Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Литературный обзор 12
1.1. Современная экологическая обстановка в России 12
1.2. Сточные воды молочной промышленности 14
1.2.1. Токсикологическая характеристика сточных вод молочной промышленности 15
1.2.2. Молоко и его составные компоненты 16
1.2.3. Молочная сыворотка, состав и свойства 23
1.2.4. Свойства сывороточных белков 31
1.3. Способы выделения и переработки компонентов сыворотки 33
1 АСмывные воды молочной промышленности 43
1.5. Способы очистки сточных вод молочной промышленности 48
1.6. Коагулянты и флокулянты - общая характеристика
1.6.1. Коагулянты 54
1.6.2. Особенности процесса коагуляции 57
1.6.3. Флокулянты 58
1.6.4.Флокулянты как полимерные наноструктуры 59
1.6.5. Анионные флокулянты 60
1.7. Свойства флокулянтов 61
1.7.1 .Основные физико-химические свойства флокулянтов 61
1.7.2. Свойства полиакриламида 65
1.8. Использование флокулянтов 66
1.9. Основные методы наращивания
молекулярной массы флокулянтов 67
1.10. Физические воздействия на полиэлектролиты 68
1.10.1. Ультразвуковое воздействие 68
1.10.2. Микроволновое излучение
1.11. Флокуляция 73
1.11.1. Механизмы флокуляции 73
1.12. Выводы по литературному обзору 74
ГЛАВА 2 Обоснование научных исследований, их цель и задачи 7 5
2.1. Характеристика молочной сыворотки 75
2.2. Характеристика молочных смывных вод 84
2.3. Выделение пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод флокулянтами 87
ГЛАВА 3 Постановка эксперимента и методы исследований 100
3.1. Характеристика объектов исследования для выделения пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод 106
3.2. Методы исследований свойств флокулянтов
3.2.1. Исследование процессов набухания флокулянтов 116
3.2.2. Исследование структурно-механические свойства 117
3.2.3. Оптические методы 122
3.2.4. Кондуктометрия 126
3.2.5. Аргентометрическое определение анионов хлора 128
3.2.6. Методика пробного коагулирования 128
3.2.7. Пробная флокуляция модельного раствора суспензий оксида меди (II) 129
3.3. Стандартные методы анализа молочных систем 130
3.3.1 Рефрактометрия 130
3.3.2. Поляриметрия 132
ГЛАВА 4 Модификация флокулянтов 13 5
4.1. Реагентная химическая модификация флокулянтов 135
4.2. Комплексная модификация флокулянтов 146
ГЛАВА 5 Изучение свойств модифицированных флокулянтов 152
5.1. Набухание флокулянтов 152
5.2. Макромолекулярные свойства 156
5.3. Светопоглощение 164
5.4. Электропроводность растворов флокулянтов 175
5.5. Содержание хлорид-ионов 177
5.6. Реологические свойства растворов флокулянтов 180
5.7. Флокуляция стандартных суспензий оксида меди (II) 195
ГЛАВА 6 Технологические особенности выделения компонентов молочных сточных вод 198
6.1. Влияние основных технологических факторов на выделение компонентов сыворотки 198
6.1.1. Степень ионизации флокулянта 198
6.1.2. Влияние концентрации рабочего раствора 200
6.1.3 Определение дозы флокулянта 200
6.1.4. Влияние рН сыворотки 203
6.1.5 Влияние температуры
6.1.6. Определение оптимального способа подачи 206
6.1.7. Скорость перемешивания 206
6.2. Возможные механизмы выделения компонентов сыворотки 209
6.2.1. Выделение белка, жира и лактозы 209
6.2.2. Удельный расход флокулянта, выход осадка 211
6.2.3. Описание принципиальной технологической схемы 213
6.3. Влияние основных технологических факторов на выделение пищевых компонентов молочных смывных вод 219
6.4. Подбор осадителей пищевых компонентов молочных смывных вод 219
6.4.1. Коагуляция неорганическими и органическими электролитами. 219
6.4.2. Подбор расхода коагулянта 220
6.4.3. Совместное использование коагулянтов и флокулянтов 221
6.4.4. Подбор расхода флокулянта 221
6.4.5. Температура молочных смывных вод
6.5. Определение оптимальных параметров выделения пищевых компонентов из молочных смывных вод 224
6.6. Возможные механизмы выделения пищевых компонентов из молочных смывных вод 224
6.6.1. Выделение белка и жира 225
6.6.2. Выделение лактозы 226
6.7. Разработка технологической схемы выделения пищевых компонентов молока из молочных смывных вод 227
5.7.1. Получение раствора модифицированного флокулянта и коагулянта ОХА 227
6.7.2. Выделение пищевых компонентов молока из молочных смывных вод 228
6.7.3. Обработка выделенных компонентов 229
6.7.4. Описание технологической схемы 229
6.8. Пути использования сухого комплексного молочного продукта 231
