Щелочно-термическое разложение редуцирующих веществ диффузионного сока
Автор: Голыбин В.А., Федорук В.А., Лавренова М.А., Волошина М.П.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Биотехнология, бионанотехнология и технология сахаристых продуктов
Статья в выпуске: 4 (58), 2013 года.
Бесплатный доступ
Обоснованы режимы технологических операций, позволяющие снизить щелочно-термическое разложение редуцирующих веществ диффузионного сока.
Очистка диффузионного сока, редуцирующие вещества, щелочно-термическое разложение
Короткий адрес: https://sciup.org/14040131
IDR: 14040131
Текст научной статьи Щелочно-термическое разложение редуцирующих веществ диффузионного сока
В ходе производственного сезона на сахарные заводы поступает свекла с различным составом различных химических соединений несахаров, наиболее вредными из которых являются редуцирующи е вещества (РВ) – смесь моносахаров, глюкозы, фруктозы и др. В свекле в начале и середине производственного сезона содержание РВ не превышает 0,08-0,12 % к ее массе. Во второй его половине содержание указанных химических соединений возрастает до 0,2 % к массе свеклы и более. В процессе диффузионного извлечения сахарозы РВ полностью переходят из внутриклеточного объема свекловичной ткани в диффузионный сок, а затем в его составе поступают на известково-углекислотную очистку.
В условиях высокой щелочности, обусловленной избытком гидроксида кальция, протекает щелочно-термическая конверсия РВ, вызывающая появление в очищаемом сахарном растворе дополнительных вредных несахаров – новых химических соединений, в основном, красящих веществ и различных органических кислот.
По современной технологии сахарного производства нормативное разложение редуцирующих веществ, находящихся в очищаемом диффузионном соке, должно быть проведено в процессе основной дефекации с регулируемым температурным режимом в условиях избытка известковой щелочности с последующим удалением появившихся продуктов распада за счет адсорбции карбонатом кальция при обработке сока диоксидом углерода (сатурация).
Волошина М.П., Лавренова М.А., 2013
Наибольшее влияние на степень термохимического разложения РВ оказывают температура реакционной среды, продолжительность известковой обработки и величина активной щелочности, выраженной через расход оксида кальция (СаО). В ранее выполненных исследованиях расход СаО на основную дефекацию (ОД) принимался равным или очень близким к производственному – в пределах 2,0-2,5 % к массе свеклы или 105-125 % к массе несахаров диффузионного сока. Добавление 2,0 % СаО в лабораторных условиях не является характерным для ОД в производственных условиях. С учетом возврата на прогрессивную преддефекацию нефильтрованного сока I сатурации и сгущенных карбонатных суспензий активная щелочность очищаемого сока в процессе ОД составляет 1,0-1,4 % СаО [1]. Кроме того, проведение дополнительной дефекации фильтрованного сока перед II сатурацией требует отбора определенной части активной извести с операции ОД, что снижает фактический расход реагента и меняет условия щелочного разложения РВ [2]. Известно, что частицы не-растворившегося гидроксида кальция, имеющиеся в реакционной среде, участвуют в адсорбционном процессе поглощения первичных реакционноспособных продуктов распада РВ.
В последние годы на отечественных сахарных заводах перерабатывают значительные объемы свеклы, выращенной из семян зарубежной селекции. Химический состав такой свеклы имеет большую зависимость от клима-тических условий вегетации, при краткосрочном хранении в свекле происходят значительные изменения, вызывающие накопление в ней вредных растворимых несахаров. Содержание редуцирующих веществ в хранившейся свекле возрастает в 3-4 раза и достигает 0,35-0,55 % к ее массе [3].
С учетом вышесказанного нами для исследований степени разложения РВ были приняты следующие факторы: температура реакционной среды и продолжительность известковой обработки, расход гидроксида кальция. Для получения данных, исключающих влияние других несахаров, исследования проводились на модельных водных растворах, содержащих 12 % сахарозы. Гидроксид кальция получали из свежеобожженного оксида кальция (х.ч) путем его гашения водой. После охлаждения известкового молока весовым методом определяли его плотность, рассчитывали массовую долю оксида кальция и требуемый объем известковой суспензии для ввода в реакционную среду.
