Интенсификация процесса экстрагирования сахарозы с применением электромембранной подготовки реагента
Автор: Сидорченко Е.И., Захарченко Т.Н., Пушанко Н.Н.
Журнал: Вестник Алматинского технологического университета @vestnik-atu
Рубрика: Техника и технологии
Статья в выпуске: 4 (109), 2015 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматривается способ повышения эффективности свеклосахарного производства путем интенсификации процесса экстрагирования сахарозы с применением электромембранной подготовки реагента - электроактивированного водного раствора (ЭАВР). Установлена эффективность применения ЭАВР, и определено, что добавка в экстрагент увеличивает чистоту диффузионного сока. Определена эффективность бактерицидного действия ЭАВР в отношении питательной воды и диффузионного сока.
Свекловичная стружка, извлечение сахарозы, диффузионный сок, питательная вода, электроактивированный водный раствор
Короткий адрес: https://sciup.org/140204816
IDR: 140204816
Текст научной статьи 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) .
Список литературы Интенсификация процесса экстрагирования сахарозы с применением электромембранной подготовки реагента
- Emerging technologies in food processing by K.P.Sandeep//IFT`S 1998 ANNUAL MEETING June 20-24, 1998 -Georgia World Congress Center, Atlanta, Georgia. -Р. 355-358
- D.Knorr Technology aspects related to microorganisms in functional foods,Trends in Food Science & Technology, Volume 9, Issues 8-9, August 1998. P. 295-306.
- Study of electro-thermal effects on juice yield from cellular tissues by W.C.Wang, S.K.Sastry//IFT’S 1998 ANNUAL MEETING June 20-24, 1998 Georgia World Congress Center, Atlanta, Georgia, -Р. 271-278
- Inactivation of bacillus subtilis using high voltage pulsed electric fields and ultrasonication by Z.T.Jin, Y. Su, L. Tuhela, B. Singh, Q.H. Zhang//IFT’S 1998 ANNUAL MEETING June 20-24, 1998 Georgia World Congress Center, Atlanta, Georgia, -Р. 15-21
- B.L.O.Ade-Omowaye, A.Angersbach, S.M.Eshtiaghi and D.Knorr Impact of high intensity electric field pulses on cell permeabilisation and as preprocessing: step in coconut processing. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 1, Issue 3, September 2001. -P. 203-209.
- Лiпєц А.А. Основнi напрямки удосконалення технологiї вилучення цукрози з бурякової стружки/Лiпєц А.А., Гусятинська Н.А.//Цукор України. -2005. -№ 5. -С. 17-20.
- Степанова Е.Г.Технологические эффекты процесса экстрагирования сахара с применением ЭАЖС/Степанова Е.Г., Кошевой Е.П.//Известия вузов. Пищевая технология. 1992. -№3-4. -С.55-57.
- Лосева В.А. Влияние электрохимической активации на свойства воды для экстрагирования сахарозы из сахарной свеклы/В.А.Лосева, А.А.Ефремов, Д.В.Прасолов, М.Н.Ширяева/Сборник научных трудов VI ежегодной международной научно-прак.конф. «Сахар-2006». Повышение эффективности работы сахарной промышленности.-М.: Изд. комплекс МГУПП, 2006. -С.44-50.