СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ ПО СТАДИЯМ РАФИНАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
CONTROL OVER PURIFICATION AT VEGETABLE OIL REFINING STEPS

Изобретение относится к области диагностики состава органических и неорганических жидкостей электрофизическими методами, в частности к оперативным методам контроля степени очистки растительных масел по стадиям процесса очистки (рафинации).
Процесс рафинации растительных масел имеет своей целью очистку от природных примесей, попадающих в растительное масло при извлечении его из масличных семян, от продуктов окисления и гидролитического распада молекул масла - триацилглицеролов (триглицеридов).
Из-за большого числа разнообразных примесей процесс рафинации состоит из ряда последовательных операций (стадий), количество которых зависит от вида растительного масла, применяемой технологической схемы и аппаратурного оформления процесса. Например, наиболее широко применяемая технологическая схема очистки подсолнечного масла включает следующие операции [Рафинация масел и жиров: Теоретические основы, практика, технология, оборудование./ Н.С. Арутюнян, Е.П. Корнена, Е.А. Нестерова. - СПб.: ГИОРД, 2004, с.53, схема 7]:
гидратацию - обработку масла раствором фосфорной кислоты, горячей водой или паром для набухания и отделения фосфолипидов;
щелочную нейтрализацию - обработку масла раствором щелочи для нейтрализации свободных жирных кислот и удаления их из масла в виде мыльно-жировой эмульсии (соапстока); в ряде случаев процесс щелочной нейтрализации совмещают с гидратацией и частично с удалением восков (винтеризацией);
промывку масла от следов мыла и его сушку;
отбеливание масла - обработку адсорбентом для разрушения первичных продуктов окисления - гидропероксидов, удаления продуктов распада гидропероксидов, красящих веществ, следов фосфолипидов и прооксидантов - металлов переменной валентности (железа, меди);
винтеризацию - отделение природных восков от масла путем охлаждения масла до низких положительных температур, кристаллизации восков с последующим отделением их фильтрованием;
дезодорацию масла - обработку острым паром под вакуумом для окончательного удаления следов гидропероксидов и одорирующих веществ, придающих маслу посторонний вкус и запах.
Получаемое по этой технологии рафинированное вымороженное дезодорированное подсолнечное масло стабильно при хранении.
Состав и количество примесей существенно изменяются после каждой стадии очистки растительного масла, поэтому производственный контроль технологического процесса приходится проводить многочисленными трудоемкими химическими методами [Руководство по методам исследования, технохимическому контролю и учету производства в масложировой промышленности, т.111 «Специальные методы анализа и технохимический контроль в рафинации и гидрогенизации жиров и масел и в производстве пищевых жиров». Под общей редакцией доктора техн. наук В.П. Ржехина и доктора техн. наук А.Г. Сергеева, Л.: ВНИИЖ, 1964, с.14].
В том случае, если готовая продукция соответствует требованиям стандарта, это свидетельствует о соблюдении технологического режима на всех стадиях очистки. При отклонении качества продукции от требований стандарта контроль степени очистки масла после каждой стадии позволяет оперативно выявить неполадки и провести корректировку технологического режима рафинации. Однако до настоящего времени не существует единого оперативного, достоверного способа контроля степени очистки растительного масла после каждой стадии технологического процесса рафинации.
Известен способ регулирования процесса гидратации нерафинированных растительных масел, включающий определение значения электропроводности при постоянном токе гидратированного растительного масла при температуре 50…70°C и количестве гидратирующего агента 0,5…3,0% к массе нерафинированного растительного масла, выявление минимального значения электропроводности гидратированного масла и поддержание постоянных значений температуры и количества гидратирующего агента, соответствующих минимальному значению электропроводности гидратированного масла [патент РФ 2168171].
