Разработка способов повышения эффективности свеклоперерабатывающего отделения свеклосахарного завода

На правах рукописи

Игнатьев Алексей Александрович

Разработка способов повышения эффективности свеклоперерабатывающего отделения
свеклосахарного завода

Специальность: 05.18.05 – Технология сахара и сахаристых продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Решетова Раиса Степановна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Петров Сергей Михайлович

кандидат технических наук

Костенко Владимир Георгиевич

Ведущая организация: ГОУВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Защита состоится 19 ноября 2009 года в 1300 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.01 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. 53 ВК.

Автореферат размещен на сайте www.mgupp.ru.

Приглашаем Вас принять участие в заседании Совета или прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах, подписанный и заверенный печатью, по указанному выше адресу на имя профессора М.С. Жигалова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МГУПП.

Автореферат разослан 16 октября 2009 г.

Ученый секретарь совета Д 212.148.01 проф. М.С. Жигалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспеченность России сахаром за счет собственного производства составляет только 30 % и это создает реальную угрозу продовольственной безопасности страны.

Обусловленная этим необходимость увеличения объемов и эффективности производства сахара в РФ требует совершенствования работы не только сокоочистительного и продуктового отделений сахарного завода, но и свеклоперерабатывающего отделения, поскольку именно в нем наблюдаются значительные потери не только свекломассы (3…6% к массе свеклы), но и сахарозы (0,4…0,9 % к массе свеклы).

Главными источниками указанных потерь на отечественных свеклосахарных заводах являются: отсутствие возврата на питание диффузионных установок жомопрессовой воды (ЖПВ); отсутствие эффективной схемы переработки крупных обломков свёклы.

Относительно простые и эффективные решения двух вышеуказанных проблем свеклоперерабатывающего отделения являются актуальными, т.к. позволят значительно повысить эффективность извлечения сахарозы из свеклосырья.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилось повышение эффективности работы свеклоперерабатывающего отделения сахарного завода благодаря разработке ресурсо- и энергосберегающих технологий извлечения сахарозы из обломков корнеплодов свеклы (свекловичного боя и хвостиков) и возврата в производство очищенной и подготовленной жомопрессовой воды, реализованных в рамках единого аппаратурно-технологического комплекса при использовании флотационной обработки получаемых дисперсных сахарсодержащих растворов.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

• выявление возможности использования флотационной обработки для удаления несахаров из сахарсодержащих растворов на примере ЖПВ;
• определение параметров флотационной обработки сахарсодержащих растворов;
• изучение влияния совместной обработки сахарсодержащих растворов флотационным и дефекосатурационным способами на качество ЖПВ и диффузионного сока, определение последовательности этапов такой обработки;
• выбор рационального способа и последовательности механической, физико-химической и химической очистки сахарсодержащих растворов содержащих грубодисперсные и коллоидно-диспергированные частицы (ЖПВ, смесь ЖПВ и мезги обломков свеклы);
• разработка технологической схемы совместной переработки обломков свеклы и подготовки ЖПВ к возврату в производство;
• производственные или лабораторно-производственные испытания разработанной схемы.

Научная новизна работы состоит в развитии существующих теоретических и практических представлений о флотационной очистке низкоконцентрированных сахарсодержащих дисперсных растворов, влиянии параметров флотационной обработки на эффективность удаления высокомолекулярных соединений (ВМС) и веществ коллоидной степени дисперсности (ВКД).

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность совместной флотационной и дефекосатурационной очистки низкоконцентрированных сахарсодержащих дисперсных растворов для улучшения их качественных характеристик.

Новизна технических решений защищена патентом РФ на полезную модель.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработан способ подготовки ЖПВ к возврату в производство, заключающийся в химической обработке воды известковым молоком и последующей физико-химической очистке флотацией.

Предложено и экспериментально обосновано использование комбинированной флотационной и дефекосатурационной очистки смеси ЖПВ и мезги обломков свеклы от несахаров с учетом полученной новой информации о поведении гетерогенной системы «ЖПВ-мезга свекловичных обломков» при флотации.

Впервые исследована и научно обоснована на основе сравнительных испытаний с электрофлотационной обработкой возможность использования компрессионной флотации для очистки сахарсодержащих растворов, содержащих грубодисперсные и коллоидно-диспергированные частицы.

Обоснован способ подготовки жомопрессовой воды к возврату в производство как по отдельной линии, так и в совокупности с очищенным сахарсодержащим раствором, получаемым из мезги свекловичных обломков.

Разработан технологический регламент очистки ЖПВ.

