Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние сырьевой базы в России. Анализ существующей техники и технологии диффузионного извлечения сахарозы из свеклы 12
1.1 Анализ сахарной свеклы как сырья для производства сахара-песка 14
1.1.1 Химический состав сахарной свеклы 14
1.1.2 Требования к сахарной свекле как к сырью для производства сахара.. 16
1.2 Теоретическое представление диффузионного извлечения сахарозы из
сахарной свеклы 17
1.2.1 Факторы, влияющие на диффузионный процесс 25
1.3 Обзор существующих технологий диффузионного извлечения сахарозы
из свекловичной стружки 30
1.3.1 Способы подготовки свекловичной стружки к процессу экстрагирования 32
1.3.2 Способы подготовки экстрагента для диффузионного извлечения сахарозы 1.4 Обзор современного технологического оборудования для экстрагирования сахарозы из свеклы 36
1.5 Анализ математических моделей диффузионного извлечения сахарозы 53
1.6 Анализ литературного обзора, формулировка цели и основных задач исследования 63
Глава 2. Исследование тепломассообменных и структурно механических свойств свекловичной ткани 67
2.1 Изучение влияния термохимической обработки свекловичной ткани на величину коэффициента эффективной диффузии 67
2.2 Исследование влияние термохимического воздействия на структурно-механические и прочностные характеристики свекловичной ткани 72
2.3 Исследование влияния термохимической обработки свекловичной стружки на влагоудерживающую способность свекловичного жома 76
Глава 3. Изучение кинетики термохимической обработки свекловичной стружки 78
3.1 Исследование влияния тепловой обработки свекловичной стружки на массообменные и качественные показатели диффузионного процесса 79
3.2 Выбор реагентов для обработки свекловичной стружки 84
3.3 Выбор рациональной концентрации раствора сульфата аммония 87
3.4 Выбор рационального количества раствора сульфата аммония для обработки свекловичной стружки 89
3.5 Определение остаточного содержания компонентов реагентов в полупродуктах производства 91
3.6 Исследование влияния электрохимической активации растворов реагентов на массообменные и качественные показатели диффузионного процесса
3.6.1 Экспериментальная установка и методология исследований 95
3.6.2 Выбор реагента для экспериментальных исследований 96
3.6.3 Выбор рациональной напряженности электрического поля для ЭХА раствора сульфата аммония 99
3.6.4 Выбор рациональной продолжительности ЭХА раствора сульфата аммония
3.7 Исследование влияния ЭХА растворов реагентов для термохимической обработки стружки на микроструктуру клеток свекловичной ткани 104
3.8 Влияние параметров ЭХА на массообменные критерии диффузионного процесса 109
Глава 4. Математическое моделирование процесса диффузионного извлечения сахарозы с применением термохимической обработки свекловичной стружки 113
4.1 Постановка задачи математического моделирования процесса нестационарной одномерной диффузии сахарозы из свекловичной стружки 113
4.2 Представление начально-краевой задачи в безразмерной форме 117
4.3 Получение общего решения уравнения нестационарного одномерного диффузионного процесса 120
4.4 Нахождение констант интегрирования 124
4.5 Результаты решения задачи нестационарного одномерного процесса диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки 127
4.6 Результаты математического моделирования нестационарного одномерного процесса диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки 128
Глава 5. Разработка способа получения диффузионного сока с использованием термохимической обработки свекловичной стружки перед экстрагированием сахарозы и конструкции аппарата для ее реализации 141
5.1 Эксергетический анализ термодинамической эффективности способа подготовки свекловичной стружки к экстрагированию 144
5.2 Разработка конструкции ошпаривателя свекловичной стружки 151
5.3 Разработка технологической линии получения диффузионного сока с использованием термохимической обработки свекловичной стружки перед экстрагированием сахарозы 156 Основные выводы и результаты 160 Литература 162
- Химический состав сахарной свеклы
- Исследование влияние термохимического воздействия на структурно-механические и прочностные характеристики свекловичной ткани
- Выбор рационального количества раствора сульфата аммония для обработки свекловичной стружки
- Разработка конструкции ошпаривателя свекловичной стружки
Введение к работе
Актуальность работы. Сахарная промышленность,
перерабатывающая значительные объемы сахарной свеклы, является масштабным кластером пищевой промышленности отечественного АПК. Это обусловлено высоким потребительским спросом на сахар, как у рядовых потребителей, так и у различных отраслей: кондитерская, биохимическая, фармацевтическая и другие, где сахар является незаменимым компонентом производства.
