Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Физико-химическая очистка диффузионного сока. применение сорбентов
1.1 Физико-химическая очистка диффузионного сока 13
1.1.1 Преддефекационная обработка диффузионного сока 15
1.1.2 Очистка диффузионного сока с отделением осадка преддефекованного сока до основной дефекации
1.2 Завершающая стадия очистки - II сатурация 22
1.2.1 Адсорбция несахаров осадком карбоната кальция 23
1.2.2 Влияние электрокинетических свойств осадков на 24 адсорбцию несахаров в процессе карбонизации
1.2.3 Электрокинетические свойства дисперсных систем 25 сахарного производства
1.3 Применение минеральных и органических сорбентов в 28
технологии сахарного производства
1.3.1 Фильтроперлит в технологии производства сахара 28
1.3.2 Использование целлюлозы для очистки сахарных 30 растворов
1.3.3 Классификация и характеристика компонентов пищевых 33 волокон
1.4 Адсорбция. Характеристика адсорбентов, применяемых в 35
сахарной промышленности
Выводы, цель и задачи исследования 38
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследований 40
2.1 Определение содержания сухих веществ 40
2.2 Определение содержания сахарозы 40
2.3 Определение содержания сахарозы по прямому поляриметрированию
2.4 Определение цветности (оптической плотности) 40
2.5 Определение мутности 41
2.6 Определение рН 41
2.7 Определение солей кальция 41
2.8 Определение содержания белковых веществ 42
2.9 Определение содержания пектиновых веществ
2.9.1 Определение пектиновых веществ в диффузионном соке
2.9.2 Определение пектиновых веществ в очищенном соке, сиропе, мелассе
2.10 Определение фильтрационного коэффициента 45
2.11 Определение ско ости ильт ования сока п и избыточном давлении
2.12 Определение соде жания ед ци ющих веществ методом Мюллера
2.13 Определение титруемой щелочности 48
2.14 Определение электрокинетического потенциала суспензий... 49
2.15 Методика компьюте но-оптического конт оля диспе сного состава суспензий
2.16 Определение микробиологической зараженности соков 50
2.16.1 Приготовление питательных сред 50
2.16.2 Приготовление разведений 51
2.16.3 Определение общего числа мик оо ганизмов, об аз ющих колонии на питательном агаре
2.16.4 Контроль пищевых волокон, пол ченных из жома саха ной свеклы
2.16.5 Контроль диффузионного сока 53
2.16.6 Контроль преддефекованного сока 54
2.17 Обработка экспериментальных данных 55
ГЛАВА 3 Исследование влияния сорбентов на эффективность пре варительной очистки диффузионного сока
3.1 Обоснование рационального расхода пищевых волокон и активированного фильтроперлита и условий его активации
3.2 Исследование очистки диффузионного сока со бентами с отделением осадка перед преддефекацией
3.3 Исследования различных ва иантов очистки диффузионного сока
3.4 Исследование влияния комбинированных сорбентов на степень мик обиологической заг язненности ди зионного сока
ГЛАВА 4 Исследование влияния отдельных факторов на эффективность ii сатурации (модельные растворы)
4.1 Влияние ввода фильтроперлита на показатели модельных сахарных растворов
4.2 Обоснование рационального расхода активированного фильтроперлита и условий контакта его с очищаемым раствором
4.3 Влияние активированного фильтроперлита на фильтра- ционные свойства и качество очищаемого раствора
ГЛАВА 5 Исследование влияния минеральных сорбентов на эффективность ii сатурации (производственные растворы)
5.1 Влияние ввода фильтроперлита на показатели сока II сатурации
5.2 Влияние редуцирующих веществ в соке I сатурации на показатели сока II сатурации
5.3 Исследование влияния места ввода анионов фосфата на показатели сока II сатурации
5.4 Исследование влияния ввода анионов фосфата на показатели сока II сатурации
5.5 Исследование эффективности очистки сока пониженного технологического качества при комбинированном вводе реагентов
5.6 Влияние комбинированного ввода реагентов на фильтрационные показатели сока II сатурации
5.7 Оптимизация параметров очистки сока II сатурации с использованием активированного фильтроперлита
5.8 Исследование влияния возврата сгущенных суспензий сока I 154
и II сатурации на преддефекацию
Расчет ожидаемого экономического 158
Эффекта от внедрения
Основные выводы и рекомендации 167
Список использованной литературы
- Очистка диффузионного сока с отделением осадка преддефекованного сока до основной дефекации
- Определение содержания сахарозы по прямому поляриметрированию
- Исследования различных ва иантов очистки диффузионного сока
- Обоснование рационального расхода активированного фильтроперлита и условий контакта его с очищаемым раствором
Введение к работе
Актуальность темы. Основные показатели качества вырабатываемого в России сахара-песка нормируются ГОСТ 21-94 «Сахар-песок. Технические условия», в котором установлены нормативные требования по органолептическим и физико-химическим показателям. Также стандартом предусмотрены допустимые нормы по микробиологическому загрязнению сахара, содержанию пестицидов и солей тяжелых металлов.
