CC BY
18УДК 613.26:664.1.035
Обеспечение микробиологической чистоты процесса экстрагирования путём обработки экстрагента раствором натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты
Н.Г. КУЛЬНЕВА, д-р техн. наук (e-mail: ngkulneva@yandex.ru) А.И. ШМАТОВА, канд. техн. наук (e-mail: shaina-888@mail.ru) ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
Введение
В комплексе мер по повышению эффективности производства сахара важную роль отводят экстракции. Степень совершенствования этого процесса во многом определяет условия проведения последующих технологических операций и отражается на эффективности производства сахара в целом [1].
Обеспечение качества воды при её использовании в технологических процессах предприятий пищевой промышленности на сегодняшний день является актуальной задачей, решение которой применительно к сахарному производству заключается в сокращении потребления природной воды для экстрагирования за счёт использования имеющихся в свеклосахарном производстве избыточных аммиачных конденсатов и организации возврата жомопрессовой воды (ЖПВ). Однако все имеющиеся схемы подготовки экстрагента недостаточно эффективны и требуют больших капитальных затрат [2].
Один из важных способов повышения эффективности сахарного производства — обеспечение минимального перехода несахаров из свекловичной стружки в диффузионный сок в процессе экстрагирования сахарозы. Решение этой проблемы возможно за счёт использования дополнительных химических реагентов в подготовке питательной воды. При выборе методов обработки питательной воды необходимо создать условия для получения благополучного по
микробиологическим показателям экстрагента [3].
Известные и общепринятые способы подготовки питательной воды и ЖПВ для процесса диффузии неэффективны, поскольку не обеспечивают хороших микробиологических показателей. При этом протекает инверсия сахарозы с образованием редуцирующих веществ, повышается содержание соединений, негативно влияющих на качество и выход готовой продукции. Использование в течение продолжительного времени одних и тех же препаратов вызывает привыкание микроорганизмов и повышение микробиологической обсеменённости полупродуктов производства [4].
В качестве бактерицидного препарата для обработки экстрагента предлагается использовать хлор-содержащий реагент на основе натриевой соли дихлоризоциануро-вой кислоты (ДХЦН) [5, 6].
Методика проведения
исследований
Для выбора рациональной концентрации бактерицидного агента использовали водные растворы ДХЦН массовой долей 0,0325— 0,1500 %. Данные значения были установлены в процессе исследования бактерицидных свойств препарата [5].
Растворы реагента массовой долей 0,1500; 0,100; 0,0750; 0,050; 0,0325 % смешивали с конденсатом в соотношении 10 % раствора реагента и 90 % конденсата, по-
догревали до температуры 70 оС. Подготовленный экстрагент использовали для извлечения сахарозы из свекловичной стружки в процессе диффузии при температуре 70—72 оС в течение 60 мин при перемешивании. Параллельно проводили диффузию с использованием конденсата при тех же условиях. Отделяли диффузионный сок, охлаждали до температуры 20 оС, определяли качественные показатели полученного сока.
Пробы полученного диффузионного сока подвергали известко-во-углекислотной очистке, включающей предварительную дефекацию при температуре 55—60 оС продолжительностью 15 мин с постепенным добавлением известкового молока (р = 1,19 г/см3) до значений рН сока 10,8—11,6. Далее проводили теплогорячую основную дефекацию с расходом оксида кальция (СаО) 2,0 % к массе диффузионного сока в течение 20 мин на тёплой ступени при температуре 60 оС и 10 мин на горячей ступени при температуре 85 оС, обработку сатурационным газом при температуре 90 оС до рН 11,0—11,2, отделение осадка фильтрованием. Фильтрат подвергали горячей дефекации при температуре 95 оС добавлением 0,3 % СаО к массе сока в течение 5 мин и обрабатывали сатурационным газом (II сатурация) до рН сока 9,0—9,5. Полученный очищенный сок фильтровали, охлаждали до температуры 20 оС, определяли чистоту, цветность и массовую долю солей кальция.
Результаты исследований
и их обсуждение
Диффузионный сок получали в лабораторных условиях и обрабатывали раствором ДХЦН (табл. 1, 2, рис. 1) [7].
