Применение электромембранных методов обработки для очистки густых полупродуктов сахарного производства Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 664.1

doi.org/10.24412/2413-5518-2022-4-26-31

Применение электромембранных методов обработки для очистки густых полупродуктов сахарного производства

О.К. НИКУЛИНА, канд. техн. наук, зав. научно-исследовательской лабораторией сахарного производства*(е-mail: sugar@belproduct.com)

О.В. ДЫМАР, инженер, д-р техн. наук, проф., техн. директор представительства АО «МЕГА» в Республике Беларусь (е-mail: dymarov@tut.by)

О.В. КОЛОСКОВА, канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник научно-исследовательской лаборатории сахарного производства* (е-mail: sugar@belproduct.com)

М.Р. ЯКОВЛЕВА, магистр техн. наук, инженер-технолог II категории научно-исследовательской лаборатории сахарного производства*(е-mail: sugar@belproduct.com)

*РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию»

Введение

Научно-исследовательская лаборатория сахарного производства РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию» с 2019 г. в рамках Отраслевой научно-технической программы «Пищевые технологии» занимается усовершенствованием технологии получения белого сахара при помощи электромембранных технологий (электродиализа) [4].

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей протекания процессов деминерализации полупродуктов сахарного производства с применением электродиализа, определении пределов изменений физико-химических показателей и компонентного состава продуктов сахарного производства при использовании электродиализа для снижения минерализации. Предполагается, что практическое применение полученных результатов позволит повысить качество продуктов сахарного производства, снизить технологические потери сахара, уменьшить потребление вспомогательных материалов и энергоресурсов.

При выполнении научно-исследовательской работы нами проанализированы возможные направ-

ления применения электромембранных технологий при производстве сахара из сахарной свёклы, установлены фактические пределы удаления анионов и катионов из полупродуктов сахарного производства. Проведены лабораторные, модельные и промышленные испытания процессов деминерализации продуктов сахарного производства с помощью электродиализа. Произведён расчёт материальных потоков сахарного производства с учётом полученных данных [3]. При испытаниях использовались полупродукты сахарного производства, полученные в процессе переработки сахарной свёклы на предприятии ОАО «Городейский сахарный комбинат».

В итоге проведённой работы рассчитана эффективность проведения деминерализации по разным технологическим схемам (на продуктах: сироп с очищенным соком, сок I сатурации, очищенный сок, оттёк утфеля II кристаллизации); определены полупродукты, электромембранная обработка которых наиболее целесообразна в существующих для ОАО «Го-родейский сахарный комбинат» условиях; установлены оптимальные параметры режима ведения процесса деминерализации для каждого полупродукта.

По результатам лабораторных и полупромышленных исследований разработана усовершенствованная технология очистки диффузионного сока с применением электромембранной обработки сока I сатурации [2]. Установлено снижение мелассообразующего коэффициента при использовании электромембранной обработки сока на 24,2—30,8 %, при этом активная кислотность обрабатываемого продукта находилась в диапазоне рН 9,0—9,5. Обработка позволяет снизить содержание сахара в мелассе на 1,22—1,38 % к массе свёклы, тем самым повышая выход сахара с 14,3 до 15,5— 15,7 % к массе свёклы.

С технологической точки зрения целесообразнее удалять несахара в начале технологической схемы производства сахара, т. е. проводить электродиализную очистку сока, что интенсифицирует работу выпарной установки и продуктового отделения сахарного завода [5]. Однако с электротехнической позиции электродиализом предпочтительнее очищать растворы с высоким содержанием золы и сухих веществ. Это позволяет вести процесс с большей экономией водо- и энергоресурсов.

В связи с этим были исследованы химический состав и его изменение в результате электромем-

26 САХАР № 4 • 2022

ж

ГС

УЖгЖи

www.nt-prom.ru

СПОНСОР ВЫПУСКА

бранной обработки густых полупродуктов. Наибольший интерес для обработки представляют такие полупродукты, как сироп после определённой ступени выпарной установки и оттёк утфеля II ступени кристаллизации. Причём обработка оттёка предположительно является более эффективной из-за большого количества золы, что обусловливает большие проводимости обрабатываемых продуктов и, соответственно, большие рабочие электрические токи процесса.

