Количество сахара, потребляемого жителями Соединенных Штатов, очень велико. Исключая патоку, мед и сиропы, количество, потребленное в Соединенных Штатах за год, закончившийся 31 декабря 1905 года, составило 2 632 216 тонн. К этому следует добавить общее количество сахара, содержащегося в продуктах питания, столь распространенных в этой стране в виде меда, сиропов и патоки.
Происхождение сахара.
— В самые ранние времена практически единственным сахаром, который использовался человеком, был тот, что запасался пчелами, а именно мед. Сахарный тростник является коренным жителем Азии и не был известен как источник сахара в Европе до XIII или XIV века, когда он был привезен восточными купцами в Европу. Открытие Америки и внедрение сахарного тростника на прилегающие к ней острова открыли новое поле для культуры этого растения и заложили основу последовавшей за этим великой промышленности. Однако только 100 лет назад индустрия сахарного тростника приобрела пропорции, указывавшие на ее последующий рост. Примерно в 1747 году сахарный тростник был завезен в Луизиану и вскоре после этого, около 1790 года, стал одной из важнейших сельскохозяйственных культур этого штата. До начала Гражданской войны Луизиана производила большую часть тростникового сахара, потребляемого в Соединенных Штатах. Во время Гражданской войны эта отрасль была почти полностью разрушена, но с тех пор она выросла и приобрела еще большие масштабы, чем прежде, хотя ее доля в общем объеме поставок постоянно уменьшается. Луизиана находится несколько слишком далеко на севере для наиболее экономичного производства сахарного тростника, поскольку он подвержен повреждениям от заморозков. Сахарный тростник — очень чувствительное к холодной погоде растение, которое обычно погибает от сильного заморозка. По этой причине его наибольшее развитие произошло в тропических странах, особенно на Кубе, Гавайских островах и в других подобных местах. В настоящее время подавляющая часть сахара, производимого из сахарного тростника в мире, производится на Кубе и Гавайских островах: кубинский урожай составляет в круглых цифрах 1 200 000 тонн, а гавайский — около 400 000 тонн.
Свекловичный сахар.
— Тот факт, что свекловичный сахар содержится в обычной садовой свекле, был впервые открыт немецким химиком Маркграфом в 1747 году. Это важное открытие оставалось без движения почти полвека, пока один из учеников Маркграфа, сын французского беженца из Пруссии по имени Ашар, не возобновил исследования, начатые Маркграфом, и не получил результаты, которые тогда расценивались как поразительные. Заявления Ашара стали предметом сомнений и насмешек, и даже его французские соратники, члены академии, сомневались в точности его работы, хотя считали ее достаточно интересной для дальнейшего изучения. Комиссия в составе некоторых из наиболее важных членов Академии наук, среди которых были Шапталь и Воклен, исследовала этот вопрос и объявила, что попытка производства сахара не удалась, но сочла, что, возможно, кленовое дерево можно выращивать во Франции. Тем не менее комиссия изменила методы Ашара и получила лучшие результаты. Это было началом той длинной серии исследований, результатом которой стало создание свеклосахарной промышленности, производящей в круглых цифрах шесть миллионов тонн сахара в год, что значительно превышает количество, производимое из сахарного тростника. Имя Шапталя было упомянуто как принадлежащее к комиссии, которая была назначена для изучения процесса Ашара, потому что именно благодаря влиянию Шапталя, который к тому времени стал графом, император Наполеон 15 января 1811 года издал декрет об учреждении свеклосахарной промышленности как национальной отрасли промышленности Франции и предоставлении ей субсидии. Этот декрет предписывал засеять во Франции сто тысяч гектаров свеклой. Налоги и октруа были отменены на весь сахар, произведенный из свеклы, сроком на четыре года. Согласно декрету, также должны были быть созданы четыре центральных свеклосахарных завода, и было предписано, чтобы урожай сахарной свеклы в 1812 и 1813 годах достиг двух миллионов килограммов сырого сахара. Катастрофический русский поход и последовавшее падение наполеоновской династии прервали, но не уничтожили эту отрасль.
Создание отрасли императорским декретом — пожалуй, новый метод процедуры, породивший в то время карикатуру, в которой император Наполеон и молодой Римский король фигурировали как главнейшие персонажи. Император был изображен сидящим в детской перед чашкой кофе, в которую он выжимал сок свеклы. Ренеем сидел молодой Римский король, жадно сосавший свекольный корень, в то время как стоящая рядом няня и стойко наблюдающая за процессом говорит юному монарху: «Соси, дорогая, соси, твой отец говорит, что это сахар».
