Совершенствование технологии экстрагирования сахарозы при переработке некондиционного сырья

В настоящее время на территории РФ действуют 65 сахарных заводов, из которых более половины перерабатывают в сутки по 6 тыс. т свеклы и более, что обусловливает заготовку и хранение большого количества сырья.

Возрастающая ежегодно урожайность сахарной свеклы приводит к увеличению продолжительности сезона переработки, что повышает эффективность использования основных производственных фондов и прибыль предприятия в целом.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Неблагоприятное влияние природноклиматических факторов затрудняет хранение больших объемов сахарной свеклы и отрицательно влияет на ее технологическое качество [1–3]. Чередование морозов и оттепелей вызывает подмораживание и последующее оттаивание свекловичной ткани: изменяется ее структура, снижается тургор, падает иммунитет, что приводит к поражению кагатной гнилью, а затем вторичной микрофлорой, среди которой преобладает Leuconostoc mesenteroides [4, 5].

Переработка пораженной слизистой микрофлорой свеклы имеет ряд сложностей, которые проявляются уже в свеклоперерабатывающем отделении, где температура 10–30 ℃ благоприятствует развитию данной группы микроорганизмов [6–8].

Для снижения активности бактериальной микрофлоры проводится антисептирование транспортерно-моечной воды известковым молоком и хлорной известью, сахарная свекла после мойки также ополаскивается хлорированной водой, вводят бактерицидные препараты непосредственно в диффузионный аппарат, жомопрессовую воду подвергают тепловой стерилизации, а добавочную сульфитируют, обрабатывают серной кислотой, подвергают электрохимическому воздействию [9–15].

Применение одних и тех же препаратов вызывает резистентность микроорганизмов и снижает эффективность их использования, поэтому исследования по внедрению новых бактерицидных агентов являются актуальными [16, 17].

Обсуждение

Предлагаемый реагент на основе натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты (ДХЦН) относится к антисептическим хлорсодержащим препаратам, механизм действия которых состоит в хлорирующем и окислительном действии. Растворяясь в воде, хлор образует хлористоводородную и хлорноватистую кислоты, которые вступая в реакцию с белками, образуют соединения типа хлораминов и легко отдают атомарный хлор, который денатурирует белки и разрушает клеточные мембраны микробной клетки. Кроме этого, хлорноватистая кислота, разлагаясь, выделяет атомарный кислород, который окисляет ряд жизненно важных ферментов микробной клетки [18].

Данный препарат обладает отбеливающим действием и не вызывает коррозию металла.

Для выбора рациональной концентрации бактерицидного препарата использовали водные растворы массовой долей 0,0325; 0,075; 0,15%, которые вводили в экстрагент для диффузионного процесса. В качестве сравнения проводили диффузию без обработки экстрагента ДХЦН.

Предварительно полученные растворы реагентов подогревали до 70 ℃ и добавляли в экстрагент в соотношении 10% раствора реагента + 90% конденсата. Подготовленный экстрагент вводили в предварительно ошпаренную стружку и проводили диффузию в течение 60 мин, отделяли диффузионный сок, термостатировали при температуре 20 ℃, проводили его анализ (таблица 1).

Таблица 1.

Показатели диффузионного сока при различной концентрации ДХЦН в экстрагенте

Table 1.

Indicators of diffusion juice at different concentrations of DCCN in the extractant

Показатели Indicators	Массовая доля бактерицидного препарата, % Mass fraction of bactericidal drug, %
	0	0,0325	0,075	0,15
Чистота, % Purity, %	90,1	90,8	92,0	90,7
Содержание белков, мг/см 3 Protein content, mg/сm 3	0,335	0,29	0,28	0,265

При обработке раствором ДХЦН концентрацией 0,075% экстрагента чистота диффузионного сока увеличивается, содержание белков снижается. При концентрации раствора реагента минимальной (0,0325%) и максимальной (0,15%) значительного повышения чистоты диффузионного сока в сравнении с классической диффузией не происходит.

После получения диффузионного сока проводили его очистку, включающую предварительную дефекацию при температуре 55–60 °С продолжительностью 15 мин с добавлением известкового молока (ρ = 1,19 г/см3) до значений рН сока 10,8–11,2, далее теплую и горячую ступени основной дефекации в течение 20 и 10 мин соответственно и обрабатывали сатурационным газом при температуре 90 °С до рН 11,0–11,2, отделяли осадок. В фильтрат добавляли известковое молоко 0,3% к массе сока и сатурировали при температуре 95 °С до рН сока 9,0–9,2. В полученном сатурационном соке определяли чистоту, цветность и массовую долю солей кальция (рисунок 1–3).

