СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОФИБРИЛЛЯРНЫХ ПЕКТИНСОДЕРЖАЩИХ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ВОЛОКОН
METHOD FOR PRODUCTION OF MICROFIBRILLARY PECTIN-CONTAINING CELLULOSE FIBRES

Изобретение относится к способу получения микрофибриллярных пектинсодержащих целлюлозных волокон из растительного сырья различного происхождения. Полученное вещество имеет широкое применение в пищевой и непищевой отраслях промышленности.
Микрофибриллярная целлюлоза, известная также как микрокристаллическая целлюлоза, или микрофибриллярные целлюлозные волокна, используется в качестве регулятора реологии, структурообразователя и загустителя в пищевой промышленности, а также имеет широкое применение в непищевой промышленности.
Известен способ получения микрокристаллической целлюлозы, включающий обработку исходного целлюлозного материала с высоким усилием сдвига при повышенной температуре и повышенном давлении реакционной смеси, состоящей из целлюлозного материала, соединения, содержащего активный кислород, и воды, в течение периода времени, эффективного для деполимеризации целлюлозного материала до средней степени деполимеризации не более 400, либо где давление на выходе продукта находится в интервале 137,9-10342,1 кПа, либо где значение рН реакционной смеси в процессе экструзии находится в интервале 8-2. В качестве соединения, содержащего активный кислород, является пероксид водорода (патент РФ №2343160, С08В 15/00, С08В 16/00, опубл. 10.01.2009). Данный способ позволяет снизить расход реагентов и временные затраты на производство, однако требует применения специального экструзионного оборудования.
Известен способ получения микрокристаллической целлюлозы, включающий гидролиз исходного целлюлозного материала белизной до 65% в растворе серной кислоты концентрацией 5-10% при атмосферном давлении и температуре 100-105°С в течение 0,5-3 часов и последующую отбелку полученного материала диоксидом хлора с расходом 0,5-3,0% от массы абсолютно сухого материала при температуре 70°С в течение 1-3 часов до полного поглощения диоксида хлора (патент РФ №2298562, С08В 15/02, D21C 1/04, опубл. 10.05.2007). Данный способ позволяет сократить расход реагентов, однако требует применения высокотоксичных реагентов, а высокотемпературные процессы приводят к терморазрушению пектина.
Известен способ получения пищевой добавки путем щелочного гидролиза растительного сырья, согласно которому выжимки корнеплодов сахарной свеклы или других растений подвергаются действию гидрата окиси натрия или калия в насыщенной известковой воде при рН 13-14 (SV, авт. св. №1799252, 1993). Недостатком данного способа является то, что в результате гидролиза в составе ткани образуются смешанные натрий-кальциевые или калий-кальциевые соли полиуроновых кислот, в результате чего вещество становится очень рыхлым, образуются мелкие частицы, затрудняющие фильтрацию. Кроме того, при использовании известковой воды в заданном интервале рН происходит инактивация пектина.
Известен способ производства микрофибриллярной целлюлозы, согласно которого сырье, в частности, пульпа сахарной свеклы, подвергается кислотному или щелочному гидролизу, в результате чего происходит удаление пектина и гемицеллюлоз. При кислотном гидролизе используется деионизированная вода, концентрированный раствор соляной или серной кислоты при соблюдении температурного и временного режимов. При щелочном гидролизе используют раствор гидроксида натрия или гидроксида калия. При этом возможно добавление сульфита натрия для предотвращения окислительных процессов. Из полученной суспензии извлекают твердый осадок и подвергают повторному щелочному гидролизу с выполнением аналогичных условий, после чего из полученной суспензии извлекают твердый осадок путем фильтрации и промывают пульпу. Затем проводят отбелку с использованием хлорита натрия или гипохлорита натрия или перекиси водорода и повторно извлекают твердый осадок путем фильтрации и разводят водой до содержания сухих веществ 2-10%. После этого проводят гомогенизацию. В результате получают продукт, содержащий 80% основных целлюлозных волокон, простые карбоновые кислоты и соли. Получаемый таким образом продукт образует устойчивые суспензии и может быть использован в пищевой промышленности в качестве заменителя жира, стабилизатора для эмульсий, загустителя для напитков, спредов, молочных десертов и мясных продуктов (патент US 5964983 (А), 1999). Недостатками описанного способа являются: многоступенчатость процесса (кислотный гидролиз, несколько щелочных гидролизов, отбелка); использование химически активных реагентов (хлорита и гипохлорита натрия), непригодных для использования в пищевой промышленности; использование деионизированной воды на всех ступенях процесса, что приводит к повышению себестоимости продукта; получаемый таким образом продукт образует суспензии, а не структурообразующий гель, обладающий реологическими свойствами.
Описаны аналогичные способы получения микрофибриллярной целлюлозы путем кислотного или щелочного гидролиза с последующим применением полученного продукта в нефтяной промышленности (патенты US 6348436 B1, 2002), пищевой промышленности (US 6485767 B1, 2002).
Известны способы получения микрофибриллярной целлюлозы из различных сырьевых материалов растительного происхождения путем кислотного и/или щелочного гидролиза с возможными стадиями отбелки, сушки и гомогенизации с последующим применением в пищевой и непищевой промышленности (US 2004074615 (А1), 2004; US 7005514 (B2), 2006; US 5068121 (A), 1991; US 2003116289 (A1), 2003; US 7074300 (B2), 2006; US 20080146701 (A1), 2008).
