VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Диффузионное извлечение сахарозы из свекловичной стружки в противоточном режиме обеспечивает её нормативное обессахаривание и получение минимально разбавленного водой (экстрагентом) диффузионного сока.

В производственных условиях в качестве экстрагента используют барометрическую воду и деамонизированные аммиачные конденсаты, образующиеся в теплообменных аппаратах. Обязательным условием для работы с малыми потерями в диффузионном отделении является возвращение в диффузионный аппарат жомопрессовой воды. Необходимость её возврата очевидна, так как это позволяет снизить расход тепловой энергии на нагревание воды для диффузионного процесса и возвратить отпрессованную из жома сахарозу. При переработке свежей здоровой свеклы допускается использовать жомопрессовую воду для диффузионного процесса без очистки после тщательного фильтрования на мезголовушке. При этом единственным условием является минимальное время её пребывания в промежуточных сборниках.

Питательная вода должна соответствовать следующим требованиям:

• реакция среды слабокислая (величина рН очищенной воды 5,7-6);

• температура не ниже 70 ^оС ( при переработке здоровой свеклы);

• содержание мезги после фильтрования на мезголовушках не более 1,0–1,5 г/дм³;

• чистота воды не менее 65–70 %;

• тщательная деаммонизация аммиачных конденсатов (эффект удаления аммиака 80–90 %). При этом вода не должна являться источником вторичного микробиологического и химического загрязнения диффузионного сока.

Жомопрессовая вода содержит механические взвеси, органические примеси, ухудшающие работу диффузионной установки (пенение), и микробиологически заражена. Поэтому перед возвратом в диффузионный аппарат она подвергается соответствующей подготовке.

Все существующие способы очистки жомопрессовой воды, возвращаемой в технологический цикл экстракционной установки, можно разделить на три группы [1]:

• не предусматривающие механическую и физико-химическую очистку (возврат воды непосредственно после прессов и мезголовушек);

• предусматривающие механическую очистку и термическую стерилизацию (возврат воды после отделения от крупнодисперсных частиц мезги на мезголовушках и мелкодисперсных – за счет седиментации в отстойниках и т.д.);

• предусматривающие механическую и физико-химическую очистки и соответствующую стерилизацию.

Способ подготовки жомопрессовой воды к возврату на диффузию предусматривает очистку воды от мезги и её отстаивание в отстойнике. Воду после отстаивания подвергают дефекосатурации до достижения рН 9,2–9,5, фильтруют до отделения осадка и нагревают до температуры 50-70 ^оС. Затем воду фильтруют на мембранном фильтре тонкой очистки для удаления микроорганизмов, высокомолекулярных веществ и взвешенных частиц.

Возможна подготовка жомопрессовой воды к возврату на диффузию путем фильтрации через слой свежего жома, нагревания до 80 ^оС и отстаивания или очистка её от мезги, нагревание до 90 ^оС для стерилизации и отстаивание с последующим введением формалина перед подачей в диффузионный аппарат.

Недостатками приведенных способов является то, что они не обеспечивают высокую степень очистки от микроорганизмов и различных примесей, что приводит к потерям сахарозы в процессе диффузии и ухудшает качество диффузионного сока.

Для повышения степени очистки воды от микроорганизмов, высокомолекулярных веществ и взвешенных частиц и улучшении качества диффузионного сока в процессе подготовки жомопрессовой воды к возврату на диффузию её очищают от мезги и отстаивают, подвергают дефекосатурации до достижения рН 9,2–9,5, фильтруют для отделения образовавшегося осадка, нагревают до температуры 50-70 ^оС и фильтруют на мембранном фильтре тонкой очистки для удаления микроорганизмов, ВМС и взвешенных частиц.

Указанный предел рН на дефекосатурации необходим вследствие того, что при рН ниже 9,2 в воде остаются коллоиды, а при рН выше 9,5 протекает процесс пептизации осадка. Температура воды 50–70 ^оС является необходимой для эффективной работы мембранного фильтра.

Процесс мембранной фильтрации проводят при следующих параметрах: давление над мембраной – 0,02 Мпа, скорость фильтруемой воды над мембраной – 2,1 м/с, температура 65 ^оС, рН 9,3, пропускная способность мембраны – 1,32 м³/час.

Полученную воду хранили свыше 20 суток, при этом не наблюдалось её закисание, что свидетельствует о достаточно высокой её стерильности.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает высокую степень очистки воды от микроорганизмов и примесей и позволяет уменьшить потери сахарозы на диффузии и снизить энергозатраты [2].

Наличие в питательной воде аммиака интенсифицирует инверсию сахарозы, способствует набуханию и разрушению пектиновых веществ и переходу их в диффузионный сок, что приводит к снижению доброкачественности диффузионного сока, ухудшению фильтрационной способности сока на стадии дефекосатурации.

