Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ существующих способов извлечения сахарозы из свекловичной стружки 10
1.1 Основы диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки 10
1.2 Противоточное извлечение сахарозы из свекловичной стружки диффузионным способом без возврата и с возвратом жомопрессовой воды ... 14
1.3 Подготовка экстрагента для диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки 21
1.4 Характеристика способов обработки свекловичной стружки перед проведением диффузионного извлечения сахарозы 29
1.5 Технологические способы и режимы проведения диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки 32
1.6 Характеристика оборудования, применяемого для подготовки экстрагента и предварительной обработки стружки перед диффузионным извлечением сахарозы 36
ГЛАВА 2 Методы исследования 40
2.1 Методы исследования показателей качества и безопасности сахарной свеклы 40
2.2 Методы исследования показателей качества полупродуктов свеклосахарного производства 44
2.3 Методы математической обработки экспериментальных данных 45
2.4 Постановка эксперимента и структурная схема исследования 46
ГЛАВА 3 Экспементальные исследования извлечения сахарозы из свекловичной стружки при различных параметрах подготовки исходных компонентов и проведения процесса 48
3.1 Исследование показателей качества и безопасности корнеплодов сахарной свеклы, поступающей на переработку на предприятия Краснодарского края 48
3.2 Сравнительная оценка качества диффузионного сока, полученного при совместной и раздельной подаче жомопрессовой и свежей воды в диффузионный аппарат в качестве экстрагента 50
3.3 Исследование влияния степени прессования частично обессахаренной свекловичной стружки на показатели качества жомопрессовой воды 56
3.4 Обоснование выбора и целесообразности использования кальцийсодержащего реагента для обработки свекловичной стружки, с целью улучшения её реологических свойств 60
3.5 Исследование влияния величины отбора диффузионного сока на его чистоту и остаточное содержание сахарозы в частично обессахаренной свекловичной стружке 65
3.6 Изучение влияния степени прессования частично обессахаренной свекловичной стружки на остаточное содержание сахарозы в прессованном
жоме и потери сахарозы с прессованным жомом 69
ГЛАВА 4 Определение оптимальных технологических режимов извлечения сахарозы из свекловичной стружки 73
4.1 Взаимосвязь подсистем диффузионного и прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки 73
4.2 Параметрическая оптимизация диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки 78
ГЛАВА 5 Разработка эффективной технологической схемы диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки 96
5.1 Технологическая схема подготовки экстрагента для проведения дуффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки 96
5.2 Технологическая схема диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки 100
ГЛАВА 6 Промышленная Апробация И Оценка Экономической Эффективности Технологии Двухстадийного Извлечения Сахарозы Из Свекловичной Стружки 106
6.1 Промышленная апробация технологии двухстадийного извлечения сахарозы из свекловичной стружки 106
6.2 Оценка экономической эффективности технологии двухстадийного
извлечения сахарозы из свекловичной стружки 107
Заключение 111
Список использованной литературы
- Противоточное извлечение сахарозы из свекловичной стружки диффузионным способом без возврата и с возвратом жомопрессовой воды
- Методы исследования показателей качества полупродуктов свеклосахарного производства
- Сравнительная оценка качества диффузионного сока, полученного при совместной и раздельной подаче жомопрессовой и свежей воды в диффузионный аппарат в качестве экстрагента
- Параметрическая оптимизация диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки
Противоточное извлечение сахарозы из свекловичной стружки диффузионным способом без возврата и с возвратом жомопрессовой воды
Одним из важнейших процессов в технологии производства сахара является извлечение сахарозы из свекловичной стружки, так как от него зависят потери в жоме, показатели качества диффузионного сока, и в конечном итоге – выход готовой проду кции и эффективность работы завода в целом.
Для повышения эффективности извлечения сахарозы следует учитывать закономерности его протекания.
Извлечение сахарозы производится путем ее экстрагирования водой из клеток ткани сахарной свеклы, в которых она находится в растворенном состоянии в клеточном соке.
Химический состав клеточного сока сахарной свеклы представлен многочисленными органическими и неорганическими соединениями, поэтому для получения в чистом виде кристаллического сахара, с минимальными потерями в процессе производства, приходиться осуществлять целый ряд сложных физико-химических этапов очистки.
