CC BY
27
УДК 664.117.3
Профессор Н.Г. Кульнева, аспирант А.И. Шматова
(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра технологии бродильных и сахаристых производств, тел. (473) 255-37-32
Разработка технологии получения и очистки концентрированных сахарных растворов с использованием электрического поля
Исследовано влияние электрического поля на изменение качественных показателей продуктов при переработке тростникового сахара-сырца, определены оптимальные параметры процесса.
Influence of electric field on change of quality indicators of products when processing reed sugar raw is investigated, optimum parameters of process are determined.
Ключевые слова: тростниковый сахар-сырец, элекгроактивация, очищенная клеровка
В связи с сезонностью свеклосахарного производства и неполным обеспечением России сахаром, произведенным из отечественного сырья, некоторые заводы в межсезонный период перерабатывают тростниковый сахар-сырец.
Среди несахаров тростникового сахара-сырца около половины составляют вещества коллоидной дисперсности и высокомолекулярные соединения (ВКД и ВМС). Содержание их в сахаре-сырце колеблется в пределах 0,78-1,66 % и зависит от качества перерабатываемого тростника, технологической схемы, способа и продолжительности хранения. Данные несахара отрицательно влияют на технологические процессы, снижают выход и качество готовой продукции.
С целью повышения эффективности удаления несахаров из сахара-сырца, особенно высокомолекулярных, провели исследования по электроактивации воды или промоев, используемых для получения клеровки сахара-сырца.
Воду или промой с содержанием сухих веществ 10 %, предназначенные для приготовления клеровки, подвергали электрообработке в специальном устройстве [1] при определенных напряженности электрического поля и продолжительности процесса.
Сахар-сырец растворяли в горячей активированной воде (промое) температурой 80 °С до массовой доли сухих веществ в растворе 55 %. Полученную клеровку нагревали до 80 °С, проводили основную дефекацию длительностью 10 мин при расходе оксида кальция 4,0 % к массе клеровки, карбонизировали
© Кульнева Н.Г., Шматова А.И., 2013
до рН 10,5-10,7, без промежуточного фильтрования обрабатывали оксидом кальция (0,4 % к массе клеровки) 5 мин, сатурировали до рН 9,0-9,5 и фильтровали. В полученном фильтрате определяли качественные показатели (таблица 1). Для сравнения получали и очищали клеровку по этой же схеме без электрообработки жидкости для клерования.
Экспериментально установлено, что с увеличением продолжительности электроактивации жидкости для клерования чистота очищенной клеровки плавно возрастает. При напряженности 10,3 В/см чистота выше, чем при 5,6 В/см.
Цветность, массовые доли солей кальция и редуцирующих веществ в очищенной клеровке, полученной при активации воды в течение одной минуты, меньше, чем очищенной по типовой схеме (цветность на 9-12 ед., массовая доля солей кальция на 0,01-0,02 %, массовая доля редуцирующих веществ на 0,01-0,06 %). Дальнейшее увеличение времени воздействия электрического поля незначительно влияет на изменение цветности.
Массовые доли солей кальция и редуцирующих веществ снижаются при увеличении длительности активации. Качественные показатели клеровки, полученной при обработке воды электрическим полем напряженностью 10,3 В/см лучше, чем при обработке напряженностью 5,6 В/см.
Повышение напряженности электрического поля или продолжительности обработки приводит к увеличению концентрации электрохимически активных реакционноспособных
веществ, благодаря чему большее количество различных групп несахаров осаждается в процессе известково-углекислотиой очистки клеровки. При обработке воды электрическим током происходит образование ионов Н+, используемых для электрохимических реакций, и
ионов ОН-, способствующих образованию соединений со значительной адсорбционной поверхностью, на которой адсорбируются в большом количестве различные несахара, в том числе высокомолекулярные соединения и вещества коллоидной дисперсности [2].
