Интенсификация процесса экстрагирования сахарозы с применением электромембранной подготовки реагента

Обработка биологического сырья и пищевых продуктов в электрическом поле имеет достаточно длительную историю. Электрические поля используются для инактивации микробов, электроосмотичес- кого обезвоживания, электроплазмолиза, термоэлектроплазмолиза и т.д.

Электрообработка биологического сырья позволяет повысить качественные характеристики продуктов, повысить степень соковы-деления и увеличить срок хранения продуктов.

Для существенного повышения эффективности пищевых технологий, производительности технологических процессов и качества пищевых продуктов, все чаще объединяются два и больше методов обработки сырья [1-6] .

Базой для создания высокоэффективных, экологически чистых и безотходных технологий являются электротехнологичес-кие процессы с использованием мембранных материалов.

Большую перспективу в пищевой промышленности имеют биполярные мембраны, которые могут использоваться для регулирования кислотно-щелочных свойств водных и технологических сред. Биполярными ионообменными мембранами традиционно называются двухслойные мембраны, состоящие из катионо- и анионообменных слоев, соединенных друг с другом в процессе синтеза, либо полученных из одного листа полимера. В зависимости от синтеза они относятся к гетеро- или гомогенному типу ионообменных мембран. Основным свойством биполярных мембран является их способность генерировать ионы водорода и гидроксила под действием электрического поля.

Наш интерес к электромембранным методам активации водных растворов (ЭАВР) обусловлен следующими причинами:

• -    при электрмембранной активации водных растворов возможно целенаправленно изменять их кислотно - щелочные свойства;

• -    возможно получать растворы с высоким выходом, чистотой и концентрацией ионов водорода и гидроксила в сравнении с электрохимическими способами;

• -    высокая дезинфицирующая и коагулирующая способность ЭАВР;

• -    благодаря специфическим свойствам электроактивированного раствора диффузия растворенных веществ идет быстрее;

• -    возможность создания экологически чистых и малоотходных технологий.

Объекты и методы исследования

Электротехнологические процессы обработки свекловичного сырья, импульсный электроплазмолиз свекловичного сырья и технологических сред, электромембранная подготовка экстрагента для извлечения сахарозы, электрометрические, электрохимические и физико-химические методы оценки эффективности применения электрофизических способов обработки свекловичного сырья и технологических водных сред, контроль ка- чества диффузионных соков и экстрагентов. Для изучения механизма аелектроплазмолиза, обобщения и оптимизации полученных результатов использовали методы компьютерного моделирования и математической обработки данных.

Результаты и их обсуждения

В технике и технологии производства сахара важную роль играют процессы экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки [1,2].

Основной задачей процесса экстрагирования является максимальное извлечение сахарозы из измельченного сырья при минимальном переходе в раствор всех других растворимых веществ, содержащихся в свекловичной ткани или веществ, образующихся в процессе диффузии, называемых несахарами [3,4,5].

Повышение качества диффузионного сока и сокращение потерь целевого продукта, возможны за счет применения новых электро-мембранных способов подготовки питательной воды, в которых используется энергия электрического поля и способность биполярных мембран генерировать ионы водорода и гидроксила.

И так первоочередной задачей при экстракции сахарозы из свекловичной стружки является получение сока высокой чистоты за счет меньшего перехода несахаров, в частности высокомолекулярных соединений [7,8].

Несмотря на то, что большая часть высокомолекулярных соединений удаляется в процессе очистки диффузионного сока известью, переход коллоидных и ВМС, особенно пектиновых веществ, в диффузионный сок является основной причиной плохой фильтрации очищенных соков, трудностей при кристаллизации продуктов и т.д.

В процессе экстрагирования важным является соблюдение условий минимального разложения сахарозы в результате жизнедеятельности микроорганизмов и получения диффузионного сока высокого качества. Использование ЭАВР, который сочетает в себе свойства коагулянта и антисептика, в процессе подготовки питательной воды для экстрагирования сахарозы, является перспективным с точки зрения интенсификации диффузионного процесса и повышения выхода сахара из единицы сырья. Все вышеперечисленное объясняет актуальность детального изучения действия ЭАВР в процессе экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки [8].

Для процесса экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки необходимо использовать экстрагент со слабокислой реакцией среды (рН =  5,8-6,5), данные параметры обуславливают минимальный переход высокомолекулярных соединений в диффузионный сок и снижение разложения сахарозы. Наиболее распространенная технология (которая используется на производстве) – подготовка барометрической воды с применением процесса сульфитации сернистым газом SO2.

Для повышения эффекта экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки, предлагается способ подготовки питательной воды, включающий подкисление экстрагента кислотным электромембранноактивирован-ным водным раствором (реагентом, который получали на электромембранной установке).

Для получения подкисленного экстрагента электромембранной активации подвергали дистиллированную воду до рН = 1,45 (кислая фракция) с добавками электролитов NaCl, Na 2 SO 4 , Na 3 PO 4 различных концентраций (0,5 ... 1%). Экспериментальные данные качественных показателей диффузионного сока от концентрации ЭАВР с электролитом NaCl приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние ЭАВР с электролитом NaCl на качественные показатели диффузионного сока

№ п/п	Расход электроакти-вированной воды,% к массе питательной воды	Чистота диффузионного сока, %	Содержание ВМС в диффузионном соке,% на 100г СВ	Содержание белковых веществ в диф. соке, % на 100г СВ	Эффект очистки на диффузии, %
1	0	85,30	4,00	2,29	12
2	0,1	85,93	3,67	2,25	19
3	0,4	86,04	3,33	2,20	20
4	3,0	87,20	2,83	1,96	26
5	25	86,50	3,02	2,04	22
6	100	86,00	3,15	2,10	18

Видно, что использование в качестве добавки ЭАВР в экстрагент при использовании в качестве электролита NaCl с последующим проведением процесса экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки при температуре 73ºС позволяет увеличить чистоту диффузионного сока на 0,6 ... 1,9%, а эффект очистки на диффузии довести до 26%.

