Оптимизация способа подготовки жомопрессовой воды в импульсном магнитном поле

Автор: Голыбин Вячеслав Алексеевич, Федорук Владимир Алексеевич, Горожанкина Ксения Константиновна

Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet

Рубрика: Биотехнология, бионанотехнология и технология сахаристых продуктов

Статья в выпуске: 4 (54), 2012 года.

Бесплатный доступ

Применение импульсного магнитного поля для подготовки экстрагента (жомопрессовой воды) и подбор оптимальных условий обработки.

Эктрагент, диффузия, оптимизация

Короткий адрес: https://sciup.org/14039911

IDR: 14039911

Текст научной статьи Оптимизация способа подготовки жомопрессовой воды в импульсном магнитном поле

Процесс экстракции сахарозы из свекловичной стружки является в сахарном производстве основополагающим. От проведения этого процесса зависит переход сахарозы в диффузионный сок и в конечном итоге выход сахара-песка стандартного качества. В качестве питательной воды для экстрагирования используется наряду со свежей жомопрессовая вода (ЖПВ), полученная после прессования свекловичного жома и прошедшая обработку.

Для оптимизации параметров комбинированной обработки жомопрессовой воды в импульсном магнитном поле с применением карбонатной суспензии сока II сатурации проводили исследования по взаимодействию влияющих на этот процесс факторов. Для этого были применены математические методы планирования. Математическое описание данного процесса может быть получено эмпирически. При этом его математическая модель имеет вид уравнения регрессии, найденного статистическими методами на основе экспериментальных данных.

В качестве основных факторов, влияющих на эффективность способа подготовки жомопрессовой воды, были выбраны:

Х 1 – продолжительность магнитной обработки, с;

Х 2 – индукция магнитного поля, Тл;

Х 3 – давление прессования жома, MΠa;

Х 4 – расход карбонатной суспензии сокa II caтypaции, % к мacce ʙoды.

Все эти фaкторы совместимы и некоррелируемы между собой (тaбл. 1).

Выбор интepʙaлов изменения входных фaкторов обусловлен технологическими условиями проведения процecca физикохимической очистки жомопрессовой воды. Критериями оценки (выходные фaкторы) влияния paзличных фaктopoʙ ʜa процесс очистки были выбpaʜы: Y 1 – чистотa жомопрессовой воды, %; Y 2 – эффект очистки ʜa диффузии, %; Y 3 – эффект известково-углекислотной очистки диффузионного сокa, %; Y 4 – выход жомо-прессовой воды, % к мacce жомa. Выбор оценки Y обусловлен иx ʜaибольшей зʜaчимостью для определения эффективности способa подготовки жомопрессовой воды.

Опыты проводили по следующей методике: получaли ʜa cпециaльных ножax cʙeклович-ную стружку толщиной 2 мм (длиʜa 100 г стружки 12 м, содержaʜие бpaкa 3 %), которую помещaли в лaбopaторную диффузионную бaтapeю. Осуществляли диффузионный противоточный процесс в течение 60 мин, при темпepa-туре 70-72 ⁰ С путем отводa диффузионного сокa и подaчи свежей воды. Ha лaбopaторном прессе получaли из свежего жомa ЖПВ при дaʙлении пpeccoʙaʜия 3,00 MΠa. Водy ʜaгpeʙaли до 60 ⁰ С и подвергaли комбиниpoʙaʜʜoй физикохимической очистке с внесением кapбoʜaтной суспензии сокa II caтypaции в количестве: 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 % к мacce ʙoды. Πapaметры импульсного мaгнитного поля изменяли в следующих интepʙaлax: индукция 0,10-0,30 Тл; продолжительность обpaботки 2-15 с.

