Эффективность переработки свеклы пониженного качества

Качество перерабатываемой сахарной свеклы во многом определяет конечные результаты производственной деятельности сахарного завода – выход белого сахара, его качество, коэффициент завода. Проблемы качества свеклы обусловлены многими причинами, характерными именно для условий России.

Области Центрального Черноземья, где размещена примерно половина всех сахарных заводов России, относятся к зоне неустойчивого увлажнения –в Белгородской области, на юге Воронежской области годовое количество осадков составляет около 500 мм. Для достижения технической спелости свеклы в вегетационный период (примерно 150 суток) почва должна получать в среднем 300 мм атмосферных осадков.

Дефицит влаги, недостаточное количество и несоблюдение оптимальных сроков ввода удобрений, неустойчивые погодные условия вегетации (весенние похолодания, ранние осенние заморозки), несовершенство уборочной техники и обусловленное этим значительное травмирование корнеплодов, подмораживание и оттаивание – все эти факторы способствуют снижению технологических показателей свеклы.

В результате комплексного воздействия неблагоприятных факторов на сахарные заводы поступает сырье, не отвечающее требованиям ГОСТ 52647–2006 «Свекла сахарная. Технические условия».

Количество травмированных корнеплодов при механизированной уборке достигает 37–45%, из них 20% и более сильно поврежденных.

В травмированных корнеплодах свеклы более интенсивно протекают основные жизненные процессы дыхания и прорастания, возрастает активность ферментов (например, инвертазы), разрушающих сахарозу, усиливаются микробиологические процессы, вызывающие появление гнилой массы.

Результатом комплексного воздействия неблагоприятных факторов являются повышенные потери сахарозы и массы свеклы с накоплением в ней значительного количества вредных несаха-ров: в основном редуцирующих веществ (РВ), растворимых азотистых соединений и пектиновых веществ, высокомолекулярных соединений.

При увеличении количества гнилой массы в свекле на 1% ее сахаристость снижается на 0,2–0,3%, содержание РВ возрастает на 40–85%, чистота свекловичного сока снижается на 1%, очищенного сока и сиропа на 1,1%.

Каждый процент гнилой массы в свекле вызывает снижение выхода сахара на 0,3%, увеличение содержания сахара в мелассе на 0,1%.

Наличие гнилой массы наиболее заметно отражается на изменении ее углеводного комплекса. Так,при увеличении доли гнилой массы до 20% сахаристость свеклы снижается до 13,6%, содержание РВ возрастает в 5 – 6 раз, ухудшается качество свекловичного сока – чистота (Ч) снижается с 87,3 до 67,4%, содержание органических кислот увеличивается в 25 раз [1–4].

Важным показателем качества свеклы является степень ее подвяливания (потеря влаги). Потеря 15% массы корнеплода при хранении повышает активность фермента инвертазы в 6 раз, что приводит к снижению сахаристости свеклы и увеличению в ней содержания вредного несахара – РВ.

При хранении подвяленной на 13% свеклы потери сахарозы составили более 6%, количество пораженных гнилью корней – 55%, увеличение РВ – 40%, снижение чистоты свекловичного сока на 11,3%.

Значительным изменениям подвергается состав свеклы, поврежденной в процессе хранения заморозками и оттаявшей –в ней накапливалось до 45% загнивших корней, из них с почерневшей тканью – 26–30%.

При заражении оттаявшей свеклы слизеобразующими бактериями появляются высокомолекулярные соединения типа декстран и леван, резко ухудшающие фильтрационно-седиментационные показатели сатурационных соков.

При хранении такой свеклы в течение 55 суток ее сахаристость снизилась до 6,7%, доля РВ увеличилась с 0,24 до 6,20%(в 25,8 раза). Для сравнения содержание растворимой золы при этом выросло с 0,55 до 1,50%, или в 2,7 раза. Существенные изменения в углеводном комплексе подмороженной, а затем оттаявшей свеклы исключили возможность ее переработки – расчетный выход сахара 0,2%, а потери сахарозы в мелассе вследствие появления в свекловичном соке дополнительных несахаров-мелассообра-зователей составили 5,64% к массе свеклы, т. е. возросли более чем в 3 раза.

При наличии в бактериозной свекле 8–10% гнилой массы из-за присутствия высокомолекулярных соединений (из них наиболее вредный полисахарид декстран)сатурационные соки практически невозможно отфильтровать.

