Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих способов проведения процесса экстракции сахарозы из свеклы 11
1.1 Теоретические аспекты процесса экстракции сахарозы из свекловичной стружки 11
1.2 Подготовка свекловичной стружки 23
1.2.1 Тепловая обработка свекловичной стружки 23
1.2.2 Обработка свекловичной стружки электрическим током 28
1.2.3 Обработка соко - стружечной смеси высоковольтными импульсами и низкочастотными колебаниями 30
1.2.4 Обработка свекловичной стружки химическими веществами...31
1.3 Подготовка экстрагирующей жидкости для диффузионного процесса 35
1.3.1 Применение барометрической воды и аммиачных конденсатов 42
1.3.2 Очистка жомопрессовой воды 47
1.3.3 Физические способы обработки экстрагирующей жидкости 55
1.3.4 Дополнительные источники воды для экстрагирующей жидкости 58
Глава 2 Обоснование целесообразности подготовки экстрагирующей жидкости к процессу экстракции сахарозы из свеклы 61
2.1 Объекты и методы исследования 64
2.2 Реагенты для химической обработки экстрагирующей жидкости и их физико - химическая характеристика 66
2.3 Определение рационального расхода гипса при подготовке экстрагирующей жидкости
2.4 Влияние совместной обработки экстрагирующей жидкости гипсом и известью с последующим глубоким пересатурированием на качество диффузионного сока 77
2.5 Влияние места ввода гипса и извести в экстрагирующую жидкость на качество диффузионного сока. 83
2.6 Исследование разных вариантов обработки жомопрессовой воды; 85
Глава 3 Использование энергии электромагнитного поля при подготовке экстрагирующей жидкости для экстракции сахарозы . 88
3.1 Методика проведения экспериментов по обработке воды, применяемой в качестве экстрагирующей жидкости, электромагнитным полем. 90
3.2 Исследования влияния электромагнитного поля на микрофлору жомопрессовой воды . 92
3.3 Исследования влияния экстрагирующей жидкости, обработанной ЭМП, на качество диффузионного сока. 97
3.4 Влияние качества экстрагирующей жидкости на неучтенные потери сахарозы в процессе экстракции. 100
Глава 4 Использование жомопрессовой воды в качестве ошпаривающего агента для свекловичной стружки 104
4.1 Цель и задачи исследования 109
4.2 Экспериментальные исследования 110
4.2.1 Поиск наиболее эффективного агента для предварительной обработки свекловичной стружки 111
4.2.2 Определение степени инфицированности диф фузионного процесса при ошпаривании стружки жомопрессовой водой 114
4.2.3 Исследование структурно - механических свойств свекловичной стружки и жома при ошпаривании стружки жомопрессовой водой 117
Глава 5 Практические рекомендации и разработка технологической схемы процесса экстракции сахарозы из свеклы 123
5.1 Способы получения диффузионного сока 123
5.2 Разработка рациональной ресурсосберегающей технологической схемы получения и очистки диффузионного сока 125
Основные выводы 132
Список литературных источников 134
Приложения 151
- Обработка соко - стружечной смеси высоковольтными импульсами и низкочастотными колебаниями
- Реагенты для химической обработки экстрагирующей жидкости и их физико - химическая характеристика
- Исследования влияния электромагнитного поля на микрофлору жомопрессовой воды
- Поиск наиболее эффективного агента для предварительной обработки свекловичной стружки
Введение к работе
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.
В настоящее время в» сахарной промышленности Российской Федерации имеются 95 сахарных заводов общей мощностью-276, Г тыс. т переработки свеклы в сутки, расположенных в 28 свеклосеющих регионах, которые за производственный, сезон способны выработать свыше 3 миллионов тонн сахара-песка из свеклы. Кроме того, в межсезонный период (январь, - август) на сахарных заводах может быть выработано столько- же сахара из импортного сахара-сырца. Таким образом, предприятия отрасли могут обеспечить страну сахаром без закупок белого сахара-за рубежом. Однако, выход сахара в России значительно ниже,- чем в передовых сахаропроизводящих странах. Это объясняется прежде, всего тем, что в условиях рынка при несоизмеримости цен на промышленную и. сельскохозяйственную» продукцию, эффективность свекловодства значительно снижается, что ведет к уменьшению производства и урожайности корнеплодов. В связи со спадом производства свеклы сахарные заводы испытывают трудности с сырьем, а ведь одна из особенностей сахарного производства - зависимость технико - экономических показателей работы завода от сырья, то есть сахарной-свеклы.
