CC BY
24УДК 664.1.03
doi.org/10.24411/2413-5518-2020-10508
Результаты практической реализации применения наноразмерного гидроксида алюминия в условиях сахарных заводов Украины
Л.М. ХОМИЧАК, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. НААН Украины, зав. отд. технологии сахара, сахаросодержащихпродуктов и ингредиентов (e-mail: Lhomichak@ukr.net) Институт продовольственных ресурсов НААН Украины
В.В. ОЛИШЕВСКИЙ, канд. техн. наук, доц. каф. технологического оборудования и компьютерных технологий проектирования (e-mail: valinter@ukr.net) Национальный университет пищевых технологий
Е.Н. БАБКО, канд. техн. наук, доц. каф. технологического оборудования и компьютерных технологий проектирования (e-mail: valinter@ukr.net)
Национальный университет пищевых технологий
К.Г. ЛОПАТЬКО, д-р техн. наук, проф. каф. технологии конструкционных материалов и материаловедения (e-mail: lopatko_konst@hotmail.com)
Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины
Введение
Показатели эффективности работы свеклосахарных заводов в значительной степени зависят от качества сырья и технологии получения диффузионного сока, а также определяются степенью его очистки на всех этапах производства [1—3]. Типовая аппаратурно-технологи-ческая схема переработки сахарной свёклы не обеспечивает достаточной полноты извлечения сахарозы и высокоэффективной известко-во-углекислотной очистки. Решению этих задач способствует совершенствование существующих и создание комплекса новых мер по повышению эффективности производства сахара. Однако, несмотря на многочисленные исследования экстракции сахарозы, в том числе в процессе подготовки экстрагента, возможности усовершенствования этого процесса до конца не исчерпаны и остаются актуальными.
Качество диффузионного сока зависит от содержания в нём несахаров и обусловлено многими факторами, основными из которых являются технологические показатели сырья и экстрагента (табл. 1) [1]. Кроме того, качество
диффузионного сока, направляемого на стадию известково-угле-кислотной очистки, существенно зависит от условий экстрагирования сахарозы в диффузионном аппарате [2, 3]. При этом для получения качественного диффузионного сока и повышения выхода сахара при рациональном расходе извести необходимо:
— достигать максимальной очистки кондиционной сахарной свёклы от примесей и получать высококачественную свекловичную стружку;
— применять в диффузионном процессе качественную питательную воду с определённой температурой и величиной рН;
— использовать дополнительные алюминий- и кальцийсодержащие
реагенты при подготовке экстра-гента;
— обеспечивать высокую степень отжима жома и возврат всей жомопрессовой воды в диффузионный аппарат.
Цель работы — усовершенствование процесса экстрагирования сахарозы путём предварительной обработки жомопрессовой воды наноразмерным гидроксидом алюминия.
Задачи исследования — определение места ввода и оптимального расхода реагента для предварительной обработки жомопрессо-вой воды, разработка технологической схемы и технологического режима усовершенствованного процесса экстракции сахарозы с использованием наноразмерного
Таблица 1. Классификация диффузионных соков по К. Вукову [1]
Содержание несахаров Качество диффузионного сока
Хорошая Средняя Плохая
Чистота, % > 88,0 85,5-88,0 < 85,0
Общие несахара, % к м. с. < 2,0 2,0-2,6 > 2,6
Зола, % к м. с. < 0,5 0,5-0,7 > 0,7
Редуцирующие вещества, % к м. с. < 0,15 0,15-0,025 > 0,25
Альфа-аминный азот, % к м. с. < 0,025 0,025-0,04 > 0,4
Коллоиды, % к м. с. < 0,4 0,4-0,8 > 0,8
Пектины, % к м. с. 0,1 0,1-0,2 > 0,2
£
о
> Т>
Барометра веская вода
/Свекловичная 9 стружка /
Жомопрессовая вода
Барометрическая вода 12
А!(ОН)3
А!(ОН)3
Свекловичная стрижка
11 10 У 10
Свекловичная стрижка
16 17
А!( ОН)
19 _7/
^КааАаааааааааамД) ЦГ/*
П1ИМ 1Ж7У АЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ АЛЬ ЦЦ1Ц муууууууУУУ УII1
Жом
Жом
Жомопрессовая вода^ Жом
Жомопредровая вода ^ Жом
Жом
Жом
— система дозирования (А!(ОН).