Содержание ВМС в диффузионном соке при этом уменьшается на 0,33 ... 1,33%, а содержание белков на - 0,04 ... 0,33%. Причем улучшение качественных показателей диффузионного сока наблюдается при добавке ЭАВР в количестве 0,1 ... 3,0%. Дальнейшее увеличение концентрации ЭАВР приводит к ухудшению качественных показателей диффузионного сока.

В таблице 2 приведены качественные показатели диффузионного сока, полученного при добавках в экстрагент ЭАВР, приготовленного с электролитом Na 2 SO 4 .

Из результатов табл.2 следует, что добавка в экстрагент ЭАВР до 3% позволяет улучшить чистоту диффузионного сока в среднем на 1,5%, эффект очистки при этом составляет 24%, содержание ВМС уменьшается на 1,%, а содержание белков на 0, 3%.

Таблица 2 - Влияние ЭАВР, приготовленного с электролитом Na2SO4, на качественные показатели диффузионного сока

№ п/п	Расход электроактивированной воды, % к массе питательной воды	Чистота диффузионного сока, %	Содержание ВМС в диффузионном соке,% на 100г СВ	Содержание белковых веществ в диф. соке, % на 100г СВ	Эффект очистки на диффузии,%
1	0	85,0	3,9	2,40	10
2	0,1	85,8	3,6	2,35	17
3	0,4	86,0	3,3	2,25	19
4	3,0	86,5	2,8	2,10	24

5	25	86,2	3,0	2,15	18
6	100	85,8	3,2	2,25	15

В таблице 3 приведены качественные показатели диффузионного сока, полученного при добавлении в экстрагент ЭАВР, приготовленного с электролитом Na 3 PO 4 .

Таблица 3 - Влияние ЭАВР, приготовленного с электролитом Na3PO4, на качественные показатели диффузионного сока

№ п/п	Расход электро-активованной воды, % к массе питательной воды	Чистота диффузионного сока, %	Содержание ВМС в диффузионном соке,% на 100г СВ	Содержание белковых веществ в диф. соке, % на 100г СВ	Эффект очистки на диффузии,%
1	0	86,0	4,20	2,10	10
2	0,1	86,2	4,00	2,00	12
3	0,4	86,5	3,80	1,95	15
4	3,0	87,0	3,45	1,90	20
5	25	86,3	3,80	2,00	15
6	100	86,1	4,10	2,10	11

Экспериментальные результаты таблицы 3 показывают, что при концентрации ЭАВР до 3% чистота диффузионного сока увеличивается на 1,0%, эффект очистки составляет 20% при уменьшении содержания ВМС на 0,75% и белков на 0,2%.

Результаты показывают, что наиболее эффективной является добавка в экстрагент ЭАВР концентрацией до 3%, полученного с электролитом NaCl, при использовании Na2SO4 и Na3PO4 качественные показатели диффузионных соков хуже.

При экстрагировании сахарозы из свекловичной стружки в качестве экстрагента могут использоваться: барометрическая вода, аммиачные конденсаты, жомопрессовая вода, вода из открытых водоемов, которые требуют специальной физико-химической подготовки.

Исследование процесса получения диффузионного сока при различных видах питательной воды (барометрическая, жомо-прессовая, из открытого водоема) и добавлении электромембранноподготовленного водного раствора проводили с целью определения оптимальной концентрации ЭАВР. Концентрацию ЭАВР изменяли в пределах 0 ... 3%. Экспериментальные данные приведены на рис.1.

Рис.1 Зависимость чистоты диффузионного сока от концентрации электромембранноподготовленного водного раствора: ♦ - барометрическая вода; ■ - жомопрессовая вода; ▲ - вода с открытого водоема

Из представленных результатов следует, что для всех видов экстрагентов оптимальное значение концентрации ЭАВР находится в пределах 1,5 ... 2,5%, причем прирост чистоты диффузионного сока возрастает в ряду экстрагентов: вода из открытого водоема>жомопрессовая вода> барометрическая вода.

Компьютерная оптимизация позволила установить обобщенный критерий зависимости чистоты диффузионного сока от концентрации ЭАВР. Оптимальная концентрация ЭАВР, что добавляется в питательную воду при экстрагировании сахарозы, составляет 1,6% (рис.2). F k l -' k l ⁰²⁵ (■'■ ^, .. ' ^,25 ( f3 ^{| 0}'²5 I"⁴ - ) 0²^

Рис.2 - Обобщенный критерий зависимости чистоты диффузионного сока от концентрации электро-

мембранноподготовленного водного раствора

Планирование эксперимента, постановку и решение задач оптимизации проводили с помощью современных методов математической обработки данных. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований, построение графиков выполнены с использованием пакета прикладных исследований и пакета прикладных программ Mathcad Professional.

В результате решения оптимизационных задач было определено оптимальное соотношение расходов реагента ЭАВР в системе свекольная стружка-питательная вода (80:20), а также оптимальные значения температуры процесса экстрагирования (67 ÷ 71) и рН питательной воды (5,6 ÷ 6,0) .