Вследствие появления пораженной бактериозом свеклы Ч диффузионного сока снизилась с 86,2 до 82,5%, содержание декстрана увеличилось с 0,018 до 0,075%, величина рН снизилась с 6,2 до 5,5, содержание РВ увеличилось в 3,5 раза, скорость фильтрования сока I сатурации снизилась в 7,6 раза, скорость осаждения частиц осадка –в 2,1 раза, объем осадка увеличился в 1,8 раза [5].

Молекулы декстрана адсорбируются поверхностью кристаллов сахара в процессе их формирования и роста, что снижает качество сахара и делает невозможным использование его для выработки продуктов детского питания, различных напитков и т. д.

В соответствии с регламентными требованиями современной схемы физико-химической очистки диффузионного сока присутствующие в исходном соке РВ подвергаются щелочнотермическому разложению в управляемых условиях по температуре, продолжительности процесса, активной известковой щелочности. С учетом обеспечения нормативной термоустойчивости очищенного сока в условиях высокотемпературного выпаривания остаточное содержание РВ в соке не должно превышать 0,020–0,025% к его массе. Следовательно, при возможном интервале начальной массовой доли РВ в диффузионном соке из свеклы различного качества 0,08–0,35% для достижения рекомендуемой остаточной их доли степень щелочно-термического разложения указанных несахаров должна составлять 90% и более.При их разложении образуется более 100 различных химически активных соединений с короткими углеродными цепочками, имеющими в своем составе карбонильные группы, которые могут реагировать друг с другом и образовывать окрашенные соединения. Вследствие различной прочности органических связей продуктов распада РВ с переменной степенью полимеризации образуются объемные структуры первичных макромолекул ацидокарбонатов гидроксикальция, которые при агрегатировании влияют на дисперсность и коэффициент сжимаемости осадков [6].

В результатев очищаемом соке появляются новые группы несахаров – красящие вещества и высокомолекулярные соединения. Задача последующих операций технологического комплекса очистки диффузионного сока – максимальное удаление красящих веществ и других вторичных продуктов распада за счет адсорбции карбонатом кальция в процессе карбонизации известковой щелочности с последующим удалением образовавшегося осадка карбоната кальция с несахарами путем фильтрования или седиментации.

Основными показателями качества готовой продукции – белого сахара, являются цветность водного раствора и зольность. Указанные вторичные несахара – продукты распада РВ, вследствие невозможности их полного удаления при традиционной известково-углекислотной очистке диффузионного сока, являются одними из основных причин снижения качества сахара. С учетом сказанного возникает задача интенсификации процессов очистки диффузионного сока за счет применения эффективных приемов [7].

Горячая известковая обработка диффузионного сока позволяет обеспечить более полную степень распада РВ, однако в сравнении с низкотемпературной обработкой производственные растворы имеют высокую цветность и повышенное содержание продуктов полимеризации красящих веществ. Например, при 90 °С таких соединений в очищаемом соке больше на 36% в сравнении с низкотемпературной известковой обработкой. При образовании микрочастиц карбоната кальция в присутствии ВМС образуются мелкодисперсные структуры с низкими фильтрационно-седиментационными показателями, что в производственных условиях снижает производительность фильтровального оборудования. Скорость фильтрования производственного раствора с учетом повышенного содержания в исходном соке РВ и при высокотемпературной известковой обработке снижается почти в 2 раза.

Результаты и обсуждение

Для достижения высоких показателей фильтрования производственных сахарных растворов после их карбонизации наряду с высоким эффектом адсорбционного удаления продуктов распада несахаров определяющим фактором является получение оптимальной структуры частиц карбоната кальция – основы фильтрационного осадка.

Нами показана целесообразность управляемого процесса формирования структуры осадка карбоната кальция в процессе первой карбонизации путем ввода в очищаемый сок частиц специально подготовленного фильтропер-лита. Предварительная подготовка заключалась в известково-углекислотной обработке фильтропер-лита с определенной дисперсностью при заданном значении рН с получениеммаксимальной положительной величины электрокинетического потенциала (ЭКП). Ввод в очищаемый сок такой суспензии обеспечивает в процессе карбонизации формирование более однородных частиц карбоната кальция, которые можно отнести к малосжимае-мым структурам, а также обеспечивает высокий эффект адсорбционной очистки продуктов щелочного распада РВ (таблица 1) .

Таблица 1.

Показатели сока в зависимости от варианта проведения I карбонизации

Table 1.

