УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
ЦИМБАЛ Анатолій Сергійович
УДК 664.1.038.8
Удосконалення способів підготовки
бурякової сировини до процесу екстрагування цукру
05.18.05 – Технологія
цукристих речовин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового
ступеня кандидата технічних наук
Київ – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій
Наукові керівники: доктор технічних наук, професор,
академік АІН України
Український державний університет харчових
технологій, проректор з наукової роботи
доктор технічних наук, професор
КУПЧИК МИХАЙЛО ПЕТРОВИЧ
Український державний університет харчових
технологій, завідувач кафедри охорони
праці і цивільної оборони
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
ЛІПЄЦ АНТОН АДАМОВИЧ
Український державний університет
харчових технологій, професор кафедри
технології цукристих речовин
кандидат технічних наук
КАТРОХА ІВАН МИХАЙЛОВИЧ
ВАТ “Яготинський цукровий завод”,
заступник голови правління
Провідна установа: Інститут підвищення кваліфікації і перепідготовки керівних працівників і спеціалістів харчової та переробної промисловості Міністерства агропромислового комплексу України, кафедра технології цукру та цукристих речовин, м. Київ
Захист відбудеться “ 12 ” травня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 Українського державного університету харчових технологій за адресою: 252033, м. Київ – 33, вул. Володимирська 68, аудиторія А-311.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій
Автореферат розісланий 9 квітня 1999 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, к. т. н., с. н. с. Федоренченко Л.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Вдосконалення техніки та технології бурякоцукрового виробництва в напрямку економних витрат сировини та паливно-енергетичних ресурсів – дуже важливе завдання, що стоїть перед цукровою промисловістю.
Аналіз роботи цукрових заводів показує, що на багатьох з них є невикористані технічні та технологічні резерви для підвищення ефективності виробництва.
Коефіцієнт використання виробничих потужностей складає 83 %, на окремих заводах цей показник ще нижчий. Втрати цукру на стадії зберігання, транспортування та мийного відділення сягають 0,81 %. Вище 2 % цей показник мали 20 заводів. Вихід цукру в середньому складає 12,25 %. Вихід цукру, нижчий цього показника, мали 75 заводів.
Ступінь вилучення цукру з буряку склав 71,13 %, а на окремих цукрових заводах – в межах 43,0… 54,0 %.
Як показує багаторічний досвід роботи цукрових заводів, однією з причин низького рівня вилучення цукру з буряка є незадовільна робота дифузійних установок. Екстрагування цукру з бурякової стружки є дуже важливою технологічною стадією бурякоцукрового виробництва.
Питання про вилучення цукру на дифузійній установці є актуальним питанням для виробничої діяльності кожного цукрового заводу, оскільки від правильної роботи дифузійного апарату залежить якість роботи наступних станцій та продуктивність роботи заводу.
Необхідність максимального вилучення цукру із буряка на всіх стадіях виробництва, і на дифузійній станції зокрема, поставила питання розробки технологічного режиму для різних видів сировини та періоду її переробки й виявлення впливу кожного фактора на зменшення втрат.
З одного боку екстрагування є багатофакторним процесом. Ефективність його залежить не лише від технологічних факторів (температури, співвідношення мас, тривалості, якості стружки), але й від технологічних властивостей цукрового буряка. Останні, як відомо, не мають постійних властивостей. Вони змінюються під впливом погодних умов, місць вирощування, часового періоду. З іншого боку неспівпадання оцінок впливу технологічних факторів на різних етапах розвитку техніки та технології бурякоцукрового виробництва є наслідком того, що в основі оціночної методики не враховувались фізичні властивості бурякової тканини при термічному впливові, а також багаторічний досвід роботи дифузійної батареї за методом “головного нагріву”.
Тому поставлено завдання проведення аналізу процесу екстрагування цукру з бурякової стружки стосовно до виробничих умов цукрового заводу, розробки та реалізації мір з підвищення ступеня вилучення цукру з бурякової стружки на дифузійній установці КДА.
Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика досліджень входить в плани держбюджетної теми УДУХТ, яка виконується по завданню Міносвіти України “Створення наукових основ імпульсних електротехнологій та апаратів для переробки рослинної сировини та збереження харчових продуктів” (1998-2000 р.р.), № держреєстрації 01988000541.
Мета роботи. Метою роботи є вдосконалення процесів підготовки бурякової сировини на основі розроблених технологічних режимів обробки робочих середовищ.
Задачі дослідження:
– вивчити особливості структури клітин бурякової тканини та дослідити зміну маси і лінійних розмірів її при тепловому впливові в ізотонічному розчині та в умовах екстрагування;
– вивчити температурний режим технологічного процесу миття та очищення буряка й провести дослідження з нагрівання коренеплодів в умовах ополіскування перед подачею їх на нарізування;
– розробити математичну модель електрообробки сокостружкової суміші;
– дослідити процес вилучення цукру з бурякової стружки в колонній дифузійній установці в умовах подачі в ошпарювач стружки,яка отримана з попередньо підігрітих коренеплодів та попередньої електрообробки сокостружкової суміші;
– дослідити якість дифузійного соку, отриманого при різних способах підготовки бурякової сировини.
