا قرار دارد در این مناطق همراه با تابش شدید آفتاب بایستی سالیانه 1200 میلیمتر بارندگی و یا امکان آبیاری مصنوعی وجود داشته باشد.