Обоснование схемы с отделением осадка несахаров до основной очистки в свеклосахарном производстве

<ЪестниъФТУЖЛС, №3, 2П13

УДК 664.1.03

Профессор Н.Г. Кульнева, аспирант М.В. Журавлев, соискатель О.Г. Пихунова, студент К.А. Парамонова

(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра технология бродильных и сахаристых производств тел. (473) 255-07-51

Обоснование схемы с отделением осадка несахаров до основной очистки в свеклосахарном производстве

На основе исследования структуры дефекосатурационных осадков обоснована целесообразность отделения осадка несахаров перед основной дефекацией, определены оптимальные параметры процесса.

Based on studies of the structure of defecation-carbonated precipitation proved the feasibility of separating a liquid non-sugars before the main defecation, the optimal process parameters are identified.

Ключевые слова: свеклосахарное производство, отделение преддефекованного осадка, дисперсность суспензий, глубокая карбонизация.

Большую роль в технологической схеме очистки диффузионного сока свеклосахарного производства играет предварительная дефекация, целью которой является осаждение несахаров и формирование структуры осадка с необходимыми свойствами.

Особенно возрастает значение предварительной дефекации и других способов обработки диффузионного сока при отделении осадка несахаров до основной дефекации. Отделение осадка после предварительной дефекации в связи с его неустойчивостью в условиях высокой щелочности и температуры основной дефекации является одним из актуальных направлений повышения эффективности очистки диффузионного сока известью и карбонатом кальция.

Предлагаемая схема отличается от типовой схемы тем, что после проведения пред-дефекации для улучшения фильтрационно-седиментационных свойств осадка проводится предварительная сатурация сока и его отделение. Отделение осадка преддефекованного сока даёт возможность использовать карбонат кальция для адсорбционной очистки сока лишь от тех несахаров, которые не осаждаются на преддефекации. Удаление пред-дефекосатурационного осадка позволяет экономить известь на стадии основной дефекации (до 0,5 % СаО к массе сока) и дефекации перед II сатурацией при её исключении.

© Кульнева Н.Г., Журавлев М.В., Пихунова О.Г., Парамонова К.А., 2013

Задачами исследования были: изучение структуры осадков при различных способах начального этапа очистки диффузионного сока, определение оптимального количества возвраща-емой суспензии сока I сатурации и рационального расхода извести на основной дефекации.

Для выбора оптимального способа предварительной обработки диффузионного сока проводили теплую преддефекацию при температуре 50-55 0С в течение 15 мин с добавлением различного количества нефильтрованного сока I сатурации (50 и 100 %). В полученный сок вводили известковое молоко до рН 11,2 и далее обрабатывали по различным схемам. Типовая схема 1 ограничивалась проведением прогрессивной предварительной дефекации с введением возврата и известкового молока. Схема 2 с частичной карбонизацией предусматривала обработку преддефекованного сока диоксидом углерода до рН 10,5. По схеме 3 с глубокой карбонизацией преддефекованный сок сатурировали до рН 8,0-9,0, добавляли 0,3 % оксида кальция и карбонизировали до рН 11,0. Полученный по схемам 2 и 3 сок фильтровали.

Преддефекованный сок по типовой схеме и фильтраты по схемам 2 и 3 подвергали тепло-горячей основной дефекации добавлением 2 % оксида кальция, I сатурации, фильтрованию, дефекации перед II сатурацией, II сатурации и отделению осадка.

Анализу подвергали преддефекованный сок после предварительной обработки и очищенный сок. Результаты анализа представлены в таблице 1.

Таблица 1

Качественные показатели очищенного сока, полученного при различных способах предварительной обработки

Показатель Способ предварительной обработки

Типовая схема Способ с глубокой карбонизацией Способ с частичной карбонизацией

Чистота,% 87,1 88,9 88,5

Цветность, ед.опт.пл. 108,1 78,3 86,9

Массовая доля белков, мг/см3 3,1 1,9 2,6

Массовая доля солей кальция, % СаО 0,025 0,017 0,02

Примечание: Чистота ди< )фузионного сока 79,8 %

Экспериментально установлено, что при переработке долго хранившейся свеклы с низкой чистотой диффузионного сока предварительная обработка преддефекованного сока обеспечивает повышение эффективности удаления различных групп несахаров и увеличение чистоты очищенного сока [1].