В мировой практике одним из показателей качества белого сахара являются единицы цветности или оптической плотности (единицы ICUMSA). Белый сахар в странах ЕС производится с показателем 45 ед. ICUMSA, рафинированный 22,5 ICUMSA. В России требования качества к сахару-песку регламентирует ГОСТ 21-94, а к сахару-рафинаду ГОСТ 22-94. ГОСТ 21-94 регламентирует цветность сахара-песка – 104 ICUMSA.
Отдельные российские заводы освоили производство сахара более высокого качества, удовлетворяющего требованиям европейского внутрифирменного стандарта (Добринский, Лискинский). Однако подавляющее большинство российских заводов производят сахар, соответствующий более «мягкому» ГОСТ 21-94.
Важнейшей задачей отечественного свеклосахарного производства является интенсификация технологических процессов и модернизация устаревшего оборудования для увеличения коэффициента извлечения сахарозы и повышения качества выпускаемого белого сахара.
Одним из путей дальнейшего совершенствования технологии получения сахара из свеклы и повышения качества сахара-песка является интенсификация химических и адсорбционных процессов на основных стадиях ИУО диффузионного сока с использованием эффективных коагулянтов и сорбентов. Поэтому необходимы дальнейшие исследования по повышению эффективности не только традиционных способов очистки сахарсодержащих растворов, но и с использованием дешевых, доступных и эффективных сорбентов.
С учетом изложенного дальнейшие исследования по совершенствованию методов физико-химической очистки диффузионного сока, повышению ее эффективности и разработке новых способов ее проведения при переработке свеклы различного качества являются актуальными.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка способов повышения эффективности известково-углекислотной очистки диффузионного сока на стадиях прогрессивной преддефекации и II сатурации за счет применения природных органических и минеральных сорбентов.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
- исследовать влияние вида и массовой доли сорбентов на качество очищаемых соков и степень удаления несахаров диффузионного сока;
- определить рациональные условия введения фильтроперлита и пищевых волокон на стадии предварительной обработки диффузионного сока на качественные показатели преддефекованного и очищенного соков;
- разработать способ очистки диффузионного сока с использованием в качестве комбинированных сорбентов пищевых волокон и фильтроперлита;
- исследовать комплексное влияние сорбентов на микробиологическую загрязненность очищаемого сока;
- исследовать влияние способа активации частиц фильтроперлита на величину его электрокинетического потенциала и дисперсный состав;
- исследовать влияние ввода фильтроперлита в очищаемый сок на эффективность процесса II сатурации и качество очищенного сока;
- исследовать электрокинетические свойства частиц осадка сока II сатурации при переработке свеклы различного качества;
- провести производственные испытания разработанного способа интенсификации процесса II сатурации при использовании минерального сорбента;
- выполнить расчет ожидаемой экономической эффективности способов очистки диффузионного сока при использовании комбинированных сорбентов в виде фильтроперлита и пищевых волокон.
Научная новизна. Научно обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения в качестве сорбентов пищевых волокон и активированного фильтроперлита на стадии предварительной обработки диффузионного сока.
Обоснован способ интенсификации процесса II сатурации за счет ввода активированного фильтроперлита на завершающей стадии очистки сока, обеспечивающий получение более однородного дисперсного состава частиц осадка карбоната кальция и повышение эффективности адсорбционного удаления несахаров.
Предложен механизм активации частиц фильтроперлита при определенных условиях карбонизации исходной суспензии по величине рН при вводе СаО и обработке СО2.
Разработан способ предварительной обработки диффузионного сока комбинированными сорбентами с последующим отделением осадка несахаров перед предварительной дефекацией.
