CC BY
36
ВестникВГУИТ, № 3, 2012!
УДК 664.1.039
Профессор В.А. Голыбин, доцент В.А. Федорук, аспирант М.А. Копытова
(Воронеж. ун-т инж. технол.) кафедра технологии сахаристых веществ, тел. (473) 255-07-51
Совершенствование известково-углекислотной очистки клеровки сахара-сырца
Определены оптимальные условия карбонизации гидроксида кальция вне очищаемой среды для обеспечения нормативного эффекта адсорбционной очистки и создания хорошо фильтруемых суспензий сатурационных осадков клеровок тростникового сахара-сырца.
Optimum conditions were determined carbonization of calcium hydroxide outside of the environment, to ensure a normative effect of adsorption purification and create a well of filtered suspension carbonizations precipitation melt liduor sugar-cane.
Ключевые слова: декстран, клеровка тростникового сахара-сырца, известково-углекислотная очистка.
В поступающем в Россию тростниковом сахаре-сырце не исключается присутствие полисахарида декстрана - продукта жизнедеятельности микроорганизмов группы молочнокислых бактерий Leuconostoc mesenteroides. Даже малые его концентрации вызывают значительные затруднения в процессах переработки сахара-сырца - при фильтровании клеровок, при уваривании утфелей и их центрифугировании [1-3]. Проблемы фильтрования клеровок сахара-сырца, содержащего декстран, объясняются изменением структуры частиц карбоната кальция, образующихся в процессе карбонизации известкованных сахарных растворов [4]. На отечественных сахарных заводах основным реагентом физико-химической очистки нечистых сахарных растворов является гидроксид кальция, поэтому представляют интерес исследования по повышению эффективности его применения для очистки клеровок сырцово-сахарного производства.
Для исследования был использован сахар-сырец высокого качества: величина прямой поляризации - 99,05 %, цветность - 9,8 усл. ед., содержание солей кальция - 0,033 %, редуцирующих веществ - 0,23 %, присутствия крахмала не было обнаружено.
Определение в сахаре-сырце содержания сахарозы методом инверсионной поляризации показало меньшую величину в сравнении с прямой поляризацией, что позволило сделать
© Голыбин В.А., Федорук В.А., Копытова М.А., 2012
заключение о наличии в сахаре-сырце полисахарида декстрана, имеющего высокое значение удельной вращательной способности +(203-233) [5]. С использованием методов осаждения декстрана из водных растворов избытком этилового спирта с последующим кислотным гидролизом осадка и вискозиметрии определено содержание полисахарида в сахаре-сырце, которое составило 0,13 % на 100 СВ.
Пробу сахара-сырца растворяли в дистиллированной воде до СВ 55 % и подвергали в лабораторных условиях известково-углекислотной очистке традиционными методами (табл. 1).
Раздельные дефекация и сатурация (табл. 1) показали низкие эффекты обесцвечивания и скорости фильтрования. Величины скорости фильтрования в 3-4 раза ниже нормативных, причем они выдерживались в течение малого промежутка времени 3-5 мин, после чего фильтрование прекращалось. То есть традиционные методы очистки клеровки сахара-сырца, содержащего декстран, не позволяют получить удовлетворительного фильтрования.
Ранее показано, что при наличии декс-трана в производственных растворах ухудшались фильтрационные показатели, а размер частиц карбоната кальция уменьшился до 1 -3 вместо 5-7 мкм для сока нормального качества [6]. В работе [4] обнаружено снижение ^-потенциала карбоната кальция в присутствии декстрана, что подтверждает его влияние на дисперсность частиц осадка.
ВестникВГУИТ, № 3, 2012
Т а б л и ц а 1
Влияние способа очистки на показатели клеровки сахара-сырца
Показатели клеровки Способ очистки клеровки
Раздельные дефекация и сатурация с вводом СаО, % Обработка активным углем
2,0 4,0
Эффект обесцвечивания клеровки, % 39,2 70,0 45,4
Скорость фильтрования, дм3/(м2 -мин) 0,80 1,20 4,90
Это явление можно объяснить действием водородных связей полисахарида и способностью образовывать ассоциаты как с собственными молекулами, так и с другими компонентами системы. Ранее установлено образование комплексных соединений за счет водородных связей между гидроксильными группами молекул полисахарида и активными центрами молекул белка [7].