ГЛАВА 7 Разработка научной концепции выделения пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод с помощью модифицированных флокулянтов 234
7.1. Научные основы подбора исходных флокулянтов 235
7.2. Теоретические основы выбора модификатора и физико-химических воздействий 237
7.3. Особенности выбора условий проведения
оптимального процесса модификации 238
7.4. Теоретические, методологические и технологические основы
изучения физико-химических свойств
модифицированных полиэлектролитов 239
7.5.Концепция применения модифицированных флокулянтов 243
ГЛАВА 8 Изучение пищевой, биологической ценности и экономической эффективности новых видов вторичных продуктов переработки молока, обоснование сроков их хранения 246
8.1. Токсичность кормов и кормовых добавок 246
8.2. Производство премиксов 247
8.3. Биологическая ценность премиксов 266
8.4. Пищевая, биологическая ценность и экономическая эффективность использования полученных премиксов 281
ГЛАВА 9 Практическая реализация результатов исследований по выделению пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод 286
9.1. Научное и практическое обоснование производства премиксов из молочной сыворотки и молочных смывных вод 286
9.2. Технология получения концентрата сывороточных белков 289
9.3. Технология получения микрогранулированного сывороточного белка 291
9.4. Технология получения молочного сахара - лактозы 291
9.5. Технология получения пребиотика - лактулозы 295
9.6. Кормопроизводство 296
9.7. Предлагаемая технология выделения пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод 300
Выводы 303
Список используемой литературы
- Сточные воды молочной промышленности
- Выделение пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод флокулянтами
- Комплексная модификация флокулянтов
- Определение оптимальных параметров выделения пищевых компонентов из молочных смывных вод
Введение к работе
Актуальность темы.
Промышленная переработка молока на принципах безотходной технологии, полное извлечение всех компонентов, рациональное использование промежуточных и побочных продуктов, снижение нормативных потерь за счет неиспользованных отходов являются важнейшими резервами увеличения объемов вырабатываемой молочной продукции.
Практикой производства доказано, что только безотходная технология обеспечивает исключение загрязнений окружающей среды и, таким образом, имеет экологическое значение. В молочной промышленности накоплен значительный опыт по комплексной промышленной переработке молока на принципах безотходной технологии с законченными и замкнутыми циклами производства.
Объемные исследования по изысканию эффективных способов переработки вторичного молочного сырья – молочной сыворотки и молочных смывных вод проводят ведущие специалисты Северо-Кавказского государственного технического университета, Всероссийского НИИ маслодельной и сыродельной промышленности, Ярославского государственного института качества сырья и пищевых продуктов. Этим занимаются А.Г. Храмцов, Г.Б. Гаврилов, В.Д. Харитонов, Л.А. Остроумов, И.А. Евдокимов, К.К. Полянский, А.И. Гнездилова, Э.Ф. Кравченко, В.Г. Куленко, С.А. Рябцева и др. Основоположниками исследований в этом направлении являлись: М.С. Коваленко, Н.Н. Липатов, А.А. Розанов, П.Ф. Крашенинин, А.И. Чеботарев, О.А. Суюнчев.
Ими установлено, что реализация принципов безотходной технологии в молочной промышленности возможна только на основе комплексного использования всех компонентов молока для производства продуктов питания, либо раздельного извлечения их компонентов с последующей переработкой.
В рамках представленной диссертационной работы рассмотрены вопросы выделения ценных компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод с помощью полиэлектролитов, являющихся химической моделью белка. С их помощью изучаются основные свойства белковых соединений и механизмы проведения различных реакций. На основе полиакриловой кислоты, производным которой является полиакриламид, в промышленном масштабе получают фармацевтические препараты.
Молочная сыворотка и молочные смывные воды представляют собой устойчивые, трудно разрушаемые промышленные эмульсии, содержащие дефицитные и ценные пищевые компонентыжиры, белки, углеводы, которые безвозвратно теряются и загрязняют водоемы токсичными продуктами распада (меркаптаны, альдегиды, сложные эфиры, спирты и др.).
