Повышение качества свекловичного сахара до экспортного уровня Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 664.127

worn

Повышение качества свекловичного сахара до экспортного уровня

С.М. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, проф. (e-mail: [email protected]), Н.М. ПОДГОРНОВА, д-р техн. наук, проф.,

B.И. ТУЖИЛКИН, д-р техн. наук, проф.

Московский государственный университет пищевых производств

C.Л. ФИЛАТОВ

ООО «НТ-Пром»

Как было показано ранее [11], качество российского белого сахара категории «Экстра» и ТС1 по ГОСТ 33222-2015 «Сахар белый. Технические условия» уступает зарубежным требованиям по следующим трём показателям: массовая доля золы (в 1,3—2,5 раза), цветность в растворе (в 1,3— 2 раза), массовая доля влаги (в 1,7 раза) (табл. 1).

В связи с очевидной тенденцией значительного перепроизводства сахара в Российской Федерации и необходимостью перехода товарного излишка к экспорту возникла проблема, связанная с улучшением данных показателей качества сахара до требований, которые предъявляются в ведущих сахаропроизводящих странах — Германии, Франции, Великобритании и др. Исходя из различия показателей качества сахара следует выбирать технологические решения, обеспечивающие достижение требуемых параметров.

Отдельной оценки влияния на качество сахара заслуживают всё

более широко используемые в производстве этого продукта технологические вспомогательные средства. Так, повсеместное и обязательное использование анти-накипинов для предотвращения накипеобразования значительно препятствует снижению содержания кальциевых солей и способствует мутности сахара.

Состав золы сахара обусловлен неорганическими соединениями, содержащимися в сахарной свёкле, поступающими с питательной водой на диффузию, известковым молоком на очистку, и использованием технологических вспомогательных средств. Как установлено, элементы золы содержатся главным образом в плёнке межкристального раствора, находящейся на поверхности кристаллов.

На основании научных исследований, проведённых в Кубанском государственном технологическом университете [7], определена эффективность действия различных марок антинакипинов (С-10, Ро1уйаЫ1 VZK, DEFOSCALE VZK,

КЕВО DS) и выявлены последствия их использования, приводящие к возрастанию содержания кальциевых солей в сиропах по сравнению с контролем. Например, для утфелей такое прогнозируемое превышение составляет почти пятикратное значение по сравнению с выпариванием сока без антинакипинов (табл. 2, рис. 1).

Кроме того, с учётом механизма дефлокулирующего действия антинакипинов при выпаривании сока образующиеся микрокристаллы карбоната кальция теряют способность к укрупнению за счёт электростатического отталкивания одинаково заряженных частиц. В результате получаются микрокристаллы карбоната кальция размером 0,2—0,5 мкм [2, 10], которые находятся в растворе в диспергированном виде, что затрудняет последующее их отфиль-тровывание из сиропов.

Использование антинакипинов приводит к тому, что в сахаре-песке наряду с растворимыми соля-

Таблица 1. Сравнение некоторых показателей качества кристаллического белого сахара по ГОСТ33222-2015 и нормативным документам ЕС

Наименование показателя ГОСТ 33222-2015 Требования в странах ЕС

Категория сахара Категория сахара

«Экстра» ТС1 ТС2 1 («Экстра») 2 («Стандарт»)

Массовая доля золы (в пересчёте на сухое вещество), %, не более 0,027 0,036 0,036 0,0108 0,027

Цветность в растворе, единиц оптической плотности (ICUMSA), не более 45,0 60,0 104,0 22,5 45,0

Массовая доля влаги, %, не более 0,10 0,10 0,12 0,06 0,06

Таблица 2. Оценка содержания кальциевых солей

в сиропах и утфелях

Массовая доля сухих веществ в растворе, % Содержание солей кальция, Gx 10 4, г/г воды

Очищенный сок II сатурации

12,5 1,14

Сгущение сока выпариванием

Антинакипины, 0,002% к массе сока Контроль

44,2 0,86 0,72

65,0 0,68* 0,44*

92,0 0,44* 0,09*

"Прогнозированные результаты, получены экстраполированием

КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ САХАРНЫХ ЗАКОДОК

ми кальция, ухудшающими его качество, присутствует и диспергированный мелкокристаллический кальций. При растворении сахара эти вещества образуют муть, которая рассматривается как взвесь с частицами размером >0,1 мкм. В сиропе после выпарной установки содержатся также высокомолекулярные соединения с частицами размером менее 1 мкм, относящиеся к высокодисперсным системам (пектиновые вещества, декстран, часть красящих веществ и др.).