Производственные испытания процесса деминерализации густых сахарных полупродуктов

Для получения данных о фактических пределах изменения содержания катионов и описания течения процесса в промышленных условиях были проведены производственные испытания процесса электродиализа на предприятии ОАО «Городейский сахарный комбинат», где установлены две электродиализные установки типа EWDU 8xED-П/250-0,8

Испытания проводились на смеси сиропа и очищенного сока (табл. 1) и разбавленном до 40 % сухих веществ первом оттёке утфеля II кристаллизации (табл. 2). В процессе электродиализа измеряли удельную электропроводимость продуктов, исследовали изменение физико-химического состава (чистоты, содержания кондукто-метрической золы, солей кальция, щелочных металлов). Расчёт ме-лассообразующих коэффициентов и ожидаемых производствен-

Таблица 1. Результаты производственных испытаний процесса электродиализа смеси сиропа с очищенным соком

и расчётные показатели

Время, мин. Электропроводимость, мСм/см Зола кондуктоме- трическая, % к массе продукта СаО, % к массе продукта Чистота, % Мелассо-образующий коэффициент (т) Сахар в мелассе, % к массе свёклы Резерв сахара, % к массе продукта

0 5,64 0,98 0,055 87,83 1,34 2,84 0,0

10 5,21 0,86 0,049 88,41 1,33 2,67 0,2

20 4,76 0,79 0,046 88,65 1,33 2,62 0,2

30 4,39 0,72 0,040 88,78 1,25 2,43 0,4

45 3,95 0,66 0,039 88,98 1,11 2,11 0,8

60 3,60 0,62 0,036 88,91 1,04 2,00 0,9

80 3,23 0,55 0,034 89,56 1,00 1,79 1,1

110 2,77 0,46 0,028 90,35 0,98 1,62 1,3

140 2,39 0,38 0,025 90,58 0,93 1,49 1,4

177 2,00 0,32 0,019 91,20 0,91 1,35 1,6

Таблица 2. Результаты производственных испытаний процесса электродиализа оттёка утфеля IIкристаллизации

и расчётные показатели

Время, мин. Электропроводимость, мСм/см Зола кондуктоме- трическая, % к массе продукта СаО, % к массе продукта Чистота, % Мелассо-образующий коэффициент (т) Сахар в мелассе, % к массе свёклы Резерв сахара, % к массе продукта

0 9,89 1,71 0,110 76,95 1,28 6,16 0,0

10 8,89 1,45 0,102 78,18 1,32 5,94 0,6

20 8,04 1,19 0,088 78,89 1,25 5,40 1,0

30 7,30 1,15 0,082 79,13 1,23 5,22 1,1

50 6,15 1,00 0,076 80,24 1,13 4,48 1,6

70 5,28 0,88 0,069 80,88 1,08 4,12 1,9

90 4,63 0,78 0,062 81,00 1,03 3,87 2,0

120 3,38 0,65 0,054 82,21 0,96 3,34 2,5

150 3,28 0,54 0,045 83,04 0,89 2,93 2,9

180 2,81 0,44 0,039 84,00 0,83 2,54 3,3

240 2,13 0,33 0,022 84,35 0,74 2,21 3,4

254 2,01 0,30 0,019 84,37 0,73 2,17 3,4

№ 4 • 2022 САХАР 27

шА

СПОНСОР ВЫПУСКА ^Ця

ных показателей осуществляли по уравнениям классического метода П.М. Силина [1].

Обработка сиропа в смеси с очищенным соком (см. табл. 1) при заданных условиях позволяет дополнительно получить 1,4—1,6 % сахара к массе обрабатываемого продукта. Объём партии на обработку для одной установки составляет 7 м3. Следовательно, электромембранная обработка одной партии смеси сиропа с очищенным соком позволяет дополнительно получить 114 кг сахара.

Обработка разбавленного оттёка II кристаллизации (см. табл. 2) при заданных условиях позволяет дополнительно получить 3,6 % сахара к массе обрабатываемого продукта. При объёме партии на обработку 7 м3 это составит 287 кг сахара. Но процесс протекает достаточно длительно.

Эффективность работы установки зависит от числа проведённых обработок полупродукта за сутки, а значит, от продолжительности обработки. Изменение показателей удельной электропроводимости и мелассообразующего коэффициента в процессе обработки смеси сиропа и очищенного сока представлено на рис. 1, разбавленного оттёка утфеля II кристаллизации — на рис. 2.

Полученные в ходе исследований данные (см. рис. 1) позволяют сделать вывод об отсутствии технологической необходимости проводить обработку до полной деминерализации раствора, так как скорость изменения коэффициента мелассообразования замедляется по ходу процесса деминерализации, что делает обязательным поиск рациональной степени деминерализации, обеспечивающей максимальное удаление мелассообразователей за производственный цикл (например, сутки).

