Тростник, сахара и этанола

По всей цепи производства сахара необходим жесткий контроль качества, обеспечивающий эффективность технологических процессов, оптимальный выход и качество. FT-NIR (Фурье-спектрометр ближней инфракрасной области) является эффективным инструментом оперативного контроля критических параметров сырья, продуктов и побочных продуктов на всех этапах производства: сахарного тростника, жмыха, сока, мелассы, утфеля, сахара-сырца, рафинированного сахара, сиропа и биоэтанола.

 

Анализаторы FT-NIR для сахарной промышленности

Преимущества FT-NIR

Ближняя инфракрасная спектроскопия обеспечивает стабильные и точные результаты анализа нескольких компонентов, выполняемого за нескольких секунд. Применяется неразрушающий метод, не требующий какой-либо подготовки проб и использования каких-либо растворителей или реагентов. Внедрение FT-NIR обеспечивает значительную экономию времени и средств:

  • в лаборатории сахарного завода, ускоряя лабораторный анализ и повышая его эффективность,
  • у производственной линии, где операторы могут осуществлять быстрый и простой контроль различных точек отбора технологических проб,
  • на технологической линии для управления процессом в режиме реального времени на основании непрерывно поступающей информации об изменениях и изменчивости состава технологических потоков.

Современное оборудование

Прочные и надежные анализаторы FT-NIR компании Bruker Optics для контроля качества в лаборатории или на производстве просты в использовании, надежны и экономически эффективны. Используя общую платформу FT-NIR, пользователи могут подобрать соответствующий их задачам анализатор, обеспечивающий единообразие и возможность обмена данными - как сегодня, так и в будущем - без необходимости жертвовать точностью измерений. Линейка оборудования Bruker Optics содержит как компактные производственные анализаторы с сенсорным экраном, так и полностью автоматизированные потоковые решения для построения систем управления с обратной связью. Анализаторы FT-NIR для сахарной промышленности

Bruker - Ваш партнер в решении задач лабораторного и технологического анализа

На протяжении более 50 лет Bruker преследует цель предлагать наилучшие технологические решения для любых аналитических задач. Являясь одним из ведущих мировых поставщиков аналитических приборов, Bruker предлагает широкий спектр решений для задач во всех областях научных исследований и разработок. Оборудование Bruker применяется во всех промышленных производственных процессах с целью обеспечения качества и надежности технологического процесса.

Bruker Optics является ведущим мировым производителем анализаторов FT-NIR для различных отраслей, включая сельское хозяйство и пищевую промышленность. Наши анализаторы сочетают в себе непревзойденную гибкость и простоту применения с самыми современными технологиями спектроскопии. Оптические модули с программным управлением, оптимизированные устройства отбора проб для различных применений и дружественный пользовательский интерфейс гарантируют отличные результаты с первого дня работы.

 

Решения компании Bruker по всей технологической цепи 
Анализаторы FT-NIR для контроля качества и управления технологическими процессами в лаборатории и на производстве

Прием сахарного тростника. Анализ сахарного тростника для определения качества и для расчета с поставщиком может осуществляться непосредственно в зоне разгрузки транспортных средств. Пробы поступающего тростника, отобранные непосредственно на ТС, измельчаются и поступают на автоматизированный анализ. Вместо того, чтобы отжимать сок для расчета оплаты, анализ тростника по таким ключевым параметрам, как Pol, Brix, содержание влаги и клетчатки, выполняется в системе CPS (система приемки тростника).

 

Переработка тростника. Управление различными этапами процесса переработки имеет важнейшее значение для оптимизации выхода и эффективности извлечения. Как и в зоне приема, измельченный сахарный тростник можно анализировать непосредственно в технологическом спектрометре FT-NIR для отслеживания изменчивости содержания извлекаемого сахара в партиях. Кроме того, поддерживается анализ всех потоков сока для контроля и оптимизации эффективности извлечения.