Рис.1. Аппаратурно-технологическая схема диффузионно-прессового процесса извлечения сахарозы из свекловичной стружки с использованием наноразмерного гидроксида алюминия: 1 — ёмкость А1(ОН)4 — насос-дозатор; 7— диффузионный аппарат 1; 8 — диффузионный аппарат 2; 9 — загрузочный бункер диффузионного аппарата; 10 — ленточные весы стружки; 11 — ленточный транспортёр; 12 — сборник барометрической воды; 13 — сборник жомопрессовой воды; 14 — сборник диффузионного сока; 15 — насос диффузионного сока; 16 — расходомер; 17 — мезголовушка; 18— выгрузное устройство; 19— шнековый транспортёр; 20 — жомовые прессы; 21 — транспортёр жома; 22 — насос жомопрессовой воды; 23 — сборник жомопрессовой воды; 24— подогреватель жомопрессовой воды; 25— преддефекатор
гидроксида алюминия, а также её внедрение на свеклосахарных заводах.
Условия и методы исследований
Определение технологических показателей полупродуктов. При диффузионном извлечении сахарозы использовали методики, описанные в [4—7].
Результаты и обсуждение
Основной задачей исследований в области усовершенствования получения и очистки диффузионного сока является максимальное удаление несахаров при минимальных затратах энергетических и материальных ресурсов.
Первый этап исследований* позволил теоретически обосновать и экспериментально подтвердить высокую эффективность использования комплексообразующих свойств наноразмерного гидроксида алюминия, полученного методом электроискрового диспергирования металла алюминия в водной среде, для интенсификации сорбционных и коагуляцион-ных процессов в процессе экстрагирования сахарозы. На основании этих исследований разработана аппаратурно-технологическая схема, представленная на рис. 1. Реагент дозировали мембранным насосом 4 из ёмкости 1 в зону подачи жомопрессовой воды 11, 12 диффузионных аппаратов 7, 8.
В производственные сезоны 2016—2019 гг. на сахарных заводах ряда отечественных компаний — «Юкрейниан Шугар Компани» (Николаевская обл.) в 2016 г., агропромхолдинга «Астарта-Ки-ев» — «Новоивановский сахарный завод» (Харьковская обл.) в 2017 г., «Ждановский сахарный
* См.: В.В. Олишевский, Л.М. Хомичак, Е.Н. Бабко, К.Г. Лопатько, Д.Е. Бабко. Анализ применения алюминий-и кальцийсодержащих реагентов в технологическом процессе свеклосахарного производства («Сахар», 2020 г., № 4).
завод» (Винницкая обл.) в 2017 г., «Наркевичский сахарный завод» (Хмельницкая обл.) в 2019 г. были исследованы и внедрены в производство технологии получения на-норозмерного гидроксида алюминия и способы его использования в процессе извлечения сахарозы из свекловичной стружки [9, 10]. В условиях завода «Юкрейниан Шугар Компани» (2017 г.) прошёл испытания электротехнический комплекс [8] производства наноразмерного гидроксида алюминия непосредственно в условиях завода (рис. 2) [9], характеристики и результаты электронной микроскопии которого представлены в табл. 2 и на рис. 3.
Исследования проводили при переработке свёклы среднего и высокого качества по типовым схемам сахарных заводов с использованием нанорозмерного гидроксида алюминия для предварительной обработки жомо-прессовой воды перед подачей её в диффузионные аппараты:
— схема предприятий «Юкрейниан Шугар Компани» и «Ждановский сахарный завод» — экстрагирование сахарозы с добавлением нанорозмерного гидроксида алюминия в количестве 0,002 % к м. с.;
— схема предприятий «Нарке-вичский сахарный завод» и «Новоивановский сахарный завод» — экстрагирование сахарозы с применением гипса, сульфата алюминия и нанорозмерного гидроксида алюминия в количестве соответственно 0,04, 0,02 и 0,002 % к м. с.
Эффективность различных вариантов экстрагирования сахарозы оценивали путём сравнения качественных показателей получаемых диффузионного и очищенного (сульфитированного) соков, жома. Результаты представлены в табл. 3.