Процессы, протекающие в условиях извесково-углекислотной очистки диффузионного сока, отражаются на структуре осадков. Установлено, что седиментационные и фильтрационные свойства сока I сатурации в значительной степени зависят от качества перерабатываемой свеклы, т. е. качественного и количественного состава высокополи-меров и других несахаров диффузионного сока, способа преддефекации и, в меньшей степени, от способа сатурации.

Предложен механизм образования агрегатов, состоящих из частиц коагулята вы-сокополимеров и частиц СаСОз, связанных через ионы Са2+, позволяющий объяснить структуру преддефекованного и сатурацион-ного осадков, их седиментационные и фильтрационные свойства.

При выяснении структуры агрегатов преддефекованного осадка исходили из того, что коагулят белков и пектиновых веществ с известью имеет отрицательный заряд. Размер частиц этого коагулята зависит от количества и способа добавления извести, рН и температуры, т.е. способа преддефекации.

Отрицательный заряд частиц коагулята диффузионного сока обусловлен наличием карбоксильных групп в молекулах белков и пектиновых веществ. Указанные выше высо-кополимеры дают с кальцием, как известно, плохо растворимые соединения. Объединение их в агрегаты можно объяснить образованием связи между карбоксильными группами отдельных частиц коагулята через ион Са2+. Предполагая такой механизм образования агрегатов, установили, что фильтрационные свойства осадка, состоящего из таких агрегатов, тем лучше, чем больше крупных частиц коагулята, соединенных в агрегат.

Образующиеся при сатурировании частицы СаС03 имеют положительный заряд и за счет электростатических сил будут взаимодействовать с отрицательно заряженными частицами преддефекованного осадка, образуя более крупные агрегаты. Такое взаимодействие связано с вытеснением гидратной воды с поверхности частицы СаС03, т.е. происходит дегидратация, вследствие чего повышается гидрофобность.

При этом некоторая доля дегидратированных частиц СаС03 находится главным образом внутри агрегатов и способствует увеличению их жесткости и повышению относительной плотности, а тем самым улучшению седимен-тационных и фильтрационных свойств осадка. Подтверждением именно такой структуры агрегатов осадка сока I сатурации является отрицательная величина их электрокинетического потенциала. Если предположить, что при сатурации не происходит образования агрегатов, а только наблюдается наращивание кристаллов карбоната кальция на готовых центрах, как это иногда считают, то при многократном возврате сатурационного осадка получились бы частицы различных размеров, что привело бы к резкому ухудшению фильтрования.

Таким образом, предполагаемый механизм образования агрегатов на преддефекации и сатурации позволяет объяснить влияние различных факторов на структуру осадка, его седиментационные и фильтрационные свойства, наметить пути их улучшения.

Определяли дисперсность преддефеко-ванных соков, обрабатанных по 2 схемам: с частичной карбонизацией преддефекованого сока до рН 10,5 и с глубокой карбонизацией (пересатурацией) преддефекованого сока до рН 8,5, добавлением 0,3 % СаО и карбонизацией до рН 11,0. Результаты исследования показаны на рисунках 1-2, в таблицах 2-3.

0,009 0,010

0,013 0,014

Рисунок 1 - Дисперсность преддефекованного сока по схеме с частичной карбонизацией сока после преддефекации

/

/

0,009

0,011 0,012

0,016

0,020

диаметр,мм

Рисунок 2 - Дисперсность преддефекованного сока по схеме с глубокой карбонизацией сока после преддефекации

Экспериментально установлено, что суммарное количество частиц больше в соке, обработанном по схеме с частичной карбонизацией, но диаметр частиц больше в соке, полученном по схеме с глубокой пересатурацией.