Анализ полученных данных показал, что при обработке экстра-гента раствором ДХЦН чистота диффузионного сока увеличивается на 1,2—1,9 %, содержание белков снижается на 18—20 %. Повышение качественных показателей диффузионного сока объясняется разложением реагента с образованием химически активных соединений, которые препятствуют развитию микрофлоры и блокируют переход несахаров из свекловичной ткани в экстрагент.
Анализируя полученные значения показателей очищенного сока, можно сделать вывод, что лучшие значения имеет образец с концентрацией реагента 0,0075 %. Высокое значение чистоты очищенного сока является следствием того, что в процессе очистки диффузионного сока продолжается действие химически активных соединений, образовавшихся на диффузии. Снижение цветности очищенного сока обусловлено способностью активного хлора как окислителя блокировать накопление красящих веществ в процессе очистки диффузионного сока.
Учитывая вышеизложенное, можно утверждать, что хлорсо-держащий препарат при добавлении его в экстрагент с концентрацией раствора 0,075 % оказывает
положительное влияние на качественные показатели диффузионного и очищенного соков.
Для определения рационального количества добавляемого реагента перед проведением диффузии экстрагент обрабатывали раствором ДХЦН массовой долей 0,075 % в количестве 10, 20 и 30 %.
Технологическая схема проведения процессов диффузии и очистки соков аналогична вышеизложенной. Результаты исследования представлены в табл. 3, 4 и на рис. 2—4.
Из полученных данных следует, что с увеличением количества реагента, используемого для подго-
Таблица 1. Содержание различных групп микроорганизмов в диффузионном соке
при использовании бактерицидного препарата
Исследуемый продукт Количество микроорганизмов, КОЕ в 1 см3 среды
Бактерии Дрожжи Плесени
Диффузионный сок (контроль) 8х103 8х106 6,5х105
Диффузионный сок с реагентом 2x10 Отсутствуют 4х102
Таблица 2. Показатели диффузионного и очищенного сока при различных
концентрациях ДХЦН в экстрагенте
Показатели Без ДХЦН (типовая) Концентрация ДХЦН в экстрагенте, %
0,00325 0,00500 0,00750 0,01000 0,01500
Чистота диффузионного сока, % 87,1 87,8 88,3 89,0 88,8 88,7
Чистота очищенного сока, % 90,1 91,5 91,8 92,1 92,0 91,9
Цветность, ед. опт. плот. 560,3 521,3 510,9 500,0 497,8 490,1
Массовая доля солей кальция, % СаО 0,046 0,044 0,041 0,034 0,037 0,038
Таблица 3. Содержание а-аминного азота в диффузионном и очищенном соках в зависимости от способа подготовки экстрагента
Полупродукт Содержание а-аминного азота, мг/см3
Без обработки экстрагента С обработкой экстрагента ДХЦН
Диффузионный сок 1,8 1,6
Очищенный сок 1,7 1,4
Таблица 4. Показатели очищенного сока в зависимости от количества раствора
ДХЦН для подготовки экстрагента
Показатели Без обработки С обработкой экстрагента раствором ДХЦН в количестве, %
10 20 30
Чистота, % 90,2 91,9 91,5 91,7
Цветность, ед. опт. плот. 467,9 430,1 445,4 448,8
0,47
0,001 0,003 0,005 0,007 0,009 0,011 0,013 0,015 Концентрация реагента, %
10 15 20 25 Количество реагента, %
Рис. 1. Зависимость содержания белков в диффузионном соке от концентрации раствора ДХЦН при обработке экстрагента
Рис. 2. Влияние количества раствора реагента на чистоту диффузионного сока
товки питательном воды, чистота диффузионного сока увеличивается, а массовая доля белка незначительно снижается. Минимальное содержание редуцирующих веществ соответствует добавлению в экстрагент раствора ДХЦН в количестве 10 %.
В соответствии с подобранными количеством и концентрацией реагента определяли содержание а-аминного азота в полупродуктах сахарного производства (см. табл. 3). Анализ полученных данных свидетельствует, что происходит снижение содержания а-аминного азота при использовании ДХЦН в количестве 0,0075 %. Это обусловлено подавлением микрофлоры, продуцирующей про-теолитические ферменты. В полупродуктах снижается содержание растворимых форм азота, которые повышают цветность и содержание солей кальция, что положительно влияет на течение технологического процесса. При повышенном содержании а-аминного азота происходит снижение щёлочности в выпарной установке и повышается риск разложения сахарозы.
