LE SUCRE DE CANNE

Remerciements

Nous remercions tous ceux qui ont contribués à l’élaboration de cedossier dans le cadre des Travaux Personnels Encadrés,particulièrement :

Les responsables de l’usine du Galion de Trinité, M. BEROUARD (chefcomptable) et S.LANDRY (chef de production) pour leur accueilchaleureux leur aimable collaboration par la fourniture d’informationet d’échantillons : bagasse, sirop, mélasse, sucre du Galion, sucre dela Réunion.

L’équipe d’encadrement Mme LUPON, Mlle MAINGER et M. BURTZpour leurs précieux conseils.

Le responsable du laboratoire de SVT Benoît BOULOT pour son aidedans la réalisation de l’expérience de cristallisation.

Les responsables du laboratoire de Physique – Chimie pour lafourniture du modèle moléculaire afin de fabriquer la molécule desaccharose.

Et bien sûr tous ceux qui nous ont apportés leur soutient et leurencouragement.

A propos de …

Recherches :AUDAR RioGELIE PhilippeSADIKALAY Samuel

Expériences :AUDAR RioSADIKALAY SamuelLe laborantin BOULOT Benoît

Visite de l’usine du Galion :SADIKALAY Samuel

Rédaction :AUDAR RioSADIKALAY SamuelGELIE Philippe

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INTRODUCTION

Lors de la découverte des thèmes nationaux des travauxpersonnels encadrés, nous nous sommes intéressés à la transformationde l’espace et plus particulièrement à la cristallographie faisant partiedes pistes de travail proposées. Nous avons voulu avoir une approchepropre à notre environnement local afin d’en savoir un peu plus sur lacristallographie. Ainsi nous avons choisi de nous pencher sur les cristauxdu sucre de cannes.

Comment sont organisées les molécules dans le sucre de canne selon lesdifférentes liaisons existantes ?

SOMMAIRE

Remerciements

A propos de …

Introduction

Etude théorique des cristaux de sucreFiche d’identitéSucre en généralUn cristal particulierLiaisons existantes

Etude pratique des cristaux de sucreExpérience de cristallisation

Procédure de fabrication industrielle du sucreEtape de fabrication du sucreDonnées concernant l’usine du Galion

Annexes

Etude théorique

des cristaux de sucre

Fiche d’identitéNom : polysaccharidePrénom : SaccharosePrénom usuel : sucreMasse :342,30g/molˉ¹Age : inconnuTaille :variableNom du père : glucoseNom de la mère : fructoseSolubilité :2kg.Lˉ¹ (s’accroît avec la température)

Le sucre en général.

Le sucre ou saccharose est un corps sans couleur ni odeur, qui possède unesaveur sucrée. On l’utilise pour conserver naturellement les fruits : confitures, fruitsconfits, sirops, mais aussi du lait concentré…sucré.Mais surtout pour notre corps dont il nourrit les muscles et aussi le cerveau. Notrecerveau est un grand consommateur d’énergie. Des milliards de neurones eneffervescence ne se nourrissent pas d’amour et d’eau fraîche ! Mais avec desglucides.

Alors que le cerveau ne représente que 2% de notre poids, il entre pour 20%dans notre métabolisme de base. Au repos, il utilise 60% du glucose de l’organisme.Pourquoi le glucose ? C’est le seul glucide qui passe la barrière hémato-encéphalique(c’est-à-dire qui passe du sang à notre cerveau). Nos neurones en ont besoincontinuellement, exactement comme l’oxygène.Quand on lui demande un effort particulier, les zones qui sont alors sollicitées sontcapables de demander un “ supplément ” de glucose et d’oxygène pour faire face àl’accroissement de leur activité de la vie.

Selon les nombreuses expériences menées dans des laboratoiresspécialisés(comme Bégin-Say) ; le sucre est l’ingrédient de base le plus pur qui soit.En effet, notre sucre cristallisé est pur à plus de 99,8%. Le reste est constitué d’eau,de minéraux, comme le calcium, le potassium ou le magnésium, en très faiblesquantités, et des traces de fructose et de glucose.Mais que savons-nous de ce petit cristal que l‘on rencontre quotidiennement ? ……..

Un cristal particulier

Ce cristal apparaît sous forme de prismes anhydres (dépourvus totalement d’eau)dont les axes de symétrie sont légèrement inclinés. Les pros vous diront que c’est un“ système cristallin monoclinique ” à 15 facettes.Il possède différentes liaisons qui assurent son état (liquide ou solide) de part lacomposition de sa molécule(une molécule de glucose et une de fructose). C’est unpolysaccharide que les savants nomment D-glucopyranosyl-D-fructofuranose deformule C12H22O11.