Известен также способ определения содержания фосфолипидов в растительном масле [патент РФ 2293319], который включает подготовку образца растительного масла или жира, измерение значения электропроводности образца при постоянном токе, расчет содержания фосфолипидов по формуле исходя из калибровочной кривой, построенной в координатах «содержание фосфолипидов - значение электропроводности», отличающийся тем, что измерение значения электропроводности образца растительного масла или жира проводят при температуре 45-250°C. Изобретение позволяет получить более точные расчеты и позволяет проводить определение при температуре осуществления технологических процессов, то есть использовать способ для оперативного контроля массовой доли фосфолипидов «в потоке» непосредственно до и после технологических процессов и использовать его в автоматических системах управления технологическим процессом (АСУТП).
Недостаток данных способов заключается в том, что они обеспечивают контроль только одной из примесей - фосфолипидов - в растительном масле и не позволяют контролировать степень очистки растительного масла от других примесей.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по своей технической сущности является «Способ определения рода жидкостей» по патенту РФ 2383010. Согласно этому способу измеряют удельные активные электропроводности жидкости при переменном токе при изменении диапазона частот электромагнитных колебаний жидкости от 1 кГц до 1 МГц для двух любых температур жидкости от ее точки кипения до точки замерзания и по пересечению зависимостей удельных электропроводностей от частоты колебаний находят характеристическую частоту колебаний, которую используют как основной критерий определения рода жидкости.
Недостатком способа-прототипа является то, что данный способ не применим непосредственно для решения поставленной технологической задачи, поскольку в патенте РФ 2383010 не описана процедура, как именно использовать электрический параметр жидкости - характеристическую частоту электромагнитных колебаний - в качестве критерия определения рода жидкости.
Техническим результатом заявляемого технического решения является разработка единого оперативного способа контроля степени очистки растительного масла после каждой стадии рафинации или после важнейших из этих стадий для установления соответствия степени очистки масла требованиям действующего технологического регламента на основе измерения характеристической частоты и характеристической удельной активной электропроводности растительного масла после каждой стадии рафинации.
Fx
x
x
Fx
x
Fx
x
Fx
Fx
x
Fx
Fx
Технический результат достигается тем, что измеряют характеристическую удельную активную электропроводность (æ) жидкого растительного масла при характеристической частоте электромагнитных колебаний (F) после каждой стадии регламентированного технологического процесса рафинации, для чего отбирают после каждой стадии регламентированного технологического процесса рафинации достаточное количество образцов жидкого растительного масла (по 15…20 образцов), измеряют в отобранных пробах в диапазоне частот от 1 до 200 кГц при двух температурах измерения зависимость удельной активной электропроводности (æ) от частоты электромагнитных колебаний (F), по точке пересечения этих зависимостей определяют характеристическую частоту электромагнитных колебаний (F) и характеристическую удельную активную электропроводность (æ) отобранных образцов растительного масла, определяют средние значения характеристической частоты (F) и характеристической удельной активной электропроводности (æ) и допустимые отклонения результатов от средних значений, полученные средние значения характеристической частоты (F) и характеристической удельной электропроводности (æ) считают нормативами для данного вида масла и для данной стадии регламентированного технологического процесса рафинации, для текущего контроля степени очистки масла на любой стадии технологического процесса рафинации отбирают пробу растительного масла, измеряют характеристическую удельную активную электропроводность (æ) жидкого масла при характеристической частоте (F), установленной для данной стадии, при одной (любой) температуре, сравнивают полученное значение характеристической удельной активной электропроводности (æ) с нормативом, в случае отклонения величины характеристической удельной активной электропроводности (æ) от нормативной для данной стадии технологического процесса принимают решение о нарушениях в ходе технологического процесса рафинации, производят корректировку параметров технологического процесса.
Заявленный способ поясняется чертежами.