Определение содержания золы в сахарных растворах проводили методом прямой кондуктометрии (рис. 5).
Механизм бактерицидного действия хлора и его кислородсодержащих соединений заключается во взаимодействии с составными частями микробной клетки, в первую очередь с ферментами. Потеря биологической активности
ферментов может происходить в результате реакций окисления, хлорирования, замещения. Такие изменения в структуре ферментов ведут к нарушению обмена веществ в клетках микроорганизмов и их отмиранию. Результатом снижения микробиологической активности в процессе экстрагирования является снижение содержания редуцирующих веществ в диффузионном соке как продуктов разложения сахарозы, повышение его чистоты. Проявление препаратом такого эффекта объясняется высокой химической активностью и высокой окислительной способностью активного хлора, который образуется в водных растворах реагента.
На первом этапе взаимодействия ДХЦН (С3О3^а2№) с водой образуется натрия монохлоризоци-анурат и хлорноватистая кислота (НС10). Кислота хлорноватистая неустойчива:
2НОС1 + С1+ ~ Н2ОС1, Н2ОС1 = н20 + С1+
Натриевая соль монохлоризоци-ануровой кислоты (С3О3^СШа) при дальнейшем взаимодействии с водой образует изоцианурат натрия (С3О3^№) и хлорноватистую кислоту. Таким образом, происходит постепенное высвобождение активного хлора.
Выбранный нами реагент не вызывает коррозии металлических изделий, обладает отбеливающим действием [8]. Бактериостатиче-ские, спороцидные и фунгицид-
Классическая
Обработка экстрагента
0,01
§ 0
о §
г») диффузия
и Диффузионный сок ■ Очищенный сок
Рис. 5. Содержание золы кондуктометри-ческой в соках при получении диффузионного сока по типовой схеме и с обработкой экстрагента ДХЦН
ные свойства подтверждены экспериментально.
Качественные показатели очищенного сока представлены в табл. 4.
В свеклосахарном производстве на стадии дефекации рН составляет 12,3—12,4, температура при этом достигает 85—88 оС. В жёстких условиях пиримидиновые соединения взаимодействуют со щёлочью с образованием моноугольной кислоты, которая в щелочной среде разлагается на угольную кислоту и аммиак. Следовательно, предлагаемая нами соль в условиях известково-углекислотной очистки полностью разлагается до безвредных соединений [6].
Таким образом, обработка экс-трагента раствором ДХЦН в количестве 10 % является рациональной и экономически целесообразной. Увеличение количества
>
I
\о
3
0
1
<3
0,11
10 15 20 25 Количество реагента, %
Рис. 3. Влияние количества раствора ДХЦН на содержание белков в диффузионном соке
12 17 22
Количество реагента, %
Рис. 4. Зависимость содержания редуцирующих веществ в диффузионном соке от количества раствора реагента
Таблица 5. Показатели диффузионного и очищенного соков при переработке
свёклы, обсеменённой L. mesenteroides
Показатели Классическая диффузия С раствором ДХЦН
Диффузионный сок
Чистота, % 86,7 89,2
Содержание белков, мг/см3 0,695 0,450
Очищенный сок
Чистота, % 90,6 92,5
Цветность, ед. опт. плот. 351,6 233,2
и концентрации раствора бактерицидного реагента не повышает эффективность процесса.
Экспериментально установлено, что предлагаемый нами хлорсодер-жащий препарат при использовании его для обработки экстрагента повышает качественные показатели диффузионного и очищенного соков. Его эффективность проверили при переработке свёклы, поражённой слизистым бактериозом. Для этого свёклу обсеменяли чистой культурой Leuconostoс mesenteroides штамма В-4177.
В целях эксперимента свёклу измельчали, обсеменяли L. mesenteroides и термостатировали при температуре 20 оС в течение 72 ч в закрытом контейнере. Затем обсеменённую свеклу измельчали в стружку, проводили диффузию и очистку полученного сока. Концентрация и количество раствора реагента для обработки экстраген-та составляют 0,075 и 10 % соответственно (табл. 5).