Приведенные факты свидетельствуют о существенном влиянии макромолекул декс-трана на образование и формирование кристаллической фазы в производственных растворах (процессы карбонизации и кристаллизации сахарозы), что отражается на эффективности фильтрования клеровок и центрифугирования утфелей [8].
Вследствие наличия водородных связей и обусловленного этим взаимодействия молекул полисахарида с частицами гидроксида кальция предлагалось исключить образование комплексных соединений путем проведения одновременной дефекосатурации или осуществления преддефекации только возвратом нефильтрованного сока I сатурации, не содержащего избытка оксида кальция [4].
В лабораторных условиях проведены опыты по очистке клеровки сахара-сырца способом одновременной дефекосатурации при 80 оС, расход СаО 1 % к массе клеровки (1,85 % к массе сырца), продолжительность 9 мин, величина рШо 8,2-8,4, а конечное ее значение 7,8. Фильтрование сатурированной клеровки было неудовлетворительным, скорость выхода первых порций фильтрата составляла около 0,4 дм3/(м2-мин), затем фильтрование прекратилось. При добавлении к клеровке после дефекосатурации кизельгура (1 % к массе раствора) фильтрование не улучшилось. Увеличение расхода СаО в два раза и аналогичная обработка несколько улучшили фильтрование клеровки, но не в эквивалентном соотношении.
Отсутствие положительного эффекта в приведенном способе обработки клеровки можно объяснить следующим. Известно, что в процессе сатурирования в отдельных зонах
обрабатываемого сока наблюдаются значительные отклонения величин щелочности, например, в аппарате I сатурации от 0,24 до 0,04 % СаО. В лабораторных условиях невозможно обеспечить однородность щелочности во всем объеме клеровки, учитывая ее высокую вязкость (3,8 МПа с для СВ 55 % при 80 оС). В зонах с высокой щелочностью клеровки образуются ассоциаты - мелкодисперсные продукты взаимодействия макромолекул декстрана и частиц свободного гидроксида кальция.
Для получения положительного эффекта одновременной дефекосатурации при низких значениях рН необходимо обеспечить однородность концентрационных полей щелочности и исключить зоны с высокими ее величинами. Для этого целесообразно включение в схему внешних и внутренних контуров рециркуляции, раздельные способы обработки клеровки сахара-сырца и оттека утфеля I, усовершенствования, направленные на улучшение распределения сатурационного газа и исключающие в аппаратах застойные зоны [9].
В ранее выполненных исследованиях и производственных испытаниях при вводе частиц карбоната кальция в нечистые сахарные растворы установлено заметное удаление красящих веществ, что является подтверждением остаточной адсорбционной активности суспензий сатурационных соков [10].
С целью получения дополнительных данных по адсорбционной способности карбоната кальция, полученного вне обрабатываемой рабочей среды, применительно к очистке клеровки сахара-сырца с декстраном нами проведены лабораторные исследования. Частицы карбоната кальция получали путем карбонизации суспензии известкового молока с последующей седиментацией и вводом суспензии в клеровку сахара-сырца с СВ 55 %. Оптическая плотность (Б) неочищенной клеровки составляла 0,79 ед. на 100 СВ. Скорость фильтрования определяли на лабораторной установке при избыточном давлении 0,1 МПа и температуре 80 оС.
ВестникВГУИТ, № 3, 202
В первой серии суспензию карбоната кальция получали при 20 оС и рШо 7,7 в течение 10 мин. Суспензию вводили в нагретую до 80 оС пробу клеровки, перемешивали в течение 5 мин, фильтровали. В фильтрате определяли рН2о, СВ, оптическую плотность Б (табл. 2).
Добавление суспензии повысило качество клеровки - Б снизилась почти в 4 раза, при увеличении расхода СаО от 0,5 до 1,0 % фильтрование улучшилось, при дальнейшем его росте наблюдалось некоторое снижение. Ввод в обрабатываемые растворы кизельгура не повлиял на фильтрационные показатели.
Т а б л и ц а 2
Изменение показателей клеровки при обработке карбонатом кальция
Показатели клеровки Расход оксида кальция (СаСОз) на очистку, % к массе кле ювки
0,5 (0,893) 0,5* (0,893) 1,0 (1,786) 1,5 (2,679) 2,0 (3,572)
О, ед./100 СВ 0,407 0,412 0,270 0,244 0,214
Эффект обесцвечивания, % 48,5 47,8 65,8 69,1 72,9
рН20 7,3 7,4 7,4 7,4 7,5
Скорость фильтрования, дм3/(м2-мин) 28,5 27,0 36,0 35,2 32,0
* - в опыте добавляли кизельгур - 0,5 % к массе клеровки.