 

Побочные продукты переработки. Способность спектроскопии FT-NIR оперативно анализировать побочные продукты имеет огромное значение для общей эффективности сахарного производства. Остаточное содержание сахара в жмыхе, шламе и пресс-соке является важным показателем выхода при извлечении. Кроме того, содержание влаги и клетчатки в жмыхе представляет интерес с точки зрения оптимизации стоимости побочных продуктов и максимального извлечения тепла, пара или биоэлектричества (наиболее распространенный вариант).

Производство сахара На различных этапах переработки очищенного сока в сахар-сырец образуются различные промежуточные продукты, которые требуют немедленного анализа в целях для тщательного контроля и управления технологическими процессами. С помощью лабораторного или технологического стендового анализатора FT-NIR можно менее чем за минуту провести анализ соков, патоки, утфельной массы и иных материалов на Brix, Pol, зольность, сахарозу, глюкозу и фруктозу.

 

Рафинирование сахара. В рафинировании особое значение имеет качество сахара-сырца. Основной интерес представляют параметры Pol, содержание влаги, восстанавливающие сахара, зольность и цвет (ICUMSA). В процессе переработки возможен контроль промежуточных продуктов, таких как патока, с целью оптимизации процесса рафинирования. Конечные продукты, такие как кристаллический сахар и сиропы, также могут быть подвергнуты анализу в целях контроля качества.

 

Производство биоэтанола. Ферментация мелассы и других побочных продуктов производства является простым и широко используемым способом производства биоэтанола. FT-NIR позволяет контролировать каждый из этапов производства - от сырья и его ферментации и дистилляции/ректификации до готового биоэтанола. Потоковая технология FT-NIR является оптимальным вариантом для ферментации и дистилляции, который обеспечивает возможность оптимизации выхода и времени переработки в режиме реального времени.

  1. Получение тростника – Дробленый тростник – Измельчитель
  2. Извлечение – Сок из тростника – Жмых
  3. Осветлитель – Шлам и фильтрат – Осветленный сок – Испарение – Клеровочный котел
  4. Выпариватели – Питание выпаривателя – Масса А – Масса В – Меласса А – Меласса В – Сахар А/В – Сахар-сырец
  5. Масса С – Сахар С – Кристаллизатор
  6. Конечный оттек - Биоэтанол

 

Переработка сахарного тростника: повышение рентабельности 

Bruker Optics предлагает решения, основанные на технологии FT-NIR, для проб всех типов на протяжении течение всего процесса переработки сахарного тростника. Надежный и быстрый анализ поступающего тростника необходим для справедливого расчета с фермерами. В процессе экстракции для оптимизации выхода и эффективности извлечения важен непрерывный контроль различных технологических этапов.

Прием сахарного тростника

Пробы поступающего тростника, отобранные непосредственно на ТС, измельчаются и поступают на дальнейший анализ. Для расчета оплаты нет необходимости выжимать сок, т.к. анализ тростника можно выполнить в системе CPS (система переработки тростника), которая позволяет за один проход проанализировать от 3 до 15 кг. Измельченный тростник автоматически укладывается на небольшую конвейерную ленту и проходит через датчик ближнего инфракрасного диапазона, который определяет параметры Brix сока, POL, содержание клетчатки и влаги менее чем за минуту.

Потоковый анализ тростника

Благодаря технологии FT-NIR тростник можно проанализировать в потоковом режиме непосредственно на заводе для отслеживания поставок. Оптоволоконная сенсорная головка может быть установлена в самых требовательных условиях эксплуатации, в то время как спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, имеющий до шести каналов, размещают в нескольких десятках метров. Головка может быть установлена в любом месте с хорошим доступом к пробе на расстоянии 10 см. Оптимальные условия получают при помощи приварного адаптера с обращенным к образцу сапфировым стеклом, которое не подвержено воздействию почвы и песка, содержащихся в тростнике. Примечание: Технология потокового анализа измельченного тростника защищена патентом в ряде стран.

