Экспериментальная оценка варьируемых геометрических размеров свекловичной стружки в технологических системах процессов сахарного производства

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 664.1.002.5:621.9

В.Б. Морозов, канд. техн. наук, доц.,

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВАРЬИРУЕМЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПРОЦЕССОВ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Осуществлено экспериментальное определение толщины свекловичной стружки, обеспечивающей наибольшее извлечение сахаристых веществ при минимальных содержаниях несахаров и целесообразных условиях производственной реализации.

Ключевые слова: свекловичная стружка, резание, диффузия, энергоэффективность, технологические системы, свеклосахарное производство, эксперимент.

Одним из главных и актуальных вопросов любого производства является его энергоэффективность. В условиях современного общества рациональное использование ресурсов, оптимизация процессов по коэффициенту полезного действия, экономия и всесторонняя безопасность [1, 6-8] - основные критерии производственного функционирования.

Свеклосахарное производство качественно характеризуется двумя основными энергопотоками:

1. Максимальное извлечение сахаристых веществ из сырья - пря-

мой продукт.

2. Минимальное извлечение вредных и «ненужных» компонентов -несахаров - косвенные затраты на комплекс доочистки продукта.

Целью проведения эксперимента было определено определение оптимальной толщины свекловичной стружки, обеспечивающей наибольших значений извлечённых сахаристых веществ при минимальных содержаниях несахаров.

Исходя из рекомендованных теоретических значений 0,5-1,0 мм [3, 4, 10, 12, 14-15] и производственных величин 4-6 мм [13] предлагается значение 4 мм, полученное по среднему значению наибольших чисел интервалов. Предложена рекомендованная температура 75 оС [14, 15].

Эксперимент реализуется по разработанному алгоритму (рис. 1). На нём обозначены: т - время диффузии, мин; / - длина трубки в поляризационном исследовании, см; t - температура диффузии, 0С; т - масса навески, кг; d - толщина стружки, мм; С - мутность, мл/дм3; £ - сахаросодер-жание, %; / - счётчик измерений.

Подготовка сырья предусматривает тщательную мойку плода свёклы, её визуальную и органолептическую оценку [5, 9, 11]. Отсекается розетка (головка), удаляются примеси и мезга, подготавливаются равнораз-мерные части (2 или 4 шт.).

Параметры эксперимента: т - 30, 45 и 60 мин; / всегда 20 см; t, соответственно 75 0С (как оптимальная, усреднённая величина); т в пределах 0,1 кг; d - 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 и 4 мм. Длительность процесса на производстве исчисляется несколькими часами, что сложно осуществить в лабораторных условиях. Предложены значения в наиболее употребимых величинах.

Изрезывание в стружку осуществляется с заданной толщиной для каждой части, причём захватываются все элементы плода по вертикали.

С целью однозначных результатов исследования обеспечивалось формирование экспериментальной навески, массой 0,1 кг.

Для предварительного разрушения поверхностной структуры стружки, выравнивания температур перед диффузией, а также для обеспечения диффузионного сока в более светлой и прозрачной гамме осуществлено ошпаривание водой с температурой 100 0С.

Если предусматривается более длительная процедура экстракции, с целью предотвращения изменения физико-химической природы, приводящего к потемнению диффузионного сока, предложено использовать дополнительный реактив, обеспечивающий обесцвечивание. В качестве такового использована лимонная кислота.

Процесс диффузии осуществлялся в специализированных установках, обеспечивающих герметичность и сохранение температурного баланса на всём протяжении экстрагирования сахаристых и иных веществ из стружки посредством растворителя.

^Начало

Подготовка сырья

/ Задание условий / эксперимента

/ т,!, t, m, d

Подготовка раствора сока

НЕТ

Рис. 1. Алгоритм процедуры эксперимента

При подготовке диффузионного сока обеспечена его очистка и резервирование в специальный тарированный резервуар.

Измерение мутности осуществлялось по двум причинам. Во-первых, содержание примесей (растворимых несахаров) характеризуется большей величиной мутности. Во-вторых, для проведения дальнейших поляриметрических измерений следует ориентироваться на наибольшую прозрачность репрезентативной пробы. Измерение мутности позволяет определить как фактического состояние процесса диффузии в установленных экспериментальных условиях, так и предусмотреть дальнейшие операции по снижению негативной для технологии поляриметрии мутности.

