Інтенсифікація процесу екстрагування сахарози із бурякової стружки шляхом електромембранної підготовки екстрагента

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 664.857.3

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСУ ЕКСТРАГУВАННЯ САХАРОЗИ ІЗ БУРЯКОВОЇ СТРУЖКИ ШЛЯХОМ ЕЛЕКТРОМЕМБРАННОЇ ПІДГОТОВКИ ЕКСТРАГЕНТА

05.18.12 -процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

ЗАХАРЧЕНКО ТЕТЯНА МИКОЛАЇВНА

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти i науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Купчик Михайло Петрович, Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри цукру та полісахаридів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пушанко Микола Миколайович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри технологічного обладнання харчових виробництв;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Осадчий Леонід Мартинович, провідний науковий співробітник Українського НДІ цукрової промисловості.

Захист відбудеться 27 травня 2009 року о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

3 дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий 21 березня 2009р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, Кривопляс-Володіна Л.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми . Україна відноситься до традиційно цукрових держав світу, що зумовлено достатньо сприятливими умовами для розвитку бурякоцукрового виробництва.

Інтенсифікація виробництва цукру, зниження його собівартості є найважливішою задачею державного значення. Особливо гостро ця проблема проявляється в сучасних умовах, коли необхідно забезпечити екологічну чистоту, економічність виробництва та збільшити об'єми випуску готової продукції.

Важливим способом підвищення ефективності цукрового виробництва є забезпечення мінімального переходу нецукрів із бурякової стружки в дифузійний сік в процесі екстрагування сахарози. Вирішення цієї проблеми можливо шляхом удосконалення технологічних процесів підготовки живильної води для дифузійного процесу. При виборі методів обробки екстрагента для вилучення сахарози із бурякової стружки необхідно вирішувати завдання не тільки досягнення додаткового ефекту очистки соку, але також і стерилізації середовища. Традиційні методи переробки сировини наближаються до технологічної межі досконалості, тому необхідний пошук і створення принципово нових методів і технологій. Великі потенційні можливості для цього закладені в розвитку електромембранних процесів при обробці технологічних середовищ цукрового виробництва.

У порівнянні з діючими технологіями електротехнології мають ряд переваг: дозволяють скоротити витрати хімічних реагентів, відмовитись від застосування агресивних середовищ, підвищити якість цільових продуктів і покращити економічність виробництва. Тому дослідження процесу електромембранної підготовки живильної води та механізму дії електроактивованих водних середовищ з метою інтенсифікації екстрагування сахарози із бурякової стружки при застосуванні електротехнології є актуальною і перспективною тематикою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до плану держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри технології цукристих речовин НУХТ “Розроблення, удосконалення, інтенсифікація та оптимізація технологічних процесів і апаратурного оформлення у цукровому, крахмале-патоковому та інших виробництвах”.

Автор особисто приймав участь у проведенні лабораторних і промислових досліджень, обробці та аналізі отриманих результатів.

Мета і завдання досліджень - полягає у дослідженні впливу електромембранної обробки живильної води на процес екстрагування сахарози із бурякової стружки та фізико-хімічні властивості екстрагента.

У зв'язку з цим були поставлені такі завдання:

оцінити сучасний стан використання нових прогресивних технологічних процесів у цукровому виробництві та вибрати найбільш перспективні і ефективні електротехнологічні процеси підготовки живильної води для вилучення сахарози із бурякової стружки;

дослідити вплив електромембранної підготовки живильної води на процес екстрагування сахарози із бурякової стружки;

дослідити фізико-хімічні властивості електроактивованих водних розчинів та їх вплив на інтенсифікацію масообмінних процесів;

розробити спосіб інтенсифікації процесу екстрагування сахарози із застосуванням електромембранної підготовки екстрагента.

Об'єкт дослідження - електромембранний процес обробки живильної води та процес екстрагування сахарози із бурякової стружки.

Предмет дослідження - бурякова сировина, живильна вода, дифузійний сік, буряковий жом.

Методи дослідження - електрометричні, електрохімічні та фізико-хімічні методи оцінки ефективності застосування електромембранної підготовки живильної води в процесі екстрагування сахарози із бурякової сировини. При вивченні механізмів електроактивації технологічних середовищ, узагальненні та оптимізації отриманих результатів використовували методи компютерної обробки даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

проведено розширені дослідження процесу електромембранної обробки живильної води та його вплив на екстрагування сахарози із бурякової стружки і якісні показники дифузійного соку;

встановлено оптимальну добавку ЕАВР в живильну воду і бурякову стружку, яка складає - 1,6% у співвідношенні 20:80;

поглиблено знання про інтенсифікацію масообмінних процесів при використанні електромембранної обробки екстрагента, яка сприяє зниженню в'язкості розчинів в середньому на 10…15%, збільшенню електропровідності на 18…22% та зростанню коефіцієнта дифузії сахарози в середньому на 15…20% ;

вперше науково обґрунтовано механізм інтенсифікації масообмінних процесів при екстрагуванні сахарози із бурякової стружки з використанням електромембранної обробки екстрагента, що базується на явищі сольватованих електронах в полярних рідинах;

показано, що очищений сік отриманий з використанням електромембранної обробки екстрагента, має вищу чистоту на 1,1…1,4%, при цьому кольоровість знижується на 15%, масова доля ВМС - на 30% в порівнянні з типовою технологією, що дозволяє рекомендувати цей процес для впровадження у виробництво цукру.

Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних, експериментальних та промислових досліджень електротехнологічного процесу електромембранної підготовки екстрагента для вилучення сахарози із бурякової стружки встановлено, що при переробці бурякової сировини забезпечується підвищення ефекту очистки на дифузії на 10…15%, зменшення неврахованих втрат сахарози на дифузії на 0,05% та врахованих втрат сахарози в жомі на 0,05%. Це дозволяє інтенсифікувати процес екстрагування сахарози із бурякової стружки та підвищити його ефективність. Розроблений спосіб підготовки живильної води для екстрагування сахарози із бурякової стружки, на який отримано деклараційний патент України №200505961 від 15.12.2005р. Проведені виробничі випробування запропонованих електротехнологічних процесів переробки бурякової сировини на ЗАТ “Новомиргородський цукор”. Економічний ефект при переробці 100 тис.т буряків складає 396,6 тис.грн.

Пропозиції та висновки, що містяться в роботі, рекомендується використовувати при переробці топінамбура та інших видів полісахаридної рослинної сировини, а також в навчальному процесі при викладанні дисциплін ”Процеси та апарати цукрового виробництва“, "Інноваційні технології виробництва цукру", курсовому та дипломному проектуванні, магістерських науково-дослідних роботах.

Особистий внесок здобувача полягає в розробленні методик наукових досліджень в лабораторних та промислових умовах, проведенні лабораторних і промислових досліджень, обробленні і узагальненні їх результатів, підготовці до публікації матеріалів досліджень і розробленні способу, на який отримано деклараційний патент на винахід.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи апробовано на наукових конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених НУХТ Київ (2004, 2005, 2006, 2007, 2008);9-й міжнародній науково-технічній конференції НУХТ (Київ, 2005); Всеукраїнському семінарі з сучасних харчових технологій (Полтава, ПКУ, 2005);Матеріали ІІІ міжвузівської наково-практичної конференції “Техногенно-екологічна безпека України: стан та перспективи розвитку” (Ірпінь, 2008); Міжнародній науково-практичній конференції з перспективних харчових технологій (Вінниця, ВДАУ, 2006); XVIІІ Український семінар з мембран і мембранних технологій (Київ, НАУКМА, 2006); Віснику Харківського НТУСГ ім.Петра Василенка “Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв” (Харків, 2007); Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 11 друкованих праць, в тому числі 6 статей у наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України, 1 деклараційному патенті на винахід та 4 тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Робота викладена на 135 сторінках основного тексту. Містить 28 рисунків і 21 таблиць. Список використаної літератури включає 148 вітчизняних та зарубіжних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета та основні завдання досліджень, наведені науково новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі “Стан і проблеми розвитку нових прогресивних технологічних процесів у харчових та цукрових виробництвах” проведений аналіз науково-технічної літератури з проблем розвитку нових прогресивних технологічних процесів харчових та цукрових виробництв дає можливість зробити наступні висновки:

Принципові технологічні процеси виробництва цукру мають ряд суттєвих недоліків: складне і громіздке обладнання, тривалий технологічний процес, необхідність використання агресивних умов і середовищ, низький вихід цукру і високі втрати сахарози, високий рівень споживання енергетичних ресурсів і допоміжних матеріалів, екологічні проблеми.

Для підвищення ефективності цукрового виробництва існують два основні шляхи:

- удосконалення існуючих технологічних процесів;

- впровадження принципово нових технологічних процесів та їх комбінації з традиційною схемою виробництва в якості додаткових операцій або альтернативи окремим процесам.

Найбільш перспективними і ефективними способами, які дозволяють інтенсифікувати технологічні процеси харчових виробництв, в тому числі процес екстрагування сахарози із бурякової стружки, є застосування електромембранної підготовки водних систем (середовищ).

В другому розділі “Об'єкти, методи та методики дослідження” для дослідження електромембранного процесу обробки водних розчинів з різними кислотно-лужними і окисно-відновними властивостями була створена експериментальна установка. Доведена ефективність застосування біполярних мембран МБ-3 і взаємно перпендикулярного проходження розчинів при густині струму 40-50 А/м².

Експериментальні результати роботи отримані за допомогою традиційних та сучасних фізико-хімічних, мікробіологічних, технологічних та статистичних методів.

Для реалізації задачі по отриманню математичної моделі, яка відображає залежність ефекту очищення дифузійного соку та ефекту видалення високомолекулярних сполук від витрат ЕАВР, температури процесу екстрагування та показника рН живильної води була використана матриця планування

У третьому розділі “Дослідження впливу електромембранної обробки живильної води на ефективність процесу екстрагування сахарози із бурякової стружки” нами запропонований спосіб підготовки живильної води для екстрагування сахарози з бурякової стружки, що включає підкислення екстрагенту кислотним електромембранно активованим водним розчином (реагентом, який отримували на електромембранній установці). Електромембранній активації піддавали дистильовану воду до рН=1,45 (кисла фракція) з добавками електролітів NaCl, Na₂SO_4, Na₃PO₄ різних концентрацій (0,5...1%) у лужну фракцію.