Таблица 1

Пределы измерения входных факторов

Условия планирования	Пределы измерения факторов
Условия планирования	Х 1 , с	Х 2 , Тл	Х з , МПа	Х 4 , % к массе воды
Основной уровень	6	0,20	3,0	0,50
Интервал варьирования	2	0,05	1,0	0,35
Верхний уровень	8	0,25	4,0	0,75
Нижний уровень	4	0,15	2,0	0,25
Верхняя «звёздная точка»	10	0,30	5,0	1,0
Нижняя «звёздная точка»	2	0,10	1,0	0,0

Далее проводили процесс экстракции сахарозы из свекловичной стружки. В качестве питательной воды для диффузионного процесса использовали очищенную ЖПВ, предварительно смешав её с подкисленной водопроводной водой. Экстрагирование сахарозы из свежей свекловичной стружки проводили при температуре 70-72 ⁰ С и продолжительности 60 мин, рН питательной воды - 5,7-6,0, соотношение массовых расходов ЖПВ : водопроводная вода : свекловичная стружка = 0,5 : 0,5 : 1. Обессахаренную стружку, полученную в каждой пробе в процессе экстракции, отжимали на лабораторном прессе при следующих величинах давления в зоне прессования: 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 5,0 МПа - определяя выход ЖПВ, % к массе жома.

Диффузионный сок подвергали известково-углекислотной очистке по типовой схеме. Общий расход оксида кальция на операции очистки составлял 100 % к массе несахаров диффузионного сока.

Для исследования было применено центральное композиционное ротатабельное униформпланирование и был выбран полный факторный эксперимент 2 ⁴ . Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключало влияние неконтролируемых факторов на результаты эксперимента. Опыты в каждой точке матрицы дублировали для повышения точности.

Программа исследований была заложена в матрицу планирования эксперимента (табл. 2).

Таблица2

Матрица планирования эксперимента

Номер опыта	Х 1	Х 2	Х з	Х	Y 1	Y 2	Y 3	Y 4
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	-1	-1	-1	-1	71,52	16,17	38,28	55,78
2	+1	-1	-1	-1	64,75	16,00	38,01	55,14
3	-1	+1	-1	-1	73,19	16,28	38,42	55,27
4	+1	+1	-1	-1	65,86	16,07	38,08	55,68
5	-1	-1	+1	-1	68,70	16,09	38,12	57,82
6	+1	-1	+1	-1	63,00	15,85	37,83	57,59
7	-1	+1	+1	-1	74,32	16,29	38,40	57,65
8	+1	+1	+1	-1	67,14	16,08	38,15	57,73
9	-1	-1	-1	+1	72,67	16,27	38,26	56,83
10	+1	-1	-1	+1	68,50	16,05	38,11	55,61
11	-1	+1	-1	+1	74,88	16,30	38,57	56,47
12	+1	+1	-1	+1	67,62	16,10	38,20	55,92
13	-1	-1	+1	+1	70,36	16,15	38,27	57,68
14	+1	-1	+1	+1	64,85	16,02	38,00	57,85
15	-1	+1	+1	+1	75,48	16,38	38,42	57,80
16	+1	+1	+1	+1	69,87	16,19	38,37	57,64
17	-2,00	0	0	0	63,95	15,87	37,92	56,87
18	+2,00	0	0	0	74,03	16,26	38,39	56,93
19	0	-2,00	0	0	65,26	15,98	37,99	55,41
20	0	+2,00	0	0	76,20	16,47	38,68	57,98
21	0	0	-2,00	0	65,15	16,12	38,13	54,48
22	0	0	+2,00	0	61,90	15,06	36,87	58,00

23 0 0 0 -2,00 63,94 15,23 37,10 55,27

О к о н ч а н и е табл. 2

1	2	3	4	5	6	7	8	9
24	0	0	0	+2,00	76,55	16,65	38,72	56,75
25	0	0	0	0	75,83	16,37	38,55	56,70
26	0	0	0	0	75,83	16,37	38,55	56,70
27	0	0	0	0	75,83	16,37	38,55	56,70
28	0	0	0	0	75,83	16,37	38,55	56,70
29	0	0	0	0	75,83	16,37	38,55	56,70
30	0	0	0	0	75,83	16,37	38,55	56,70
31	0	0	0	0	75,85	16,37	38,55	56,70