За последние годы значительно снизилось использование производственной мощности заводов. 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.
Одной из причин ухудшения финансового состояния свеклосахарного комплекса является то, что в последние годы не осуществляются государственные закупки сахарной свеклы для поставки ее и выработанного из нее сахара-песка в государственные фонды, вся свекла заготавливается, и перерабатывается на давальческих условиях, а 25 - 30% сахара от выработанного, что остается сахарным заводам, не компенсирует полностью затраты на переработку сырья.
Все: это ведет к тому, что российский сахар становится неконкурентоспособным на европейском рынке, однако потребность в-нем, как. в важнейшем пищевом продукте, не снижается. Свеклосахарная промышленность России имеет неисчерпанные резервы своего развития, поэтому для их использования требуется создание благоприятных организационно - экономических условий.,
Таким образом, 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:
Диффузионный способ получения сока из свеклы впервые был применен в России Д.А. Давыдовым в 1833 году. В 1864 году в Чехословакии были применены диффузор и диффузионная батарея практичной конструкции, предложенной Робертом [150]. В результате этого диффузионный способ стал самым распространенным. А через долгое время
7 на смену системе Роберта пришли диффузионные аппараты непрерывного действия [34].
В наши дни, диффузионный сок, как и раньше, получают экстракцией, эффективность которой зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются: количество подаваемой воды, (откачка), качество экстрагирующей жидкости, температура, длительность диффузии. Поэтому поиск способов, интенсифицирующих процесс извлечения сахара из свеклы, является важным фактором повышения эффективности производства сахара.
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 кальциисодержащих 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 кальциисодержащих 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,
9 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 НІЖ «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства» (Краснодар, 2005), на XXXIII научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального
10
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 X Всероссийской научно-
практической конференции «Образование-наука-технологии», IX
Всероссийской научно-практической конференции «Агропромышленный
комплекс и актуальные проблемы экономики регионов», IX 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.
Обработка соко - стружечной смеси высоковольтными импульсами и низкочастотными колебаниями
Электрогидравлический эффект заключается в том, что практически несжимаемая жидкость с огромной скоростью раздвигается во все стороны от линии разряда, создавая полость кавитации и первую ударную волну. Затем полость смыкается, создавая вторую ударную волну. Цикл повторяется с частотой следования импульсов. Данное явление применяют для ускорения массообмена в системе твердое тело - жидкость.
Проводились исследования по интенсификации процесса экстракции сахара из свекловичной стружки при обработке сокостружечной смеси высоковольтными разрядами [136]. Определены следующие оптимальные параметры обработки свекловичной стружки: напряжение 50 кВ, емкость 1, мкФ, количество импульсов - 20. При 20 импульсах стружка мало( измельчается, выход сока увеличивается вследствие нарушения структуры свекловичных клеток, продолжительность экстракции снижается примерно в-1,5 раза. Помимо этого, данный способ-позволяет проводить диффузионный процесс в стерильных условиях вследствие дезинфицирующего действия, высоковольтных разрядов.
Недостаток данного способа - повышенные требования техники безопасности при работе с высоковольтным оборудованием.
Под влиянием низкочастотных колебаний процесс экстракции сахара из свекловичной стружки интенсифицируется вследствие увеличения массоотдачи от поверхности стружки к экстрагирующей жидкости. Между интенсивностью массоотдачи и скоростью движения экстрагирующей жидкости существует зависимость.
