СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО СОКА С МИНИМАЛЬНЫМ ПЕРЕХОДОМ НЕСАХА

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО СОКА
С МИНИМАЛЬНЫМ ПЕРЕХОДОМ НЕСАХАРОВ В ПРОЦЕССЕ
ЭКСТРАГИРОВАНИЯ САХАРОЗЫ
Задонских М.С., Белогурова Н.А., Потапова Н.А.
Воронежский государственный университет инженерных технологий
Воронеж, Россия
METHODS OF DIFFUSION JUICE OBTAINING WITH THE MINIMUM NONSUGARS TRANSFORMATION IN SUCROSE EXTRACTING PROCESS
Zadonskikh M.S., Belogurova N.A., Potapova N.A.
FSBEE HE "Voronezh State University of Engineering Technologies", Voronezh,
Russia (394036 Voronezh, revolution Avenue, 19
Сахарная свекла –
технологическая культура, из корнеплодов которой
получают сахар.
Выход кристаллического сахара - главный критерий для оценки
экономической эффективности сахарного производства. На выход сахара в
значительной степени влияет получение диффузионного сока из свекловичной
стружки с минимальными потерями сахарозы.
Основным критерием оценки технологического качества свеклы является
ожидаемый выход из неё кристаллического сахара, который зависит от
содержания сахарозы в корне, выхода мелассы и содержания в ней сахарозы. Эти
показатели определяются лабораторным путем.
Состав сахарной свеклы и диффузионного сока
Содержание, %
Показатель
Свекла
Диффузионный сок
Сухие вещества, всего
25,0
15,9
Сахароза, не менее
14,0
14,0
Редуцирующие вещества
0,10
0,05 -0,10
0,03-0,06
0,025
Альфа аминный азот
Пектины
2,4
0,05 – 0,025
Белки
0,10
0,70
Для снижения потерь сахарозы в процессе экстракции прибегают к
ошпариванию стружки различными реагентами, такими как: водные растворы
сернокислого глинозема и хлорной извести, ортофосфорной кислоты, сульфата
алюминия.
Цель диффузионного процесса — извлечь из свекловичной стружки
максимально возможное количество сахарозы. Для этого стружка нагревается до
температуры денатурации белка протоплазмы свекловичных клеток (выше 60 °С)
и обессахаривается противотоком горячей воды.
Мытую свеклу и крупные обломки взвешивают на автоматических
порционных весах и выгружают в бункер-накопитель. Оттуда они самотеком
поступают в свеклорезки и изрезываются в стружку, которая ленточным
транспортером подастся в диффузионный аппарат. В разрыве верхнего пояса
несущей
конструкции
ленточного
транспортера
установлены
непрерывно
действующие ленточные весы, контролирующие массу проходящей свекловичной
стружки и служащие первичным датчиком для автоматического управления
процессом диффузии.
Для
получения свекловичной стружки применяются центробежные,
барабанные и дисковые режущие машины. Принцип их действия основан на
движении свеклы и свеклорезных ножей относительно друг друга. Движение
осуществляется различными путями. В центробежных свеклорезках ножи
закреплены неподвижно на стенках вертикального цилиндра, а свекла движется
по внутренней поверхности цилиндра, прижимаясь к ножам за счет действия
центробежной силы.
Для эффективной работы диффузионной установки решающее значение
имеет качество свекловичной стружки, которая должна обладать достаточно
высокой удельной поверхностью, прочностью на разрыв, изгиб и смятие, хорошей
проницаемостью в течение
всего процесса
экстракции, иметь простую
геометрическую форму поперечного сечения.
Геометрическую форму свекловичной стружки выбирают в зависимости от
качества свеклы и типа используемых диффузионных аппаратов. Здоровую
неподвяленную свеклу изрезывают в мелкую ромбовидную, квадратную или
желобчатую стружку, подмороженную и подгнившую - в толстую ромбовидную,
квадратную или пластовидную стружку. Из различных форм поперечного сечения
стружки оптимальной считается ромбовидная и квадратная. Такая стружка
отличается от наиболее распространенных пластинчатой и желобчатой более
высокой скоростью и равномерностью обессахаривания.
Качество свекловичной стружки оценивается длиной 100 г стружки в
метрах (число Силина) или отношением массы стружки длиной более 5 см к массе
стружки длиной менее 1 см (шведский фактор), а также содержанием в стружке
брака. Браком считаются неразрезанные гребешки, а также стружка короче 5 мм
или толщиной менее 0,5 мм. Содержание брака в стружке ограничивается 3%.