Анализ сока

FT-NIR предлагает различные варианты анализа различных соков (первый и последний сок сахарного тростника, осветленный сок и т.д.), как чистых, так и разбавленных в зависимости от требуемых времени и точности анализа. Простой экспресс-анализ на показатели Brix, Pol, сухое твердое вещество, сахарозу, глюкозу и фруктозу может быть выполнен в потоковом режиме в цехе или в лаборатории. Кроме того, для мониторинга в режиме реального времени различных потоков сока может быть установлена потоковая система, объединяющая до 6 оптоволоконных зондов.

Побочные продукты переработки тростника

Побочные продукты переработки, в частности, жмых, являются важным источником энергии для производства пара и электричества на сахарном заводе. Контроль жмыха, шлама и фильтрата сока в ближнем инфракрасном диапазоне позволяет свести к минимуму потери сахара и использовать побочные продукты в соответствии с заданными свойствами:

  • для жмыха - содержание влаги, Pol и Brix
  • для шлама и фильтрата - содержание влаги и Pol

  1. Получение тростника – Дробленый тростник – Измельчитель
  2. Извлечение – Сок из тростника – Жмых
  3. Осветлитель – Шлам и фильтрат – Осветленный сок

 

Производство сахара: управление технологическим процессом 

TПроизводство сахара-сырца представляет собой процесс, состоящий из нескольких этапов, на которых образуются различные промежуточные продукты. Контроль за каждым этапом представляет большой интерес с точки зрения обеспечения качества и повышения эффективности в целях оптимизации выхода и снижения потребляемой энергии в результате оптимизации потребления электроэнергии, тепла и пара.

Непрерывный контроль на каждом этапе процесса

Технология FT-NIR делает возможным простой и быстрый анализ любого образца в процессе производства, будь то

  • прозрачная жидкость, например, сок,
  • почти твердое кристаллизованное вещество, например, утфель,
  • конечный сахар-сырец.

Все необходимые параметры для управления технологическим процессом могут быть получены за несколько секунд: Brix, Pol, цвет, содержание золы, сахарозы, глюкозы и фруктозы. В зависимости от наиболее подходящих процедур отбора и представления проб и требований к времени, месту и точности анализа, существуют различные подходы к внедрению FT-NIR в качестве стандартной производственной или лабораторной процедуры анализа. Кроме того, потоковый анализ может быть реализован в составе системы управления с обратной связью.

Непосредственный анализ образцов продукции

Образец промышленной продукции можно просто поместить в одноразовую пробирку. Образец сока или мелассы низкой вязкости снабжают полупрозрачным зеркалом для повышения отражательной способности. Пробирку помещают в прибор, после чего анализ занимает 5 секунд. В зависимости от конфигурации и требований к точности, образец может быть термостатирован перед измерением. Этот простой подход к анализу различных проб без дополнительной подготовки, например, на производстве, обеспечивает приемлемый уровень точности, которого зачастую бывает достаточно.

Анализ образцов продукции после разбавления

Более высокую точность можно достичь путем разбавления проб и выполнения анализа на жидкой пробе. Жидкость перекачивают в проточную кювету в отсеке для проб анализатора МРА FT-NIR. Измерение пропускания и контроль температуры в подогреваемом держателе для пробы обеспечивают более высокую производительность, точностью и воспроизводимость измерений.

Анализ сахара-сырца

Для выполнения анализа сахар-сырец просто засыпают в пробирку с кварцевым стеклом на дне. Пробирку устанавливают в прибор и вращают в ходе анализа для усреднения результатов.

 

  1. Осветленный сок – Испарение – Клеровочный котел
  2. Выпариватели – Питание выпаривателя – Масса А – Масса В – Меласса А – Меласса В – Сахар А/В – Сахар-сырец
  3. Масса С – Сахар С – Кристаллизатор
  4. Конечный оттек – Производство биоэтанола

 

Сахарорафинадный завод: оптимизация технологического процесса

Рафинирование сахара является многоступенчатым процессом с жесткими требованиями к управлению и поэтому имеет большой потенциал оптимизации. Технология FT-NIR позволяет быстро и легко анализировать все представляющие интерес материалы в лаборатории, на производстве или в потоковом режиме и получать точную и своевременную информацию в соответствии с требованиями производственной среды.