Установлено положительное влияние применения комбинации органического и минерального сорбентов на снижение степени микробиологической обсемененности диффузионного сока.
Подтверждена возможность использования в качестве «затравочного» материала предварительно активированного фильтроперлита для повышения однородности образовавшихся в процессе сатурации частиц карбоната кальция с высокой величиной ЭКП адсорбционной поверхности.
Решена задача оптимизации при использовании минерального сорбента на стадии II сатурации с целью повышения эффективности очистки диффузионного сока, что обеспечило увеличение выхода сахара-песка и снижение содержания сахарозы в мелассе при переработке свеклы различного технологического качества.
Практическая значимость. Теоретические обобщения и экспериментальные исследования явились научной основой для совершенствования известных и обоснования новых технологических решений для повышения эффективности очистки соков сахарного производства.
По результатам научных исследований разработан способ и обоснованы режимы очистки диффузионного сока, заключающиеся в использовании сорбционных свойств пищевых волокон, полученных из растительной ткани сахарной свеклы, совместно с фильтроперлитом, позволяющие повысить эффективность очистки сока на стадии предварительной обработки и на преддефекации, что обеспечивает повышение степени удаления несахаров диффузионного сока и качества очищенного сока.
Обоснованы параметры технологического режима активирования частиц фильтроперлита для эффективного использования в процессе предварительной обработки диффузионного сока и на завершающем этапе очистки – II сатурации.
Разработан способ и режимы очистки диффузионного сока, в котором в качестве затравочного материала для образования и формирования однородного дисперсного состава частиц осадка в процессе II сатурации используется активированный фильтроперлит.
В результате математической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, описывающие зависимости качественных показателей преддефекованного и очищенного соков от параметров обработки диффузионного сока с применением органического и минерального сорбентов.
Возможность эффективного применения минерального сорбента в процессе II сатурации подтверждена актом производственных испытаний (Приложение 1).
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ № 2507270 «Способ очистки диффузионного сока» (Приложение 2).
Научные положения, выносимые на защиту:
- теоретическое и экспериментальное обоснование применения пищевых волокон и фильтроперлита при очистке диффузионного сока различного качества на стадии его предварительной обработки;
- величины параметров и технологические режимы проведения очистки диффузионного сока на стадии преддефекации с использованием органического и минерального сорбентов, позволяющих улучшить качественные показатели производственных соков;
- технологический режим проведения предварительной очистки диффузионного сока сорбентами и его влияния на степень микробиологической загрязненности;
- обоснование технологических режимов и параметров проведения очистки диффузионного сока на II сатурации с использованием активированного фильтроперлита в качестве затравочных частиц для образования и формирования однородного дисперсного состава частиц осадка карбоната кальция.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует п. 1, 2, 4 паспорта специальности 05.18.05 – «Технология сахара и сахаристых продуктов, чая, табака и субтропических культур».
Апробация работы. Основные положения работы и результаты экспериментальных исследований изложены и обсуждены на ежегодных расширенных заседаниях кафедры технологии сахаристых веществ ВГУИТ (2011 – 2013 гг.); докладывались на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (2011 – 2014 гг.); Республиканской конференции молодых ученых «Наука. Образование. Молодежь», посвященной 55-летию Алматинского технологического университета (г. Алматы, 2012 г.), I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности» (г. Краснодар, 2012 г.), Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (г. Воронеж, 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы свеклосахарного комплекса – ответ на вызовы времени» (г. Курск, 2013 г.), Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство» (г. Воронеж, 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке и образовании» (г. Варшава, 2014 г.).
Основные результаты исследований, выполненных автором, опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 24 научные работы, в том числе 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ («Сахар», «Вестник ВГУИТ»), получен 1 патент РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 35 таблиц. Список использованной литературы включает 143 наименования, из них 15 работ зарубежных авторов.
Очистка диффузионного сока с отделением осадка преддефекованного сока до основной дефекации
К дисперсным системам свеклосахарного производства можно отнести все жидкие производственные суспензии: известковое молоко, преддефекованный, дефекованный, нефильтрованные сатурационные соки, суспензии сатурационных осадков, нефильтрованные сиропы [105, 107].
