CC BY
40
УДК 664.1.039
Профессор В.А. Голыбин, доцент В.А. Федорук, аспирант М.П. Волошина
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра технологии бродильных и сахаристых производств, тел. (473) 255-37-32 преподаватель М.А. Лавренова,
(ФГОУ СПО «Жердевский колледж сахарной промышленности»), тел. (47535) 5-45-08
Щелочно-термическое разложение редуцирующих веществ диффузионного сока
Обоснованы режимы технологических операций, позволяющие снизить щелочнотермическое разложение редуцирующих веществ диффузионного сока.
The modes of technological operations that reduce the thermal decomposition of alkaline-reducing substances diffusion juice are justified.
Ключевые слова: очистка диффузионного сока, редуцирующие вещества, щелочнотермическое разложение
В ходе производственного сезона на сахарные заводы поступает свекла с различным составом различных химических соединений несахаров, наиболее вредными из которых являются редуцирующие вещества (РВ) -смесь моносахаров, глюкозы, фруктозы идр. В свекле в начале и середине производственного сезона содержание РВ не превышает 0,08-0,12 % к ее массе. Во второй его половине содержание указанных химических соединений возрастает до 0,2 % к массе свеклы и более. В процессе диффузионного извлечения сахарозы РВ полностью переходят из внутриклеточного объема свекловичной ткани в диффузионный сок, а затем в его составе поступают на известково-углекислотную очистку.
В условиях высокой щелочности, обусловленной избытком гидроксида кальция, протекает щелочно-термическая конверсия РВ, вызывающая появление в очищаемом сахарном растворе дополнительных вредных несахаров - новых химических соединений, в основном, красящих веществ и различных органических кислот.
По современной технологии сахарного производства нормативное разложение редуцирующих веществ, находящихся в очищаемом диффузионном соке, должно быть проведено в процессе основной дефекации с регулируемым температурным режимом в условиях избытка известковой щелочности с последующим удалением появившихся продуктов распада за счет адсорбции карбонатом кальция при обработке сока диоксидом углерода (сатурация).
© Голыбин В.А., Федорук В.А.,
Волошина М.П., Лавренова М.А., 2013
Наибольшее влияние на степень термохимического разложения РВ оказывают температура реакционной среды, продолжительность известковой обработки и величина активной щелочности, выраженной через расход оксида кальция (СаО). В ранее выполненных исследованиях расход СаО на основную дефекацию (ОД) принимался равным или очень близким к производственному - в пределах 2,0-2,5 % к массе свеклы или 105-125 % к массе несахаров диффузионного сока. Добавление 2,0 % СаО в лабораторных условиях не является характерным для ОД в производственных условиях. С учетом возврата на прогрессивную преддефекацию нефильтрованного сока I сатурации и сгущенных карбонатных суспензий активная щелочность очищаемого сока в процессе ОД составляет 1,0-1,4 % СаО [1]. Кроме того, проведение дополнительной дефекации фильтрованного сока перед II сатурацией требует отбора определенной части активной извести с операции ОД, что снижает фактический расход реагента и меняет условия щелочного разложения РВ [2]. Известно, что частицы не-растворившегося гидроксида кальция, имеющиеся в реакционной среде, участвуют в адсорбционном процессе поглощения первичных реакционноспособных продуктов распада РВ.
В последние годы на отечественных сахарных заводах перерабатывают значительные объемы свеклы, выращенной из семян зарубежной селекции. Химический состав такой свеклы имеет большую зависимость от клима-тических условий вегетации, при краткосрочном хранении
в свекле происходят значительные изменения, вызывающие накопление в ней вредных растворимых несахаров. Содержание редуцирующих веществ в хранившейся свекле возрастает в 3-4 раза и достигает 0,35-0,55 % к ее массе [3].
С учетом вышесказанного нами для исследований степени разложения РВ были приняты следующие факторы: температура реакционной среды и продолжительность известковой обработки, расход гидроксида кальция. Для получения данных, исключающих влияние других несахаров, исследования проводились на модельных водных растворах, содержащих 12 % сахарозы. Гидроксид кальция получали из свежеобожженного оксида кальция (х.ч) путем его гашения водой. После охлаждения известкового молока весовым методом определяли его плотность, рассчитывали массовую долю оксида кальция и требуемый объем известковой суспензии для ввода в реакционную среду.
После проведения в контролируемых условиях разложения РВ отбирали из сосуда пробы рабочего раствора, охлаждали до 20 0С, фильтровали, доводили уксусной кислотой до нейтральной реакции и выполняли анализы по стандартным методикам с определением мас-
совых долей сухих веществ, остатка РВ, оптической плотности (Б) с помощью фотоколориметра при рекомендуемой длине волны.
