月刊ポピュラーサイエンス/第35巻/1889年6月号/甜菜糖の生産

甜菜糖の生産

A. H. ALMY著

本誌5月号で、甜菜糖産業の勃興と進歩に関するスケッチを紹介した。この記事では、植物の栽培方法と、砂糖を抽出するために採用されたプロセスの概要を説明することを提案する。甜菜には、他の植物と同様に、その成長に不可欠であり、その最高の発達を保証するために適切な割合で存在しなければならない特定の数の化学元素が含まれている。しかし、これらの元素の割合は、単に付随的なものであり、成長の過程とは直接関係がないと見なされてから、それほど時間が経っていない。植物は空気、水、土壌に含まれる物質によって養われているが、必要な栄養の種類と量は異なる。根を常に水に浸しておく必要のある植物もあれば、乾燥した土壌に最適な植物もあり、また、肥沃な土地でこそ育つ植物もある。植物には、すべての植物に共通する要素と、それぞれの種類に特有の要素がある。動物と同じように、植物にも食べ物に対する味覚や選択力が備わっており、与えられた物質をすべて無差別に、同じ割合で吸収することはない。このことから、土壌の肥沃度は、栽培する植物の性質に合わせる必要がある。小麦、ライ麦、大麦などの穀物は長い茎を伸ばし、葉は少なく細いので、空気から栄養をほとんど吸収しない。そのため、これらの植物は食料のほとんどを根から摂取し、その結果、土壌を大量に消費することになる。これに対して、甜菜のように大きくて肉厚の緑色の葉を持つ植物は、空気中から大量の炭酸と水を取り込むため、地面から取り込む物質が少なくなる。植物は成長の過程で、根と接触している土の部分を使い果たす。したがって、穀物のような短い匍匐性の根が表層を覆った後、甜菜のような長いタップルートが深層部から豊富な栄養を取り出せる可能性がある。

土壌の力学的条件は、甜菜の栽培におけるもう1つの重要な要素である。硬い粘土はその質感から水分を保持し、熱や空気を粒子の間に容易に取り込まない。また、繊維質の根がその中を通る際に大きな抵抗となる。根が下方に自由に伸びるのを妨げるので、粘土は特に甜菜の収穫に不利である。甜菜は、糖細胞のサッカリン物質の適切な分泌に必要な細長い根を作らず、丸くてカブのような根を伸ばし、これは砂糖製造には何の価値もないのである。砂は粘土の反対で、その緩い質感から熱を自由に通し、植物が必要とする十分な量の水分を保持することができない。また、砂地では、植物の食物の粒子が雨によって根の届かないところに流されたり、熱によって気化して空気中に逃げたりする。植物はロームで最もよく育つ。ロームは、相反する性質のこれらの土壌を、両方の欠点が修正されるような割合で混ぜ合わせたものである。土の深さとその下の地層の性質も重要である。最も豊かな土壌が7、8インチの深さしかなく、冷たく湿った粘土や岩の上にある場合、例えば砂利の上にある痩せた土壌ほど実りはないだろう（おそらく最良の下層土であろう）。シュガー甜菜の根の栽培に最適な土壌は、ドイツの農学者が一流の大麦の土壌と呼ぶような、下層土が自由で浸透性のある、まろやかな砂質ロームである。深さは10〜16インチで、深いほどよく分解された有機物とミネラルに富んでいる。

普通の土地では、毎年同じ作物を植えても、次第に収穫が減っていくものである。これは、特定の植物に固有の食糧が、常に風雨にさらされることによって土壌から枯渇してしまうためである。しかし、土から別の種類の栄養を摂取する野菜を1年以上植えれば、地中で絶えず起こっている化学変化により、最初の種類の作物が必要とする餌を供給する時間が与えられるのである。砂糖を生産するための甜菜・ルーツの栽培では、小麦、ライ麦、大麦などの穀物に続いて行う必要があるが、利益を上げるためには、3年目以降に行う必要はない。

甜菜・ルーツの栽培における適切な施肥の利点は、ロウズとギルバートの実験によって示されている。1エーカーの土地で、肥料を与えずに栽培したところ、302ブッシェルの甜菜が育った。隣接する同じ土質の別の土地では、550ポンドの硝酸ソーダまたはチリ硝石で強化し、886ブッシェルの根を収穫した。肥料を使わずに栽培したビーツには、1エーカーあたり2,115・1/2ポンドポンドの砂糖が含まれていた。1エーカー当たりの糖度は、鉱物性窒素で栽培した甜菜は5,145ポンドだった。つまり、肥料を使うことによって、3,030ポンドも糖度が上がったのである。

