Совершенствование известково-углекислотной очистки клеровки сахара-сырца

В поступающем в Россию тростников ом сахаре-сырце не исключается присутствие полисахарида декстрана – продукта жизнедеятельности микроорганизмов группы молочнокислых бактерий Leuconostoc mesenteroides . Даже малые его концентрации вызывают значительные затрудн ения в процессах переработки сахара-сырца – при фильтровании клеровок, при уваривании утфелей и их центрифугировании [1-3]. Проблемы фильтрования клеровок сахара-сырца, содержащего декстран, объясняются изменением структуры частиц карбоната кальция, образующихся в процессе карбонизации известкованных сахарных растворов [4]. На отечественных сахарных заводах основным реагентом физико-химической очистки нечистых сахарных растворов является гидроксид кальция, поэтому представляют интерес исследования по повышению эффективности его применения для очистки клеровок сырцово-сахарного производства.

Для исследования был использован са-хар-сырец высокого качества: величина прямой поляризации – 99,05 %, цветность – 9,8 усл. ед., содержание солей кальция – 0,033 %, редуцирующих веществ – 0,23 %, присутствия крахмала не было обнаружено.

Определение в сахаре-сырце содержания сахарозы методом инверсионной поляризации показало меньшую величину в сравнении с прямой поляризацией, что позволило сделать

заключение о наличии в сахаре-сырце полисахарида декстрана, имеющего высокое значение удельной вращательной способности +(203233) [5]. С использованием методов осаждения декстрана из водных растворов избытком этилового спирта с последующим кислотным гидролизом осадка и вискозиметрии определено содержание полисахарида в сахаре-сырце, которое составило 0,13 % на 100 СВ.

Пробу сахара-сырца растворяли в дистиллированной воде до СВ 55 % и подвергали в лабораторных условиях известково-углекислотной очистке традиционными методами (табл. 1).

Раздельные дефекация и сатурация (табл. 1) показали низкие эффекты обесцвечивания и скорости фильтрования. Величины скорости фильтрования в 3-4 раза ниже нормативных, причем они выдерживались в течение малого промежутка времени 3-5 мин, после чего фильтрование прекращалось. То есть традиционные методы очистки клеровки сахара-сырца, содержащего декстран, не позволяют получить удовлетворительного фильтрования.

Ранее показано, что при наличии декстрана в производственных растворах ухудшались фильтрационные показатели, а размер частиц карбоната кальция уменьшился до 1-3 вместо 5-7 мкм для сока нормального качества [6]. В работе [4] обнаружено снижение ζ -потенциала карбоната кальция в присутствии декстрана, что подтверждает его влияние на дисперсность частиц осадка.

Таблица 1

Влияние способа очистки на показатели клеровки сахара-сырца

Показатели клеровки	Способ очистки клеровки
	Раздельные дефекация и сатурация с вводом СаО, %		Обработка активным углем
	2,0	4,0
Эффект обесцвечивания клеровки, %	39,2	70,0	45,4
Скорость фильтрования, дм3/(м2 -мин)	0,80	1,20	4,90

Это явление можно объяснить действием водородных связей полисахарида и способностью образовывать ассоциаты как с собственными молекулами, так и с другими компонентами системы. Ранее установлено образование комплексных соединений за счет водородных связей между гидроксильными группами молекул полисахарида и активными центрами молекул белка [7].

Приведенные факты свидетельствуют о существенном влиянии макромолекул декстрана на образование и формирование кристаллической фазы в производственных растворах (процессы карбонизации и кристаллизации сахарозы), что отражается на эффективности фильтрования клеровок и центрифугирования утфелей [8].

Вследствие наличия водородных связей и обусловленного этим взаимодействия молекул полисахарида с частицами гидроксида кальция предлагалось исключить образование комплексных соединений путем проведения одновременной дефекосатурации или осуществления преддефекации только возвратом нефильтрованного сока I сатурации, не содержащего избытка оксида кальция [4].

В лабораторных условиях проведены опыты по очистке клеровки сахара-сырца способом одновременной дефекосатурации при 80 оС, расход СаО 1 % к массе клеровки (1,85 % к массе сырца), продолжительность 9 мин, величина рН20 8,2-8,4, а конечное ее значение 7,8. Фильтрование сатурированной клеровки было неудовлетворительным, скорость выхода первых порций фильтрата составляла около 0,4 дм3/(м2^мин), затем фильтрование прекратилось. При добавлении к клеровке после дефекосатурации кизельгура (1 % к массе раствора) фильтрование не улучшилось. Увеличение расхода СаО в два раза и аналогичная обработка несколько улучшили фильтрование клеровки, но не в эквивалентном соотношении.