Строение клетки ткани сахарной свеклы включает в себя клеточную стенку и протопласт, находящийся внутри нее. Он, в свою очередь, состоит из цитоплазматической мембраны и цитоплазмы (протоплазмы), внутри которой содержатся вакуоли с растворенным в них клеточным соком. Этот сок окружен рядом мембран, различных по своей природе и размеру пор, что обуславливает дифференцированную проницаемость для веществ, содержащихся в клеточном соке, в том числе и для сахарозы. Основными мембранами являются внешняя оболочка, состоящая из целлюлозы, липопротеидная мембрана и протоплазма, состоящая из белков. Наименьшим размером пор, неспособным пропускать сквозь себя молекулы сахарозы, обладает последняя из них, поэтому в основе процесса обессахаривания лежит разрушение (плазмолиз) протоплазмы и отделение ее от внешней оболочки. Процесс плазмолиза можно проводить путем механического, теплового, химического или электрического воздействия на клетку [1].
Теоретические аспекты извлечения сахарозы из клеток ткани сахарной свеклы изучены и описаны не только российскими учеными: П.М. Силиным [6-8], М.И. Даишевым [9-13], В.А. Голыбиным [14,15], П.В. Головиным [16,17], С.Ф. Дроновым [1 8], В.А. Ковалевым [19], В.М. Лысянским [20-2 2] и др ., н о и зарубежными: F. Schneider [90-92], G. Oplatka [93-98], H. Bruniche-Olsen [99-102], D. Schliephake [103-105] и др.
По мнению большинства авторов процесс извлечения сахарозы из свекловичной стружки состоит из двух этапов: вымывание сока из поврежденных клеток и диффузия растворенных веществ из свекловичных клеток в окру жающую их воду или в клеточный сок с меньшей концентрацией сахарозы.
Самым ранним способом, применявшимся на сахарных заводах для обессахаривания свекловичной стружки, было прессовое извлечение сахарозы, то есть плазмолиз осуществлялся механическим путем. Достоинством этого способа являлась высокая чистота получаемого сока; недостатком – возможность извлечения только 70 - 80 % клеточного сока из общего количества содержащегося в клетках, равного 90 - 92 % к массе к орнеплодов сахарной свеклы.
В дальнейшем прессовое извлечение сахарозы заменили на так называемую "мацерацию", то есть вымачивание. Суть этого способа заключалась в том, что корнеплоды сахарной свеклы истирали в мезгу и подвергали ее последовательному высолаживанию водой в ряде сосудов. В дальнейшем этот способ усовершенствовали и стали применять нагревание сосудов, перейдя к "горячей мацерации" – механо-термическому плазмолизу. Недостатком явилось то, что наряду с сахарозой в диффузионный сок в значительном количестве переходили различные несахара, являющиеся основой мембран клеток и, как следствие, чистота диффузионного сока была низк ой.
В 1864-1865 годах был предложен так называемый диффузионный способ, в то время мало чем отличавшийся от "горячей мацерации". Переход к противоточному экстагированию сахарозы из свекловичной стружки в ряде включенных один за другим сосудов (батарея Роберта) явился новым рубежом в производственно-техническом развитии сахарной промышленности [6]. Преимуществом по отношению к "горячей мацерации" было то, что в сосуды загружалась свекловичная стружка, а не мезга, что позволило получать диффузионный сок достаточно высокой чистоты. Однако существенными недостатками батареи Роберта являлись: высокая трудоемкость, периодичность протекания процесса и, как следствие, низкая производительность самой батареи.
В стремлении к непрерывному извлечению сахарозы из свекловичной стружки были созданы и стали внедрятся в производство различные диффузионные аппараты, в которых процесс сокодобывания протекал непрерывно, произошел переход к противоточному обессахариванию свекловичной стружки диффузионным способом.
Процесс диффузионного извлечения сахарозы включает в себя две стадии: перенос сахарозы изнутри свекловичной стружки к ее поверхности, или молекулярную диффузию, и затем от ее поверхности в экстрагент, или массообмен на поверхности твердой частицы.