Установлено незначительное повышение щих веществ в пробах (100 см3) клеровки
эффекта обесцвечивания клеровки при увели- (табл. 3). Их масса в неочищенной клеровке
чении расхода адсорбента от 0,5 до 2,0 %. По 0,123 г. выражению С = D/кl определили доли крася-
Т а б л и ц а 3
Влияние расхода карбоната кальция на степень удаления красящих веществ_
Показатели Расход СаСО3, % к массе клеровки
0,893 1,786 2,679 3,572
Масса красящих веществ после очистки, г 0,061 0,039 0,035 0,030
Удалено красящих веществ, г 0,062 0,084 0,088 0,093
Удельная адсорбция, г красящих веществ/г СаСО3 0,069 0,047 0,033 0,026
При увеличении расхода адсорбента с 0,893 до 3,572 % к массе клеровки удаляется красящих веществ всего в 1,5 раза больше. По приведенным данным рациональным расходом адсорбента для очистки клеровки можно считать 1,786 % СаСОз к ее массе, который обеспечивает высокую эффективность удаления красящих веществ и максимальную скорость фильтрования.
Т а б л и ц а 4
Влияние условий получения карбоната кальция на показатели клеровки_
Показатели клеровки Расход карбоната кальция, % к массе клеровки
1 серия 2 серия
0,893 1,786 1,786* 2,679 3,572 1,786 2,679 3,572
Б, ед./100 СВ 0,423 0,381 0,394 0,386 0,371 0,242 0,226 0,214
Эффект обесцвечивания, % 46,5 51,8 50,1 51,1 53,0 69,6 71,4 72,9
рН20 7,15 7,10 7,10 7,05 7,00 9,95 10,00 10,10
Относительная вязкость, ед. 1,065 1,068 1,070 1,070 1,072 1,048 1,052 1,050
Скорость фильтрования, дм3/(м2-мин) 8,3 6,5 6,1 5,7 5,2 21,4 14,6 14,0
Исследовали влияние условий формирования карбоната кальция, в частности присутствие сахарозы в водной суспензии гидроксида кальция. В 1 -й серии получали карбонат кальция в режиме пересатурирования до рН2о 7,о при 20 оС, во 2-й - сатурировали до рШо 11,2 при 80 оС (табл. 4).
* - контакт клеровки и суспензии увеличен с 5 до 15 мин.
ВестникВГУИТ, № 3, 2011
Из данных табл. 4 видим отличия в эффекте адсорбции - при пересатурировании он заметно ниже, чем при обработке суспензией с высоким значением рН20 (2-я серия). Это объяснимо с позиций механизма адсорбционной очистки. При повышенной величине рН среды достигается большая степень диссоциации карбоксильных групп красящих веществ, что способствует интенсификации ионообменной реакции в адсорбционном процессе. Образование частиц карбоната кальция при наличии избытка Са2+ (рН20 11,0) обеспечивает их положительный заряд, а за счет гетерополярно-сти поверхности адсорбируются и катионы, и анионы. Вследствие увеличения степени удаления несахаров - красящих веществ и агрегатов с участием водородных связей полисахарида, снижается вязкость и улучшается фильтрование. При высоком значении рН20 суспензии скорость фильтрования клеровки в среднем в три раза выше в сравнении с обработкой при рН20 среды 7,00-7,15, причем, как и
Удельная адсорбция во 2-й серии при расходе реагента 1,786 % на 35 % выше в сравнении с результатами 1 -й серии. Величина удельной адсорбции, которая в сравнении со степенью обесцвечивания более полно характеризует эффективность удаления несахаров, также значительно выше при малых расходах реагента.
Присутствие сахарозы в суспензиях гид-роксида кальция перед их карбонизацией при 20 оС приводит к формированию частиц карбоната кальция с пониженной адсорбционной активностью. Карбонизация при высокой температуре позволяет получать достаточно
в предыдущей серии, лучший результат получен при малом расходе адсорбента. Длительность перемешивания клеровки с суспензией карбоната кальция в диапазоне 5-15 мин не влияет на эффективность адсорбционной очистки, поэтому в дальнейших опытах время контакта выдерживалось 5 мин.