За весь период исследований переработки свёклы с добавлением наноразмерного гидроксида алюминия в зависимости от типовых схем действующих заводов,
Рис. 2. Электротехнический комплекс получения наноразмерного гидроксида алюминия в производственных условиях «Юкрейниан Шугар Компани» [9]: 1 — генератор разрядных импульсов; 2 — разрядные камеры; 3 и 4 — патрубки подачи воды и отвода коллоида алюминия; 5 — система аэрации; 6 — ёмкость с коллоидом алюминия; 7 — система подачи коллоида
Таблица 2. Характеристика наноразмерного гидроксида алюминия, полученного
электроискровым методом [8]
Реагент Концентрация А1 в реагенте, г/дм3 Электрокинетический потенциал, мВ Электропроводность, мкСм/см2 рН
А1(ОН)3 2,50 +32,3 85,4 4,75
<о о
=1 »
Е о о
5?
Дзета-потенциал А!( ОН)3
400000
300000-
200000-
100000
Рис. 3. Наноразмерный гидроксид алюминия Al(OH)3, полученный электроискровым методом [8]: а — внешний вид; б — микрофотографии ТЕМ частиц А1; в — график распределения дзета-потенциала методом электрофореза
а также технологических свойств свёклы отмечалось стабильное повышение чистоты диффузионного сока. Из представленных данных видно, что полученные по усовершенствованной технологии очищенный сок и прессованый жом имеют более высокое качество. Так, чистота диффузионного сока, по сравнению с чистотой сока, полученного по типовой технологии, на 0,4—1,6 % выше, а содержание сухих веществ в прессованном жоме выше на 3,4—9,4 % за счёт улучшения упруго-прочностных характеристик стружки. В конечном итоге усовершенствованная технология способствует увеличению общего эффекта очистки сока на 9,1-23,5 %.
Разработаная и внедрённая высокоэффективная технология двух-стадийного извлечения диффузионного сока позволяет:
— использовать в технологическом процессе экстрагирования сахарозы реагенты нового поколения с наноразмерностью частиц алюминия 5—90 нм и положительным электрокинетическим потенциалом +32,3 мВ;
— снизить гидролиз пектина и переход высокомолекулярных
в
Таблица 3. Влияние наноразмерного гидроксида алюминия, полученного электроискровым методом, на качественные
показатели полупродуктов свеклосахарного производства
Схема экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки
«Юкрейниан Шугар «Ждановский «Новоивановский «Наркевичский сахарный
Показатели Компани», 2016 г. сахарный завод», 2017 г. сахарный завод», 2017 г. завод», 2019 г.
С добав- С добав- С добав- С добав-
Типо- лением % к ти- Типо- лением % к ти- Типо- лением % к ти- Типо- лением % к ти-
вая наноалю- повой вая наноалю- повой вая наноалю- повой вая наноалю- повой
миния миния миния миния
Чистота сока, %
свекловичного 86 86 0 88,9 88,9 0 88,2 88,2 0 90,37 90,37 0
диффузионного 87,2 88,6 + 1,6 90,6 90,9 +0,4 90,4 90,9 +0,6 92,01 92,52 +0,6
сульфитированного 89,8 91 + 1,3 92,5 92,9 +0,4 92,3 92,8 +0,6 93,5 94 +0,5
Эффект очистки
сока, %
диффузионного 16,2 21,0 +29,4 16,6 19,8 + 19,3 20,7 25,5 +23,3 18,5 24,1 +30,4
сульфитированного 19,5 23,1 + 18,6 23,3 23,7 + 1,8 21,2 22,7 +7,4 19,9 21,1 +5,6
общий 35,7 44,1 +23,5 39,9 43,5 +9,1 41,8 48,2 + 15,3 38,5 45,2 + 17,5
Содержание СВ
в прессованном 25 27,4 +9,4 16,2 17,3 +7,0 18,4 19,26 +4,5 23,44 24,23 +3,4
жоме, %
№ 5 • 2020 САХАР 49
соединений и коллоидных веществ в очищенный сок;
— повысить чистоту диффузионного сока на 0,4—1,6 %;
— повысить чистоту сульфитиро-ванного сока на 0,4—1,3 %;
— увеличить содержание сухих
веществ в прессованном жоме на 3,4-9,4 %.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что предварительная подготовка жомопрессо-вой воды наноразмерным гидрок-сидом алюминия улучшает показатели соков и прессованного жома. Это обусловлено положительным электрокинетическим потенциалом с величиной +32,3 мВ и на-норазмерностью частиц алюминия величиной 5-90 нм. Достигнутый эффект объясняется образованием прочного комплекса пектата алюминия [(х • А1(ОН)3) • (у • пектин)] при экстрагировании, вследствие чего наблюдается сохранение упругого каркаса проводящих тканей свекловичной стружки и, как следствие, уменьшение содержания пектиновых веществ в диффузионном соке. Кроме того, при прессовании жома часть алюминия переходит в жомопрессовую воду, что способствует уменьшению расхода реагента и уменьшению остаточного его содержания в прессованном жоме. К тому же в отличие от гипса наноразмерные частички алюминия не приводят к абразивному износу шнеков жомопрессов и инкрустации их сетчатой поверхности, а по сравнению с глинозёмом — не вызывают коррозию оборудования и не способствуют увеличению расхода извести на нейтрализацию SO42- в условиях предварительной и основной дефекаций.