Експериментальні дані якісних показників дифузійного соку від концентрації ЕАВР з електролітом NaCl приведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Вплив ЕАВР з електролітом NaCl на якісні показники дифузійного соку

№ п/п	Витрати електроактивованої води,% до маси живильної води	Чистота дифузійного соку, %	Вміст ВМС в дифузійному соку,% на 100г СР	Вміст білкових речовин в диф. соці, % на 100г СР	Ефект очистки на дифузії, %
1	0	85,30	4,00	2,29	12
2	0,1	85,93	3,67	2,25	19
3	0,4	86,04	3,33	2,20	20
4	3,0	87,20	2,83	1,96	26
5	25	86,50	3,02	2,04	22
6	100	86,00	3,15	2,10	18

Видно, що використання в якості добавки ЕАВР в екстрагент та електроліта NaCl з наступним проведенням процесу екстрагування сахарози із бурякової стружки при температурі 73єС дозволяє збільшити чистоту дифузійного соку на 0,6...1,9%, а ефект очистки на дифузії довести до 26%.

Вміст ВМС в дифузійному соку при цьому зменшується на 0,33...1,33%, а вміст білків на - 0,04...0,33%. Причому покращення якісних показників дифузійного соку спостерігається при додаванні ЕАВР в кількості 0,1...3,0%. Подальше збільшення концентрації ЕАВР приводить до погіршення якісних показників дифузійного соку.

При використанні Na₂SO₄ і Na₃PO₄ якісні показники дифузійних соків погіршуються. Отримані результати свідчать про те, що найбільш ефективна добавка в екстрагент ЕАВР концентрацією до 3% отриманого з електролітом NaCl, яка буде використовуватись в подальших дослідженнях. При екстрагуванні сахарози із бурякової стружки в якості екстрагента можуть використовуватися: барометрична вода, аміачні конденсати, жомопресова вода, вода із відкритих водойм, які потребують спеціальної фізико-хімічної підготовки.

Дослідження процесу одержання дифузійного соку при різних видах живильної води (барометрична, жомопресова, з відкритого водоймища) та додаванні електромембранно підготовленого водного розчину проводили з метою визначення оптимальної концентрації ЕАВР. Концентрацію ЕАВР змінювали в межах 0...3%.

Із представлених даних слідує, що для усіх видів екстрагентів оптимальне значення концентрації ЕАВР знаходиться в межах 1,5...2,5%, причому приріст чистоти дифузійного соку зростає в ряду екстрагентів: вода з відкритого водоймища > жомопресова вода > барометрична вода.

Комп`ютерна оптимізація дозволила встановити узагальнений критерій залежності чистоти дифузійного соку від концентрації ЕАВР. Оптимальна концентрація ЕАВР, що добавляється в живильну воду при екстрагуванні сахарози складає 1,6%. Планування експерименту, постановку та розв'язання задач оптимізації проводили за допомогою сучасних методів математичного оброблення даних. Статистичне оброблення результатів експериментальних досліджень, побудову графіків виконано з використанням пакету прикладних програм Mathcad Professional.

В результаті вирішення оптимізаційної задачі було визначено оптимальне співвідношення витрат реагенту ЕАВР в системі бурякова стружка-живильна вода (80:20), а також оптимальні значення температури процесу екстрагування (6771) та рН живильної води (5,66,0).

Із даних, приведених в таблиці 2. видно, що попередня обробка стружки ЕАВР знижує вміст у дифузійному соку мезофільних аеробних і факультативно анаеробних мікроорганізмів (МАФАМ) на 90,14%, а пліснявих грибів і дріжджів - на 62,53%. Знезаражуючий ефект при використанні добавок ЕАВР в живильну воду на дифузії по МАФАМ і загальному вмісту пліснявих грибів і дріжджів складає 91,40% і 55,25 відповідно. Максимальний знезаражуючий ефект спостерігається при спільному застосуванні обробки стружки ЕАВР і використанні добавок ЕАВР в живильну воду і складає для мезофільних аеробних і факультативно анаеробних мікроорганізмів 94,32%, а для пліснявих грибів і дріжджів - 96,18.

Таблиця 2. Вплив ЕАВР на мікробіологічну забрудненість дифузійного соку

Обробка стружки ЕАВР	Схема підготовки живильної води	рН живильної води	Температура дифузії	Мікробіологічні показники дифузійного соку
				МАФАМ, КОЕ в 1 г	Плісняві гриби і дріжджі, КУО в 1г
Без обробки З обробкою	Типова	5,8…6,2	73	1,7 · 10?	5,4 · 10і
				1,5 · 10?	1,9 · 10і
Без обробки З обробкою	ЕАВР з NaCl	5,8…6,2	67	1,3 · 10?	2,3 · 10і
				6,8 · 10і	1,5 · 10І

Крім того провели дослідження впливу ЕАВР на мікрофлору дифузійного соку за логарифмами відмирання (редукції) мікроорганізмів згідно британського стандарту. Встановлено, що логарифм редукції мікроорганізмів коливається в межах 2,08...4,21, що свідчить про виражену бактерицидну дію ЕАВР на мікрофлору дифузійного соку.

Таким чином, така обробка дозволить відмовитися від використання хімічних дезінфектантів, що підвищить екологічну безпеку бурякоцукрового виробництва. При оптимальній концентрації ЕАВР, який дає підвищений ефект вилучення нецукрів в процесі екстрагування сахарози і одержання високоякісного дифузійного соку, проведено порівняльні дослідження впливу ЕАВР на якість самого дифузійного соку, а також соків І та ІІ сатурацій. Експериментальні дані приведені в таблиці 3.