Повышение температуры ослабляет эти связи, способствуя переходу компонентов клеточной ткани, в первую очередь пектина, в раствор. Растворение пектина и сопутствующих ему гемицеллюлоз - арабана. и галактана - увеличивается с ростом продолжительности воздействия высокой температуры. Арабан и галактан являются электронейтральными соединениями, они не удаляются- на известково - углекислотной очистке, поэтому переход в экстрагирующую жидкость компонентов клеточных тканей1 свеклы снижает не только чистоту диффузионного сока, но и эффект последующей известково - углекислотной очистки [38]. ;, Пектин, как полимерная-кислота обладает повышенным сродством к катионам второй группы периодической системы элементов Менделеева. При нагревании с разбавленными кислотами, а еще гораздо быстрее при нагревании со щелочами (и известью) пектин подвергается гидролизу, т.е. сложные эфиры омыляются, отщепляются метиловый спирт и уксусная кислота и получается полигалактуроновая кислота, которая с известью дает желатинозный, весьма трудноотфильтровываемый осадок кальциевой соли.
Поэтому необходимо свести к минимуму переход этих веществ в диффузионный сок. Обработка стружки реагентами, переводящими основной компонент клеточной стенки - протопектин - в нерастворимое состояние используется как элемент подготовки свекловичной стружки к экстракции [38]. Для повышения прочности свекловичной стружки предложена ее кальцинация.
Известно [38], что прочность связи ионов- кальция с пектином на поверхности стружки и его вскрытых клеток такова, что для ее кальцинации могут быть использованы растворимые кальциевые соли даже сильных кислот - соляной, серной или фосфорной. Из них следует исключить лишь соляную кислоту: она не удаляется при известково- углекислотной очистке, накапливается в виде хлористых солей в мелассе и уносит в ней соответствующее количество сахара.
В работе ученых КТИПП [49] исследовалась обработка свекловичной стружки известковой водой с выдерживанием ее при температуре 20 — 45С. При действии ионов Са2+ в щелочных условиях на пектин происходят реакции: 1) гидролиза эфира, что приводит к получению метанола и уксусной кислоты; 2) расщепление полимера по гликозидной связи. При высокой температуре под воздействием ионов. ОН" подвергаются гидролизу не только эфиры, но также расщепляется гликозидная связь.
Положительным моментом данного способа является то, что образующаяся солевая форма пектиновой кислоты более устойчива, чем эфирная, и поэтому пектин, благодаря холодной деэтерификации и осаждению кальцием, практически нерастворим в условиях горячей противоточной экстракции. Представляет интерес применение суперфосфата - широко используемое и доступное удобрение, представляющее собой смесь монокальцийфосфата с гипсом [60]. Имелись предложения обрабатывать стружку сахаро - известкованным раствором при пониженных ( 15С) температурах с последующей экстракцией также при пониженных температурах либо после нейтрализации избытка гидроксида кальция кислотой, образующей с ионом кальция малорастворимую соль [78]. Для кальцинации стружки в производственных условиях может быть использован известкованный сахарный раствор (сок станции очистки), отсатурированный до значений рН 7,0 - 7,5 [115]. Нефильтрованный сок второй сатурации, отсатурированный до значений рН 6,8, содержит в растворе 1,98 г/л бикарбоната кальция, что в пересчете на СаО соответствует 0,62 г/л, что вполне достаточно для кальцинации стружки [38].
Опыты [103, 118] свидетельствуют о том, что обработка стружки глубоко сатурированным, т.е. бикарбонизированным соком, предпочтительно соком» второй сатурации, повышает на единицу чистоту диффузионного сока, и более чем на единицу - очищенного сока.
Бикарбонат кальция как реактив для- кальцинации стружки существенно отличается» от кальциевых солей сильных кислот. Ион кальция бикарбоната реагирует не только с пектинами на поверхности стружки, но и с несахарами клеточного» сока разорванных клеток. Это в первую очередь-белки.и другие ВМС, которые образуют сионом кальция малорастворимые соединения, что должно предотвратить» их вымывание экстрагирующей жидкостью и накопление в диффузионном соке [38] .
