Воздействие поверхностно-активных веществ на рост осциллирующих кристаллов сахара Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

664.126.4.054:661.185.004.14

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА РОСТ ОСЦИЛЛИРУЮЩИХ КРИСТАЛЛОВ САХАРА

Н.М. ПОДГОРНОВА, С.М. ПЕТРОВ,

В.М. ПЕРЕЛЫГИН, А.В. ГОРБУЛИЧЕВ

Воронежская государственная технологическая академия

Изучение воздействия низкочастотных гармонических колебаний на кристаллическую фазу в осциллирующих дисперсных системах сахарозы позволило оценить их более чем двукратное интенсифицирующее влияние на скорость роста кристаллов [1-4].

Хорошо известно также, что применение различных неионогенных поверхностно-активных веществ ПАВ для интенсификации процесса кристаллизации сахара сокращает длительность уваривания утфелей I и III на 10-30%, улучшает гранулометрический состав белого сахара, увеличивает текучесть утфелей [5-7].

Наиболее перспективным как с точки зрения снижения энергозатрат на перемешивание утфе-ля, так и повышения скорости кристаллизации сахарозы следует предположить совместное влияние вибрационных колебаний и добавок ПАВ. Подобные исследования на кристаллизующихся дисперсных системах сахарозы практически не проводились.

Цель работы — оценка эффективности совместного действия ПАВ и гармонической низкочастотной вынуждающей силы на скорость роста кристаллов сахара в чистых растворах при низких температурах.

Использовали кинетический подход к изучению эффективности действия неионогенных ПАВ при росте кристаллов сахара в динамических условиях осциллирующих суспензий. При этом одной из решаемых задач исследования являлась косвенная оценка прочности адсорбционного слоя ПАВ на кристаллах, так как в ходе вибрационных воздействий на гидродинамический пограничный слой возможен отрыв молекул ПАВ от поверхности кристаллов, зафиксированных в результате физической адсорбции. Кроме того, поверхность кристаллов сахара с точки зрения физико-химической и энергетической неоднородности характеризуется различной адсорбционной способностью. Это может привести к отрыву молекул ПАВ в осциллирующих суспензиях от тех участков граней кристаллов, на которых энергия связи минимальна.

Механизм и эффективность действия добавок ПАВ на процесс кристаллизации сахарозы изучены не полностью, в частности, мало сведений о влиянии на скорость роста кристаллов. Эти вопросы также целесообразнее выявлять на фоне вибрационных воздействий.

Кинетику кристаллизации сахарозы исследовали согласно методике [1]. При этом изучалось дополнительно влияние двух неионогенных ПАВ:

ацетилированного моноглицерида стеариновой кислоты 50%-й степени ацетилирования ЛМГС-50 и фосфолипидов подсолнечного масла ФПМ на рост кристаллов сахара в осциллирующих суспензиях при температуре 30~50°С.

В отличие от известных работ [2—4] исследования скорости кристаллизации сахарозы проведены с учетом влияния среднего линейного размера кристаллов йк и порозности е осциллирующих суспензий, а интенсивность вибрационных воздействий на кристаллы оценивалась значением локально-колебательного критерия Рейнольдса 1?елк по параметрам колебаний кассеты для определяющего размера кристалла с1к.

Анализ экспериментальных данных показал, что целесообразнее рассматривать зависимость скорости кристаллизации не от удельной мощности вибрации вообще, передаваемой дисперсной системе виброперемешивающим устройством [2, 3], а от локально-колебательного критерия Рейнольдса, характеризующего локальную гидродинамику отдельных кристаллов. Так, например, при температуре 40°С, коэффициенте пересыщения 1,03 и достижении 1?елк = 1,3 - 1,5 возможно установление постоянных значений скорости кристаллизации, что свидетельствует об эффективном уменьшении гидродинамического пограничного слоя и выходе в область превалирующего влияния кристаллохимической реакции на процесс. В этой области наиболее целесообразно осуществлять исследование различных факторов, влияющих на кинетический механизм кристаллизации сахарозы, и в частности действие ПАВ.

