CПОСОБ ОЧИСТКИ РАСТВОРОВ САХАРА
METHOD FOR PURIFYING OF SUGAR SOLUTIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу очистки растворов сахара, в частности к способу очистки растворов сахара, позволяющему удалять компоненты с неприятным запахом, содержащиеся в растворах сахара.
Предшествующий уровень техники
Очистка растворов сахара обычно включает комбинацию обесцвечивающей обработки, такой как обработка активированным углем, обработка костяным углем или обработка ионообменной смолой, и деионизационной обработки, при которой используется обработка ионообменной смолой. В случае раствора сахарозы примеры известных систем для проведения указанной деионизационной обработки включают так называемые реверсивные ионообменные системы, в которых раствор сахарозы последовательно проходит через емкость с сильноосновной анионообменной смолой и емкость со слабокислотной катионообменной смолой, системы со смешанным слоем, в которых раствор сахарозы проходит через емкость со смешанным слоем, содержащим сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу, и системы, в которых раствор сахарозы последовательно проходит через емкость с сильноосновной анионообменной смолой и емкость со смешанным слоем, содержащим сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу (см., например, патент JP 2785833).
Раскрытие изобретения
В последнее время проблемой становятся неприятные запахи, выделяющиеся из растворов сахара, уже подвергнутых очистке. Хотя точная природа таких компонентов с неприятным запахом, содержащихся в обработанных растворах сахара, остается неустановленной, известно, что компоненты с неприятным запахом сохраняются в растворах сахара даже после окончательного процесса обработки, вызывая заметное ухудшение качества сахарного продукта. Следовательно, необходимо, чтобы такой тип компонентов с неприятным запахом не оставался в обработанном растворе сахара, получаемом в конечном итоге после рассматриваемого процесса очистки.
Однако удаление таких компонентов с неприятным запахом из раствора сахара оказывается сложным, если использовать описанные выше деионизационные обработки, при которых применяется обработка ионообменными смолами.
В свете описанных выше обстоятельств настоящее изобретение представляет способ очистки растворов сахара, обеспечивающий эффективное удаление компонентов с неприятным запахом, содержащихся в растворах сахара.
В результате интенсивных исследований авторы настоящего изобретения установили, что при обработке раствора сахара фенольной адсорбционной смолой, содержащей множество фенольных OH-групп на поверхности пористого ароматического полимера, удаляются содержащиеся в растворе сахара компоненты с неприятным запахом.
Настоящее изобретение основано на этих данных и представляет способ очистки растворов сахара, полученного из сахарной свеклы, или раствора сахара, полученного из кукурузного или картофельного крахмала, предусматривающий его обработку фенольной адсорбционной смолой, содержащей множество фенольных OH-групп на поверхности пористого ароматического полимера, и ионообменную обработку путем пропускания раствора сахара последовательно через сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу, или через смешанный слой этих смол, или путем последовательного пропускания через сильноосновную анионообменную смолу и смешанный слой, содержащий сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу.
Согласно указанному способу очистки растворов сахара стадию ионообменной обработки предпочтительно проводить после стадии адсорбционной обработки.
Раствор сахара, подлежащий очистке, предпочтительно представляет собой раствор сахарозы. Используемое в данном описании понятие «раствор сахарозы» означает сахаросодержащий раствор, из которого после очистки получают конечные продукты сахарозы, например твердый сахар, такой как белый высокоочищенный сахар или жидкий сахар. Другими словами, понятие «раствор сахарозы» относится к обозначению сахаросодержащих растворов, содержащих сахарозу, которые находятся в процессе очистки для получения чистой сахарозы из исходного сахарного сырья. Термин «сахароза» используется для указания того, что такие растворы сахара являются растворами сахарозы, а не другого сахара, отличного от сахарозы, например крахмального сахара.