Наукова новизна одержаних результатів:
– вперше розроблено математичну модель процесу електрообробки системи бурякова стружка-сік, на основі якої оптимізовано параметри електрообробки сокостружкової суміші;
– дістало подальший розвиток положення про поділ початкового періоду процесу вилучення цукру з бурякової стружки на недифузійну та дифузійну стадії. Недифузійне вилучення починається після нагрівання бурякової стружки до температури вище 40 С і відбувається за рахунок фізичних змін тканини під впливом температури. Швидкість і величина недифузійного вилучення залежить від інтенсивності нагрівання бурякової тканини до оптимальної температури і ступеня плазмоліза;
– на основі електронномікроскопічних досліджень структури клітин бурякової тканини встановлено, що дія теплового фактора на тканину супроводжується фізичною зміною її клітинної організації при температурі понад 40 С;
– досліджено, що в умовах екстрагування (наявність в системі градієнту концентрацій) нагрівання бурякової стружки до температури 40 С не призводить до змін її маси. Масообмінні процеси в системі стружка-екстрагент починають проявлятися після досягнення температури тканини вище 40 С;
– встановлено, що нагрівання бурякової стружки до температури вище 40 С протягом 2…5 хвилин призводить до зменшення її маси й відповідного змен-
шення вмісту в ній цукру. Ці зміни мають місце в умовах екстрагування і умовах ізотонічного розчину (відсутності градієнту концентрацій). Після досягнення буряковою тканиною температури 70 С збільшення теплового впливу більше 5 хвилин суттєво не змінює її маси.
Практичне значення одержаних результатів:
– показано ефективність процесу екстрагування цукру з бурякової стружки, при якому забезпечується швидке нагрівання або електроплазмоліз бурякової стружки в початковий період процесу;
– показано технічну і технологічну можливість та економічну доцільність забезпечення постійної температури бурякової стружки, що надходить до ошпарювача, за рахунок попереднього нагрівання коріння буряка в ополіскувачі;
– впровадження способу попереднього нагрівання коренеплодів перед нарізанням їх на бурякову стружку дає можливість забезпечити потрібний температурний режим роботи дифузійної установки протягом всього виробничого сезону;
– внесення до переліку оціночних показників якостей роботи бурякопереробного відділення чисельного значення температури бурякової стружки дозволить оперативно вносити зміни до параметрів, що управляють технологічним процесом вилучення цукру;
– використання імпульсної обробки сокостружкової суміші забезпечує зменшення втрат цукру в жомі, покращення якості дифузійного соку і економію енергетичних ресурсів.
Висновки та рекомендації промисловості за результатами дисертаційної роботи знайшли практичне застосування на Старосинявському цукровому заводі:
Ополіскувач лінії очищення та миття буряку дообладнано системою підігріву коренеплодів та пристроєм для видалення легких рослинних домішок.
Ошпарювач колонної дифузійної установки та його технологічна схема дообладнано пристроєм для попередньої електрообробки сокостружкової суміші.
Запровадження розроблених способів попереднього підігрівання коренеплодів буряка перед нарізуванням і електрообробки сокостружкової суміші перед колонною дифузією дозволяє підвищити ефективність дифузійного процесу. В умовах роботи колонної дифузійної установки Старосинявського цукрового заводу запровадження вказаних способів дозволило зменшити втрати цукру на 0,1 % та підвищити вихід його по заводу на 0,05 % порівняно з показниками, які отримані при роботі заводу за традиційно встановленим технологічним режимом.
Економічний ефект від впровадження результатів роботи на Старосинявському цукровому заводі за виробничі сезони 1996-97 років склав 44 тис. грн.
Рекомендації щодо поліпшення роботи дифузійних установок цукрових заводів, складені на основі результатів проведених досліджень і запроваджених у виробництво, концерном “Укрцукор” направлені цукровим заводам України, Інституту підвищення кваліфікації керівних працівників та спеціалістів Харчопрому України, кафедрі технології цукрових речовин УДУХТ для використання у виробництві та навчальному процесі.
Особистий внесок здобувача полягає у розробленні методик дослідів, проведенні теоретичних, експериментальних і промислових досліджень, обробленні та узагальненні результатів, безпосередній участі в організації і проведенні виробничих випробувань, в підготовці і публікації основних результатів дисертації. Дослідження ультраструктури бурякових клітин проведено у співавторстві із співробітниками Інституту ботаніки НАН України.
Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались й схвалені на всеукраїнській науково-технічній конференції УДУХТ (1995 р) та міжнародній науково-технічній конференції УДУХТ (1997 р), науковій школі країн СНД по подрібненню і активації (Одеса, 1997 р).
Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 робіт, в т.ч. 3 статті в фахових журналах.
Структура дисертації. Робота складається із вступу, п`яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, що включає 156 найменувань вітчизняних та зарубіжних авторів та трьох додатків. Робота викладена на 104 сторінках основного тексту, містить19 рисунків та 9 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ. Обгрунтована актуальність теми, мета та задачі дослідження. Визначена наукова новизна та практичне значення роботи.
Розділ 1 присвячено розгляду технологічних основ підготовки буряків до вилучення цукру та екстрагування цукру із бурякової тканини.
На основі аналізу науково-технічної літератури зроблено такі висновки:
– процес екстрагування цукру з бурякової тканини в умовах сучасного апаратурного оформлення має суттєві невикористані резерви щодо підвищення ефективності вилучення цукру;
– відсутні дані про зміну фізико-хімічних властивостей бурякової тканини в процесі теплової та електричної обробки;
– відсутність таких даних призвело до того, що класичний метод роботи дифузійних установок з “головним нагрівом” – втратив свою пріоритетну роль при створенні та експлуатації сучасних дифузійних установок безперервної дії;
– технологічний регламент процесу очищення та миття буряка не передбачає способів, спрямованих на підтримання стабільної вихідної температури бурякової стружки;
– на початковій стадії процесу екстрагування необхідно створити умови для швидкого нагрівання сокостружкової суміші до оптимальної температури, чи досягнення високого ступеня її плазмолізу;
– для підвищення ефективності процесу екстрагування цукру перпективно використовувати електричні методи попередньої підготовки бурякової сировини.