Известен способ получения пищевых волокон из свекловичного жома, предусматривающий извлечение сахара и удаление всех растворимых веществ путем промывки жома водой, дезинфекции и пробелки раствором перекиси водорода или озонированием или облучением (CS 270967, A23L 1/21, 1991). Недостатком способа является высокая себестоимость метода, образование веществ, которые неблагоприятно воздействуют на организм человека.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части способа является способ получения пищевого волокна из жома свеклосахарного производства, включающий прессование жома, паровую обработку насыщенным паром с температурой 125-130°С в течение 15-20 минут. Обработанную растительную массу экстрагируют 3-5%-ным раствором перекиси водорода в течение 15-20 минут для пробеливания. После экстракции волокна прессуют до содержания сухих веществ 15,0-16,0%, сушат и измельчают до порошкообразного состояния (Патент РФ №2175844, A23L 1/214, A23L 1/308, С13С 3/00, опубл. 20.11.2001). Высокотемпературная обработка позволяет устранить запах исходного сырья и решить проблему микробиологической чистоты продукта, однако приводит к разрушению пектина и снижению степени влагоудержания целлюлозных волокон.
Вышеперечисленные недостатки известных способов, каждый отдельно или все вместе, снижают технологическую эффективность, повышают стоимость производства, вызывают сложности при масштабировании производства, не позволяют получить продукт с заявленными свойствами.
Задачей изобретения является разработка способа получения микрофибриллярных пектинсодержащих целлюлозных волокон, который характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:
1) минимальное количество технологических ступеней;
2) использование низкотоксичных реагентов в минимальном объеме;
3) масштабируемость производства.
Технический результат изобретения заключается в улучшении качества готового продукта, обладающего совокупностью значимых характеристик:
1) обладает высокой биологической ценностью за счет высокого содержания пектиновых веществ (25-30% к массе сухих веществ);
2) имеет высокую степень влагоудержания (показатель влагоудержания равен 13);
3) является регулятором реологии при производстве продуктов с требуемой вязкостью и консистенцией благодаря формированию сеточных структур за счет межмолекулярных связей;
4) обладает органолептическими свойствами жирового продукта;
5) обладает высокими абсорбирующими и адсорбирующими свойствами;
6) полностью сохраняет свою структуру и свойства при сушке;
7) высушенный продукт является быстро восстанавливаемым (коэффициент восстанавливаемости равен 10).
3
3
3
3
3
3
ф/ф
2
2
3
Технический результат достигается тем, что производят подготовку пульпы из жома или стружки сахарной свеклы с содержанием клетчатки не менее 18%, добавление отжатой пульпы в предварительно приготовленный раствор, содержащий умягченную воду с уровнем рН=8,9-12,0, щелочностью по фенолфталеину Щф/ф=0,2-1,0 мг-экв/дм, общей щелочностью 0,5-1,5 мг-экв/дм, общей жесткостью 10-50 мкг-экв/л, общем уровне солесодержания 150-300 мг-экв/дм, и щелочной реагент, при гидромодуле 1:15-1:40, рН=10-12, температуре воды 30-60°С, добавление 2/3 расчетного количества перекиси водорода при температуре 40-45°С при постоянно работающей мешалке со скоростью вращения 30-100 об/мин., с медленным контролируемым нагревом до температуры 50-55°С, добавление 1/6 расчетного количества перекиси водорода с постепенным повышением температуры до 60-65°С, добавление оставшейся 1/6 части перекиси водорода, измерение уровня рН при достижении температуры 65-70°С, корректировку уровня рН 5-10% водным щелочным раствором до требуемого уровня рН=9,0-10,0, повышение температуры до 70-90°С в течение 20-45 минут, при общем времени отбелки 1-3 часов с последующим отжимом на центрифуге-декантере, отмывку пульпы с использованием умягченной воды с уровнем рН=8,9-12,0, с уровнем щелочности по фенолфталеину Щ=0,2-1,0 мг-экв/дм, при уровне общей щелочности 0,5-1,5 мг-экв/дм, с уровнем общей жесткости 10-50 мкг-экв/л, с общим уровнем солесодержания 150-300 мг-экв/дм, при гидромодуле 1:10-1:30, с последующим отжимом на центрифуге-декантере, постепенное добавление отжатой пульпы в реактор с включенной мешалкой на «водяную подушку» при температуре воды 60-80°С, скорости вращения мешалки 30-100 об/мин, времени вращения 5-20 минут с момента поступления первой порции пульпы, с последующим отжимом на центрифуге-декантере, доотмывку пульпы с использованием осмотической воды при гидромодуле 1:10-1:30, температуре воды 30-60°С, подачу мелкодиспергированного озона с диаметром пузырька 0,5-30,0 µм в потоке очищенного воздуха в течение 15-45 минут, добавление водного 2,0-6,0% раствора натрия серноватистокислого NaSO после прекращения подачи озона, перемешивание в течение 5-20 минут с последующим временем покоя 15-30 минут, дополнительные 5-10 оборотов мешалки, измерение уровня рН, отжим пульпы на центрифуге-декантере, вторую доотмывку путем подачи отжатой пульпы в реактор с мешалкой в осмотическую воду при температуре воды 30-60°С, в течение 5-20 минут с момента поступления первой порции пульпы, измерение и корректировку уровня рН с использованием уксусной кислоты концентрацией 30-80% до требуемого уровня рН=4,5-7,0 с последующим отжимом на центрифуге-декантере, получение влажного зернистого продукта.
