Подготовка экстрагента для процесса диффузии сахарозы методом электрохимической активации

На процесс экстракции сахарозы из свеклы значительное влияние оказывает качество экстрагента [1]. Источниками воды для технологических процессов свеклосахарных заводов являются открытые водоемы, качество воды в которых не отвечает требованиям, предъявляемым к пищевым производствам. Так, в речной и прудовой воде содержатся коллоидные соединения, взвешенные вещества и находящиеся в ионном состоянии минеральные и органоминеральные частицы почвы, недиссоциированные и нерастворимые формы гумусовых веществ.

Прогрессивным направлением в технологии подготовки питательной воды для диффузионного извлечения сахарозы из свеклы является использование электрохимических методов [2].

Цель работы – исследования по использованию электрохимической активации (ЭХА) для подготовки питательной воды [3-5]. В качестве активаторов использовали различные химические агенты, в частности, сульфат алюминия.

Опыты проводили по следующей методике. Раствор сульфата алюминия массовой долей от 0,0001 до 0,0020 % подвергали ЭХА в течение 3 мин, изменяя напряжённость электрического поля в интервале 1,0-10,3 В/см. Полученную таким образом питательную воду использовали для получения диффузионного сока с последующей его очисткой. Параллельно проводили получение и очистку диффузионного сока по классической схеме, определяли качественные показатели очищенного сока. (табл. 1).

Таблица 1

Влияние ЭХА воды с добавлением Al2(SO4)3 на качество очищенного сока

Показатели	Классическая	С предварительной ЭХА при различной концентрации Al 2 (SO 4 ) 3
		0,0050	0,0010	0,0005
рН воды после ЭХА	-	4,20	4,45	4,60
рН диффузионного сока	6,60	5,90	6,20	6,45
Чистота очищенного сока, %	90,90	92,90	92,70	91,90

При использовании сернокислого алюминия для подготовки и очистки питательной воды количество образующейся гидроокиси алюминия ограничивается расходом реагента, который зависит от величины рН экстрагента, применяемого в свеклосахарном производстве для диффузионных аппаратов (около 6). Предлагаемый способ ЭХА питательной воды создает возможность для образования необходимого количества гидроокиси алюминия для повышения эффекта очистки на диффузионных установках [6].

Кроме того, электрокоагуляционная очистка природной воды способствует удалению микробиологических загрязнений, в результате чего снижается расход или полностью отпадает необходимость в использовании дорогостоящих дезинфектантов.

Для исследования взаимодействия факторов, влияющих на процесс экстрагирования сахарозы с использованием ЭХА воды, применены математические методы планирования с получением обобщенных уравнений регрессии. В качестве основных факторов выбраны: Х 1 – расход сульфата алюминия, % к массе воды; Х 2 – напряженность электрического поля, В/см.

Выбор интервалов измерения факторов обусловлен технологическими условиями проведения процесса с учетом расхода электроэнергии. Критериями оценки влияния различных факторов на процесс ЭХА выбраны: Y 1 – чистота диффузионного сока, %; Y 2 – массовая доля редуцирующих веществ в диффузионном соке, %; Y 3 – чистота очищенного сока, %; Y 4 – массовая доля редуцирующих веществ в очищенном соке, %; Y₅ – массовая доля солей кальция в очищенном соке, %.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения регрессии:

Y 1 = 84,70 + 0,17·Х 1 + 0,64·Х 2 -1,91·Х 1² +

+ 1,09·Х 1 ·Х 2 - 0,94·Х 2² ;

Y 2 = 0,08 - 0,02·Х 1 + 0,01·Х 2 + 0,10·Х 1² -

• - 0,01·Х 1 ·Х 2 + 0,05·Х 2² ;

Y 3 = 89,02 + 1,20·Х 1 + 0,75·Х 2 -

• - 0,50·Х 1² + 0,75·Х 1 ·Х 2 + 0,60·Х 2² ;

Y 4 = 0,02 - 0,02·Х 1 - 0,02·Х 1² - 0,01·Х 2² ;

Y 5 = 0,03 + 0,01·Х 1² + 0,01·Х 1 ·Х 2 + 0,01·Х 2² .