После проведения в контролируемых условиях разложения РВ отбирали из сосуда пробы рабочего раствора, охлаждали до 20 оС, фильтровали, доводили уксусной кислотой до нейтральной реакции и выполняли анализы по стандартным методикам с определением мас совых долей сухих веществ, остатка РВ, оптической плотности (D) с помощью фотоколориметра при рекомендуемой длине волны.
К. Вуков в своих исследованиях для нейтрализации остаточной щелочности рабочего раствора обрабатывал его диоксидом углерода до рН20 7,0-7,5 [4]. По нашему мнению такой способ неприемлем для определения оптической плотности растворов после ОД, т.к. фактически проводилась карбонизация остаточного количества оксида кальция с образованием карбоната кальция, являющегося эффективным адсорбентом образовавшихся красящих веществ, что не позволяет получать объективных экспериментальных данных.
Распад РВ и образование красящих веществ исследовали при вводе в реакционные среды с определенной температурой расчетные объемы известкового молока, эквивалентные расходу 0,5 и 1,0 % СаО к массе раствора.
Известковую обработку модельных растворов, содержащих РВ, проводили по классической схеме в два этапа: вначале предварительная дефекация при малом расходе щелочи и рН среды 11,0 (0,2 % СаО), затем основная дефекация с добавлением 0,5 и 1,0 % СаО (таблицы 1, 2).
Таблица 1
|
Время, мин |
Показатели распада РВ при температуре, оС |
||||||
|
70 |
80 |
90 |
|||||
|
остаток РВ, % |
D, ед./100 СВ |
остаток РВ, % |
D, ед./100 СВ |
остаток РВ,% |
D, ед./ 100 СВ |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
Предварительная дефекация |
|||||||
|
4 |
96,0 |
0,08 |
91,5 |
1 0,25 |
79,0 | |
2,08 |
|
|
Основная дефекация |
|||||||
|
1 |
82,3 |
0,37 |
66,0 |
1,39 |
49,4 |
4,45 |
|
|
2 |
69,5 |
0,52 |
50,0 |
2,28 |
38,0 |
6,54 |
|
|
3 |
58,9 |
0,84 |
41,0 |
2,81 |
28,3 |
7,45 |
|
|
4 |
53,2 |
1,18 |
33,6 |
3,29 |
23,0 |
8,36 |
|
|
5 |
48,4 |
1,50 |
25,5 |
3,81 |
18,7 |
8,63 |
|
|
6 |
43,0 |
1,75 |
24,0 |
4,27 |
15,5 |
8,86 |
|
|
8 |
34,5 |
2,30 |
16,8 |
5,02 |
12,4 |
9,00 |
|
|
10 |
28,5 |
2,79 |
12,7 |
5,42 |
11,0 |
9,10 |
|
|
14 |
21,0 |
3,42 |
10,9 |
5,83 |
9,3 |
9,18 |
|
|
16 |
18,5 |
3,47 |
9,3 |
6,06 |
7,8 |
9,25 |
|
|
20 |
14,7 |
3,67 |
8,2 |
6,38 |
5,6 |
9,30 |
|
Распад РВ (0,3 %) при расходе СаО 0,5 % к массе раствора
Из данных таблицы 1 видно значительное увеличение оптической плотности рабочих растворов с повышением температуры: при 70 оС - D 3,67 ед. (остаток РВ 14,7 %); при 90 оС и той же степени распада редуцирующих веществ оптическая плотность увеличилась до
8,95 ед. или в 2,44 раза. Наблюдается существенный рост удельной оптической плотности рабочих растворов в условиях оптимальной известковой преддефекации: при 70 оС распад РВ 4 % (0,02 ед. оптической плотности на 1 % разложившихся РВ); при 90 оС распад РВ 21 %
(0,1 ед. оптической плотности на 1 % РВ), т.е. в 5 раз больше. Вклад предварительной и основной дефекаций в образование красящих веществ на 1 часть разложившихся РВ: при 70 оС 2,73 ед.; при 90 оС 6,25 ед. или в 2,29 раза больше. Полученные результаты подтверждают целесообразность осуществления предде-фекации диффузионного сока при переработке свеклы пониженного качества в режиме теплой обработки (в интервале 55-60 оС) [5].
