CC BY
48САХАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 664.1.055, 517.977.5
инжиниринговая компания
mm
Уравнение для расчёта растворимости сахарозы в водно-этанольных смесях
Д.В. АРАПОВ, канд. техн. наук
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» С.М. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, проф. Инжиниринговая компания «НТ-Пром»
В растворах сахароза не вступает в химическое взаимодействие с водой, а растворение сопровождается гидратацией её молекул, в процессе которой между гидрофильными и гидроксильными группами молекул сахарозы и воды возникают более прочные водородные связи, чем между молекулами чистой воды [3, 5, 6]. В противоположность гидратации дегидратация молекул сахарозы является главным условием появления и развития твёрдой фазы [1—4]. В многокомпонентных сахарозных растворах между молекулами различных веществ устанавливается разная по прочности водородная связь. Установлено [7, 8], что наиболее прочная водородная связь возникает между молекулами этанола и воды, затем между молекулами сахарозы и воды, а связи между одноимёнными молекулами этанола, воды и сахарозы являются более слабыми. Самая слабая водородная связь возникает между молекулами этанола и сахарозы, что подтверждает факт нерастворимости сахарозы в чистом этиловом спирте.
Проведённый анализ прочности водородных связей в водно-этанольно-сахарозных растворах свидетельствует о том, что этанол может быть использован для дегидратации молекул сахарозы в качестве высаливающего реагента в сахарном производстве или в качестве очищающего агента кристаллов сахара-песка [8]. В связи с этим исследование влияния этанола на растворимость сахарозы в промышленных растворах является актуальным.
Изучением растворимости сахарозы в водно-эта-нольных смесях занимались многие известные учёные: при 14 оС Шрефельд [6], при 25 оС Вавринец [4] и Chen [12], при 30—70 оС наиболее полное исследование провёл Карасон с соавторами [10]. Однако они не смогли предложить математическое описание этого процесса. На основе указанных экспериментальных данных (всего было использовано 62 опыта)
нами впервые получена обобщенная математическая зависимость растворимости сахарозы от массового содержания этанола в водно-этанольных смесях, которая имеет следующий вид:
НСП = Н0 х ехр(—а1 х дГ2) + SP х (а2 х дГ+
+ а3 х дТ2 + а4 х дГ3 + а5 х дГ4) +
+SP2 х (а6 х дТ + а7 х дГ5 + а8 х дГ3 + а9 х дГ4);
Н0 = 64,447 + 0,8222Е-1 х t + 0,16169Е --2 х t2 - 0,1558Е- 5 х t3 - 0,463Е- 7 х t4,
где Н0 - растворимость сахарозы в воде, г/100 г раствора по данным ICUMSA «Технические условия и стандарт SPS2 (1998). Растворимость сахарозы в воде - официальные»; t - температура раствора, оС; дГ - функция абсолютной температуры, дГ = 0,01 х ^ + 273,15), К; SP = 0,1 х Ссп;
ССП - содержание этанола в водно-этанольной смеси, массовая доля, %;
Е - основание 10 системы счисления в экспоненциальной форме представления констант.
Средняя относительная погрешность модели составляет ±2,8%, диапазон изменения параметров
0 оС < t< 78 оС; 0% < ССП < 70%.
Значения регрессионных коэффициентов равны:
а1 = 3,8677192; а2 = 34,0668108; а3 = 2,67393396; а4 = 8,01233293; а5 = 1,66364423; а6 = 15,86315563;
456
а7 = 8,80310277; а8 = 1,01808107; а9 = 5,71184542Е -2.
На рисунке показана поверхность 3D-графика растворимости сахарозы, рассчитанная по модели.
од щелково у1у агрохим www.betaren.ru
семена гибридов сахарной свеклы российского производства
Высокий доход от каждого семени
САХАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ -
САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
В таблице приведены расчётные значения растворимости сахарозы в водно-этанольных смесях.
Полученные результаты, представленные в таблице, и математическая модель могут быть использованы в различных практических приложениях. Например, при изучении микроскопическим методом гранулометрического состава кристаллов сахара при текущем контроле процесса уваривания утфеля в вакуум-аппарате. Для этого пробы утфеля отбирают из вакуум-аппарата, отделяют центрифугированием межкристальный раствор, а оставшиеся кристаллы промывают раствором, представляющим собой смесь глицерина с этиловым спиртом в соотношении 1:1, насыщенным сахарозой. Эта смесь разрушает конгломераты и смывает плёнку межкристального раствора с поверхности кристаллов, позволяя осуществлять необходимую пробоподготовку для лучшего раздельного наблюдения микроскопированием кристаллов и оценки их габитуса [11]. Аналогичный способ определения гранулометрического состава по среднему размеру кристаллов и коэффициенту неоднородности тростникового сахара-сырца после промывания раствором этанола предложил А.Г. Кривовоз.