サトウキビを栽培する直前の秋や春に、窒素分の多い肥料を与えたり、腐敗した有機物（厩肥）を土壌に混ぜたりすると、根の組成に悪影響を与えることが知られている。このような肥料は、果汁中の異物を増加させ、糖の望ましい発達を妨げ、さらに糖を分離するのに不利な状況に置く。したがって、甜菜作物の年には肥料を使用してはならない。

ジャガイモの収穫に必要なのと同じように、土を耕し、刈り取って、庭のように滑らかな地面にした後、種蒔きは5月の初めに始まり、図1に示す甜菜苗植え装置が必要とされるときである。

草刈り機、刈り取り機、結束機、その他の農業の驚異と同様に、多くの労働者の労力を節約することができる。2頭の馬に引かれ、各通路に18インチ間隔で8列を植える。種子は機械の上部にあるホッパーに入れられ、そこからシュートまたは開口部を通って機械本体に降りてくるが、この開口部は自由に拡大または縮小することができる。小さなスプーンを備えたシャフトは、機械の本体を通り、シャフトと駆動輪の1つを結ぶ歯車の配列によって、多かれ少なかれ速く回転するように作られている。一回転するごとに、小さなスプーンが種子を持ち上げて小さなホッパーに入れ、そこから互いに伸縮する一連の漏斗状のチューブを通って、ドリルの種子箱に降りてくる。もう一つの駆動輪によって、もう一組の歯車が動き出し、歯車の配置によって、もう一つの軸が速くなったり遅くなったりして回転する。このシャフトには8つの車輪があり、円周上にカムや突起があり、ドリルの種子箱を開閉するバルブロッドを操作する。このようにして、この歯車は種子の落下距離を調整し、もう一方が種子箱に堆積する種子の量を調整するのと同様に、種子の落下距離を調整する。ドリルには小さな鋤が備え付けられており、この鋤は、この目的のために用意された錘を乗せることによって、種子のために溝を深くしたり浅くしたりする。このため、20エーカーの畑の最後の畝は最初の畝と平行になり、畝の間隔も均一である。土地が十分に準備され、人と馬が作業に慣れていれば、この機械は1日に25から30エーカーの面積を植えることができる。

図2の甜菜耕作機も2頭の馬に引かれ、1回の通路で5列を耕す。これは主に5つの 機械の後輪の間に吊り下げられた骨組みにセットされた5組のスカッフルまたは鍬から主に構成されている。この枠は、歯車に端を発し、歯車のついた半円の上を動くレバーによって、左右に動かしたり、障害物を越えるために高くしたり、畑への行き帰りに便利なようにしたりすることができる。鍬は3種類の道具からなり、作物の生長段階に応じて使い分ける。最初のセットは、畝間の距離とほぼ同じ幅の広い一本鍬からなる。これは、畝が追跡できるようになるとすぐに使用することを目的としており、畝をまたいで、若い植物が土で覆われるのを防ぐ仕掛けが施されている。2つ目の道具は2本の細い鎌で構成されており、より深くまで土を貫通させてかき混ぜ、植物が間引きされて強くなり、もはや土で覆われる心配がなくなってから使用する。第3のセットは、甜菜耕耘機とつながっており、二重の型板耕耘機の一種であり、最後の鍬入れや耕耘に使用する（図3）。これらの道具の形と使い方は、作物の成長のさまざまな段階で使用される耕運機を示す図を参照することでわかる。

甜菜は、2～3個の胚珠を含むすべての種子容器から、同じ数の植物を生産し、そのうちの最も強いものが残される。

残りは引き抜かれるか、あるいは破壊される。間引きは、トウモロコシの栽培と同じように、最初の耕運機が通った後、根が4～5インチの長さになったらすぐに行う。残りの株は6～8インチ間隔で植える。図2に示すように、2～3週間ごとに、葉が6月初旬に適切な成長を遂げるまで、若い植物の周りの土を甜菜耕運機で頻繁にほぐす。この処置は、雑草を取り除き、土壌の吸収性を高めることで、砂糖の生成に影響を与える葉が乱れることなく、早期に発育することを可能にする。