В связи с эмбарго на торговлю, введенным Англией, тростниковый сахар с тропических островов не допускался на континент, поэтому для восполнения дефицита император Наполеон издал упомянутый декрет. Благодаря этому толчку отрасль быстро развивалась во Франции даже после падения империи и в течение 20 лет приобрела масштабы коммерческого значения. Примерно в этот период немецкие ученые заинтересовались этим вопросом и исследованиями, направленными на улучшение сахара в свекле и методов производства, заложили основу великой промышленности в Германии, которая превзошла аналогичные отрасли всех других стран.
Производство свекловичного сахара в Соединенных Штатах составляло всего несколько тысяч фунтов в 1879 году, и в течение этого и последующих годов было построено несколько заводов. Однако все они оказались безуспешными, за исключением одного, который находился в Альварадо, штат Калифорния, и непрерывно работал с тех пор. В 1884 году Министерство сельского хозяйства США заново предприняло исследование условий, благоприятных для индустрии сахарной свеклы, и в результате этих исследований был сделан новый старт на более прочной основе. С тех пор значение этой отрасли значительно возросло, и в настоящее время в этой стране производится столько же сахара из сахарной свеклы, сколько и из сахарного тростника. Для получения адекватного представления о масштабах сахарной промышленности в мире на странице 471 приводится статистическая таблица, показывающая производство сахара в мире в 1906 году.
Первый важный отчет об индустрии свекловичного сахара в Соединенных Штатах был составлен МакМуртри в качестве специального отчета № 28 по культуре сахарной свеклы, изданного в 1880 году Министерством сельского хозяйства. Там рассказывается, что два жителя Филадельфии еще в 1880 году заинтересовались индустрией свекловичного сахара, которая тогда находилась в зачаточном состоянии в Европе. Восемь лет спустя Дэвид Л. Чилд предпринял в небольших масштабах производство свекловичного сахара в Нортгемптоне, шт. Массачусетс, и издал небольшую работу на эту тему под названием «Культура свеклы и производство свекловичного сахара». Он сообщает, что вырастил свеклу, которая дала бы 6 процентов сахара, стоявшего не более 11 центов за фунт. Всего он произвел около одной тысячи трехсот фунтов сахара.
Рис. 68. — Правильное положение зрелой свеклы в почве. — (Бюллетень фермера № 52.)
Первый завод сколько-нибудь значительных размеров в Соединенных Штатах был построен в 1863 году в Чатсворте, шт. Иллинойс, но он оказался финансовой неудачей. Завод по производству свекловичного сахара был построен в долине Сакраменто, штат Калифорния, в 1869 году, и после различных перипетий постоянный завод был создан в Альварадо, как уже упоминалось. В 1874 году в Калифорнии было произведено до 1 500 000 фунтов свекловичного сахара. В 1870 и 1871 годах Нью-Джерси и Массачусетс приняли законодательство, освобождающее от налогообложения сроком на 10 лет всю собственность, занятую производством свекловичного сахара. Заводы были созданы в Массачусетсе и Делавэре позже, но все они потерпели финансовые неудачи. Лишь в конце 80-х годов свеклосахарная промышленность в Соединенных Штатах была поставлена на окупаемую основу, и даже после этой даты многие предприятия по производству свекловичного сахара приводили к финансовым потерям и закрытию заводов.
Рис. 69. — Карта, показывающая температурную зону, в которой сахарная свекла достигает наибольшего совершенства. — (Бюллетень фермера № 52, Министерство сельского хозяйства.)
Условия культивирования. — Сахарная свекла в Соединенных Штатах не производит максимального содержания сахара в районах, где средняя температура за три месяца — июнь, июль и август — поднимается выше 70 градусов по Фаренгейту. Южной границей этой зоны является неровная, волнистая линия, как показано на прилагаемой карте (рис. 69). Конечно, существуют районы, где можно производить высококачественную свеклу к югу от этой линии, но на практике почти каждое успешное предприятие по производству свекловичного сахара располагалось в указанной области. Для северной границы этого пояса фактически не существует никаких ограничений, кроме коротких сезонов, обусловленных поздними весенними и ранними осенними заморозками. Чтобы успешно конкурировать на мировых рынках сахара, сахарная свекла должна поступать на завод со средним содержанием сахара не менее 12 процентов. Гораздо более богатая сахаром свекла часто производится в некоторых орошаемых районах запада, где климат исключительно сухой, и средний процент составил даже 16 и 18. Во всем урожае свекловичного сахара в Соединенных Штатах средний процент сахара в свекле составляет, вероятно, около 13 или 14. В этом отношении видно, что свекла богаче сахаром, чем средний сахарный тростник Луизианы, который содержит не более 11 или 12 процентов сахара.