Фиг.1 - комплексная система анализа (КСА) электрофизических показателей жидкого растительного масла, где
1 - трехэлектродный емкостной датчик типа ДП-1 по ТУ 6-02-2-871-85 [Патент РФ №578603 «Трехэлектродный датчик», 1977, Бюл. №40. Авторы: Белоусов О.А., Ефремов Б.М., Леонов В.М., Литко А.А., Овинников В.К., Солодова М.П., Усиков С.В];
2 - измеритель иммитанса Е7-20 по ТУ РБ 100039847-042-2004, обеспечивающий измерения электрофизических показателей растительных масел при частоте электромагнитных колебаний от 1 до 200 кГц;
3 - ультратермостат типа LOIP LT-108 по ТУ 4389-002-44330709-2008;
4 - ртутный термометр;
5 - вспомогательное устройство для подключения датчика ДП к измерителю иммитанса Е7-20 через коаксиальные кабельные соединения марки РК-50-1-21 длиной не более 2 м;
6 - теплообменник из нержавеющей стали, связанный с термостатом для осуществления прокачки жидкого теплоносителя (воды). В рубашку погружен экранированный стеклянный стакан с анализируемым продуктом и чувствительным элементом датчика;
7 - металлический экран без контакта с анализируемым веществом;
8 - стеклянный стакан из термостойкого стекла, внешняя поверхность которого покрыта тонким металлическим экраном, не имеющим гальванического контакта с маслом.
Фиг.2. - зависимости удельной активной электропроводности (æ) подсолнечного масла «Слобода» от частоты электромагнитных колебаний (F) при двух температурах измерения.
Фиг.3 - примерные нормативы электрофизических показателей по стадиям регламентированного технологического процесса рафинации подсолнечного масла.
Fx
x
Fx
Фиг.4 - зависимость характеристической удельной активной электропроводности подсолнечного масла (æ) от характеристической частоты электромагнитных колебаний (F) - характеристическая кривая и ее использование для уточнения нормативов характеристической удельной активной электропроводности подсолнечного масла (æ) по стадиям процесса рафинации.
Fx
x
Фиг.5 - зависимость характеристической удельной активной электропроводности подсолнечного масла (æ) от характеристической частоты (F) электромагнитных колебаний - характеристическая кривая в полулогарифмической анаморфозе.
Fx
x
x
Fx
Заявленный способ основан на измерении характеристической удельной активной электропроводности (æ) исследуемого растительного масла при характеристической частоте (F) электромагнитных колебаний для данной стадии процесса рафинации и определении соответствия этого показателя установленным нормативам. Нормативы устанавливают по результатам предварительного определения характеристической частоты (F) и характеристической удельной активной электропроводности (æ) достаточного количества образцов этого же масла, отобранных на данном предприятии при регламентированном протекании технологического процесса рафинации.
Последовательность стадий очистки, технологическая схема и аппаратурное оформление процесса, применяемого на каждом предприятии, регламентируется специальным технологическим документом, который называется технологическим регламентом процесса и утверждается техническим руководством предприятия (обычно главным инженером). В этом документе описаны показатели готовой продукции, характеристика исходного сырья, технологическая схема и аппаратурное оформление производства, порядок пуска и остановки оборудования, нормы технологического режима, нормы расхода сырья, материалов и энергии, нормы производственного и лабораторного контроля процесса. Высокое качество готового продукта обеспечивается в том случае, если достигается регламентированная степень очистки масла на каждой стадии технологического процесса.
x
Fx
Fx
Заявленный способ контроля отдельных стадий процесса рафинации растительного масла реализуют путем измерения удельной активной электропроводности (æ) жидкого растительного масла в диапазоне частот от 1 кГц до 200 кГц при двух температурах и по пересечению полученных зависимостей удельной активной электропроводности (æ) от частоты (F) определяют характеристическую частоту (F) электромагнитных колебаний, при которой удельная активная электропроводность (æ) остается постоянной независимо от температуры образца. Эту величину удельной активной электропроводности (æ) предлагается также назвать характеристической.
x
Fx
Экспериментально установлено, что между характеристической частотой (F) электромагнитных колебаний и характеристической удельной активной электропроводностью (æ) для каждого вида масла по стадиям технологического процесса рафинации существует зависимость, которая может быть приближенно описана кривой экспоненциального вида. Эту кривую предлагается назвать характеристической кривой данного масла [Иголкин Б.И., Воловей А.Г., Мехтиев В.С, Васипов В.В., Ребане К.Ю. Изменения электромагнитного состояния растительных масел в зависимости от стадии рафинации. / «Научно-технические ведомости СПбГПУ». - 2012. - №1. - С.220-223].