Массовая доля ДХЦН, %                 Массовая доля ДХЦН, %                  Массовая доля ДХЦН, %

Mass fraction of DCCN, %                   Mass fraction of DCCN, %                    Mass fraction of DCCN, %

(a)                                               (b)                                                 (c)

Рисунок 1. Зависимость чистоты очищенного сока (а), цветности (б) и содержания в нем солей кальция (в) от концентрации раствора бактерицидного препарата, применяемого на диффузии

Figure 1. Dependence of the purity of purified juice (a), color (b) and the content of calcium salts in it (c) on the concentration of the bactericidal solution used on diffusion

Установлено, что при проведении диффузии с добавлением раствора ДХЦН в экстрагент качественные показатели диффузионного и очищенного соков улучшаются. Наиболее высокие показатели при концентрации реагента 0,075%.

Перед проведением диффузии добавляли в экстрагент раствор хлорсодержащего реагента массовой долей 0,075% в количестве 10, 20 и 30% (таблица 2).

Таблица 2.

Показатели диффузионного сока в зависимости от количества раствора ДХЦН при обработке экстрагента

Table 2.

Indicators of diffusion juice depending on the amount of DCCN solution when processing the extractant

Показатели Indicators	Количество добавляемого реагента, % Amount of added reagent, %
	0	10	20	30
Чистота, % Purity, %	85,8	87,1	87,3	87,4
Содержание белков, мг/см3 Protein content, mg/сm3	0,585	0,505	0,5	0,5
Массовая доля редуцирующих веществ, % Mass fraction of reducing substances, %	0,0978	0,0310	0,0357	0,0366

Из экспериментальных данных видно, что с увеличением количества раствора ДХЦН, используемого для подготовки экстрагента, чистота диффузионного сока увеличивается, содержание белка снижается. Но эти изменения незначительны. Минимальное содержание редуцирующих веществ соответствует добавлению раствора ДХЦН в экстрагент в количестве 10%. Следовательно, количество 10% достаточно для достижения хороших показателей на диффузии и рентабельно с экономической точки зрения.

Проведены исследования по выбору способа подготовки свекловичной стружки к экстрагированию путем ее предварительной тепловой обработки (для колонного и ротационного диффузионного аппарата) и без тепловой обработки (наклонный аппарат) (рисунок 2).

Для оценки влияния раствора ДХЦН в составе экстрагента на переработку свеклы, пораженной слизистым бактериозом, свеклу измельчали, обсеменяли чистой культурой Leuconostoс mesenteroides и оставляли на 72 часа в термостате при температуре 25 ℃, затем получали свекловичную стружку, проводили экстрагирование и очистку полученного сока. Использовали экстрагент с концентрацией 0,075% в количестве 10% раствора ДХЦН (таблица 3).

в типовая | typical; в с ошпариванием | with scalding; в без ошпаривания | without scalding

Рисунок 2. Показатели качества диффузионного сока при различных способах обработки стружки перед экстрагированием: 1 – чистота, %; 2 – содержание белка۰102, мг/см3

Figure 2. Quality indicators of diffusion juice for different methods of processing shavings before extraction: 1 – purity, %; 2 – protein соntеnt۰102, mg/сm3

Рисунок 3. Показатели очищенного сока в способах с ошпариванием и без ошпаривания свекловичной стружки: 1 – чистота, %; 2 – цветность۰ 10-1, ед. опт. плот.; 3 – соли Са۰103, % СаО

Figure 3. Indicators of purified juice in methods with and without scalding of beet chips: 1 – purity, %; 2 – сhrоmаtiсitу۰10-1, units. wholesale raft.; 3 – salts Са۰103, % СаО

Таблица 3.

Показатели диффузионного и очищенного соков при переработке свеклы, обсемененной Leuconostoс mesenteroides

Table 3.

