Совершенствование способов экстракции сахарозы из свеклы

На правах рукописи

КОНДРАТОВА ОКСАНА ЮРЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ЭКСТРАКЦИИ

САХАРОЗЫ ИЗ СВЕКЛЫ

Специальность: 05.18.05 – Технология сахара и сахаристых продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет» на кафедре «Технологии сахаристых продуктов, чая, кофе, табака».

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Решетова Раиса Степановна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Сидоренко Юрий Ильич

кандидат технических наук,

заведующий технологическим

отделением Северо-кавказского

НИИ сахарной свеклы и сахара Городецкий Владимир Олегович

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

Российский НИИ сахарной промышленности

Россельхозакадемии (ГНУ РНИИСП)

Защита состоится «___» ________2008 г. в _______ часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.01 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д.11, ауд._______.

Приглашаем Вас принять участие в заседании Совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря совета профессора М.С. Жигалова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.

Автореферат разослан _______мая 2008 г.

Ученый секретарь

Совета Д 212.148.01

кандидат технических наук, профессор М.С. Жигалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важное значение для экономики страны и обеспечения продовольственной безопасности имеет рынок сахара. Это связано, прежде всего, с тем, что сахар - стратегический продовольственный товар и, в то же время - сырье для многих предприятий пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Ежегодная потребность сахара в Российской Федерации составляет 5,5 млн. т. Однако, за последние годы использование производственной мощности заводов значительно снизилось. Это вызвано, прежде всего, необеспеченностью сырьем и сложным финансовым состоянием заводов, слабой материально-технической базой сахарных заводов, ведущей к неоправданным потерям сахара при хранении и переработке корнеплодов, превышающим в 1,5 раза потери в передовых сахаропроизводящих странах.

Переход к рыночным отношениям, вхождение в мировое пространство выдвигает в качестве первоочередной задачи выход нашей сахарной промышленности на мировой уровень. В связи с этим необходима коренная реконструкция сахарных заводов, оснащение их современным оборудованием, создание принципиально новых энергосберегающих технологий, обеспечивающих безотходную переработку сырья.

В комплексе мер по повышению эффективности производства сахара важную роль необходимо уделять процессу экстракции. Степень совершенства процесса экстрагирования во многом определяет условия проведения последующих технологических операций и отражается на эффективности производства сахара в целом.

Однако, несмотря на многочисленные исследования в области экстракции сахарозы, в том числе в процессе подготовки экстрагирующей жидкости, возможности совершенствования этого процесса еще до конца не исчерпаны и являются актуальными.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилась разработка ресурсо – и энергосберегающей технологии извлечения сахара из свеклы в рамках единого комплекса, одним из элементов которой является эффективная предварительная подготовка экстрагирующей жидкости.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выбор высокоэффективных веществ для подготовки экстрагирующей жидкости к процессу извлечения сахара из свекловичной стружки;

- определение оптимального расхода кальцийсодержащих реагентов;

- изучение влияния совместной обработки экстрагирующей жидкости кальцийсодержащими реагентами и глубоким пересатурированием на качественные показатели получаемого диффузионного сока;

- изучение влияния места ввода кальцийсодержащих реагентов в экстрагирующую жидкость на качественные показатели получаемого диффузионного сока;

- изучение влияния низкочастотного модулированного электромагнитного поля при подготовке экстрагирующей жидкости на технологические показатели экстрагирующей жидкости и диффузионного сока;

- изучение возможности использования подготовленной с помощью кальцийсодержащих реагентов, приема глубокого пересатурирования и энергии электромагнитного поля жомопрессовой воды в качестве ошпаривающего агента для свекловичной стружки;

- разработка технологической схемы и технологического режима усовершенствованного процесса экстракции сахарозы из свекловичной стружки с использованием предварительно подготовленной экстрагирующей жидкости;

- проверка в производственных условиях эффективности разработанной схемы подготовки экстрагирующей жидкости к процессу диффузии.

Научная новизна работы состоит в том, что теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность совместного использования в качестве кальцийсодержащих реагентов гипса и известкового молока, а также приема глубокого пересатурирования для подготовки экстрагирующей жидкости, обеспечивающая повышение качественных показателей самой экстрагирующей жидкости, получаемого диффузионного сока и снижение энергетических затрат на производство сахара.

Разработан и обоснован способ подготовки экстрагирующей жидкости к процессу извлечения сахара из свеклы, включающий химическую обработку гипсом, известковым молоком, в сочетании с приемом глубокого пересатурирования и обработку низкочастотным модулированным электромагнитным полем, обеспечивающий повышение эффективности свеклосахарного производства.

Обоснована возможность использования подготовленной жомопрессовой воды в качестве ошпаривающего агента для свекловичной стружки.