По полученным уравнениям построены графические зависимости (рис. 1-3).

Ч, % 88,5

88,0

87,5

87,0

86,5

86,0

0 1 ,0003 -0 6   0 0, 2 001           0,0017 ^1,0 F ^{Е, В/см}

Расход A l 2 ( SO 4 ) 3 , %

Рис. 1. Зависимость чистоты диффузионного сока от массовой доли сульфата алюминия и напряженности поля в процессе ЭХА питательной воды

Рис. 1-3 показывают, что максимум чистоты и минимум содержания редуцирующих веществ находятся при экстракции сахарозы водой, полученной при обработке электрическим полем напряженностью около 4,7 В/см и расходе сульфата алюминия 0,001 % к массе сока. При увеличении расхода сульфата алюминия чистота диффузионного сока увеличивается от 82 до 85 %. Дальнейшее повышение расхода сульфата алюминия после достижения максимальной точки приводит к незначительному снижению чистоты диффузионного сока, повышая содержание несахаров в растворе. При увеличении напряженности наблюдается повышение чистоты сока. После увеличения напряженности более 4,7 В/см чистота сока практически не изменяется.

Достигаемый эффект объясняется тем, что в процессе ЭХА слабоконцентрированных растворов солей поливалентных металлов происходит электрохимическое воздействие на присутствующие в растворе ионы и молекулы, в результате чего последние вследствие подвижности приобретают повышенную потенциальную энергию и каталическую активность [7]. Кроме того, в процессе ЭХА образуются электролизные газы (Н2, О2, Cl2), которые снижают кинематическую вязкость, увеличивая коэффициент молекулярной диффузии, и придают раствору дезинфицирующие свойства.

РВ, % 0,024 0,021 0,019 0,016 0,013 0,010 0,007

Расход Al 2 (SO 4 ) 3 , %

Рис. 2. Массовая доля редуцирующих веществ в очищенном соке в зависимости от параметров ЭХА экстрагента

Са, %

0,063

0,053

0,033

0,023

0,043

8,8

4,7

1,0

0,0003      0,001     0,0017

Расход Al 2 (SO 4 ) 3 , %

Е, В/с м

Рис. 3. Влияние массовой доли сульфата алюминия и напряженности электрического поля в процессе ЭХА экстрагента на содержание солей кальция в очищенном соке

Увеличение массовой доли сульфата алюминия приводит к повышению чистоты очищенного сока, снижению массовой доли редуцирующих веществ. При низком расходе сульфата алюминия с повышением напряженности поля при ЭХА экстрагента чистота очищенного сока убывает, а при высоком – растет.

Увеличение напряженности электрического поля до 4,7 В/см приводит к повышению содержания редуцирующих веществ, а дальнейшее увеличение – к их снижению. Такой характер графиков объясняется следующим образом. При подаче потенциала на электроды в жидкости возникает перераспределение концентраций электрохимически активного вещества, обусловленное воздействием электрического поля. Между электродом и жидкостью образуется двойной электрический слой, в пределах которого создаются высокие концентрации электрохимически активных реакционноспособных веществ. Далее в процессе очистки эти вещества взаимодействуют с несаха-рами свеклы. За счет электростатических сил происходит агрегирование разноименно заряженных частиц. При этом наблюдается интенсивное мицеллобразование и коагуляция взвешенных частиц и удаление их из сока. В результате этого качественные показатели очищенного сока улучшаются.