Таким образом, кальцинация стружки перед поступлением в диффузионный аппарат повышает сопротивляемость ее клеточной ткани длительному тепловому воздействию в процессе экстракции, снижая переход пектина и сопутствующих гемицеллюлоз в диффузионный сок, повышает упругость стружки на 12 - 15%.
Реагенты для химической обработки экстрагирующей жидкости и их физико - химическая характеристика
Основным при техническом нормировании качества воды, является условие, чтобьг используемая экстрагирующая жидкость не нарушала технологического процесса производства. В соответствии с этим возникают требования к экстрагирующей жидкости: вода не должна ухудшать качество продукции, содержать примесей, отрицательно влияющих на процесс экстракции сахара, вызывать коррозии, аппаратуры, трубопроводов и сооружений, давать солевых отложений, качество воды не должно снижать технике - экономических показателей производственного процесса и создавать аварийные режимы [151].
Применяемые на сахарных заводах в качестве экстрагирующей жидкости виды вод не отвечают всем требованиям, которые необходимы для нормального проведения процесса экстракции сахарозы, из свекловичной стружки; Поэтому очистке и подготовке применяемой воды и особенно удалению примесей, содержащихся в воде, необходимо уделять особое внимание.
В данных: исследованиях выбран реагентный метод - использование. химических веществ; позволяющих; обеззаразить, воду от различных; видов бактерий; осадить ш адсорбировать, различные: коллоидно — дисперсные примесиводы, улучшить, физико — химические свойства воды и получаемого сока:
В процессе извлечения; сахара из: свекловичной стружки резко снижаются» ее показатели прочности.. В то же время? наиболее полное извлечение сахара из: стружки: при высоком; качестве диффузионного сока может быть, достигнуто:; при таком? режиме процесса; когда1 ткань сохраняет оптимальные показатели прочности: Одно из направлений упрочнения свекловичной ткани в, процессе экстракции должно? основываться: на химическом воздействии [93]. Используя подготовленную соответствующим образом экстрагирующую жидкость, можно добиться и повышения прочности свекловичной ткани.
С целью выявления влияния- обработки экстрагирующей жидкости химическими реагентами на качество получаемого диффузионного и очищенного соков нами были исследованы следующие вещества: известь, хлористый.кальций СаСЬ и дегидрат сульфата кальция CaS04 2 Н20:
Под понятием «известь» различают два химических вещества - оксид кальция СаО и гидроксид кальция Са(ОН)2 [33]г. Оксид кальция- в промышленности получают путем обжига известняка. При. взаимодействии с водой выделяется большое количество теплоты, и оксид кальция превращается» в гидроксид кальция - гашеная, известь - белый рыхлый порошок, немного растворимый в воде.
Известковое молоко, используемое при известково - углекислотной очистке в сахарном производстве, является результатом гашения свежеобожженного оксида кальция. Действующим компонентом в нем является гидроксид кальция.
Гидроксид кальция в растворе имеет двухступенчатую диссоциацию: на первой образуется комплексный однозарядный ион гидроксикальция СаОГҐ"; на- второй ступени образуется двухзарядный ион кальция Са2+ и однозарядный ион гидроксила ОН".
В известкованных растворах могут существовать эти два вида ионов кальция, причем в разном соотношении в зависимости от условий среды.
Двухзарядный ион кальция Са , вступая в реакции, образует малорастворимые или нерастворимые соединения. Однозарядный ион гидроксикальция может образовывать лишь растворимые соли.
Использование извести в свеклосахарном производстве связано с тем; что присутствующие в. ней; ионьг кальция» способны провести реакции коагуляции и-осаждения несахаров.
По теории П.М. Силина [132; 133], при малом количестве извести осаждение несахаров неполное, так KaKv мал избыток осаждающего иона кальция, а так же потому, что мала концентрация ионов гидроксила, из - за чего, осаждаемые соли легко подвергаются гидролизу. С другой стороны, при чрезмерном повышении количества извести и увеличении рН осаждение несахаров также недостаточно, так как в присутствии сахарозы щелочь пептизирует осаждаемые несахара. Поэтому в свеклосахарном производстве имеет место вопрос о рациональном расходе извести.