В настоящее время назрела объективная необходимость обязательного введения в известные технологические схемы переработки молочного сырья узлов утилизации молочной сыворотки и молочных смывных вод. Для этого необходимы доступные и простые технологические приемы очистки данных систем, позволяющие создать устойчивые водооборотные циклы.
Основным звеном при разработке заявленных технологий является применение полиэлектролитов на основе полиакриламида с различной степенью ионогенности, способных при их малом удельном расходе полностью осаждать такие пищевые компоненты молока, как белки, жиры и, частично, углеводы, эффективность которых повышается методами химической и физической модификации.
Диссертационная работа посвящена разработке удобных и технологически оправданных методов выделения из молочной сыворотки и молочных смывных вод наиболее ценных компонентов – жиров, белков, углеводов с помощью новых, специально полученных технических вспомогательных веществ – флокулянтов, химически модифицированных пропиленгликолем, этиленхлоргидрином, пропиленхлоргидрином, глицином, серином под воздействием физических факторов ультразвука и микроволнового излучения.
Цель работы: теоретическое и экспериментальное обоснование научных основ создания технологии эффективного выделения пищевых компонентов молочной сыворотки и молочных смывных вод с помощью модифицированных флокулянтов, создающей условия для устойчивых промышленных водооборотных циклов и разработки на этой основе концепции переработки вторичного молочного сырья.
Основные задачи:
- разработать эффективную технологию выделения пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод, имеющих различный белковый состав и различные физико-химических свойства методом флокуляции;
- разработать эффективную технологию модификации анионных флокулянтов типа «Magnafloc» химически активными модификаторами – гликолями, хлоргидринами, аминокислотами с дополнительным воздействием ультразвука и микроволнового излучения, найти оптимальные технологические параметры этого процесса;
- определить сравнительные макромолекулярные и физико-химические свойства исходных и модифицированных аминокислотами флокулянтов типа «Magnafloс», предложить возможные механизмы модификации;
- изучить пищевую, биологическую ценность и экономическую эффективность новых видов продуктов, полученных в процессе выделения белков, жиров и углеводов из молочной сыворотки и молочных смывных вод методом флокуляции;
- выработать опытные партии витаминно-белковых и углеводных премиксов, провести опытно-промышленные испытания по использованию данных продуктов на предприятиях АПК.
Научная новизна работы:
- найдены способы выделения пищевых компонентов (белков, жиров, углеводов из молочной сыворотки и молочных смывных вод специально полученными модифицированными полиакриламидными флокулянтами, техническая новизна которых защищена патентами РФ, предложены технологии выделения компонентов молочной сыворотки и молочных смывных вод;
- за счет целенаправленного химического воздействия макромолекул полиэлектролита с бифункциональными органическими модификаторами (гликоли, хлоргидрины, аминокислоты) получены модифицированные флокулянты с повышенной молекулярной массой, высокой селективностью и осадительной способностью, эффективность которых дополнительно повышалась физическими ультразвуковыми или микроволновыми воздействиями. Новизна технических решений подтверждена патентами РФ;
- изучены сравнительные макромолекулярные свойства исходных и модифицированных флокулянтов; определены их физико-химические свойства, предложены механизмы модификации полиэлектролитов и особенности самоорганизации их модифицированных макромолекул в водных растворах;
- представлена концепция эффективного выделения пищевых компонентов молочной сыворотки и молочных смывных вод с помощью модифицированных флокулянтов, являющаяся основой для создания эффективных водооборотных циклов;
- исследованы технологические особенности получения премиксов и молочного сахара в процессе выделения белков, жиров и углеводов из молочной сыворотки и молочных смывных вод;
- исследована пищевая, биологическая и экономическая ценность продуктов, полученных при переработке молочной сыворотки и молочных смывных вод.