По своей энергоемкости, сложности и стоимости
теплоэнергетического комплекса, по неразрывности связей между
технологическими и теплоэнергетическими процессами сахарное
производство занимает первое место среди отраслей пищевой индустрии, а
по своей значимости приближается к таким отраслям, как металлургическая,
целлюлозно-бумажная и нефтеперерабатывающая. Для производств
подобного уровня важнейшими критериями оценки эффективности их
деятельности являются показатели энергоэффективности и
ресурсосбережения, к которым следует отнести расход топлива (природного газа и угля) и расход реагентов и материалов, необходимых для технологической деятельности предприятий.
По данным Союза сахаропроизводителей России, в 2015 году на
отечественных свеклосахарных заводах в среднем расход условного топлива
составил 4,23 %, а расход известняка – 4,01 % к массе перерабатываемой
свеклы. В то же время на предприятиях Европейского союза данные
показатели составили 2,5 % и 2,0 % к массе перерабатываемой свеклы. Такие
высокие значения расхода топлива и известкового камня в сравнении с
предприятиями Европейского союза свидетельствуют о необходимости
совершенствования отечественного свеклосахарного производства за счет
внедрения современных энергоэффективных ресурсосберегающих
технологий.
Одним из наиболее энергоемких участков свеклосахарного
производства является станция диффузионного извлечения сахарозы из
свекловичной стружки. Большинство отечественных предприятий оснащено
диффузионными аппаратами наклонного типа. Проведение диффузионного
процесса в аппаратах такой конструкции сопровождается рядом проблем:
неравномерный обогрев сокостружечной смеси по длине аппарата, высокий
расход греющего пара для достижения необходимой температуры
диффузионного процесса, повышенная продолжительность процесса
экстрагирования, высокие потери сахарозы в свекловичном жоме.
Сложившаяся ситуация свидетельствует о низком уровне
термодинамического совершенства станции извлечения сахарозы из свеклы,
осложняемом постоянным удорожанием энергоносителей и вспомогательных материалов. Актуальной задачей является совершенствование процесса диффузионного извлечения сахарозы из свеклы путем разработки и внедрения экологически чистой энергоэффективной ресурсосберегающей технологии термохимической обработки свекловичной стружки перед ее поступлением в диффузионный аппарат и ошпаривателя свекловичной стружки для ее реализации.
Научная работа осуществлялась в соответствии с тематическим планом госбюджетной НИР кафедры технологии бродильных и сахаристых производств ВГУИТ (№ государственной регистрации 114121670054) «Совершенствование технологических процессов бродильных и сахаристых производств с использованием физико-химических, ресурсосберегающих, биохимических методов воздействия и нетрадиционного сырья».
Цель работы - разработка энергоэффективной ресурсосберегающей технологии термохимической обработки свекловичной стружки греющим паром и электроактивированным раствором реагента перед экстрагированием сахарозы и создание оборудования прогрессивной конструкции для реализации данного процесса.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
исследование структурно-механических и тепло массообме нных характеристик свекловичной ткани в условиях термохимического воздействия;
экспериментальные исследования кинетических закономерностей процесса термохимической обработки свекловичной стружки и влияния электрохимической активации растворов реагентов на величину коэффициента эффективной диффузии сахарозы и качественные показатели полупродуктов;
определение рациональных параметров процесса термохимической обработки свекловичной стружки греющим паром и электрохимически активированными растворами предлагаемых реагентов;
разработка математической модели диффузионного процесса с использованием термохимической обработки свекловичной стружки;
разработка конструкции ошпаривателя свекловичной стружки и технологической линии диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки, предусматривающей ее термохимическую обработку перед подачей в диффузионный аппарат;
эксергетический анализ, технико-экономический расчет и промышленная апробация предлагаемой технологии термохимической обработки свекловичной стружки.
Научная новизна. Обоснованы направления совершенствования
процесса диффузионного извлечения сахарозы из свеклы с целью
повышения ресурсо- и энергосбережения путем предварительной
термохимической обработки сырья.