Практическая значимость и научная новизна работы подтверждены патентом РФ на полезную модель «Линия очистки жомопрессовой воды» (№ 81729 С 13 D 3/02 (2006.1). Опубл. 27.03.09. Бюл.№ 9). Данная работа вошла в комплексную тему: «Разработка эффективной ресурсосберегающей известково – углекислотной очистки сахарных растворов», которая в 2008 году награждена серебряной медалью на XI Международном салоне промышленной собственности «Архимед - 2008» и золотой медалью на VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций и выполнена в рамках гранта РФФИ № 08-08-99072 «Исследование воздействий активированных жидких сред на технологические процессы пищевых производств».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на ежегодных расширенных заседаниях кафедры технологии сахаристых продуктов, чая, кофе, табака КубГТУ (2006 – 2009 гг.), на Х Всероссийской научно-практической конференции «Образование-наука-технологии», IХ Всероссийской научно-практической конференции «Агропромышленный комплекс и актуальные проблемы экономики регионов», IХ Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы современности» (Майкоп, 2007); на международной научно-практической конференции «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы» (Пенза, 2008); на III научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и образования» (Магнитогорск, 2008); на V международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2008); на I всероссийской конференции студентов и аспирантов «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2008).

Основные результаты исследований, выполненных автором, опубликованы в центральной печати, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, выводы и рекомендации промышленности, список литературы (119 наименований, в том числе 15 – зарубежные издания) и приложения. Работа изложена на 142 страницах, содержит 42 рисунка и 28 таблиц.

Приложения содержат расчет технико–экономического обоснования, патент на полезную модель, акт лабораторно-промышленных испытаний и технологический регламент на опытно-промышленную технологическую линию очистки ЖПВ.

Краткое СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Глава 1. Аналитический обзор литературы

В первой главе проведен аналитический обзор литературы, где произведен анализ разработанных к данному моменту технологических схем по улавливанию и дальнейшей переработке обломков свеклы и подготовки ЖПВ к возврату в производство, указаны их достоинства и недостатки. Обоснованы теоретические предпосылки использования флотационного способа для очистки сахарных растворов, содержащих как грубодисперсные частицы, так и частицы околоколлоидного характера, что может быть применено для очистки ЖПВ и (или) ее смеси с мезгой свекловичных обломков. Сформулированы цель и задачи исследований.

Глава 2. Объекты и методы исследований

Во второй главе описаны объекты и используемые методы исследований, приведены методики определения достоверности экспериментальных данных.

Глава 3. Экспериментальные исследования и разработка способа подготовки жомопрессовой воды к возврату в производство

В третьей главе даны результаты исследований по флотационной очистке ЖПВ.

3.1 Флотационная очистка неподщелоченной жомопрессовой воды. На первом этапе исследована возможность очистки неподщелоченной ЖПВ электрофлотационным способом, как более простым в техническом исполнении. Предварительно освобожденные от грубых частиц свекловичной ткани образцы ЖПВ обрабатывались в электрофлотационном аппарате, изображенном на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема электрофлотационной установки: 1 – электрофлотационный аппарат; 2 – источник постоянного тока; 3 – мультиметр

Изучаемыми характеристиками процесса электрофлотации являлись: плотность тока i, мА/см2; время обработки , мин; высота слоя обрабатываемой жидкости h, мм; температура жидкости t, С. Эффективность флотационной обработки (), % рассчитывали по относительному уменьшению содержания ВМС и ВКД в очищаемых образцах.

Результаты статистической обработки данных экспериментов приведены на рисунках 2 - 5.

Установлено, что параметры электрофлотационной обработки, при которых наблюдается максимальный эффект удаления ВМС и ВКД, составляют i–9…11 мА/см2; h–270 … 300 мм; t –48…52°С; –35…40 мин.

Полученные данные показали, что флотационная обработка неподщелоченной ЖПВ низкоэффективна, поскольку эффект удаления ВМС и ВКД составляет не более 8 - 10%.

3.2 Флотационная очистка подщелоченной жомопрессовой воды.

Поскольку ЖПВ является, по-сути, разбавленным диффузионным соком и содержит практически весь комплекс несахаров, присущий ему, логично предположить, что эффект ее очистки можно увеличить путем предварительного подщелачивания и удаления образующегося коагулята несахаров.

С целью подтверждения данного предположения изучалась эффективность электрофлотационной очистки подщелоченной до рН 10,8…11,0 ЖПВ температурой 48…52С при различных параметрах плотности тока, времени и высоты слоя жидкости. Зависимость эффекта удаления ВМС и ВКД подщелоченной ЖПВ () от плотности тока показана на рисунке 6. Установлен интервал значений плотности тока - 19…21 мА/см2, при которых наблюдается максимальный эффект удаления ВМС и ВКД, равный 83…86%.