Рис. 70.—Поле сахарной свеклы, готовое к уборке. —(Бюро растениеводства.)
Урожайность с аккра. —Средняя урожайность сахарной свеклы с аккра в Соединенных Штатах, к сожалению, очень мала, главным образом из-за незнания правильных методов ее возделывания. Сахарная свекла в большей степени является огородной, а не полевой культурой и требует специальной обработки и удобрения. Средняя урожайность в Соединенных Штатах, вероятно, не превышает восьми тонн с аккра, в то время как средняя урожайность в Европе составляет двенадцать или тринадцать тонн с аккра. В этом отношении сахарный тростник Луизианы имеет заметное преимущество: средний урожай составляет более двадцати тонн, а часто получают тридцать и даже сорок тонн. Как только наши фермеры усвоят принципы возделывания, средняя урожайность в Соединенных Штатах наверняка станет такой же высокой, как и в Европе. Типичное поле свеклы, готовое к уборке, показано на рис. 70.
Производство. —Производство свекловичного сахара представляет собой одновременно простую и сложную операцию. Простота заключается в том, что требуется лишь извлечь сахаристые соки свеклы, надлежащим образом их очистить и сгустить путем выпаривания до состояния, при котором сахар начинает кристаллизоваться. На самом деле успешное производство требует сложного и дорогостоящего оборудования и высокой степени технической квалификации. Краткого описания метода будет достаточно для целей данного руководства.
Рис. 71.—Свекла, подготовленная к транспортировке на завод. —(Бюро растениеводства.)
Рис. 72.—Диффузионная батарея. —(Фермерский бюллетень № 52.)
У собранной свеклы срезают ботву вместе с небольшим количеством прилегающей ткани корнеплода, которая содержит большое количество солей и непригодна для переработки на заводе. На рис. 71 показан вид свекловичного поля после уборки урожая. Затем свеклу тщательно моют и пропускают через резательную машину, в которой ее измельчают на тонкие ломтики или стружку. После этого она поступает в серию резервуаров, известных как диффузионная батарея, где ее тщательно обрабатывают горячей водой, с помощью которой извлекается практически весь содержащийся в ней сахар. Полученный сахаристый продукт, называемый диффузионным соком, обрабатывают большим избытком извести, нагревают и продувают через него углекислоту, получаемую из известково-обжигательной печи, до тех пор, пока вся известь не превратится в карбонат, осаждающий примеси соков. Диффузионный сок на выходе из диффузионной батареи обычно почти так же черен, как чернила. После сатурации, как называется описанный выше процесс, он приобретает прозрачный светло-янтарный оттенок. Для отделения жидкости от твердых частиц всю массу пропускают через фильтр-пресс, из которого сок выходит светлым и чистым, а карбонат кальция с прилипшими к нему примесями остается в фильтр-прессе в виде твердых лепешек. Этот процесс повторяют, чтобы обеспечить максимально возможную чистоту сока.
Рис. 73.—Выпарной аппарат многократного действия. —(Фермерский бюллетень № 52.)
Выпаривание. —Очищенный сок направляют в вакуум-аппараты многократного действия (рис. 73), из которых насосом частично откачивают воздух, причем вакуум в системе нарастает. Обычно с между собой соединены три или четыре таких аппарата: в первом разрежение воздуха наименьшее, а в последнем — наибольшее, то есть самый высокий вакуум. Пар, образующийся в первом аппарате, по медным змеевикам подается во второй и служит греющим агентом, в то время как пар из второго аппарата проходит по медным змеевикам в третий и так далее до четвертого. Таким образом, пар для выпаривания подается только в первый аппарат, благодаря чему достигается большая экономия топлива. Таким образом сок выпаривают до состояния сиропа. Обычно он имеет некоторую окраску, и если производят белый сахар, его отбеливают путем пропускания через костяной уголь или применения сернистого ангидрида. Когда используется сера, ее часто применяют в первую очередь как для невыпаренного сока, так и для сиропа.
Окончательная кристаллизация. —Сироп теперь готов к заключительному процессу, который происходит в так называемом вакуум-кристаллизаторе (рис. 74). Закачивают значительное количество сиропа так, чтобы покрыть нижние змеевики этого аппарата, и после создания вакуума насосом выпаривают до точки кристаллизации. Затем в аппарат затягивают дополнительное количество холодного сиропа, охлаждая массу и вызывая тем самым зарождение кристаллизации в виде чрезвычайно мелких кристаллов. Выпаривание продолжают с периодическим добавлением сиропа, в результате чего кристаллы сахара начинают расти. Через несколько часов аппарат наполняется кристаллами желаемого размера.