Таблица 1
Влияние электроактивации жидкости для клерования сахара-сырца на качественные
показатели очищенной клеровки
Напряженность поля, В/см Продолжительность обработки, мин Показатели очищенной клеровки
Чистота, % Цветность усл. ед. Мае. доля солей кальция, % Мае. доля редуцирующих в-в, %
Типовая - 97,3 22,32 0,063 0,078
5,6 1 97,6 13,20 0,055 0,070
5,6 3 97,7 12,34 0,052 0,065
5,6 5 97,7 12,12 0,048 0,062
10,3 1 97,6 10,38 0,046 0,026
10,3 3 97,7 10,25 0,033 0,020
10,3 5 97,7 10,21 0,030 0,019
Для выбора рациональных значений факторов, влияющих на процесс получения и очистки клеровки тростникового сахара-сырца с использованием электроактивированной воды для клерования, применяли математические методы планирования. Основными факторами, влияющими на обработку воды, выбрали: Х1 - напряженность электрического поля, В/см; Х2 - продолжительность обработки, мин. Выбор интервалов измерения факторов обусловлен технологическими условиями проведения процесса с учетом расхода электроэнергии (таблица 2).
Таблица 2
Пределы измерения входных параметров при электроактивации растворителя для сахара-сырца
Параметры процесса
Условия планирования электроактивации
Х1, В/см Х2, мин
Основной уровень 5,9 2,25
Интервал варьирования 3,1 1,25
Верхний уровень 9,0 3,50
Нижний уровень 2,8 1,00
Верхняя «звёздная точка» 10,3 4,00
Нижняя «звёздная точка» 1,5 0,50
В результате статистической обработки экспериментальных данных получили уравнения:
У1 = 98,2304 + 0,0264Х1 + 0,0200Х2 -0,1803Х12+ 0,0125Х1Х2 - 0,2478Х22;
У2 = 18,4689 + 0,6069Х1 - 9,9120Х2 + 2,8918Х12+ 3,8675Х1Х2 + 2,6467Х22;
У3 = 0,0450 - 0,0068Х1 +0,0010Х2 +0,0028Х12+ 0,0058Х1Х2 + 0,0003Х22;
У4 = 0,0930 + 0,0030Х1 + 0,0054Х2 -0,0003Х12 + 0,0088Х1Х2 - 0,0103Х22.
Анализ этих уравнений позволяет выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на рассматриваемый процесс.
Чистота клеровки в наибольшей степени зависит от напряженности электрического поля и повышается с ее увеличением (рисунок 1).
98,3 98, 98 98
97 98,
98
2,8 4,0 5,2 6,4 7,8 9,0 Напряженность электрического поля, В/см
1,00 Продолжительность обработки, мин
Критериями оценки влияния данных факторов на показатели очищенной клеровки выбрали: У1 - чистоту, %; У2 - цветность, усл. ед.; У3 - массовую долю солей кальция, % и У4 - массовую долю редуцирующих веществ, %, в очищенной клеровке.
Рисунок 1 - Зависимость чистоты очищенной клеровки от напряженности электрического поля и продолжительности обработки
Максимум чистоты наблюдается для клеровки, полученной при обработке жидкости
для клерования электрическим полем напряженностью 6,5 В/см в течение 2,25 минут.
Цветность очищенной клеровки при повышении продолжительности обработки заметно снижается. Изменение напряженности электрического поля оказывает на цветность меньшее влияние.
Возрастание напряженности электрического поля приводит к снижению массовой доли солей кальция в очищенной клеровке. При низкой напряженности электрического поля с увеличением продолжительности обработки содержание кальциевых солей убывает, а при высокой - растет.
На содержание редуцирующих веществ также большое влияние оказывает продолжительность обработки: с уменьшением времени обработки содержание редуцирующих веществ снижается (рисунок 2).