В диффузионных аппаратах используется свекловичная стружка, длина 100
г которой составляет 9—15 м. Более тонкая стружка быстро измельчается
транспортирующими органами аппарата и превращается в мезгу. Мезга ухудшает
проницаемость массы стружки и забивает ситовые поверхности. Величина
шведского фактора, характеризующего хорошую проницаемость стружки,
должна, быть не ниже 8.
На обессахаривание стружки существенное влияние оказывают качество
свекловичной стружки и питающей воды (экстрагента), температура, pH среды,
длительность диффузии и величина отбора сока.
Качество свекловичной стружки и питающей воды. Активная площадь
поверхности диффузии тем больше, чем тоньше стружка. При этом укорачивается
путь, который молекулы сахарозы должны пройти до выхода из тканей свеклы.
Соответственно этому уменьшаются и потери сахарозы в обессахаренной
стружке. Но тонкая стружка менее упруга и легче образует в диффузионном
аппарате пробки, чем толстая. Она более чувствительна к воздействию высокой
температуры, легче измельчается транспортирующими устройствами.
Форма
и
размер
стружки
характеризуют
ее
проницаемость
для
экстрагирующей жидкости. Особенно затрудняют движение воды кусочки
стружки длиной меньше 1 см. Поэтому проницаемость стружки в диффузионном
аппарате оценивают по величине шведского фактора, с повышением которого
проницаемость стружки быстро увеличивается. При движении в аппарате и
перемешивании стружка измельчается, и шведский фактор снижается от 10 до 12
на входе и до 1-3 на выходе.
Для обессахаривания стружки применяется чистая горячая вода, не
содержащая коллоидных веществ и соединений, не удаляемых при очистке сока
известью. На диффузионный процесс отрицательно влияет высокая жесткость
воды, которая характеризуется содержанием в ней растворенных солей кальция и
магния. Для диффузии не применяется щелочная вода, так как из-за повышенного
растворения пектиновых веществ сахарной свеклы под действием щелочной
среды
снижается
скорость
отстаивания
сока,
увеличиваются
объем
фильтрационного осадка и масса коллоидных веществ, хуже прессуется жом.
Температура и pH среды. От температуры и продолжительности ее
воздействия зависят полнота денатурации протоплазмы в стружке, скорость
диффузии сахарозы, жизнедеятельность микроорганизмов, физическое состояние
клеточных
температуре
стенок
выше
свеклы.
60°С
и
Денатурация
протоплазмы
зависит
продолжительности
от
происходит
при
нагревания.
Температура денатурации выше 80°С не применяется, так как перегретая стружка
теряет упругость и слипается.
При переработке спелой здоровой свеклы оптимальной температурой в
активной части диффузионного аппарата следует считать 72—75°С, а нагревание
стружки до температуры денатурации надо проводить как можно быстрее,
применяя предварительное ее ошпаривание.
От температуры диффузионного процесса зависят потери сахара с жомом.
При повышении средней температуры активной диффузии (от 68 до 73 °С) потери
сахарозы в жоме снижаются на 0,1—0,4 % к массе свеклы.
pH
—
водородный
показатель,
т.
е.
величина,
характеризующая
концентрацию водородных ионов, численно равную отрицательному десятичному
логарифму этой концентрации, выраженной в грамм-ионах на 1 л. Измеряется на
pH-метре чаще всею при 20 °С.
Обычно, когда условия процесса близки к стерильным, в активной части
аппарата самопроизвольно устанавливается pH 6,2—6,5, что соответствует pH
свекловичного сока спелой здоровой свеклы. Но в хвостовой части pH питающей
воды может существенно влиять на накопление пектиновых и других веществ в
диффузионном соке. Поэтому, используя в качестве экстрагента аммиачные
конденсаты или барометрическую воду, перед подачей в диффузионный аппарат
их подкисляют до pH 5,5—6,0 и освобождают от нежелательных примесей.
Длительность диффузии. Увеличение длительности диффузии способствует
более полному извлечению сахарозы из стружки, но количество извлекаемой
сахарозы не прямо пропорционально этой длительности, так как со временем
разность концентраций сахарозы в стружке и соке снижается и скорость
диффузии уменьшается.