Практическая значимость работы:
- разработана технология выделения основных компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод с помощью модифицированных флокулянтов;
- разработана технология получения премиксов для кормления с/х животных;
- разработан способ получения модифицированных анионных флокулянтов с использованием химических модификаторов пропиленгликоля, этиленхлоргидрина, пропиленхлоргидрина, заменимых и незаменимых аминокислот, входящих в состав белков с дополнительным воздействием ультразвука и микроволнового излучения;
- получен гигиенический сертификат на безопасное использование модифицированных флокулянтов в промышленности, разработаны и утверждены технические условия на их производство;
Основные положения, выносимые на защиту:
- концепция выделения методом прямого осаждения основных пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод;
- принципиальные технологии выделения полезных компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод с использованием модифицированных флокулянтов;
- физико-химические свойства флокулянтов, модифицированных реагентным способом с помощью гликолей, хлоргидринов, аминокислот, и комплексным методом с одновременным использованием модификаторов, ультразвука, микроволнового излучения;
- концепция эффективного извлечения пищевых компонентов молочной сыворотки и молочных смывных вод с помощью модифицированных флокулянтов, необходимой для создания устойчивых промышленных водооборотных циклов;
- технологические решения производства витаминно-белковых и углеводных премиксов, полученных при переработке продуктов вторичного молочного сырья.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на конференциях различного уровня: четырех Международных научно-практических конференциях (Кемерово, Новосибирск 2003г) и на семи Всероссийских конференциях (Кемерово, Томск, Ульяновск 2004, 2006, 2009гг).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в монографии «Модифицированные полиэлектролиты» - 8 п.л. (2008г), в монографии «Выделение компонентов творожной сыворотки современными наноматериалами на основе полиакриламида» - 9 п.л. (2011г), в научных статьях, из которых 20 изданы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных материалов диссертаций – «Молочная промышленность», «Техника и технология пищевых производств», «Фундаментальные исследования», «Современные наукоемкие технологии», «Химическая промышленность сегодня», «Коллоидный журнал», «Журнал Прикладной Химии», «Экология и промышленность России», а также в материалах Международных и Всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), экспериментальной части (главы 2-9), выводов, списка литературы, включающего 340 библиографических ссылок, и приложений. Основной текст работы изложен на 305 страницах, он включает 55 таблиц и 57 рисунков.
Сточные воды молочной промышленности
На жизнь населения водоемов пагубно влияют компоненты сточных вод молрчной промышленности, т.к. их окисление сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб [132, 143].
Они содержат нестойкие органические вещества, легко подвергающиеся брожению и гнилостному разложению с выделением аммиака, сероводорода, метана, индола меркаптанов и других продуктов. Это приводит к резкому дефициту кислорода, нарушению гидрохимического режима водоемов и гибели рыб от асфиксии (замора) и токсикозов [55].
Отравление меркаптанами, сероводородом - протоплазматическими ядами проявляется нередко во внезапном параличе, расстройстве функций обменного характера как у живых организмов, так и у человека.
Поэтому с учетом основных свойств атмосферы, гидросферы и литосферы должны разрабатываться и осуществляться методы по предупреждению попадания вредных веществ в окружающую среду, путем совершенствования технологии и создания эффективных очистных систем с рекуперацией отходов, созданием замкнутых водооборотных циклов. Это необходимо не только для обеспечения нормальных условий труда на существующих производствах и защиты окружающей среды от загрязнений, но и как важный этап в разработке прогрессивной малоотходной и безотходной технологии, позволяющий наиболее полно эффективно использовать природные ресурсы [336]. 1.2.2. Молоко и его составные компоненты
Молоко и хлеб - наиболее важные продукты питания употребляемые людьми вот уже более пяти тысяч лет. Молоко - единственный продукт питания в первые месяцы жизни человека [220].
С точки зрения коллоидной химии молоко представляет собой полидисперсную систему, в которой все компоненты находятся во взаимосвязи и в равновесии. Дисперсные фазы молока находятся в ионно-молекулярном (минеральные соли, лактоза), коллоидном (белки, фосфат кальция) и грубодисперс-ном (жир) состоянии [69].
Питательная ценность молока и все его свойства обусловлены свойствами и состоянием его сухих веществ: белков, липидов, углеводов, витаминов, минеральных веществ и др. На сухие вещества молока приходится, в среднем, 12,7% его массы [15].
Содержание каждого из компонентов сухого вещества варьирует в течение года и зависит от ряда факторов [73]. Вигнером установлена взаимосвязь между степенью дисперсности компонентов в молоке и их подверженностью сезонным колебаниям: чем более тонко диспергирован компонент, тем менее изменяется его содержание в течение года и наоборот [103, 309].
При переработке молока происходят некоторые изменения состава и свойств составляющих его компонентов. Поэтому в процессе производства необходимо учитывать количество отдельных компонентов молока, а также характер их изменений под воздействием технологических факторов. В зависимости от назначения молоко оценивают по различным показателям. Так, если молоко используют как непосредственный продукт питания, то главными являются санитарно-гигиенические и экономические показатели. В случае применения молока в качестве сырья для молочной и пищевой промышленности большое значение приобретают его физико-химические свойства, которые используются для оценки качества молока [209, 336]. Сухой обезжиренный молочный остаток
Белки молока - это высокомолекулярные соединения, которые связаны между собой характерной для белков пептидной связью. В молоке обнаружена целая система белков, среди которых выделяют две главные группы - казенны и сывороточные белки.