Indicators of diffusion and purified juices during the processing of beets contaminated with Leuconostoc mesenteroides

Показатели Indicators	Экстрагент без обработки Extractant without treatment	С раствором ДХЦН With DCC solution
Диффузионный сок | Diffusion juice
Чистота, % | Purity, %	89,7	91,2
Содержание белков, мг/см3 Protein content, mg/сm3	0,695	0,550
Очищенный сок | Purified juice
Чистота, % | Purity, %	91,6	92,5
Цветность, ед. опт. плот. Color, units of optical density	251,6	233,2

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что добавление раствора ДХЦН в экстрагент при проведении диффузии благоприятно сказывается на качественных показателях соков из свеклы с начальной стадией поражения слизистым бактериозом.

Бактерицидное действие хлора связано с протеканием процессов окисления соединений, входящих в состав цитоплазмы клетки. Механизм бактерицидного действия хлора и его кислородсодержащих соединений заключается во взаимодействии с составными частями клеток микроорганизмов, в первую очередь с ферментами. Потеря биологической активности ферментов может происходить в результате реакций окисления, хлорирования, замещения. Изменения в структуре ферментов ведут к нарушению обмена веществ в клетке микроорганизма и ее отмиранию [18].

Согласно современным представлениям, бактерицидное действие хлора обусловливается главным образом присутствием хлорноватистой кислоты НСlО и СlО- – ионов, которые непосредственно взаимодействуют с веществом бактериальной клетки. В результате в нем происходят необратимые изменения, обмен веществ в клетке нарушается, и бактерии гибнут [19].

Выбор оптимальных параметров бактерицидной обработки реагента осуществляли на основе методов математического моделирования [20].

Критериями оценки влияния параметров обработки экстрагента были выбраны: Y 1 – чистота диффузионного сока, %; Y 2 – содержание белков в диффузионном соке, мг/см³; Y 3 – чистота очищенного сока, %; Y 4 – цветность очищенного сока, ед. опт. плот; Y 5 – содержание солей кальция в очищенном соке, % СаО; Y 6 – ЭКП преддефе-кованной суспензии.

Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями проведения процесса и результатами проведенных исследований.

Для получения уравнений регрессии экспериментальные данные были обработаны при помощи программного комплекса SGWIN. Уравнения регрессии в физических переменных после удаления незначимых коэффициентов имеют вид:

Y 1 = 85,38690 – 2,53658 · Х 1 + 0,46589 · Х 2 – 0,00300 · Х 3 – 2,80438 · Х 1 · Х 1 – 0,12500 · Х 1 ·

Х 2 – 0,37500 · Х 1 · Х 3 + 1,15445 · Х 2 · Х 2 –

0,90000 · Х 2 · Х 3 – 0,59521 · Х 3 · Х 3

Y 2 = 0,16387 + 0,00081 · Х 1 – 0,00062 · Х 2 – 0,01421 · Х 3 + 0,00093 · Х 1 · Х 1 + 0,01125 · Х 1 ·

Х 2 + 0,01250 · Х 1 · Х 3 – 0,01675 · Х 2 · Х 2 +

0,00375 · Х 2 · Х 3 – 0,00172 · Х 3 · Х 3

Y 3 = 90,1123 – 2,97351 · Х 1 + 0,71056 · Х 2 + 0,966478 · Х 3 – 4,77141 · Х 1 · Х 1 – 0,0375 · Х 1 ·

Х 2 – 0,5875 · Х 1 · Х 3 – 0,211696 · Х 2 · Х 2 –

0,4375 · Х 2 · Х 3 – 1,60789 · Х 3 · Х 3

Y 4 = 1283,15 + 708,501 · Х 1 + 45,1163 · Х 2 – 88,2021 · Х 3 + 895,713 · Х 1 · Х 1 + 18,7125 · Х 1 ·

Х 2 – 22,8125 · Х 1 · Х 3 + 161,457 · Х 2 · Х 2 +

134,163 · Х 2 · Х 3 + 171,133 · Х 3 · Х 3

Y 5 = 0,01927 + 0,00709 · Х 1 – 0,00139 · Х 2 + 0,00052 · Х 3 + 0,01041 · Х 1 · Х 1 – 0,00138 · Х 1 ·

Х 2 + 0,00413 · Х 1 · Х 3 + 0,00122 · Х 2 · Х 2 +

0,00163 · Х 2 · Х 3 + 0,00581 · Х 3 · Х 3

Y 6 = 0,29629 + 0,03098 · Х 1 + 0,01095 · Х 2 – 0,00270 · Х 3 + 0,06085 · Х 1 · Х 1 + 0,00500 · Х 1 · Х 2 + 0,01750 · Х 1 · Х 3 + 0,02551 · Х 2 + 0,01750 ·

Х 2 · Х 3 – 0,01338 · Х 3 · Х 3

Анализ данных уравнений позволяет выделить факторы, оказывающие значимое влияние на рассматриваемый процесс.