Les liaisons existantes dans le sucre

Le saccharose n’est pas présent dans la nature à « l’état naturel ».Généralement, il est « synthétisé » en présence d’une molécule de glucose etune de fructose en présence d’une molécule d’eau. Cette « synthétisation »

s’explique par la formation de liaisons chimiques qui sont les suivantes :

- La liaison hydrogène.Considérée comme la plus forte des liaisons intermoléculaires, la liaison hydrogènese réalise comme son nom l’indique, par l’atome d’hydrogène.Lorsque deux molécules polaires sont approchées (dans ce cas le glucose et lefructose ) elles s’orientent en plaçant leurs pôles en oppositions. Puis il s’ensuit uneinteraction électrostatique qui les attirent l’un vers l’autre. Dans des bonnesconditions d’orientations, les liaisons hydrogène (ou liaisons H) apparaissent.La molécule qui est liée par un hydrogène est appelée le donneur et l’autre liée parson oxygène est appelée l’accepteur.

Donneur et accepteur sont des atomes d'oxygène ou d'azote.

Type de liaison H Longueur (en Angström)

O-H...O 2,70

O-H...O- 2,63

O-H...N 2,88

N-H...O 3,04

N+-H...O 2,93

N-H...N 3,10

Les différents états du sucre sont visibles par l’agencement des liaisonshydrogènes. En effet, comme pour l’eau, si elles sont bien orientées, elles sontresponsables de la formation du cristal de saccharose, selon la température existante(leur point de fusion est de 160°c) ; et lorsque le saccharose est dissous ; qui luiimplique sa fluidité grâce à certaines propriétés (à 20°c les liaisons sontdésordonnées).pour une compréhension plus simple de l’agencement des molécules, prenonsl’exemple de l’eau :la structure des molécules a température ambiante est instable et permet« l’élasticité » de l’eau

A très basse température (0°c) les molécules acquièrent une structure ordonnéed’où la résistance de la glace :

- La liaison de Van der Waals :

Elle est à l’origine de la formation du cristal et assure sa cohésion. La force deVan der Waals est une liaison intermoléculaire. Elle est énergétique comme lesautres liaisons et attire des groupements carbonés qui seront renforcés par uneautre liaison en milieu aqueux.

- La liaison glycosidique :Comme son nom l’indique ; cette liaison ne se réalise qu’en présence deglucides. Le saccharose ne peut exister que grâce à cette liaison. La liaisonglycosidique est une liaison de type {–C-O-C-} qui est responsable de laliaison « glucose-fructose ». Elle n’est réalisable que par la présence d’unatome d’eau ; en effet, en présence de ces autres molécules l’atome d’oxygèneperd ses deux atomes périphériques d’hydrogène et vient se fixer aux deuxcarbones ayant chacun un électron vacant.

Schéma de formation :

Durant la formation du cristal il arrive souvent que l’on n’observe pas de prismerégulier à 15 facettes ; mais un cristal à la surface irrégulière composé deplusieurs cristaux. On appelle cela des macles.

Ils sont dus à la croissance de cristaux sur 1 plan de leur surface

Etude pratique

des cristaux de sucre

Le saccharose contenu dans la canne à sucre est un sucre complexe ;autrement dit, sa molécule est l’assemblage de deux sucres simples, le glucose et lefructose. De plus, il possède des propriétés physiques importantes : un corps solidecristallisé et une grande solubilité dans l’eau.

Objectif :L’on propose de faire une solution sucrée saturée que l’on chauffe (entraînant

l’augmentation de la solubilité du sucre) permettant par la suite d’observer laformation de plusieurs cristaux de sucre.

Réactifs nécessaires à l’expérimentation :Sucre de canne du GalionEau distillée

Matériels essentiels à l’expérience :BalanceCoupelleSpatuleEprouvette graduéeBécher de 100 mLPlaque chauffante tournanteFil de cotonBûchette de bois

Mode opératoire :

Sachant que la solubilité du saccharose est de 2 kg/L, on décide de réaliser 10mL de solution sucrée ; à l’aide d’une balance, on mesure 20 grammes de sucre decanne du Galion dans une coupelle que l’on verse dans le bécher de 100 mL.On prélève 10 mL d’eau distillée à l’aide d’une éprouvette graduée que l’on versedans le bécher contenant le sucre.Ensuite, le bécher est placé sur la plaque chauffante munie de l’agitation avec unbarreau magnétique.On chauffe à 80°C pendant une dizaine de minutes afin d’augmenter la solubilité dusucre avec une agitation moyenne pour obtenir une solution sucrée, ce premierchauffage permet de dissoudre totalement le sucre, il ne faut pas avoir de grainrésiduel car cela entraînerait la croissance de plusieurs cristaux par accrétion.Cette solution est ensuite chauffée à plus de 100°C pendant environ 12 minutes dansle but de réduire la quantité d’eau et, ainsi obtenir un sirop. Ce deuxième chauffageentraîne l’évaporation d’une partie de l’eau dans laquelle le sucre est dissout pouracquérir une solution sursaturée favorable à une meilleure cristallisation.