В результате статистической обработки экспериментальных данных с помощью программы SGWIN получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс очистки жомопрессовой воды комбинированным физико-химическим способом в импульсном магнитном поле с применением в качестве химического реагента карбонатной суспензии сока II сатурации под влиянием исследуемых факторов:

Y 1 = 75,83 – 1,84 · X 1 + 1,15 · X 2 –·2,88 X 3 +

+ 1,71 · X 4 – 1,52 · X 1² – 0,33 · X 1 · X 2 +

+ 0,99 · X 1 · X 3 – 0,07 · X 1 · X 4 – 1,08 · X 2² +

+ 0,10 · X 2 · X 3 + 0,28 · X 2 · X 4 – 2,19 · X 3² –

– 0,06 · X 3 · X 4 – 1,20 · X 4² ; (1)

Y 2 = 16,37 –0,08 · X 1 + 0,03 · X 2 – – 0,10 · X 3 +

+ 0,15 · X 4 – 0,05 · X 1² + 0,04 · X 1 · X 3 –

– 0,01 · X 1 · X 4 – 0,01 · X 2² + 0,01 · X 2 · X 4 – – 0,16 · X 3² + 0,01 · X 3 · X 4 – 0,08 · X 4² ; (2)

Y 3 = 38,55 – 0,11 · X 1 + 0,03 · X 2 – 0,12 · X 3 +

+ 0,17 · X 4 – 0,06 · X 1² + 0,03 · X 1 · X 3 +

+ 0,01 · X 1 · X 4 – 0,01 · X 2² + 0,02 · X 2 · X 3 +

+ 0,02 · X 2 · X 4 – 0,22 · X 3² + 0,01 · X 3 · X 4 –

– 0,12 · X 4² ; (3)

Y 4 = 56,70 + 0,04 · X 2 + 0,92 · X 3 + 0,26 · X 4 + + 0,12 · X 1² + 0,11 · X 1 · X 2 – 0,01 · X 1 · X 3 – – 0,01 · X 1 · X 4 – 0,05 · X 2² + 0,12 · X 2 · X 3 – – 0,09 · X 2 · X 4 – 0,04 · X 3² – 0,17 · X 3 · X 4 – – 0,09 · X 4² . (4)

Анализ этих уравнений позволяет выделить факторы, влияющие на рассматриваемый процесс. Например, чистота жомопрессовой воды (1), полученной при величине давления в зоне прессования 3,0 МПа, в процессе очистки при добавлении суспензии сока II сатурации в количестве 0,5 % к массе воды, обработке ее в импульсном магнитном поле в течение 6 с, значении магнитной индукции 0,20 Тл соста- вит 75,83 %. Давление в зоне прессования является более значимым фактором, по сравнению с остальными – больший коэффициент по модулю перед Х3, равный 2,88, далее по значимости идет «продолжительность магнитной обработки», коэффициент перед Х1 равен 1,84. Увеличение этих параметров приводит к снижению чистоты очищенной жомопрессо-вой воды – знак «–» перед коэффициентами, стоящими у Х1 и Х3. Увеличение индукции магнитной обработки и количества вносимой суспензии сока II сатурации приведёт к повышению показателя чистоты ЖПВ – знак «+» перед Х2 и Х4.