Чистота диффузионного сока увеличивается при повышении температуры раствора реагента. Это объясняется тем, что происходит более быстрое нагревание стружки до активной температуры денатурации белков. Увеличение концентрации и количества раствора реагента отрицательно сказывается на процессе диффузии, что обусловлено интенсивным протеканием окислительных процессов в аппарате.

Повышение температуры и количества раствора ДХЦН снижает содержание белков в диффузионном соке.

Чистота очищенного сока увеличивается с повышением температуры и количества раствора реагента, а цветность его снижается.

Повышение концентрации ДХЦН практически во всех опытах приводит к снижению качественных показателей, в том числе увеличивает содержание солей кальция в соке.

Учитывая, что исследуемые факторы (температура раствора ДХЦН, его концентрация и количество) неоднозначно влияют на качественные показатели диффузионного и очищенного соков, проведен выбор оптимальных условий процесса. Задача оптимизации обработки экстрагента раствором ДХЦН заключалась в поиске условий, при которых чистота диффузионного и очищенного соков максимальна, а цветность,

ЭКП, содержание солей кальция и белков – минимальны. Для решения задачи оптимизации с большим количеством откликов использована обобщенная функция желательности D – критерий Харрингтона (таблица 4).

Таблица 4.

Частные и обобщенная функции желательности

Table 4.

Particular and generalized desirability functions

№ no.	d 1	d 2	d 3	d 4	d 5	d 6	D
1	0,5632	0,4290	0,6184	0,7232	0,6620	0,5638	0,526
2	0,7178	0,6852	0,6639	0,7526	0,7651	0,5430	0,634
3	0,2130	0,6852	0,2051	0,2051	0,3401	0,4090	0,243
4	0,3919	0,5236	0,3164	0,2257	0,4628	0,3623	0,301
5	0,6597	0,8018	0,7207	0,7959	0,8259	0,6926	0,705
6	0,6944	0,8018	0,7541	0,7470	0,7841	0,5638	0,674
7	0,2660	0,6614	0,3125	0,3428	0,2051	0,4321	0,278
8	0,2872	0,5822	0,2971	0,2440	0,3401	0,2051	0,243
9	0,2051	0,2660	0,2051	0,3118	0,3577	0,4090	0,220
10	0,2618	0,4928	0,3358	0,2948	0,5613	0,4321	0,315
11	0,6614	0,6837	0,7531	0,8018	0,583	0,6037	0,625
12	0,6852	0,7472	0,7421	0,8018	0,586	0,6590	0,650
13	0,2660	0,5656	0,7415	0,6996	0,396	0,7903	0,475
14	0,5822	0,6371	0,7457	0,6209	0,491	0,8018	0,582
15	0,6852	0,7105	0,7680	0,7551	0,542	0,7781	0,652
16	0,2051	0,6184	0,7498	0,7551	0,418	0,6412	0,453
17	0,5236	0,7257	0,8001	0,8405	0,579	0,5430	0,603
18	0,5822	0,8018	0,8076	0,8540	0,570	0,7085	0,664

Обобщенная функция желательности определена по формуле:

^{D = 6 d} i = 1..6

и приведена в последней графе таблицы 4.

Анализируя полученные значения обобщенной функции желательности, можно сделать вывод об оптимальных условиях обработки экстрагента: температура раствора 65 °С, концентрация ДХЦН 0,05%, его количество 15%.

Заключение

Предлагаемый бактерицидный препарат на основе ДХЦН отличается умеренной токсичностью (3 класс опасности по ГОСТ 12.1.007–76) при непосредственном попадании в организм человека, рекомендован для обезвреживания питьевой воды, дезинфекции посуды, помещений, отходов.

Рекомендуемая концентрация является безопасной, и в составе готовой продукции ее следов не остается за счет разложения в условиях производства.

За счет невысокой стоимости и доступности данный реагент может быть включен в список дезинфицирующих препаратов для сахарного производства.

Данный препарат может быть использован также на стадиях хранения сахарной свеклы, обработки свекловичной стружки перед экстрагированием, дезинфекции оборудования.