Одним из способов предохранения сокостружечной смеси и диффузионного сока от инфицирования является-хлорирование воды. Хлор легко растворяется в воде, и содержание его. в воде в количестве 0,5 - 0,7 мг/л придает ей антисептические свойства [97].
С целью снижения рН в конце диффузионного аппарата рекомендуется добавлять к экстрагирующей воде хлористый кальций в количестве около 29 г СаСЬ на 100 кг свеклы. По мнению Н.Шивека [61], это является косвенным добавлением соляной кислоты, так как СаСЬ, реагируя с SO2 при сульфитации, образует CaSC и НС1.
Гипс (от греч. gypsos — мел, известь), минерал, водная сернокислая соль кальция CaS04 2Н20; в чистом виде содержит 32,56% СаО; 46,51% SO3 и 20,93% Н20. Кристаллизуется в моноклинной системе. Структура кристаллической решётки гипса относится к типу слоистой. Двойные слои состоят из тетраэдров [SO4], связанных через кальций. Чистый гипс бесцветен и прозрачен, при наличии примесей имеет серую, желтоватую, розоватую, бурую и другую окраски. Твёрдость по минералогической шкале 1,5; плотность 2300кг/м3, растворимость 2,05 г/л при 20С (наибольшая — между 32 и 41 С). Присутствие других сульфатов понижает растворимость гипса, однако, наличие в воде других солей, а также кислот, не исключая, и серной, наоборот, довольно значительно повышает растворимость сульфата кальция [ 116].
В результате гидролиза сульфата кальция образуются ионы кальция Са , которые действуют осаждающе, и сульфат - ионы SO4", которые среди анионов по возрастающей активности их действия на процесс коагуляции грубодисперсных, коллоидных и растворенных примесей стоят на третьем месте после цитрата и татрата. На свекловичную ткань, ион SO4 " действует высаливающе, уменьшая накопление коллоидов в диффузионном соке [99]. Ионы сульфата SO4 " обладают дезинфицирующим свойством, снижают неучтенные потери сахарозы в диффузионном отделении.
При использовании для диффузионного процесса экстрагирующей жидкости, содержащей гипс и известь, происходит и упрочнение свекловичной стружки. Ионы кальция, содержащиеся в воде, могут вступать во взаимодействие с карбоксильными группами пектина. Пектин, как слабая кислота, образует с ионами кальция пектинат кальция, т.е. переходит в слаборастворимое состояние. Это предотвращает разрушение стенок клеток свекловичной ткани, набухание и гидролиз пектиновых веществ. Вначале эти реакции идут на поверхности свекловичной стружки, там соединяются с карбоксильными группами, переводя пектин в нерастворимое состояние [126].
С целью определения наиболее эффективного реагента для подготовки экстрагирующей воды к диффузионному процессу в лабораторных условиях нами была проведена серия-опытов. В ходе опытов в качестве химических реагентов использовались все вышеперечисленные кальцийсодёржащие реагенты.
Полученную свекловичную стружку квадратного сечения со стороной 2 мм и длиной 100 г - 18 м делили на пять равных частей. Экстрагирующую жидкость готовили по пяти схемам. В состав эксрагирующей жидкости входили аммиачные конденсаты, жомопрессовая и барометрическая вода. Количество экстрагирующей жидкости составляло 100% к массе стружки.
В первой схеме подготовки экстрагирующей жидкости воду нагревали до 90С, выдерживали ее при такой температуре три минуты для стерилизации воды, добавляли известковое молоко в количестве 0,1% СаО к массе свекловичной стружки, затем подвергали глубокому пересатурированию до рН 5,5 - 6,4.
Исследования влияния электромагнитного поля на микрофлору жомопрессовой воды
На первом этапе исследований выявление влияния действия ЭМП на экстрагирующую жидкость проводилось на жомопрессовой воде, как неотъемлемой части экстрагирующей жидкости, которая является наиболее загрязненной.
Действие ЭМП различалось несущей и модулирующей частотами, временем обработки и величиной магнитной индукции.