Основная часть белков молока (78-85%) состоит из казеинов, которые представлены несколькими фракциями - это Ls) - казеин, LS2 - казеин, 3 - казеин, Н - казеин, у - казеин [138, 162].
Компонентами сывороточных белков являются 3 - лактоглобулин и х-лактальбулин, а также альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, протеоза пептоны и лактоферрин. К белкам молока следует отнести ферменты, некоторые гормоны (пролактин), белки оболочек жировых шариков.
Казенны являются собственно пищевыми белками. Они максимально расщепляются пищеварительными протеиназами в нативном состоянии, в то время, как обычно глобулярные белки приобретают эту способность после денатурации [332].
Отдельные компоненты казеина резко отличаются друг от друга растворимостью и чувствительностью к ионам кальция. Построение казеиновых комплексов и объединение их в мицеллы происходит по определенному принципу (рис.1.3.).
Сегмент мицеллы казеина Биологическими функциями обладают и сывороточные белки. Так, иммуноглобулины выполняют защитную функцию, являясь носителями пассивного иммунитета. Лактоферрин и другой белок — лизоцим, относящийся к ферментам молока, обладают антибактериальными свойствами. Лактоферрин и [3-лактоглобулин выполняют транспортную роль — переносят в кишечник новорожденного железо, витамины и другие соединения. Сывороточный белок - а -лактоальбулин имеет специфическую функцию - он необходим для процесса синтеза [25]. Состав белков молока. Белки молока содержат почти все аминокислоты, встречающиеся в белках, которые имеют общую формулу:
R-CH-COOH I NH2 В молоко входят циклические и ациклические аминокислоты - нейтральные, кислые, основные, с преобладанием кислых [115, 211].
Структура белков молока. В свежем молоке белки находятся в нативном состоянии. Первичная структура определяется числом и расположением а -аминокислот, конфигурацией связей в полипептидных цепях. Первичная структура белков основана на главных валентных пептидных и дисульфидных связях. Они настолько стабильны, что при обработке и переработке молока не разрушаются энергетическими воздействиями. Кроме того, между фосфорной кислотой и серином в молекуле белка возможно образование фосфатноэфирной связи (рис.1.4.).
Выделение пищевых компонентов из молочной сыворотки и молочных смывных вод флокулянтами
Сбросы пищевых производств загрязняют окружающую среду, поскольку при переработке пищевого сырья участвуют вода и воздух. Пищепе-рерабатывающие предприятия ухудшают экологическую обстановку, несмотря на то, что они непосредственно не производят и не используют токсичные вещества [324].
Во многих странах мира уделяется серьезное внимание проблеме очистки смывных вод вод молочного производства в связи с высокой концентрацией содержащихся в них органических веществ. Смывные воды молокоперераба-тывающих предприятий представляют собой многокомпонентную дисперсную систему, содержащую белки, жиры, углеводы. Белки молока и молочной сыворотки являются наиболее универсальным и ценным источником аминокислот. Однако, попадая в сточные воды молокоперерабатывающих предприятий, белки делают их опасными для окружающей среды вследствие потребления значительных количеств кислорода при окислении. Наиболее концентрированной частью сточных вод молочного производства являются смывные воды, образующиеся при первом ополаскивании оборудования и содержащие остатки молочной продукции [78].
Первичная механическая очистка смывных вод предприятий молочной промышленности включает отстаивание, фильтрование, центрифугирование, вторичная - биологическая очистка, основана на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения водоемов. Традиционно применяемые методы извлечения белков дороги, мало эффективны, не обеспечивают соблюдения требуемых стандартов по качеству воды и занимают значительные производственные площади [58]. Повышение эффективности разделения эмульсий возможно физико-химическими методами- электрофлотацией, коагуляцией, флокуляцией. Разработка научных основ очистки молочных смывных вод пищевых предприятий- актуальная задача, позволяющая решать вопросы охраны окружающей среды и утилизации содержащихся в воде ценных продуктов [49].
По данным Международной молочной федерации до 50 % мирового объема молочной сыворотки направляется в канализацию. Известно, что для окисления 1 л сыворотки необходимо 50 г кислорода, что более чем в 10 раз превышает этот показатель для бытовых сточных вод [54].