Технический результат достигается за счет:
1) выбора оптимальных температурных и временных показателей технологических этапов;
2) технологической оптимизации процесса отбелки, совмещенной с щелочным гидролизом;
3) дробного внесения реагентов при определенных температурах на этапе совмещенной отбелки;
4) использования технологической воды разного качества на разных этапах производства.
В качестве сырья в предложенном способе используют растительное сырье различного происхождения, включая отходы сахарного производства в виде влажной или высушенной стружки сахарной свеклы, гранулированного жома сахарной свеклы, а также, солому, в частности, гречневую солому, картофель, топинамбур, китайский тростник, жмых яблок, корзинки подсолнечника, стебли кукурузы, многолетние и однолетние травы.
Способ реализуется следующим образом.
При производстве микрофибриллярных пектинсодержащих целлюлозных волокон в качестве сырья предпочтительно используют отходы сахарного производства в виде гранулированного жома сахарной свеклы, обессахаренной высушенной негранулированной стружки сахарной свеклы или влажной стружки сахарной свеклы, с содержанием клетчатки не менее 18% и влажностью 7-12%.
Исходное сырье помещают в молотковую дробилку (или любой аналогичный измельчитель, обеспечивающий получение фракции необходимого размера) и производят дробление. Полученное вещество рассеивают на фракции. Размер фракции, необходимой для дальнейшего производства, должен быть в пределах 0,5-Змм, предпочтительно 0,5-2 мм, оптимально 1-2 мм.
Технология производства включает 2 этапа: (1) запаривание фракции с трехкратной отмывкой; (2) отбелку с трехкратной отмывкой.
I Запаривание фракции с трехкратной отмывкой.
Этап запаривания фракции необходим для удаления посторонних примесей, остаточных Сахаров, протеинов, водорастворимых органических кислот и других промежуточных продуктов сахарного производства и хранения жома. Кроме того, разбухание жома, которое происходит при запаривании, обеспечивает достижение технологического результата на последующих этапах производства.
На этапе запаривания фракции в качестве технологической воды используют питьевую воду в соответствии с ГОСТ 2874, СанПиН 2.1.4.1074. Проведены испытания с использованием умягченной, осмотической, дистиллированной и питьевой воды. Было выявлено, что использование различных типов воды не повлияло на качество полученных в результате запаривания продуктов, поэтому за основу принято использование питьевой воды, отвечающей требованиям ГОСТ 2874, СанПиН 2.1.4.1074 с целью снижения энергозатрат и других затрат в процессе производства.
На этапе запаривания фракции должны выполняться условия:
a) гидромодуль 1:10-1:30, предпочтительно 1:20-1:30, оптимально 1:30; при использовании меньшего гидромодуля не достигается эффект распаривания жома и происходит недостаточное удаление примесей; использование максимального гидромодуля повышает водопотребление и энергозатраты при производстве;
b) температура технологической воды 30-60°С, предпочтительно 40-50°С, оптимально 40-45°С; при меньшей температуре не происходит распаривание жома в достаточной степени, при использовании более высокой температуры происходит нарушение структуры и изменение свойств получаемого продукта, увеличиваются энергозатраты;
c) время запаривания 1-2,5 часа, предпочтительно 1-2 часа, оптимально 1,0-1,5 часа при периодическом помешивании со скоростью вращения мешалки 30-100 об/мин, предпочтительно 30-80 об/мин, оптимально 30-40 об/мин; при минимальном времени запаривания не достигается эффект распаривания жома и происходит недостаточное удаление примесей, при более длительном времени запаривания происходит нарушение структуры вещества и изменение свойств получаемого продукта.
Затем производят отжим на центрифуге-декантере. В процессе отжима происходит разделение гидромодуля на две фазы: отжатую пульпу и сточную воду.
Далее производят промывку отжатой пульпы. Промывка происходит в три этапа с использованием технологической питьевой воды в соответствии с ГОСТ 2874, СанПиН 2.1.4.1074 при температуре 40-45°С. Проведены испытания с количеством промывок от 2 до 5, за основу принята промывка пульпы в три этапа, поскольку при меньшем количестве промывок не достигается цель процесса, при большем количестве промывок происходит нарушение структуры вещества и снижается степень влагоемкости продукта. Для достижения желаемого результата также необходимо соблюдение оптимальных температурных, временных показателей, оптимального гидромодуля и оптимальной скорости вращения мешалки. Время промывки пульпы перед отжимом составляет 5-25 минут, предпочтительно 5-20 минут, оптимально 5-15 минут, в реакторе с включенной мешалкой, со скоростью вращения мешалки 30-100 об/мин, предпочтительно 30-80 об/мин, оптимально 30-40 об/мин. При более низком числе оборотов происходит неравномерное перемешивание, образуются уплотнения в нижней части реактора, при более высоком числе оборотов происходит частичное гелирование вещества, нарушается структура, меняются свойства получаемого продукта. После промывки производят отжим пульпы на центрифуге-декантере. Операция промывки-отжима повторяется трижды при выполнении аналогичных условий. При этом используемый гидромодуль 1:10-1:30, предпочтительно 1:20-1:30, оптимально 1:30.
