Влияние различных реагентов на молекулярный коэффициент диффузии сахарозы из свеклы

В индустрии производства продуктов питания особую роль играют пищевые продукты из растительного сырья, составляющие значительную долю в рационе питания человека. Высокая популярность этих продуктов обусловлена их полезными свойствами и высокой пищевой ценностью. К стратегически важным продуктам относится сахар-песок, который является основным сырьем при произ- водстве кондитерских, хлебобулочных, ликероводочных изделий, применяется в биохимической, фармацевтической и других отраслях человеческой деятельности [1].

Эффективное развитие отечественного свеклосахарного производства целиком зависит от условий конкуренции с Европейскими партнерами, которая обусловлена различными факторами.

В настоящее время одной из причин торможения динамического роста свеклосахарного комплекса России является пониженное качество сахара-песка по сравнению с требованиями Европейских производителей. Это происходит на фоне удорожания энергоносителей и различных вспомогательных материалов, что в итоге приводит к колоссальным затратам. В сложившейся ситуации возникает необходимость своевременного внедрения современных технологий, эффективных с точки зрения повышения качества производимой продукции, а также экономии энергетических и материальных ресурсов [2].

Производство сахара-песка включает значительное количество энергоемких и технологически сложных операций, одной из которых является извлечение сахарозы из свекловичной стружки методом горячей противоточной экстракции. Важным показателем результативности диффузионного процесса служит коэффициент молекулярной диффузии (КD). Данный коэффициент необходим для расчета и анализа эффек- тивности процесса экстракции, а также выявления основных массообменных характеристик в зависимости от способа проведения экстрагирования и основных параметров, таких как темпе- ратура процесса, продолжительность экстракции и др. [3]. Согласно уравнению Эйнштейна:

KT F ( C - c ) м ²

П   N   "C

Систематический анализ данного уравнения позволяет выделить ряд факторов, влияющих на коэффициент диффузии. Основными из них являются:

• -    степень денатурации свекловичной ткани: с ее увеличением пропорционально возрастает величина К D , следовательно, процесс экстрагирования протекает эффективнее. Степень денатурации протоплазмы клеток свекловичной ткани зависит в свою очередь от температуры процесса, продолжительности теплового воздействия на стружку, природы экстрагента и др.;

• -    размер диффундирующих частиц: с увеличением размера величина коэффициента пропорционально уменьшается;

• -    температура протекания процесса: при повышении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, скорость их движения, уменьшается вязкость взаимодействующих фаз, что способствует более эффективному протеканию процесса;

• -    вязкость экстрагента: с уменьшением данного параметра величина коэффициента пропорционально возрастает;

• -    природа экстрагирующей жидкости.

На результативность экстрагирования сахарозы из стружки оказывают влияние различные критерии: конструктивные особенности используемых диффузионных аппаратов, качество питательной воды, микробиологическая обсемененность и многие другие, но главным является качество перерабатываемого сырья. Именно качество поступающей в переработку свеклы играет ключевую роль при выборе технологического режима, обеспечивающего эффективное протекание технологических процессов при минимальных потерях сахарозы на каждом участке производства [5].

Проведенные исследования по использованию термохимической обработки свекловичной стружки перед экстрагированием сахарозы свидетельствуют о целесообразности применения данного технологического приема. Эксперименты проведены на свекле высокого технологического достоинства [6].

Исследовано влияние качества используемой сахарной свеклы на эффективность применения предварительной термохимической обработки свекловичной стружки перед экстрагированием. Основным критерием оценки принята величина молекулярного коэффициента диффузии. Исследования проводили в соответствии с методикой [7].

Согласно методике, специальным свеклорезным ножом вырезали образцы из свеклы высокого качества, а также подгнившей и увядшей. Каждый из образцов ополаскивали в течение 2-х минут в растворах солей CaSO 4 , Al 2 (SO 4 ) 3 , (NH 4 ) 2 SO 4 и в чистом конденсате. Далее образцы ошпаривали 60 с и помещали в специальную лабораторную ячейку, добавляли предварительно нагретый до температуры 72 °С конденсат и проводили процесс диффундирования при интенсивном контакте образцов и экстрагента. По истечении необходимого времени отделяли экстрагент, термостатировали при температуре 20 ^оС и анализировали (таблица 1, 2).

В результате исследования установлено, что при переработке свеклы пониженного качества величина молекулярного коэффициента диффузии снижается в сравнении с показателями здоровой свеклы. Применение растворов предлагаемых солей при обработке свеклы перед экстрагированием оказывает положительное воздействие на величину коэффициента диффузии по сравнению с классическим способом проведения диффузионного процесса.