Уравнения регрессии (2), (3), описывающие изменения выходных параметров эффектов очистки диффузионного сока и ИУО – Y2 и Y3 – имеют подобную значимость факторов. Наиболее значимый – Х4 – количество вносимого химического реагента. Ранее было установлено, что использование суспензии сока II сатурации сказывается не только на качественных показателях очищенной ЖПВ, но и диффузионного сока, вследствие обеспечения наименьшего перехода несахаров из свекловичной стружки в процессе диффузии. Использование жомопрессовой воды в качестве экстрагента, полученной при величине давления в зоне прессования 3,0 МПа и очищенной при добавлении суспензии сока II сатурации в количестве 0,5 % к массе воды и обработке ее в ИМП (τ = 6 с, In = 0,20 Тл), обеспечит эффект очистки на диффузии равный 16,37 % (2) и эффект ИУО – 38,55 % (3). Увеличение давления в зоне прессования при получении ЖПВ и продолжительности магнитной обработки приведут к снижению выходных параметров Y2 и Y3 – знак «–» перед коэффициентами, стоящими у Х1 и Х3. Увеличение индукции магнитной обработки и количества вносимой суспензии сока II сатурации приведёт к повышению этих выходных параметров – знак «+» перед Х2 и Х4.

Выход жомопрессовой воды при величине давления в зоне прессования 3,0 МПа из обессахаренной свекловичной стружки, полученной в процессе диффузии, где экстрагент подвергался комбинированной физикохимической очистке (расход сусп ензии сока II сaтypaции 0,5 % к мaссе воды, обpaботкa ʙ ИМП: τ = 6 с, In = 0,20 Тл), состaʙит 56,70 % к мaссе жомa. Дaʙление в зоне прессовaʜия является зʜaчимым фaктором по срaʙʜeʜию с остaльными – больший коэффициент по модулю перед Х 3 , paʙʜый 0,92. Увеличение этого фaктopa приведёт к повышению выходa ЖПВ – зʜaк «+» перед Х 3 .

Taким обpaзом, в результaте выполнения серии опытов по мaтрице получены экс-периментaльные дaʜʜые о влиянии фaкторов и постpoeʜa мaтемaтическaя модель процессa, позволяющaя paссчитaть чистоту жомопрес-совой воды, эффект очистки ʜa диффузии и ʜa стaʜции дефекосaтypaции, выход жомопрес-совой воды.

Был проведен выбор оптимaльных условий процессa комбиниpoʙaʜʜoй физикохимической очистки жомопрессовой воды с использoʙaʜием методa Xappингтoʜa. Зaдaчa oптимизaции процессa oчистки жомопрессо-вой воды с применением суспензии сокa II сa-тypaции в условиях импульсной мaгнитной обpaботки зaключaлaсь в поиске условий, при которых выходные пapaметры (Y1 –Y4) дости-гaют мaксимaльного зʜaчения.

Полученныe ypaʙʜeʜия регрессии (1)-(4) были использoʙaʜы для решения зaдa-чи оптимизaции процессa дaʜʜoй очистки. Для решения зaдaчи оптимизaции процессов с большим количеством откликов использoʙaʜa oбобщeʜʜaя функция желaтельности D . Для построения этой функции преобpaзoʙaʜы измеренные зʜaчения откликов в безpaзмерную шкaлу желaтельности d. Построение шкaлы устaʜaʙлиʙaeт соотношение между зʜaчением откликa Y и соответствующим ему зʜaчением d (чaстʜaя функция желaтельности).

Чaстные функции имеют вид:

d 1 = exp [- exp (- 8,784 + 0,134 Y 1 )], d 2 = exp [- exp (- 19,119 + 1,239 Y 2 )], d 3 = exp [- exp (- 45,575 – 1,216 Y 3 )], d 4 = exp [- exp (- 30,950 + 0,560 Y 4 )].

Зʜaчения этих функций для всех точек плaʜa, определенные по этим формулaм с помощью прогpaммы MS Excel, приведены в тaбл. 3.