Для достижения наилучшего результата требуется мешалка определенной геометрии: длина, строение и расположение лопастей (угол наклона к оси вала) должны быть таковыми, чтобы во время работы мешалки не оставалось «мертвых зон». Это обеспечивается за счет крестообразного расположения лопастей, наклоненных под углом 15-45, предпочтительно 25-45°, оптимально 30°, нижний конец мешалки развернут на 1-1,5 оборота к оси вала. Для предотвращения вороночного эффекта во время перемешивания необходимы четыре симметричных отбойника на стенках реактора. Лопасти и отбойники должны быть перфорированы, отверстия - прорубленные с ровными краями диаметром 3-бсм (предпочтительно 4-5,5 см, оптимально 5-5,5 см). Если размер отверстий меньше, происходит неравномерное перемешивание, скопление пульпы в углах отбойника. Если размер отверстий больше, происходит неоправданный проскок и недостаточный контакт с реагентом.
II Совмещенная отбелка с трехкратной отмывкой. На этапе совмещенной отбелки достигаются следующие цели:
a) удаление пигментов, которые образуются при карамелизации сахара при сахаропроизводстве (обесцвечивание);
4
b) эффект мягкого щелочного гидролиза с уровнем рН=9-11, предпочтительно 9-10, оптимально 9,0-9,2 с применением щелочного реагента NaOH, NHOH, КОН, предпочтительно NaOH, КОН, оптимально КОН, необходимого для удаления свободных гемицеллюлоз, при этом уровень рН 9,0-9,2 обеспечивает сохранение однородности структуры конечного вещества - микрофибриллярных пектинсодержащих волокон целлюлозы;
-
c) глубокая стерилизация продукта за счет атомарного кислорода [О], выделяющегося в результате разложения перекиси водорода и соблюдения температурного режима 45-95°С, предпочтительно 45-90°С, оптимально 65-75°С;
d) заключительный этап дезинфекции продукта с помощью кратковременной подачи мелкодисперсного потока озонированного воздуха;
2
2
3
2
e) разрушение остаточного количества перекиси водорода водным раствором гипосульфита натрия пятиводного NaSO·SHO (концентрация 2,0-6,0%, предпочтительно 2,0-4,0%, оптимально 2,4-2,5%);
f) консервация с применением раствора уксусной кислоты (концентрация 30-80%, предпочтительно 30-50%, оптимально 45-50%) и доведение рН до уровня 4,5-5.
4
4
4
В процессе отбелки отжатую пульпу после третьей промывки после запаривания помещают в раствор, содержащий технологическую воду и щелочной реагент NaOH, NHOH, КОН, предпочтительно NaOH, КОН, оптимально КОН. В результате проведенных испытаний с использованием NaOH, NHOH, КОН за основу было принято использование КОН в качестве щелочного реагента, что технологически обосновано при применении в сочетании с перекисью водорода при установленных показателях времени и температурного режима, данные условия оптимальны при получении продукта необходимого качества. Использование NHOH при получении волокон микрофибриллярной целлюлозы нецелесообразно, поскольку получаемый таким образом продукт невозможно в дальнейшем использовать в пищевой промышленности. При использовании NaOH получена более грубая пульпа, не отвечающая заявленным свойствам готового продукта.
ф/ф
3
3
3
3
3
3
3
3
В процессе отбелки при наведении гидромодуля выполняются следующие условия: уровень рН=10-12, предпочтительно 10,0-11,5, оптимально 11,0-11,2 (при более щелочной среде происходит разрушение волокон микрофибриллярной целлюлозы, утрачиваются структурообразующие свойства, снижается вязкость геля; при менее щелочной среде происходит коагуляция, снижается вязкость, утрачиваются структурообразующие свойства), гидромодуль 1:15-1:40, предпочтительно 1:15-1:30, оптимально 1:25 (при меньшем гидромодуле снижается эффективность отбелки и стерилизации, не достигается максимальная эффективность процесса в результате недостаточного взаимодействия пульпы с реагентами; при большем гидромодуле требуется больший расход реагентов, что является нецелесообразным с экономической точки зрения), температура воды 30-60°С, предпочтительно 40-50°С, оптимально 40-45°С. На данном этапе в качестве технологической воды, формирующей гидромодуль, используют умягченную воду с уровнем рН=8,9-12,0, предпочтительно 8,9-11,0, оптимально 9,5-10,5, с уровнем щелочности по фенолфталеину Щ=0,2-1,0 мг-экв/дм, предпочтительно 0,2-0,5 мг-экв/дм, оптимально 0,2-0,3 мг-экв/дм при уровне общей щелочности 0,5-1,5 мг-экв/дм, предпочтительно 0,5-1,0 мг-экв/дм, оптимально 0,5-0,7 мг-экв/дм, уровень общей жесткости составляет 10-50 мкг-экв/л, предпочтительно 10-30 мкг-экв/л, оптимально 10-15 мкг-экв/л, общий уровень солесодержания 150-300 мг-экв/дм, предпочтительно 150-250 мг-экв/дм, оптимально 150-200 мг-экв/дм. При соблюдении указанных оптимальных требований к используемой воде значительно снижается возможность блокирования солями жесткости и другими ионами металлов и неметаллов функционально активных групп микрофибриллярной целлюлозы, обеспечивающих необходимую структуру.