Для вирішення цих питань і розв`язання проблеми удосконалення технологічних процесів підготовки буряків до екстрагування цукру сформульвані задачі дослідження.
Розділ 2 присвячено обгрунтуванню вибору напрямку досліджень та об`єктів, методів і методик досліджень. Описано методики дослідження структурних змін бурякових клітин, фізико-хімічних властивостей бурякової тканини в процесі нагрівання і електрообробки та аналізу якісного і кількісного складу соків, бурякової стружки і жому. Проведено оцінку похибок вимірювань.
Розділ 3 присвячено дослідженню структури бурякових клітин і фізико-хімічного стану бурякової тканини в процесі її нагрівання.
Для визначення стану клітинної організації бурякової тканини при дії теплових факторів проведено електронномікроскопічні дослідження структурних змін бурякових клітин. На основі даних скануючої електронної мікроскопії визначено діаметр клітин бурякової тканини, який складає більш як 100 мкм і товщину клітинної стінки – біля 10 мкм. Дія теплового фактора на бурякову тканину супроводжується фізичною зміною її клітинної організації. Причому теплова дія в межах від 20 С до 40 С не призводить до будь-яких змін в структурі бурякової тканини. Теплова дія на бурякову тканину в межах від 60 С до 80 С призводить до руйнування клітинних стінок вакуолі. Це в свою чергу збільшує клітинну проникність для розчину цукрози, що міститься у вакуолях.
Головним фактором, який визначає проникність бурякової тканини в результаті теплової обробки являється ступінь денатурації білків протоплазми. При тепловій обробці бурякової тканини проходить коагуляція і деградація колоїдів, що різко порушує життєві функції тканини. Білки протоплазми утворюють окремі згустки, в протоплазмі виникають пори і вона стає проникною.
Для оцінки фізичного стану бурякової тканини на макрорівні в процесі іі нагрівання проведено лабораторні дослідження зміни маси і концентрації цукру в стружці при тепловій на неї дії.
З аналізу даних табл. 1 видно, що за виключенням дослідів з температурою ізотонічного розчину 40 С, маса бурякової тканини зменшувалася. Встановлено, що при нагріванні на протязі 3-10 хв. маса частинок буряка при температурі 50, 60, 70 С зменшується відповідно на 2,15-3,48 %; 2,57-6,20 %; 10,70-13,64 %. Після досягнення буряковою тканиною температури 70 С теплова дія більше 5 хв. суттєво не впливає на зміну її маси.
Зменшення маси бурякової стружки при тепловій дії є наслідком вилучення бурякового соку із клітин. Це явище пояснюється зміною ультраструктури клітин бурякової тканини і дегідратуючою властивістю цукрового розчину, що міститься в них. Витягнення води із капілярів клітин, призводить до стиснення клітинних оболонок з подальшим їх розривом.
Для визначення зміни вмісту цукру в буряковій стружці при тепловій дії на неї, була проведена друга серія дослідів. Бурякову стружку з відомим вмістом цукру нагрівали на протязі 5 хв. в ізотонічному розчині і визначали вміст в ній цукру.
Отримано дані, які свідчать про те, що при нагріванні бурякової тканини до температури вище 50 С в умовах, коли відсутній градіент концентрацій, зміна маси бурякової тканини супроводжується зменшенням вмісту в ній цукру. Так, нагрівання бурякової стружки з вихідною дигестією 16,8 % в ізотонічному розчині до температури 70 С на протязі 5 хв. приводить до зменшення вмісту в ній цукру на 9,5 %.
Таблиця 1
Зміна маси бурякової стружки при тепловій обробці в ізотонічному розчині.
Час, Маса стружки, г Різниця в Зміна
хви-лин до теплової обробки після теплової обробки масі, г маси, %
Ізотонічний розчин: Ц=17,5 % , t=40 С
2 6,34 6,34 0 0
3 6,51 6,52 +0,01 +0,15
5 7,28 7,26 0,02 0,27
Ізотонічний розчин: Ц=17,6 % , t=50 С
3 5,46 5,27 0,19 3,48
5 5.57 5,45 0,12 2,15
Ізотонічний розчин: Ц=17,7 % , t=60 С
2 9,35 9,11 0,24 2,57
5 9,25 8,68 0,57 6,20
Ізотонічний розчин: Ц=17,5 % , t=70 С
3 8,70 7,71 0,93 10,70
5 8,47 7,53 0,95 11,20
10 8,50 7,52 0,98 11,53
15 13,30 11,23 2,07 15,56
15 13,20 11,40 1,80 13,64
25 13,35 11,55 1,80 13,48
З метою уточнення, яка частина рідини видаляється із зразків буряка в результаті екстрагування була проведена серія дослідів, в яких змінюючи концентрацію цукрового розчину і встановлюючи потрібну температуру, створювали у часі умови, близькі до реального процесу.
Дані при використанні в якості екстрагенту цукрового розчину і води представлені в табл. 2.
Із експериментальних результатів слідує, що при екстрагуванні частинок при температурі 70 С на протязі 3-15 хвилин в цукровому розчині, який має концентрацію цукру менше, ніж у буряковому соці буряку, чи у воді, зменшення маси частинок складає 10,74-16,84 %.
Таким чином, в умовах екстрагування нагрівання бурякової стружки до температури 40 С не змінює її маси. Масообмінні процеси в системі стружка-екстрагент починають проявлятися після досягнення температури тканини вище 40 С.