Вместе с тем, в настоящее время становятся все более актуальными вопросы снабжения населения белковыми продуктами питания. При остром дефиците животного белка в питании человека на Земле имеются значительные запасы белкового сырья, которое используется нерационально. К таким источникам запасов относятся вторичные сырьевые ресурсы молочной промышленности. Особая роль в решении указанных вопросов отводится молочной сыворотке, содержащей около 200 ценных компонентов молока [41].
Высокая биологическая и пищевая ценность белков молочной сыворотки обуславливает целесообразность их выделения и использования в виде пищевых продуктов для непосредственного употребления или в качестве полуфабрикатов с целью обогащения различных продуктов питания и кормов для сельскохозяйственных животных [59].
Несмотря на большое разнообразие способов выделения белковых компонентов из молочной сыворотки эта проблема остается актуальной и требует разработки новых, более эффективных и менее энергоемких методов.
Флокулянты - это водорастворимые высокомолекулярные соединения, которые при введении в дисперсные системы адсорбируются или химически связываются с поверхностью частиц дисперсной фазы и объединяют частицы в агломераты (флокулы), способствуя их быстрому осаждению. История применения высокомолекулярных веществ для очистки жидкостей от взвешенных примесей уходит своими корнями в глубокую древность. Так, еще за 2000 лет до н.э. в Индии вытяжки некоторых растений, содержащие природные полимеры, применялись для очистки воды, а в Древней Греции природный полимер - яичный белок использовался для осветления вин. В XVIII-XIX веках природные полимеры - желатина и крахмал стали использовать для очистки фруктовых соков. Несмотря на столь давнюю историю, практическое применение флокуляции в промышленных процессах началось в период между 30-ми и 50-ми годами XX века. Флокулянты использовали для очистки шахтных вод от частиц угля и глины, для выделения и обезвоживания шлаков фосфоритов при получении урановых солей, для интенсификации очистки промышленных сточных вод. Но действительно широкое применение флокулянты получили с середины 50-х годов в связи с необходимостью очистки увеличивающихся объемов сточных вод и модернизации технологических процессов, связанных с разделением твердых и жидких фаз. Когда возросший спрос в флокулянтах не мог больше удовлетворяться природными полимерами, началось внедрение органических искусственных (производных крахмала и целлюлозы) и чаще синтетических полимеров. Среди синтетических полимеров наибольшее распространение и применение получила группа полиакриламидных флокулянтов (ПФ). В связи с большой практической значимостью ПФ в статье рассмотрены наиболее перспективные пути управления процессом флокуляции и эффективного использования ПФ [221].
Дисперсные системы гетерогенны и состоят из двух фаз, одна из которых (дисперсная фаза) раздроблена и распределена в сплошной дисперсионной среде. Дисперсные системы очень многообразны (облака, туманы, природные и сточные воды, мыльная пена, молоко, кровь). Они различаются агрегатным состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды (твердые, жидкие и газообразные), а также размерами частиц дисперсной фазы. Наиболее важными и распространенными являются системы с жидкой дисперсионной средой. К ним относятся природные и сточные воды, а также промышленные суспензии. По кинетическим свойствам они являются свободнодисперсными системами, в которых частицы дисперсной фазы могут свободно передвигаться. По размеру частиц дисперсии делят на грубодисперсные ( 10-3 см), микрогетерогенные (от 10- 5 до 10- 3 см) и ультрамикрогетерогенные (от 10- 7 до 10- 5 см) [276].
Устойчивость дисперсных систем характеризуется неизменностью во времени равновесного распределения дисперсной фазы в объеме среды, которая определяется взаимодействием межмолекулярных сил притяжения и электростатических сил отталкивания между частицами (теория Дерягина -Ландау - Фервея - Овербека). Дисперсные системы разделяются на лиофильные и лиофобные. Первые характеризуются интенсивным взаимодействием частиц со средой и термодинамической устойчивостью (например, дисперсии мыл, глины и агрегаты высокомолекулярных соединений в воде), а для вторых интенсивность взаимодействия между частицами превышает взаимодействие частиц со средой, что придает термодинамическую неустойчивость системе (например, коллоидные растворы - золи сульфидов металлов, суспензии грубодисперсных частиц). Различают седиментационную и агрегативную устойчивость системы. Способность частиц противостоять силе тяжести определяет седиментационную устойчивость, а способность частиц противостоять агрегированию - агрегативную устойчивость. Эти два типа устойчивости взаимосвязаны, и нарушение агрегативнои устойчивости снижает седиментационную устойчивость системы, способствуя осаждению частиц. Процесс слипания одинаковых по природе и заряду поверхности частиц с образованием крупных агрегатов называется коагуляцией, а агрегация разнородных частиц, отличающихся природой, знаком или величиной поверхностного заряда, называется гетерокоагуляцией [259]. Для интенсификации процесса агрегации частиц и достижения разделения фаз дисперсной системы применяют коагулянты и флокулянты, а также их смеси [158].