Первоначально было изучено влияние продолжительности воздействия энергии электромагнитного поля на степень выживаемости микроорганизмов. Жомопрессовая вода подвергались электромагнитной обработке от 10 секунд до 3 минут. Частота ЭМП г= 18 Гц и величина магнитной индукции В=6 мТл были постоянны. Зависимости выживаемости микроорганизмов, находящихся в жомопрессовой воде, от времени воздействия энергии ЭМП представлены на рисунках 12, 13.
Полученные данные свидетельствуют о том, что при изменении времени обработки жомопрессовой воды от 0 до 20 секунд выживаемость микроорганизмов не изменяется и соответствуют контролю. При увеличении времени обработки более 20 секунд выживаемость уменьшается и при 1 минуте обработки достигает около 10 %. Дальнейшее увеличение времени воздействия ЭМП ведет к повышению выживаемости, что можно объяснить адаптацией микроорганизмов к воздействию энергии ЭМП.
Рисунок 13 - Зависимость выживаемости грибов при обработке жомопрессовой воды от времени воздействия ЭМП с частотой 18 Гц
Для грибов результаты исследований таковы: при времени обработки 10 секунд выживаемость уменьшается до 5 %. Далее при обработке 20 секунд выживаемость возвращается к контрольному значению, т.е. становится равной 100 %. Затем снова резко уменьшается и при времени обработки t= 30 секунд выживаемость снижается до 3 %. Далее при изменении времени от 30 секунд до 40 секунд выживаемость остается на одном уровне и при увеличении времени воздействия ЭМП до 1 минуты становится равной 1%.
Следующим этапом исследований стало изучение влияния действия ЭМП с различными значениями величины магнитной индукции на изменение выживаемости бактерий. Значение величины магнитной индукции изменяли от 0 до 7 мТл, частота ЭМП оставалась величиной постоянной f=18 Гц. Опытные образцы подвергались действию ЭМП в течение 1 минуты. Из графика видно, что при изменении магнитной индукции от 0 до 3 мТл выживаемость снижается от 110% до 20%. Увеличение магнитной индукции от 3 до 7 мТл ведет к стабильности выживаемости бактерий. При увеличении магнитной индукции свыше 6 мТл выживаемость бактерий резко возрастает. Получаем, что наиболее эффективно воздействовать на микрофлору с целью подавления ее жизнедеятельности ЭМП малой напряженности.
Далее была изменена частота ЭМП до f=38,0 Гц, величина магнитной индукции оставалась равной В=6 мТл и изучалось влияние времени воздействия ЭМП с данными параметрами на выживаемость микроорганизмов. График данных исследований представлен на рисунке 15. Сначала количество микроорганизмов уменьшается и достигает своего минимума 10 % в случае бактерий и 15 % в случае грибов при времени обработки ЭМП t=30 секунд. При дальнейшем увеличении времени воздействия ЭМП жизнедеятельность микроорганизмов остается практически постоянной, затем начинает резко возрастать и при времени обработки t=l минута становится равной 100 % в случае бактерий. В случае грибов выживаемость при этом времени воздействия ЭМП уменьшается и достигает 40 % (рисунок 16). Последующее увеличение времени обработки жомопрессовои воды приводит к линейному росту количества бактерий и достигает своего максимума 200 % при времени воздействия t=3 минуты. Выживаемость грибов при времени воздействия t=3 минуты практически достигает контрольного образца 98 %.
Из результатов исследований видно, что первоначальное воздействие электромагнитного поля замедляет рост и размножение микроорганизмов, после чего наблюдается адаптационный период с последующим переходом к активному размножению и росту. Иногда наблюдается резкий переход к активному размножению и росту после фазы угнетения, исключая стадию стабилизации.
Качество воды, применяемой на диффузии, должно отвечать определенным требованиям, главными из которых является чистота воды и минимальное содержание в ней примесей, которые трудно удаляются при очистке сока, в дальнейшем мешая кристаллизации сахара, тем самым, повышая выход мелассы.