После формирования гидромодуля при температуре 40-45°С и постоянно работающей мешалке со скоростью вращения 30-100 об/мин, предпочтительно 30-80 об/мин, оптимально 30-40 об/мин, вносят 2/3 расчетного количества перекиси водорода, далее производят медленный контролируемый нагрев, наблюдают за ценообразованием (слой пены не должен превышать 3-10 см) до температуры 50-55°С. При этом геометрия мешалки должна быть та же, что и на этапе запаривания.
При достижении температуры 50-55°С вносят 1/6 расчетного количества перекиси водорода, постепенно повышая температуру до 60-65°С, отслеживая характер пенообразования. В случае неуправляемого повышения температуры и пенообразования вносят до 0,25-1% объема реактора технологической воды с оптимальной температурой 40-45°С. Затем вносят оставшуюся 1/6 часть перекиси водорода. Поэтапное внесение перекиси водорода позволяет предотвратить поверхностное взаимодействие перекиси и щелочи и избыточное ценообразование, способствует более равномерному распределению перекиси в реакторе, достижению максимальной эффективности отбелки и стерилизации. Большая часть перекиси водорода вносится при более низких температурах, поскольку, чем выше температура, тем больше температурная провокация и разложение перекиси.
4
При достижении температуры 65-70°С замеряют уровень рН, проводят корректировку 5-10% (предпочтительно 6-8%, оптимально 6-6,5%) водным раствором NaOH, NROH, КОН, предпочтительно NaOH, КОН, оптимально КОН до рабочего уровня рН=9,0-10,0, предпочтительно рН=9,0-9,5, оптимально рН=9,0-9,2.
После коррекции рН при достижении температуры 65°С, что является началом процесса отбелки, продолжают поднимать температуру до 70-90°С, предпочтительно 70-80°С, оптимально 70-75°С в течение 20-45 минут, предпочтительно 20-35 минут, оптимально 20-30 минут. Отбелку производят в течение 1-3 часов, предпочтительно 1-2 часов, оптимально 1,0-1,5 часов. По истечении этого времени производят отжим на центрифуге-декантере.
Далее проводят отмывку пульпы. Цель отмывки - удаление разложившихся пигментов, остатков свободных гемицеллюлоз и разрушенных волокон целлюлозы.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
При отмывке в качестве технологической воды используют умягченную воду с уровнем рН=8,9-12,0, предпочтительно 8,9-11,0, оптимально 9,5-10,5, с уровнем щелочности по фенолфталеину Щф/ф=0,2-1,0 мг-экв/дм, предпочтительно 0,2-0,5 мг-экв/дм, оптимально 0,2-0,3 мг-экв/дм при уровне общей щелочности 0,5-1,5 мг-экв/дм, предпочтительно 0,5-1,0 мг-экв/дм, оптимально 0,5-0,7 мг-экв/дм, с уровнем общей жесткости 10-50 мкг-экв/л, предпочтительно 10-30 мкг-экв/л, оптимально 10-15 мкг-экв/л, с общим уровнем солесодержания 150-300 мг-экв/дм,-предпочтительно 150-250 мг-экв/дм, оптимально 150-200 мг-экв/дм, гидромодулем 1:10-1:30, предпочтительно 1:20-1:30, оптимально 1:30.
Отжатую пульпу постепенно подают в реактор с включенной мешалкой на «водяную подушку». При этом температура воды составляет 60-80°С, предпочтительно 60-75°С, оптимально 65-75°С, скорость вращения мешалки 30-10 об/мин, предпочтительно 30-80 об/мин, оптимально 30-60 об/мин, время вращения 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 5-10 минут с момента поступления первой порции пульпы. По истечении указанного времени производят отжим на центрифуге-декантере.
Затем производят две доотмывки.
Цель первой доотмывки - усиление эффекта отбелки, дезинфекция, нейтрализация атомарного кислорода.
При первой доотмывке используют осмотическую воду, гидромодуль 1:10-1:30, предпочтительно 1:20-1:30, оптимально 1:15-1:30. Пульпу подают в осмотическую воду, при температуре осмотической воды 30-60°С, предпочтительно 40-50°С, оптимально 40-45°С, и начинают подавать мелкодиспергированный озон в потоке очищенного воздуха в течение 15-45 минут, предпочтительно 15-40 минут, оптимально 25-30 минут. При этом диаметр пузырька озона составляет 0,5-30,0 µм, предпочтительно 0,5-10,0 µм, оптимально 0,5-5,0 µм. Подача озона необходима для дезинфекции и усиления эффекта отбелки. При меньшем размере пузырька озона происходит насыщение продукта озоном, при большем размере пузырька не происходит необходимой дезинфекции. До и после подачи озона замеряют уровень рН содержимого реактора.