Для определения влияния на эффект удаления высоты слоя жидкости и времени обработки был проведен двухфакторный эксперимент, на основании которого выявлена зависимость между этими факторами.

Рисунок 6 - Зависимость эффекта удаления ВМС от плотности тока

В качестве независимых переменных выбраны высота слоя обрабатываемой жидкости (фактор Х1) и время обработки (фактор Х2), в качестве зависимой переменной (отклик Y) – эффект удаления ВМС (). Графическая интерпретация результатов экспериментов представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Зависимость эффекта удаления ВМС от времени обработки и высоты слоя жидкости

Согласно данным статистической обработки результатов эксперимента получено уравнение регрессии, описывающее зависимость эффекта очистки известкованной ЖПВ от времени обработки и высоты слоя обрабатываемой жидкости:

Выявлено, что наибольшее влияние на эффект очистки оказывает время обработки, и гораздо меньшее–высота слоя обрабатываемой жидкости. Наибольший эффект очистки 79…84% наблюдается при Х1 (h) –360…400 мм и Х2 () – 18…24 мин.

Данные исследования наглядно показывают, что флотационная очистка подщелоченной ЖПВ гораздо более эффективна, чем неподщелоченной.

Сравнение качественных характеристик ЖПВ до и после электрофлотационной очистки представлено в таблице 1.

Таблица 1 – Качественные характеристики продуктов флотационной обработки ЖПВ

Показатель	Продукт
	ЖПВ	Очищенный раствор	Пена*
Сх, %	0,85	0,85	0,0112
СВ, %	1,241	1,129	0,0393
Ч, %	68,49	75,29	-
ВМС, % к СВ	18,738	3,280	-
Эффект удаления ВМС , %	82,49
Эф.оч. (общий), %	28,66

Примечание: Для продукта, отмеченного знаком * качественные характеристики выражены в % по массе свеклы.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что флотационный способ очистки, позволяющий получить очищенную воду с чистотой близкой к чистоте диффузионного сока, самостоятельно может использоваться в том случае, если исходная ЖПВ имеет достаточно высокую чистоту (более 80…82%). При более низкой чистоте необходимо использовать дополнительные способы обработки.

3.3 Совместная флотационная и дефекосатурационная обработка жомопрессовой воды. Исследовано влияние совместной флотационной и дефекосатурационной обработки на эффективность очистки ЖПВ пониженной чистоты (менее 80…82%).

На первом этапе проводилось параллельное сравнение флотационного и сатурационного способов очистки известкованной ЖПВ. Для этого ее, освобождали от грубых частиц тканей свеклы, подогревали до 50С, подщелачивали до рН 10,8…11,2 и делили на две части. Одну часть (вариант 1) подвергали флотационной обработке при параметрах, указанных в п. 3.2, а другую (вариант 2) – сатурационной обработке до рН 8,6…9,0. Качественные характеристики очищенных по обоим вариантам растворов представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Качественная характеристика продуктов этапа 1

Показатель	Продукт
	ЖПВ	Очищенный раствор		Пена*
		Вариант 1 (флотация)	Вариант 2 (дефекосатурация)
Сх, %	1,00	1,00	1,05	0,0133
СВ, %	1,422	1,268	1,248	0,0624
Ч, %	70,32	78,86	84,13	-
ВМС, % к СВ	16,029	3,530	2,707	-
V, % к объему исходного раствора	-	-	-	7,49
Эф. удал. ВМС , %	-	77,98	83,11	-

Примечание: Для продукта, отмеченного знаком * показатели Сх и СВ выражены в % по массе свеклы.

Как видно, качественные характеристики очищенной ЖПВ, полученной по варианту 2 лучше, чем у образцов, очищенных по варианту 1.

На втором этапе исследовали возможность совмещения флотационного и сатурационного способов очистки подщелоченной ЖПВ. Для этого, полученную после флотационной обработки по варианту 1 (этап 1) ЖПВ подвергали сатурационной обработке до конечного рН 8,6…9,0. Результаты опытов, представленные в таблице 3, позволяют сделать вывод о том, что эффект удаления ВМС ЖПВ существенно повышается при ее обработке известью до рН 10,8…11,0, удалении скоагулированных несахаров (в основном ВМС и ВКД) флотационным способом и последующей сатурации до рН 8,6…9,0.

Таблица 3 – Качественная характеристика очищенных растворов этапов 1 и 2 после сатурационной обработки

Показатель	рН20	Сх, %	СВ, %	Ч, %	ВМС, % к СВ	Цв, усл. ед.	Эффект удаления ВМС , %
Этап 1	9,40	1,05	1,248	84,13	2,707	21,76	83,11
Этап 2	9,43	1,10	1,239	88,78	1,350	19,45	91,58