РВ, % 0,101 0,096: 0,091
0,086 ... ..... _ _ _ _ 0,081 ' ' - ..; " \~~3,50 0,076 .■■**' " " ' -■-'., . :'.■' / ' ,- -2,25
0,071 / / ..:'■' ..■-"' ^¿-/'/1 -1,00 ПрОДОЛЖИ-
2,8 4,0 5,2 6,4 7,8 9,0 тельность
Напряженность электрического поля, В/см обработки,
мин
Рисунок 2 - Зависимость массовой доли редуцирующих веществ от напряженности электрического поля и продолжительности обработки
Установлено, что влияние напряженности электрического поля и длительности электрообработки на содержание редуцирующих веществ в очищенной клеровке имеет сложный характер. При малой продолжительности обработки с увеличением напряженности массовая доля редуцирующих веществ снижается. При продолжительности активации более двух минут с повышением напряженности электрического поля массовая доля редуцирующих веществ растет.
При подаче потенциала на электроды в жидкости возникает перераспределение концентраций электрохимически активного вещества, обусловленное воздействием электрического поля. Между электродом и жидкостью образуется двойной электрический слой, в пределах которого создаются высокие концентрации электрохимически активных реакцион-носпособных веществ. Далее в процессе очистки эти вещества взаимодействуют с не-сахарами клеровки. За счет электростатических сил происходит агрегирование разно-
именно заряженных частиц, интенсивное ми-целлобразование и коагуляция взвешенных частиц и удаление их из клеровки, что улучшает качественные показатели клеровки [3].
На основании полученных экспериментальных данных построены номограммы по чистоте, цветности, массовой доле солей кальция и редуцирующих веществ (рисунок 3), пользуясь которыми можно достичь определенных качественных показателей очищенной клеровки при различном сочетании параметров электрохимической активации жидкости для клерования тростникового сахара-сырца.
0,5
1,0
Й 2,2
о
5
3,5
0,067 0,064 0,061 0,058 0,055 0,052 0,049 0,046 0,043 0,040 0,037 0,034
5,0
1,5 2,8 5,9 9,0 10,3 Напряженность поля, В/см
Рисунок 3 - Зависимость содержания солей кальция в клеровке от напряженности поля и продолжительности обработки
Учитывая, что напряженность электрического поля и продолжительность обработки неоднозначно влияют на качественные показатели клеровки, проведен выбор оптимальных условий процесса [2]. Задача оптимизации заключалась в поиске условий, при которых чистота очищенной клеровки максимальна, а цветность, массовые доли солей кальция и редуцирующих веществ в клеровке - минимальны. Анализируя полученные значения обобщенной функции желательности можно сделать вывод, что оптимальными условиями активации жидкости для клерования являются: напряженность электрического поля 5,9 В/см; продолжительность обработки 2,25 мин.
Кроме того, хорошие результаты могут быть получены при напряженности электрического поля 2,8 В/см и 9,0 В/см и, соответственно, продолжительности обработки 3,5 мин и 1 мин.
Проведена серия опытов по изучению влияния условий электрообработки промоев на качественные показатели очищенной клеровки сахара-сырца (таблица 3) [4].
При обработке иромоя электрическим полем в течение одной минуты наблюдается повышение чистоты клеровки на 1,0-1,5 % по сравнению с клеровкой, полученной без элек-
трообработки. Увеличение времени обработки с напряженностью поля 10,3 В/см не приводит к изменению чистоты, а с напряженностью 5,6 В/см - к незначительному повышению.
Таблица 3
Качественные показатели очищенной клеровки при различных параметрах электрообработки
промоев перед клерованием сахара-сырца
Напряженность электрич. поля, В/см Продолжительность обработки, мин Показатели очищенной клеровки
Ч, % Цв., усл. ед. Мае. доля солей кальция, % СаО Мае. доля редуцирующих в-в, %
- - 95,9 22,9 0,074 0,215
5,6 1 97,2 20,5 0,069 0,210
5,6 3 97,4 14,9 0,063 0,205
10,3 1 97,5 11,4 0,051 0,161
10,3 3 97,5 11,2 0,061 0,165
Клеровка, приготовленная на аммиачной воде
Типовая 97,1 15,7 0,035 0,202
Цветность клеровки, полученной с использованием промоя, обработанного электрическим полем напряженностью 5,6 В/см, снижается с ростом продолжительности обработки. Увеличение длительности электрического воздействия при напряженности 10,3 В/см на промой нецелесообразно с точки зрения снижения цветности.