Краткое описание графических материалов
Чертеж представляет собой принципиальную схему, демонстрирующую один из вариантов способа очистки раствора сахара согласно настоящему изобретению.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Ниже приведено описание одного из вариантов осуществления изобретения. Согласно данному варианту на стадии адсорбционной обработки процесса очистки раствора сахара в устройстве адсорбционной обработки, входящем в устройство для очистки раствора сахара, осуществляют взаимодействие раствора сахара с фенольной адсорбционной смолой. Фенольная адсорбционная смола относится к адсорбционной смоле, содержащей множество фенольных OH-групп на поверхности пористого ароматического полимера, и, согласно данному варианту осуществления изобретения, может быть использована любая адсорбционная смола, обладающая структурой такого типа. Благодаря описанной выше структуре фенольная адсорбционная смола сочетает действие физической адсорбции, обусловленное пористым ароматическим полимером и аналогичное действию активированного угля, и ионообменное действие, обусловленное фенольными OH-группами. В кислых или нейтральных средах фенольная адсорбционная смола поглощает компоненты с неприятными запахами и вещества, обусловливающие цветность, тогда как в щелочной среде природа поверхности смолы изменяется и смола десорбирует все поглощенные вещества. В соответствии с этим взаимодействие раствора сахара с фенольной адсорбционной смолой осуществляют либо в кислой среде (рН 1-5), либо в среде, близкой к нейтральной (от слабокислой до слабощелочной с рН 5-9), а когда адсорбционная емкость фенольной адсорбционной смолы исчерпывается, поток исходного раствора сахара останавливают и фенольную адсорбционную смолу регенерируют, используя щелочной раствор, такой как водный раствор гидроксида натрия. Конкретные примеры подходящих фенольных смол включают HS- и KS-смолы, выпускаемые компанией Ajinomoto-Fine-Techno Co., Inc., и XAD761, выпускаемые компанией Rohn & Haas Company.
Согласно данному варианту осуществления изобретения на стадии ионообменной обработки процесса очистки раствора сахара осуществляют взаимодействие раствора сахара с ионообменными смолами. В тех случаях, когда раствор сахара представляет собой раствор сахарозы, в качестве указанных ионообменных смол могут быть использованы сильноосновная анионообменная смола и слабокислотная катионообменная смола, а подходящие схемы обработки смолами включают представленные ниже варианты (а)-(с).
(a) Схема, согласно которой раствор сахара проходит последовательно через сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу.
(b) Схема, согласно которой раствор сахара проходит через смешанный слой, содержащий сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу.
(c) Схема, согласно которой раствор сахара проходит последовательно через сильноосновную анионообменную смолу и смешанный слой, содержащий сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу.
Среди этих различных схем обработки смолой предпочтительной в отношении конечного качества обработанного раствора является схема (c). Кроме того, предпочтительно, чтобы в смешанном слое, использованном в указанных выше схемах (b) и (c), объемное соотношение между сильноосновной анионообменной смолой и слабокислотной катионообменной смолой лежало в пределах от 8:4 до 1:4, а с точки зрения скорости деионизации и величины рН обработанного раствора, особенно предпочтительным является объемное соотношение 2:1.
Упомянутые выше сильноосновная анионообменная смола и слабокислотная катионообменная смола могут быть любыми смолами, способными обеспечить деионизацию раствора сахара, не вызывая конверсии сахара. Конкретные примеры подходящих смол включают сильноосновные анионообменные смолы, такие как Amberlite (зарегистрированный товарный знак, это также относится ко всем последующим смолам) IRA-402BL, IRA-900, IRA- 411S и ХТ-5007, все производятся компанией Rohm & Haas Company, и Diaion (зарегистрированный товарный знак, это также относится ко всем последующим смолам) РА-308 и РА-412, выпускаемые химической корпорацией Mitsubishi Chemical Corporation, а также слабокислотные катионообменные смолы, такие как Amberlite IRC-76 и Amberlite IRC-50, и Diaion WK-11.
Согласно данному варианту осуществления изобретения сначала может быть проведена обработка раствора сахара фенольной адсорбционной смолой, а затем - обработка ионообменными смолами, либо сначала может быть осуществлена обработка ионообменными смолами, а затем - обработка фенольной адсорбционной смолой, но в силу указанных ниже причин предпочтительной является первая схема обработки смолой. А именно, когда раствор сахара взаимодействует сначала с фенольной адсорбционной смолой, из фенольной адсорбционной смолы элюируется кислота либо щелочь, в зависимости от способа, используемого для регенерации фенольной адсорбционной смолы, другими словами, величина рН раствора сахара становится либо кислой, либо щелочной. Обработка раствора сахара ионообменными смолами после такого взаимодействия с фенольной адсорбционной смолой создает преимущество, заключающееся в том, что величина рН раствора сахара, ставшая либо кислой, либо щелочной в результате контакта с фенольной адсорбционной смолой благодаря обработке ионообменными смолами возвращается, по существу, к значению, близкому к нейтральному (рН 5,5-8,5). Помимо этого, фенольная адсорбционная смола обладает обесцвечивающим действием, обработка раствора сахара фенольной адсорбционной смолой перед обработкой ионообменными смолами снижает нагрузку на ионообменные смолы, другими словами, на второй стадии очистки, заключающейся в обработке ионообменными смолами, можно будет обработать большее количество раствора сахара, сохраняя при этом высокую степень чистоты обработанного раствора сахара.