Вапняно-вуглекислотна очистка за типовою схемою дифузійного соку, отриманого з використанням ЕАВР для обробки стружки і живильної води, при зменшенні витрат вапна на 0,5% CaO, дала можливість отримати соки І та ІІ сатурацій за якісними і седиментацийно-фільтраційними показниками кращими за соки контрольного досліду, при витратах вапна 2,5%. При цьому чистота дифузійного соку підвищилась на 1,3%, а очищеного соку - на 0,65%, вміст солей Ca²⁺ знизився на 0,043%, на 100г СР, забарвленість на 107 од. оптичної густини на 100г СР.

Таблиця 3. Якісні показники соків при застосуванні ЕАВР в процесі екстрагування сахарози

Показники	Сік отриманий
	Без ЕАВР	З ЕАВР
Якісні показники дифузійного соку Чистота, %	85,8	87,1
Вміст ВМС, % на 100г СР	2,91	2,42
Вміст білкових речовин, % на 100г СР	1,70	1,35
Вміст пектин. речовин, % на 100г СР	0,283	0,254
Якісні показники соку ІІ сатурації Чистота, %	91,50	92,15
Вміст солей кальцію, % на 100г СР	0,401	0,358
Забарвлен. од.опт.густини, на 100г СР	412	305
рН	9,2	9,2

Таким чином, спільна попередня обробка бурякової стружки та живильної води ЕАВР в кількості 1,6%, дає можливість підвищити ефективність виробництва, знизити загальні витрати вапна, підвищити якість очищених соків та вихід цукру.

У четвертому розділі “ Дослідження впливу електромембранної обробки водних розчинів на фізико-хімічні властивості екстрагента та процес дифузії сахарози” для більш детального пояснення механізму дії ЕАВР на зміну якісних і кількісних показників екстрагентів необхідно детальне вивчення їх фізико-хімічних властивостей, а також дослідження коефіцієнта дифузії сахарози в електроактивованих середовищах. Інтерес представляє вивчення в'язкості, електричної провідності, окисно-відновного потенціалу, хімічного складу та інших параметрів ЕАВР.

Досліджена в`язкість ЕАВР отриманих різними способами. Результати досліджень приведені в табл.4. Із даних представлених в таблиці слідує, що використання електромембранної обробки дозволяє знизити в'язкість розчинів в середньому на 8-11%. У воді з більшою кількістю домішок органічних речовин (жомопресова вода, вода з відкритої водойми) спостерігається найменша в'язкість.

Таблиця 4. Вплив електромембранної обробки на в'язкість водних розчинів

Використана вода	В'язкість, в 10 -3 · Па · с при концентрації ЕАВР, %
	Розчин	0,1	0,2	0,4	2
Дистильована	Вихідний Кислий	1,0007 1,03	0,9997 1,035	1,0007 1,037	1,0027 1,080
Барометрична	Вихідний Кислий	0,983 0,884	0,953 0,854	0,953 0,855	0,955 0,856
Жомопресова	Вихідний Кислий	0,853 0,735	0,835 0,7355	0,835 0,735	0,835 0,737
З відкритого водоймища	Вихідний Кислий	0,879 0,799	0,879 0,780	0,879 0,780	0,881 0,781

Таким чином, ефективність ЕАВР, як екстрагентів, у багатьох випадках пояснюється їх пониженою вґязкістю у порівнянні із звичайними розчинами. Одним з найважливіших факторів, які впливають на масообмінні характеристики є фізичні властивості рідини, серед них суттєвий вплив на дифузійну здатність має електропровідність рідини. Досліджена електропровідність ЕАВР розчинів, отриманих різними способами. Отримували розчин реагента на барометричній, жомопресовій та воді з відкритої водойми. Результати досліджень приведені в табл.5.

Встановлено, що використання електромембранної обробки підвищує електропровідність розчинів. Із даних таблиці видно, що у воді з відкритого водоймища при додаванні ЕАВР найбільша електропровідність.

Процес вилучення розчинних речовин із бурякових клітин зумовлений двома стадіями процесу - дифузією речовин в тканині даної сировини і масовіддачею з поверхні частинок до екстрагента. Якщо зовнішня дифузія в рідині, що омиває тверде тіло, визначається виключно гідродинамічними умовами протікання рідини навколо твердого тіла, то дифузія всередині твердого тіла визначається в цілому властивостями матеріалу і температурою.

харчовий екстрагування сахароза буряковий

Таблиця 5. Електропровідність екстрагентів з додаванням електромембранно активованого водного розчину

Використана вода	Електропровідність, См/см
	Контрольний	0,5	1,5	2
Дистильована	0,019	0,270	1,000	2,050
З відкритого водоймища	4,810	4,860	5,045	5,900
Барометрична	2,600	2,805	3,480	4,480
Жомопресова	3,420	3,530	4,110	4,970

Тому в процесах переносу речовин в твердому тілі суттєву роль грає структура бурякової тканини, її фізико-хімічні властивості, їх зміна при застосуванні ЕАВР в процесі екстрагування.

Результати досліджень зміни концентрацій сахарози в стружці і в екстрагенті при дії ЕАВР в широкому діапазоні температур дозволили визначити значення коефіцієнта дифузії сахарози при різних температурах. Аналогічні досліди були проведені без добавок ЕАВР.