Таблица 2

Фильтр ационно-седимен-тационные показатели преддефекованного сока в зависимости от способа обработки

Показатель Способ начальной обработки сока

С глубокой пересатурацией преддефекованного сока С частичной карбонизацией преддефекованного сока

Фильтрационный коэффициент, см3/с 3,2 7,9

Скорость седиментации б5, см/мин 1,1 0,6

Высота слоя осадка И25, см3 1,5 3

Более высокие фильтрационно-седиментационные и качественные показатели преддефекованного сока достигаются в способе с глубокой карбонизацией сока после преддефекации.

Таблица 3

Качественные показатели преддефекованного сока после отделения осадка

Показатель Способ предварительной обработки диффузионного сока

С глубокой пересатураци-ейпреддефеко-ванного сока С частичной карбонизацией преддефекованного сока

Цветность, единиц оптической плотности 90,5 89,7

Массовая доля солей кальция, % СаО 0,027 0,049

При проведении предварительной дефекации использовали 100 % сока I сатурации к массе диффузионного сока. Результаты оценки дисперсности суспензий и качественных характеристик преддефекованного сока представлены на рисунках 3-4 ив таблице 4.

0,010 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 диаметр,мм

Рисунок 3 - Дисперсность преддефекосатурирован-ного сока по способу с глубокой карбонизацией

600000 180000 160000

к 140000

г ^

х 160000 в-

к 100000 § 80000 I 60000

40000 60000 0

Ч

Ч

V

ч

0,010 0,011

0,012

0,013 6,014 0,015

диаметр, мм

Рисунок 4 - Дисперсность преддефекованного сока, полученного по схеме с частичной карбонизацией

0

0

При использовании 100 % суспензии сока I сатурации выявлена такая же закономерность в дисперсности суспензий, что и при возврате 50 % нефильтрованного сока I сатурации.

Таблица 4

Фильтрационные и седиментационные показатели преддефекованного сока

Показатель Способ предварительной обработки диффузионного сока

С глубокой пересатурацией преддефекованного сока с частичной карбонизацией преддефекованного сока

Фильтрационный коэффициент, см3/с 6 20

Скорость седиментации б5, см/мин 1,5 0,9

Высота слоя осадка И25, % 12,5 20

Установлено, что количество суспензии карбоната кальция, возвращаемой на предварительную дефекацию в качестве центров коагуляции высокомолекулярных несахаров, оказывает влияние на структуру осадка: при введении 50 % возврата повышается однородность осадка при способе с пересатурацией. Добавление 100 % суспензии карбоната кальция способствует формированию более однородного и крупного осадка, слабо гидратированного, с хорошими фильтрационными свойствами.

При рассмотрении вопросов, связанных с седиментационными и фильтрационными свойствами осадков сахарного производства, необходимо учитывать структуру и размер ча-стиц осадка (рисунки 5-6).

-Схема с частичной карбонизацией-Схема с пересатурацией

Рисунок 5 - Дисперсность осадка при введении 50 % суспензии на предварительную дефекацию

0,009 0,010 0,011 0,012 0,013 0,014

Диаметр частиц, мм

-Схема с пересатурацией-Схема с частичной карбонизацией

Рисунок 6 - Дисперсность осадка при введении 100 % суспензии на предварительную дефекацию

Общий эффект очистки диффузионного сока складывается из двух составляющих: осаждения несахаров при действии извести и адсорбции их на поверхности образовавшегося осадка карбоната кальция. Эти процессы напрямую связаны с одной из важнейших технологических характеристик дефекосатураци-онных осадков - дисперсностью.

Количественно дисперсность выражается тремя величинами: числом частиц, удельным числом частиц и удельной поверхностью. Чем однороднее суспензия по размеру частиц, тем меньше степень полидисперсности и лучше фильтрационно-седиментационные свойства осадка СаС03; чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность и, следовательно, адсорбционные показатели (таблица 5).