Учитывая некоторую вариабельность параметров пересыщения и температуры раствора в опытах, для описания скорости кристаллизации были использованы пятипараметрические регрессионные зависимости в виде моделей типа

К

где а' = а-1-

•*ПАВ

/ (Кеяк, а, ?, СПАВ), (1)

избыточное пересыщение раствора (а — коэффициент пересыщения раствора);

температура раствора, °С; величина добавки ПАВ, % к массе раствора.

По отношению общей дисперсии Б ,щ выборки 60-80 экспериментальных значений Кэ к диспер-сии 50СТ остатков (/С, - К) определяли'расчетный критерий Фишера Гр = У,щ / 50СТ, который сопоставляли с табличным 10%-м квантилем распределения Фишера Р0). При ?р>>Р01 модель оценивалась как эффективная. Для лучшего сопоставления информативности независимых переменных модели скорости роста кристаллов использовался прием масштабирования их натуральных числовых значений к одному порядку величин.

о г кассе

ПОМе! разме соста щенн ный \ щен^ ты га а амг

НОСТ1

Поел

ри

10!

рост;

СЧИТ1

На

крис

НИИ

щих - 1; полу

к

где J

П(

общ; х К табл: сти 1

А:

скор

щен:

ван

П]

ли: с х К табл сти і -

щем:

В

скор мент фию уело £ = I

н!

пове гарм ции енте став, и в і

1999

4.14

ШОИ

С-50 [ на пен-

юва-

ены

мера

ЩИХ

дей-

ло-

лк

(1ЯЮ-

, что ;оро-ости сис-3], а ьдса, / от-iepa-)3 и №ле-шза-лень-оя и кри-этой Ь ис-к на (аро-

мет-

опы-

Зыли

:ион-

(1)

гвора

ения

tacce

орки

спер-

тный

сопо-

реде-

кива-

ения

^оде-

при-

tOBHX

В проведенной серии опытов в цилиндрическую кассету объемом 11,5 см3 с торцевыми сетками помещались фракции кристаллов массой 4 г и размером dk = 0,6 мм. Размер сечений сетки составлял 0,43 мм. Кассета помещалась в пересыщенный раствор массой 800-1000 г, приготовленный из сахара-песка. Интенсивность виброперемещений кассеты изменялась регулированием частоты гармонических колебаний в интервале 0-50 Гц, а амплитуды колебаний — от 0 до 10 мм. Длительность наращивания кристаллов составляла 1 ч. После виброобработки кристаллы в кассете центрифугировались и высушивались при температуре 105°С до достижения постоянной массы. По приросту массы выкристаллизовавшейся сахарозы рассчитывалась скорость кристаллизации.

Например, для скорости роста вибрирующих кристаллов в пересыщенных растворах при введении АМГС-50 и варьировании величин в следующих границах: Re = 0,524 - 1,391; а = 1,030 -

- 1,073; t = 30,2 -50,8°С; СПАВ = 0 - 0,01% получено квадратичное уравнение

Кр = -9837,18 + 3198,46 + 1250,89 Х2 +

+ 1940,10 Х3 - 188,63 ХА + 93,34 ад, -

- 23,37 Х2Х2 + 105,58 Х3Х3 - 2,82 ад +

+ 156,45 XX ~ 879,09 ВД + 15,82 ВД -

- 298,24 ад + 11,31 Х2Х4 + 36,33 Х3ХА, (2) где X. = LnlORe ; Х2 = 100 (а - 1); X, = 0,1 t;

X = 1000 CjjAB.

По данной модели получены оценки дисперсии: общая S 6щ = 1,293 • 105; остатков Sgct = 1,234 х х 105. Критерии Фишера: расчетный Fp = 10,48; табличный Fqj = 1,32. Коэффициент эффективности модели А^ф = Fp / F0, составил 7,96.