Рис. 74.—Вакуум-кристаллизатор. —(Фермерский бюллетень № 52.)
Очистка сахара. —Вакуум сбрасывают, и закристаллизованную массу сахара перекачивают в мешалку, где разбиваются все комки и получается однородная утфельная масса. Это делается пока масса еще теплая. Если дать ей остыть, разбить ее будет чрезвычайно трудно. Теплую смесь затем подают в центрифугу, с помощью которой патока отделяется от кристаллов, а последние остаются в аппарате в виде белых чистых кристаллов. Весь процесс отделения сока от утфеля, как называется эта масса, занимает всего несколько минут. Таким образом, сахар часто центрифугируют и затаривают в бочки еще до того, как он остынет после вакуум-аппарата.
Выше приведена лишь общая схема метода, который требует сложного оборудования, часто весьма масштабного, и не может быть описан подробно иначе как в технической литературе. Тем не менее она дает читателю представление о том, как изготавливается белый сахар, который он ест. Часто белый сахар не производят на самом сахарном заводе, и в этом случае отбеливание костяным углем и т.д. опускается, а получается бурый сахар, который впоследствии отправляется на рафинадный завод.
Рис. 75.—Поле сахарного тростника, готовое к уборке. —(Фотография Х. В. Уайли.)
Выращивание сахарного тростника. —Выращивание сахарного тростника ограничено тропическими и субтропическими регионами. В Соединенных Штатах эта культура выращивается главным образом в Луизиане и Техасе. Его культивация не распространяется к северу от центра Джорджии. Типичные виды полей сахарного тростника показаны на рис. 75 и 76.
Производство тростникового сахара.
—При производстве сахара из сахарного тростника первым процессом, естественно, после уборки урожая является отжим сока из тростника. Во время уборки урожая верхушки тростника обрезают так, чтобы срезать зеленую часть верхней части стебля, а также удаляют листья.
Рис. 76.—Поле сахарного тростника, убранное частично. —(Фотография Х. В. Уайли.)
Существует два метода извлечения сока из тростника: один аналогичен описанному для сахарной свеклы, но используется очень редко. Лишь один или два завода в Соединенных Штатах используют этот метод экстракции. Наиболее распространенным методом экстракции является пропускание тростника через тяжелые варочные прессы (мельницы). Эти мельницы изготавливаются с огромным запасом прочности, чтобы выдерживать огромное давление без поломок. Крупнейшие мельницы имеют производительность от 500 до 1000 тонн тростника в сутки. Многие из них перерабатывают только от 200 до 500 тонн в сутки. Мельницы почти всегда устанавливаются последовательно, то есть тростник подвергается двойному прессованию. Первая мельница неизменно состоит из трех валков одинакового размера, установленных так, что первый и второй находятся не так близко друг к другу, как второй и третий. Вторая мельница также часто состоит из трех валков, как и первая, но иногда только из двух. Изредка используется третья. Обычным делом является орошение водой измельченного тростника по выходе из первой мельницы перед его поступлением во вторую мельницу, что обеспечивает большую степень экстракции. Остатки после мельницы называются багассой и обычно направляются прямо в топку и используются в качестве топлива, обеспечивая паром выпаривание сока и привод мельницы. Мельницы извлекают от 75 до 80 процентов сока от массы тростника. Сахарный тростник содержит около 88 процентов своего веса в виде сахарного сока. Следовательно, видно, что значительная часть сахара остается в багассе. Процессом диффузии извлекается большая доля сахара, чем прессованием, но получающиеся соки сильно разбавлены и требуют большего расхода топлива на выпаривание.
Очистка сока. —Сок, отжатый из тростника, представляет собой загрязненную массу и требует очистки перед концентрированием. Очень распространенной практикой является воздействие на свежий сок паров горящей серы. Во всех случаях первым шагом в очистке является добавление извести для нейтрализации естественной кислотности сока и облегчения коагуляции растворенных веществ. Затем подкисленный известью сок подвергают нагреванию, и по мере приближения к точке кипения происходит разделение взвешенных и коагулированных веществ: легкие поднимаются наверх, а тяжелые опадают на дно. Обычный метод разделения этих тел заключается в снятии верхнего коагуляционного слоя, отстаивании нижней части и сливании из нее прозрачного сока. В дополнение к этому, для более полного разделения, нагретый сок может быть пропущен через фильтр-пресс.