Таблица 5

Сравнительная оценка фильтрационных и седиментационных свойств сока I сатурации

< 0,009 0,010 0,011 0,012 0,013 0,014

Показатель Способ обработки диффузионного сока

С пересатурацией преддефекованного сока Типовой

Фильтрационный коэффициент, см3/с 1,5 10,5

Скорость седиментации б5, см/мин 4,4 3,6

При проведении глубокой карбонизации улучшается структура преддефекованного осадка и осадка сока I сатурации, что обеспечивает более высокую скорость осаждения частиц. При этом уменьшается масса фильтрационного осадка и потери сахарозы в нем.

о

Проведение глубокой карбонизации преддефекованного сока повышает эффективность осаждения коллоидных и кристаллоид-ных соединений диффузионного сока, обеспечивает более полную дегидратацию осадка. За счет удаления несахаров, осажденных на начальном этапе очистки диффузионного сока, повышается качество преддефекованного и очищенного сока [2] (таблица 6).

Таблица 6

Сравнительная оценка типового и предлагаемого способов при различном расходе оксида кальция на основную дефекацию

При реализации предлагаемого способа, в отличие от типовой схемы, повышаются фильтрационно-седиментационные свойства преддефекованного сока и сока I сатурации, цветность сока снижается на 40-50 %, массовая доля солей кальция - на 20-25 %, чистота очищенного сока повышается на 1,0-1,2 %, эффект очистки на дефекосатурации увеличивается на 5-6 %, расход оксида кальция на очистку сока снижается на 0,5 - 1,0 % [3].

На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что при очистке диффузионного сока по схеме с отделением преддефекосатурационного осадка эффективнее проводить глубокое пересатурирование преддефекованного сока с последующим подщелачиванием и карбонизацией.

ЛИТЕРАТУРА

1 Кульнева, Н.Г. Целесообразность отделения осадка несахаров перед основной дефекацией [Текст] / Н.Г. Кульнева, Г.А. Буклей, М.В. Журавлев и др. // Материалы I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности», Краснодар. - 2012. - С. 786-788.

2 Кульнева, Н.Г. Повышение эффективности очистки диффузионного сока в свеклосахарном производстве [Текст] / Н.Г. Кульнева, Г.А. Буклей, М.В. Журавлев. - Международный научно-исследовательский журнал. -2013. - 4.1. - № 4(11). - С. 99-101.

3 Кульнева, Н.Г. Разработка ресурсосберегающей технологии для сахарного производства [Текст] / Н.Г. Кульнева, М.В. Журавлев, Г.А. Буклей // Материалы международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям», Воронеж. - 2012. -Ч. 3. - С. 139-141.

REFERENCES

1 Kulneva, N.G. Feasibility of dividing the cake in front of the main non-sugars defecation [Text] / N.G. Kulneva, G.A. Buckley, M.V. Zhuravlev et al // Materials of the I International Scientific-Practical Conference "Innovative technologies in food processing industry", Krasnodar. - 2012. - P. 786-788.

2 Kulneva, N.G. Improving the efficiency of juice purification in beet-sugar production [Text] / N.G. Kulneva, G.A. Buckley, M.V. Zhu-ravlev // The international research journal. -2013. - V. 1. - № 4 (11). - P. 99-101.

3 Kulneva, N.G. Development resursos-saving technologies for sugar production [Text] / N.G. Kulneva, G.A. Buckley, M.V. Zhuravlev // Proceedings of the International Scientific and Technical Conference "Adaptation processes in food matire technology", Voronezh. - 2012. -V. 3. - P.139-141.

Показатели Типовой способ Способ с глубокой карбонизацией

соков 2,5 % СаО 1,5 % СаО 2,0 % СаО

Сок после предварительной обработки

Цветность, ед. опт. пл. 134,6 66,6

Массовая доля белков, мг/см3 0,27 0,15

Массовая

доля солеи кальция, % СаО 0,252 0,168

Очищенный сок

Чистота, % 91,0 92,1 92,2

Цветность, ед. опт. пл. 66,7 42,3 41,3