Практическая значимость и реализация результатов работы

В процессе выполнения работы разработан способ подготовки экстрагирующей жидкости с использованием химической обработки гипсом, известковым молоком в сочетании с приемом глубокого пересатурирования и энергии электромагнитного поля. На основе предложенного способа получения реагентноспособной экстрагирующей жидкости разработана и испытана на сахарных заводах технологическая схема получения диффузионного сока, позволяющая увеличить чистоту диффузионного сока на 1,0 – 1,5%, чистоту очищенного сока на 1,5 – 2,0% по сравнению с типовым, выход сахара на 0,3 – 0,4 % и уменьшить расход условного топлива на 0,6%.

Данная технологическая схема подтвердила свою эффективность при проведении производственных испытаний на ОАО «Черемновский сахарный завод» (Алтайский край) и ЗАО «Уваровский сахарный завод» (Тамбовская область).

Практическая значимость и научная новизна работы подтверждена патентом РФ на изобретение «Способ получения диффузионного сока» (№ 2292399 С 13 D 1/08 (2006.1). Опубл. 27.01.07. Бюл.№ 3). 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.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на ежегодных расширенных заседаниях кафедры технологии сахаристых продуктов, чая, кофе, табака КубГТУ (2004 – 2008 гг.), на Международной научно-практической конференции «Разработка новых и совершенствование существующих технологий, оборудования и методов контроля сахарного производства» (Воронеж, 2005), на Всероссийской НПК «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства» (Краснодар, 2005), на ХХХIII научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа (Краснодар, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции «Наука-производство-технологии-экология» (Киров, 2007), на XXXIV научной конференции студентов и молодых ученых ВУЗов Южного Федерального округа (Краснодар, 2007), 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 Всероссийской научно-практической конференции на тему: «Пути повышения технико-экономической эффективности отечественного свеклосахарного производства» (Краснодар, 2008). Основные результаты исследований, выполненных автором, опубликованы в центральной печати, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, выводы и рекомендации промышленности, список литературы (175 наименований, в том числе 20 – зарубежные издания) и 4 приложения. Работа изложена на 150 страницах, содержит 21 рисунок и 16 таблиц.

Приложения содержат акты производственных испытаний, расчет технико – экономического обоснования, патент и дипломы выставок.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, излагаются цель и задачи исследований, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан аналитический обзор литературы, где приведены теоретические аспекты процесса экстракции сахарозы из свекловичной стружки, рассмотрены роль и место процесса экстракции в общей технологической схеме производства сахара из свеклы, основные факторы, влияющие на протекание процесса экстракции, приведено сравнение эффективности применения различных реагентов и методов для подготовки вод, входящих в состав экстрагирующей жидкости.

На основании анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию влияния способа подготовки экстрагирующей жидкости к диффузионному процессу на качественные показатели диффузионного сока.

Химические реагенты, применяемые для подготовки экстрагирующей жидкости должны удовлетворять ряду требований, основные из которых – это повышение качества экстрагирующей жидкости и повышение прочности свекловичной ткани. Такими реагентами могут быть вещества, содержащие двухвалентные ионы кальция.

Эксперименты в этом направлении проводились в лабораторных условиях на модельных растворах, в состав которых входили: обезаммеаченные конденсаты, жомопрессовая и бараметрическая воды. С целью выявления наиболее эффективного реагента использовали следующие вещества: известковое молоко (вариант 1), хлористый кальций (вариант 2), сульфат кальция (гипс) (вариант 3). В качестве контроля использовали раствор, подвергнутый тепловой обработке (вариант 4). Средние результаты исследований представлены на рис. 1, 2

Рис.1 - Влияние варианта Рис.2 – Влияние способа подготовки

подготовки экстрагирующей экстрагирующей жидкости

жидкости на чистоту на содержание ВКД в

диффузионного сока диффузионном соке

Из рисунков видно, что применение экстрагирующей жидкости, подготовленной с использованием гипса, позволяет существенно повысить чистоту диффузионного сока и снизить содержание ВКД. Это объясняется тем, что в результате гидролиза сульфата кальция образуются ионы кальция Са2+, которые действуют осаждающе, и сульфат - ионы SО42-, которые среди анионов по возрастающей активности их действия на процесс осаждения грубодисперсных, коллоидных и растворенных примесей стоят на третьем месте после цитрата и татрата. На свекловичную ткань ион SО42- действует высаливающе, уменьшая накопление коллоидов в диффузионном соке, помимо этого ионы сульфата SО42- обладают дезинфицирующим свойством, снижают неучтенные потери сахарозы в диффузионном отделении.

Изучено влияние расхода гипса при подготовке экстрагирующей жидкости на качество диффузионного сока. Сравнительный анализ диффузионного сока, полученного с использованием подготовленной экстрагирующей жидкости, осуществлялся при следующих расходах гипса: 0,01%, 0,03%, 0,05%, 0,1%, 0,5%, 1%, 1,5%, 2,0% к массе экстрагирующей жидкости, с типовым способом проведения экстракции (рис. 3).

Рис. 3 - Влияние расхода гипса на чистоту диффузионного сока

Выявлено, что рациональным является расход гипса 0,05 – 0,1% к массе экстрагирующей жидкости.