Минимальное содержание солей кальция наблюдается при напряженности 4,7 В/см и массовой доле сульфата алюминия 0,001 % к массе сока. Повышение или понижение данных показателей приводит к увеличению массовой доли солей кальция в очищенном соке. Во время ЭХА растворов наряду с реакцией разложения воды образуются гидроксиды и другие высокоактивные продукты; одновременно с образованием гидроксидов выпадают в осадок примеси тяжёлых металлов, изменяются концентрации ионов Са ²⁺ и Mg ²⁺ в результате образования нерастворимых карбонатных и гидроксильных соединений. Они снижают общую жёсткость воды, а также увеличивают коагулирующую способность и бактерицидные свойства экстрагента и способствуют снижению потерь сахарозы при экстрагировании.

На основании полученных экспериментальных данных построены кривые равных значений чистоты, массовой доли редуцирующих веществ диффузионного сока и чистоты, массовой доли редуцирующих веществ и солей кальция в очищенном соке. Пользуясь данными номограммами, можно определить рациональные величины качественных показателей соков при различном сочетании параметров процесса ЭХА экстрагента.

Задача оптимизации [8] процесса экстракции с применением ЭХА питательной воды заключалась в поиске условий, при которых чистота диффузионного и очищенного соков максимальна, а массовые доли редуцирующих веществ и солей кальция – минимальны.

Полученные обобщенные уравнения регрессии для Y 1 – Y 5 были использованы для решения задачи оптимизации процесса подготовки экстрагента.

Для решения задачи оптимизации процессов с большим количеством откликов использована обобщенная функция желательности (критерий Харрингтона) D . Для построения обобщенной функции желательности преобразованы измеренные значения откликов в безразмерную шкалу желательности d. Построение шкалы желательности устанавливает соотношение между значением отклика У и соответствующим ему значением d (частной функцией желательности).

В нашем случае имеют место односторонние ограничения на выходные параметры вида Y ≤ Y max или Y ≥ Y min . Удобной формой преобразования Y в d служит экспоненциальная зависимость:

d = ехр [- ехр (-Y/)], где Y/ = b0 + b1 Y.

Коэффициенты b 0 и b 1 можно определить, если задать для двух значений свойства У соответствующие значения желательности d предпочтительно в интервале 0,2 0,8 . Для определения b 0 и b 1 был использован следующий прием: худшему значению отклика, полученному по матрице планирования, присваивали значение желательности, равное 0,2, а лучшему значению свойства, определенному по соответствующему уравнению регрессии методом нелинейного программирования в области исследования, присваивали значение желательности, равное 0,8.

Частные функции имеют вид d1 = ехр [- ехр (35,488 – 0,437У1)], d2 = ехр [- ехр (-1,856 + 3,008У2)], d3 = ехр [- ехр (24,892 – 0,286У3)], d4 = ехр [- ехр (-1,977 + 23,565У4)], d5 = ехр [- ехр (-3,273 + 51,842У5)].

Значения частных функций желательности для всех точек плана, определенные по этим формулам, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения частных и обобщенной функций желательности

Х 1	Х 2	d 1	d 2	d 3	d 4	d 5	D
-1	-1	0,310	0,700	0,590	0,802	0,631	0,578
1	-1	0,401	0,749	0,536	0,713	0,470	0,558
-1	1	0,739	0,676	0,802	0,794	0,478	0,686
1	1	0,205	0,694	0,542	0,767	0,511	0,497
-1,414	0	0,243	0,779	0,590	0,795	0,550	0,547
1,414	0	0,449	0,671	0,205	0,205	0,689	0,387
0	1,414	0,761	0,802	0,693	0,584	0,707	0,705
0	-1,414	0,469	0,772	0,520	0,474	0,664	0,568
0	0	0,802	0,205	0,565	0,427	0,734	0,493
0	0	0,802	0,205	0,565	0,427	0,734	0,493

Обобщенная функция желательности определена по формуле

D = 5 d 1 • d 2 • d 3 • d 4 • d ₅

и приведена в последней графе табл. 2.

Анализируя полученные значения обобщенной функции желательности, можно сделать вывод об оптимальных условиях подготовки питательной воды для экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки:

• -    расход сульфата алюминия – 0,001 % к массе сока;

• -    напряженность электрического поля – 10,3 В/см.