Таблица 2
Распад РВ (0,3 %) при расходе СаО 1,0 % к массе раствора
|
Время, мин |
Показатели распада РВ при температуре, оС |
||||||||
|
70 |
80 |
90 |
|||||||
|
остаток РВ, % |
D, ед./100 СВ |
остаток РВ, % |
D, ед./100 СВ |
остаток РВ,% |
D, ед./ 100 СВ |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|||
|
Предва |
рительная дефекация |
||||||||
|
4 |
95,7 |
0,09 |
91,2 |
0,26 |
79,3 |
2,11 |
|||
|
Основная дефекация |
|||||||||
|
1 |
68,5 |
0,56 |
51,2 |
1,43 |
33,2 |
3,03 |
|||
|
2 |
50,7 |
1,08 |
33,6 |
2,79 |
18,3 |
5,58 |
|||
|
3 |
41,8 |
1,51 |
24,0 |
3,86 |
11,8 |
7,65 |
|||
|
4 |
35,0 |
1,87 |
18,6 |
4,55 |
9,2 |
8,84 |
|||
|
6 |
25,1 |
2,39 |
11,2 |
5,34 |
5,4 |
9,95 |
|||
|
8 |
18,2 |
2,75 |
9,1 |
5,66 |
5,0 |
10,35 |
|||
|
10 |
13,7 |
3,03 |
7,3 |
5,87 |
4,6 |
10,50 |
|||
|
16 |
6,5 |
3,46 |
4,4 |
6,38 |
4,2 |
10,64 |
|||
|
20 |
4,6 |
3,55 |
3,6 |
6,50 |
3,8 |
10,72 |
|||
Увеличение расхода СаО на основную дефекацию в два раза (таблица 2) позволило увеличить степень распада РВ, особенно при 70 оС (остаток несахаров в 3,2 раза меньше) при снижении оптической плотности рабочих растворов. Высокая температура основной дефекации (90 оС), несмотря на двукратное увеличение расхода гидроксида кальция, приводит к интенсивному росту оптической плотности рабочих растворов: при достижении сте пени распада редуцирующих веществ 94,6 % посл едующий прирост этого показателя всего на 1 % вызывал увеличение оптической плотности на 0,77 ед.
Рассчитали количественные показатели массы образующихся продуктов распада редуцирующих несахаров (красящих веществ) с использованием величины оптической плотности рабочих растворов (таблица 3).
Таблица 3
Изменение удельной оптической плотности при разных условиях разложения редуцирующих веществ
|
Показатели |
Продолжительность известковой обработки (ОД), мин |
|||||||
|
распада |
5 1 |
10 |
1 15 |
20 |
5 |
10 I |
15 |
| 20 |
|
РВ |
0,3 % РВ, 0,5 % СаО |
0,3 % РВ, 1,0 % СаО |
||||||
|
Температура 70 оС |
||||||||
|
Распад РВ, % |
47,6 |
67,5 |
76,3 |
81,3 |
70,1 |
82,0 |
88,0 |
91,1 |
|
Распад РВ, г |
0,75 |
1,06 |
1,20 |
1,28 |
1,12 |
1,29 |
1,39 |
1,43 |
|
D, ед./100 СВ |
1,42 |
2,71 |
3,37 |
3,59 |
2,04 |
2,94 |
3,30 |
3,46 |
|
УдельнаяD, ед./г РВ |
1,89 |
2,56 |
2,81 |
2,80 |
1,82 |
2,28 |
2,37 |
2,42 |
|
Температура 90 оС |
||||||||
|
Распад РВ, % |
60,3 |
68,0 |
71,0 |
73,4 |
72,0 |
74,7 |
75,1 |
75,5 |
|
Распад РВ, г |
0,95 |
1,07 |
1,12 |
1,16 |
1,13 |
1,17 |
1,18 |
1,19 |
|
D, ед./100 СВ |
6,55 |
7,02 |
7,14 |
7,22 |
7,29 |
8,39 |
8,51 |
8,61 |
|
УдельнаяD, ед./ г РВ |
6,89 |
6,56 |
6,38 |
6,22 |
6,45 |
7,17 |
7,21 |
7,24 |
На начальной стадии основной дефекации за первые 5 мин разложения РВ удельная оптическая плотность при 90 оС в 3,6 раза выше, чем при 70 оС (расход СаО 0,5 %). При увеличении ввода гидроксида кальция в 2 раза при 70 оС наблюдается снижение удельной оптической плотности рабочих растворов, что можно объяснить наличием в реакционной среде частиц нерастворившегося гидроксида кальция с достаточно высокой поверхностной активностью [6]. При 90 оС увеличение ввода гидроксида кальция несколько повышает удельную оптическую плотность за счет высокой скорости появления в реакционной среде продуктов щелочного распада редуцирующих веществ, которые адсорбируются частицами карбоната кальция в процессе последующей карбонизации оксида кальция недостаточно полно. В отличие от работы [6], в которой исследования проводились в водных растворах (рН 11,8), в наших опытах в рабочих растворах присутствовала сахароза (12 %), что уменьшало вероятность присутствия нерастворившихся частиц гидроксида кальция и увеличивало активную щелочность среды (рН 12,4). По данным А.Р. Сапронова с повышением рН реак- ционной среды быстрее достигается максимум оптической плотности продуктов распада редуцирующих веществ, после чего с течением времени наблюдается ее снижение [1]. В условиях наших опытов (90 оС, рН 12,4) происходит быстрое разложение редуцирующих веществ, и параллельно протекают реакции полимеризации образовавшихся первичных реакционноспособных продуктов с укрупнением молекул красящих веществ и некоторым изменением их свойств, однако состояние их коагуляции еще не достигается.
Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод о предпочтительном термохимическом разложении редуцирующих веществ, содержащихся в значительном количестве в исходном диффузионном соке, при невысокой температуре основной дефекации (не выше 70 оС) - за 20 мин процесса достигается высокая степень их распада (более 95 %) с низкой оптической плотностью образующихся вторичных продуктов - красящих веществ [7].
Выполнены исследования щелочного распада РВ в более мягких условиях основной дефекации, характеризующих теплый режим известковой обработки при 50 и 60 оС (таблицы 4, 5).
Таблица 4
Показатели разложения РВ при пониженной температуре известковой обработки
|
Время, мин |
Разложение РВ (0,5 %), ввод 1,0 % СаО при температуре, оС |
|||
|
50 |
60 |
|||
|
остаток РВ, % |
D,ед. /100 СВ |
остаток РВ, % |
D,ед. /100 СВ |
|
|
5 |
76,5 |
0,45 |
52,6 |
1,26 |
|
10 |
62,0 |
0,81 |
33,0 |
2,08 |
|
15 |
50,1 |
1,14 |
24,1 |
2,76 |
|
20 |
39,2 |
1,43 |
18,1 |
3,30 |
|
25 |
32,4 |
1,74 |
14,8 |
3,68 |
|
30 |
27,6 |
1,98 |
13,6 |
3,86 |
|
Нагревание рабочего раствора до 85 оС в течение 9 мин |
||||
|
9 |
4,9 |
4,70 |
5,0 |
5,47 |
Таблица 5
|
Показатели |
Продолжительность известковой обработки (мин) при температуре, оС |
Нагревание до 85 оС |
||||||
|
10 |
20 |
30 |
10 |
20 |
30 |
от |
||
|
50 |
60 |
50 оС |
60 оС |
|||||
|
Распад РВ, г |
1,00 |
1,60 |
1,90 |
1,76 |
2,15 |
2,27 |
2,23 |
2,43 |
|
D, ед./100 СВ |
0,81 |
1,43 |
1,98 |
2,08 |
3,30 |
3,86 |
4,70 |
5,47 |
|
УдельнаяD, ед. /г РВ |
0,81 |
0,89 |
1,04 |
1,18 |
1,53 |
1,70 |
2,11 |
2,25 |
Изменение удельной оптической плотности растворов при различных условиях разложения (0,5 % РВ, 1,0 % СаО)
Из приведенных в таблицах 4, 5 данных видно заметное снижение оптической плотности рабочих растворов после разложения РВ в условиях теплой длительной дефекации и медленным их нагреванием до оптимальной температуры карбонизации (85 оС).
Величины удельной оптической плотности рабочих растворов после их нагревания до 85 оС при одинаковых степенях распада РВ (около 95 %) составили 2,11 и 2,25 ед./г разложившихся несахаров, что в 3,0-3,5 раза ниже, чем при 90 оС (таблица 3).
Таким образом, с точки зрения минимального образования красящих веществ - продуктов щелочно-термического разложения редуцирующих веществ, и создания благоприятных условий их адсорбционного удаления частицами карбоната кальция на последующей ступени очистки – карбонизации, целесообразно вначале проводить комбинированную основную дефекацию диффузионного сока с длительной (до 30 мин) первой теплой ступенью и последующим медленным (в течение 7-9 мин) нагреванием очищаемого сока до 82-85 оС.