Результаты в табл. 4 по скорости фильтрования несколько хуже в сравнении с данными табл. 2, где формирование карбоната кальция проходило при отсутствии в среде сахарозы. Наиболее низкие результаты по фильтрованию получены в условиях образования карбоната кальция при 20 оС. То есть увеличение растворимости оксида кальция в присутствии сахарозы, последующее медленное сатурирование приводит к формированию неоднородных частиц суспензии с преобладанием более крупной фракции, о чем свидетельствуют низкие результаты адсорбционной очистки (серия 1, табл. 4), что подтверждают данные по удельной адсорбции красящих веществ (табл. 5).
высокую эффективность адсорбции; фильтрационные показатели суспензии несколько снижаются в сравнении с ее получением в водной известковой среде.
Таким образом, подтверждены данные о влиянии среды на формирование высоких адсорбционных свойств суспензии карбоната кальция, загрязненного макромолекулами на-тивного декстрана - сатурирование водно-известковых суспензий до рН 11,0 при 80 оС и быстрый ввод частиц карбоната кальция в очищаемый раствор в рациональной дозировке (в интервале 1,00-1,78 % СаСОз к массе клеровки).
Т а б л и ц а 5
Влияние расхода адсорбента на эффективность очистки клеровки
Показатели Расход карбоната кальция, % к массе клеровки
1 серия 2 серия
0,893 1,786 2,679 3,572 1,786 2,679 3,572
Масса красящих веществ в клеровке после очистки, г 0,068 0,062 0,062 0,060 0,040 0,036 0,033
Удалено красящих веществ, г 0,055 0,061 0,061 0,063 0,083 0,087 0,090
Удельная адсорбция, г красящих веществ/г адсорбента 0,062 0,034 0,023 0,018 0,046 0,032 0,025
ВестникВГУИТ, № 3, 2012
ЛИТЕРАТУРА
1. Чопик, О. В. Декстран в сырье и продуктах сахарного производства [Текст] // Пищ. пром-сть. Серия 11. Сахарная пром-сть: Обзор. информ. Вып. 12. - М.: ЦНИИТЭИпищепром. 1982, - 24 с.
2. Тростниковый сахар-сырец: особенности переработки [Текст] / М. И. Егорова, Л. И. Беляева, Л. С. Чугунова // Сахар. -2002. - № 1. - С. 43-44.
3. О качестве сахара-сырца [Текст] / В. А. Голыбин, В. В. Смольянинов, В. В. Наволо-кин, А. Ф. Губенко // Сахарная пром-сть. -1995. -№ 1. - С. 14-16.
4. Влияние полисахаридов на фильтрационную способность соков I и II сатурации [Текст] / Р. Г. Жижина, В. З. Семененко, Н. И. Жаринов [и др]. // Сахарная пром-сть. -1987. -№ 2. - С. 20-22.
5. Бугаенко, И. Ф. Технохимический контроль сахарного производства [Текст]. -М.: Агропромиздат, 1989. - 216 с.
6. Влияние слизистого бактериоза на технологические качества сахарной свеклы и ее переработку [Текст] / Ю. Д. Головняк, В. А. Князев, Л. Г. Белостоцкий [и др]. // Сахарная пром-сть. -1986. -№ 11. - С. 37-42.
7. Преображенская, М. Е. Декстраны и декстраназы [Текст] // Успехи биологической химии. -1975. - Т. 16. - С. 214-235.
8. Козявкин, А. П. Влияние декстрана на растворимость и рост кристаллов сахарозы [Текст] / А. П. Козявкин, Л. Р. Каррасана // Пищ. пром-сть: Респ. межвед. науч. техн. сб, 1987. Вып. 33. - С. 52-54.
9. Распределение концентраций щелочи в объеме сока в типовом аппарате I сатурации [Текст] / И. М. Федоткин, Л. П. Рева, В. А. Шестаковский [и др]. // Сахарная пром-сть. -1972. -№ 9. - С. 29-33.
10. Ро1ак, Б. О adsorpcji па weglanie wap-niowym [Текст]. -Warszawa, Wydawnietwa паи-kowo-techniezne, 1969. - 90 s.