Методы исследования показателей качества полупродуктов свеклосахарного производства
Из приведенных данных видно, что по показателям качества и безопасности исследуемые образцы сахарной свеклы соответствуют предъявляемым требованиям. Однако, наиболее сложными для переработки являются образцы корнеплодов сахарной свеклы, отобранной на ООО "Краснодарский сахарный завод", так как они обладают самыми низкими показателями качества.
Учитывая это, в дальнейших исследованиях использовали корнеплоды сахарной свеклы, отобранные на ООО "Краснодарский сахарный завод".
Сравнительная оценка качества диффузионного сока, полученного при совместной и раздельной подаче жомопрессовой и свежей воды в диффузионный аппарат в качестве экстрагента
Во всех современных диффу зионны х у становках различных констру кций предусмотрена раздельная подача возвращаемой жомопрессовой воды в ту зону, где концентрация сахарозы в экстрагенте примерно совпадает с концентрацией сахарозы в жомопрессовой воде. Считается, что такая подача не изменяет концентрации сахарозы в экстрагенте и обеспечивает протекание процесса в последующей головной части аппарата в нормальном режиме, а хвостовая зона питается лишь свежей водой.
Однако отмечаемое преимущество раздельной подачи является лишь кажущимся, так как стружка в хвостовой части аппарата, в этом случае, омывается экстрагентом, объем которого меньше объема клеточного сока, и поэтому в экстрагенте концентрация сахарозы повышается быстрее, чем это было бы при нормальном объеме. Следовательно, повышается концентрация сахара на поверхности стружки и, соответственно, снижается полезная разность концентраций для диффузионного массопереноса.
С целью совершенствования процесса извлечения сахарозы из свекловичной стружки были проведены исследования по раздельной и совместной подаче жомопрессовой и свежей воды в диффузионный аппарат.
Экспериментальные исследования осуществляли в лабораторном диффузионном аппарате Красильникова.
Эксперименты проводили в десяти повторностях, полученные данные усреднялись, далее приведена методика проведения одной повторности.
Перед началом экспериментов готовили экстрагент, для чего дистиллированную воду в количестве 35 литров подкисляли 0,1н серной кислотой до значения рН от 5,5 до 5,8 единиц.
После этого готовили 23 килограмма свекловичной стружки следующим образом: отвешивали 25 килограммов сахарной свеклы (с учетом потерь при изрезывании), предварительно разрезав каждый корнеплод вдоль на 2 равные части, для приготовления пробы №1 и пробы №2 по 12,5 килограммов свеклы в каждой. Полу ченные пробы поочередно изрезывали на свеклорезке.
Количество брака, % 2,00 Для получения 11 литров жомопрессовой воды брали 11,5 килограммов сахарной свеклы (с учетом потерь при изрезывании), получали свекловичную стружку, которую помещали в емкость объемом около 20 литров и заливали равным количеством экстрагента с температу рой 65 - 68 С. Полу ченную смесь нагревали на водяной бане до 72 С и выдерживали в течении 30 - 40 минут при данной температуре. По прошествии требуемого промежутка времени водную фракцию отделяли через сито, а частично обессахаренную свекловичную стружку возвращали на повторное экстрагирование и выдерживали еще в течении 30 - 40 минут. После отделения водной фракции, полученную обессахаренную свекловичную стружку подвергали прессованию на винтовом прессе до содержания сухих веществ от 22 до 24 % к её массе. Полученную жомопрессовую воду анализировали и использовали для проведения исследований.