Нагрівання бурякової стружки до температури вище 40 С на протязі 2-15 хв. приводить до зменшення її маси і відповідному зниженню вмісту в ній цукру в умовах як екстрагування, так і ізотонічного розчину.
Із представлених результатів, можливо зробити слідуючий висновок.
Поскільки початковий період вилучення цукру із бурякової стружки складається із недифузійної і дифузійної стадій, та недифузійне вилучення починається після прогріву бурякової стружки до температури вище 40 С і проходить за рахунок фізичних змін тканини під дією температури.
Таблиця 2
Зміна маси бурякової стружки в процесі теплової обробки при використанні в якості екстрагенту цукрового розчину і води.
Час, Маса стружки, г Різниця в Зміна маси, % Маса стружки, г Різниця в масі, г Зміна маси,
хви-лин до теплової оброб-ки після тепло-вої обробки масі, г до теплової оброб-ки після тепло-вої обробки %
Ізотонічний розчин: Ц=13,2 % , t=40 С Вода: Ц=0, t=40 С
2 6,74 6,74 0 0 5,44 5,45 +0,01 +0,18
5 5,94 5,95 +0,01 0,17 7,49 7,49 0 0
Ізотонічний розчин: Ц=13,1 % , t=50 С Вода: Ц=0, t=50 С
5 6,48 6,24 0,24 3,7 4,98 4,71 0,27 5,42
Ізотонічний розчин: Ц=12,8 % , t=60 С Вода: Ц=0; t=60 С
5 8,41 8,01 0,40 4,76 10,02 9,26 0,76 7,58
Ізотонічний розчин: Ц=12,8 % , t=70 С Вода: Ц=0, t=70 С
3 10,05 8,79 1,26 12,56 10,24 9,14 1,1 10,74
Ізотонічний розчин: Ц=13,1 % , t=70 С Вода: Ц=0, t=70 С
5 8,25 7,17 1,08 13,09 8,72 7,40 1,32 15,14
10 8,48 7,20 1,28 15,09 8,91 7,41 1,50 16,84
15 8,60 7,39 1,21 14,07 8,70 7,28 1,42 16,32
Швидкість і величина недифузійного вилучення залежить від інтенсивності нагріву бурякової тканини до оптимальної температури.
Аналіз температур масових потоків дифузійної установки свідчить про те, що нормалізація температурного режиму в ошпарювачі можлива за рахунок дотримання постійної початкової температури стружки. Коливання температури стружки залежить від температури навколишнього середовища.
Тому дослідження процесу теплової обробки коренів має важливе значення при вирішенні питання стабілізації теплового режиму в ошпарювачах КДА.
Для визначення температури в тілі кореня окремі коренеплоди нагрівали в термостаті, фіксуючи при цьому час, за який корінь прогрівається повністю до заданої температури. Аналіз отриманих результатів показує, що коренеплод повністю прогрівається в межах 5 хвилин до t= 25С.
Для підтвердження результатів лабораторних дослідів були проведені промислові дослідження по попередньому нагріванню буряків на Старосинявському цукровому заводі. З цією метою коренеплоди підігрівали барометричною водою у ванні ополіскувача, який в технологічній лінії миття і очищення буряків має власні комунікації води.
Отримані результати свідчать про те, що перебування коренеплодів в ополіскувачі з температурою води 45-50 С на протязі 3-5 хвилин підвищує їх температуру від 6…8 С до 22…28 С. Температура стружки після різання коренів на стружку складала 20-22 С, а при продувці бурякорізки парою досягала 25-32 С. Середня температура стружки, яка отримана із коренів, які не підігрівалися, складала 10…12 С.
В теплій мийній воді ополіскувача не виявлено збільшення вмісту цукру, його концентрація не перевищує 0,03 %.
Таким чином, попереднє підігрівання коренеплодів у воді з температурою до 50 С тривалістю до 5 хвилин дає можливість підтримувати постійну температуру бурякової стружки.
Це можливо використати при розробці способу стабілізації теплового режиму в ошпарювачі КДА.
В розділі 4 наведено результати оцінки залежності ступеня електроплазмолізу бурякової тканини від величини напруженості електричного поля і часу обробки, математичного моделювання і оптимізації процесів електрообробки сокостружкової суміші.
Для оцінки ефективності дії електричного поля на ступінь електроплазмолізу бурякової тканини більш зручним і експериментально достовірним є визначення часу досягнення половини ступеня плазмолізу. Цей час назвемо характеристичним часом електроплазмолізу.
Експериментально досліджена залежність характеристичного часу електроплазмолізу від E приведена на рис. 1.
Цю залежність можна досить задовільно апроксимувати за допомогою співвідношення логарифмічно – степеневого типу
ln =a+bEc (1)
В табл.1. наведені дані по значенням параметрів a,b,с і відповідним статистичним даним, що характеризують похибки їх визначення, а також коефіцієнт кореляції. Всі обчислення проводились за допомогою програмного пакету TableCurve(Jandel Scientific).
Таблиця 3.
Значення параметрів a,b,c і відповідні статистичні дані, що характризують похибки їх визначення, а також коефіцієнт кореляції. Всі обчислення проводились за допомогою програмного пакету TableCurve(Jandel Scientific).