С целью определения рационального расхода гипса и извести при совместной обработке экстрагирующей жидкости, нами был спланирован и проведен двухфакторный эксперимент, на основании результатов которого получены математические зависимости, отражающие влияние этих факторов (расход гипса Qгипса – фактор X1 и расход известкового молока Qизв. мол. – X2) на чистоту диффузионного сока (Y). Для каждого фактора были заданы основной уровень, интервалы варьирования и границы области исследования. На основании обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии, адекватно описывающее процесс влияния величин значений выбранных факторов на качественные показатели диффузионного сока: Y = 79,36 + 47,60X1 + 82,81X2 - 229,81X1X2 + 47,72X12 - 256,30X22.

Полученные нелинейные зависимости позволили получить пространственную поверхность, показанную на рис.4, отображающую изменение чистоты диффузионного сока при различных значениях исследуемых факторов.

В результате статистической обработки экспериментальных данных установлено, что при добавлении в экстрагирующую жидкость известкового молока в количестве 0,15% СаО к массе свеклы и 0,1% гипса к массе экстрагирующей жидкости, чистота получаемого диффузионного сока наибольшая и составляет 89,5 %.

Рис. 4 – Зависимость чистоты диффузионного

сока от расхода гипса и известкового молока,

содержащихся в экстрагирующей жидкости

Оценку влияния величины значений выбранных факторов на качественные показатели диффузионного сока вели с использованием экстрагирующей жидкости, подготовленной по трем вариантам.

Первый вариант – контрольный – в нем экстрагирующую жидкость нагревали до температуры 72 – 750С и сульфитировали до рН 5,5 – 6,4. По второму варианту, экстрагирующую жидкость нагревали до температуры 72– 750С, добавляли в нее гипс в количестве 0,05% к массе экстрагирующей жидкости, затем сатурировали до рН 5,5 – 6,4. По третьему варианту, экстрагирующую жидкость нагревали до температуры 72 – 750С, добавляли гипс в количестве 0,05% к массе экстрагирующей жидкости и известковое молоко в количестве 0,15% СаО к массе экстрагирующей жидкости, полученный раствор сатурировали до рН 5,5 – 6,4. После проводили процесс экстракции с применением данных экстрагирующих жидкостей. Зависимость чистоты диффузионного сока от варианта подготовки экстрагирующей жидкости показана на рис. 5.

Рис. 5 - Влияние совместной обработки экстрагирующей жидкости гипсом и известью с последующим глубоким пересатурированием на качество диффузионного сока.

Необходимо, чтобы каждый из реагентов проявил свою активность в полной мере, без потери эффекта очистки каждого из них. В лабораторных условиях было проведено изучение качества диффузионного сока, полученного при различной последовательности подачи гипса и извести в экстрагирующую жидкость. Сравнительный анализ осуществлялся при следующих комбинациях подачи реагентов в экстрагирующую жидкость, имеющей температуру 72 – 750С: добавляется известь, затем раствор сатурируется, после добавляется гипс (вариант 1); в экстрагирующую жидкость добавляется гипс, известь, затем смесь сатурируют (вариант 2). В качестве контроля использовали экстрагирующую жидкость, подвергнутую тепловой обработке (вариант 3).

Выявлено, что большую чистоту имеет диффузионный сок, полученный при использовании экстрагирующей жидкости, подготовленной по первому варианту, т.е. с добавлением гипса после известкования и сатурирования. Результаты исследований представлены на рис. 6.

Рис. 6 - Влияние места ввода реагентов при подготовке экстрагирующей жидкости на качество диффузионного сока

На основании исследований разработан и рекомендован к использованию на сахарных заводах способ подготовки жомопрессовой воды с использованием гипса, извести и приема глубокого пересатурирования.

В третьей главе отражены результаты исследования по повышению эффективности процесса экстракции сахарозы из свеклы путем предварительной подготовки экстрагирующей жидкости с совместным использованием химической очистки и энергии электромагнитного поля.

Жомопрессовая вода является благоприятной средой для развития микроорганизмов и может служить источником инфицирования диффузионного процесса, поэтому необходимо проводить исследования по обеспечению стерильности среды.

Исследования по подготовке экстрагирующей жидкости с использованием энергии электромагнитного поля и химических реагентов, показали, что наиболее рациональными для подавления активности бактерий в экстрагирующей жидкости являются следующие параметры ЭМП: величина магнитной индукции В от 1 до 3 мТл, моделирующая частота f=18 – 20 Гц, время обработки 30 с – 1 мин. Результаты исследований с использованием данных параметров при подготовки экстрагирующей жидкости представлены в табл. 3.

Таблица 3 – Качественные показатели диффузионного сока, полученного с использованием предварительно подготовленных экстрагирующих жидкостей

Качественные показатели	Способы проведения диффузионного процесса
	1	2	3	4
Количество микроорганизмов в 1 мл диффузионного сока, КОЕ	32000	22000	8000	700
СВ, %	17,30	17,60	17,40	16,80
Сх, %	14,70	15,00	15,10	14,90
Ч, %	84,97	85,23	86,78	88,69
Содержание ВКД, % на 100 г СВ	7,2	4,5	3,7	2,5