В умовах температурного режиму, передбаченого типовою технологічною схемою бурякоцукрового виробництва 70…72єС, коефіцієнт дифузії сахарози при дії ЕАВР, як слідує із рис.2 , складає 1,2 · 10^-9 м²/с, а в його відсутності 0,8 · 10^-9 м²/с, коефіцієнт дифузії сахарози в ЕАВР підвищується на 26%, а при 50°C становить при дії ЕАВР 2,6 · 10^-9 м²/с, та в його відсутності 0,8 · 10^-9 м²/с. Таким чином, отримані дані свідчать про те, що ЕАВР суттєво інтенсифікують масообмінні процеси при екстрагуванні сахарози із бурякової стружки.

Для спрямованої дії на систему рослинна тканина - електроактивований розчин, необхідно з'ясувати природу явища і механізм процесу, що зумовлює інтенсифікацію процесу і технологічний ефект.

Оскільки матеріальними частинками, взаємодія між якими може призводити до утворення високореакційних реагентів, являються молекули води та продукти їх дисоціації, молекули розчиненого кисню, а також електрони, що рухаються в електричному полі між електродами через розчин електроліта, актуальним стало різнобічне вивчення характеру поведінки зазначеної системи при дії ЕАВР методами ЕПР (електронного парамагнітного резонансу) і ЯМР (ядерного магнітного резонансу).

В електронному спектрі шару (1,0 см) активованої води спостерігається поглинання в області 13 500 см^-1 , що свідчить в порівнянні з літературними джерелами про утворення сполук - радикалів. Продуктом реакції є іон-радикал ОЇ (або його кисла форма НО), яка може диспропорціо-нувати з утворенням НО і О. Тому стабільними радикалами, сформо-ваними при електроімпульсному впливі на розчин можуть бути НО₂^є . Тому стабіль ними радикалами, сформованими при електроімпульсному впливі на розчин можуть бути НО₂^є .

Присутність ще однієї кислоти в реакціонній суміші може вплинути на стан атомів водню в системі, що відображається на значениях параметрів спектрів ЯМР ¹Н. Порівняння спектрів ЯМР ¹Н показало, що кислотно-основні функції реагентів у вивчених розчинах помітно відрізняються. Причому, для взятого в якості модельного розчину Н₃РО₄ відмінності проявляються також і в спектрах ЯМР ³¹ Р.

Таким чином в процесі електромембранної обробки технологічних розчинів за рахунок сольватованих електронів в полярних рідинах утворюються частки НО₂ реакційно здатні до окисно-відновних та кислотно-основних перетворень , наявність яких підтверджена даними електронної ЕПР та ЯМР спектроскопії.

У п'ятому розділі “Застосування способу підготовки живильної води із використанням електромембранно активованих водних розчинів для інтенсифікації процесу екстрагування сахарози в бурякоцукровому виробництві” на основі проведених досліджень нами запропоновано вдосконалене апаратурне оформлення процесу електромембранної підготовки екстрагента.

Запропоновано електромембранний апарат фільтр-пресного типу з вертикальним розміщенням мембран. Між двома прижимними рамами з двох боків розміщені електроди (катод із нержавіючої сталі, анод - платиновий титан) і електродні камери, через які (індивідуально кожну) пропускається розчин електроліту. Далі одна за одною розташовані біполярні (МБ-3) і аніонообмінні (МА-41) мембрани, які відокремлені одна від одної спеціальними прокладками і сітками - турбулізаторами, і утворюють п'ятдесят робочих камер.

Використання таких установок дозволяє відмовитись від використання хімічних реагентів, отримувати їх безпосередньо із води, що обробляється, виключити ріст солевмісту харчових середовищ, підвищити якість цільових продуктів і покращити екологічність виробництва.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень процесу підготовки екстрагента з використанням електромембранно активованих розчинів запропонована апаратурно-технологічна схема дифузійного відділення з нахиленим екстрактором і використанням електромембранної технології підготовки реагента.

Запропонований спосіб підготовки живильної води з використанням ЕАВР був випробуваний в промислових умовах ЗАТ “Новомирогородський цукор”.

Ефективність способу підготовки екстрагента з добавкою ЕАВР визначили, виходячи із якісних показників дифузійного і очищеного соків та жому. Техніко-екеномічні показники роботи дифузійного і сокоочисного відділень представлені в табл.6.

Із аналізу отриманих результатів слідує, що запропонована схема підготовки води з використанням ЕАВР ефективна, оскільки збільшує ефект очистки з 9,32 до 21,55%. При порівнянні якісних показників очищених соків слід відмітити підвищення на 8,24% загального ефекту очистки.

Крім покращення якісних показників соків спостерігається зменшення втрат сахарози в жомі на 0,05% та неврахованих втрат на дифузії на 0,06%.

Таблиця 6. Техніко-економічні показники роботи дифузійного відділення при використанні ЕАВР

Показники	ЕАВР
Витрати електроенергії, кВт/год	20 000
Вартість електромембранної установки, грн	100 000
Витрати ЕАВР, %	1,6
Зменшення виходу меляси, % до м.б.	0,2
Зменшення витрат вапнякового каменю, % до м.б.	0,5
Зменшення витрат вугілля, % до м.б.	0,04
Підвищення виходу цукру, % до м.б.	0,2
Прибуток на 100 тис.т. перероблених буряків, грн	396,600

Таким чином, підвищення загального ефекту очистки і зменшення врахованих і неврахованих втрат на дифузії забезпечує збільшення виходу цукру на 0,2%. Економічний ефект при впровадженні складає 396,600 тис.грн. при переробці 100 тис.т буряків.