Пара-метр Значення Стандартна похибка Величина t Межі 95% довірчого інтервалу
A 6.515157964 0.431537338 15.09755331 5.315551869 7.714764059
b -0.00561843 0.005829873 -0.96373042 -0.02182456 0.010587706
c 1.448373433 0.200124723 7.237353838 0.892058101 2.004688766
Коефіціент кореляції, Стандартка похибка (Fit Std Err) Величина F
0.9934184168 0.2571303664 301.87825388
При дії на сировину електричного поля напруженістю E відносну ступінь її електроплазмолізу (t,E)=Pd/Pd(max)за час t можна оцінити за допомогою наступного співвідношення
(t,E)=1-exp(t/(E)) (2)
Рис.1. Залежність характеристичного часу електроплазмолізу бурякової сировини (с) від напруженості електричного поля E (В/см)
Залежності відносного ступеня електроплазмолізу бурякової сировини (t, E) від t при різних значеннях E приведені на рис.2.
Рис.2. Залежності відносного ступеня електроплазмолізу бурякової сировини від часу електрообробки при різних значеннях E (квадратики – експериментальні дані при Е=150 В/см)
Апроксимаційні залежності для ( t, E) (1)-(2)досить добре описують дані, що отримані в експериментах при дослідженнях питомої електропровідності бурякової стружки від часу електрообробки при E=150 В/см.
Таким чином, аналітичні залежності (1)-(2) можливо використовувати для наближеної оцінки відносного ступеня електроплазмолізу бурякової сировини при різних значеннях t і E.
Систему бурякова стружка-дифузійний сік можна розглядати, як гетерогенну суміш, що складається з двох компонентів з великою (сік) та малою (стружка) електропровідностями.
Для опису електропровідності цієї гетерогенної системи використовували узагальнене рівняння ефективного середовища
(3)
Тут =ef/w, o=s/w =(1-)/, =c/(1-c) , ef=ef1/t, w=w1/t, s=s1/t, ef, w, s- електропровідності ефективного середовища, соку і стружки, а t скейлінговий показник в перколяційному рівнянні.
Рівняння (3) є квадратним рівнянням відносно невідомого і його розв’язок можна представити в вигляді
(4)
Середнє значення поля на частинці стружки Es залежить від і відрізняється від зовнішнього поля E. Цю залежність можна оцінити за допомогою співвідношення
j= Eef =Ess (5)
Тепло, що виробляється струмом густиною j за одиницю часу в об’ємі V дорівнює
(6)
де (r) – питома електропровідність середовища, що в загальному випадку залежить від просторової координати r.
Для кількісної оцінки ефектів омічного нагріву густину струму, що протікає через сокостружкову суміш можна оцінити за допомогою співвідношення
j= J/S = Eef, (7)
де J-це величина струму, а S – площа поперечного розрізу зразка.
Швидкість підвищення температури можна оцінити за допомогою співвідношення
VT=T/t=Q/(CV)=j2/(Cef)=E2ef/(C) (8)
де Q-тепло що виділяється в об’ємі V матеріалу, що нагрівається, С- питома теплоємність а - густина цього матеріалу.
Якщо вибрати деяке критичне значення для швидкості омічного нагріву, яке не можна перевищувати з міркувань промислової реалізації процесу, то можна визначити гранично допустиму концентрацію сокостружкової суміші p нижче якої, омічний нагрів призводить до неприпустимих перегрівів.
Таким чином, тут ми маємо певний критерій для виботу значень концентрацій сокостружечної суміші .
Постановка оптимізаційної задачі полягає в виборі таких значень , E і t при яких буде досягнено максимальний ступінь електроплазмолізу (t,Es()) при нагріві суміші за час електрообробки що не перевищує граничного Tmax. В якості прикладу ми будемо припускати, що граничний перегрів не може перевищувати Tmax.
Один із варіантів такого оптимізаційного рівняння можна отримати орієнтуючись на максимальний час електрообробки і визначаючи залежності E() при яких перегрів не перевищує Tmax. З рівнянь (2), (4), (5) та (8) маємо
t== exp(a+bEc(ef()/s)c)= Tmax (C)/ E2ef() (9)
Результати числового розв’язку цього рівняння приведені для випадків Tmax=3 С приведені на рис.3.
Рис.3. Залежності напруженості зовнішнього поля E та часу електрообробки сокостружкової суміші від об’ємної концентрації стружки в суміші .
Для промислово – важливого випадку, що був реалізований нами для апарата безперервної дії трубного типу допускаються відносно невеликі перегріви Tmax 3 при 0,25-0,3. Як видно з результатів проведених розрахунків, при таких умовах доцільно використовувати поля не дуже великих напруженостей (E 10-30 В/см) при часові електрообробки в декілька секунд. Збільшення концентрації стружки призводить до необхідності використовувати значно більші поля E.
Отримані дані дозволяють оптимізувати вибір напруженості E і часу електрообробки при заданому значенні об’ємної концентрації стружки в суміші і вони можуть бути використані при відпрацюванні технологічних режимів електрообробки сокостружкової суміші у виробничих умовах.
Розділ 5 присвячено розробленню способів підготовки бурякової сировини до процесу екстрагування та їх практичному застосуванню.
Досвід експлуатації дифузійних апаратів свідчить про те, що нормалізація теплового режиму за рахунок збільшення кількості циркуляційних потоків має свої межі і практично неможлива при пониженні вихідної температури стружки (нижче 5 С).
Проведений аналіз теплових потоків дифузійної установки і дані лабораторних і промислових досліджень (розділ 3) показують, що стабілізація теплового режиму в ошпарювачах КДА можлива за рахунок підтримання постійної температури бурякової стружки, яка перш за все залежить від температури коренеплодів.
Нами запропонований спосіб стабілізації теплового режиму ошпарювача КДА за рахунок попереднього нагрівання коренеплодів і розроблена відповідна апаратурно-технологічна схема.