2
2
3
После прекращения подачи озона вносят водный раствор натрия серноватистокислого NaSO (концентрация раствора 2,0-6,0%, предпочтительно 2,0-4,0%, оптимально 2,4-2,5%) для инактивации остаточного количества атомарного кислорода. Проводят перемешивание в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 5-10 минут и оставляют в покое на 15-30 минут, чтобы прошла реакция реагента с перекисью водорода. Затем производят 5-10 оборотов мешалки, фиксируют уровень рН и производят отжим пульпы на центрифуге-декантере.
Затем проводят вторую доотмывку. Целью второй доотмывки является консервация. Полученную отжатую пульпу подают в реактор с мешалкой в осмотическую воду при температуре воды 30-60°С, предпочтительно 40-50°С, оптимально 40-45°С в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 5-10 минут с момента поступления первой порции пульпы, затем фиксируют уровень рН, если уровень рН>7,0, проводят корректировку с использованием уксусной кислоты (концентрация 30-80%, предпочтительно 30-50%, оптимально 45-50%) до требуемого уровня рН=4,5-7,0, предпочтительно 4,5-5,5, оптимально 4,5-5,0. Затем подают на центрифугу-декантер для отжима. Соблюдение оптимального температурного режима и оптимальной скорости перемешивания позволяет сохранить целостность структуры и не допустить преждевременного гелеобразования.
В результате получают влажный зернистый продукт белого или светло-желтого цвета с нейтральным вкусом, без посторонних запахов, с содержанием массовой доли влаги 85-95%, содержанием пектиновых веществ 25-30% к массе сухих веществ, зольностью не более 5%, с полным отсутствием Сахаров. Размер волокон продукта составляет в поперечном сечении 0,1-1,0 µM, в длину 0,5-50 µм.
Полученный продукт может быть подвергнут дополнительной стадии гомогенизации с целью получения гелеобразного продукта. Для этого полученный влажный зернистый продукт разбавляют умягченной водой до необходимого содержания сухих веществ (0,1-6,5%), которое обеспечивает вязкость геля, требуемую для конкретных примеров реализации, перемешивают до однородной массы с помощью куттера, блендера или любого аналогичного оборудования, обеспечивающего получение однородной массы, затем пропускают через гомогенизатор, например, APV, при давлении 200-300 атмосфер. Операцию повторяют 2-4 раза, оптимально 3 раза (при повторении операции менее трех раз не достигается максимальная вязкость геля). В результате получают гель с высокой вязкостью:
- вязкость 1,0% геля (гидромодуль 1:45) составляет более 6500 сПз;
- вязкость 1,5% геля (гидромодуль 1:40) составляет более 7200 сПз;
- вязкость 3,0% геля (гидромодуль 1:32) составляет более 8500 сПз;
- вязкость 4,5% геля (гидромодуль 1:20) составляет более 10000 сПз.
Готовый влажный негомогенизированный продукт может быть подвергнут дополнительной стадии непрерывной инфракрасной конвективной сушки конвейерного типа с продувом чистым воздухом при температуре не выше 35°С, исключающей возможность конденсации испаренной влаги на продукте, до влажности продукта 6-30%. При сушке продукта до влажности менее 6% происходит значительное разрушение пектина. Преимуществами данного типа сушки являются: сохранение структуры волокон, возможность восстановления первоначальных свойств продукта, сохранение пектин-целлюлозного комплекса, практически полное сохранение исходного содержания пектина (в примерах №3, 8, 9, 10 исходное содержание пектина составляет 33%, после сушки 27-29%), дополнительная ИК-дезинфекция, увеличение сроков хранения продукта. В результате получают готовый сухой продукт в виде стружки.
Полученная сухая стружка может быть подвергнута дополнительной стадии размола до требуемого размера фракции 0,5-3 мм. В результате получают сухой порошкообразный однородный продукт.
Готовый продукт в виде сухих микрофибриллярных пектинсодержащих целлюлозных волокон (в виде стружки или порошкообразный) является быстро восстанавливаемым до первоначальных свойств влажного продукта. В процессе восстановления продукт заливают расчетным количеством умягченной воды температурой 40-45°С в соответствии с коэффициентом восстановления, выдерживают при заданной температуре в течение 20-40 минут, оптимально 30 минут. В результате получают влажный зернистый продукт с первоначальным набором свойств.
В описанном способе возможно исключение предварительного размола сырья и фракционирования при использовании в качестве исходного сырья обессахаренной высушенной негранулированной стружки сахарной свеклы.
При использовании в описанном способе в качестве исходного сырья влажной стружки сахарной свеклы помимо исключения предварительного размола и фракционирования вместо запаривания с трехкратной промывкой производят двукратную промывку без предварительного запаривания.
Далее изобретение описано в приведенных ниже не ограничивающих область данного изобретения примерах. Пример №1.