甜菜ディガー（図4）は、2頭の馬に引かれる強力な機械である。重い骨組みに固定された2本の長い刃物（クルター）で構成され、希望に応じて、より深く、またはより少なく走行できるよう配置されている。これらのナイフは、各通路で2列のビーツの下を走り、持ち上げます。機械が通過するとき、甜菜トップの列にはわずかな波紋や起伏が見られるだけであるが、根は手で行うよりも完璧にほぐされ、土が取り除かれ、根が壊れたり地面に残されたりしないので、かなりの収穫増が得られる。甜菜耕運機と同様に、ディガーは機械の後端にあるレバーで操縦し、障害物を乗り越えたり、畑への行き来に便利なように持ち上げることができる。土から出した甜菜は、根元から1.5〜2cmのところで剣のような刃物で葉を切り落とし、根をピットや工場に運び込んで収穫が完了する。

この機械は数学的に正確に作動するように作られており、ドイツでは大きな成功を収め、非常に重要な労働力の節約を達成している。また、マサチューセッツ農科大学でも実験され、同じ結果が得られている。土地が滑らかで平らであればあるほど、耕作に適していることは明らかである。しかし、甜菜機械は、起伏のある土地や不規則な土地でも良い仕事をする。甜菜プランターまたはその一部は、その作業を妨げることなく石やマウンドの上を通過することができ、各部が土地の不均衡に適応できるように十分な準備がなされている。最後に、作物は収穫まで雑草が生えないようにしなければならない。さもないと、清浄な土地では簡素で効果的な模範となるルーツリフターが目詰まりを起こし、まったく機能しなくなるからである。要するに、この機械は土地の準備を入念に行い、耕作の諸作業を時間通りに行い、雑草を根気よく駆逐することが必要であり、その結果、多くの報酬が得られるのである。この機械は、他の作物、特にトウモロコシの栽培によく適応していると言えるだろう。

ニューイングランドの農場で、機械を使用せずに1エーカー当たりサトウキビを栽培する場合の推定コストは、タマネギ、トウモロコシ、ジャガイモの栽培とほぼ同じで、肥料を除けば、次のように見積もることができる。

秋の耕作費 $2.00
春耕作 4ドル
刈り込み 2.00
印付けと植え付け 1.00
最初の除草と間伐 3.00
馬による耕耘機、3回 4.50
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合計 $16.50

しかし、過去10年間に導入され、利益率の高い甜菜糖の製造を可能にした重要な機関である独創的な機械的仕掛けのいくつかを説明しながら、さまざまなプロセスの一般的なアイデアを提供する試みを行いる。甜菜根から砂糖を抽出する方法は、サトウキビから砂糖を製造する際に通常使用される方法とは全く異なるが、前者の原理は後者にも同様に適用でき、サトウキビ砂糖メーカーが古い機械システムを回転拡散電池に置き換える余裕があるときには、おそらく一般的に採用されるだろう。

甜菜根は農民によって、長さ約900フィート、5,000トンの甜菜を収容できる大きな容器に捨てられ、そこから調節可能なトラップによって、甜菜小屋の下にあるコンクリートの溝または運河に落とされる。この水路には、レンガや金属の溝が設けられており、根は急流に運ばれて工場の第一段階であるウォッシュハウスに流れ込みます。洗浄室には、大きなスクリューまたは起伏のある車輪があり、甜菜はこの車輪によって2階にあるホッパーに入れられる。

そこからウォッシュバレルと呼ばれるドラム型の大きな鉄の筒に入り、根が徹底的に洗浄される。根に付着しているカビや小石などの汚れを取り除くことで、甜菜を加工する機械が傷まないようにするだけでなく、最終的に得られる砂糖に不純物が混じらないようにするためである。そのため、カルーサルと呼ばれる機械を使って、サッカリンの少ない部分や傷のある部分など、好ましくない部分を取り除くのである。

洗浄が終わると、甜菜は洗浄樽からホッパーに投げ込まれ、そこからエンドレスのエレベーターで最上階まで運ばれ、そこで大きなホッパーに排出される。その後、1000ポンドの甜菜を収納できるカゴに入り、この重量が表示されると、カゴはその積荷をカッターまたはスライサーに空けられる。図5. このケージとインジケーターによって、工場の人々は毎日使用される原料の量を綿密に見積もることができる。また、あらゆる部門のチェックにもなる。受入部門や出荷部門で発生する可能性のある誤差が表示されるのである。スライサーは、水平に回転する丸い鉄の軸に、24時間で400トンの甜菜をスライスできる鋼鉄のナイフを取り付けたものである。回転するナイフがビーツに降りかかると、ビーツを薄く切り、拡散システムの重要な要素である糖細胞を露出させる。カッターの下端は、2フィート四方ほどの木の谷に通じており、その底にはエンドレスのベルトが敷かれている。スライスされたビーツがカッターから落ちると、ベルトが拡散タンクまで運んでくれる。