Таблица 3

Зʜaчения чaстных функций и обобщённой функции желaтельности кaждого опытa

Hoмер опытa	X 1	X 2	X 3	X 4	d 1	d 2	d 3	d 4	D
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	-1	-1	-1	-1	0,648	0,0001	0,686	0,465	0,004
2	+1	-1	-1	-1	0,340	0,610	0,592	0,335	0,450
3	-1	+1	-1	-1	0,707	0,705	0,728	0,361	0,602
4	+1	+1	-1	-1	0,395	0,636	0,618	0,445	0,513
5	-1	-1	+1	-1	0,530	0,643	0,632	0,783	0,641
6	+1	-1	+1	-1	0,255	0,551	0,521	0,757	0,485
7	-1	+1	+1	-1	0,742	0,708	0,722	0,764	0,734
8	+1	+1	+1	-1	0,457	0,639	0,643	0,773	0,617
9	-1	-1	-1	+1	0,689	0,702	0,679	0,654	0,681
10	+1	-1	-1	+1	0,521	0,628	0,629	0,431	0,546
11	-1	+1	-1	+1	0,758	0,711	0,767	0,595	0,704
12	+1	+1	-1	+1	0,480	0,646	0,659	0,493	0,564
13	-1	-1	+1	+1	0,602	0,663	0,683	0,768	0,676
14	+1	-1	+1	+1	0,345	0,617	0,589	0,786	0,560
15	-1	+1	+1	+1	0,775	0,734	0,728	0,781	0,754
16	+1	+1	+1	+1	0,581	0,677	0,713	0,763	0,680
17	-2,00	0	0	0	0,301	0,559	0,557	0,659	0,499
18	+2,00	0	0	0	0,733	0,699	0,719	0,669	0,705
19	0	-2,00	0	0	0,365	0,603	0,585	0,390	0,473

+2,00

0,793

0,759

0,793

0,800

0,786

Окончание табл. 3

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
21	0	0	-2,00	0	0,359	0,653	0,636	0,205	0,418
22	0	0	+2,00	0	0,205	0,205	0,123	0,802	0,254
23	0	0	0	-2,00	0,300	0,277	0,205	0,361	0,280
24	0	0	0	+2,00	0,802	0,802	0,802	0,651	0,761
25	0	0	0	0	0,784	0,732	0,762	0,633	0,725
26	0	0	0	0	0,784	0,732	0,762	0,633	0,725
27	0	0	0	0	0,784	0,732	0,762	0,633	0,725
28	0	0	0	0	0,784	0,732	0,762	0,633	0,725
29	0	0	0	0	0,784	0,732	0,762	0,633	0,725
30	0	0	0	0	0,784	0,732	0,762	0,633	0,725
31	0	0	0	0	0,784	0,732	0,762	0,633	0,725

Обобщенная функция желательности определена по формуле

D = 4/ d 1 ■ d ₂ ■ d ₃ ■ d ₄ , и приведена в последней графе табл.3.

Оптимальным сочетанием входных факторов исследуемого процесса следует считать то, при котором полученный результат обобщенной функции желательности D имеет наибольший результат.

Для оптимизации процесса очистки жо-мопрессовой воды с применением суспензии сока II сатурации в условиях импульсной магнитной обработки обобщенная функция желательности имеет максимальное значение в опыте 20 и составляет 0,786. На основании этого результата оптимальным сочетанием входных факторов исследуемого процесса следует считать проведение комбинированной физико-химической очистки жомопрессовой воды при следующих условиях:

- индукция импульсного магнитного поля 0,25-0,30 Тл;
- продолжительность обработки 5,5-6,0 с;
- давление прессования жома для получения ЖПВ 3,0 МПа;
- расход карбонатной суспензии сока II сатурации 0,5 % к массе воды.

Комбинированная очистка жомопрессо-вой воды сгущенной карбонатной суспензией сока II сатурации и ИМП обеспечила по сравнению с классическим способом:

- увеличение чистоты ЖПВ на 7,7-8,3 %, эффекта очистки на станции диффузии до 16-17 %, эффекта известково-углекислотной очистки до 38-39 %;
- снижение количества азотсодержащих веществ в ЖПВ на 56-58 %, цветности очищенного сока - на 2,0-4,2 усл. ед., содержание солей кальция в соке II сатурации -на 35-40 %.

Статья научная