Массовые доли солей кальция и редуци-рующих веществ в очищенной клеровке, полученной при активации промоя в течение 1 мин меньше, чем полученной на промое без электроактивации (массовая доля солей кальция - на 0,01-0,02 %, массовая доля редуцирующих веществ - на 0,01-0,04 %). Дальнейшее увеличение времени обработки при напряженности поля 5,6 В/см практически не изменяет данные показатели. При обработке промоя электрическим полем напряженностью 10,3 В/см происходит незначительное повышение массовых долей солей кальция и редуцирующих веществ.
Для напряженности электрического поля 5,6 В/см увеличение времени активации промоя приводит к улучшению качественных показате-
лей клеровки. При обработке промоя электрическим полем напряженностью 10,3 В/см с повышением времени воздействия происходит снижение качественных показателей очищен -ной клеровки, что обусловлено деструктивными изменениями веществ в промое. Образовавшиеся продукты распада в процессе известково-углекислотной очистки образуют с несахарами сахара-сырца трудно осаждаемые комплексы.
Клеровка, приготовленная на аммиачной воде, позволяет получить очищенную клеровку с более высокими качественными показателями, чем при переработке клеровки, полученной на промое, что обусловлено поступлением меньшего количества несахаров на верстат завода.
Проведены исследования по электрообработке продуктов переработки сахара-сырца. На клеровку смеси тростникового сахара-сырца и желтого сахара третьей кристаллизации воздействовали электрическим полем в течение 30 и 60 с при температуре 60 °С и напряжённости 2,7; 5,5; 6,6 В/см (таблица 4). Далее проводили известково-углекислотную очистку полученной клеровки по традиционной схеме.
Таблица 4
Влияние электрообработки на показатели очищенной клеровки сахара-сырца
Продолжительность, с Напряженность, В/см Показатели очищенной клеровки
Чистота, % Массовая доля редуцирующих веществ, % Цветность, усл. ед.
30 2,7 99,3 0,079 11,78
5,5 98,9 0,075 11,85
6,6 98,9 0,069 12,53
60 2,7 98,9 0,090 13,15
5,5 98,9 0,090 13,10
6,6 98,8 0,094 12,69
- - 98,1 0,107 15,40
Примечание. Чистота исходной клеровки 96,4 %, цветность 25,4 усл. ед.
Результаты исследования свидетельствуют, что иод действием электрического поля улучшаются качественные показатели клеровки: чистота увеличивается по сравнению с очищенной по типовой схеме на 1 %, цветность снижается на 4 ед., массовая доля редуцирующих веществ - на 0,03 %. Рациональным является режим следующий электрообработки: температура 60 °С, продолжительность 30 с, напряжённость электрического поля 2,7 В/см.
Для установления рациональных условий получения и очистки клеровки проведен сравнительный анализ различных схем (рисунок 3-6):
1 - типовая;
2 - с электроактивацией аммиачной воды;
3 - с электроактивацией промоя;
4 - обработка электрическим полем клеровки.
97,8 97,6 97,4 97,2 97 96,8 96,6 96,4 96,2
Ч, %
ш
1 2 3 4
Рисунок 3 - Зависимость чистоты очищенной клеровки от способа получения
0,08 0,07 0,06 0,05 Са, % 0,04 0,03 0,02
0,01 0
1 2 3 4
Рисунок 4 - Массовая доля солей кальция в очищенной клеровке в зависимости от способа получения клеровки
0,08т
0,07 0,06 0,05 РЦ % 0,04 0,03 0,02 0,01 0
0-у
Рисунок 5 ществ в очищенной клеровке
30п
12 3 4
Массовая доля редуцирующих ве-
Цв., усл. ед.