Если микрочастицы мути не удалить из сиропа, то в процессе центрифугирования утфеля они будут задержаны в слое кристаллического сахара и приведут к ухудшению его качества. Во избежание этого перед поступлением сиропа в вакуум-аппараты взвеси должны быть удалены фильтрованием. Эффективность удаления мути из сиропа зависит, с одной стороны, от проницаемости фильтровальной перегородки, с другой — от дисперсности частиц.

Для удаления мути и получения прозрачного, искристого фильтрата сиропа видится целесообразным предварительно создавать на фильтровальной перегородке намывной слой из вспомогательных фильтровальных материалов — фильтро-перлита, кизельгура. Намывной слой данных тонкозернистых материалов пропускает частицы менее

0,5—1 мкм, т.е. в этом случае из сиропа удаляется тонкая муть.

Последствия применения анти-накипинов в отношении сиропов проявляются также в нарастании цветности (до 10%), уменьшении скорости фильтрования до 10— 40%, увеличении содержания растворимых солей кальция в 1,2—1,3 раза и диспергированных солей кальция в 1,6—1,7 раза [7].

Наблюдаются также другие последствия применения антинаки-пинов при выпаривании сока:

♦попадание значительной части антинакипинов в сироп после фильтрования и дальнейший переход на стадию уваривания утфелей;

♦диспергированные антина-кипином соли кальция ухудшают реологические свойства утфелей, снижают скорость кристаллизации сахарозы;

♦появление тёмных маслянистых включений в фильтрованном сиропе и сахаре (это могут быть комплексные соединения частиц солей кальция, выпадающих в осадок при сгущении сока, с поверхностно-активными веществами, выступающих при этом в роли флокулянта, объединяющего отдельные микроскопические частицы в флоккулы);

•возможность попадания нерастворимых в воде микрочастиц кальция в белый сахар;

♦повышенное содержание кальция в мелассе, делающее непри-

годным её использование для де-шугаризации и в микробиологическом производстве.

Альтернативным решением использованию антинакипинов является декальцинация сока II сатурации ионитами [1, 2, 8], которая улучшает качество сахара и избавляет от необходимости при-мененять антинакипины.

Удаление кальциевых солей (умягчение сока) решает две основные задачи:

♦предотвращение накипеобра-зования при выпаривании;

•уменьшение мутности белого сахара.

На свеклосахарных заводах Европы наиболее широко применяется способ умягчения жёсткого очищенного фильтрованного сока II сатурации с помощью ионного обмена по схеме NRS-процесса (New Regeneration System — новая система регенерации) [1], приведённой на рис. 2. Данный метод натрий-ка-тионирования основан на способности ионообменных смол (сильнокислотных катионитов — Strong Acid Cation) в натриевой форме обменивать ионы кальция и магния на ионы натрия, не образующие накипь на теплонапряжённой поверхности выпарных аппаратов.

Реакция истощения смолы при обработке сока II сатурации:

2(RSO3- Na) + Ca2+ ^ (RSO3)2 -- Ca+ 2Na+.

§ •О

Si

* ro >S О

Q) «О §

0 ^

Г ">

tu _

1 T

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Массовая доля сухих веществ в растворе, %

Рис. 1. Экстраполированные оценки содержания солей кальция в сиропе и утфелях: 1 — контроль;

2 — при использовании антинакипинов

NaOH

Очистка

Умягчённый сок NaOH 4%

Сок

Са++

К+

Na+

Сильнокислотная смола

Сок

Na+ К+

60 оС

Выпаривание

Рис. 2. Сущность NRS-процесса

ШШ

Реакция регенерации смолы при обработке раствором №ОН:

^О3)2-Са + 2№+ ^ 2(RSO3— -№) + Са2+.

Преимущества NRS-процесса — экологического решения умягчения сока:

♦ достаточно простая технологическая операция;

♦ короткое время регенерации;

♦ отсутствие стоков;

♦ не расходуется промывная вода;

♦ нет необходимости разбавлять сок;

♦ не оказывается влияние на щёлочность сока, при этом рН его снижается незначительно, если процесс II сатурации проводят до оптимальной щёлочности;

♦ нет риска инверсии сахарозы вследствие изменения рН и потерь сахара;

♦ не используется кислота;

♦ отсутствует риск попадания избытка хлорида в сок и связанной с ним коррозии оборудования;

♦ умягчение мелассы для последующей хроматографической сепарации (дешугаризации) по схеме №2Р-процесса [1].