Контроль (входящего) сахара-сырца

Сахарорафинадное производство не всегда размещено при сахарном заводе, поэтому часто сахар-сырец закупают у поставщиков в качестве входящего сырья. Мировой рынок сахара-сырца является чрезвычайно конкурентным, и качество сахара-сырца оказывает значительное влияние на стоимость рафинирования. Поэтому жесткий контроль Pol, восстанавливающих сахаров (глюкозы и фруктозы), влажности, зольности и цвета имеет важное значение и может быть с легкостью реализован с помощью спектроскопии FT-NIR. Для выполнения анализа сахар-сырец просто засыпают в пробирку с кварцевым стеклом на дне, которую устанавливают в прибор.

Управление технологическим процессом

Небольшие корректировки процесса рафинирования могут привести к повышению качества и выхода готового сахара. При производстве сахара-рафинада спектроскопия FT-NIR делает возможным быстрый многокомпонентный анализ промежуточных продуктов. Он возможен не только путем отбора проб и выполнения анализа на производстве, но и непосредственно в потоковом режиме, т.е. с возможностью мониторинга и управления в реальном времени. FT-NIR-спектрометр TANGO с комплектом измерительных принадлежностей для сахара и жидких продуктов рафинирования Сахар-сырец

Контроль качества продуктов рафинирования

Некоторые продукты рафинирования являются жидкими и содержат не только сахарозу, но и другие виды сахаров. Путем инвертации части продукта с помощью фермента или кислотного гидролиза в глюкозу и фруктозу получают характерные химические и физические свойства, т.е. инвертные сахара предотвращают кристаллизацию жидкого продукта. Жидкие продукты могут быть проанализированы в пробирке 22 мм с полупрозрачным зеркалом на Pol, Brix, восстанавливающие сахара и зольность:

  • Жидкие сахара
  • Золотой сироп
  • Патока
  • Пищевая меласса

  1. Сахар-сырец – Клеровочный котел – Сатурация/обесцвечивание – Испарение
  2. Меласса - Кристаллизация – Сушка – Сироп – Сахар-рафинад

 

Производство биоэтанола: повышение производительности

Ферментация биомассы является одним из важных источников возобновляемой энергии. Для достижения оптимального коэффициента конверсии этанола необходим жесткий контроль нескольких технологических, химических и микробиологических параметров. FT-NIR обеспечивает возможность быстрого и эффективного управления чувствительным процессом ферментации, а также другими этапами производства - как предшествующими, так и последующими.

Экспресс-анализ мелассы и сырья для ферментации

Для ферментации наиболее важным параметром является содержание сахарозы в мелассе и других продуктах сахара. Этот параметр легко контролировать с помощью технологии FT-NIR. Фактическое качество и состав сырья могут варьироваться как в пределах ферментируемой партии, так и в условиях непрерывного процесса, однако эти параметры крайне важны для равномерной и непрерывной ферментации. Поэтому экспресс-анализ сырья на ТС, в резервуаре для хранения или даже в потоковом режиме на линии питания непосредственно влияет на выход, обеспечивая равномерность и оптимальную длительность ферментации.

Непосредственное управление ферментацией в потоковом режиме

Bruker Optics предлагает комплексные решения для потокового анализа процессов ферментации. Серия технологических анализаторов MATRIX представлена Фурье-спектрометрами инфракрасной и ближней инфракрасной области (FT-IR и FT-NIR), совместимыми с различными оптоволоконными зондами, устанавливаемыми непосредственно в биореакторы. К одному прибору с оптическим мультиплексором можно подключить несколько точек измерения. Уникальный полупрозрачный зонд FT-NIR позволяет проводить анализ на любой стадии ферментации - от прозрачного раствора в начале процесса до раствора с высоким содержанием биомассы в конце процесса.