Fx
Величину характеристической частоты (Fx) электромагнитных колебаний и соответствующей ей характеристической удельной активной электропроводности (æ) образцов исследуемого растительного масла после каждой стадии регламентированного технологического процесса рафинации предлагается рассматривать как нормативные показатели.
Fx
x
Отклонение величины характеристической удельной активной электропроводности (æ) исследуемых образцов растительного масла, измеренной при характеристической частоте (F) электромагнитных колебаний, от нормативного показателя после каждой стадии процесса рафинации используется как критерий отклонения степени очистки масла после этих стадий от регламентированных норм и необходимости соответствующей корректировки технологического процесса.
Заявленный способ осуществляют методом отбора проб растительного масла и их исследования на установке, представленной на фиг.1. Комплексная система анализа (КСА) электрофизических показателей жидкого растительного масла включает: трехэлектродный емкостной датчик типа ДП /1/, измеритель иммитанса Е7-20 /2/, вспомогательное устройство для подключения датчика ДП к измерителю иммитанса Е7-20 через коаксиальные кабельные соединения /5/, термостат LOIP LT-108 /3/ и теплообменник /6/ для термостатирования сосуда /8/ с исследуемым маслом, ртутный термометр /4/ для контроля температуры измерения с точностью ±0,1°C, металлический экран /7/ для защиты датчика ДП от воздействия внешних электромагнитных полей.
x
Fx
Определение характеристической частоты электромагнитных колебаний (F) и характеристической удельной активной электропроводности (æ) растительного масла после каждой стадии регламентированного технологического процесса рафинации производят следующим образом:
в специальный стакан отбирают пробу исследуемого растительного масла и помещают стакан в устройство для термостатирования;
подготовленный чистый и сухой датчик ДП помещают в стакан на такую глубину, чтобы обеспечить надежный контакт растительного масла с охранным электродом;
стакан с растительным маслом термостатируют при выбранной температуре и проводят измерения удельной электропроводности (æ) жидкого масла при изменении частоты электромагнитных колебаний (F) в диапазоне от 1 до 200 кГц при двух температурах измерения;
x
Fx
по пересечению зависимостей удельной электропроводности (æ) от частоты (F) находят характеристическую частоту электромагнитных колебаний (F) и характеристическую удельную активную электропроводность (æ) исследуемого образца растительного масла.
x
Fx
x
Fx
Пример осуществления приведен на фиг.2, где представлены графические зависимости удельной активной электропроводности (æ) рафинированного вымороженного дезодорированного подсолнечного масла от частоты электромагнитных колебаний (F) в диапазоне от 1 кГц до 100 кГц при температурах 21°C и 68°C. По точке пересечения этих зависимостей определяем характеристическую частоту колебаний электромагнитного поля (F) и характеристическую удельную активную электропроводность (æ) исследуемого образца подсолнечного масла F=86 кГц, æ=37 нСм/м.
На предприятии, где организуется контроль технологического процесса очистки растительного масла, для определения нормативов электрофизических показателей после основных стадий регламентированного технологического процесса рафинации отбирают по 15…20 проб растительного масла (исходного, после щелочной нейтрализации, отбеленного, после винтеризации, дезодорированного).
x
Fx
Определение характеристической частоты электромагнитных колебаний (F) и характеристической удельной активной электропроводности (æ) каждого образца производят изложенным выше способом, статистическую обработку результатов измерений - в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-2002. За окончательный результат измерения принимают среднее арифметическое параллельных определений, выполненных в условиях повторяемости и удовлетворяющих условию приемлемости. Полученный результат округляют до целых чисел.
x
Fx
Результаты измерений заносят в таблицу по форме, представленной на фиг.3, в которой отражают допустимые пределы характеристической частоты электромагнитных колебаний (F) и характеристической удельной активной электропроводности (æ) образцов растительного масла после каждой стадии очистки в соответствии с утвержденным регламентом.
x
Fx
Пример осуществления измерений характеристической частоты (F) электромагнитных колебаний и характеристической удельной активной электропроводности (æ) приведен на фиг.3, на которой показаны нормативы электрофизических показателей по стадиям регламентированного технологического процесса рафинации подсолнечного масла, полученные путем отбора проб подсолнечного масла на одном из предприятий России и их измерения заявляемым способом.