При длительном обессахаривании из стружки в диффузионный сок почти
полностью переходят растворенные пектиновые вещества, стружка размягчается,
теряет
упругость
и
проницаемость,
усиливается
жизнедеятельность
микроорганизмов, возрастают потери сахарозы. Поэтому с практической точки
зрения чрезмерно увеличивать время контакта стружки с соком нецелесообразно.
В современных диффузионных установках достаточно полное обессахаривание
стружки из хорошей свеклы достигается за 65—70 мин.
Величина отбора диффузионного сока. Отбор диффузионного сока,
необходимый
для
достижения
определенной
степени
обессахаривания
свекловичной стружки, и необходимое для этого количество свежей воды
существенно
зависят
от
качества
перерабатываемой
свеклы,
площади
поверхности стружки, температуры и длительности диффузии и в меньшей
степени от сахаристости свеклы. С увеличением расхода свежей воды снижаются
потери сахарозы в жоме, но увеличивается расход топлива на выпаривание
избыточной воды.
На практике отбор диффузионного сока поддерживают
на уровне 120-
130% к массе свеклы, а потери сахарозы в жоме 0,3—0,4 % к массе свеклы.
В
диффузионный
сок
из
сахарной
свеклы
переходит
почти
вся сахароза и около 80 % растворимых несахаров. В присутствии большого
количества несахаров сахароза кристаллизуется медленно, и содержание ее в
мелассе резко увеличивается. Это обусловлено тем, что одна часть несахаров при
кристаллизации
способна
удерживать
в
растворе
1,3—1,5
части
сахарозы.
Способы получения диффузионного сока с минимальным переходом
несахаров в процессе экстрагирования сахарозы
В
условиях
использования
устаревших
традиционных
технологий,
применяемых при производстве сахара на станции экстрагирования, не удается
избежать ряда проблем, связанных с большим количеством сточных вод в виде
жомопрессовой и жомокислой воды. Как следствие, увеличиваются потери
сахарозы на станции экстрагирования, расход свежей воды из водоемов, расход
пара на ее последующее выпаривание.
Одним из наиболее эффективных технологических приемов, позволяющих
решить указанные проблемы, является предварительная обработка свекловичной
стружки горячими жидкими реагентами (ошпаривание). В качестве реагентов
нами предлагается использовать водные растворы сернокислого глинозема
A12(S04)3 и хлорной извести. После ошпаривания стружки и экстрагирования из
сокостружечной смеси отделяли диффузионный сок. Установлено, что самые
высокие показатели имеет сок, полученный из стружки, обработанной раствором
сульфата алюминия.
Обработка стружки ортофосфорной кислотой концентрацией 0,5 %
существенно повышает качественные показатели диффузионного и очищенного
сока. Достоинство данного реагента - повышение кормовой ценности жома,
полное осаждение ВМС в процессе очистки диффузионного сока. Кроме того,
введение катиона натрия повышает натуральную щелочность, способствует более
полному удалению солей кальция из раствора, что снижает вязкость и
накипеобразование на завершающих этапах свеклосахарного производства
Проведение термохимической обработки свекловичной стружи перед
экстрагированием сахарозы позволяет повысить чистоту диффузионного и
очищенного сока на 1,0-1,2 % по сравнению с традиционным способом.
Интенсивная
тепловая
обработка
свекловичной
стружки
перед
экстрагированием оказывает положительное влияние на процесс извлечения
сахарозы. Установлено, что применение воды в качестве жидкой фазы для
тепловой обработки свекловичной стружки не позволяет достичь оптимальной
степени денатурации клеток свекловичной ткани, приводит к местным перегревам
свекловичной стружки, что ухудшает проницаемость ее пор и в целом снижает
эффективность процесса экстрагирования.
Правильно подобранный реагент позволяет оптимизировать протекание
диффузионного
процесса
и
получить
диффузионный
сок
с
высокими
качественными показателями.
Максимальное значение коэффициента диффузии сахарозы наблюдается
при обработке свекловичной стружки водным раствором сульфата алюминия.
Технология извлечения сахара из свеклы предусматривает обработку тонко
нарезанной свеклы водой при нагревании. Переход сахара из свеклы в воду
происходит вследствие диффузии, поэтому процесс извлечения сока называется
диффузионным.