На поверхности частиц дисперсных фаз вследствие их ионизации или адсорбции ионов образуется двойной электрический слой, одной из характеристик которого служит -потенциал [125]. Технологические процессы очистки диффузионных соков связаны с взаимодействием заряженных частиц дисперсных фаз и ионов диссоциированных веществ: - на преддефекации отрицательный заряд высокомолекулярных соединении нейтрализуется ионами кальция Са известкового молока; для повышения скорости коагуляции и осаждения вводят осадки соков I и II сатурации, частицы которых имеют поверхностный заряд; - на основной дефекации растворение коагулята преддефекованного сока (пептизация) является следствием электрокинетических явлений; - на I и II сатурациях полнота адсорбции несахаров на поверхности образующегося карбоната кальция зависит от знака и величины поверхностного заряда его частиц. Таким образом, заряд частиц дисперсных фаз сахарсодержащих продуктов является одним из факторов, определяющих эффективность технологических процессов. Несахара диффузионного сока по-разному влияют на -потенциал частиц дисперсных фаз продуктов сахарного производства. Савостиным А.В. с сотрудниками были проведены исследования по определению оптимальной щелочности сока основной дефекации (для диффузионного сока с чистотой 89,5 %) на основании измерений заряда частиц сока I сатурации методом суспензионного эффекта [107].
Установлено, что при титруемой объемной щелочности сока ниже 0,8 % СаО частицы суспензии сока I сатурации перезаряжались и имели отрицательный -потенциал, эффективность очистки диффузионных соков снижалась. При щелочности выше 0,8 % СаО заряд частиц карбоната кальция был положительным и возрастал с увеличением расхода извести. Оптимальной оказалась щелочность в пределах 0,87 - 0,90 % СаО, что соответствует положительному заряду частиц осадка сока I сатурации в интервале +(8 - 10) мВ. В ходе эксперимента также было выявлено, что дальнейшее повышение щелочности сока основной дефекации не приводило к существенному повышению эффективности очистки диффузионного сока. Возврат суспензии с положительным зарядом частиц +(8 - 10) мВ на преддефекации способствовал повышению скорости коагуляции и осаждения ВМС и ВКД. Это дало основание полагать, что на основной дефекации необходимо поддерживать такую щелочность, чтобы после завершения I сатурации частицы осадка отсатурированного сока имели положительный заряд на уровне +(8 - 10) мВ [107].
Заряд осадка сока I сатурации зависит от концентрации коллоидов в диффузионном соке и расхода извести на очистку. В момент образования карбоната кальция на сатурации осадок имеет положительный заряд. При повышенном содержании коллоидных веществ он перезаряжается и становится отрицательным. По результатам исследований [109], величина его -потенциала может достичь значений -(12 - 14) мВ, а при возврате на диффузию неочищенной жомопрессовой воды после прессов глубокого отжима -(20 - 24) мВ. Ввод осадков с малым отрицательным зарядом на преддефекацию не приводит к улучшению качества очищенных соков и сиропов, хотя и способствует увеличению скорости осаждения осадка преддефекованного сока за счет крупных и тяжелых частиц карбоната кальция. При возврате осадка сока I сатурации с большим отрицательным зарядом отмечается ухудшение качества очищенных соков, поэтому возвращать на преддефекацию такой осадок нецелесообразно.
По данным [81, 126] и [109], осадок сока II сатурации имеет положительный заряд, и его -потенциал достигает значений +(5 - 14) мВ. Осадок представляет собой практически чистый карбонат кальция, незагрязненный коллоидами. Возврат такой суспензии способствует осаждению и коагуляции коллоидов преддефекованного сока, однако этого недостаточно для максимального осаждения ВМС и ВКД. В процессе предварительной дефекации нейтрализовать полностью отрицательный заряд коллоидов не удается, так как часть диссоциированных карбоксильных групп остаются недоступными для ионов Са , коагулят коллоидов с известью сохраняет отрицательный заряд и в конце преддефекации, причем максимальную величину он имеет при рН 7,8 - 8,5 [81].
Таким образом, для повышения эффективности очистки диффузионного сока в условиях повышенного содержания коллоидных веществ необходимы дальнейшие исследования по рациональному использованию остаточной адсорбционной активности сгущенной суспензии сока II сатурации [109].