К. Вуков в своих исследованиях для нейтрализации остаточной щелочности рабочего раствора обрабатывал его диоксидом уг-лерода до рН20 7,0-7,5 [4]. По нашему мнению такой способ неприемлем для определения оптической плотности растворов после ОД, т.к. фактически проводилась карбонизация остаточного количества оксида кальция с образованием карбоната кальция, являющегося эффективным адсорбентом образовавшихся красящих веществ, что не позволяет получать объективных экспериментальных данных.
Распад РВ и образование красящих веществ исследовали при вводе в реакционные среды с определенной температурой расчетные объемы известкового молока, эквивалентные расходу 0,5 и 1,0 % СаО к массе раствора.
Известковую обработку модельных растворов, содержащих РВ, проводили по классической схеме в два этапа: вначале предварительная дефекация при малом расходе щелочи и pH среды 11,0 (0,2 % СаО), затем основная дефекация с добавлением 0,5 и 1,0 % СаО (таблицы 1, 2).
Таблица 1
Распад РВ (0,3 %) при расходе СаО 0,5 % к массе раствора
Время, мин Показатели распада РВ при температуре, °С
70 80 90
остаток РВ, % Б, ед./ 100 СВ остаток РВ, % Б, ед./ 100 СВ остаток РВ,% Б, ед./ 100 СВ
1 2 3 4 5 6 7
Предварительная дефекация
4 96,0 0,08 91,5 0,25 79,0 2,08
Основная дефекация
1 82,3 0,37 66,0 1,39 49,4 4,45
2 69,5 0,52 50,0 2,28 38,0 6,54
3 58,9 0,84 41,0 2,81 28,3 7,45
4 53,2 1,18 33,6 3,29 23,0 8,36
5 48,4 1,50 25,5 3,81 18,7 8,63
6 43,0 1,75 24,0 4,27 15,5 8,86
8 34,5 2,30 16,8 5,02 12,4 9,00
10 28,5 2,79 12,7 5,42 11,0 9,10
14 21,0 3,42 10,9 5,83 9,3 9,18
16 18,5 3,47 9,3 6,06 7,8 9,25
20 14,7 3,67 8,2 6,38 5,6 9,30
Из данных таблицы 1 видно значительное увеличение оптической плотности рабочих растворов с повышением температуры: при 70 0С - Б 3,67 ед. (остаток РВ 14,7 %); при 90 0С и той же степени распада редуцирующих веществ оптическая плотность увеличилась до
8,95 ед. или в 2,44 раза. Наблюдается существенный рост удельной оптической плотности рабочих растворов в условиях оптимальной известковой преддефекации: при 70 0С распад РВ 4 % (0,02 ед. оптической плотности на 1 % разложившихся РВ); при 90 0С распад РВ 21 %
(0,1 ед. оптической плотности на 1 % РВ), т.е. в 5 раз больше. Вклад предварительной и основной дефекаций в образование красящих веществ на 1 часть разложившихся РВ: при 70 °С 2,73 ед.; при 90 °С 6,25 ед. или в 2,29 раза
больше. Полученные результаты подтверждают целесообразность осуществления предде-фекации диффузионного сока при переработке свеклы пониженного качества в режиме теплой обработки (в интервале 55-60 0С) [5].
Таблица 2
Распад РВ (0,3 %) при расходе СаО 1,0 % к массе раствора
Время, мин Показатели распада РВ при температуре, °С
70 80 90
остаток РВ, % Б, ед./ 100 СВ остаток РВ, % Б, ед./ 100 СВ остаток РВ,% Б, ед./ 100 СВ
1 2 3 4 5 6 7
Предва рительная дефекация
4 95,7 0,09 91,2 0,26 79,3 2,11
Основная дефекация
1 68,5 0,56 51,2 1,43 33,2 3,03
2 50,7 1,08 33,6 2,79 18,3 5,58
3 41,8 1,51 24,0 3,86 11,8 7,65
4 35,0 1,87 18,6 4,55 9,2 8,84
6 25,1 2,39 11,2 5,34 5,4 9,95
8 18,2 2,75 9,1 5,66 5,0 10,35
10 13,7 3,03 7,3 5,87 4,6 10,50
16 6,5 3,46 4,4 6,38 4,2 10,64
20 4,6 3,55 3,6 6,50 3,8 10,72
Увеличение расхода СаО на основную дефекацию в два раза (таблица 2) позволило увеличить степень распада РВ, особенно при 70 0С (остаток несахаров в 3,2 раза меньше) при снижении оптической плотности рабочих растворов. Высокая температура основной дефекации (90 0С), несмотря на двукратное увеличение расхода гидроксида кальция, приводит к интенсивному росту оптической плотности рабочих растворов: при достижении сте-
пени распада редуцирующих веществ 94,6 % последующий прирост этого показателя всего на 1 % вызывал увеличение оптической плотности на 0,77 ед.