Возможен контроль как периодических, так и непрерывных процессов посредством ежеминутного анализа наиболее важных параметров, таких как Brix, содержание отдельных сахаров, этанола, биомассы и глицерина. Это позволяет оптимизировать процесс путем регулирования соотношения сахарозы и дрожжей и поддержания содержания этанола не выше определенного уровня. Жесткий контроль позволяет повысить производительность и сократить расходы на лабораторный анализ. Наконец, ферментативный раствор, неочищенную бражку, центрифугируют и направляют на стадию перегонки. Оба раствора они могут быть проанализированы, чтобы убедиться в оптимальном составе питания, поступающего в ректификационные колонны.

Перегонка и ректификация этанола

Контроль процесса в ректификационных колоннах с помощью спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне применяется уже на протяжении нескольких десятилетий, и перегонка этанола не представляет никаких сложностей. Тем не менее, содержание этанола на различных этапах, включая обезвоживание, необходимо контролировать с высокой точностью, что обуславливает применение спектроскопии FT-NIR. Будь то лабораторный, производственный или потоковый анализ, содержание этанола в водном и безводном этаноле определяется с точностью около 0,1%, что позволяет максимально увеличить выход процесса.

  1. Меласса – Сусло – Ферментация – Неочищенная бражка – Бражка – Перегонка (Барда) – Ректификация (Остаток) – Обезвоживание - Этанол

 

Технология

Современная, удобная технология

Предлагаемая Bruker технология FT-NIR основана на использовании совершенной оптики, обеспечивающей отличную эффективность и стабильность. Сердцем анализатора Bruker' является постоянно совмещенный интерферометр RockSolid с кубическими уголковыми зеркалами, обеспечивающий стабильные качественные результаты измерения, минимальное время простоя и максимальную устойчивость.

В отличие от плоских зеркал, уголковые практически невосприимчивы к наклону (т.е. угловому перемещению зеркала). Это очень важно, т.к. свет, возвращающийся к светоделителю, должен быть точно совмещен, чтобы избежать снижения стабильности, разрешения и спектрального качества.

TВ интерферометре RockSolid использованы двойные уголковые зеркала, установленные по схеме перевернутого двойного маятника. Неизнашиваемый поворотный механизм расположен в центре масс. Такая конструкция оптически исключает наклон зеркала и механически - сдвиг зеркала, что обеспечивает повышенную устойчивость к вибрации и тепловому воздействию.

TНеизнашиваемая конструкция подшипника, установленного в интерферометре RockSolid, обеспечивает исключительную стабильность и надежность даже в жестких условиях эксплуатации, делая его идеальным выбором как для лаборатории, так и для заводского цеха.

Кроме того, прибор сохраняет точность установки длины волны с течением времени - это необходимо для поверки.

Анализаторы просты в обслуживании: его выполняет сам пользователь, а время простоя и расходы на техническое обслуживание сведены к минимуму. Расходные материалы, такие как источник света, поставляются в виде заранее совмещенных модулей, которые могут быть быстро заменены самим пользователем.

 

Программное обеспечение

OPUS - программное обеспечение для оптической системы

ПО OPUS компании Bruker Optics представляет собой простой в использовании, но мощный программный комплекс для спектроскопии. Он включает полный набор функций для сбора, обработки и оценки данных и конфигурируется в соответствии с потребностями пользователя, включая расширенные функции управления пользователями и доступом к функциям.

Предусмотрено три основные функции для настройки метода:

  • Калибровка для количественного определения компонентов и свойств
  • Настройка библиотеки для идентификации сырьевых материалов
  • Тест соответствия для нужд контроля качества

Multi Evaluation

Уникальная функция OPUS Multi Evaluation (ME) позволяет пользователю задать иерархические методы для автоматизации различных этапов оценки и принятия решений или для выполнения дополнительных вычислений. Благодаря МЕ, за этапом идентификации может следовать этап количественной оценки и тест соответствия; или же за этапом количественной оценки может следовать дополнительный этап количественной оценки в зависимости от результатов первого этапа. Предусмотрено отображение результатов, хранение и печать настраиваемых отчетов.