ВИСНОВКИ

На основі огляду науково-технічної літератури; теоретичних, експериментальних та промислових досліджень, впливу електромембранної обробки на технологічні, фізико-хімічні, дифузійні властивості екстракту і бурякової сировини та механізму активації технологічних середовищ за рахунок утворення сольватованих електронів, удосконалено електромембранні процеси та установки для підготовки живильної води, які дозволяють інтенсифікувати процес екстрагування сахарози із бурякової стружки.

1. Встановлена ефективна густина струму (40-50А/м² ) електромембранного процесу регулювання рН водних середовищ з використанням біполярних мембран МБ-3 і взаємно перпендикулярним проходженням розчинів.

2. Показано, що добавка в екстрагент ЕАВР концентрацією до 3% отриманого з електролітом NaCl дає можливість збільшити чистоту дифузійного соку на 0,6…1,9%, при зменшенні вмісту ВМС на 25-30% та білків на 0,2%.

3. Досліджено, що для усіх видів екстрагентів ефективне значення концентрації ЕАВР знаходиться в межах 1,5...2,5%, причому приріст чистоти дифузійного соку зростає в ряду екстрагентів: дистильована вода > вода з відкритого водоймища > жомопресова вода > барометрична вода.

4. В результаті математичної обробки експериментальних даних, встановлена оптимальна добавка ЕАВР в живильну воду і бурякову стружку, яка складає - 1,6% у співвідношенні 20 : 80;

5. Встановлено зниження мікробіологічної забрудненості стружки і екстрагента. Процес дифузії протікає в більш стерильних умовах, знезаражуючий ефект для мезофільних аеробних і факультативно анаеробних мікроорганізмів (МАФАМ) складає 94,32%, а для пліснявих грибів і дріжджів - 96,18%.

6. Досліджено, що очищений сік отриманий з використанням електромембранної обробки екстрагента, має вищу чистоту на 1,1…1,4%, при цьому кольоровість знижується на 15%, масова доля ВМС - на 30% в порівнянні з типовою технологією, що дозволяє рекомендувати цей процес для впровадження у виробництво цукру.

7.Використання електромембранної обробки дозволяє знизити вґязкість розчинів в середньому на 10…15%, підвищити електропровідність розчинів на 18…22%, та збільшити коефіцієнт дифузії сахарози в середньому на 15…20%, що свідчить про інтенсифікацію масообмін них процесів.

8.Вперше науково обґрунтований механізм інтенсифікації процесу екстрагування сахарози із бурякової стружки при використанні електромембранної обробки екстрагента, за рахунок утворення сольватованих електронів, результатом яких є утворення часток реакційно здатних до окисно-відновних та кислотно-основних перетворень , наявність яких підтверджена даними електронної ЕПР та ЯМР спектроскопії.

9. Запропонований вдосконалений електромембранний апарат для екстрагента з використанням біполярних мембран МБ-3 з покращеними електрохімічними характеристиками і взаємно перпендикулярним проходженням розчинів крізь прокладки-турбулізатори, що призводить до покращення ефективної роботи всієї поверхні мембран і суттєвого зменшення габаритів установки

10. Запропонована апаратурно-технологічна схема дифузійного відділення з нахиленим екстрактором та використанням електромембранної технології підготовки реагента, що дозволяє регулювати рН живильної води та інтенсифікувати процес екстрагування сахарози із бурякової стружки. Розроблений спосіб підготовки живильної води для екстрагування сахарози із бурякової стружки, на який отримано деклараційний патент України №200505961 від 15.12.2005р.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Купчик М.П. Сучасні електромембранні методи підготовки технологічних середовищ для харчових виробництв / М.П.Купчик, О.І.Сидорченко, В.В.Чук, Т.М.Захарченко // Науковий вісник ПУСКУ. - 2005. - № 3(16). - С.46-50.

Особистий внесок: планування та проведення досліджень, аналіз одержаних результатів, написання тез доповідей.

Захарченко Т.М. Вплив електромембранної обробки екстрагенту на процес вилучення сахарози із бурякової сировини / Т.М.Захарченко, М.П.Купчик, О.І.Сидорченко, А.Б.Матвієнко // Наукові записки НаУКМА. Хімічні науки і технології. - 2006. - Том 55. - С. 29-33.

Особистий внесок: виконання експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

Купчик М.П. Сучасні електротехнології для переробних і харчових виробництв / М.П.Купчик, А.Б.Матвієнко, О.І.Сидорченко, Н.О.Шейко, Т.М.Захарченко // Наукові праці ВДАУ. Серія: Технічні науки. - 2006. - Вип. 1. - С.24-28.

Особистий внесок: проведення досліджень, аналіз та узагальнення одержаних результатів, оформлення тез доповідей.

Захарченко Т.М. Вплив електромембранної активації на властивості екстрагента для екстрагування сахарози із бурякової стружки / Т.М.Захарченко, М.П.Купчик, В.В.Манк, О.І.Сидорченко // Наукові праці НУХТ. - 2007. - № 20. - C.12-13.

Особистий внесок: підбір та теоретичний аналіз літературних джерел, проведення досліджень, підготовка матеріалів до публікації.

5. Купчик М.П. Сучасні електротехнології переробки бурякової сировини./Купчик М.П., Захарченко Т.М., Федоренко М.А., Сидорченко О.І. // Вісник Харківського НТУ сільського господарства ім..Петра Василенка. -2007. Вип..58. - С.177-182.