Indicators of juice depending on the variant of the carbonation 1st

Показатели эффективности карбонизации сока The efficiency of carbonation of the juice	Ввод фильтроперлита перед карбонизацией Enter filtroperlite before carbonation	Типовой вариант карбонизации Typical carbonation variant
Эффект адсорбционного удаления красящих веществ,% Effect of adsorption removal of dyes,%	55,8	48,4
Скорость фильтрования сока, см3/с Juice filtration rate, сm3 / s	0,98	0,72
Скорость седиментации осадка, см/мин Sedimentation rate, cm /min	3,05	2,35

Из приведенных данных видно существенное улучшение фильтрационно-седиментационных показателей производственных сахарных растворов при предварительном вводе в очищаемый сок активированного фильтроперлита – скорость фильтрования сока увеличилась на 36,1%, скорость седиментации –на 29,8%.

По современной технологии очистки диффузионного сока часть сгущенной суспензии сока I и II сатурации возвращается в определенную зону рН прогрессивного преддефекатора [8–10]. Частицы карбонатного осадка сока II сатурации имеют положительный ЭКП +7÷12 мВ. В процессе II сатурации образуется менее загрязненная поверхность осадка карбоната кальция, чем на I сатурации. Возврат такой суспензии способствует более полной коагуляции ВМС и ВКД диффузионного сока на стадии прогрессивной преддефекации (ППД). Важным является ввод именно суспензии сока II сатурации, полученной при управляемом формировании структуры фильтроперлита перед стадией карбонизации. Вызывает интерес влияние возврата суспензии, полученной в процессе карбонизации оксида кальция с предварительным вводом активированного фильтроперлита. Исследовали варианты возврата в процесс преддефекационной обработки различных карбонатных суспензий при очистке диффузионного сока из свеклы длительного хранения (Ч сока 86,3%, рН 5,95).

Вариант 1. Возврат суспензии сока I сатурации с последующим вводом СаО до рН 11,0 (контроль).

Вариант 2. Ввод в диффузионный сок суспензии сока II, ввод СаО до рН 11,0.

Вариант 3. Ввод части суспензии сока II сатурации непосредственно в диффузионный сок и в зону рН 8,0 – 8,5 с последующим вводом СаО до рН 11,0.

Определяли качественные показатели очищаемого сока после прогрессивной предде-фекации, I и II сатурации (таблица 2) .

осадка на основе вводимых частиц активированного

Таблица 2.

Технологические показатели качества соков

Table2.

Technological indicators of juice quality

Показатели | Parameter	Вариант возврата суспензии Suspension return option
	№ 1	№ 2	№ 3
Сок после ППД | Juice after progressive	preliminary liming
Ч,% | Purity,%	87,6	87,9	88,4
Эффекточистки, % | The cleaning effect, %	12,5	14,2	17,4
S 5 , см/мин(cm/min)	2,85	3,40	3,85
V 25 ,%	26,0	23,1	21,6
Сок I сатурации | Carbonation 1st
V ф , см3/с (сm3/s)	0,069	0,078	0,094
S 5 , см/мин(cm/min)	3,40	3,75	4,45
V 25 ,%	22,9	19,6	17,5
Сок II сатурации | Carbonation 2nd
Ч,% | Purity,%	90,0	90,4	90,7
Общий эффект очистки, % | Total effect purification, %	29,9	32,7	34,5
Массовая доля солей кальция, % СаО Mass fraction of calcium salts, % СаО	0,036	0,031	0,027
Цветность, усл. ед. | Chroma, conventional units	16,4	14,90	13,7

Возврат активированной карбонатной суспензии сока II сатурации на ППД способствует повышению эффекта очистки на этой операции на 39,2% в сравнении с контролем, улучшению дисперсного состава коагулята несахаров, что подтверждается увеличением скорости седиментации частиц осадка на 35% при уменьшении объема осадка V 25 на 16,9%. Эффективность очистки сока II сатурации повышается на 15,4% по сравнению с контролем, массовая доля солей кальция снижается на 25%, эффект удаления красящих веществ повышается на 16,5%.

Заключение

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что возврат на прогрессивную преддефекацию суспензии сока II сатурации, сформированной при предварительном вводе на сатурацию активированного фильтроперлита позволяет существенно повысить эффективность как процесса преддефекации, так и операции II сатурации, что является особенно важным при переработке свеклы пониженного качества с повышенным содержанием вредных несахаров.