Определены значения тепломассообменных характеристик процесса термохимической обработки и их зависимости от ряда физических и технологических параметров (деформационных характеристик сырья, условий ЭХА раствора реагента и термохимической обработки стружки).
Обоснован рациональный способ подготовки сырья к экстрагированию сахарозы, включающий термохимическую обработку водными растворами специально подобранных реагентов с заданными характеристиками.
Разработана математическая модель процесса диффузионного
извлечения сахарозы с применением термохимической обработки
свекловичной стружки, позволяющая обосновать минимизацию потерь
сахарозы в жоме при сокращении продолжительности процесса диффузии.
Адекватность математической модели подтверждена результатами
эмпирических исследований.
Практическая значимость. Получены экспериментальные
зависимости влияния температуры термохимической обработки
свекловичной стружки, концентрации и расхода реагента,
продолжительности электрохимической активации и напряженности
электрического поля на величину коэффициента эффективной диффузии сахарозы и качественные показатели полупродуктов.
Разработаны энергоэффективные способы получения диффузионного сока (пат. РФ № 2553234, 2551551, 2603829) и конструкция устройства для их осуществления (пат. на полез. мод. РФ № 161421).
Разработано программно-информационное обеспечение
(свидетельства о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2016615273,
2016615275), позволяющее управлять параметрами процесса
термохимической обработки свекловичной стружки.
Показана целесообразность использования термохимической
обработки свекловичной стружки водноэлектроактивированным раствором солевого реагента, что позволяет снизить расход греющего пара на станции диффузионного извлечения сахарозы на 3 %, сократить продолжительность процесса экстрагирования сахарозы на 20 % при достижении нормативных потерь сахарозы в обессахаренной свекловичной стружке.
Выполнен эксергетический анализ предлагаемой разработки,
подтверждающий энергетическую эффективность способа термохимической обработки свекловичной стружки перед процессом экстрагирования сахарозы из свеклы.
В условиях ООО «Балашовский сахарный комбинат» проведены производственные испытания способа получения диффузионного сока с термохимической обработкой свекловичной стружки, свидетельствующие об эффективности данной разработки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на международных, межвузовских и всероссийских научно-практических и научно-технических конференциях: (Воронеж, 2012 - 2016), (Москва, 2015), международных научно-технических и отчетных научных конференциях ВГУИТ за 2013-2016 гг.
Интеллектуальные разработки, представленные в работе,
демонстрировались в межвузовском конкурсе инновационных проектов «Кубок инноваций» (Воронеж, 2014-2015), ІІІ региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ФГБОУ ВО ВГУИТ «Современные разработки в области пищевой промышленности, сельского хозяйства и биотехнологии (Умник-2015)» (Воронеж, 2015).
Публикации. Материалы диссертационных исследований представлены в 27 работах, в том числе: 9 – в журналах, рецензируемых ВАК Минобрнауки РФ, получено 3 патента РФ на изобретение, 1 патент на полезную модель, а также 2 свидетельства Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, основные выводы и результаты, список использованной литературы из 159 наименований, в том числе 27 – на иностранных языках, приложение на 99 с. Объем основного текста включает 178 страниц машинописного текста, 21 таблицу и 74 рисунка.
Химический состав сахарной свеклы
Содержание азотсодержащих веществ в свекле колеблется от 0,15 до 0,2 %. Среди них имеются белки, в преобладающем количестве глобулины и нуклеопро-теиды, которые при высаливании выпадают в осадок. Также в свекле присутствуют: азотистые основания - бетаин (до 0,3 %), холин (в составе лецитина), пурины, пиримидины; соли аммония; нитриты и ароматические вещества (ванилин, ацета-мид); витамины B1, B2, B4, пантотеновая, никотиновая, и биотин.
Основными минеральными веществами (до 0,6 %), входящими в состав свеклы, являются: K2O – 0,25 %, Al2O3 + Fe2O3 – 0,02 %, CaO – 0,09 %, MgO – 0,07 %, Na2O – 0,05 %, P2O5 – 0,09 %, SO32 – – 0,02 % , SiO2 – 0,02 %, Cl- – 0,01 %.