Применение минеральных и органических сорбентов в технологии сахарного производства Адсорбция растворенных органических веществ лежит в основе многих технологических процессов [1, 44]. Существует большое количество адсорбентов, однако их применение в промышленности ограничено их высокой стоимостью. Поэтому интерес представляет поиск новых недорогих сорбентов, исходя из их наличия в конкретном регионе, капитальных и эксплуатационных расходов. По этой причине, многие исследования последних лет направлены на получение эффективных сорбентов на основе природного сырья. Новые виды сорбентов должны иметь низкую стоимость, доступность и эффективность, быть экологически чистыми, не вызывать вторичного загрязнения очищаемого продукта, обладать сравнительно высокой сорбционной емкостью. Так, для очистки воды от ионов тяжелых металлов используются: хитозан [135], джут [134], рисовая шелуха [128], целлюлоза [137], древесные опилки [2, 133], базальтовое волокно [85], бентонитовые глины [117, 132].
Определение содержания сахарозы по прямому поляриметрированию
В табл. 3.2 приведены средние значения показателей. Для проверки соответствия результатов измерений закону нормального распределения и исключения случайных грубых погрешностей измерений проводили оценку воспроизводимости результатов опыта по критерию Кохрена.
Табличное значение критерия Кохрена GT = 0,561 при доверительной вероятности Р = 0,95, общем количестве оценок дисперсии N = 7, число степеней свободы f = 2 (f = k - 1) Опыты считаются воспроизводимыми, а оценки дисперсии - однородными при выполнении условия Gp GT. Поскольку расчетное значение критерия Кохрена оказалось меньше табличного - опыты воспроизводимы [40].
Из рис. 3.3 видно, что при добавлении в диффузионный сок ПВ в количестве 0,2 - 0,3 % достигается увеличение чистоты преддефекованного сока на 1,1 - 1,15 % по сравнению с традиционной схемой, эффект очистки увеличивается на 8,94 - 9,34 %. Увеличение расхода ПВ более 0,3 % является нецелесообразным, т. к. не оказывает влияния на увеличение чистоты преддефекованного сока [86].
Аналогичная зависимость наблюдается при дальнейшей очистке с получением сока II сатурации (общий расход СаО 100 % к массе несахаров диффузионного сока). При добавлении в диффузионный сок 0,2 - 0,3 % ПВ чистота сока II сатурации повышается на 1,35 - 1,45 % по сравнению с традиционной схемой, эффект очистки повышается на 8,15 - 8,74 %. Результаты представлены в табл. 3.4 и на рис. 3.4.
Известно, что при введении фильтровальных порошков в свекловичный сок мельчайшие частицы порошка задерживают все суспендированные в соке частицы, обволакивают слизистые осадки, а также являются центрами для коагуляции высокополимеров [87].
На следующем этапе исследований с учетом наличия в диффузионном соке различных групп несахаров использовали комбинирование органического сорбента с минеральным, а именно ПВ и активированного фильтроперлита [20, 21, 26, 61].
В работе использовался фильтроперлит Мытищинского месторождения. С помощью цифровой камеры-окуляра для микроскопа DCM300 и программы ScopePhoto нами получены фотографии дисперсного состава частиц исходного фильтроперлита в водной среде (рис. 3.5). На рис. 3.5 видно, что частицы фильтроперлита представляет собой мелкозернистую структуру, состоящую из ломаных гранул неправильной геометрической формы, что позволяет использовать его для фильтрования крупных взвесей. С помощью микроскопирования установлен размер и содержание гранул исходного фильтроперлита, который составил для частиц менее 1 мкм - 10 %; 1,0 - 2,0 - 75 %; 2 - 3 - 15 %. Рис. 3.5 Дисперсный состав частиц фильтроперлита (X 2400)
С учетом важности знания электрокинетических характеристик частиц фильтроперлита определили величину электрокинетического потенциала (ЭКП) в водной среде. В ранее выполненных исследованиях установлено влияние рН водной среды суспензии фильтроперлита на величину ЭКП его частиц [103, 108]. Для определения величины ЭКП частиц фильтроперлита использовали метод определения заряда суспензий, основанный на явлении суспензионного эффекта. Частицы с двойным электрическим слоем (мицеллы) создают в дисперсионной системе соответствующую противоионам ионную среду - суспензионный эффект. При удалении частиц, например с помощью фильтрования, противоионы уходят вместе с ними (в количествах, эквивалентных заряду частиц). Отсюда суспензионный эффект количественно можно определить как разность между концентрационными характеристиками противоионов в суспензии (дисперсной системе) и в фильтрате. Суспензионный эффект рассчитывается по выражению рНсэ = рНс - рНф, т.е. по разности значений рН суспензии и фильтрата [125].