Согласно данному варианту осуществления изобретения температура раствора сахара при взаимодействии с фенольной адсорбционной смолой и ионообменными смолам обычно лежит в пределах от 20°С до 80°С, предпочтительно от 30°С до 70°С. Если температура раствора сахара при взаимодействии будет менее 20°С, эффективность обработки может снизиться, в то же время, если температура превысит 80°С, могут пострадать либо фенольная адсорбционная смола и ионообменные смолы, либо непосредственно раствор сахара.
Кроме того, расход раствора через устройство адсорбционной обработки и устройство ионообменной обработки обычно лежит в пределах от SV0.25 до SV10 и предпочтительно от SV2 до SV8 относительно количества фенольной адсорбционной смолы. Если расход раствора окажется менее SV0,25, то эффективность обработки может снизиться, тогда как если расход превысит SV10, то дезодорирование, обесцвечивание и деминерализация могут протекать неудовлетворительно. Термин SV означает отношение количества обработанного раствора, проходящего через насадочную смолу за 1 час, к количеству насадочной смолы.
Раствор сахара, использованный в качестве объекта обработки согласно данному варианту осуществления изобретения, может быть либо упоминавшимся выше раствором сахарозы, либо любым другим сахарным раствором, таким как раствор крахмального сахара (декстрозы). Примеры растворов сахара, содержащих компоненты с неприятным запахом, включают растворы сахара, содержащие компоненты с неприятным запахом растительного происхождения, таким как свекольный запах, относящийся к растворам сахара, полученным из сахарной свеклы, и зерновой запах, относящийся к растворам крахмального сахара, полученным из кукурузы или картофеля. В случае растворов сахарозы обычно в качестве исходного раствора сахара используют раствор сахара, уже подвергнутый стадиям промывки, растворения, карбонизации, фильтрации и обесцвечивания, хотя настоящее изобретение не ограничено такими случаями.
Как описано выше, согласно данному варианту осуществления изобретения могут быть эффективно удалены содержащиеся в растворе сахара компоненты с неприятным запахом, таким образом предотвращается попадание компонентов с неприятным запахом в обработанный раствор сахара.
На чертеже изображена принципиальная схема, иллюстрирующая один из примеров устройства для очистки раствора сахара согласно данному варианту осуществления изобретения. Устройство состоит из емкости 10 с фенольной адсорбционной смолой (рН-емкость), емкости 12 с сильноосновной анионообменной смолой (емкость А), и емкости 14 со смешанным слоем (емкость MB), содержащим сильноосновную анионообменную смолу и слабокислотную катионообменную смолу. В этом примере в емкости 10 осуществляют адсорбционную обработку, а в емкости 12 с сильноосновной анионообменной смолой и емкости 14 со смешанным слоем - ионообменную обработку. В данном примере исходный раствор 16 сахара проходит последовательно через емкость 10 с фенольной адсорбционной смолой, емкость 12 с сильноосновной анионообменной смолой и емкость 14 со смешанным слоем, в результате чего получают очищенный и обработанный раствор 18 сахара без запаха.
ПРИМЕРЫ
Ниже дано описание особенностей настоящего изобретения с использованием ряда примеров.
Пример: рН-емкость→емкость А→емкость MB
Было подготовлено экспериментальное устройство, аналогичное устройству, схема которого изображена на чертеже. Были подготовлены: емкость с фенольной адсорбционной смолой (рН-емкость) путем заполнения колонки смолой HS (100 мл) (производства Ajinomoto-Fine-Techno Co., Inc.) в качестве фенольной абсорбционной смолы; емкость с сильноосновной анионообменной смолой (емкость А) путем заполнения колонки смолой Amberlite IRA402BL (50 мл) в качестве сильноосновной анионообменной смолы, и емкость со смешанным слоем (емкость MB) путем заполнения колонки смесью смол Amberlite IRA402BL (50 мл) в качестве сильноосновной анионообменной смолы и Amberlite IRC-76 в качестве слабокислотной катионообменной смолы.
2800 мл раствора сахарозы (исходного раствора сахара) со свойствами, указанными в Таблице 1, пропускали через рН-емкость, емкость А и емкость MB при температуре раствора 50°С и расходе раствора 400 мл/час, и получали в результате обработанный раствор сахара. В Таблице 1 обозначение Bx относится к концентрации сахара по Бриксу (%). Кроме того, под интенсивностью окраски подразумевается величина, вычисленная по приведенной ниже формуле. Концентрацию сахара по Бриксу в растворе сахара измеряли на цифровом рефтактометре (RX-1000, производитель Atago Co., Ltd.), а поглощение определяли на спектрофотометре (U-3010, производитель Hitachi, Ltd.).