Заключение
В ходе производственных исследований установлено, что использование нанорозмерного ги-дроксида алюминия, полученного электроискровым методом, позволяет существенно повысить эффективность извлечения сахарозы
из свёклы. Показано, что полученные по усовершенствованной технологии очищенный прессованный жом и сатурационный сок имеют более высокое качество, что в конечном итоге обеспечивает повышение общего эффекта очистки на 9,1—23,5 %.
Способ интенсификации диффузионно-прессового способа извлечения сахарозы из свекловичной стружки с использованием нано-размерного гидроксида алюминия практически реализован в течение производственных сезонов 2016— 2019 гг. на сахарных заводах отечественных кампаний «Юкрейниан Шугар Компани» и агропромхол-динга «Астарта-Киев» с хорошими технологическими и экономическими эффектами. Мы готовы предоставить в целом необходимую конструкторскую документацию, непосредственно препарат и устройства для его дозирования, а также проводить научно-практическое сопровождение в условиях конкретного предприятия.
Список литературы
1. Vukov, K. Physik und chemie der Zuckerrübe als Grundlage der Verarbeitungsverfahren / K. Vukov. — Budapest : Akademiai Kiado, 1972. - 458 p.
2. Сапронов, А.Р. Технология сахарного производства / А.Р. Сапронов. — 2-е изд., исправл. и доп. — М. : Колос, 1999. — 495 с.
3. Asadi, MBeet-sugar handbook /In-cludes bibliographical references and index / M. Asadi. — Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. New Jersey, 2007. — 868 p.
4. Олшевський, В.В. Вплив нано-композиту алюмшш на дифузшш
властивост буряково! стружки /
B.В. Олшевський [та iH.] // Цукор Укра!ни. - № 5 (137). - 2017. - С. 17-23.
5. Nykytiuk, T. Impact of nanosized aluminum hydroxide on the structural and mechanical properties of sugar beet tissue / Т. Nykytiuk, V. Olishevskiy, E. Babko, O. Prokopiuk / Ukrainian Food Journal. -2018. - Vol. 7. - Iss. 3. - Pp. 488-498.
6. Инструкция по химико-технологическому контролю и учёту сахарного производства. - К. : ВНИИСП, 1983. - 476 с.
7. Правила ведення технолопчного процесу виробництва цукру з цукрових буряыв. Правила усталено! практики (ПУП) 15.83-37-106:2007 / М.М. Ярчук [та ш.]. - Ки!в : 1нформацшно-аналгшчний центр «Цукор Украши», 2007. - 420 с.
8. Патент на корисну модель 113262 UA, МПК C13B 15/00. Пристрш для отриман-ня колощу металу / Олшевський В.В., Бабко 6.М., Балтажи О.П., Лапшин С.О., Лопатько К.Г.; заявник i патентовлас-ник Балтажи О.П. - № u 201809540, за-явл. 21.09.2018; 26.12.2018, Бюл. № 24, 2018 р.