Химический состав сахарной свеклы может изменяться в зависимости от климатических условий, агротехники возделывания, вносимых удобрений, состава почв и других факторов [36].
Качество сахарной свеклы, поступающей в переработку, регламентируются требованиями ГОСТ Р 52647-2006 «Свекла сахарная. Технические условия» [29] (таблица 1.2). Таблица 1.2 - ГОСТ Р 52647-2006 «Свекла сахарная. Технические условия» Наименование регламентируемого показателя Нормативная величина показателя Сахаристость, % не менее 14,0 Загрязннность, % не более 15,0 Содержание зеленой массы, % не более 3,0 Содержание увядших корнеплодов, % не более 5,0 Содержание корнеплодов с сильными механическими повреждениями, % не более 12,0 Содержание цветушных корнеплодов, % не более 1,0 В соответствии с требования ГОСТ для производства сахара допускаются только корнеплоды сахарной свклы, имеющие типичные для ботанического вида форму и окраску, очищенные от листьев и черешков. Корнеплоды мумифицированные (потеря влаги более 20 %), с сильными механическими повреждениями и сильно подгнившие не допускаются
Наиболее подходящими для переработки являются корнеплоды правильной грушевидной формы с гладкой поверхностью. Средняя масса их должна составлять 0,6-1,0 кг. В корнеплодах весом 1,2-1,5 кг содержание сахарозы понижено. Корнеплоды весом 0,3 кг и менее считаются не полноценно развитыми, и количество сахара в них также понижено.
Главным критерием, определяющим экономическую прибыль, является сахаристость сахарной свеклы. Этот показатель зависит от степени технической спелости корнеплодов: при достижении такой спелости в корнеплоде накапливается наибольшее количество сахарозы и обеспечивается высокая чистота клеточного сока. Техническая спелость сахарной свеклы достигается быстрее в засушливый период, чем в дождливый, и зависит от ряда факторов: сорта свеклы, погодных условий, агротехнических мероприятий и плодородия почвы.
Экстракция – это процесс извлечения одного или нескольких компонентов из сложного по составу сырья с помощью растворителя (экстрагента) [110,138,150].
Принято считать, что процесс экстрагирования сахара из свеклы протекает при определенных условиях (температура 72-75 С) и включает две важнейших стадии: перенос (конвективную диффузию) сахара из внутренних слоев стружки к ее поверхности по законам молекулярной диффузии и затем от поверхности стружки к экстрагенту (массообмен). Извлечение сахара из свекловичной стружки происходит за счет процесса диффузии, представляющего собой самопроизвольное выравнивание концентрации веществ на границе раздела двух фаз за счет теплового движения молекул (рисунок 1.4). Рисунок 1.4 – Схема протекания диффузионного процесса По своей сущности процесс экстрагирования сахарозы является сложным процессом массопередачи, при котором скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен. Наибольшее влияние на массообмен оказывает молекулярная диффузия, которую рассматривают как перенос вещества из одной части системы в другую за счет теплового движения молекул [46, 81,133, 136, 140].
Основоположником теории диффузионного процесса следует считать А. Фика, описавшего в 1855 году простейшую модель протекания диффузионного процесса и сформулировавшего основные законы, по которым осуществляется молекулярная диффузия. Процесс диффундирования, описываемый согласно пер вому закону Фика, можно представить в виде уравнения: м DF(C - с)т п (1.1) где М - количество вещества, диффундирующего через некоторую площадку F, С-с - разность концентраций; г - время; D - коэффициент диффузии; п - толщина слоя [22].
Аналитическое изучение процесса экстрагирования позволяет получить уравнение, связывающее временные и пространственные изменения концентрации любого диффузионного процесса. Подобное уравнение может быть получено на основании материального баланса процесса экстрагирования, протекающего в элементарном параллелепипеде рассматриваемого тела (свекловичная стружка). Уравнение имеет вид: J X dc + lvdc + mdc + mdc = D dx dy dz dr (d2C d2C d2C) dx2 dy2 dz DV2C (1.2) где выражение в левой части - так называемая субстанциональная производная; выражение в правой части - коэффициент молекулярной диффузии D; DV2 C -оператор Лапласа.