На рисунках 3.1 и 3.2 приведены структурные схемы лабораторного диффу зионного апп арата Краси льнико ва, состоящего из собственно аппарата с перегородками, часть которого снабжена водяной баней, секций для установки в них диффузиров со свекловичной стружкий, воронки для подачи экстрагента и сливного штуцера для отбора проб. В варианте раздельной подачи жомопрессовой и свежей воды лабораторный диффузионный аппарат Красильникова обору дуется второй воронкой. Рисунок 3.1 - Структурная схема лабораторного диффузионного аппарата Красильникова, диффузоров и воронки при совместной подаче жомопрессовой и свежей воды: 1 - лабораторный диффузионный аппарат Красильникова, 2 - водяная баня, 3 - воронка, 4 - диффузоры, 5 - сливно й шту цер
Рисунок 3.2 - Структурная схема лабораторного диффузионного аппарата Красильникова, диффузоров и воронки при раздельной подаче жомопрессовой и свежей воды: 1 - лабораторный диффузионный аппарат Красильникова, 2 - водяная баня, 3 - воронки, 4 - диффузоры, 5 - сливной штуцер Подготовленные свежую и жомопрессовую воды в количестве 5,5 литра каждой смешивали в пропорции 1:1 и подогревали до температуры 65 - 68 С, а в десять диффузоров помещали по 800 граммов свекловичной стружки, при этом диффузоры устанавливали таким образом, чтобы шесть из них находились в обогреваемых водяной баней секциях, а остальные в необогреваемых секциях. В межперегородочное пространство перед 1-й секцией устанавливали воронку таким образом, чтобы экстракционная смесь двигалась в секции снизу вверх.
Далее отмеряли 800 мл экстракционной смеси, количество которой соответству ет отбору диффузионного сока равному 100% к массе свекловичной стружки, подавали в первую секцию и выдерживали в течении 7 минут. По прошествии требуемого промежутка времени операцию подачи экстракционной смеси повторяли до тех пор, пока не продиффундирует смесь в десятом диффу зоре. После этого все диффу зоры извлекали из секций и у станавливали таким образом, чтобы дать оставшемуся в них соку стечь обратно в секции. Далее диффузионный сок из 10-й секции сливали через штуцер, диффузор из 1-й секции удаляли, а все остальные перемещали на одну секцию вверх (второй диффузор в 1-ю секцию и т.д.), а в 10-ю секцию устанавливали новый диффузор. Последовательность действий осуществляли до получения необходимого для анализов количества диффу зионного сока.
При проведении эксперимента с раздельной подачей жомопрессовой и свежей воды в межперегородочные пространства перед 1-й и 2-й секциями устанавливали воронки таким образом, чтобы свежая и жомопрессовая вода двигались в секциях снизу вверх, затем свежую воду вливали в 1-ю секцию, а жомопрессовую воду - во 2-ю, при первом заливе по 800 мл каждой, а при последующих по 400 мл, выдерживали в течении 7 минут, и повторяли последовательность действий как в предыдущем эксперименте.
Сравнительная оценка качества диффузионного сока, полученного при совместной и раздельной подаче жомопрессовой и свежей воды в диффузионный аппарат в качестве экстрагента
Первая стадия представляет собой подсистему диффузионного извлечения сахарозы (и сопутствующих несахаров) из свекловичной стружки экстрагентом, включающим жомопрессовую воду в его составе. Диффузионный процесс следует завершать на фазе получения экстракта с чистотой, не ниже чистоты клеточного сока, когда остаточное содержание сахарозы в частично обессахаренной свекловичной стружке составляет 2,0-2,5 % к ее массе. Чистота последних фракций диффузионного сока в данном случае близка к чистоте жомопрессовой воды, получаемой прессованием частично обессахаренной свекловичной стружки. При этом диффузионный сок, отбираемый из аппарата, имеет чистоту, превышающую чистоту клеточного сока на 1,0-1,5% (абсолютных) с эффектом очистки, достигаемым за счет менее интенсивной экстракции несахаров из клеток и ткани свекловичной стружки, составляющим 12-14 %.
Входными параметрами подсистемы являются: - расход и качественные показатели свекловичной стру жки; - расход и качественные показатели экстрагента. Изменением их соотношения регулируется отбор диффузионного сока с соответствующим изменением качественных показателей частично обессахаренной свекловичной стружки (по остаточному содержанию сахарозы и чистоте ее сахарсодержащей жидкой фазы), а также количественных и качественных ха рактеристик диффу зионн ого сока (отбора в п ро центах к массе свекловичной стружки, содержания сухих веществ, сахарозы и чистоты). С увеличением расхода экстрагента и, как следствие – отбора диффузионного сока сверх уровня, соответствующего равенству чистоты последней фракции экстракта и чистоты клеточного сока, начинает возрастать интенсивность перехода в экстракт несахаров с соответствующим снижением чистоты получаемого в хвостовой части аппарата (в зоне подачи экстрагента) экстракта и отбираемого из аппарата диффу зионного сока.