Таблица. Расчётная растворимость сахарозы в водно-этанольных смесях в зависимости от температуры и содержания этанола
Температура, оС Растворимость сахарозы, г/100 г раствора
Содержание этанола, массовая доля, %
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
0 64,48 62,88 60,49 57,30 53,30 48,50 42,90 36,50 29,30 21,30 12,50 2,90
3 63,97 62,27 59,83 56,66 52,77 48,14 42,78 36,69 29,87 22,33 14,05 5,04
6 63,51 61,69 59,21 56,06 52,26 47,79 42,66 36,87 30,42 23,31 15,53 7,10
9 63,08 61,15 58,62 55,49 51,77 47,46 42,55 37,04 30,94 24,25 16,96 9,07
12 62,70 60,65 58,07 54,96 51,32 47,15 42,44 37,21 31,44 25,15 18,32 10,97
15 62,36 60,20 57,57 54,46 50,89 46,86 42,35 37,37 31,92 26,01 19,63 12,77
18 62,07 59,79 57,10 54,01 50,50 46,59 42,26 37,53 32,38 26,83 20,87 14,50
21 61,82 59,43 56,69 53,59 50,15 46,35 42,19 37,68 32,82 27,61 22,05 16,13
24 61,62 59,12 56,32 53,22 49,83 46,13 42,14 37,84 33,25 28,35 23,16 17,67
27 61,46 58,86 56,00 52,90 49,55 45,95 42,10 38,00 33,65 29,06 24,22 19,12
30 61,36 58,65 55,74 52,63 49,31 45,80 42,08 38,16 34,04 29,73 25,21 20,49
33 61,31 58,50 55,53 52,40 49,12 45,68 42,08 38,33 34,42 30,36 26,13 21,76
36 61,31 58,40 55,37 52,23 48,97 45,60 42,11 38,50 34,78 30,95 27,00 22,93
39 61,37 58,36 55,28 52,12 48,88 45,56 42,16 38,69 35,14 31,51 27,80 24,02
42 61,48 58,38 55,24 52,06 48,83 45,56 42,24 38,88 35,48 32,03 28,54 25,00
45 61,64 58,46 55,27 52,06 48,84 45,60 42,35 39,09 35,81 32,52 29,21 25,90
48 61,86 58,60 55,36 52,13 48,91 45,70 42,50 39,31 36,14 32,98 29,83 26,69
51 62,14 58,81 55,52 52,26 49,03 45,84 42,68 39,55 36,46 33,40 30,38 27,39
54 62,48 59,08 55,74 52,45 49,22 46,03 42,89 39,81 36,78 33,80 30,87 28,00
57 62,87 59,42 56,04 52,72 49,46 46,27 43,15 40,09 37,09 34,17 31,30 28,50
60 63,33 59,83 56,41 53,06 49,78 46,58 43,45 40,39 37,41 34,50 31,67 28,91
63 63,85 60,31 56,85 53,47 50,16 46,94 43,79 40,72 37,73 34,81 31,98 29,22
66 64,42 60,86 57,37 53,95 50,62 47,36 44,18 41,07 38,05 35,10 32,23 29,44
69 65,06 61,48 57,96 54,52 51,15 47,85 44,62 41,46 38,38 35,36 32,42 29,56
72 65,77 62,17 58,64 55,16 51,75 48,40 45,11 41,88 38,71 35,60 32,56 29,58
75 66,53 62,94 59,39 55,89 52,43 49,02 45,65 42,33 39,05 35,82 32,64 29,50
№ 1. 2017 САХАР 35
Растворимость сахарозы, - дд массовая доля, %
- 80
- 70
Рис. Зависимость растворимости сахарозы от содержания этанола и температуры смеси
САХАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Полученная математическая модель позволяет установить значения температуры и содержания спирта, при которых водно-этанольные сахарные растворы становятся пересыщенными, что сопряжено с возможностью их использования для выделения твёрдой фазы [4]. Модель может быть использована также для расчёта состава спиртсодержащего раствора, применяемого для промывки кристаллов, которая позволит довести показатели товарного сахара-песка до характеристик сахара-рафинада, а некондиционного сахара — до значений стандартных показателей, при этом микробиологические показатели также доводятся до нормативных значений.