Отсутствие положительного эффекта в приведенном способе обработки клеровки можно объяснить следующим. Известно, что в процессе сатурирования в отдельных зонах обрабатываемого сока наблюдаются значительные отклонения величин щелочности, например, в аппарате I сатурации от 0,24 до 0,04 % СаО. В лабораторных условиях невозможно обеспечить однородность щелочности во всем объеме клеровки, учитывая ее высокую вязкость (3,8 МПа-с для СВ 55 % при 80 оС). В зонах с высокой щелочностью клеровки образуются ассоциаты - мелкодисперсные продукты взаимодействия макромолекул декстрана и частиц свободного гидроксида кальция.

Для получения положительного эффекта одновременной дефекосатурации при низких значениях рН необходимо обеспечить однородность концентрационных полей щелочности и исключить зоны с высокими ее величинами. Для этого целесообразно включение в схему внешних и внутренних контуров рециркуляции, раздельные способы обработки клеровки сахара-сырца и оттека утфеля I, усовершенствования, направленные на улучшение распределения сатурационного газа и исключающие в аппаратах застойные зоны [9].

В ранее выполненных исследованиях и производственных испытаниях при вводе частиц карбоната кальция в нечистые сахарные растворы установлено заметное удаление красящих веществ, что является подтверждением остаточной адсорбционной активности суспензий сатурационных соков [10].

С целью получения дополнительных данных по адсорбционной способности карбоната кальция, полученного вне обрабатываемой рабочей среды, применительно к очистке клеровки сахара‐сырца с декстраном нами проведены лабораторные исследования. Частицы карбоната кальция получали путем карбонизации суспензии известкового молока с последующей седиментацией и вводом суспензии в клеровку сахара-сырца с СВ 55 %. Оптическая плотность (D) неочищенной клеровки составляла 0,79 ед. на 100 СВ. Скорость фильтрования определяли на лабораторной установке при избыточном давлении 0,1 МПа и температуре 80 оС.

В первой серии сусп ензию карбоната кальция получали при 20 оС и рН20 7,7 в течение 10 мин. Суспензию вводили в нагретую до 80 оС пробу клеровки, перемешивали в течение 5 мин, фильтровали. В фильтрате определяли рН20, СВ, оптическую плотность D (табл. 2).

Добавление суспензии повысило качество клеровки - D снизилась почти в 4 раза, при увеличении расхода СаО от 0,5 до 1,0 % фильтрование улучшилось, при дальнейшем его росте наблюдалось некоторое снижение. Ввод в обрабатываемые растворы кизельгура не повлиял на фильтрационные показатели.

Таблица2

Изменение показателей клеровки при обработке карбонатом кальция

Показатели клеровки	Расход оксида кальция (СаСО3) на очистку, % к массе клеровки
	0,5 (0,893)	0,5* (0,893)	1,0 (1,786)	1,5 (2,679)	2,0 (3,572)
D , ед./100 СВ	0,407	0,412	0,270	0,244	0,214
Эффект обесцвечивания, %	48,5	47,8	65,8	69,1	72,9
рН 20	7,3	7,4	7,4	7,4	7,5
Скорость фильтрования, дм3/(м2^мин)	28,5	27,0	36,0	35,2	32,0

- в опыте добавляли кизельгур - 0,5 % к массе клеровки.

Установлено незначительное повышение эффекта обесцвечивания клеровки при увеличении расхода адсорбента от 0,5 до 2,0 %. По выражению С = D/k1 определили доли крася щих веществ в пробах (100 см3) клеровки (табл. 3). Их масса в неочищенной клеровке 0,123 г.

Таблица 3

Влияние расхода карбоната кальция на степень удаления красящих веществ

Показатели	Расход СаСО3, % к массе клеровки
	0,893	1,786	2,679	3,572
Масса красящих веществ после очистки, г	0,061	0,039	0,035	0,030
Удалено красящих веществ, г	0,062	0,084	0,088	0,093
Удельная адсорбция, г красящих ве-ществ/г СаСО3	0,069	0,047	0,033	0,026

При увеличении расхода адсорбента с 0,893 до 3,572 % к массе клеровки удаляется красящих веществ всего в 1,5 раза больше. По приведенным данным рациональным расходом адсорбента для очистки клеровки можно считать 1,786 % СаСО3 к ее массе, который обеспечивает высокую эффективность удаления

Исследовали влияние условий формирования карбоната кальция, в частности присутствие сахарозы в водной суспензии гидроксида кальция. В 1-й серии получали карбонат кальция в режиме пересатурирования до рН20 7,0 при 20 оС, во 2-й - сатурировали до рН20 11,2 при 80 оС (табл. 4).