Особистий внесок: проведення досліджень, опрацювання експериментальних даних, підготовка матеріалів до публікації.

6. Захарченко Т.М. Коефіцієнт дифузії цукрози в електроактивованих середовищах / Т.М.Захарченко, М.В.Федорченко, М.П.Купчик, О.І.Сидорченко // Харчова і переробна промисловість. - 2008. - № 3. - C. 20.

Особистий внесок: організація та проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, написання статті.

7. Пат. 11271 Україна, МПК⁷ С 13 D 3/02. Спосіб підготовки живильної води для екстрагування сахарози із бурякової сировини / Купчик М.П, Саар Д.В., Захарченко Т.М., Сидорченко О.І.; заявник та патентовласник Національний університет харчових технологій. - №200505961; заявл. 17.06.2005; опубл.15.12.2005, Бюл. №9.

Особистий внесок: проведення патентного пошуку, участь в експериментальних дослідженнях, опрацювання одержаних даних, написання заявки на патент.

8. Електрохімічна активація екстрагента для вилучення сахарози із бурякової стружки / Т.М.Захарченко, Н.О.Шейко, Н.В.Ніколайчук, О.О.Ткаченко та ін. // Матеріали наукової конференції студентів, аспірантів, молодих вчених.: тези доп. -К.: НУХТ, -2006. ч.2. -С. 6.

Особистий внесок: організація і проведення досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

9. Захарченко Т.М. Підвищення ефективності процесу екстрагування сахарози при застосувані електромембранної підготовки екстрагента. /Т.М.Захарченко, О.І.Сидорченко, М.П.Купчик, В.В.Трачевський // Матеріали 74-ї наук. Конф. Молодих учених, аспірантів і студентів„Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті”. - К.: НУХТ, 2008. - С.384.

10. Захарченко Т.Н. Явления переноса в процесах переработки и очистки пищевых продуктов в электрическом поле / Т.Н.Захарченко, М.П.Купчик, В.В.Манк, Е.И.Сидорченко // Дисперсные системы: XXII научная конференция стран СНГ 18-22 сентября 2006г.: тезисы докл. -Одесса, Астропринт, - 2006. -С.144-145.

Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, опрацювання експериментальних даних, оформлення тез доповідей.

11. Захарченко Т.М. Вплив сучасних харчових технологій на інноваційний розвиток та стан довкілля. / Т.М.Захарченко, О.І.Сидорченко, М.П.Купчик, В.В.Манк. // Матеріали ІІІ Міжвузівської науково-практичної конференції. -

Ірпінь: НУДПСУ ”Техногенно-екологічна безпека України: стан та перспективи розвитку„ - 2008. - С.134-136.

Особистий внесок: участь у проведенні досліджень, узагальненні одержаних результатів та оформленні тез доповідей.

АНОТАЦІЇ

Захарченко Т.М. Інтенсифікація процесу екстрагування сахарози із бурякової стружки шляхом електромембранної підготовки екстрагента. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. - Національний університет харчових технологій, Київ, 2008. Робота присвячена підвищенню ефективності бурякоцукрового виробництва шляхом інтенсифікації процесу екстрагування сахарози. В дисертаційній роботі представлені результати теоретичних та експериментальних досліджень щодо закономірностей екстрагування сахарози із застосуванням електромембранної підготовки реагента - електроактивованого водного розчину (ЕАВР).

Встановлено ефективність застосування ЕАВР, та визначено, що добавка в екстрагент збільшує чистоту дифузійного соку. Визначено ефективність бактерицидної дії ЕАВР відносно мікрофлори живильної води та дифузійного соку. Визначено, що використання біполярної мембрани МБ-3 з покращеними електрохімічними характеристиками і удосконалених гідродинамічних режимів забезпечує підвищення ефективності процесу електромембранної підготовки екстрагента і економії витрат електроенергії. Використання електромембранної обробки дозволяє знизити в'язкість та підвищити електропровідність розчинів. Досліджено механізм інтенсифікації процесу екстрагування сахарози із бурякової стружки. Запропоновані вдосконалення технології і обладнання та розроблена апаратурно-технологічна схема дифузійного відділення. Проведені випробування запропонованої електротехнології переробки бурякової сировини, які пройшли у промислових умовах. Ключові слова: бурякова стружка, вилучення сахарози оброблення стружки, дифузійний сік, живильна вода, електромембранна обробка.

Захарченко Т.Н. Интенсификация процесса экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки путём электромембранной подготовки экстрагента. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств, Киев, 2008.

Работа посвящена повышению эффективности свеклосахарного производства путем интенсификации процесса экстрагирования сахарозы. В диссертационной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований основных закономерностей экстрагирования сахарозы с применением электромембранной подготовки реагента - электроактивированного водного раствора (ЭАВР).

В процессе экстрагирования важно придерживаться условий минимального разложения сахарозы вследствие жизнедеятельности микроорганизмов и получения диффузионного сока высокого качества. Поэтому использование электроактивированного водного раствора, который объединяет в себе свойства коагулянта и антисептика, в процессе подготовки питательной воды для экстрагирования сахарозы открывает перспективы, с точки зрения интенсификации диффузионного процесса и повышения выходу сахара из единицы сырья.

Обоснована целесообразность использования ЭАВР в технологии извлечения сахарозы из свекловичной стружки для повышения показателей технологического качества диффузионного сока.