Установлено заметное снижение скорости изменения электропро-

Время, мин. Электропроводимость

М

Рис. 1. Изменение показателей удельной электропроводимости и мелассообразующего коэффициента в процессе обработки смеси сиропа и очищенного сока

12 т-г 1,4

■ 1,2

■ 1,0

0,8

■ 0,6

- 0,4

■ 0,2

0,0

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Время, мин. Электропроводимость

М

I

4)

■8-■88

а 3

I &

о

0

и и

1

Рис. 2. Изменение показателей удельной электропроводимости и мелассообразующего коэффициента в процессе обработки разбавленного оттёка утфеля IIкристаллизации

водимости после 120-й минуты работы (см. рис. 2), следовательно, обессоливание раствора замедляется. Можно предположить, что эффективнее провести две обработки за данный промежуток

времени, чем одну, но с большей деминерализацией.

Изменение резерва получения сахара и удельной электропроводимости в течение электромембранной обработки смеси сиропа

28 САХАР № 4 • 2022

ж

ГС

СПОНСОР ВЫПУСКА

с очищенным соком представлено на рис. 3, разбавленного оттёка II кристаллизации — на рис. 4. Резерв получения сахара к концу процесса прирастает менее активно, поэтому длительность операции целесообразно регулировать исходя из экономических соображений, корректируя производительность установки по удаляемым мелассообразователям с учётом времени на переключение и санитарную обработку. По данным графикам можно рассчитать конечную удельную электропроводимость, удовлетворяющую конкретной поставленной цели: получить больше сахара или сократить длительность процесса.

Установлено, что электромембранная обработка разбавленного оттёка II кристаллизации протекает достаточно длительно: при производственных испытаниях длительность процесса деминерализации составила 254 минуты (см. табл. 2). На основании полученных данных можно предположить, что эффективнее провести несколько обработок за данный промежуток времени, чем обеспечить полную деминерализацию раствора.

Экспериментально установлено, что после 180 минут обработки резерв получения сахара практически не увеличивается (см. рис. 4), следовательно, дальнейшая обработка раствора нецелесообразна. Значение конечной удельной электропроводимости при этом находится в точке 3±0,2 мСм/см. Однако резерв получения сахара уже через 90 минут электромембранной обработки сахарного раствора достигает 2 % к массе продукта, что делает обработку технологически эффективной уже при её завершении в точке 5±0,2 мСм/см. В этом случае длительность процесса сокращается втрое, а количество дополнительно получаемого сахара составляет 160 кг.

Из указанного следует, что время одной полной обработ-

§ 5

\

а

* 5

£ §

о

Г

ь

11 §

§ / §

§ о

► У = - 5Е — 0. к ^ + 0, 2 = 0,99 0179х -15 ■ 0,0153

______ 1

♦ <

Ш/

У = к 5,32е-0-' = 0,99 01х

1

1.8 1,6

О Зе

и а> 1»

н

» <и

Э> о

5 <->

о о

1,2 1.0 | 0,8

«о

0,6 \ 0,4 £ 0,2

0,0

20

40

60

80

100 120 140 160

180

Время, мин ♦ Удельная электропроводимость, мСм/см ■ Резерв получения сахара, % к массе продукта

Рис. 3. Изменение резерва получения сахара и удельной электропроводимости в течение электромембранной обработки смеси сиропа с очищенным соком

Время, мин

• Удельная электропроводимость, мСм/см Ш Резерв получения сахара, % к массе продукта

Рис. 4. Изменение резерва получения сахара и удельной электропроводимости в течение электромембранной обработки разбавленного оттёка II кристаллизации

ки оттёка до 2 мСм/см соответствует времени трёх обработок до 5±0,2 мСм/см. Таким образом, вместо 287 кг сахара можно дополнительно получить 480 кг, т. е. в 1,7 раз больше. Однако оценочный расчёт приведён без учёта затрат времени на подготовительные операции.

Оценка эффективности применения электромембранной обработки густых полупродуктов на предприятии ОАО «Городейский сахарный комбинат» В сезон переработки сахарной свёклы урожая 2020 г. электродиализное оборудование ОАО «Городейский сахарный комбинат»

№ 4 • 2022 САХАР

29

СПОНСОР ВЫПУСКА уцц

эксплуатировалось в режиме обработки разбавленного очищенным соком сиропа до 2±0,2 мСм/см.