Если концентрация экстрагируемого вещества изменяется лишь в результате движения свекловичной стружки и сока с условием, что в любом данном сечении диффузионного аппарата концентрация вещества с течением времени не изменяется, то процесс экстрагирования в этом случае является установившимся. К такому виду процесса можно отнести извлечение сахарозы из свекловичной стружки в непрерывно действующем диффузионном аппарате. Уравнение (1.2) учитывает изменение концентрации с течением времени во всех трех направлениях и является частным случаем общего закона теплопроводности (1.3) подобно закону Фурье (1.4).
Между законом Фика (1.1) и Фурье (1.4) можно провести аналогию, поскольку они подобны, хотя следует помнить, что теплообмен не связан с перемещением массы, что имеет место при массообмене. Закон Фика является частным примером основного закона массообмена для установившегося диффузионного процесса, движущей силой которого является изменение градиента концентраций вещества. Это условие применимо и для описания процесса диффундирования сахарозы из свекловичной стружки [2].
Одним из важнейших критериев оценки эффективности экстракционного процесса является величина коэффициента пропорциональности (D) в выражении закона Фика - коэффициента молекулярной диффузии. Данный коэффициент выражается следующим образом:
Исследование влияние термохимического воздействия на структурно-механические и прочностные характеристики свекловичной ткани
Экстрагирование сахарозы осуществляется следующим образом. Свекловичная стружка ленточным транспортером 1, снабженным автоматическими весами 2, подается в наклонный ошпариватель 25, где происходит ее нагрев сначала поперечным, затем циркуляционным потоками диффузионного сока до температуры 72-73 С. Из ошпаривателя сокостружечная смесь перекачивается насосом и, проходя через распределитель 21, подается в колонный диффузионный аппарат 5 снизу вверх, навстречу потока сока. Нижняя часть распределителя снабжена обратным клапаном, необходимым для предотвращения обратного движения со-костружечной смеси при внезапном отключении насосов.
Распределитель 21 равномерно распределяет стружку на поверхности фильтрующего горизонтального сита 22, совмещенного с трубовалом 8. На трубовале жестко закреплены лопасти 6, необходимые для перемешивания свекловичной стружки. Для исключения вращения массы свекловичной стружки на внутренней поверхности аппарата радиально закреплены контрлопасти 7.
Из диффузионного аппарата сок через ситчатые контрлопасти 23 поступает в песколовушку 24 для отделения песка. На выходе из песколовушки 24 происходит разделение общего количества диффузионного сока на два потока: поперечный и циркуляционный. Поперечный поток (115 % к массе переработанной свеклы) направляется в теплообменник 4, где нагревается до температуры 78-80 С и затем подается в теплообменный отдел ошпаривателя 25 для нагревания стружки с целью денатурации белков ткани.
Циркуляционный поток (250-300 % к массе переработанной свеклы) также подогревается теплообменнике 4 до температуры 78-80 С, но направляется в перемешивающее устройство ошпаривателя 25, где осуществляется непосредственное ошпаривание стружки и подготовка к обессахариванию.
Полученный диффузионный сок температурой 45 С в количестве 115-120 % к массе переработанной свеклы отбирается из торцевого сита ошпаривателя 25 и перекачивается сначала в гидроциклонную песколовушку 26, где он освобождается от песка, а затем в мезголовушку 3для удаления из него частичек мезги. Очищенный от механических примесей диффузионный сок направляется на физико-химическую очистку.
Обессахаренная свекловичная стружка (жом) удаляется из диффузионного аппарата через окна 9 с помощью скребкового транспортера 10, после чего направляется для отделения жомовой воды в шнековый водоотделитель 12 и вертикальный жомовые прессы 13. Полученная жомопрессовая вода направляется в мезголовушку 11 и затем перекачивается в отстойник 20 и отстойник 19, где освобождается от мути и взвесей. Для подавления жизнедеятельности микроорганизмов в отстойник 20 периодически вводят антисептик. Очищенная и подогретая жомопрессовая вода направляется в подогреватель 14, где нагревается до температуры 70-72 С и возвращается колонный диффузионный аппарат. Это позволяет снизить величину потерь сахарозы в диффузионном отделении сахарного завода. В качестве экстрагента для диффузионного процесса используют свежую промышленную (питательную) воду, которую предварительно нагревают и направляют в сборник 16. Из этого сборника она поступает в сульфитатор 17, где происходит ее обработка газом SO2 до значения рН 5,5-6, а затем в сборник питательной воды 18, откуда направляется в колонный диффузионный аппарат. Для достижения максимального эффекта при подготовке питательной воды в сборник 18 периодически вводят раствор двойного неаммонизированного суперфосфата. Очищенная и подготовленная вода перекачивается в теплообменник 15, где подогревается до температуры 72-73 С и направляется в диффузионный аппарат для обессахаривания стружки.