Отбор и подготовка проб подразумевает собой усреднение материала перемешиванием и отбор некоторого количества раствора для экспериментального инструментального измерения [2, 6, 8, 11].

Измерение содержания сахара осуществлено пятикратно с целью снижения погрешности глазомера контролёра и устанавливается усреднённая величина содержания сахара. При этом использована специально разработанная [11] методика пересчёта.

Выходом описанного алгоритма являлись конкретные и усреднённые величины мутности и сахаросодержания.

Эксперимент проводился в период с 25.11.2011 г. по 06.12.2011 г. и с 31.03.2012 г. по 03.04.2012 г. на базе лаборатории средств и методов тех-нохимического контроля продукции и сырья пищевых и перерабатывающих производств кафедры «Технологические системы пищевых и перерабатывающих производств» Тульского государственного университета.

Оценивалась зависимость сахаросодержания (%) в диффузионном соке при определённой толщине стружки от длительности процесса экстракции. Сводные результаты и графические интерпретации представлены в табл. 1 и рис. 2.

Таблица 1

Оценка сахаросодержания в зависимости от длительности процесса диффузии

Толщина стружки, мм Время диффузии, мин

30 45 60

0,50 25,72 21,64 23,54

0 - база -15,86 -8,48

0,75 22,89 25,94 26,64

0 - база 13,32 16,38

1,00 20,28 20,34 30,65

0 - база 0,30 51,13

1,25 16,68 20,11 20,98

0 - база 20,56 25,78

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 10

За базовые значения сахаросодержания принимается величина первого экспериментального измерения, отклонение от базы здесь всегда равно 0.

30---

30 45 60

0,5 мм "0,75 мм- - Чмм — -1,25 мм

Рис. 2. Изменение сахаросодержания в свёкле по различным толщинам в зависимости от длительности процесса диффузии

Анализ результатов показывает, что при большей длительности процесса диффузии процент сахароотдачи растворителю растёт. В среднем на каждый шаг проведённого эксперимента приходится рост контролируемых значений +4,58 % и +21,20 %. Таким образом, численно подтверждается важность большей длительности процесса экстракции с точки зрения выделения объёма сахаристых веществ. Дополнительно отмечено, что для больших толщин динамика производительности процесса диффузии выше. Это обусловлено физическими особенностями экстракции, связанной с проникновением в толщу материалов. При меньшей толщине охват и максимальное вымывание Сахаров наблюдается уже на ранних стадиях процесса и малоизменяется в дальнейшем. При больших толщинах рост длительности процесса экстракции позволяет обеспечить более полный охват объёма каждой стружки, что постоянно приводит к росту сахароотдачи (см. рис. 2).

Также рассмотрена зависимость сахаросодержания (%) в диффузионном соке при конкретной длительности процесса экстракции от толщины стружки. Сводные результаты и графические интерпретации представлены в табл. 2 и на рис. 3.

За базовые значения сахаросодержания принимается величина первого экспериментального измерения, отклонение от базы здесь всегда равно 0.

Как видно из табл. 2 изменения сахаросодержания носят перемен-

ный характер. В среднем на каждый шаг проведённого эксперимента приходится следующие значения: +6,25 %, +1,07 %, -21Д7 %. В общем понимании это экспериментально подтверждает то, что при меньшей толщине стружки диффузия Сахаров происходит лучше и проникновение толщи материала более производительно.

Таблица 2

Оценка сахаросодержаяия в зависимости от толщины стружки

Длительность диффузии, мин Толщина стружки, мм

0,50 0,75 1,00 1,25

30 25,72 22,89 20,74 16,68

0 - база -11,00 -19,39 -35,15

45 14,98 16,61 13,93 12,36

0 - база +10,88 -7,68 -17,49

60 23,54 26,64 30,66 20,98

0 - база +13,17 +30,25 -10,88

С другой стороны, в интервале толщин 0,5 - 1,00 мм наблюдается некоторый рост сахароотдачи. Это указывает на равнозначность значений толщин. При значениях толщин, выходящих в большую сторону, наблюдается уменьшение сахароотдачи.