Заключение
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что добавление раствора ДХЦН концентрацией 0,075 % в количестве 10 % в экстрагент при извлечении сахарозы из свеклы, обсеменённой L. mesenteroides, на начальной стадии развития слизистого бактериоза благоприятно сказывается на качественных показателях соков: чистота сока повышается на 2,0—2,5 %, массовая доля белков снижается на 35 %, цветность на 33 %. Это связано с проявлением бактериостатического действия хлорсодержащего препарата, которое основано на реакциях окис-
ления, хлорирования, замещения хлорноватистой кислоты (НСЮ) и ионов С1О-, которые непосредственно взаимодействуют с составными частями клеток и ведут к изменениям в структуре ферментов и нарушению обмена веществ в клетке [9].
Список литературы
1. Решетова, Р.С. Интенсификация способов подготовки экстрагента к извлечению сахарозы из свекловичной стружки / Р.С. Решетова, А.А. Игнатьев // Сахар. - 2007. - № 2. -С. 30-32.
2. Решетова, Р.С. Флотационный способ очистки жомопрессовой воды / Р.С. Решетова, А.А. Игнатьев // Сахар. - 2009. - № 6. - С. 57-59.
3. Демченко, А.И. Подготовка питательной воды для диффузионных установок с использованием бисульфита кальция / А.И. Демченко [и др.] // Сахарная промышленность. -1997. - № 3. - С. 18-19.
4. Кульнева, Н.Г. Микрофлора свеклосахарного производства: проблемы и пути решения / Н.Г. Кульне-
ва, А.И. Шматова, Ю.И. Манько // Вестник ВГУИТ. - 2014. - № 1. -С. 193-196.
5. Кульнева, Н.Г. Исследование бак-териостатических свойств хлорсодер-жащего препарата для свеклосахарного производства / Н.Г. Кульнева, О.Ю. Гойкалова, А.И. Шматова // Вестник ВГУИТ. - 2014. - № 4. -С. 187-190.
6. Шматова, А.И. Изучение бактерицидного препарата для свеклосахарного производства / А.И. Шматова, Н.Г. Кульнева // The priorities of the world science: experiments and scientific debate: Матер. IV Междунар. научн. конф. 17-18 June 2014, North Charleston, SC, USA. - С. 65-69.
7. Кульнева, Н.Г. Санитарно-гигиеническое обеспечение продукции сахарного производства / Н.Г. Кульнева, В.А. Голыбин, В.А. Федорук // Гигиена и санитария. - 2015. - № 9. -С. 57-61.
8. Методические указания по применению калиевой и натриевой солей дихлоризоциануровой кислоты для целей дезинфекции (утв. Главным санитарно-эпидемиологическим управлением Министерства здравоохранения СССР 23 июня 1977 г. № 1754-77). - 4 с.
9. Пат. 2552036 Российская Федерация, МПК С13В 10/00 Способ получения диффузионного сока / Кульнева Н.Г., Гойкалова О.Ю., Шматова А.И.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГУИТ». - № 2552036; заявл. 30.01.14; опубл. 10.06.15. -Бюл. № 16.
Аннотация. Эффективность процесса экстрагирования сахарозы во многом определяет условия проведения последующих технологических операций и отражается на эффективности производства сахара в целом. Обеспечить минимальный переход несахаров из свекловичной стружки в диффузионный сок и предупреждение развития микрофлоры на стадии диффузии можно путём введения различных химических реагентов. В качестве бактерицидного препарата для обработки экстрагента предлагается использовать хлорсодержащий реагент на основе натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты (ДХЦН). Экспериментально доказано, что в результате обработки экстрагента раствором ДХЦН повышается чистота диффузионного и очищенного соков, снижается содержание различных групп несахаров в соке, сдерживается развитие микрофлоры в аппарате.
Ключевые слова: свеклосахарное производство, экстрагирование сахарозы, экстрагент, бактерицидные препараты.
Summary. The efficiency of the sucrose extraction process largely determines the conditions for subsequent technological operations and affects the efficiency of sugar production in general. Ensuring a minimum transition of non-sugars from beet chips to diffusion juice and preventing the development of microflora at the diffusion stage can be achieved by introducing various chemicals. It is proposed to use a chlorine-containing reagent based on the sodium salt of dichloroisocyanuric acid (DHTsN) as a bactericidal preparation for processing the extractant. It has been experimentally proved that treatment of the extractant with a solution of DHTsN provides an increase in the purity of diffusion and purified juice, reduces the content of various groups of non-sugars in the juice, and inhibits the development of microflora in the apparatus.
Keywords: beet sugar production, sucrose extraction, extractant, bactericidal preparations.