Après, on noue un grain de sucre à une extrémité du fil de coton qui servira de« germe » et l’autre fixée à la bûchette de bois servant de support. La bûchette estplacée sur les bords du bécher permettant à l’amorce d’être placée au milieu de lasolution sursaturée.

Schéma du montage :

L’expérience est refaite dans les mêmes conditions, mais le grain de sucrecette fois-ci, est fixé au bout de la bûchette qui est à son tour attachée à une autrebûchette servant de support. Elle est placée au bord du bécher avec l’amorce situéau centre de la solution sursaturée.Cependant, elle est chauffée à plus de 100°C durant la même période dans le butd’obtenir une solution plus sursaturée que la première.

Schémas :

Note : la solution 2 est plus brune que la solution 1.

Après deux jours, on observe la formation de quelques grains dans le bécher 2alors que rien ne change dans le premier ; cela est dû à la sursaturation plus élevéedans l’expérience 2 favorisant une cristallisation rapide.

Schéma :

Cinq jours après, on observe la croissance de l’amorce dans les deuxexpériences, les cristaux sont gros dans la deuxième expérience et les grains formentdes cristaux.

Schéma :

Au bout d’une dizaine de jours, on obtient de très beaux cristaux de sucre, lebécher 1 contient de nombreux cristaux qui s’agglutinent entre eux, on remarqueégalement une forte diminution de la solution sursaturée ; en effet dans le bécher 2,la surface de la solution s’est complètement cristallisée avec une agglutination descristaux formés.

Schémas :

Nous avons ensuite récupéré les cristaux formés à différents jours (5ème et 10ème ),puis passer à l’étuve afin de les sécher, autrement dit, d’éliminer toute traceaqueuse.

Schéma des cristaux obtenus :

Procédure de fabrication industrielle du sucre

LA RECEPTION DES CANNESArrivées à la balance, les cannes sont pesées, puis on prélève un échantillon

de cannes à l’aide d’une sonde mobile pour procéder à une analyse afin de vérifier lateneur en saccharose. L’ usine paie ses cannes en fonction de la richesse en sucre etdu poids.Les cannes sont ensuite séparées, c’est à dire que les cannes non tronçonnées (enlongueur) et les cannes tronçonnées doivent être déposées dans des entrepôtsdifférents.Les raisons sont les suivantes : les cannes tronçonnées ne doivent pas être lavées,sinon les pertes en sucre seraient élevées à cause des nombreuses extrémités, enoutre, elles sont moins sales que les cannes non tronçonnées.Par contre, les cannes non tronçonnées ne possèdent que deux extrémités et, ellessont beaucoup plus sales que les cannes tronçonnées parce qu’elles sont ramasséesaprès la coupe par les machines. Ces cannes sont lavées.Il existe une autre raison pour laquelle on lave les cannes : la bagasse qui alimentela chaudière doit être d’excellente qualité.

LA PREPARATION DES CANNESLes cannes passent dans trois coupes cannes (défibreur). Le but est de

séparer les fibres de canne sans enlever le jus afin de faciliter l’extraction.

L’EXTRACTION DU JUSIl y a une batterie de 4 moulins. Chaque moulin comporte 3 rolls (1 roll

d’entrée, 1 roll supérieur et 1 de sortie). Voir annexe 1La canne est broyée pour la première fois entre le roll d’entrée et le roll supérieur etune deuxième fois entre le roll supérieur et le roll de sortie.Au passage du deuxième moulin, la canne a déjà abandonné une partie de son jus,mais il reste encore du saccharose.Au passage du dernier moulin, on injecte de l’eau chaude (imbibition), et le jusrécolté revient au niveau du troisième moulin. Le jus au troisième moulin étant tropdilué, est renvoyé au deuxième moulin. On récupère donc le jus du deuxième moulinet du premier moulin. Ces jus subiront différents traitements pour les débarrasser detoutes impuretés.La bagasse qui sort des moulins, sert de combustible à la chaudière qui alimentetoute l’usine de vapeur. La vapeur réchauffe les jus, cuit le sirop, fait tourner le turboqui produit l’électricité.La vapeur se transforme ensuite en eaux condensées qui retourne à la chaudière,ceci pour des raisons d’économies d’énergie puisque l’eau étant déjà chaude, il n’estplus nécessaire de la réchauffer.Le jus est ensuite pesé afin de vérifier les quantités achetées et les quantitésextraites.