В качестве сырья использовали гранулированный жом сахарной свеклы с содержанием клетчатки 18% и влажностью 12%. Произвели размол жома в молотковой дробилке и рассев на фракции. Произвели запаривание фракции жома размером 1,5-2,5 мм в количестве 50 кг в реакторе в 1400 л питьевой воды при температуре 45°С в течение 1,5 часов при перемешивании. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере. Полученную пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную питьевую воду объемом 1100 л при температуре 45°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантер. Операцию промывки-отжима повторили трижды.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленный раствор, состоящий из 900 л умягченной воды и гидроксида калия, необходимого для обеспечения рН=11,5, при температуре 45°С. Постепенно повышая температуру в реакторе до 65°С, дробно внесли 25 кг перекиси водорода концентрацией 33%. Произвели замер уровня рН и корректировку до рН=9,0 с помощью гидроксида калия. После коррекции рН продолжили повышать температуру до 75°С. Общее время отбелки составило 1,5 часа. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную умягченную воду объемом 650 л при температуре 70°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 500 л при температуре 45°С и произвели подачу мелкодиспергированного озона в течение 30 минут, после чего в реактор внесли 2,5% водный раствор тиосульфата натрия в количестве, необходимом для полной инактивации атомарного кислорода. Пульпу оставили в реакторе с включенной мешалкой на 10 минут и произвели отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 400 л при температуре 45°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут, после чего произвели замер уровня рН и корректировку до рН=4,5 с помощью уксусной кислоты. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
В результате проведенных операций был получен продукт в количестве 226 кг (выход 56,5% в пересчете на абсолютное сухое содержание, АСС), с массовой долей влаги 89%, содержащий целлюлозные волокна, остатки гемицеллюлоз и пектин (содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 29,3%).
Полученный продукт разбавили умягченной водой до содержания сухих веществ 5%, перемешали до однородной массы, трижды пропустили через гомогенизатор (APV) при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10350 сПз.
Пример №2.
В качестве сырья использовали гранулированный жом сахарной свеклы с содержанием клетчатки 18% и влажностью 12%. Произвели размол жома в молотковой дробилке и рассев на фракции. Произвели запаривание фракции жома размером 1,0-2,0 мм в количестве 50 кг в реакторе в 1400 л питьевой воды при температуре 45°С в течение 1 часа при перемешивании. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
Полученную пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную питьевую воду объемом 1100 л при температуре 45°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантере. Операцию промывки-отжима повторили трижды.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленный раствор, состоящий из 900 л умягченной воды и гидроксида калия, необходимого для обеспечения рН=11,2, при температуре 45°С. Постепенно повышая температуру в реакторе до 65°С, дробно внесли 25 кг перекиси водорода концентрацией 33%. Произвели замер уровня рН и корректировку до рН=9,0 с помощью гидроксида калия. После коррекции рН, что является началом отбелки, продолжили повышать температуру до 75°С. Общее время отбелки составило 1,5 часа. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную умягченную воду объемом 650 л при температуре 70°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 500 л при температуре 45°С и произвели подачу мелкодиспергированного озона в течение 30 минут, после чего в реактор внесли 2,5% водный раствор тиосульфата натрия в количестве, необходимом для полной инактивации атомарного кислорода. Пульпу оставили в реакторе с включенной мешалкой на 10 минут и произвели отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 400 л при температуре 45°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут, после чего произвели замер уровня рН и корректировку до рН=4,5 с помощью уксусной кислоты. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
В результате проведенных операций был получен продукт в количестве 242 кг (выход 55,0% в пересчете на АСС), с массовой долей влаги 90%, содержащий целлюлозные волокна, остатки гемицеллюлоз и пектин (содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 30,2%).
Полученный продукт разбавили умягченной водой до содержания сухих веществ 5%, перемешали до однородной массы, трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10500 сПз.
Пример №3.
В качестве сырья использовали обессахаренную высушенную негранулированную стружку сахарной свеклы с содержанием клетчатки 19,0% и влажностью 8,6%. Размол не производили. Произвели зацаривание стружки в количестве 50 кг в реакторе в 1400 л питьевой воды при температуре 45°С в течение 1,0 часа при перемешивании. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
Полученную пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную питьевую воду объемом 1100 л при температуре 45°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантере. Операцию промывки-отжима повторили трижды.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленный раствор, состоящий из 900 л умягченной воды и гидроксида калия, необходимого для обеспечения рН=11,2, при температуре 45°С. Постепенно повышая температуру в реакторе до 65°С, дробно внесли 25 кг перекиси водорода концентрацией 33%. Произвели замер уровня рН и корректировку до рН=9,0 с помощью гидроксида калия. После коррекции рН, что является началом отбелки, продолжили повышать температуру до 75°С. Общее время отбелки составило 1,5 часа. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную умягченную воду объемом 650 л при температуре 70°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 500 л при температуре 45°С и произвели подачу мелкодиспергированного озона в течение 30 минут, после чего в реактор внесли 2,5% водный раствор тиосульфата натрия в количестве, необходимом для полной инактивации атомарного кислорода. Пульпу оставили в реакторе с включенной мешалкой на 10 минут и произвели отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 400 л при температуре 45°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут, после чего произвели замер уровня рН и корректировку до рН=4,5 с помощью уксусной кислоты. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
В результате проведенных операций был получен продукт в количестве 221 кг (выход 63,0% в пересчете на АСС), с массовой долей влаги 87%, содержащий целлюлозные волокна, остатки гемицеллюлоз и пектин (содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 31,3%).
Полученный продукт разбавили умягченной водой до содержания сухих веществ 5%, перемешали до однородной массы, трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре +20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10800 сПз.
Пример №4.