Определено, что добавка в экстрагент ЭАВР концентрацией до 3% полученного с электролитом NaCl дает возможность увеличить чистоту диффузионного сока на 1,0%, эффект очистки составляет 20% при уменьшении ВМС на 0,75% и белков на 0,2%.

В результате математической обработки экспериментальных данных, на основании полученных зависимостей эффекта очистки сока в процессе экстрагирования сахарозы, установлена оптимальная добавка ЭАВР в живильную воду и свекловичную стружку, что составляет - 1,6%. При использовании комбинированного способа введения ЭАВР (общая обработка воды и стружки 50 на 50%) наблюдается снижение пектиновых веществ на 25-30% в сравнении с контрольным диффузионным соком.

Определено, что при использовании ЭАВР снижается микробиологическая загрязнённость стружки и экстрагента. Процесс диффузии протекает в более стерильных условиях, обеззараживающий эффект для мезофильных аэробных и факультативно анаеробныхмикроорганизмов (МАФАМ) составляет 94,32%, а для плесневых грибов и дрожжей - 96,18%.

Исследованиями показано, что очищенный сок полученный с использованием электромембранной обработки экстрагента, имеет чистоту выше на 1,1-1,4%, при этом цветность снижается на 15%, а массовая часть ВМС - на 30% в сравнении с типовой технологией, что позволяет рекомендовать этот процесс для внедрения в производство сахара.

Использование электромембранной обработки позволяет снизить вязкость растворов в среднем на 8-11%. Введение ЭАВР в количестве от 0,1% до 2% в воду приводит к снижению вязкости в среднем на 1-1,5%.

Установлено, что использование электромембранной обработки повышает электропроводность растворов и способствует увеличению коэффициента диффузии сахарозы в среднем на 15-20%.

С помощью ЕПР и ЯМР спектроскопии исследован механизм интенсификации процесса екстрагирования сахарозы из свекловичной стружки при использовании электромембранной обработки экстрагента. В процессе получения ЭАВР в электромембранном аппарате происходит генерирование сольватированных электронов в процессе перехода электронов из электрода в раствор, где происходит взаимодействие, в результате которого возникает высокореакционно способный реагент - гидратированные электроны, наличие которых подтверждено данными электронной ЕПР и ЯМР спектроскопии.

На основе проведённых исследований были предложены усовершенствования технологии и оборудования для электромембранной подготовки экстрагента: в электромембранном аппарате необходимо использовать биполярную мембрану МБ-3 с улучшенными электрохимическими характеристиками. В результате снижаются потери электроэнергии на проведение процесса электродиализа, стабилизируется температурный режим, уменьшается загрязнённость солью, увеличивается генерирование ионов Н⁺ в екстрагент. В электромембранном аппарате необходимо обеспечить взаимно перпендикулярное прохождение растворов сквозь прокладки турбулизаторы, что приводит к улучшению гидродинамических условий процесса электродиализа, эффективной работы всей поверхности мембраны и значительного уменьшения габаритов установки.

На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса подготовки экстрагента с использованием электромембранно активированных растворов, предложена аппаратурно-технологическая схема диффузионного отделения с наклонным экстрактором с использованием электромембранной технологии подготовки реагента, что позволит регулировать рН воды, интенсифицировать процесс экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки.

Были проведены производственные испытания предложенной электротехнологии при переработке свеклы на ЗАО “Новомиргородський цукор”. Повышение общего эффекта очистки и уменьшения учтённых и неучтённых потер на диффузии обеспечивает увеличение выхода Сахара на 0,2%. Экономический эффект при переработке 100 тыс.т свеклы составляет 396, 600 тыс.грн. Ключевые слова: свекловичная стружка, извлечение сахарозы, обработка стружки, диффузионный сок, питательная вода, электроактивированный водный раствор.

Zaharchenko T.M. Intensification process of extracting out saccharose from the sugar beet shaving with the use of electromembranne preparation exstractant.

The dissertation for obtaining of scientific degree of Candidate of the Technical Science on the specialty 05.18.12 - Processes and Inventory of Food, Microbiologic and Pharmaceutical Engineering, National University of Food Technologies, Kiev,2008.

The work is devoted to the increase of the effectiveness of sugar-beet production by intensification process saccharose extracting. In dissertation work the results of theoretical and experimental researches are represented in relation to the pattern of the saccharose extracting with application electromembrane preparation reactant - electroactivity water solution (EAWS).

It is set efficiency to the influence of EAWS, determination, that addition in extraction agent increase purity diffusive juice. It is certain efficiency to the action of EAWS on the microorganisms of nourishing water and diffusive juice. Use electromembrane treatment allow bring down fluid viscosity increases electrical conduction solution. Set, thet usage of a modified bipolar membrane MB-3 with the improved electrochemical performances, is penetrating softened waters and improved magnetohydrodynamic modes provides pinch of efficiency of process of electromembranous opening-up of extragent and economies of power consumptions. It was researched the mechanism of intensification process of the saccharose extracting from the beet shaving. It is represented the modification of technology and equipment of the designed hardware-flow scheme diffusion separation. On the basis of the conducted researches test the electrical technology of processing the beet material, which passed experimental verification and testing under industrial conditions.

Key words: beet cossetes, extracting sacharose, treating of cossetes, diffusion juice, electromembrane treatment, nourishing water.

Размещено на Allbest.ru