Содержание солей кальция в очищенном жёстком соке II сатурации на свеклосахарных заводах России достигает высоких значений: 200-750 мг Са0/100 г СВ, что в несколько раз выше, чем на европейских заводах. В то же время обычно на свеклосахарных заводах устанавливается заданное значение максимального содержания кальциевых солей: 6-9 мг Са0/100 г СВ (8-12 мг/дм3) в очищенном соке после умягчения, которое является оптимальным, без риска получить мутный раствор сахара [6].

Известно, что ионы Са2+ и диспергированный кальций с различной вероятностью включаются в растущие кристаллы сахара и их содержание увеличивается с повышением содержания в межкристальном растворе [2, 4, 5].

Недостатки NRS-процесса:

♦ низкая общая обменная ёмкость сильнокислотных катиони-тов, порядка 1,8 г-экв/л, а рабочая обменная ёмкость принимается в расчётах 0,9 г-экв/л;

♦ необходимость охлаждения регенеранта и смолы до температуры 40-50 °С;

♦ переход в сок ионов натрия, являющихся сильным мелассоо-бразователем.

Отдельную проблему представляет отсутствие в отечественной практике химико-технического контроля метода определения мутности сиропов [3], что затрудняет контроль их качества и прогнозирование качества белого сахара. В связи с этим появляется необходимость в разработке и утверждении метода, аналогичного методу ICUMSA GS7-21 (2007) (табл. 3). Наличие мути в растворах затрудняет определение цветности, а мутные растворы дают значения, более завышенные по цветности [13-15].

Таким образом, существующие технологии очистки сиропа фильтрованием не обеспечивают в необходимой степени удаление диспергированных антинаки-пинами соли кальция из сиропа. При использовании в качестве фильтровального оборудования фильтр-прессов наряду с созданием намывного слоя фильтро-перлита перспективным является комбинированное применение активированного угля для снижения цветности сиропов [11].

Исходя из рассмотренного материала следует заключить, что для снижения содержания золы в сахаре до показателей, соответствующих требованиям европейских сахаропроизводителей, можно использовать два альтернативных варианта технологических решений:

♦ в случае применения антина-кипинов необходимо осуществление высококачественного фильтрования сиропа после выпарной установки, предусматривающего обязательное предварительное на-

несение на фильтровальные перегородки намывного слоя из вспомогательных фильтровальных материалов [9, 12];

♦ удаление кальциевых солей до содержания не более 6 мг Са0/100 г СВ (умягчение сока II сатурации) с помощью ионного обмена, наиболее широко применяемым способом реализации которого является NRS-процесс [1] и использование стандартной схемы фильтрования сиропа.

Список литературы

1. Бейерле, М. Навстречу вызову 2017 г.: ионообменные технологии умягчения сока в свеклосахарном производстве / М. Бейерле, Ф. Руссе, Н.-Ж. Хилболд // Сахар и свёкла. - 2015. - № 2. - С. 510.

2. Бугаенко, И.Ф. Повышение эффективности свеклосахарного производства. Ч. III. Очистка сока. — М. : Теллер, 2001. — 65 с.

3. ГОСТ 12572-2015. Сахар. Метод определения цветности.

4. Петров, С.М. Вероятностная модель включения несахаров в растущие кристаллы сахара / С.М. Петров, Д.В. Арапов, В.А. Курицын // Сахар. - 2011. -№ 8. - С. 34-38.

5. Подгорнова, Н.М. О растворимости карбоната кальция в водных растворах электролитов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2000. - № 10. - С. 23-24.

6. Рад, М.А. Оценка очистки сока на сахарных заводах / М.А. Рад, А.А. Рад, Ж. Шревель // Сахар и свёкла. - 2015. -№ 2. - С. 17-32.

7. Савостин, А.В. Эффективность анти-накипинов при выпаривании соков свеклосахарного производства / А.В. Савостин, В.О. Городецкий // Сахар. - 2014. -№ 10. - С. 47-50.

8. Филатов, С.Л. Иониты для глубокой деминерализации и обесцвечивания сока II сатурации / С.Л. Филатов [и др.] // Сахар. - 2011.- № 2. - С.47-49.

9. Филатов, С.Л. Способ очистки сиропа от нерастворимых примесей / С.Л. Филатов [и др.] // Сахар. - 2009. - № 4. - С. 60-63.

10. Филатов, С.Л. Фильтрация сока через патронные фильтры-сгустители ФС-2000: опыт ОАО «Ника» / С.Л. Филатов [и др.] // Сахар. - 2010. - № 4. - С. 61-63.