Предварительную активацию частиц фильтроперлита осуществляли путем подщелачивания его водной суспензии известкованной водой до рН 11,0 с последующей карбонизацией до рН 9,0, в процессе которой поверхность частиц фильтроперлита покрывается микрочастицами образующегося карбоната кальция. Величина ЭКП образующихся агрегатов имеет высокую положительную величину. Аппаратурная схема процесса активации частиц фильтроперлита представлена на рис. 3.6.
Активирование фильтроперлита до рН 9,0 осуществляется в связи с тем, что при этом значении рН достигается максимальная величина ЭКП частиц с формированием более однородного их дисперсного состава (рис. 3.7). Кривые распределения частиц активированного и неактивированного фильтроперлита приведены нарис. 3.8. Влияние рН20 среды на электрокинетический потенциал частиц фильтроперлита представлено на рис. 3.9.
Исследования различных ва иантов очистки диффузионного сока
На сахарные заводы в течение производственного сезона выработки белого сахара поступает сырье различного качества, что обусловлено нестабильными климатическими условиями, использованием свекловичных семян сахарной свеклы зарубежной селекции с пониженным иммунитетом относительно поражения корневой и кагатной гнилью, переработкой свеклы в условиях отрицательных температур, что вызывает подмораживание корнеплодов, загнивание и появление в них дополнительных вредных несахаров. Переработка свеклы пониженного качества приводит к снижению чистоты очищенного сока, увеличению расхода гидроксида кальция на очистку диффузионного сока, повышению цветности и зольности жидких полупродуктов, ухудшению фильтрования сатурационных соков [27, 30].
Повышенные требования к качеству сахара ставят перед работниками сахарной отрасли задачи целенаправленного совершенствования технологии физико-химической очистки диффузионного сока. Целью очистки является максимальное удаление несахаров, получение очищенного сока с нормативной термоустойчивостью и получение суспензий сатурационных соков с необходимыми седиментационными и фильтрационными показателями [35].
В известково-углекислотной очистке диффузионного сока важнейшую роль играет адсорбция несахаров частицами осадка карбоната кальция, образующегося непосредственно в процессе карбонизации очищаемого известкованного сахарсодержащего раствора. Явление адсорбции обусловливается физико-химическими свойствами поверхности осадка и, в первую очередь, его электрокинетическими свойствами, характеризуемыми -потенциалом [127].
Интенсифицировать традиционную ИУО диффузионного сока возможно за счет использования дополнительных минеральных сорбентов (фильтроперлит), с более глубоким исследованием электрокинетических свойств частиц карбоната кальция, что с учетом современных задач отечественной сахарной промышленности является актуальным [27, 30].
Для исследования влияния ввода минерального сорбента на эффективность II сатурации и показатели очищенного сока выполнены эксперименты по изучению ввода фильтроперлита с определенной дисперсностью частиц на завершающей стадии очистки диффузионного сока - горячей известковой обработке и последующей II сатурации.
Была проведена серия предварительных исследований в лабораторных условиях по выявлению рационального места ввода в очищаемый сок частиц фильтроперлита. Положительные результаты по качеству очищенного сока получены при введении частиц фильтроперлита в фильтрованный сок I сатурации после его обработки гидроксидом кальция. Частицы фильтроперлита вводили в очищаемый сок без предварительной обработки и после его активирования [29].
На начальном этапе эксперименты проводили на модельных водных растворах, содержащих 12 % сахарозы, с предварительным добавлением в них перед известковой обработкой 0,1 % редуцирующих веществ (РВ) (эквимолекулярная смесь х.ч. глюкозы и фруктозы) к массе раствора. Добавление РВ обусловлено тем, что при их щелочно-термическом разложении в условиях избытка гидроксида кальция образуются различные красящие вещества, органические кислоты, образующие соли с катионом кальция. Эти две группы несахаров в значительной степени влияют на качество очищенного сока. Проводили завершающий этап типовой очистки, включая горячую дефекацию и II сатурацию при рН 9,3 - 9,5, после чего модельные суспензии фильтровали, определяли оптическую плотность фильтрата и величины ЭКП карбонатных суспензий, рассчитывали эффект адсорбции по красящим веществам [29]. Схема проведения известково углекислотной очистки модельного раствора приведена на рис. 4.1.