Аналогичным выражением аппроксимирована скорость роста вибрирующих кристаллов в пересыщенных растворах при введении ФПМ и варьировании параметров: Re = 0,484 - 1,367; а - 1,034-

- 1,074; t = 37,3 - 5l,6"C; СПАВ = 0 - 0,01%

Kv = -838,16 + 1503,61 Х[ + 177,06 Х2 -- 598,35 Х3 + 52,87 - 23,55 ад, +

+ 3,86 Х2Х2 + 215,40 Х3Х3 - 1,05 Х4Х4 +

+ 198,69 Х,Х2 - 393,25 Х,Х3 - 17,84 ВД -- 117,38 Х2ХЪ - 2,34 ад + 2,42 Х3Х4, (3)

При этом для уравнения (3) дисперсии составили: общая 8оби1 = 8,059 ■ 104; остатков 50СТ = 6,823х х 103. Критерии Фишера: расчетный Рр = 11,81; табличный Р0, = 1,47. Коэффициент эффективности модели К3ф = Рр / Р0, составил 8,06. Величины Х1 - Х4 промасштабиро'ваны идентично предыдущему случаю.

В дальнейшем при построении зависимостей скорости кристаллизации от Нелк и СПАВ экспериментальные результаты заменены расчетными для фиксированных по пересыщению и температуре условий опытов и порозности вибрирующего слоя £ = 0,78.

Наглядно совместное действие неионогенных поверхностно-активных веществ АМГС-Ъ0. ФПМ и гармонической вибрации на скорость кристаллизации сахарозы из чистых растворов при коэффициенте пересыщения 1,05 и температуре 40°С представлено поверхностями отклика на рис. 1, с, 1,6 и в таблице.

0,005

АМГС, %

б

Рис. 1

В ходе исследований установлено, что при Нелк = 0,5 добавка 0,005% АМГС-50 уже приводит к наибольшему увеличению скорости кристаллизации сахарозы на 34,5% и при возрастании С„АВ до 0,01% К? не растет. При повышении Ие до 1,3 относительный, по сравнению СПАВ = 0%, рост скорости кристаллизации составляет 17,5%, а при добавке СПАВ = 0,01% - 22,8% (рис. 1, а).

Таблица

Условия роста кристал- Скорость кристаллизации сахарозы, мг/(мин-м2), из растворов при коэффициенте пересыщения 1,05 и температуре 40"С

размером Кедк = 0 Rелк = 0,5 Иелк = 1,0 Келк= 1.5

0,6 мм £ = 0,4 е = 0,78

Чистый раствор 246 287 792 1088

Раствор с 0,005% АМГС-50 288 416 1069 1451

Раствор с 0,005% ФПМ 277 370 875 1170

Несколько иначе действуют в растворе фосфо-

липиды. Добавка С личению К„ на 20,2';

'лав = 0.005% приводит к уве-%, а СПАВ = 0,01 % — на 26,8%. При осцилляциях кристаллов с величиной Яелк = = 1,3 скорость кристаллизации мало возрастает в интервале добавок СПАВ = 0-0,01% (рис. 1, б).

Графики на рис. 2, выполненные сечением двух поверхностей рис. 1, а, 1, б при СПАВ = 0,005%, позволяют нагляднее сопоставить эффективность совместного действия АМГС-50, ФПМ и вибрации на скорость кристаллизации сахарозы. Аппрокси-

R$m

Рис. 2

мация зависимостей в плоскостях сечении осуществлена логарифмическими линиями тренда в растворе с добавкой 0,005% ФПМ (кривая 2):

К = 727,99 Ьп (1?елк) + 874,85 Я2 = 0,9997; (4) в растворе с добавкой 0,005% АМГС-50 (кривая

3):

К = 942,13 1л1 (Не„) + 1068,5 Я2 = 0,9995; (5) где Я2 — величина достоверности аппроксимации.

Для сравнения, скорость кристаллизации сахарозы из чистого раствора на осциллирующих кристаллах может быть выражена (кривая 1)

К = 729,44 Ьп (Иелк) + 792,34 Я2 = 0,9915. (6) Графическая интерпретация по формулам (4-6) показывает (рис. 2), что наблюдается параллельное расположение кривой 2 относительно кривой 1 и почти параллельное — кривой 3, что свидетельствует о практически неизменном действии ПАВ на подвижных поверхностях кристаллов. Объяснением этому может являться то, что действие ПАВ осуществляется на мономолекулярном уровне адсорбционного слоя поверхности кристаллов, а относительные осцилляции кристаллов в растворе проявляются в уменьшении толщины гидродинамического слоя. Различие порядков этих величин

весьма существенно. На этом основании можно сделать вывод о конгруэнтности влияния ПАВ и вибрации на процесс кристаллизации сахарозы. Сравнительные оценки скорости кристаллизации по логарифмическим зависимостям для осциллирующих кристаллов, а также в неподвижном слое приведены в таблице и подтверждают вывод об отсутствии синергизма действия АМГС-50, ФПМ и вибрации в изученных условиях.