В работе [9] предложено осуществлять промывку 85-86%-ным раствором этилового спирта кристаллической фазы на стадии центрифугирования утфе-ля I после отделения первого оттёка, мотивируя это снижением рециклинга сахара в производстве и увеличением выхода белого сахара на 15—20% от массы кристаллов в утфеле.
Таким образом, на основе известных экспериментальных данных разработана математическая модель растворимости сахарозы в водно-этанольных смесях, которая может быть использована в указанных практических приложениях.
Список литературы
1. Арапов, Д.В. Вероятностная модель кинетики растворимости и кристаллизации сахарозы в поликомпонентных растворах / Д.В. Арапов, В.А. Курицын // Итоги науки. Вып. 19. Гл. 6. Избр. тр. Междунар. симпозиума по фундаментальным и прикладным проблемам науки. - М. : РАН, 2015. - С. 116 - 140.
2. Арапов, Д.В. Математическая модель кинетики растворимости кристаллов сахарозы в промышленных растворах / Д.В. Арапов, В.А. Курицын, Р.Г. Со-ляник // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-28: Сб. трудов XXVIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 6; под общ. ред. А.А. Большакова. - Саратов : Саратовск. гос. техн. ун-т, 2015. -С.116 - 118.
3. Арапов, Д.В. Моделирование физико-химических свойств сахарных растворов / Д.В. Арапов, В.А. Курицын // Итоги науки: в 5 т. Т. 3. Гл. 4. - Избр. тр. Междунар. симпозиума по фундаментальным и прикладным проблемам науки. - М. : РАН, 2013. -С. 47 - 65.
4. Бобровник, Л.Д. Физико-химические основы очистки в сахарном производстве. - К. : Вища школа, 1994. - 255 с.
5. Перелыгин, В.М. Термодинамические свойства водно-сахарно-солевых систем / В.М. Перелыгин,
Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2003. — № 2. — С. 17 — 20.
6. Петров, С.М. Уравнения для расчёта на ЭВМ физико-химических свойств водных растворов сахарозы / С.М. Петров, Д.В. Арапов, В.А. Курицын // Сахар.
- 2014. - № 4. - С. 44 - 53.
7. Принципы технологии сахара / под ред. П. Хони-га. - М. : Пищепромиздат, 1961. - 616 с.
8. Угарова, Н.Н. Исследование ассоциации в водно-спиртовых растворах. III. Изучение ассоциации в водных растворах трет-бутилового спирта методом ядерного магнитного резонанса / Н.Н. Угарова, Л. Радич, И. Немеш // Журнал физической химии. -1967. - Т. 41. - № 7. - С. 1560 - 1564.
9. Эргашева, Е.Н. Совершенствование технологии кристаллического сахара повышенной чистоты, сохраняемости и функциональности: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.18.05 / Е.Н. Эргашева. - М., 2008.
- 24 с.
10. Carrazana, L. Formacion de núcleos para cristalizar en la industia azucarew/ L. Carrazana [and oth.]// Centro Azúcar. - 1977. - № 3. - P. 87 - 89.
11. Carrazana, L. Determinacion de la composicion granulometrica en azúcar у productos intermedios utilizando el microscopio / L. Carrazana, A. Koziavkin. -Revista Cuba Azucar, 1985, jul. - sept. - Р. 3 - 8.
12. Chen, J.C.P. Cane Sugar Handbook /J.C.P. Chen, C.C. Chou. - 12th Ed.- N.Y. : John Wiley & Sons,1993.
- P. 994.
Аннотация. Впервые получена математическая зависимость растворимости сахарозы от массового содержания этанола в водно-этанольных смесях. Разработанная модель может быть использована для расчёта количества и состава водно-этанольной смеси при промывке кристаллов в ходе центрифугированияутфеля I и в специальных методах определения гранулометрического состава кристаллической фазы утфелей и сахара-сырца. Ключевые слова: растворимость сахарозы, водно-этанольная смесь, гранулометрический состав, утфель, центрифугирование.
Summary. For the first time the mathematical dependence of the solubility of sucrose by weight content of ethanol in water-ethanol mixtures. The model developed may be used in calculating the amount and composition of the water-ethanol mixture by washing the crystals during centrifuging ut I folio and special methods for determining particle size distribution of the crystalline phase massecuite and raw sugar. Keywords: sucrose solubility, water-ethanol mixture, particle size distribution, massecuite centrifugation.
од щелково
агрохим
www.betaren.ru
семена гибридов сахарной свеклы российского производства
Высокии доход от каждого семени