На производстве

OPUS/PROCESS представляет собой пакет программного обеспечения, используемого для облегчения настройки сценариев для автоматизированного управления технологическими процессами и визуального отображения результатов. Сценарии могут быть сконфигурированы с большим количеством дополнительных параметров для выполнения циклических измерений или анализа по требованию систем управления технологическими процессами. Возможен обмен с системой управления технологическим процессом контрольными значениями и результатами с помощью Fieldbus, Modbus, интерфейса 4-20 мА или OLE для управления технологическим процессом.

Безопасность данных

OPUS/PROCESS is a software package used to easily set up scenarios for automated process control and visual display of results. The scenarios can be configured with many optional settings for cyclic measurements or analysis triggered by process control systems. Triggers and results can be exchanged with PCS using Fieldbus, Modbus, 4-20mA connections or OPC.

Data Security

OPUS обеспечивает безопасность и сохранность данных.

  • Нулевой риск потери данных или перезаписи исходных данных
  • Полная совместимость с GMP/GLP и стандартами 21 CFR Part 11
  • Автоматически генерируемый история данных (журнал аудита)
  • Все соответствующие данные (параметры измерения, манипуляции, результаты оценки, отчеты и т.д.) хранятся в одном файле данных 

Диагностика спектрометра

Только регулярно обслуживаемый спектрометр может обеспечить получение достоверных данных.

OPUS включает:

  • Постоянная параллельная диагностика
  • Отображение в реальном времени состояния прибора
  • Отчеты о состоянии прибора
  • Интегрированные автоматические тесты прибора (OQ, PQ)

 

Обслуживание и поддержка

Компания Bruker Optics располагает штатом исследователей и инженеров с глубокими знаниями предлагаемых приборов и их применений в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Наши специалисты по продукту всегда готовы помочь Вам в разработке методики - как удаленно, так и в Вашей лаборатории. Специалисты по прикладному использованию технологии FT-NIR помогут Вам в выборе и использовании принадлежностей для отбора проб, выборе оптических компонентов и работе с программным обеспечением. Мы предлагаем индивидуальное обучение и услуги поддержки в соответствии с Вашими потребностями.

Спектрометры Bruker Optics рассчитаны на годы  бесперебойной работы. Если какая-либо неисправность все же возникнет, дочерние компании и представительства Bruker по всему миру оперативно отреагируют на Ваше обращение. Bruker Optics гарантирует каждому клиенту профессиональную установку, комплексную практическую поддержку, а также обслуживание оборудования после поставки на самом высоком уровне.

  • TANGO

    TANGO

    TANGO - идеальный FT-NIR анализатор для применения в промышленных условиях, благодаря прочной конструкции, высокой точности и интуитивно понятному управлению. TANGO максимально упрощает FT-NIR анализ и удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым высокоэффективным анализаторам.

    Подробнее
  • MPA

    MPA

    MPA – универсальный анализатор для применения в различных отраслях промышленности. MPA – это модульный анализатор с широким выбором модулей анализа и приспособлений для различных областей применения.

    Подробнее
  • MATRIX-I

    MATRIX-I

    Надежный at-line FT-NIR спектрометр. Bruker предлагает MATRIX-I - уникальное решение задач по контролю качества продукции с использованием метода Фурье спектроскопии в ближней инфракрасной области.

    Подробнее
  • MATRIX-F

    MATRIX-F

    Отмеченный наградами спектрометр MATRIX-F предназначен для контроля технологических процессов непосредственно в реакторах и трубопроводах. On-line анализ позволяет значительно глубже понимать, а следовательно эффективней управлять процессом производства.

    Подробнее