Технологічна схема включає барабанну мийку, ополіскувач з пристроєм для видалення легких рослинних домішок і передбачає відокремлення чистої, освітленої і забрудненої води.
Спосіб і технологічна схема були випробувані і впроваджені на Старосинявському цукровому заводі.
Результати випробувань і впровадження свідчать про те, що попереднє підігрівання бурякових коренів у водному середовищі з температурою до 50 С дає можливість підтримувати постійну температуру бурякової стружки перед ошпарювачем (біля 20 С), а видалення рослинних домішок забезпечує підвищення якості бурякової стружки. Це стабілізує тепловий режим в ошпарювачі і колонній дифузії на протязі всього виробничого сезону при зменшенні втрат цукру в жомі.
Спосіб впроваджено на Старосинявському цукровому заводі з економічним ефектом 44 тис. грн.
Одержано результати досліджень явища “головного нагріву” при екстрагуванні цукру, які свідчать, що кількість дифузійного соку, що поступає на виробництво, буде меньшим на 10…15% в умовах швидкого нагрівання стружки (3-5 хвилин) до температури 65…75 С в порівнянні з кількістю сока, отриманого в умовах поступового нагрівання (15…20 хвилин).
Тепловий режим в діючих дифузійних установках, в головній частині яких процес екстрагування проходить при температурі 30…50 С, призводять до надмірного вмісту цукру в жомі, або до збільшених витрат пального. Це характерно для діючих дифузійних установок, в яких відсутні преси глибокого віджимання жому.
Порівняльний аналіз теплового режиму дифузійної установки колонного типу (КДА-30/66) на Старосинявському і похилих шнекових апаратів (ДС-12, ДС-8) на Гайсинському цукровому заводі показав, що процес екстрагування має резерви підвищення його ефективності. Для їх обгрунтування в лабораторних умовах проведені дослідження фізичного стану бурякової тканини в процесі нагрівання (розділ 3).
Встановлено, що тільки за рахунок швидкого (3…5 хвилин) теплового нагрівання в інтервалі температур 60…75 С вилучається до 1,0 % цукру, який міститься в буряковій стружці.
Хоч це явище “головного нагріву” не було досліджено, однак його використовували на практиці у цукровому виробництві в умовах “головного нагріву” на дифузійних батареях Роберта.
Таким чином, підвищити ефективність екстрагування в діючих дифузійних
апаратах можливо за рахунок збільшення активного часу екстрагування. Для
цього необхідно на початку процесу створити умови для швидкого нагрівання сокостружкової суміші, тобто створити умови “головного нагріву”. При цьому тривалість активного екстрагування збільшується на величину різниці між часом досягнення оптимальної температури сокостружечної суміші (70…72 С) у діючому режимі і створеним режимом швидкого нагрівання. У нових конструкціях дифузійних апаратів і при удосконаленні діючих екстракторів необхідно передбачати умови його виконання.
Розроблено апаратурно-технологічну схему дільниці дифузійного відділення заводу з попередньою імпульсною електрообробкою сокостружкової суміші перед колонним екстрактором, яка представлена на рис.4.
Виробничі випробування технології і обладнання для попередньої обробки сокостружкової суміші перед її подачею в колонний дифузійний апарат КДА-30/66 проводили на Старосинявському цукровому заводі в 1998 році.
Технологічні і процесні параметри роботи дифузійної установки з електрообробкою сокостружкової суміші і без обробки представлені в табл. 4.
В результаті промислових випробувань встановлено, що імпульсна електрообробка сокостружкової суміші перед колонним екстрактором за рахунок додаткового плазмолізу стружки дає можливість:
– знизити температуру поперечного циркуляційного соку з 82-85 С до 70-75 С;
– знизити температуру сокостружкової суміші до 62-65 С;
– знизити температуру в середині колони до 64-66 С.
Робота дифузійного відділення при пониженому температурному режимі забезпечує зниження витрат палива на 0,2 % по масі буряків.
За рахунок підвищення ступеня плазмолізу бурякової тканини на 20-25 % знижуються втрати цукру в жомі на 0,05-0,08 % , а також за рахунок додаткової електрокоагуляції білків і ВКД збільшується чистота отриманого дифузійного соку на 1,0-1,2 %.
При подальшій технологічній обробці дифузійного соку підвищеної якості збільшується ефект очистки на дефекосатурації на 5-7 %.
Електротехнологія попередньої імпульсної електрообробки сокостружкової суміші перед колонним дифузійним апаратом рекомендована до впровадження у бурякоцукрове виробництво.
Рис4. Технологічна схема дільниці дифузійного відділення цукрового заводу з електрообробкою сокостружкової суміші: 1– колонний дифузійний апарат КДА-30/66; 2– електроплазмолізатор; 3– насоси сокостружкової суміші.
Таблиця 4
Порівняльні показники роботи колонної дифузійної установки
Показники Без електрообробки З електрообробкою
Стружка Дг, %
Довжина 100 г стружки, м
Брак, % 16,0
10,0
15,0 16,2
10,0
15,0
Буряковий сік СР,%
Цукор,%
Ч, %
РН 19,0
16,2
85,3
6,7 19,8
16,8
84,8
6,6
Технологіч-ний режим Продуктивність, т/год
Відкачка, %
42,4
147,9
44,4
139,3
Живильна вода T,C
PН 68
7,6 66
7,7
Температур-ний режим Tсокостружкової суміші, C
Tсередини колони , C
Tциркуляц. соку , C
68-70
70
85
62-64
64
70
Дифузійний сік СВ,%
Цукор,%
Ч,%
РН 11,6
10,0
86,0
6,6 12,4
10,8
87,2
6,5
Жом Втрати цукру в жомі, % до маси жому
0,37
0,29
Електричні параметри U1, U2, U3, B
I1, I2, I3, A
–
– 75, 60, 95
100, 60, 100
Витрати електро-енергії N, кВт – 19,9
Висновки
1. На основі теоретичних, експериментальних і промислових досліджень зміни фізико-хімічних властивостей бурякової тканини в процесі теплової та електричної обробки удосконалено та запропоновано ефективні способи підготовки бурякової сировини до процесу екстрагування цукру.