25-' 20-' 15-' 10-'
5-'
0-1 2 3 4 Рисунок 6 - Зависимость цветности очищенной клеровки от способа ее получения
Полученные результаты свидетельствуют, что лучшие качественные показатели имеет очи -щенная клеровка, полученная клерованием сахара-сырца электроактивированной аммиачной водой с последующей известково-углекислотной очисткой: чистота выше на 1-2 %, цветность ниже на 10-15 единиц, массовая доля солей кальция ниже на 0,001-0,005 %, массовая доля редуцирующих веществ ниже на 0,04-0,05 %.
Использование промоев при клеровании снижает потери сахарозы в производстве, но вводит в клеровку дополнительно несахара, которые плохо удаляются в процессе последующей известково-углекислотной очистки и являются причиной увеличения выхода мелассы и потерь в ней сахарозы. Это сводит к минимуму достигаемый эффект от использования промоев.
Проведение электрообработки промоя перед клерованием позволяет повысить эффективность дефекосатурации и получить очищенную клеровку с хорошими качественными показателями.
Можно подвергать электрообработке непосредственно клеровку, но в этом случае возрастают затраты электроэнергии в связи с увеличением объема и изменением физических характеристик обрабатываемой среды.
ЛИТЕРАТУРА
1 Пат. ЯИ 2183676 Российская Федерация, МПК7 С13Б 3/18 С02Б 1/46 Устройство для электрохимической очистки жидкости [Текст] / Н.Г. Кульнева; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ВГТА». - № 2000127951; заявл. 08.11.2000; опубл. 20.06.2002, Бюл. № 17.
2 Голыбин, В. А. Электротехнологии в производстве сахара [Текст]: монография / В.А. Голыбин, Н.Г. Кульнева, В.А.Федорук. -Воронеж: ВГТА, 2007 - 236 с.
3 Пат. ЯИ 2260623 Российская Федерация, МПК7 С13Б 1/00 С13Б 3/02 Способ получения клеровки сахара [Текст] / В.А. Голыбин, Н.Г. Кульнева, В.А. Федорук; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ВГТА». -№ 2003132580/13; заявл. 06.11.2003; опубл. 20.09.2005, Бюл. № 26.
4 Голыбин, В.А. Использование электрического поля для очистки производственных сахар
содержащих растворов [Текст] / В.А. Голыбин, Н.Г. Кульнева, В.А. Федорук // Известия вузов. Пищевая технология. - 2003. - № 5-6. - С. 94-96.
REFERENCES
1 Pat . RU 2183676 Russian Federation MPK7 C13D 3/18 S02F 1/46 Device for electrochemical cleaning liquid [Text] / N.G. Kulneva; applicant and patentee HPE "VSTA". -№ 2000127951; appl. 08.11.2000, publ. 20.06.2002, Bull. № 17.
2 Golybin, V.A. Electrotechnologies in sugar production [Text]: monograph / V.A. Golybin, N.G. Kulneva, V.A. Fedoruk. - Voronezh: VSTA, 2007. - 236 p.
3 Pat. RU 2260623 Russian Federation MPK7 C13F 1/00 S13D 3/02 A method for producing sugar klerovka [Text] / V.A. Golybin, N.G. Kulneva, V.A. Fedoruk; applicant and patentee HPE "VSTA". - № 2003132580 /13; appl. 06.11.2003, publ. 20.09.2005, Bull. № 26.
4 Golybin, V.A. Using electric fields for the production of sugar-containing cleaning solutions [Text] / V.A. Golybin, N.G. Kulneva, V.A. Fedoruk // Proceedings of the universities. Food technology. - 2003. - № 5-6. - P. 94-96.