LE TRAITEMENT DU JUSLe soufre décolore et déviscose le jus.L’utilisation de la chaux va faciliter la décantation des matières lourdes et donc de laboue et neutralise l’acidité du jus (voir annexe 2). Après la décantation, on retrouvela chaux dans les boues.Le jus passe ensuite dans les réchauffeurs (2 réchauffeurs sont à 70°C et les 2autres sont à 105°C).Le floculant épaissit la boue et accélère la décantation.Après décantation, (voir annexe 3) on obtient du jus clair (partie supérieure dudécanteur) et de la boue au fond du décanteur qui sera d’ailleurs traitée car il n’y aencore du saccharose dans cette dernière.Le jus clair sera une nouvelle fois filtré avant l’évaporation.

L’EVAPORATIONLes caisses travaillent en continu. Le but, c’est d’extraire l’eau du jus afin

d’obtenir un sirop. Les 2 dernières caisses travaillent sous vide. (voir annexe 4).L’abaissement de la pression (vide de 600 millimètres de mercure) permet dediminuer la température d’ébullition du sirop (loi de Boyle Mariotte). Le jus concentrépeut bouillir à une température moins élevée, ce qui permet entre autre d’éviter unecaramélisation du sirop.Dans la dernière caisse on obtient le sirop de batterie. Ce sirop est à nouveau filtré.

LA CRISTALLISATIONUn mélange de sucre de glace et d’alcool sera injecté dans le sirop vierge.

Cela va permettre d’amorcer la cristallisation (voir annexe 5).Lorsque les cristaux ont atteint une taille suffisante et régulière, on arrête lacristallisation. On obtient une masse cuite. Celle-ci est déversée dans les bacsappelés « malaxeur ».La première cuite est une cuite A qui va donner le sucre A (le premier sucre) parl’intermédiaire des centrifugeuses (turbines).

L’ESSORAGELa masse cuite (mélange de cristaux de sucre et de sirop) obtenue après la

cuite est déversée dans les centrifugeuses (turbines Robert’s ou FCB). Lorsque lescentrifugeuses tournent, les cristaux de sucre restent sur les parois, et le sirops’échappe. Il sera récupéré : c’est l’égout A. Cet égout A sera utilisé au niveau desappareils à cuire pour procéder à une cuite B. De nouveau aux centrifugeuses, lamasse cuite A va donner du sucre B. Le sirop récupéré à la sortie des centrifugeusesest appelé égout B.Cet égout B retourne aux appareils à cuire pour donner une cuite C. La masse cuiteC obtenue sera dirigée vers les Turbines BMA (centrifugeuses) pour donner du sucreC et de l’égout C appelé encore Mélasse.Les sucres A et B vont passer dans un sécheur (pour finir de sécher car l’essoragen’est pas suffisant) et seront conditionnés en sac de 50 kg au magasin à sucre.

Le sucre C n’est pas commercialisé. Il est refondu et utilisé pour des cuites A.Au magasin à sucre, mis à part les sacs de 50 kg, le conditionnement se fait ensachet de 1 ou 2 kg (pour les grossistes) ou dosettes de 6 grammes (destinéessurtout aux hôtel et restaurants).La mélasse sert à fabriquer le rhum grand arôme et les rhums traditionnels.

Note : le bilan de la procédure de fabrication du sucre est donné en annexe 6

Quelques données concernant l’usine du Galion :

1 tonne de canne produit entre 70 et 80 kg de sucre.

La capacité de broyage de l’usine est de 1 200 à 1 400 tonnes de cannes par jour.

On produit en Martinique entre 70 et 100 tonnes de canne à l’hectare, soit 5 à 8tonnes de sucre par hectare.

La durée de campagne sucrière se situe entre 80 à 100 jours.

L’effectif durant la campagne sucrière est d’environ 174 personnes.

Durant la période d’entretient, cet effectif est d’environ 115 personnes.

annexes

1 – Broyage

2 – Traitement du jus

3 – Décantation

4 – Evaporation

5 – Cristallisation

6 – Organisation structurelle

7 – Schéma détaillé de la fabrication dusucre

1 – Broyage

2 – Traitement du jus

3 – Décantation

4 – Evaporation

5 – Cristallisation

6 – Organisation structurelle

7 – Schéma détaillé de la fabrication dusucre