ВЫВОД

Проведенные исследования показывают, что в изученных условиях роста кристаллов сахарозы действие АМГС-bQ, ФПМ и вибрации конгруэнтно, что объясняется различием механизмов действия ПАВ (мономолекулярный адсорбционный слой на поверхности кристаллов) и вибрации (гидродинамический пограничный слой).

ЛИТЕРАТУРА

1. Подгорнова Н.М., Петров С.М., Шестов А.Г. Оценка массовой кристаллизации сахарозы в вибрирующем слое при низких температурах / / Сахарная пром-сть. — 1998.

— № 3. — С. 25-27.

2. Zagrodzki S., Marczynski J. Einflus der Vibration auf die Geschwindigkeit der Saccharosekristaliisation / / Kristall und Technik. — 1973. — Bd. 8, Heft 4. — S. 483-490.

3. Захаров К.П. Влияние механических колебаний на скорость кристаллизации сахарозы. — Тр. КрНИИПП. — 1967.

— Т. IV. — С. 50-52.

4. Григоров С.В., Тужилкин В.И., Говорунов Н.В. Кри-

сталлизация охлаждением утфеля III при воздействии прерываемых колебаний промышленной частоты // Пищевая пром-сть, Серия 3, Сахарная и крахмало-паточная пром-сть. — М.: ЦНИИТЭИпищепром. — 1986. —

С. 13-16.

5. Ропотенко Я.Г. Применение поверхностно-активных веществ для интенсификации процесса кристаллизации сахара: Обзор. — М.: ЦНИИТЭИпищепром. — 1973. — 23 с.

6. кристаллизация утфелей с добавками поверхностно-активных веществ / Я.Г. Ропотенко, З.И. Береговая, Л.В. Еременко и др. // Сахарная пром-сть. — 1975. — № 5.

— С. 9-12.

7. Кинетика кристаллизации утфелей при добавлении поверхностно-активных веществ / Я.Г. Ропотенко, Ю.Д. Кот, З.И. Береговая и др. // Реф. сб. ’’Сахарная пром-сть”. — 1975. — Вып. 12. — С. 1-4 (ЦНИИТЭИпищепром).

Кафедра процессов и аппаратов химических и пищевых производств Кафедра технологии сахаристых веществ Кафедра физической и коллоидной химии

Поступила 19.01.99

663.45:663.12

ПРОЦЕСС СБРАЖИВАНИЯ ОСВЕТЛЕННОГО ЗЕРНОВОГО СУСЛА НА ЭТАНОЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДРОЖЖЕЙ

С.В. ВОСТРИКОВ, О.Ю. МАЛЬЦЕВА,

Е.В. КОНЧАКОВА, Е.В. ФЕДОРОВА

Воронежская государственная технологическая академия

В условиях рыночной экономики ввиду необходимости снижения себестоимости выпускаемой продукции перед спиртовой промышленностью стоят задачи по разработке и внедрению новых ресурсосберегающих технологий, позволяющих сократить потери, максимально использовать отходы производства. Одной из таких технологий являет-

ся применение частичной или полной рециркуляции дрожжей.

Нами исследована динамика выделения углекислого газа, накопление биомассы дрожжей, этилового спирта и примесей (ацетальдегида, этила-цетата, пропилового, изобутилового и изоамилово-го спиртов) при применении рециркулируемых дрожжей для сбраживания осветленного зернового сусла.

Использовали осветленное осахаренное зерновое сусло с массовой долей сухих веществ СВ 16%,

pH 5, cerevis

СООТВЄ'

которь: лучаел предьц мертвь ских мой t деляли 301 с pH 3,5' 30 ч.

Ско; маном ток по, рацию хромат дарта активі

На

НИЯ у] ного ции д; На пе{ скорос ч бро> тенсш что ос утили, рость опыте троль) вьіделі куляц] см3С0 Ми: ли для ет о сі Дик

НИИ 0<

рецирі на на Щ классу дится броже проце< клетоь резкое