Влияние термохимической обработки на молекулярный коэффициент диффузии сахарозы из свеклы

Использование традиционных методов экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки не всегда обеспечивает требуемой величины извлечения более 98 %. Для совершенствования процесса целесообразно применять дополнительные методы обработки стружки, в том числе теплофизические методы с использованием различных теплоносителей. Предварительная тепловая обработка свекловичной стружки позволяет увеличить время активного экстрагирования, повысить степень извлечения из нее сахарозы и снизить потери сахара в жоме, увеличить производительность диффузионной установки [5].

В качестве теплоносителей для обработки свекловичной стружки можно использовать горячий воздух, водяной пар и дополнительно подогретый диффузионный сок [7].

Горячий воздух не нашел широкого применения в промышленных установках в связи с негативным воздействием кислорода, что сильно понижает рН среды в аппарате, приводит к износу оборудования и ухудшению качества диффузионного сока.

Нагревание стружки паром позволяет получить сок высокого качества и снизить потери сахара в жоме, но паровое ошпаривание не обеспечивает равномерного прогрева стружечной массы, что приводит к снижению проницаемости свекловичной ткани. В промышленных условиях наибольшее распространение получил нагрев стружки диффузионным соком.

Процесс перехода сахарозы из свекловичной стружки в экстрагент протекает при определенных условиях (температура 72-75 °С) и осуществляется в два этапа: сначала из внутренних слоев свекловичной ткани к ее поверхности, а затем от поверхности стружки в экстрагент [6]. По своей сущности процесс экстрагирования сахарозы является сложным процессом массопередачи, при котором скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен. Наибольшее влияние на массообмен оказывает молекулярная диффузия.

Одним из важнейших критериев оценки эффективности экстракционного процесса является величина коэффициента пропорциональности (D) в выражении закона Фика - коэффициента молекулярной диффузии. Данный коэффициентвыражается следующим образом:

[D]=[M d n/ d cF d т]=м²/сек (1) и показывает, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций, равном единице.

Коэффициент пропорциональности D представляет собой физическую константу, характеризующую способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Значения данного коэффициента являются функцией свойств распределяемого вещества, среды, через которую оно диффундирует, а также температуры и давления [4]. С увеличением размера частиц его величина пропорционально уменьшается, а с повышением температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, скорость их движения и уменьшается вязкость взаимодействующих фаз, что способствует более быстрому протеканию массообменного процесса экстрагирования.

Одним из значимых факторов, оказывающих влияние на коэффициент диффузии, является степень денатурации свекловичной ткани: с ее увеличением возрастает величина D, а значит, процесс экстрагирования протекает эффективнее. Степень денатурации протоплазмы клеток свекловичной ткани зависит от различных факторов, таких как температура процесса, продолжительность теплового воздействия на стружку, природа экстрагента и концентрация сахарозы.

Одним из технологических направлений, способствующих повышению эффективности процесса экстрагирования и ускорению извлечения сахарозы из стружки, является обработка свекловичной стружки паром. Проведены исследования зависимости качественных показателей диффузионного и очищенного сока от режимов применяемого теплового воздействия на свекловичную стружку, а также влияния данных факторов на молекулярный коэффициент диффузии D. Исследования проводили в соответствии с методикой [1].

Согласно методике получали образцы сахарной свеклы диаметром 25^х10 " ³ м и толщиной 7^х 10 " ³ м. Полученные образцы свеклы подвергали ошпариванию продолжительностью 0, 30, 60, 90 и 120 с соответственно. Далее образцы помещали в лабораторную установку, добавляли экстрагент, предварительно нагретый до температуры 72 °С, осуществляли процесс экстрагирования при интенсивном контакте образцов и экстрагента. По истечении времени экстрагирования отделяли экстрагент, термостатировали при температуре 20 ^оС и анализировали (таблица 1).

В результате исследования установлено, что максимальное значение коэффициента диффузии D достигается при продолжительности ошпаривания 60 с.

Таблица 1

Влияние продолжительности ошпаривания образцов свеклы на величину молекулярного коэффициента диффузии

Продолжительность ошпаривания, с	0	30	60	90	120
Массовая доля сахарозы в экстрагенте, %	2,35	3,25	3,4	3,25	2,3
Дигестия свеклы, %	17	17	17	17	17
Отношение среднеобъемных концентраций сахарозы, С эк / С св ×10-2               -3	14	19	20	19	13,5
Толщина образцов, L×10-3 м	7	7	7	7	7
Поправочный коэффициент, К×10-8, м2/с	2	2	2	2	2
Величина D´×10-2	21,5	24	28	24	11
Искомый коэффициент диффузии, D ×10-10, м2/с	42	43	48	43	22

Интенсивная тепловая обработка свекловичной стружки различными теплоносителями оказывает общее положительное влияние на процесс экстракции сахарозы. На основании экспериментальных данных [2], полученных с применение различных экстрагентов, установлено, что применение воды в качестве жидкой фазы для тепловой обработки свекловичной стружки не позволяет достичь оптимальной степени денатурации клеток свекловичной ткани, приводит к местным перегревам свекловичной стружки, что ухудшает проницаемость ее пор и в целом снижает эффективность процесса экстрагирования.

Целесообразным является совмещенное термохимическое воздействие на свеклович -ную стружку, что позволяет добиться упрочнения свекловичной ткани при экстрагировании и ускорения извлечения сахарозы из нее.

Изучено влияние обработки свекловичной стружки горячими жидкими реагентами на молекулярный коэффициент диффузии D. В качестве экстрагентов использовали водные растворы сульфата алюминия Al 2 (SO 4 ), сульфата кальция Са(SO) 4 и сульфата аммония (NH 4 ) 2 SO 4

Образцы сахарной свеклы заданного размера ополаскивали и прогревали в течение 20 мин. Затем помещали в лабораторную установку, добавляли нагретыйэкстрагент. В качестве экстрагентов использовали водные растворы предлагаемых нами солей. Для сравнения проводили экстрагирование с применением конденсата (рисунок 1).

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

Полученные результаты свидетельствуют, что максимальное значение коэффициента диффузии достигается при использовании в качестве экстрагента раствора сульфата аммония.

Проведены исследования по изучению влияния продолжительности контакта раствора (NH 4 ) 2 SO 4 , используемого в качестве экстрагента, на коэффициент D. Подготовленные образцы сахарной свеклы подвергали предварительной обработке раствором предлагаемой соли с длительностью контакта 0, 10, 20, 30 и 60 с. После чего образцы помещали в лабораторную установку для экстрагирования (рисунок 2).

Рисунок 2. Влияние продолжительности контакта с реагентом на величину коэффициента диффузии

Полученные данные свидетельствуют, что оптимальная продолжительность контакта образцов свеклы и реагента составляет 30 с.

В результате проведенного исследования установлено положительное влияние тепловой обработки на молекулярный коэффициент диффузии сахарозы из свеклы. Величина оптимальной продолжительности ошпаривания составляет 30 с.

Выявлено, что тепловая обработка образцов свеклы растворами предлагаемых солей приводит к постепенному равномерному прогреванию свекловичной ткани и денатурации белков, что повышает коэффициент диффузии сахарозы из свекловичной ткани. Максимальное значение величины коэффициента диффузии достигается при использовании в качестве экстрагента раствора сульфата аммония (NH 4 ) 2 SO 4 .

Установлена оптимальная величина продолжительности контакта образцов св еклы и предлагаемого реагента – 30 с.