Fx
x
Для текущего контроля качества очистки масла по стадиям технологического процесса рафинации отбирают пробы растительного масла после каждой стадии либо после интересующих стадий технологического процесса, измеряют в отобранных пробах характеристическую удельную активную электропроводность (æ) при характеристической частоте (F) электромагнитных колебаний, установленной для данной стадии технологического процесса, и при одной (любой) выбранной температуре.
Fx
Сравнивают полученное значение характеристической удельной активной электропроводности (æ) с нормативом, установленным для данной стадии технологического процесса (фиг.3), принимают решение о регламентированном протекании технологического процесса или о необходимости его корректировки.
x
Fx
x
Fx
Последующие исследования показали, что на основании полученных данных (фиг.3) может быть построена экспериментальная зависимость между нормативными показателями характеристической частоты (F) электромагнитных колебаний и характеристической удельной активной электропроводности (æ) растительного масла по всем стадиям технологического процесса рафинации (характеристическая кривая). Характеристическая кривая может быть описана математическим уравнением экспоненциального вида и является специфичной для каждого конкретного масла. Эта зависимость была использована для уточнения нормативных показателей характеристической частоты (F) электромагнитных колебаний и характеристической удельной активной электропроводности (æ) на каждой стадии регламентированного технологического процесса рафинации.
Пример осуществления предлагаемого способа показан на фиг.4 и 5. На фиг.4 приведена характеристическая кривая по стадиям рафинации подсолнечного масла, построенная по данным фиг.3. В полулогарифмической анаморфозе характеристическая кривая представлена на фиг.5.
x
Fx
x
Fx
x
Fx
Fx
Fx
По заявляемому способу вначале определяют нормативы характеристической частоты (F) электромагнитных колебаний и характеристической удельной активной электропроводности (æ) на каждой стадии технологического процесса рафинации и по полученным нормативным значениям характеристической частоты (F) электромагнитных колебаний и характеристической удельной активной электропроводности (æ) строят характеристическую кривую для данного масла. При нормативной характеристической частоте (F) электромагнитных колебаний для данной стадии технологического процесса рафинации находят на характеристической кривой уточненную величину характеристической удельной активной электропроводности масла (æ). Эту величину считают уточненным нормативным значением характеристической удельной активной электропроводности (æ) масла для данной стадии технологического процесса. Например, на фиг.4 для стадии винтеризации при характеристической частоте Fx=74 кГц исправленный норматив характеристической удельной активной электропроводности æ=25 нСм/м.
Fx
x
Fx
Дальнейшие исследования показали, что оперативный контроль степени очистки растительного масла после каждой стадии процесса рафинации может быть осуществлен без отбора проб при установке датчиков «в потоке», то есть непосредственно в трубопроводах после каждой стадии очистки по ходу технологического процесса. Измерения характеристической удельной активной электропроводности (æ) масла проводят при реальной температуре после каждой стадии процесса рафинации при характеристической частоте (F) электромагнитных колебаний, установленной для данной стадии. По соответствию величины характеристической удельной активной электропроводности (æ) нормативам, установленным для данной стадии технологического процесса рафинации, принимают решение о регламентированном протекании технологического процесса или о необходимости его корректировки.
Fx
Измерения характеристической удельной активной электропроводности (æ) в этом случае могут проводиться дистанционно, в том числе с регистрацией измеряемой величины по времени, причем полученный электрический сигнал может быть использован для автоматического регулирования технологического процесса.
Fx
Таким образом, реализация заявленных вариантов определения характеристической удельной активной электропроводности (æ) растительного масла и сравнение ее с нормативными показателями для каждой стадии технологического процесса обеспечивает контроль степени очистки масла и, следовательно, достижение заявленного технического результата.