В табл. 4.1 приведены средние значения показателей. Для проверки соответствия результатов измерений закону нормального распределения и исключения случайных грубых погрешностей измерений проводили оценку воспроизводимости результатов опыта по критерию Ко хрена. Расчетное значение критерия Кохрена по оптической плотности составило: Gp =5,2х 10 5/(5,2 х10 5+0,45 х10 5+2,1 х10 5) = 0,671.
Табличное значение критерия Кохрена GT = 0,871 при доверительной вероятности Р = 0,95, общем количестве оценок дисперсии N = 3, число степеней свободы f = 2 (f = k - 1).
Опыты считаются воспроизводимыми, а оценки дисперсии -однородными при выполнении условия Gp GT. Поскольку расчетное значение критерия Кохрена оказалось меньше табличного - опыты воспроизводимы.
Из данных табл. 4.1 видно, что при предварительном введении частиц активированного фильтроперлита в очищаемый известкованный модельный раствор, достигнут наибольший эффект адсорбции красящих веществ карбонатом кальция - 60 %, в контрольном опыте 48,4 %, или на 24 % (отн.) ниже.
Добавляемые в известкованный модельный раствор частицы активированного фильтроперлита, имеющие высокий положительный ЭКП, являются одновременно центрами кристаллизации структуры осадка СаСОз и адсорбентом отрицательно заряженных макромолекул высокомолекулярных несахаров, красящих веществ, кальциевых солей различных кислот. В результате ввода активированных частиц фильтроперлита повышается однородность образующихся частиц осадка карбоната кальция, увеличивается его адсорбционная способность, что позволяет повысить качество очищенного сока, снизить его цветность и содержание солей кальция, а также улучшить фильтрационные показатели сатурационного сока [28].
ЭКП активированного фильтроперлита имеет значительную положительную величину (более 100 мВ), поэтому даже после эффективной адсорбции несахаров модельного раствора его значение остается высоким, что свидетельствует о существенной остаточной адсорбционной активности поверхности частиц осадка. 100 Нами предлагается следующее объяснение процесса активации частиц фильтроперлита. Известно, что фильтроперлит представляет собой алюмосиликатную породу, близкую по химическому составу к минералу ортоклазу, имеющему следующее химическое строение: ортоклаз КгАІгБібОїб (K O-AbC SiC ).
В водной суспензии, содержащей частицы фильтроперлита, при появлении в жидкой фазе диоксида углерода, отщепляется КгО, который содержится в составе фильтроперлита в количестве 4,0 - 4,5 %, следовательно, на поверхности фильтроперлита появляются молекулы К2СО3. Процесс взаимодействия угольной кислоты с частицами фильтроперлита может быть изображен следующей схемой:
КгАІгБібОїб + 2Н2О + СОг = К2СО3 + г АІгБігОд + 4SiC 2, в результате реакции образуется карбонат калия, каолин и кварц [101].
Свободные анионы карбоната взаимодействуют с катионами кальция, которые присутствуют в избытке. Образующиеся частицы СаСОз адсорбируются на поверхности частиц фильтроперлита, имеющих на своей поверхности анионы СОз К2СО3 + Са(ОН)2 = СаСОз + 2КОН. Строение коллоидной частицы СаСОз имеет следующий вид [66, 102]: т[СаСОЛпСа2+2(п-х)ОН"[ 2хОН" . Согласно правилу Панетта-Фаянса, в роли потенпиалопределяющих ионов при образовании коллоидной частицы будут выступать ионы Са , которые присутствуют в растворе в избыточном количестве. Осадок карбоната кальция заряжается положительно. Ионы ОН" являются противоионами адсорбционного слоя. Часть из них прочно и неподвижно закрепится на поверхности ядра СаСОз за счет действия электростатических и адсорбционных сил, образуя с потенциал определяющими ионами адсорбционный слой мицеллы.
Обоснование рационального расхода активированного фильтроперлита и условий контакта его с очищаемым раствором
Способ разработан на кафедре технологии бродильных и сахаристых производств Воронежского государственного университета инженерных технологий. При промышленной проверке этого способа был установлен экономический эффект, выраженный увеличением выхода сахара за счет повышения эффективности очистки диффузионного сока.