В качестве сырья использовали обессахаренную свежую стружку сахарной свеклы с содержанием клетчатки 21% (по АСС) и влажностью 93%. Размол и запаривание не производили. Произвели промывку стружки в количестве 50 кг в реакторе в 1100 л питьевой воды при температуре 45°С в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантере. Операцию промывки-отжима повторили трижды.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленный раствор, состоящий из 900 л умягченной воды и гидроксида калия, необходимого для обеспечения рН=11,2, при температуре 45°С. Постепенно повышая температуру в реакторе до 65°С, дробно внесли 25 кг перекиси водорода концентрацией 33%. Произвели замер уровня рН и корректировку до рН=9,0 с помощью гидроксида калия. После коррекции рН, что является началом отбелки, продолжили повышать температуру до 75°С. Общее время отбелки составило 1,5 часа. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную умягченную воду объемом 650 л при температуре 70°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут и отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 500 л при температуре 45 С и произвели подачу мелкодиспергированного озона в течение 30 минут, после чего в реактор внесли 2,5% водный раствор тиосульфата натрия в количестве, необходимом для полной инактивации атомарного кислорода. Пульпу оставили в реакторе с включенной мешалкой на 10 минут и произвели отжим на центрифуге-декантере.
Отжатую пульпу подали в реактор с включенной мешалкой в предварительно приготовленную осмотическую воду объемом 400 л при температуре 45°С, произвели промывку пульпы в течение 10 минут, после чего произвели замер уровня рН и корректировку до рН=4,5 с помощью уксусной кислоты. Произвели отжим пульпы на центрифуге-декантере.
В результате проведенных операций был получен продукт в количестве 23 кг (выход 65,0% в пересчете на АСС), с массовой долей влаги 90%, содержащий целлюлозные волокна, остатки гемицеллюлоз и пектин (содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 32,5%).
Полученный продукт разбавили умягченной водой до содержания сухих веществ 5%, перемешали до однородной массы, трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10850 сПз.
Пример №5.
Аналогичен примеру №1 за исключением того, что на двух доотмывках после отбелки в качестве технологической воды использовалась питьевая вода вместо осмотической.
В результате проведенных операций был получен продукт в количестве 224 кг (выход 56,0% в пересчете на АСС), с массовой долей влаги 89%, содержащий целлюлозные волокна, остатки гемицеллюлоз и пектин (содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 23,6%).
Полученный продукт разбавили умягченной водой до содержания сухих веществ 5%, перемешали до однородной массы, трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 8820 сПз.
Пример №6.
Аналогичен примеру №1 за исключением того, что на этапе запаривания в качестве технологической воды использовалась умягченная вода вместо питьевой.
В результате проведенных операций был получен продукт в количестве 222 кг (выход 55,5% в пересчете на АСС), с массовой долей влаги 89%, содержащий целлюлозные волокна, остатки гемицеллюлоз и пектин (содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 29,8%).
Полученный продукт разбавили умягченной водой до содержания сухих веществ 5%, перемешали до однородной массы, трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10200 сПз.
Пример №7.
Аналогичен примеру №1 за исключением того, что при наведении гидромодуля на этапе отбелки в качестве технологической воды использовалась осмотическая вода вместо умягченной.
В результате проведенных операций был получен продукт в количестве 225 кг (выход 56,2% в пересчете на АСС), с массовой долей влаги 89%, содержащий целлюлозные волокна, остатки гемицеллюлоз и пектин (содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 27,6%).
Полученный продукт разбавили умягченной водой до содержания сухих веществ 5%, перемешали до однородной массы, трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10040 сПз.
Пример №8.
Продукт, полученный в примере №3, подвергли инфракрасной конвективной сушке.
Массовая доля влаги высушенного продукта составила 30%. Содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 29,4%.
Высушенный продукт разбавили умягченной водой, предварительно нагретой до температуры 45°С, до содержания сухих веществ 5%, выдержали при заданной температуре в течение 30 минут.
Восстановленный продукт трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10520 сПз.
Пример №9.
Продукт, полученный в примере №3, подвергли инфракрасной конвективной сушке.
Массовая доля влаги высушенного продукта составила 12%. Содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 28,1%.
Высушенный продукт разбавили умягченной водой, предварительно нагретой до температуры 45°С, до содержания сухих веществ 5%, выдержали при заданной температуре в течение 30 минут.
Восстановленный продукт трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10400 сПз.
Пример №10.
Продукт, полученный в примере №3, подвергли инфракрасной конвективной сушке.
Массовая доля влаги высушенного продукта составила 6%. Содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 27,6%.
Высушенный продукт разбавили умягченной водой, предварительно нагретой до температуры 45°С, до содержания сухих веществ 5%, выдержали при заданной температуре в течение 30 минут.
Восстановленный продукт трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 10240 сПз.
Пример №11.
Продукт, полученный в примере №3, подвергли инфракрасной конвективной сушке.
Массовая доля влаги высушенного продукта составила 2,5%. Содержание пектиновых веществ к массе сухих веществ составило 10,4%.
Высушенный продукт разбавили умягченной водой, предварительно нагретой до температуры 45°С, до содержания сухих веществ 5%, выдержали при заданной температуре в течение 30 минут.
Восстановленный продукт трижды пропустили через гомогенизатор APV при давлении 250 атмосфер и температуре 20°С. Вязкость 5% геля микрофибриллярной пектинсодержащей целлюлозы составила 7500 сПз.