35 30 Í 25

Z

<и

I 20

ш

я

8 15

а

з ю

<и О

5 0

Рис. 3. Изменение сахаросодержания в свёкле при различной длительности экстракции в зависимости от толщины стружки

__ Ф

— ф я - - - - яФщ * 4

Г-~ ' ~~ — - - - - - ^ * * %

0,5 0,75 1 1,25

Толщина стружки, мм

— — 30 мин 45 мин - - - -60 мин

Дополнительно следует отметить то, что при меньшей длительности процесса диффузии (30 мин) наблюдается спадающая динамика саха-роотдачи. Для значений 45 и 60 мин определено менее интенсивное снижение контролируемой величины, причём для промежуточных величин толщин зафиксирован некоторый рост. Это объясняется большим временным воздействием на материал, в результате чего потери от снижения возможности проникновения всей большей толщи каждой стружки частично компенсируются динамичностью процесса.

Общий анализ табл. 2.1 и 2.2 указывает на то, что сахароотдача становиться более эффективной при меньшей толщине стружки и большей длительности процесса. При этом расхождения для различных условий в среднем укладывается в интервал статистических погрешностей, что указывает на отсутствие принципиальных отличий в задаваемых геометрических параметрах стружки. В целом, из выбранного интервала наиболее употребимым следует принять величину толщины стружки 1 мм.

Как уже отмечалось ранее, технологически получение толщины стружки 1 мм сложно осуществимо и мало выгодно в силу высокой степени брака и малой производительности. Рекомендуемая величина предложена как базовая для сравнение с наиболее приемлемой - 4 мм.

Проведено экспериментальное исследование, в котором процесс диффузии параллельно осуществлялся в равных условиях для толщин 1 и 4 мм трижды для различных плодов. Результаты сведены в табл. 3 и представлены на рис. 4, 5.

Таблица 3

Оценка усреднённых значений сахаросодержания_

Параметр Длительность, мин

30 45 60

Толщина стружки, мм 1 22,74 24,96 22,13

4 22,24 24,85 24,09

Относительное изменение, % - 10,11 - 0,44 + 8,86

Среднее абсолютное изменение, % 6,47

Среднее изменение, % - 0,56

При проведении эксперимента оценивалась вероятность влияние экстрагированных при диффузии несахаров, которые вымывались в раствор за счёт механического разрушения клеточной структуры плода. Их наличие косвенно можно определить по мутности раствора. Технологическая цепочка становиться более энергозатратной из-за необходимости дальнейшей доочистки.

Эксперимент проводился по схеме использовавшегося алгоритма.

156

В качестве массы навески использовалась величина т = ОД кг, длительность и температура диффузии, соответственно, т = 45 мин и / = 75 X. Предварительно проводилось кратковременное ошпаривание. С целью чистоты эксперимента, предотвращения физико-химических реакций, приводящих к помутнению, применялась методика добавления реактива - лимонной кислоты. Таким образом, реактив, исключал дополнительные изменения в растворе, не затрагивая непосредственно сахара.

Рис. 4. Изменение средних значений сахаросодержания в зависимости от длительности диффузии

Рис. 5. Оценка значений мутности для различных условий диффузии

Общие результаты оценки мутности при различных условиях реактивного присутствия представлены в табл. 4.

Таблица 4

Оценка усреднённых значений мутности__

Параметр Мутность, мг/дм3

с реактивом без реактива

Толщина, мм 1 0,37 0,39

4 0,135 0,375

Относительная разница*, % - 63,51 - 3,84

* - рассчитывается относительно рекомендованной толщины стружки - 1 мм.

Из табл. 4. видно, что наличие реактива в различной, относительно толщины стружки, степени снижает мутность. При этом в любом случае при большей толщине стружке наблюдается снижение величины мутности, что свидетельствует о большей чистоте диффузионного сока. Для учёта непосредственно количества несахаров важна степень снижения мутности при наличие реактива. Видно, что понижение величины составляет весьма значительную цифру - 63,51 %.

Дополнительные исследования также показали, что на сахаросо-держание реактив статистически значимого влияния не оказывает.

Всё это свидетельствует о том, что при большей толщине свекловичной стружки потери сахара имеют значения, входящими в обычную статистическую погрешность, причём чистота сока относительно включе-ний-несахаров значительно выше.