Из уровня техники известен, например, способ извлечения сока из
сахаросодержащего растительного сырья - сахарной свеклы, согласно которому к
стружке и/или чистой и/или жомопрессовой воде добавляют полифосфорную
кислоту и производят экстрагирование ошпаренной стружки при pH 7,0. Растворы
полифосфорных кислот при экстрагировании из стружки катализируют процесс
адсорбции красящих веществ и других несахаров на поверхность стружки, что
позволяет получить диффузионный сок с малым содержанием коллоидных
веществ и высокомолекулярных соединений.
Недостатком данного аналога является то, что в условиях кислой среды,
создаваемой в экстракционном аппарате, происходит образование продуктов
разложения сахарозы, что отрицательно влияет на величину потерь сахара при
экстрагировании.
Известен также способ экстрагирования сахара из свекловичной стружки,
предусматривающий подкисление питательной воды (экстрагента) до рН 4,0-7,0 с
помощью
серной
кислоты,
сульфата
алюминия
и
хлорида
алюминия.
Подкисление водопроводной воды до pH 5,0-5,5 солью сульфата алюминия дает
возможность получить диффузионный сок с относительно малым содержанием
веществ коллоидной дисперсности, но недостаточно высоким показателем
доброкачественности. В данном аналоге происходит, кроме того, увеличение
коррозии в аппарате, что отрицательно сказывается на доброкачественности
получаемого диффузионного сока.
Заключение
Для получения качественного диффузионного сока, увеличения выхода
сахара при рациональном расходе извести необходимо:
1.
Добиваться
максимальной
очистки
корнеплодов
сахарной
свеклы от легких примесей, отмывания от песка и глины;
2.
Объединить в очистительном комплексе экстракцию сахарозы из
свекловичной стружки и последующую очистку диффузионного сока известью и
диоксидом углерода;
3.
Применять дополнительные химические реагенты для повышения
очистки диффузионного сока в диффузионном аппарате;
4.
Создать условия, препятствующие попаданию в диффузионный и
очищенный соки технологически не предусмотренных дополнительных несахаров
так, как для их удаления потребуется дополнительная известь;
5.
Организовать очистку диффузионного сока таким образом, чтобы
израсходованная известь использовалась только на удаление несахаров, которые
перешли из клеточного сока, а также образующихся на основной дефекации и
повышающих термостойкость сока
Список литературы
1. Сапронов А. Р.Технология сахара.— М.: Легкая пищевая пром-сть,
1983.— 232 с.
2. Основы технологии отрасли. Лабораторный практикум [Текст] : учеб.
пособие / Н. Г. Кульнева, Ю. И. Последова; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. –
Воронеж : ВГУИТ, 2014. - 93 с.
3. Очистка диффузионного сока в сахарном производстве/ 3. В. Ловкие [и
др.]: под общ. ред. 3. В. Ловкиса. - Минск : Беларус. наука. 2013. - 232 с. (Настольная книга производственника).
4. Материалы студенческой научной конференции за 2015 год: В 2 ч. 4.1.
Технические науки (Текст) / под ред. С.Т. Антипова; Воронеж гос. ун-т инж.
технол. - Воронеж, 2015. - 434 с.
Е.В. Авилова, М.С. Задонских, Н.Г. Кульнева Разработка способа
подготовки свекловичной стружки к экстрагированию сахарозы»5. Системный
анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном
развитии агропромышленного комплекса [Текст]: матер. Междунар. Науч. –практ.
Конф. / Воронеж гос. ун-т инж. Технол. - Воронеж ВГУ ИТ. 2015.- 669 с.
Н.Г.
Кульнева,
М.В.
Журавлев,
Л.И.
Беляева,
М.С.
Задонских
«Исследование процесса подготовки свекловичной стружки к экстрагированию»
6. «Машины н аппараты XXI века. Химия. Нефтехимия. Биотехнология»
[Текст]: материалы интернет -конференции /Под ред. Проф. С Ю. Панов Воронеж,
гос. ун-т инж. техн. - Воронеж: В ГУ ИТ. 2014-с.
Н.Г.
Кульнева,
М.В.
Журавлев,
М.
Задонских,
Е.Астапова,
А.
Гребенникова «Использование электрохимической активации растворов для
повышения экологической чистоты сахарного производства»
7. Способ извлечения сахарозы из свекольной стружки (RU 2398885).
Авторы патента: Ворвуль А. Г., Решетова Р. С., Кулик К. С., Мартьянов С. Н.