Одной из важнейших задач аграрной политики России является обеспечение собственной продовольственной независимости. Эта концепция разработана в соответствии с требованиями «Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020 годы». При этом особый вклад в достижение цели вносят продукты питания растительного происхождения, составляющие значительную долю в рационе питания человека [1].
Важным требованием остается производство безопасной для человека продукции, соответствующей требованиям международной системы здравоохранения. Для России этот вопрос ощущается особенно остро с момента вступления ее в ВТО и до настоящего времени, в условиях санкционного давления. Однако подобная «политика сдерживания» не только не способна блокировать развитие отечественного АПК, а активизирует научные исследования в сфере переработки и производства сельскохозяйственной продукции [2].
Эффективное развитие отечественного свеклосахарного комплекса в условиях конкурирования с предприятиями ЕС осложняется рядом проблем, одной из которых остается пониженное качество белого сахара по сравнению с требованиями Европейских производителей. Для решения этой проблемы межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации был разработан и утвержден новый ГОСТ на сахар «ГОСТ 31895–2012. Сахар белый. Технические условия».
На фоне удорожания энергоносителей, вспомогательных материалов и прочего, повышение конкурентоспособности отечественной сахарной промышленности является комплексной проблемой, решение которой требует создания и развития эффективных технологий, внедрение которых позволит экономить энергетические ресурсы, а также использовать отходы, образующиеся на различных стадиях технологического процесса.
Производство сахара включает значительное количество энергоемких технологических операций, оказывающих влияние на эффективную работу всех последующих технологических станций, а также на качество и выход готовой продукции. Одной из таких операций является станция извлечения сахарозы из свекловичной стружки [3].
Современная технология экстрагирования сахарозы из свеклы осуществляется методом горячей жидкостной экстракции, который предусматривает противоточную обработку свекловичной стружки подготовленным экстрагентом [4]. 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. По своей сущности процесс экстрагирования сахарозы является сложным процессом, при котором скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен. Наибольшее влияние на массообмен оказывает молекулярная диффузия [5].
Важнейшим критерием оценки результативности экстракционного процесса является величина коэффициента молекулярной диффузии (КD). Данный коэффициент необходим для расчета и анализа эффективности процесса экстракции, а также выявления основных массообменных характеристик в зависимости от способа проведения экстрагирования и параметров процесса, таких как температура, продолжительность экстракции и др. Согласно уравнению Эйнштейна:
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 КD, 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 [6].
Исследовано влияние водных растворов сульфата алюминия (Al2(SO4)3) и аммония ((NH4)2SO4), используемых для обработки питательной воды, на величину коэффициента молекулярной диффузии сахарозы из свекловичной стружки. Исследования проводили с использованием свеклы высокого и низкого технологического достоинства.
Для исследований готовили водные растворы сульфатов алюминия и аммония, которые затем добавляли в количестве 15 % к массе стружки в питательную воду. Полученную смесь нагревали до температуры 72 °С. Далее согласно методике [7] 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 Al2(SO4)3, (NH4)2SO4 и в чистом конденсате. Образцы ошпаривали 60 с и помещали в специальную лабораторную ячейку, добавляли предварительно нагретую до температуры 72 °С смесь водных растворов сульфатов алюминия и аммония с чистым конденсатом и проводили диффундирование при интенсивном контакте образцов и экстрагента. В качестве варианта сравнения осуществляли экстрагирование по традиционному технологическому варианту.
По истечении необходимого времени отделяли экстракт, термостатировали при температуре 20 °С и анализировали (табл. 1, 2).
В результате исследования установлено, что при переработке свеклы пониженного качества величина молекулярного коэффициента диффузии сахарозы снижается в сравнении с показателями здоровой свеклы. Применение растворов предлагаемых солей при обработке свеклы перед экстрагированием оказывает положительное воздействие на величину коэффициента диффузии сахарозы по сравнению с классическим способом проведения диффузионного процесса.
Важнейшей задачей станции экстракционного извлечения сахарозы из стружки является получение диффузионного сока с максимально высокими технологическими показателями в течение всего производственного сезона. В последние декады сезона переработки сырья, когда температура окружающей среды значительно понижается, происходит ухудшение качества свеклы (подмерзает, оттаивает, загнивает), что естественным образом отражается на технологических показателях получаемых полупродуктов. В связи с этим на станции диффундирования сахарозы особое внимание уделяется различным факторам, оказывающим влияние не только на степень обессахаривания свекловичной стружки, но и на качество получаемых диффузионного и очищенного соков. Одним из таких факторов является качество экстрагента (питательной воды). Главной задачей подготовки питательной воды для диффузионного процесса является обеспечение минимального перехода несахаров из свекловичной стружки в диффузионный сок в процессе экстрагирования сахарозы. Традиционные технологические приемы подготовки экстрагента для диффузионного процесса не всегда обеспечивают требуемой величины извлечения сахарозы из стружки более 98 %, а также не позволяют добиться высоких технологических показателей получаемого диффузионного сока. Решение этой проблемы возможно за счет использования дополнительных химических реагентов при подготовке питательной воды [7].