Выходными параметры подсистемы являются: - расход и качественные показатели диффузионного сока (отбор, содержание су хих веществ и сахарозы, чистота); - выход и качественные показатели частично обессахаренной свекловичной стружки (содержание сухих веществ, сахарозы и чистота жидкой фазы частично обессахаренной свекловичной стружки). Вторая стадия представляет собой подсистему прессового извлечения сахарозы, заключающегося в механическом удалении из частично обессахаренной свекловичной стружки жидкой фазы переменного качественного состава (по содержанию су хих веществ, сахарозы и чистоте) в зависимости от соотношения: «расход свекловичной стружки: расход экстрагента», а опосредованно – от отбора диффузионного сока.
Количество получаемой от прессования частично обессахаренной свекловичной стружки жидкой фазы – жомопрессовой воды условно зависит только от создаваемого давления в прессе, т.е. от технических характеристик прессового оборудования. Это допущение обосновано тем, что в данном случае прочие параметры, влияющие на степень механического обезвоживания частично обессахаренной свекловичной стружки: рН экстрагента, температура прессуемого жома и другие, поддерживаются в диапазоне оптимальных значений и принимаются постоянными.
Количество получаемой сахарсодержащей жомопрессовой воды, возвращаемой в подсистему диффузионного извлечения сахарозы, служит показателем, определяющим эффективность доизвлечения сахарозы из частично обессахаренной свекловичной стружки до содержания сахарозы в оставшейся жидкой фазе прессованного жома, соответствующего ее нормируемым потерям в процентах к массе свекловичной стружки. То есть, выход (массовая доля в процентах к количеству свекловичной стружки) сахарсодержащей жомопрессовой воды и прессованного жома, а также чистота жомопрессовой воды, которая практически равна чистоте последней фракции экстракта, получаемого в хвостовой части диффузионного аппарата (она должна быть не ниже чистоты клеточного сока), служат показателями для определения критерия эффективности доизвлечения сахарозы прессовым способом (второй подсистемы). Экспериментальные данные, полученные в результате лабораторных и производственных исследований, позволяют сформулировать общий критерий технологической эффективности извлечения сахарозы диффузионно-прессовым способом, ограничениями для которого являются чистота последних фракций диффузионного сока (она же – чистота жомопрессовой воды), не ниже чистоты клеточного сока, и содержание сахарозы в прессованном жоме (потери) не выше нормативного значения.
Общий критерий технологической эффективности диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки может быть определен на основе параметрической оптимизации дву х подсистем: - диффузионного извлечения сахарозы при минимальном отборе диффузионного сока, соответствующей максимальной чистоте диффузионного сока и пределу обессахаривания, соответствующего возможности последующего доизвлечения сахарозы прессованием; - прессового извлечения сахарозы из частично обессахаренной свекловичной стружки до содержания сахарозы в прессованном жоме, не превышающего ее нормативных потерь. При этом у правляющим параметром первой подсистемы является расход свежей воды на диффузию. Управляющим параметром второй подсистемы является давление прессования, определяемое по содержанию сухих веществ в прессованном жоме.
Параметрическая оптимизация диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки
Свекловичная стру жк а от свеклорезок ленточным транспортер ом (поз. 1), над которым установлен магнитный сепаратор (поз. 2), подается в ошпариватель (поз. 3), где она контактирует с диффузионным соком, подогретым до температуры 78 - 80 С, который после этого насосом (поз. 8) направляется через пульполовушку (поз. 9) в сборник диффузионного сока (поз. 10), а затем насосом (поз. 11) на известково-углекислотную очистку. Таким образом, в верхнюю зону диффузионного аппарата (поз. 5) поступает экстрагент, а в нижнюю насосом (поз. 4) подается сокостружечная смесь из ошпаривателя (поз. 3). Из верхней зоны колонного диффузионного аппарата (поз. 5) отбирается частично обессахаренная свекловичная стружка и направляется в жомовый пресс глубокого отжима (поз. 12) для доизвлечения сахарозы и возвращением ее с жомопрессовой водой в составе экстрагента. Из нижней зоны колонного диффузионного аппарата (поз. 5) получаемый диффузионный сок направляется через теплообменник (поз. 7) в ошпариватель (поз. 3). Количество диффузионного сока, направляемого в ошпариватель (поз. 3), составляет от 105 до 150 %. Разница в 35 % компенсируется не увеличением количества конденсата в составе экстрагента, а возвратом части сока от насосов (поз. 8), подающих его на пульполовушку (поз. 9).