Данная технологическая линия имеет ряд недостатков: в качестве теплового агента для ошпаривания стружки используется диффузионный сок. Данное технологическое решение не всегда обеспечивает необходимую степень денатурации белков свекловичной ткани и ее проницаемости, что способствует возрастанию потерь сахарозы в диффузионном отделении. Также следует отметить длительное пребывание диффузионного сока внутри контуров рециркуляции и ошпаривания, приводящее к термическому разложению сахарозы в диффузионном соке и увеличению накопления в нем редуцирующих веществ, что также способствует возрастанию потерь сахарозы за счет реакции автокаталитического разложения [77].
За последние 5-7 лет широкое применение получили ротационные диффузионные аппараты. На рис. 1.10 представлен ротационный диффузионный аппарат РДА-57. Ротационный диффузионный аппарат РДА-57 представляет собой горизонтально расположенный барабан 1 цилиндрической формы, опирающийся на два бандажа 2 и пару роликовых опор 3. Вращение барабана осуществляется от электродвигателя постоянного тока 7 через редуктор 6 посредством цилиндрической и зубчатой передач, между венечной шестерней 4, парой главных передач 5 и корпусом аппарата 1. Для предотвращения осевого смещения корпуса аппарата установлена пара роликовых упоров 8.
Отбор диффузионного сока из аппарата осуществляется через фильтрующее сито 10, огражденное каркасным кожухом 9 с вытяжным устройством 3. Отбираемый из аппарата диффузионный сок направляется в сборник 11, в головной части которого установлен пеногаситель 12. Обессахаренная свекловичная стружка отводится в бункер 13.
Основными достоинствами ротационных диффузионных аппаратов являются: незначительная чувствительность к качеству свекловичной стружки; полная автоматизация процесса экстрагирования; точная дозировка экстрагента; при аварийной остановке диффузионного аппарата не происходит смешения диффузионного сока по длине аппарата [15].
К недостаткам можно отнести значительную металлоемкость аппарата; низкий коэффициент заполнения аппарата; подверженность коррозионному воздействию; высокие потери сахарозы внутри аппарата в результате микробиологической активности; повышенное содержание мезги в диффузионном соке.
Выбор рационального количества раствора сульфата аммония для обработки свекловичной стружки
Исследования разных лет [53, 76, 134] процесса экстрагирования сахарозы из свеклы свидетельствуют о том, что для извлечения максимального количества сахарозы из свеклы необходимо обеспечить высокую степень проницаемости свекловичной ткани, которая достигается за счет денатурации ее белковых составляющих. На проницаемость оболочки клеток значительное влияние оказывают гидрофильность коллоидов, входящих в состав клеточных стенок, и дегидратирующее действие растворов, диффундирующих через клеточные мембраны. Повышение температуры и концентрации сахарных растворов способствует более сильному обезвоживанию гидрофильных коллоидов, а извлечение из оболочек клеток ряда гидрофильных веществ приводит к падению гидрофильности всей системы и понижению проницаемости клеточной стенки.
Важнейшим критерием оценки проницаемости свекловичной ткани является величина коэффициента молекулярной диффузии D (м2/с), который также необходим для выявления основных массообменных характеристик и параметров диффузионного процесса [59]. С увеличением степени денатурации свекловичной ткани пропорционально возрастает величина D, следовательно, процесс экстрагирования протекает эффективнее. Степень денатурации протоплазмы клеток свекловичной ткани зависит от ряда факторов: применения различных воздействий на свекловичную стружку, в том числе тепловой обработки; параметров тепловой обработки стружки, температуры диффузионного процесса, природы экстрагента.
Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию молекул, скорость их движения, уменьшает вязкость взаимодействующих фаз, что способствует более эффективному протеканию процесса. С понижением вязкости экс-трагента величина коэффициента диффузии пропорционально возрастает. Проведены исследования [61] влияния процесса термохимической обработки свекловичной ткани из свеклы высокого и низкого технологического достоинства на величину коэффициента эффективной диффузии сахарозы. В качестве тепловых агентов для обработки свекловичной ткани использовали водяной пар и водные растворы солевых реагентов, некоторые из которых используются на различных участках свеклосахарного производства. В качестве реагентов рассмотрены водные растворы сульфатов аммония (NH4)2SO4, алюминия Al2(SO4)3 и кальция СаSO4.
Для оперативного контроля влияния различных видов воздействия на молекулярную диффузию, широко распространн метод [85], основанный на определении величины коэффициента эффективной диффузии сахарозы. Величину коэффициента эффективной диффузии определяли с помощью лабораторной установки представленной на рисунке 2.1.
Для обеспечения герметичности крышка диффузионной камеры прижимается к своему основанию посредством крепежей 8. Внутри диффузионной камеры расположено перемешивающее устройство, приводящееся в движение электроприводом 11 посредством ременной передачи 10.
Величина коэффициента диффузии определяется отношением концентрации сахарозы в экстрагенте и свекле с учетом объемов взаимодействующих фаз, времени экстрагирования и толщины образцов свеклы.
Методика определения коэффициента эффективной диффузии состояла в следующем: от общего количества привезенной для исследований сахарной свек 70 лы отбирали 10 корнеплодов, которые подвергали механической очистке. Далее специальным ножом, состоящим из пары лезвий, из каждого корнеплода вырезали плоскопараллельную пластину заданной толщины. Из каждой пластины специальным трубчатым ножом вырубали по 2 диска заданного диаметра. Общее количество дисков составляет 20. Далее общее количество дисков разделяли на две порции по 10 штук. Первую порцию дисков промывали в течение 5 мин дистиллированной водой, нагретой до температуры 60 С. Промывание необходимо для удаления с поверхности диска сахарозы, вышедшей из разрушенных при изрезы-вании клеток, с целью снижения погрешности методики.
После промывания первую порцию дисков истирали в свекловичную кашку для определения массовой доли сахарозы методом горячей водной дигестии.
Вторую порцию дисков (10 шт.) ополаскивали в течение 2 мин в растворах реагентов Al2(SO4)3, (NH4)2SO4 и CaSO4, нагретых до температуры 60 С, после чего их ошпаривали в течение 30 с паром и помещали в предварительно подогретую до температуры 72 С термостатируемую диффузионную камеру 9, (см. рисунок 2.2). Диски закрепляли таким образом, чтобы их нижние торцовые поверхности не контактировали с экстрагентом.
Далее в диффузионную камеру приливали заданное количество экстрагента, подогретого до температуры 72 С. В качестве экстрагента использовали смесь дистиллированной воды и растворов сульфатов алюминия, аммония и кальция, которые добавляли в количестве 10 % к массе стружки в основной экстрагент. После добавления экстрагента герметично закрывали диффузионную камеру и включали перемешивающее устройство. Момент включения устройства соответствует началу эксперимента, момент его выключения – концу эксперимента. Экстрагирование осуществляли в течение 60 минут.
В качестве варианта сравнения проводили экстрагирование без применения термохимической обработки образцов свеклы, где в качестве экстрагента использовали чистый конденсат (дистиллированную воду).
Разработка конструкции ошпаривателя свекловичной стружки
Установка состоит из 2-х основных рабочих узлов: автоматического выпрямителя электрического тока ЛТП-8 и активационной электродной ячейки.
Выпрямитель тока ЛТП-8 снабжен регуляторами тока 2 и подающегося напряжения 6, приборами для их регистрации – миллиамперметром 3 и вольтметром 5, а также системой безопасности, предохраняющей от короткого замыкания и поражения электрическим током, которая представлена комплексом диф-автоматов 25А АД-12 IEK, находящихся внутри корпуса выпрямителя и плавким предохранителем 4, рассчитанным на силу тока 25А.