Эффективность предлагаемого процесса дефекосатурационной очистки диффузионного сока выражается в следующем: повышении эффекта очистки до 31 % (эффект очистки по заводской схеме составляет в среднем 27,0 %);
1. Разработан способ очистки диффузионного сока с использованием комбинированных сорбентов и отделением несахаров до прогрессивной преддефекации. Рациональные расходы сорбентов: 0,3 % к массе сока пищевых волокон, 0,2 % к массе сока активированного фильтроперлита, время контакта сорбентов с соком 6 мин. Эффект очистки диффузионного сока увеличивается на 15 - 17 %, содержание кальциевых солей в очищенном соке снижается на 50 %, цветность - на 60 - 64 %, в 7 раз снижается микробиологическая загрязненность преддефекованного сока по сравнению с традиционной очисткой. Показана возможность снижения расхода извести на очистку на 0,40 - 0,50 % к массе свеклы по сравнению с традиционной схемой.
2. Разработан способ активации частиц фильтроперлита путем проведения дефекосатурационной обработки его суспензии. Установлено, что при рН суспензии 8,8 - 9,3 частицы активированного фильтроперлита имеют максимальное положительное значение ЭКП (120 - 150 мВ) и более однородный дисперсный состав в сравнении с исходным.
3. Показана возможность эффективного использования суспензии сока II сатурации на этапе предварительной обработки диффузионного сока вместо ввода активированного фильтроперлита, что обеспечивает удешевление процесса очистки с высокими показателями качества очищенного сока при отделении осадка несахаров перед прогрессивной преддефекацией.
4. Разработан способ предварительной обработки диффузионного сока с применением в качестве сорбента пищевых волокон. Новизна технического решения подтверждена патентом РФ № 2507270 «Способ очистки диффузионного сока».
5. Обоснован оптимальный расход активированного фильтроперлита для улучшения дисперсного состава карбоната кальция, образующегося в процессе II сатурации при очистке диффузионного сока различного качества: для свеклы среднего качества (Чдс 87 - 88 %) - 0,016 ± 0,005 % к массе сока, содержание солей кальция в соке II сатурации снижается на 21 - 24 %, цветность - на 15 167 %; для свеклы пониженного качества (Чдс менее 86 %) расход активированного фильтроперлита - 0,024 % к массе сока, содержание солей кальция в очищенном соке снижается на 17 - 20 %, цветность - на 10 - 12 %.
6. Установлено, что добавление анионов фосфата на завершающей стадии очистки совместно с активированным фильтроперлитом способствует дополнительному удалению несахаров за счет образования активных центров адсорбции. Обоснован рациональный расход анионов фосфата: для свеклы среднего качества - 2 - 4 % к массе анионов карбоната, что позволяет снизить содержание солей кальция в соке II сатурации на 30 - 50 %, цветность на 30 -32 %; для свеклы пониженного качества расход анионов фосфата - 6 - 8 % к массе анионов карбоната, содержание солей кальция снижается на 24 - 40 %, цветность - на 10 - 13 %, мутность очищенного сока уменьшается на 28 - 34 % в сравнении с контролем.
7. Показана эффективность ввода анионов фосфата для повышения степени декальцинации сока II сатурации при его дозревании. Добавление анионов фосфата в количестве 2 - 4 % к массе анионов карбоната способствует дополнительному снижению солей Са в очищенном соке на 10 - 15 %. Скорость фильтрования сока II сатурации после его дозревания повышается на - 4,0 - 10,3 %.
8. Подтверждена важность известковой обработки диффузионного сока на начальном этапе в контролируемых условиях комбинированной основной дефекации до минимального остаточного содержания редуцирующих веществ перед завершающей стадией очистки (не выше 0,025 - 0,030 % к массе сока).
9. Разработанная технология использования комбинации сорбентов для предварительной обработки диффузионного сока различного качества и отделением несахаров перед предварительной дефекацией, и ввод активированного фильтроперлита на завершающей стадии очистки за счет более полного удаления несахаров позволяет повысить чистоту очищенного сока на 2,05 % и 0,55 % соответственно, снизить содержание сахарозы в мелассе, что обеспечивает увеличение выхода сахара-песка на 0,55 % к массе свеклы и 0,17 % к массе свеклы соответственно. 10. Ожидаемый экономический эффект от внедрения способа интенсификации II сатурации с вводом активированного фильтроперлита для завода мощностью 3000 тонн свеклы в сутки составит 11,8 млн. руб. за производственный сезон 110 суток. Эффект от внедрения способа предварительной обработки диффузионного сока сорбентами с отделением осадка несахаров перед преддефекацией составит 18,05 млн. руб. за производственный сезон 110 суток.