Технологические режимы диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки при использовании колонных диффузионных аппаратов представлены в таблице 5.3.
Наименование технологическ ой стадии и технологического режима Значениетехнологическогорежима
Диффузионное извлечение сахарозы:отбор диффузионного сока, % к массе свеклытемпература, С:средняя по диффузионному аппарату диффузионного сока перед ошпаривателем диффузионного сока после пульполовушки сокостружечной смеси перед диффузионным аппаратомдлительность процесса, минсодержание сахарозы в частично обессахареннойсвекловичной стружке, % к массе свеклы 105 - 11070 - 72 78 - 80 40 - 50 70 - 72 Промышленная апробация технологии двухстадийного извлечения сахарозы из свекловичной стружки
Промышленная апробация усовершенствованной технологии извлечения сахарозы из свекловичной стружки была осуществлена на ООО "Балашовский сахарный комбинат" (Саратовская обл.) в сезон переработки сахарной свеклы урожая 2013 года и ОАО АПК "Аврора (подразделение Боринский сахарный завод)" (Липецкая обл.) в 2014 году. Акты внедрения представлены в приложениях 2 и 3 соответственно.
В результате промышленной апробации на ООО "Балашовский сахарный комбинат" удалось снизить величину отбора диффузионного сока с 135 % до 120 % к массе свеклы на наклонном диффузионном аппарате А1-ПД2-С20, что позволило сократить расход условного топлива на технологические нужды в среднем на 0,45 % к массе свеклы. При этом, остаточное содержании сахарозы в частично обессахаренной свекловичной стружке поддерживалось на уровне 1,5 - 2,0 % к ее массе. Доизвлечение сахарозы осуществлялось прессованием частично обессахаренной свекловичной стружки на горизонтальном жомоотжимном прессе "Babbini" до содержания су хих веществ в прессованном жоме 22 - 24 % при остаточном содержании сахарозы в нем 1,5 - 1,8 % к его массе, что в пересчете на выход прессованного жома не превышало нормативные потери сахарозы и составляло 0,30 - 0,32 % к массе свеклы.
Промышленная апробация усовершенствованной технологии на ОАО АПК "Аврора" при использовании для диффузионного обессахаривания свекловичной стружки колонного диффузионного аппарата сопровождалось внедрением модернизированной сульфитационной установки. Это позволило в течении всего производственного сезона стабилизировать значение рН экстрагента в пределах 5,0 - 5,2 и, даже при эксплуатации жомовых прессов устаревшей конструкции типа SP-1000, осуществлять прессование частично обессахаренной свекловичной стружки до содержания сухих веществ 17 - 19 %. При этом остаточное содержание сахарозы в стружке после диффузионного обессахаривания поддерживалось на уровне 1,3 - 1,6 % к ее массе, а после прессового доизвлечения сахарозы - 1,2 - 1,5 % к массе прессованного жома, что в пересчете на выход прессованного жома также не превышало нормативных потерь сахарозы.
Оценка экономической эффективности технологии двухстадийного извлечения сахарозы из свекловичной стружки
В результате внедрения в производство технологии диффузионно-прессового извлечения сахарозы из свекловичной стружки суммарный экономический эффект был достигнет как за счет повышения выхода готовой продукции, так и за счет снижения затрат на проведение известково-углекислотной очистки и сокращения расхода условного топлива при сгущении очищенного сока до сиропа.
В сравнении с диффузионным способом извлечения сахарозы чистота получаемого диффузионно-прессовым способом диффузионного сока увеличивается в среднем на 1,1 % при снижении величины отбора на 15%. Как известно, увеличение чистоты диффузионного сока на 1 % при прочих равных условиях способствует увеличению выхода готовой продукции на 0,1 % к массе свеклы [88].