В начале производственного сезона процесс деминерализации вели до конечной удельной электропроводимости обрабатываемых продуктов 2,0 мСм/см. К концу сезона длительность процесса до заданной конечной точки увеличилась до 297 минут, что было вызвано ухудшением качества исходного сырья, а именно повышением зольности. В начале сезона средняя удельная электропроводимость исходного сырья составляла 3,89 мСм/см, однако, постепенно изменяясь, к концу сезона средний показатель составил 5,84 мСм/см. В ходе производственных испытаний изменили конечную точку обработки партии с 2,0 до 2,5 мСм/см, что позволило сократить длительность процесса, при этом уменьшение резерва получения сахара составило около 0,2 % к массе свёклы (см. рис. 3).

Завершение процесса деминерализации смеси сиропа с очищенным соком при удельной электропроводимости 2,5 мСм/см в конце производственного сезона позволило снизить максимальную дли-

тельность процесса деминерализации на 35 %.

В сезон переработки сахарной свёклы урожая 2021 г. электродиализное оборудование ОАО «Горо-дейский сахарный комбинат» эксплуатировалось в режиме обработки разбавленного оттёка II кристаллизации до 7±0,2 мСм/см.

Для получения данных о фактических пределах изменения содержания катионов и расчёта резерва сахара в ОАО «Городейский сахарный комбинат» с производства отбирались и исследовались пробы оттёка в разных точках процесса электродиализа, а также были проведены производственные испытания при ведении деминерализации оттёка утфеля II кристаллизации до 5 мСм/см (рекомендуемое значение) (табл. 3). Как следует из таблицы, при использовании электродиализа для деминерализации оттёка утфеля II кристаллизации соли кальция снижаются на 17,5—62,5 %, мелассообразующий коэффициент — на 10,2—40,5 %, содержание золы — на 37,3— 67,1 %, а резерв сахара составляет 1,6—5,5 % к массе обрабатываемого продукта, или 128—439 кг с партии оттёка. При ведении процесса

до 9 мСм/см наблюдается низкая степень очистки полупродукта. Наиболее эффективным с технологической точки зрения является ведение процесса до 5 мСм/см: на 13 % удаляется больше несахаров, на 20 % — больше золы, на 29 % — солей кальция по сравнению с обработкой до 7 мСм/см. При этом мелассообразующий коэффициент снижается дополнительно на 7 %, а резерв сахара повышается на 24 %, однако длительность процесса увеличивается вдвое, что в итоге ухудшает экономические показатели работы установки в рамках производственного цикла. Поэтому подбор конечной точки обработки оттёка утфеля II кристаллизации необходимо регулировать в зависимости от длительности процесса, которая зависит в основном от физического износа ионообменных мембран.

Сравнение показателей эффективности работы электродиализ -ной установки, эксплуатируемой на предприятии ОАО «Городей-ский сахарный комбинат», по схемам работы с оттёком утфеля II кристаллизации и разбавленным очищенным соком сиропом приведено в табл. 4.

Таблица 3. Результаты производственных испытаний процесса электродиализа оттёка утфеля IIкристаллизации

и расчётные показатели

Номер опыта Время, мин. Удельная электропроводимость, мСм/см Зола кондукто-метрическая, % к массе продукта СаО, % к массе продукта Чистота, % Мелассообразующий коэффициент (т) Резерв сахара, % к массе продукта