Рассчитали количественные показатели массы образующихся продуктов распада редуцирующих несахаров (красящих веществ) с использованием величины оптической плотности рабочих растворов (таблица 3).
Таблица 3
Изменение удельной оптической плотности при разных условиях разложения редуцирующих веществ
Показатели распада РВ Продолжительность известковой обработки (ОД), мин
5 10 15 20 5 10 15 20
0,3 % РВ, 0,5 % СаО 0,3 % РВ, 1,0 % СаО
Температура 70 °С
Распад РВ, % 47,6 67,5 76,3 81,3 70,1 82,0 88,0 91,1
Распад РВ, г 0,75 1,06 1,20 1,28 1,12 1,29 1,39 1,43
Б, ед./100 СВ 1,42 2,71 3,37 3,59 2,04 2,94 3,30 3,46
Удельная Б, ед./г РВ 1,89 2,56 2,81 2,80 1,82 2,28 2,37 2,42
Температура 90 °С
Распад РВ, % 60,3 68,0 71,0 73,4 72,0 74,7 75,1 75,5
Распад РВ, г 0,95 1,07 1,12 1,16 1,13 1,17 1,18 1,19
Б, ед./100 СВ 6,55 7,02 7,14 7,22 7,29 8,39 8,51 8,61
Удельная Б, ед./ г РВ 6,89 6,56 6,38 6,22 6,45 7,17 7,21 7,24
ционной среды быстрее достигается максимум оптической плотности продуктов распада редуцирующих веществ, после чего с течением времени наблюдается ее снижение [1]. В условиях наших опытов (90 0С, pH 12,4) происходит быстрое разложение редуцирующих веществ, и параллельно протекают реакции полимеризации образовавшихся первичных реакционноспособных продуктов с укрупнением молекул красящих веществ и некоторым изменением их свойств, однако состояние их коагуляции еще не достигается.
Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод о предпочтительном термохимическом разложении редуцирующих веществ, содержащихся в значительном количестве в исходном диффузионном соке, при невысокой температуре основной дефекации (не выше 70 0С) - за 20 мин процесса достигается высокая степень их распада (более 95 %) с низкой оптической плотностью образующихся вторичных продуктов - красящих веществ [7].
Выполнены исследования щелочного распада РВ в более мягких условиях основной дефекации, характеризующих теплый режим известковой обработки при 50 и 60 0С (таблицы 4, 5).
Таблица 4
Показатели разложения РВ при пониженной температуре известковой обработки
Время, мин Разложение РВ (0,5 %), ввод 1,0 % СаО при температуре, °С
50 60
остаток РВ, % Б,ед. /100 СВ остаток РВ, % Б,ед. /100 СВ
5 76,5 0,45 52,6 1,26
10 62,0 0,81 33,0 2,08
15 50,1 1,14 24,1 2,76
20 39,2 1,43 18,1 3,30
25 32,4 1,74 14,8 3,68
30 27,6 1,98 13,6 3,86
Нагревание рабочего раствора до 85 °С в течение 9 мин
9 4,9 4,70 5,0 5,47
Таблица 5
Изменение удельной оптической плотности растворов при различных условиях разложения (0,5 % РВ, 1,0 % СаО)
Показатели Продолжительность известковой обработки (мин) при температуре, °С Нагревание до 85 °С
10 20 30 10 20 30 от
50 60 50 °С 60 °С
Распад РВ, г 1,00 1,60 1,90 1,76 2,15 2,27 2,23 2,43
Б, ед./ 100 СВ 0,81 1,43 1,98 2,08 3,30 3,86 4,70 5,47
Удельная Б, ед. /г РВ 0,81 0,89 1,04 1,18 1,53 1,70 2,11 2,25
На начальной стадии основной дефекации за первые 5 мин разложения РВ удельная оптическая плотность при 90 0С в 3,6 раза выше, чем при 70 °С (расход СаО 0,5 %). При увеличении ввода гидроксида кальция в 2 раза при 70 0С наблюдается снижение удельной оптической плотности рабочих растворов, что можно объяснить наличием в реакционной среде частиц нерастворившегося гидроксида кальция с достаточно высокой поверхностной активностью [6]. При 90 0С увеличение ввода гидроксида кальция несколько повышает удельную оптическую плотность за счет высокой скорости появления в реакционной среде продуктов щелочного распада редуцирующих веществ, которые адсорбируются частицами карбоната кальция в процессе последующей карбонизации оксида кальция недостаточно полно. В отличие от работы [6], в которой исследования проводились в водных растворах (pH 11,8), в наших опытах в рабочих растворах присутствовала сахароза (12 %), что уменьшало вероятность присутствия нерастворившихся частиц гидроксида кальция и увеличивало активную щелочность среды (pH 12,4). По данным А.Р. Сапронова с повышением pH реак-
Из приведенных в таблицах 4, 5 данных видно заметное снижение оптической плотности рабочих растворов после разложения РВ в условиях теплой длительной дефекации и медленным их нагреванием до оптимальной температуры карбонизации (85 °С).