Отмечено, что толщина стружки в 1 мм является технологически сложно выполнимой и увеличивает процент вредных включений в полуфабрикат. Также, экспериментально доказано, что при меньшей величине толщины стружки выход сахаристых веществ больше. Это обусловлено эффектом поверхностной и глубинной диффузии, при которой большее проникновение в толщу стружки обеспечивается при её меньшей толщине. Однако проведённые эксперименты показали, что величина (процент) сахаристых веществ, которые извлечены из стружки 1 мм в среднем на 0,56 % отличается от аналогичного значения при толщине - 4 мм, что входит в рамки статистической ошибки. Таким образом, отклонения в рамках всего технологического процесса является незначительной и величины экстрагированного сахара при 1 и 4 мм, в целом и при равных прочих условиях, одинаковы.

Дополнительно экспериментально доказано, что мутность получаемого раствора экстракта при 1 мм стружки в 2,7 раз больше, чем при толщине 4 мм. Такой результат объясняется большей величиной количества нерастворимых несахаров, которые попадают в раствор. Это связано со значительным разрушением структуры клеток свёклы за счёт более частой нарезки при формировании 1-миллиметровой толщины.

Общий вывод указывает на необоснованность величины толщины нарезаемой стружки 1 мм и целесообразность величины 4 мм.

Список литературы

1. Гавриленков А.М. Экологическая безопасность пищевых производств: учеб. пособие для вузов. СПб.: ГИОРД, 2006. 272 с.

2. Горелов А.С., Прейс В.В., Сосков В.Б. Теоретические основы синтеза структур автоматизированных систем отбора и подготовки проб нештучной продукции // Известия ТулГУ. Технические науки. Выпуск 1, 2008. С. 234-248.

3. Гребенюк С.М., и др. Технологическое оборудование сахарных заводов: учебник для вузов. М.: КолосС, 2007. 520 с.

4. Момот В. В., Балабанов В. В. Механизация процессов переработки и хранения овощей и плодов. М.: Агропромиздат, 1988. 380 с.

5. Морозов В.Б. Алгоритм процедуры непрерывного (выборочного) контроля качества продукции в технологических системах пищевых и перерабатывающих производств // Сборник материалов докладов Всероссийской научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых учёных и специалистов». Тула. Изд-во ТулГУ, 2010. С 307-310.

6. Морозов В.Б. Анализ функционально-структурных компонентов машин сельскохозяйственного назначения // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 23-28.

7. Морозов В.Б. Комплексная безопасность в пищевых и перерабатывающих производствах: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 108 с.

8. Морозов В.Б. Комплексная безопасность как элемент качества в пищевых и перерабатывающих производствах // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 258-264.

9. Морозов В.Б. Растениеводческое сельскохозяйственное сырьё пищевых и перерабатывающих производств: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 92 с.

10. Морозов В.Б. Технологические системы подготовки и переработки сырья свеклосахарных производств: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 96 с.

11. Морозов В.Б. Технохимический контроль и анализ параметров качества продукции и сырья пищевой и перерабатывающей промышленности. Лабораторный практикум: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Ч. II. 52 с.

12. Общая технология сахара и сахаристых веществ: учебник для вузов / А.Р. Сапронов [и др]. М.: Пищ. пром-сть,1979. 464 с.

13. Приймак В.М. Технология и техникум-контроль сахарного производства: учебник для техникумов. М.: Легкая и пищ. пром.,1981. 240 с.

14. Сапронов А.Р. Технология сахарного производства: учебник для вузов. М. : КолосС, 1999. 495 с.

15. Сапронов А.Р. Технология сахарного производства: учебник для студ. вузов. 2-е изд., испр. и доп. М.:Колос,1999. 495 с.

V.B. Morozov

EXPERIMENTAL MARK OF THE CHANGEABLE GEOMETRICAL SIZES OF SHAVING OF A BEET IN TECHNOLOGICAL SYSTEMS OF SUGAR PRODUCTION

Experimental determination of thickness of shaving of a beet is carried out, bigger extraction of sugar is provided at the smallest amount of not sugars, conditions of production are considered

Key words: beet shaving, cutting, diffusion, power efficiency, technological systems, production of sugar, experiment.

Получено 28.09.12