где Bx - концентрация сахара по Бриксу (%),
OD420 нм - поглощение при длине волны 420 нм (при использовании ячейки 5 см),
OD720 нм - поглощение при длине волны 720 нм (при использовании ячейки 5 см).
Таблица 1
Анализируемый параметр
Исходный раствор сахара
Bx
56,2
pH
4,35
Электропроводность (мкС/см)
117,7
Всего анионов (мг·CaCO<sub>3</sub>/л)
605
Всего катионов (мг·CaCO<sub>3</sub>/л)
595
Интенсивность окраски
12,5
Сравнительный пример 1: емкость А→емкость MB
Из устройства для очистки, использованного в примере, убирали емкость с фенольной адсорбционной смолой (рН-емкость) и готовили установку для очистки, включающую только емкость с сильноосновной анионообменной смолой (емкость А) и емкость со смешанным слоем (емкость MB). 2800 мл раствора сахарозы (исходного раствора сахара) со свойствами, указанными в Таблице 1, пропускали последовательно через емкость А и емкость MB при температуре раствора 50°С и расходе раствора 400 мл/час, и получали в результате обработанный раствор сахара.
Сравнительный пример 2: рН-емкость
Из устройства для очистки, использованного в примере, убирали емкость с сильноосновной анионообменной смолой (емкость А) и емкость со смешанным слоем (емкость MB) и готовили установку для очистки, включающую только емкость с фенольной адсорбционной смолой (рН-емкость). 2800 мл раствора сахарозы (исходного раствора сахара) со свойствами, указанными в Таблице 1, пропускали последовательно через рН-емкость при температуре раствора 50°С и расходе раствора 400 мл/час, и получали в результате обработанный раствор сахара.
Поскольку природа веществ, являющихся источниками неприятных запахов, остается еще недостаточно ясной, неприятные запахи исходного раствора сахара и обработанных растворов сахара, полученных в примере и сравнительных примерах, оценивали органолептически при участии экспертной группы (группа, состоящая из 5 мужчин и 5 женщин, оценивала каждый раствор по четырехбалльной шкале и их отзывы по каждому раствору суммировались). Результаты представлены ниже в Таблице 2. Результаты подтверждают, что в примере и сравнительном примере 2, где раствор сахара обрабатывали фенольной адсорбционной смолой, компоненты с неприятными запахами удалялись из раствора. Напротив, в сравнительном примере 1, где исходный раствор сахара не обрабатывали фенольной адсорбционной смолой, было очевидно, что компоненты с неприятным запахом практически не устранялись из раствора сахара.
Таблица 2
Средняя оценка
Заключение
Исходный раствор сахара
2,8
Ощутимый сильный неприятный запах
Пример
0,3
Неприятный запах неощутим
Сравнительный пример 1
2,1
Ощутимый неприятный запах
Сравнительный пример 2
0,5
Неприятный запах неощутим
Численность группы: 10 человек
Оценочная шкала (4-бальная шкала):
+3: ощутимый сильный неприятный запах
+2: ощутимый неприятный запах
+1: ощутимый слабый неприятный запах
0: неприятный запах неощутим.
Кроме того, свойства обработанных растворов сахара, полученных в примере и сравнительных примерах 1 и 2, представлены в Таблице 3. Величина Bx и интенсивность окраски такие же, как определены выше.
Таблица 3
Анализируемый параметр
Исходный раствор сахара
Пример
Сравнительный пример 1
Сравнительный пример 2
Bx
56,2
56,2
56,2
56,2
рН
4,35
8,14
7,96
4,40
Электропроводность (мкС/см)
117,7
0,83
0,72
118,9
Интенсивность окраски
12,5
2,1
2,7
3,9
Из результатов, представленных в Таблице 3, видно, что по сравнению с интенсивностью окраски исходного раствора сахара интенсивность окраски обработанного раствора из сравнительного примера 2 значительно ниже, что свидетельствует о том, что вещества, обусловливающие цветность, содержащиеся в исходном растворе сахара, адсорбируются фенольной адсорбционной смолой. Кроме того, по сравнению с величиной рН обработанного раствора сахара из сравнительного примера 2 величина рН обработанного раствора сахара из примера ближе к нейтральному значению, что свидетельствует о том, что обработка ионообменными смолами приближает величину рН раствора сахара к нейтральному значению. В соответствии с этим, как описано выше, раствор сахара предпочтительно следует сначала обрабатывать фенольной адсорбционной смолой, а затем ионообменными смолами.