9. Олшевський, В.В. Досвщ вико-ристання нанокомпозиту алюмшш в умовах бурякоцукрового виробництва / В.В. Олшевський [та ш.] // Цукор Украши. - 2016. - № 11-12 (131-132). -
C. 11-16 (фахове видання).
10. Патент Украши 104338 UA, МПК С13В 20/00 (2014.01). Спошб очищення дифузшного соку / Олшевський В.В., Верченко Л.М., Маринш A.I., Ткачен-ко С.В., Ардинський О.В., Лопатько К.Г.; заявник i патентовласник НУХТ. -№ а201204314 ; заявл. 06.04.2012 ; опубл. 27.01.2014, Бюл. № 2, 2014 р.
11. Патент Укра!ни 114866UA, МПК С13В C13B 10/08 (2011.01). Спошб ек-страгування сахарози з буряково! стружки / Олшевський В.В., Укра!нець A.I., Пушанко Н.М., Маринш A.I., Бабко 6.М., Лопатько К.Г.; заявник i патентовласник НУХТ. - № a2016 06321; заявл. 10.06.2016; опубл. 10.08.2017, Бюл. № 15, 2017 р.
Аннотация. В статье проанализирована практическая реализация использования разработанного в Национальном университете пищевых технологий наноразмерного гидроксида алюминия при извлечении сахарозы из свекловичной стружки на сахарных заводах Украины. Приведены результаты внедрения аппаратурно-технологической схемы получения диффузионного сока с предварительной обработкой жомопрессовой воды наноразмерным гидроксидом алюминия.
Ключевые слова: свекловичная стружка, наноразмерный гидроксид алюминия, экстрагирование, эффект очистки.
Summary. The article analyzes the practical implementation, developed at the National University of Food Technologies, of nanosized aluminum hydroxide in the extraction of sucrose from beet chips in sugar factories in Ukraine. A hardware-technological scheme for the production of diffusion juice with preliminary preparation of pulp press water with nanosized aluminum hydroxide with subsequent purification has been developed and implemented. Keywords: beet chips, nanosized aluminum hydroxide, extraction, cleaning effect.
SUGAR □ ZUCKER □ SUCRE □ AZUCAR
Ежемесячный журнал для специалистов свеклосахарного комплекса АПК. Выходит в свет с 1923 года. Учредитель — Союз сахаропроизводителей России. Главный редактор — O.A. Рябцева. Тираж — 1 ООО экз.
Журнал освещает состояние и прогнозы рынка сахара, достижения науки, техники и технологий в производстве сахарной свёклы и сахара, вопросы экономики и управления,землепользования и налогобложения в АПК, отечественный и зарубежный опыт и др.
Распространяется по подписке в России, Беларуси, Казахстане, Киргизии, Молдове, Украине, Туркмении, Германии, Канаде, Китае, Польше, США, Франции, Чехии.
Наша аудитория: сотрудники аппарата Правительства РФ министерств, агропромышленных холдингов, торговых компаний, свеклосеющих хозяйств, сахарных заводов, отраслевых союзов, научных, образовательных учреждений и др.
Варианты подписки на 2020 г.
1) бумажная версия:
> через агентство «Роспечать»
по каталогам: «Газеты. Журналы» (наш индекс 48567);
> через электронный каталог «Почта России»
по адресу: https://podpiska.pochta.ru (наш индекс П6305);
> через редакцию.
Стоимость подписки на год с учётом НДС и доставки журнала по почте: по России — 5400руб., одного номера — 450руб.; для стран ближнего и дальнего зарубежья — 6000руб., одного номера — 500руб.
2) PDF-версия журнала:
> по России — 4320руб., одного номера — 360руб.;
> для стран ближнего и дальнего зарубежья — 5040руб., одного номера — 420руб.
3) бумажная версия + PDF-версия:
> по России — 8748руб/год
> для стран ближнего и дальнего зарубежья — 9936руб/год
Запросы на подписку присылайте на e-mail sahar@saharmag.com
Адрес редакции: 121069, Россия, г. Москва, Скатертный пер., д. 8/1, стр. 1. Тел/факс: +7(495) 690-15-68; +7(985)769-74-01; e-mail: sahar@saharmag.com Бухгалтерия: +7 (495)695-45-67; e-mail: buh@saharmag.com Официальный сайт: www.saharmag.com Facebook: https://www.facebook.com/sugarl923