Комплексная модификация флокулянтов
Инфракрасная спектроскопия - широко применяемый аналитический метод; имеется большой выбор приборов различной степени сложности [76, 160].
Все вещества обладают способностью поглощать инфракрасное излучение той или иной частоты. Наиболее часто используется средняя область инфракрасного спектра; в связи с этим большая часть приборов работает при длинах волн до 25 мкм (400 см"1). Полосы инфракрасного поглощения для большинства жидкостей и твердых тел достаточно интенсивны, поэтому толщина этих образцов может быть сравнительно мала - обычно от 20 до 100 мкм.
Спектр поглощения в инфракрасной области содержит множество полос поглощения. Не всегда их можно точно идентифицировать, но они несут богатую информацию о функциональных группах, входящих в состав молекулы и об их главных особенностях. Почти каждая группа, входящая в состав органических структур, обладает характеристической полосой (или полосами) в инфракрасной области.
Расположение характеристических пиков, связанных с отдельными типами функциональных групп, можно определить, разбив инфракрасный спектр на три области. Излучение в диапазоне частот 3600-2300 см 1 соответствует валентным колебаниям групп: О - H,N - H,S - Н,Р -Н,С-Н и др. Частоты валентных колебаний тройных связей наблюдаются в районе 2300-1900 см" . Между 1700 и 1400 см" расположены пики поглощения, относящиеся к валентным колебаниям двойных связей, а также деформационные колебания N-H. Другие полосы валентных, деформационных и комбинационных колебаний, которые характерны для различных групп, находятся в той области, где спектры наиболее различаются.
Действительное положение пика поглощения связано с видом атомов, входящих в молекулу, и ее окружением. Так, на значение частот, соответствующих отдельным группам, оказывают влияние стерические эффекты, электрические эффекты, межмолекулярные и внутримолекулярные связи.
Инфракрасный спектр не позволяет обычно отличить чистый образец от образца с примесями. Однако, в общем случае спектр чистого образца имеет достаточно четкие и хорошо разрешенные полосы поглощения, в то время как в спектре сырого препарата (содержащего большое количество различных видов молекул) обычно видны широкие и трудноразличимые полосы поглощения.
Растворитель, который используется для работы с образцами, должен пропускать инфракрасное излучение в той области, в которой образец поглощает. Наиболее широко используются два растворителя четыреххлористый углерод (для области 4000 - 1330 см 1) и сероуглерод (для области 1330 - 450 см"1). Концентрация растворенного вещества при использовании кюветы толщиной 0,1 мкм должна составлять около 10 %.
Для качественного исследования твердых тел часто удобнее работать с ним непосредственно, т.е. не переводя их в раствор. Твердые тела можно исследовать несколькими способами [91, 234]. Метод инфракрасной спектроскопии используется для изучения веществ самой разнообразной природы. Он применяется для качественного и количественного анализа, а также для структурных исследований.
В работе исследовались образцы модифицированного и немодифицированного М-919 в вазелиновом масле. Спектрофотомерия Из оптических методов анализа наиболее широко применяют спектрофотометрические методы, основанные на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через раствор. Эти методы анализа основаны на сравнении интенсивностей поглощения света исследуемого раствора и растворителя. Чувствительность данного метода составляет 10"5 - 10"6 нм. Экспериментальные данные обрабатывали с помощью основного закона светопоглощения (закон Бугера - Ламберта - Бера), который выражается уравнением: где, / - интенсивность проходящего света; 1о - интенсивность падающего света; - коэффициент светопоглощения; с - концентрация моль/дм3; - толщина кюветы, см. Смысл этого закона можно выразить следующим образом. Растворы одного и того же вещества при одинаковой концентрации этого вещества, толщина слоя раствора и прочих равных условиях поглощают одну и ту же долю падающего на них света, то есть светопоглощение таких растворов одинаково.