2. Дістало подальший розвиток положення про наявність недифузійної і дифузійної стадії на початку процесу екстрагування. Недифузійна стадія діє після нагрівання бурякової стружки до температури вище 40 С за рахунок фізичних змін тканини. Її швидкість залежить від інтенсивності нагрівання бурякової тканини до оптимальної температури процесу.
3. Вивчено зміну ультраструктури клітин бурякової тканини в процесі теплової обробки. Встановлено, що теплова дія на бурякову тканину в межах від 60 С до 80 С призводить до руйнування клітинних стінок вакуолі. Це в свою чергу збільшує клітинну проникність для розчину цукрози, що міститься у вакуолях.
4. Встановлено, що в умовах екстрагування нагрівання бурякової стружки до температури 40 С не змінює її маси. Масообмінні процеси у системі стружка-екстрагент починають діяти після досягнення тканиною температури понад 40 С.
5. Показано, що нагрівання бурякової стружки протягом 2…5 хвилин до температури вище 40 С супроводжується зменшенням її маси і вмісту в ній цукру в умовах ізотонічного розчину і екстрагування.
6. Досліджено, що нагрівання бурякової стружки в ізотонічному розчині протягом 3…5 хвилин до температури 70 С супроводжується зменшенням її маси на 10…11 % і відповідно зниженням вмісту цукру на 8…10 %.
Після досягнення буряковою тканиною температури 70 С збільшення тривалості теплової дії понад 5 хвилин не викликає суттєвої зміни її маси.
7. Запропоновано універсальну аналітичну залежність для зв`язку між часом електрообробки і напруженістю електричного поля та визначено параметри цієї залежності для бурякової стружки.
8. В рамках узагальненого перколяційного підходу до теорії ефективного середовища розроблено математичну модель процесу електрообробки в системі бурякова стружка-дифузійний сік. Запропоновано оптимізаційне рівняння для вибору оптимальних значень напруженості електричного поля і часу електрообробки при заданій об`ємній концентрації стружки в сокостружковій суміші та значенні можливого максимального нагріву її.
9. Запропоновано за рахунок збільшення активного часу екстрагування підвищити ефективність вилучення цукру в діючих дифузійних апаратах. Для цього необхідно на початку процесу створити умови для швидкого нагрівання сокостружкової суміші, тобто створити умови “головного нагріву”. При цьому тривалість активного екстрагування збільшується на величину різниці між часом досягнення оптимальної температури сокостружкової суміші (70-72 С) у діючому режимі і створеним режимом швидкого нагрівання.
10. Удосконалено лінію очищення та миття буряків системою підігріву коренеплодів та пристроєм для видалення легких рослинних домішок, що забезпечило стабілізацію теплового режиму в ошпарювачах КДА і підвищення якості бурякової стружки. Економічний ефект від впровадження складає 44 тис. грн.
11. Удосконалено спосіб і апаратурне оформлення процесу попередньої імпульсної електрообробки сокостружкової суміші перед колонним дифузійним апаратом. В результаті промислових випробувань встановлено, що за рахунок підвищення ступеня плазмолізу бурякової тканини на 20-25 % знижуються втрати цукру в жомі на 0,05-0,08 %, а за рахунок додаткової електрокоагуляції білків і ВКД збільшується чистота отриманого дифузійного соку на 1,0-1,2 %.
Список опублікованих праць за темою дисертації
Цимбал А.С., Карпович М.С. Явище “головного нагріву” при екстрагуванні //Цукор. – 1995. – № 1. – С. 31 – 32.
Цымбал А.С., Василик О.И, Карпович Н.С. Стабилизация теплового режима в ошпаривателе КДА //Сахарная промышленность. – 1995. – № 3. – С. 19.
Физическое состояние свекловичной стружки при термической обработке / А.С. Цымбал, Н.И. Сороколит, О.И. Василик, Н.С. Карпович. – Сахарная промышленность. – 1995. – № 6. – С. 17-18.
Удосконалення процесу екстрагування за рахунок інтенсифікації нагрівання бурякової стружки / М.С. Карпович, А.С. Цимбал, М.І. Сороколіт, О.І. Василик /Тези доп. Всеукр. наук.-техн. конференції “Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробну промисловість”. – К.: УДУХТ. – 1995. – С. 10.
Технологія та обладнання для електрообробки сокостружкової суміші перед колонним екстрактором /М.П. Купчик, І.С. Гулий, М.І. Бажал, В.В. Кушта, А.С. Цимбал /Тези доп. Міжнар. наук.-техн. конференції “Розробка та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій у харчову та переробну промисловість”. – К.: УДУХТ. – 1997. – С. 116-117.
Перколяционные модели электропробоя гетерогенных систем /М.И. Лебовка, Р.М. Мельник, В.В. Манк, М.И. Бажал, М.П. Купчик, А.С. Цымбал /Сборник материалов научной школы стран СНГ “Вибротехнология – 97” по измельчению и активации. – Часть 1. – Одесса: Вотум. – 1997. – С. 106.