「甜菜砂糖産業の成長」の記事で、拡散槽の動作について言及したところ、「発想は単純だが、液体の輸液における化学科学のよく知られた法則を示しており、植物の糖細胞の膜壁をうまく開き、従来の機械的圧力による方法よりも低コストで、グミ、窒素、繊維質の不純物が少ない高級ジュースを与える」と述べられていた。膜拡散とは、膜だけで仕切られた2つの容器に入った、密度が等しくない2つの流体の間で交換が行われる過程を意味する。理論的には、砂糖の細胞を純水と接触させたとすると、細胞が12パーセントの砂糖を含んでいる場合、同じ重量の水が6パーセントの砂糖を含むまで輸液が行われ、細胞への水の通過によって、その液汁も同じ程度に減少することになる。この6パーセントの水溶液を、12パーセントの砂糖を含む新鮮な根と一緒に処理すると、9パーセントの水溶液ができ、これを3回目に新鮮な根と接触させると、10-5パーセントの密度にまで上昇する。このように、3回目の操作で全体の8分の7の糖が得られる。拡散法は、この理論に基づいている。

図6の拡散槽は、ディフューザーと呼ばれる大型の密着型直立円筒を12本並べ、上部にマンホールと穴あき仮底を設け、同数のヒーターをディフューザーと交互に配置し、中心を回転させたものである。高架タンクからの純水が80ポンドの圧力で2、3トンのスライスされた甜菜の塊の中を浸透していくので、あるシリンダーの液体は連絡パイプを通して別のシリンダーに押し出され、熱と圧力の複合作用で溶液全体に糖分が豊富に含まれるようになるのである。1号シリンダーには、ほとんど水分のなくなったスライスが入っており、そこから2号シリンダーへと液体が流れ込み、果汁の多いスライスに作用する。このように、溶液は各シリンダーで果汁の多いスライスに出会い、密度を増しながら進んでいくる。最後のシリンダーに入る前に溶液は加熱され、濃厚な液体は炭酸タンクへ送られる。この飽和工程は、拡散液を石灰と炭酸で処理し、非サッカリン物質を沈殿させ、一部を分解し、砂糖は溶液のまま変化させずに残る。この夾雑物や非サッカリン物質は、しぼり汁中にかなりの割合で存在し、砂糖の結晶化を阻害する。

炭酸ガスは石灰窯で発生させる。図7は、炉と搬入口を備えた中空の円形不燃材料室からなり、一般に工場敷地内の屋外に設置される。石灰と炭酸ガスは、大理石片をコークスの火と硫酸の浴で分解することで得られる。飽和の工程が終わると、液体はライポンプによってサンドキャッチャーに集められ、圧力下で第一飽和のフィルタープレスに運ばれ、そこで沈殿した物質が受け取られる。プレスは4角のプレートまたはフレームから成り、その上に布が張られている。残滓は場合によって板の間や枠の中に沈殿し、液体はプレス機を出る前に布を通過し、こうして濾過される。

圧搾機から液体塊は蒸発装置に送られる。この蒸発器は、一重、二重、三重、四重と、その効果に応じて垂直または水平に置かれた1つまたは複数の円筒形の容器からなり、加熱管のシステムが備えられている。最初の容器の煮汁から発生する蒸気は、2番目の容器を加熱するのに役立ち、これが一連の流れになる。蒸発器上の加熱装置の排気は、1つの容器から他の容器につながる小さな管によって行われ、凝縮器と接続されている。

シラップがある程度の濃度に達すると、空気圧による吸引で直接真空ボイラーに吸い上げられる。図8は真空ボイラーで円錐形の底面を持つ縦長の円筒形または球形の容器で、加熱用のウォームチューブが収められている。真空ボイラーから取り出した塊は、まず、攪拌機と冷凍ジャケットを備えたトラフからなる冷凍機に入れられる。砂糖の結晶の塊は、原料糖を得るためにサルプから分離しなければならないので、冷蔵庫から遠心分離機へ送られる。

図9は遠心分離機で円筒形のドラムの上に細かく穴のあいたふるいを置き、その軸を中心に高速で回転させるものである。ドラムに入れられた塊は、遠心力の作用で篩に押し付けられ、液体は小さな開口部を通って逃げていく。ドラムから排出された原料糖は、別のふるいに移され、塊が取り除かれた後、最終的に下の階の袋に入れられ、精製工場に送られる。粗糖を商業用のブロックシュガーに精製する工程は、独立した産業である。