11. Шурбованый, В.Н. Осветлительное фильтрование густых сиропов на фильтр-прессах / В.Н. Шурбованый, С.М. Петров, Э.А. Жердев // Сахар. - 2017. - № 2. -С. 40-44.

12. Юрьев, К.Е. Совершенствование очистки сахарсодержащих растворов на Хохольском сахарном заводе / К.Е. Юрьев [и др.] // Сахар. - 2007. - № 2. - С. 40-42.

13. ICUMSA Method GS 2/3-18 (2013). The determination of the Turbidity of White Sugar Solutions (Official).

КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ САХАРНЫХ ЗАЯОДОЯ

н

и о

es v

Ü

g

<

v £

U

es v Ü

ч о

< V

s

U

es

VI

0

s

fl> С >

s о es

с ~—(

VI

p

у

Я

са M

S ф

s

н Я

u

ей &

g

О

s

ю ft о и

H ä CM

ей

es CM

CS

es CM

о «

ft A

са ч ю О

es

-H

ей

ей

ей

es

4

ö б ft S о S S

I4

са о ft s*

^

К о ft^ я

я ig

о S S

4 о

и ч

со È

К Я

о -

ft 3

5 g £ g

I я

° й

e s 3 в

& id S e . о

о "

S S3

§ £

CO S

S S

О К Л <D

« 0

о °

И [3

ö о о

о о

И

О

II

Я

о я я

са и

о &

л

ч

s ф

са ft о и ч

PQ

О

са ft , о и ч

ä ft

ф ft

Й 0

Я и

« Ö

о са

ч ft

° ~

О о Я

о

Я §

и о ft ч л ч .. s См

ÄCN

Ci

I

ig

о о о

о о

0 u и

и

s

£

о ч

о. О

и

о

я

U

u ч

. ; О

* 15

са' [2

ft В

о к

3 а ft

о Я Я

са и

о &

л

ч са

О ft

s о

Я и

ч ч

% з

ä а

дО

Ö о

са ft о и ч

ft л

u

fi

u ft u S

Я -g

ч|

ч У

5J м

£ « G &

и

0

¡3

4

л

£

СО

u

ft g <

s

1 ^

5 г )

14. ICUMSA Method GS 7-21 (2007). The Determination of Turbidity in Clarified Cane Juice, Syrups and Clarified Syrups (Accepted).

15. ICUMSA Method GS 2/3-10 (2011). The Determination of White Sugar Solution Colour (Official).

Аннотация. Тенденция значительного перепроизводства в Российской Федерации свекловичного сахара и необходимость перехода товарного излишка к экспорту повлекли за собой проблему, связанную с улучшением показателей качества сахара по содержанию золы, цветности и влажности до требований, предъявляемых в европейских сахаропроизводящих странах. Показано влияние используемых в технологической практике антинакипинов. Последствия применения антинакипинов для сиропов проявляются в нарастании цветности, уменьшении скорости фильтрования, увеличении содержания растворимых и диспергированных микрокристаллов карбоната кальция субмикронных размеров, что затрудняет последующее их отфильтровывание из сиропов. Использование антинакипинов значительно препятствует снижению содержания кальциевых солей и способствует мутности сахара. Альтернативой способу использования антинакипинов является декальцинация сока II сатурации ионообменными смолами с помощью NRS-процесса, которая улучшает качество сахара и избавляет от необходимости применять антинакипины. Ключевые слова: повышение качества, свекловичный сахар, соли кальция, антинакипины, фильтрование, декальцинация сока II сатурации, иониты, NRS-процесс.

Summary. The trend of significant beet sugar overproduction in Russian Federation and the need to export marketable surplus has resulted in the necessity to improve the quality of sugar in terms of ash content, color and humidity requirements in the European sugar producing countries.

Impact of antiscales, used in technological practice, on the quality of the sugar is shown. The consequences of antiscales implications on thick juice exibit in chromaticity increase, filtration rate reduction and increase the content of soluble and dispersed microcrystals of calcium carbonate sub-micron sizes, which complicates their subsequent filtering of the syrups. Use of antiscales significantly prevents the decrease in the content of calcium salts, and increases turbidity of sugar. An alternative to antiscales is descaling juice of II saturation by the ion exchange resins by NRS process which improves the quality of sugar and eliminates the need to apply the antiscales. Keywords: quality improvement, beet sugar, calcium salts, antiscales, filtration, decalcification of juice of second carbonation, ion exchangers, NRS process.