Анотація
Цимбал А.С. Удосконалення способів підготовки бурякової сировини до процесу екстрагування цукру. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.05 – технологія цукристих речовин. – Український державний університет харчових технологій Міністерства освіти України, Київ, 1999.
Дисертацію присвячено вивченню фізико-хімічних властивостей бурякової тканини в процесі теплової та електричної обробки. Встановлено на мікро-і макро рівнях зміну фізичного стану бурякової тканини при температурі вище 40 С. Розроблено математичну модель процесу електрообробки сокостружкової суміші та оптимізовано параметри процесу електрообробки.
Удосконалено, випробувано і впроваджено ефективні способи та апарати для стабілізації теплового режиму в ошпарювачах КДА та попередньої електрообробки сокостружкової суміші перед колонним екстрактором.
Ключові слова: бурякова тканина, теплові і електричні фактори, моделювання і оптимізація, дифузійний сік, ополіскувач, ошпарювач, електроплазмолізатор.
Аннотация
Цымбал А.С. Совершенствование способов подготовки свекловичного сырья к процессу экстрагирования сахара. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.05. – технология сахарных веществ. – Украинский государственный университет пищевых технологий Министерства образования Украины, Киев, 1999.
Диссертация посвящена изучению физико-химических свойств свекловичной ткани в процессе тепловой и электрической обработки. Установлено на микро-и макро уровнях изменение физического состояния свекловичной ткани при температуре более 40 С. Разработана математическая модель процесса электрообработки сокостружечной смеси и оптимизированы параметры процесса электрообработки.
Усовершенствованы, испытаны и внедрены эффективные способы и аппараты для стабилизации теплового режима в ошпаривателях КДА и предварительной электрообработки сокостружечной смеси перед колонным экстрактором.
Изучена ультраструктура клеток свекловичной ткани в процессе тепловой обработки. Установлено, что тепловое воздействие на свекловичную ткань в пределах от 60 С до 80 С приводит к разрушению клеточных стенок вакуолей. Это способствует увеличению клеточной проницаемости для раствора сахарозы, который имеют вакуоли.
В условиях экстрагирования нагрев свекловичной стружки до температуры 40 С не изменяет ее массы. Массообменные процессы в системе стружка-экстрагент начинают проявляться после достижения температуры ткани выше 40 С. Нагрев свекловичной стружки длительностью 2…5 мин. до температуры свеше 40 С сопровождается уменьшением ее массы и содержания в ней сахарозы в условиях изотонического раствора и экстрагирования. Результаты исследований свидетельствуют, что тепловая обработка свекловичной стружки в изотоническом растворе в пределах 3…5 мин. до температуры 70 С приводит к уменьшению ее массы на 10…11 % и соответственно содержания сахарозы на 8…10 % . После достижения свекловичной тканью температуры 70 С увеличение длительности теплового воздействия свыше 5 мин. не вызывает существенного изменения ее массы.
Предложена универсальная аналитическая зависимость для связи между временем электрообработки и напряженностью электрического поля и определены параметры этой зависимости для свекловичной стружки. Показано, что экспериментальные данные удовлетворительно описываются предложенным уравнением.
В рамках обобщенного перколяционного подхода к теории эффективной среды проведены расчеты зависимостей эффективной удельной электропроводности сокостружечной смеси от объемной концентрации стружки при различных значениях перколяционной концентрации. Этот подход дал возможность получить обобщенные зависимости для расчета омического нагрева сокостружечной смеси при различных значениях объемной концентрации стружки.
Предложено оптимизационное уравнение для выбора оптимальных значений напряженности электрического поля и времени электрообработки при заданной объемной концентрации стружки в смеси и значении возможного максимального нагрева смеси.
Приведены результаты промышленных испытаний усовершенствованого способа и аппаратурного оформления процесса предварительной импульсной электрообработки сокостружечной смеси перед колонным диффузионным аппаратом на основании которых показана возможность повышения эффективности процесса экстрагирования в колонных экстракторах.
Приводится аппаратурно-технологическая схема очистки и мойки свеклы, которая дооснащена системой подогрева корнеплодов и устройством для удаления легких растительных примесей. Это обеспечивает стабилизацию теплового режима в ошпаривателе КДА и повышение качества свекловичной стружки. Экономический эффект от внедрения составляет 44 тыс. грн.
Ключевые слова: свекловичная ткань, тепловые и электрические факторы, моделирование и оптимизация, диффузионный сок, ополаскиватель, ошпариватель, электроплазмолызатор.
Annotation
Tsymbal A.S. The perfection of ways of the beet stuff preparation to the process of the sugar extracting. – The manuscript.
The dissertation to a competition for the candidate of science academic degree in the speciality 05.18.05 – the technology of saccharine substances. – The Ukrainian State University of Food Technology. The Ministry of Education of Ukraine, Kyiv, 1999.
The dissertation is dedicated to the study of physico-chemical properties of the beet tissue during the thermal and electrical treatment. The change of the beet tissue condition is ascertained at the micro- and macro levels for the temperature above 40C.
The mathematical model of the electrical treatment of the juice-shaving mixture of the electrical treatment are led to optimum.
The methods and the apparatus for stabilization of the thermal regime in the scalders KDA and for the electrical pretreatment of the juice-shaving mixture before the colomned extractor are improved, tested and inculcated.
Key words: beet tissue, thermal and electrical factors, modeling and optimization, diffusive juice, rinser, scalder, electroplasmolisator.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