Активационная ячейка 12 выполнена из закаленного ударопрочного стекла. В корпус ячейки герметично вмонтирована система металлических электродов, состоящая из катода 13 и анода 14. Металл, из которого выполнены электроды, устойчив к нагреванию, неконтактен к воздействию химических реагентов, а также не подвергается коррозионному воздействию в условиях низких значений рН обработки технологических растворов.
Установка работает следующим образом: технологический раствор реагента подается в ячейку 12 через патрубок 15 до полного заполнения внутреннего объема ячейки. После этого с помощью кнопки 8 включается автоматический выпрямитель 1, преобразующий переменный ток в постоянный. Постоянный ток подается на анод 14 и катод 13 через выходные клеммы 9. Активация раствора осуществляется в пространстве между электродами. При этом происходит незначительное подкисление раствора до рН 4,2-4,7 за счет появления кислот, образующихся при разрядке анионов. Активированный раствор реагента отводится из ячейки через патрубок 11 и направляется для обработки свекловичной стружки.
Проведены исследования, в которых в качестве технологических растворов были рассмотрены водные растворы сульфатов аммония (NH4)2SO4 и алюминия Al2(SO4)3. Цель исследований – выявление рационального реагента для термохимической обработки свекловичной стружки. Правильно подобранный реагент позволяет оптимизировать протекание диффузионного процесса и получить диффузионный сок с высокими качественными показателями. Для наглядного отображения получаемых результатов параллельно осуществляли экстрагирование сахарозы традиционным способом без предварительной обработки стружки. Исследования проводили согласно следующей методике: получали свекловичную стружку с заданными геометрическими параметрами, из общей массы которой отвешивали на лабораторных весах «Mettler Toledo – 260» несколько проб массой 200 г каждая. Для исследований использовали 3 навески стружки: 2 из которых подвергали обработке паром температурой 100 С в течение 60 с с последующей обработкой водными растворами реагентов, которые подвергали ЭХА в течение 120 с. Электрохимически активированные растворы реагентов подогревали до температуры 72 С и добавляли к ошпаренной стружке в количестве 10 % к массе навески. Обработанную стружку помещали в экстрактор, приливали заданное количество экстрагента (90 % к массе стружки), в качестве которого использовался конденсат (дистиллированную воду), подогретый до 70 оС. Диффундирование сахарозы осуществляли при температуре 70 С в течение 60 мин в условиях постоянного перемешивания. Для сравнительной оценки проводили экстрагирование сахарозы согласно традиционной технологической схеме с использованием стружки, не подвергавшейся термохимической обработке.
По истечении времени диффундирования разделяли обессахаренную свекловичную стружку и диффузионный сок. Диффузионный сок подвергали физико-химической очистке, предусматривающей прогрессивную предварительную дефекацию, основную горячую дефекацию, 1 и 2 сатурации, фильтрование (рисунок 3.15, таблица 3.3). Рисунок 3.15 – Блок-схема проведения эксперимента по выбору рационального реагента
Анализ качественных показателей полупродуктов свидетельствует о целесообразности электрохимической активации растворов реагентов, причем приоритетным вариантом является ЭХА раствора сульфата аммония. Данный реагент является наиболее эффективным для термохимической обработки свекловичной стружки. Целесообразность проведения электрохимической обработки раствора сульфата аммония обусловлена повышением качества полупродуктов в сравнении с традиционной технологией диффундирования сахарозы. Полученные высокие значения показателей соков обусловлены тем, что при ЭХА растворов происходит электрохимическое воздействие поля на присутствующие в растворе ионы и молекулы, в результате чего увеличивается их каталитическая активность. При таких условиях заряженные ионы активно взаимодействуют с несахарами свекловичной ткани, блокируя их переход в производственные полупродукты, что увеличивает чистоту экстракта.
Обработка свекловичной стружки электроактивированным раствором сульфата аммония позволяет предупредить переход веществ белково-пектинового комплекса из свекловичной стружки в диффузионный сок, за счет чего их содержание в диффузионном соке снижается на 66,6 %, содержание редуцирующих веществ снижается на 78,4 %. При этом чистота диффузионного сока увеличивается на 2,2 %.
В очищенном соке чистота повышается на 1,2 %, при этом цветность снижается на 23,3 %, содержание солей кальция на 44,7 %, массовая доля редуцирующих веществ на 87 % и содержание -аминного азота на 27 %.