Опыт 1 0 13,1 3,35 0,063 74,09 1,08 0,0

216 9,1 2,10 0,052 77,46 0,97 1,6

Изменение показателя 4,0 1,25 0,011 +3,36 0,11 1,6

Опыт 2 0 13,4 2,58 0,095 74,32 1,00 0,0

311 7,0 0,85 0,045 78,19 0,81 2,0

Изменение показателя 6,4 1,73 0,050 +3,87 0,18 2,0

Опыт 3 0 14,0 2,75 0,070 74,37 1,45 0,0

425 7,0 0,97 0,027 78,77 1,12 3,4

Изменение показателя 7,0 1,78 0,043 +4,40 0,34 3,4

Опыт 4 0 13,2 4,34 0,048 71,73 1,48 0,0

1000 5,0 1,50 0,018 78,19 0,93 5,5

Изменение показателя 8,2 2,84 0,030 +6,46 0,55 5,5

Таблица 4. Сравнение технологических схем электромембранной обработки

Наименование показателя Схема с обработкой сиропа Схема с обработкой оттёка

Средняя длительность электромембранной обработки, мин 67,5 260,0

Среднее количество обработок в сутки 26 9

Масса партии, т 8,120 7,980

Дополнительный сахар, т

с одной обработки 0,130 0,255

в сутки 3,38 2,30

за 90 суток 304,2 206,6

Снижение количества несахаров, т

с одной обработки 0,114 0,231

в сутки 2,96 2,08

за 90 суток 266,8 187,2

Снижение количества мелассы, т

с одной обработки 0,305 0,608

в сутки 7,93 5,48

за 90 суток 713,8 493,2

Заключение

Таким образом, при существующих на предприятии ОАО «Го-родейский сахарный комбинат» мощностях электромембранного оборудования наиболее целесообразно с технологической точки зрения и наиболее выгодно экономически использовать схему с обработкой разбавленного очищенным соком сиропа. Данная схема позволяет разгрузить продуктовое отделение завода, повысить выход сахара за счёт снижения его потерь с мелассой на 0,035 % к массе свёклы, снизить количество мелассы на 0,083 % к массе свёклы.

Менее успешная реализация усовершенствованной технологии на оттёке утфеля II кристаллизации с целью увеличения его чистоты и возвращения в технологический поток определяется не только высокой длительностью процесса и меньшим экономическим эффектом, но и рециркуляцией сахара и несахаров в производстве. При этом возможным вариантом применения данной схемы можно рассмотреть дальнейший вывод дилуата из производства в качестве высокопитательной добавки в корм, в том числе с повышенным содержанием бетаина.

Схемы с электромембранной обработкой очищенного диффузионного сока являются весьма перспективными и экономически целесообразными, но требуют для реализации частичной или полной модернизации сокоочи-стительного отделения предприятия ОАО «Городейский сахарный комбинат» и обработки всего объёма сока.

Кроме дальнейшей оптимизации процесса электродиализа и повышения эффективности производства сахара за счёт повышения чистоты продуктов и сни-

жения потерь с мелассой перспективным является использование электродиализной установки для расширения ассортимента предприятия и создания инновационной продукции.

Список литературы

1. Методы оценки технологических качеств сахарной свёклы с использованием показателей содержания калия, натрия и а-аминного азота, определённых в свёкле и продуктах её переработки / В.Н. Кухар, А.П. Чернявский, Л.И. Чернявская, Ю.А. Мо-канюк // Сахар. - 2019. - № 1. -С. 18-36.

2. Никулина, О.К. Очистка диффузионного сока с применением электродиализа / О.К. Никулина, О.В. Ды-мар // Сахар. - 2021. - № 3. - С. 32-36.

3. Применение электродиализа для очистки диффузионного сока в сахарном производстве / О.К. Никулина, О.В. Колоскова, М.Р. Яковлева, О.В. Дымар // Пищевая промышленность: наука и технологии. - 2021. -Т. 14. - № 3(53). - С. 51-61.

4. Усовершенствовать технологию получения белого сахара с использованием электродиализа для деминерализации полупродуктов сахарного производства : отчёт о НИОТР (за-ключ.) / Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по продовольствию; рук. О.К. Никулина. - Минск, 2021. -254 с. - № ГР 20193042.

5. Физико-химические процессы сахарного производства / И.С. Гулый, В.М. Лысянский, Л.П. Рева [и др.]. -М. : Агропромиздат, 1987. - 264 с.

Аннотация. В статье рассмотрен вопрос о возможности применения электромембранных процессов для очистки густых полупродуктов свеклосахарного производства. Представлены данные производственных испытаний процесса деминерализации густых сахарных полупродуктов при помощи электродиализа. Приведены оценка эффективности применения электромембранной обработки густых полупродуктов и сравнение схем работы с оттёком утфеля II кристаллизации и смеси сиропа с очищенным соком для электродиализной установки, эксплуатируемой на предприятии ОАО «Городейский сахарный комбинат». Ключевые слова: электродиализ, электромембранные технологии, оттёк утфеля II кристаллизации, сироп, меласообразующий коэффициент. Summary. The question of the application of electromembrane processes for the purification of thick semi-products of sugar beet production is discussed in the article. The data of production testing of the processes of demineralization of thick semiproducts by means of electrodialysis are given. An assessment of the effectiveness of the using of electromembrane treatment of thick semi-products and a comparisson of working schemes with an effluent of massecuite II crystallization and mixture of purified juice and syrup on the electrodialysis equipment installed at JSC «Gorodeya Sugar Factory» are presented.

Keywords: electrodialysis, electromembrane technologies, an effluent of massecuite II crystallization, syrup, molasses forming coefficient.

№ 4 • 2022 САХАР 31

СПОНСОР ВЫПУСКА \Ц/Щ