Таблица 1
Величина молекулярного коэффициента диффузии сахарозы при переработке свеклы высокого технологического качества
|
Способ проведения диффузии |
Без обработки |
Обработка экстрагента растворами |
|
|
Al2(SO4)3 |
(NH4)2SO4 |
||
|
Массовая доля сахарозы в экстракте, % |
2,15 |
3,25 |
3,75 |
|
Сахаристость свеклы, % |
17 |
17 |
17 |
|
Отношение среднеобъемных концентраций сахарозы, Сэк/Ссв∙10–2 |
14 |
19 |
20 |
|
Толщина образцов, L∙10–3 м |
7 |
7 |
7 |
|
Поправочный коэффициент, К∙10–8, м2/с |
2 |
2 |
2 |
|
Величина D′∙10–2 |
22 |
26 |
28 |
|
Коэффициент диффузии, D∙10–10, м2/с |
42 |
46 |
49 |
Таблица 2
Величина молекулярного коэффициента диффузии сахарозы при переработке свеклы пониженного технологического качества
|
Способ проведения диффузии |
Без обработки |
Обработка экстрагента растворами |
|
|
Al2(SO4)3 |
(NH4)2SO4 |
||
|
Массовая доля сахарозы в экстракте, % |
1,9 |
2,35 |
2,85 |
|
Сахаристость свеклы, % |
15,75 |
15,75 |
15,75 |
|
Отношение среднеобъемных концентраций сахарозы, Сэк/Ссв∙10–2 |
12 |
15 |
18 |
|
Толщина образцов, L∙10–3 м |
7 |
7 |
7 |
|
Поправочный коэффициент, К∙10–8, м2/с |
2 |
2 |
2 |
|
Величина D′∙10–2 |
19 |
21 |
24 |
|
Коэффициент диффузии, D∙10–10, м2/с |
36 |
40 |
43 |
Проведены исследования по влиянию водных растворов сульфатов алюминия и аммония, используемых для обработки питательной воды, на качество получаемых полупродуктов. Для исследований готовили водные растворы данных солей и добавляли в количестве 15 % в воду для экстрагирования. Полученную смесь нагревали до температуры 72 °С.
Отдельно на специальной лабораторной терке получали свекловичную стружку из свеклы различного технологического достоинства и разделяли на пробы. Нагретую смесь растворов солей и экстрагента добавляли к пробам свекловичной стружки и осуществляли диффундирование сахарозы. В качестве варианта сравнения проводили экстрагирование по традиционной технологической схеме при температуре 70 °С в течение 60 мин. После экстрагирования из сокостружечной смеси отделяли диффузионный сок, подвергали его известково-углекислотной очистке в соответствии с параметрами типовой технологической схемы (табл. 3, 4)
Таблица 3
Сравнительная оценка показателей полупродуктов при переработке свеклы высокого технологического достоинства
|
Показатели |
Типовая схема диффузии |
Реагенты для обработки питательной воды |
|
|
(NH4)2SO4 |
Al2(SO4)3 |
||
|
Диффузионный сок |
|||
|
Чистота, % |
83,5 |
86,2 |
85,6 |
|
Массовая доля белков, % |
0,40 |
0,32 |
0,38 |
|
Очищенный сок |
|||
|
Чистота, % |
91,2 |
93,2 |
92,7 |
|
Цветность, усл. ед. |
16,0 |
17,7 |
18,4 |
|
Соли кальция, % СаО |
0,042 |
0,031 |
0,039 |
Таблица 4
Сравнительная оценка показателей полупродуктов при переработке свеклы низкого технологического достоинства
|
Показатели |
Типовая схема диффузии |
Реагенты для обработки питательной воды |
|
|
(NH4)2SO4 |
Al2(SO4)3 |
||
|
Диффузионный сок |
|||
|
Чистота, % |
81,2 |
83,2 |
82,1 |
|
Массовая доля белков, % |
0,46 |
0,38 |
0,39 |
|
Очищенный сок |
|||
|
Чистота, % |
90,5 |
92,4 |
91,3 |
|
Цветность, усл. ед. |
27 |
21,2 |
22,4 |
|
Соли кальция, % СаО |
0,056 |
0,038 |
0,041 |
Анализ полученных полупродуктов свидетельствует о положительном влиянии обработки водными растворами предлагаемых реагентов экстрагента. Полупродукты, полученные по традиционной технологии экстрагирования, имеют более низкие показатели качества. Самые высокие показатели имеют соки, полученные по схеме с добавлением в питательную воду водного раствора сульфата аммония.
В результате проделанного комплекса исследований установлено, что применение растворов предлагаемых солей оказывает положительное влияние на величину молекулярного коэффициента диффузии. Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности данного приема при переработке свеклы различного технологического достоинства. Экстрагирование сахарозы смесью питательной воды и растворов солей обеспечивают беспрепятственный переход сахарозы из пор свекловичной ткани в экстрагент за счет интенсивного конвективного вымывания. Максимальная величина коэффициента диффузии и наблюдается при использовании раствора сульфата аммония.
Установлено положительное воздействие добавления растворов предлагаемых солей в экстрагент на качественные показатели диффузионного и очищенного соков. Достигнутые высокие результаты свидетельствуют о высоких коагуляционных свойствах растворов сульфатов алюминия и аммония, что объясняется взаимодействием химически активных реагентов с высокомолекулярными соединениями, находящимися на поверхности свекловичной ткани. Это приводит к их частичной нейтрализации и последующей гетерокоагуляции. Предлагаемый метод обеспечивает комплексное химическое и физико-химическое воздействие на высокомолекулярные несахара свекловичной ткани. При этом снижается растворимость белковых и пектиновых веществ, повышается прочность и упругость свекловичной стружки [8, 9].