В состав жомопрессовой воды входят сахароза и продукты ее разложения, белки и другие азотистые вещества, соли минеральных кислот, поэтому она является хорошей питательной средой для микроорганизмов и легко подвергается процессам брожения. Количество микроорганизмов неустойчиво и находится в зависимости от многих причин и факторов, поэтому необходимо стремиться снизить его до минимального. Этого можно частично достичь, используя тщательную подготовку экстрагирующей жидкости для процесса диффузии.
Целью данных исследований явилось получение диффузионного сока, минимально обсемененного микроорганизмами,, с помощью предварительно подготовленной: экстрагирующей жидкости.
Экстрагирующая жидкость для проведения; диффузионного процесса готовилась по четырем способам с использованием производственных видов воды.
Первый способ подготовки экстрагирующей жидкости заключался в следующем. Аммиачную воду деаммонизировали, удаляя большую часть аммиака. Затем смешивали деаммонизированный конденсат с механически очищенной жомопрессовой водой и барометрической водой до, необходимого количества; Полученную смесь сульфитировали до рН 5,5 - 6,4 и нагревали до 72-75С. Данный вариант подготовки взяли за контроль.
Второй способ подготовки экстрагирующей жидкости предполагал следующее. Аммиачную воду обрабатывали гидроксидом кальция доірН 11,0 и удаляли значительную часть аммиака в деаммонизаторе. После этого смешивали щелочной деаммонизированный конденсат с механически очищенной жомопрессовой водой и барометрической водой до необходимого количества. Далее смесь сатурировали до рН 5,5 - 6,4 и нагревали до 72 -75С.
По третьему способу обрабатывали аммиачную воду гидроксидом кальция до рН 11,0 и подвергали ее самоиспарению под разряжением..После этого обезаммиаченную известкованную воду смешивали с освобожденной от пульпы жомопрессовой водой и барометрической водой; предварительно обработанной 0,05% сульфата кальция к общей массе экстрагирующей жидкости. Смесь подвергали сатурированию до рН 5,5 - 6,4 и нагревали до температуры 72 - 75С. Четвертый способ предполагал обработку аммиачной воды по третьему способу. Барометрическая вода подвергалась действию ЭМП частотой f = 18 Гц, при величине магнитной индукции В=6мТл в течение 30 секунд, затем обрабатывалась 0,05% сульфата кальция к общей массе экстрагирующей жидкости. Жомопрессовую воду обрабатывали ЭМП частотой f = 18 Гц, при величине магнитной индукции 6 мТл в-течение 30 секунд. Далее смешивали деаммонизированную воду с жомопрессовой» водой и барометрической водой, смесь сатурировали до рН 5,5 - 6,4 и нагревали до 72 - 75G.
Добавление гипса в уже обработанную ЭМП воду, объясняется тем, что опыты [129] показали, что после магнитной обработки скорость коагуляциш возрастает на 20 - 90 %. Введение в воду коагулянта, коим является-сульфат кальция; полезней после ее электромагнитной обработки, чем перед ней, т.е: следует изменять свойства воды, а не коагулянта.
Поиск наиболее эффективного агента для предварительной обработки свекловичной стружки
В подтверждение целесообразности и эффективности предварительной обработки свекловичной стружки жомопрессовой водой, предварительно подготовленной с использованием гипса и известкового молока, была проведена серия опытов, в сопоставлении с типовым способом ведения процесса, а также с обработкой стружки следующими агентами: дистиллированной водой, нефильтрованным соком второй сатурации и пересатурированным соком второй сатурации. Исследования проводились по следующим схемам. Первая схема являлось типовой схемой проведения диффузионного процесса - в ней стружка не подвергалась обработке. По второй схеме свекловичная стружка в течение 60 секунд обрабатывалась дистиллированной водой при температуре 80С. В третьей схеме стружку обрабатывали нефильтрованным соком второй сатурации в количестве 30 % к массе обрабатываемой стружки, предварительно нагретым до температуры 80С и обработанным углекислым газом до рН 6,4 — 6,8. В четвертой схеме стружку обрабатывали нефильтрованным соком второй сатурации в количестве 30 % к массе обрабатываемой стружки, также предварительно нагретым до температуры 80С и обработанным углекислым газом до рН 6,4 - 6,8-. По пятой схеме стружку обрабатывали жомопрессовой водой, температурой 80С, предварительно подготовленной с использованием гипса, известкового молока в сочетании с приемом глубокого пересатурирования, как указывалось в главе 2 в количестве 30 % к массе стружки. В третьей, четвертой и пятой схемах время контактирования реагента и свекловичной стружки составляло 60 секунд.