Если прологарифмировать уравнение закона Бугера - Ламберта - Бера и изменить знаки на обратные, то уравнение примет вид: lg = у = ес , (3.9) h Величина lg— — является очень важной характеристикой раствора: ее называют оптической плотностью раствора и обозначают буквой D: 125 D = \g!± = 6ctt (ЗЛО.) Другими словами, при одинаковой толщине слоя раствора данного вещества и прочих равных условиях оптическая плотность этого раствора будет тем больше, чем больше он поглощает света. Оптическую плотность (или погашение) измеряли на фотоэлектрическом концентрационном калориметре КФК - 2. Растворы готовили в соответствии со стандартной методикой [234]. УФ-спектроскоп ия Поглощение света веществом в ультрафиолетовой (УФ) области спектра зависит от электронной структуры молекулы. Поглощение энергии - квантовый процесс, в котором электроны переходят с орбиталей основного состояния на орбитали возбужденных состояний с более высокими энергиями.
Определение оптимальных параметров выделения пищевых компонентов из молочных смывных вод
В качестве образцов для проведения эксперимента использовалась модель молочных смывных вод (без моющих средств), полученную из стандартной партии молока путем разбавления в четыре раза с содержанием в них белка -0,65%, жира- 0,75%, углеводов - 1,2%.
Технология выделения пищевых компонентов из МС, представленная ранее, не позволила в связи с более сложной организацией молочных эмульсий выделить белки и жиры из молочных смывных вод. Поэтому были опробованы дополнительные приемы воздействия на них.
Поиск оптимальных технологических параметров является необходимым условием для разработки эффективной технологической схемы процесса выделения из них ценных пищевых компонентов. Цельное молоко является системой, более сложной, чем сыворотка по химическому составу за счет присутствия белка казеина.
На эффективность выделения компонентов молочных смывных вод (МСВ) с помощью полиэлектролитов большое влияние оказывает ряд технологических факторов:
Подбор осадителей пищевых компонентов МСВ 6.4.1. Коагулирование неорганическими и органическими электролитами Пробное коагулирование. На основании аналитического обзора найдена информация о возможном процессе разрушения коллоидно - дисперсных систем молока известными промышленными коагулянтами и флокулянтами [257]. Промышленные коагулянты - соли алюминия и железа (трехвалентная форма) имеют многозарядные активные ионы - осадители (трехзарядные катионы металлов) [113]. Они по правилам электролитной коагуляции [320] обладают высокой дестабилизирующей силой коллоидных систем.
Поэтому далее была проведена серия опытов по проведению пробной коагуляции растворами коагулянтов - солями алюминия - сульфат и оксихлорид алюминия (ОХА) и солями железа. Для этого в МСВ (молоко, разведенное в 4 раза) дробно, по каплям добавлялся раствор коагулянта с концентрацией 0,1% масс. Визуально было определено, что при контакте МСВ с каждым из трех видов растворов коагулянтов выделяется липкий творожистый осадок в виде мелких хлопьев, что указывает на дестабилизацию и разрушение сложной молочной структуры.
Результаты табл.6.4. подтверждают, что наиболее подходящим коагулянтом (более высокая степень выделения белка и жира) для первичной дестабилизации коллоидной системы МСВ является коагулянт оксихлорид алюминия (ОХА). Найден технологически оправданный расход ОХА - 0,07 г/л. При этом отмечено лишь частичное выделение белка и жира из МСВ.
После отделения осадка было измерено значение рН. Величина оказалась равной 6,1, что указывает на выделение казеина в области, далекой от изоэлектрической точки. Это происходит за счет специфической адсорбции положительно заряженных ионов алюминия на отрицательно заряженных макромолекулах казеина. Взаимодействие происходит по принципу нейтрализации зарядов без изменения значения рН [4].
Сложный коллоидно-химический состав МСВ предполагает более сложную технологию выделения пищевых компонентов МСВ. Флокулянты, являющиеся полиэлектролитами, имеют на своих макромолекулах большое количество одноименных зарядов (положительных или отрицательных). Было сделано предположение, что сравнительно крупные мицеллы казеина, заряженные отрицательно при значениях рН более 4,6 (изоэлектрическая точка), можно полностью осадить поликатионами полиэлектролитов (флокулянтов) или положительными ионами коагулянтов. Прямое осаждение поликатионами не произошло, но и неорганические коагулянты не смогли полностью выделить белки и жир. Поэтому, процесс осаждения, на наш взгляд, должен состоять из двух последовательных стадий -дестабилизация (коагуляция) и непосредственное осаждение пищевых компонентов (флокуляция). У каждого осадителя (коагулянта и флокулянта) имеются свои индивидуальные функциональные задачи. Они не могут заменить друг друга.