Т а б л и ц а 1

Величина молекулярного коэффициента диффузии при переработке свеклы высокого технологического качества

Способ проведения диффузии	Типовой вариант	Обработка свекловичной стружки перед экстраги-
			рованием растворами
		CaSO 4	Al 2 (SO 4 ) 3	(NH 4 ) 2 SO 4
Массовая доля сахарозы в экстрагенте, %	2,15	2,9	3,25	3,75
Дигестия свеклы, %	17	17	17	17
Отношение среднеобъемных концентраций сахарозы, С эк / С св ×10-2	14	17	19	20
Толщина образцов, L×10-3 м	7	7	7	7
Поправочный коэффициент, К×10-8, м2/с	2	2	2	2
Величина D´×10-2	22	23	26	28
Коэффициент диффузии, D ×10-10, м2/с	42	43	46	49

Т а б л и ц а 2

Величина молекулярного коэффициента диффузии при переработке свеклы пониженного технологического качества

Способ проведения диффузии	Типовой вариант	Обработка свекловичной стружки перед экстрагированием растворами
		CaSO 4	Al 2 (SO 4 ) 3	(NH 4 ) 2 SO 4
Дигестия свеклы, %	17	17	17	17
Отношение среднеобъемных концентраций сахарозы, С эк / С св ×10-2	14	17	19	20
Толщина образцов, L×10-3 м	7	7	7	7
Поправочный коэффициент, К×10-8, м2/с	2	2	2	2
Величина D´×10-2	21	22	24	27
Коэффициент диффузии, D ×10-10, м2/с	41	42,2	43	47

Проведение диффузии по типовой схеме с использованием в качестве экстрагента конденсата не обеспечивает высоких значений коэффициента диффузии, а, следовательно, необходимой степени извлечения сахарозы. Целесообразным является совмещенное термохимическое воздействие на ткань сахарной свеклы перед экстрагированием, позволяющее добиться ее упрочнения и ускорения экстракции сахарозы при минимальном переходе несахаров.

Проведены исследования по поиску экстрагентов, обеспечивающих высокие значения молекулярного коэффициента диффузии сахарозы. Опыты проводили в соответствии с методикой [7]. В качестве экстрагентов использовали водные растворы Al 2 (SO 4 ), Са(SO) 4 и (NH 4 ) 2 SO 4 . Для сравнения проводили экстрагирование с

Рисунок 1. Влияние экстрагентов на коэффициент диффузии: 1 - типовая диффузия; с растворами: 2 - СаSO 4 ; 3 - Al 2 (SO 4 ) 3 ; 4 - (NH 4 ) 2 SO 4

Полученные результаты свидетельствуют об увеличении молекулярного коэффициента диффузии при использовании в качестве экстрагента раствора сульфата аммония.

На основании проведенных исследований установлено, что применение растворов предлагаемых солей оказывает положительное влияние на величину молекулярного коэффициента диффузии.

Экстрагирование сахарозы растворами предлагаемых солей, предварительно нагретых до температуры 72 °С, позволяет осуществить беспрепятственный переход сахарозы из пор свекловичной ткани в экстрагент за счет интенсивного конвективного вымывания. Это объясняется высокой степенью плазмолиза клеток ткани, достигаемой при обработке ее растворами предлагаемых реагентов, которые проникают вглубь пор свекловичной ткани максимально интенсивно, что приводит к увеличению коэффициента диффузии, а, следовательно, ускорению перехода сахарозы.

При взаимодействии свекловичной ткани с горячими растворами солей происходит тепловое расширение клеток, обусловленное высоким градиентом температур, что приводит к образованию пор и каверн в оболочках клеток ткани и частичной их деструкции. Это снижает внутриклеточное давление, наблюдается «эффект квазидиффузии».

Установлено положительное влияние обработки растворами предлагаемых солей образцов сахарной свеклы различного качества с точки зрения повышения коэффициента диффузии. Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности данного приема в независимости от качества перерабатываемой свеклы. Максимальная величина коэффициента наблюдается при использовании раствора сульфата аммония.

Достигнутые результаты свидетельствуют о высоких коагуляционных свойствах растворов предлагаемых солей, что объясняется взаимодействием химически активных реагентов с высокомолекулярными соединениями, находящимися на поверхности свекловичной ткани. Это приводит к их частичной нейтрали- зации и последующей гетерокоагуляции. Происходит комплексное химическое и физикохимическое воздействие на высокомолекулярные несахара свекловичной ткани.