Далее проводили экстрагирование в течение 45 минут необработанной и обработанной стружки в лабораторной диффузионной установке при температуре 72 - 75С. Качественному анализу подвергали полученные диффузионный сок и жомопрессовую воду. Помимо определения в диффузионном соке и жомопрессовой воде сухих веществ (СВ) и сахарозы (Сх), в данных продуктах определяли содержание веществ коллоидной степени дисперсности. Результаты исследований представлены в таблице 12 и на рисунке 18.
Как видно из приведенных в таблице данных из пяти используемых схем наилучшие результаты по увеличению чистоты и снижению веществ коллоидной степени дисперсности дает использование для ошпаривания стружки пересатурированного сока второй сатурации. Однако, использование в качестве ошпаривающего агента подготовленной жомопрессовой воды, дает хорошие результаты по сравнению с соком первой сатурацией и водой. Это дает возможность использовать такой прием в производстве.
Как уже отмечалось, серьезной угрозой проведения диффузионного процесса1 в оптимальном- режиме является разложение сахарозы микроорганизмами: Зараженность свекловичной стружки зависит от состояния корня (здоровый корень или поражен болезнью), от бактериологического качества воды, поступающей на мойку или от того; насколько хорошо отмыта. от почвы свекла:
Интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов в основном зависит от температуры: при благоприятных температурах они размножаются очень быстро. По сопротивляемости действию температуры микроорганизмы условно делят на мезофильные и термофильные. Мезофильные микроорганизмы развиваются при минимальной температуре, равной 5 — 25С, оптимальная температура для них 18 - 45С, а максимальная - 50С. Эта самая большая группа микроорганизмов, в которую входят различные патогенные и сапрофильные бактерии, дрожжи и микроскопические грибы» [21].
Термофильные микроорганизмы развиваются при температуре 45 — 80С. К термофильным бактериям относятся, например, бактерии рода Bacillius из почвы и- аэробные бактерии рода Clostridium. Термофильные микроорганизмы являются активными продуцентами органических кислот и газов, отличаются быстрым ростом [21].
Известно, что при эксплуатации наклонных двухшнековых аппаратов высока вероятность бурного развития-микроорганизмов. Причина создания очага инфицированности диффузионного аппарата этого типа заключается в том, что прогрев стружки по поперечному сечению аппарата осуществляется неравномерно: наивысшая температура сокостружечной смеси (74С) находится у стенки аппарата, где велико влияние паровой камеры, наименьшая температура (63С) - в точке, удаленной от паровой камеры. В пристенных зонах стружка перегревается, теряется упругость из - за увеличившегося гидролиза протопектина и снижения проницаемости оболочки клеток, приобретает способность к слипанию и служит источником образования пробок [35].
Исходя из того, что на сахарных заводах Кубани установлены наклонные шнековые диффузионные аппараты, становится понятной актуальность решения проблемы снижения неучтенных потерь из — за деятельности микроорганизмов на диффузии. Поскольку свекловичная стружка является благоприятной средой для» развития микроорганизмов и может служить источником инфицирования диффузионного процесса, то необходимо провести исследования влияния способа предварительной обработки на жизнедеятельность микроорганизмов. Исследованиям подвергались свекловичная стружка, предварительно подготовленная по четырем вариантам и диффузионный сок, полученный из этой стружки. Стружка, полученная при проведении диффузионного процесса, готовилась по типовой схеме. Во втором варианте стружку обрабатывали паром, в третьем варианте стружку обрабатывали соком второй сатурации и четвертый вариант подготовки стружки — обработка ее жомопрессовой водой, содержащей гипс и известковое молоко.