красящих веществ и максимальную скорость фильтрования.

Таблица4

Влияние условий получения карбоната кальция на показатели клеровки

Показатели клеровки	Расход карбоната кальция, % к массе клеровки
	1 серия					2 серия
	0,893	1,786	1,786*	2,679	3,572	1,786	2,679	3,572
D, ед./100 СВ	0,423	0,381	0,394	0,386	0,371	0,242	0,226	0,214
Эффект обесцвечивания, %	46,5	51,8	50,1	51,1	53,0	69,6	71,4	72,9
рН 20	7,15	7,10	7,10	7,05	7,00	9,95	10,00	10,10
Относительная   вяз кость, ед.	1,065	1,068	1,070	1,070	1,072	1,048	1,052	1,050
Скорость фильтрования, дм3/(м2^мин)	8,3	6,5	6,1	5,7	5,2	21,4	14,6	14,0

* - контакт клеровки и суспензии увеличен с 5 до 15 мин.

Из данных табл. 4 видим отличия в эффекте адсорбции - при пересатурировании он заметно ниже, чем при обработке суспензией с высоким значением рН20 (2-я серия). Это объяснимо с позиций механизма адсорбционной очистки. При повышенной величине рН среды достигается большая степень диссоциации карбоксильных групп красящих веществ, что способствует интенсификации ионообменной реакции в адсорбционном процессе. Образование частиц карбоната кальция при наличии избытка Са2+ (рН20 11,0) обеспечивает их положительный заряд, а за счет гетерополярности поверхности адсорбируются и катионы, и анионы. Вследствие увеличения степени удаления несахаров - красящих веществ и агрегатов с участием водородных связей полисахарида, снижается вязкость и улучшается фильтрование. При высоком значении рН20 суспензии скорость фильтрования клеровки в среднем в три раза выше в сравнении с обработкой при рН20 среды 7,00-7,15, причем, как и в предыдущей серии, лучший результат получен при малом расходе адсорбента. Длительность перемешивания клеровки с суспензией карбоната кальция в диапазоне 5-15 мин не влияет на эффективность адсорбционной очистки, поэтому в дальнейших опытах время контакта выдерживалось 5 мин.

Результаты в табл. 4 по скорости фильтрования несколько хуже в сравнении с данными табл. 2, где формирование карбоната кальция проходило при отсутствии в среде сахарозы. Наиболее низкие результаты по фильтрованию получены в условиях образования карбоната кальция при 20 оС. То есть увеличение растворимости оксида кальция в присутствии сахарозы, последующее медленное сатурирование приводит к формированию неоднородных частиц суспензии с преобладанием более крупной фракции, о чем свидетельствуют низкие результаты адсорбционной очистки (серия 1, табл. 4), что подтверждают данные по удельной адсорбции красящих веществ (табл. 5).

Таблица 5

Влияние расхода адсорбента на эффективность очистки клеровки

Показатели	Расход карбоната кальция, % к массе клеровки
	1 серия				2 серия
	0,893	1,786	2,679	3,572	1,786	2,679	3,572
Масса красящих веществ в клеровке после очистки, г	0,068	0,062	0,062	0,060	0,040	0,036	0,033
Удалено красящих веществ, г	0,055	0,061	0,061	0,063	0,083	0,087	0,090
Удельная адсорбция, г красящих веществ/г адсорбента	0,062	0,034	0,023	0,018	0,046	0,032	0,025

Удельная адсорбция во 2-й серии при расходе реагента 1,786 % на 35 % выше в сравнении с результатами 1-й серии. Величина удельной адсорбции, которая в сравнении со степенью обесцвечивания более полно характеризует эффективность удаления несахаров, также значительно выше при малых расходах реагента.

Присутствие сахарозы в суспензиях гидроксида кальция перед их карбонизацией при 20 оС приводит к формированию частиц карбоната кальция с пониженной адсорбционной активностью. Карбонизация при высокой температуре позволяет получать достаточно высокую эффективность адсорбции; фильтрационные показатели суспензии несколько снижаются в сравнении с ее получением в водной известковой среде.

Таким образом, подтверждены данные о влиянии среды на формирование высоких адсорбционных свойств суспензии карбоната кальция, загрязненного макромолекулами нативного декстрана - сатурирование водноизвестковых суспензий до рН 11,0 при 80 оС и быстрый ввод частиц карбоната кальция в очищаемый раствор в рациональной дозировке (в интервале 1,00-1,78 % СаСО3 к массе клеровки).

ВестникВГУИТ, № 3, 2012