Величины удельной оптической плотности рабочих растворов после их нагревания до 85 0С при одинаковых степенях распада РВ (около 95 %) составили 2,11 и 2,25 ед./г разложившихся несахаров, что в 3,0-3,5 раза ниже, чем при 90 0С (таблица 3).
Таким образом, с точки зрения минимального образования красящих веществ - продуктов щелочно-термического разложения редуцирующих веществ, и создания благоприятных условий их адсорбционного удаления частицами карбоната кальция на последующей ступени очистки - карбонизации, целесообразно вначале проводить комбинированную основную дефекацию диффузионного сока с длительной (до 30 мин) первой теплой ступенью и последующим медленным (в течение 7-9 мин) нагреванием очищаемого сока до 82-85 0С.
ЛИТЕРАТУРА
1 Сапронов, А.Р. Технология сахара [Текст] / А.Р. Сапронов, Л.А. Сапронова, С.В. Ермолаев. - СПб.: ИД «Профессия», 2013. - 296 с.
2 Голыбин, В.А. Эффективность завер-
шающей стадии очистки диффузионного сока [Текст] / В.А. Голыбин, В.А. Федорук,
Ю.И. Зелепукин, А. А. Ткачев // Сахар. - 2012. -№ 9. - С. 30-33.
3 Чернявская, Л.И. На пороге ВТО: качество сырья и продукции сахарного производства стран СНГ [Текст] / Л.И. Чернявская // Сахар. - 2006. - № 6. - С. 9-14.
4 МакДжинис, Р.А. Свеклосахарная технология [Текст] / Р.А. МакДжинис. - 2002. - 224 с.
5 Голыбин, В.А. Анализ факторов эффективности прогрессивной преддефекации [Текст] / В.А. Голыбин, В.А. Федорук, Н.А. Воронкова // Сахар. - 2013. - № 6. - С. 74-80.
6 Бугаенко, И.Ф. Адсорбция красящих веществ частицами гидроокисей [Текст] / И.Ф. Бугаенко, С. Г. Махмуд // Известия вузов. Пищевая технология. - 1980. - № 6. - С. 58 - 60.
7 Голыбин, В.А. Повышение эффективности использования гидроксида кальция для очистки диффузионного сока [Текст] / В.А. Голыбин, В.А. Федорук, А.А. Ткачев // Вестник ВГУИТ. - 2012. - № 2. - С. 144 - 148.
REFERENCES
1 Sapronov, A.R. Technology of sugar [Text] / A.R. Sapronov, L.A. Sapronova, S.V. Yermolaev. -StP: PH «Professiya», 2013. - 296 p .
2 Golybin, V.A. The effectiveness of the final stages of juice purification [Text] / V.A. Golybin, V.A. Fedoruk, Y.I. Zelepukin, A.A. Tkachev // Sugar. - 2012. - № 9. - P. 30-33.
3 Chernjavskaja, L.I. On the eve of the WTO: the quality of raw materials and products of sugar production of the CIS [Text] / L.I. Chernyavskaya// Sugar. - 2006. - № 6. - P. 9-14.
4 McGinis, R.A. Beet-Sugar Technology [Text ] / R.A. McGinis. - 2002. - 224 p.
5 Golybin, V. A. Analysis of the factors of efficiency progressive preliming [Text] / V.A. Golybin, V.A. Fedoruk, N.A. Voronkov // Sugar. - 2013. - № 6. - P. 74-80.
6 Bugaenko, I.F. Adsorption of dyes hydroxide particles [Text] / I.F. Bugaenko, S.G. Mahmood // Proceedings of the universities. Food technology. - 1980. - № 6. - P. 58 - 60.
7 Golybin, V.A. More efficient use of calcium hydroxide to extract purification [Text] / V.A. Golybin, V.A. Fedoruk, A.A. Tkachev // Bulletin of VSUET. - 2012. - № 2. - P. 144 - 148.