Для устранения данных недостатков смешивают свежую воду и конденсат с получением питательной воды, ввОдят известковое молоко до рН 11–11,5, проводят сульфитацию и доведение рН питательной воды ортофосфорной кислотой до рН 6,0–6,5. Такая обработка воды стабилизирует рН среды и удаляет аммиак на 50 %. При этом в воде образуются растворимые соли кальция, упрочняющие в процессе экстракции свекловичную стружку. Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков: при вводе ортофосфорной кислоты в питательную воду аммиак из нее не удаляется, т.к. аммонийные соли этой кислоты хорошо растворимы в воде и не выпадают в осадок. Входящая в состав экстрагента свежая вода содержит большое количество микроорганизмов, что требует применения формалина для предотвращения инфицирования сокостружечной смеси.

Ввод ортофосфорной кислоты в обработанную сернистым ангидридом питательную воду не обеспечивает стабильность важного в экстакционном процессе показателя - рН среды, т. к. находящийся в основном в нерастворимой форме сульфит кальция медленно взаимодействует с небольшим избытком более слабой ортофосфорной кислоты, снижая с течением времени количество ионов водорода в растворе, что приводит к повышению рН воды.

Ортофосфорная кислота является дорогостоящей, и количество её выработки не позволяет удовлетворить потребности сахарных заводов.

Для повышения качества питательную воду для диффузионной установки получают путем смешивания свежей воды и деамонизированного конденсата, сульфитации подвергают свежую воду перед её смешиванием с конденсатом. В результате получают воду с более глубокой стерилизацией и устойчивым значением рН, которая содержит до 90 % хорошо растворимой соли гидросульфита кальция (Са(НSО₃₎₂. Обработка свежей воды сернистым ангидридом до рН 2,0–2,5 необходима для более глубокой её стерилизации и образования растворимого в воде гидросульфита кальция, благодаря которому добавляемое количество SO₂ в растворимой форме таково, что практически все микроорганизмы в питательной воде погибают от воздействия среды, стерилизующее действие которой продолжается в диффузионной установке при экстракции сахара из свекловичной стружки.

Опытным путем установлено, что подкисление питательной воды до рН ниже 2,0 нецелесообразно из-за повышения химической коррозионной активности среды и снижения утилизации сернистого газа, выражающейся в незначительном повышении количества ионов кальция и незначительном снижении содержания микроорганизмов в питательной воде, к тому же возрастает продолжительность процесса сульфитации. Подкисление свежей воды до рН более 2,5 является недостаточным для её стерилизации, значительно снижается количество ионов кальция.

Введение известкового молока осуществляют так же перед его смешиванием со свежей водой. После обработки воды сернистым газом до рН 2,0–2,5 и смешивания с ней деамонизированного конденсата с рН 11,5 содержащего известь, образуется кислая соль (Са(НSО₃₎₂. Доведение рН питательной воды осуществляется в процессе смешивания путем регулирования количества вводимого конденсата. Это обеспечивает протекание реакции образования гидросульфита кальция:

Са(ОН)₂+2SO₂ (Са(НSО₃₎₂

Скорость этой реакции зависит как от исходных количеств реагентов, так и от растворимости извести.

Вода в начале обрабатывается известковым молоком, затем сульфитируется. В результате этой реакции рН среды меняется с 11,5 до 7,0 и образуется средняя соль СаSО₃ с растворимостью на 2 порядка ниже, чем известь: Са(ОН)₂ – 1,610^-1; СаSО₃ – 4,310^-3.

Уравнение этой реакции следующее:

Са(ОН)₂+SО₂ СаSО₃+Н₂О.

При добавлении в эту воду ортофосфорной кислоты до величины рН 6,0– 6,5 начинает идти образование гидрофосфата кальция с целью повысить количество ионов кальция. Скорость этой реакции намного медленнее, чем скорость реакции по предлагаемому способу, так как при рН 6,0–6,5 количество кислоты на 3 порядка меньше, чем при рН 2,0–2,5. Кроме того, растворимость СаSО₃ на два порядка ниже, чем извести, нужно добавить, что Н₃РО₄ более слабая кислота, чем Н₂SO₃. Их константы диссоциации соответственно равны Н₃РО₄=0,7110^-2; Н₂SO₃=1,410^-2.

Уравнение реакций следующее:

СаSО₃+2 Н₃РО₄ = (Са(НSО₃₎₂+ Н₂SO₃.

Здесь возможна обратная реакция, что так же замедляет скорость прямой реакции и, тем самым, уменьшает количество ионов кальция в питательной воде.

Обработка сернистым газом предварительно подщелоченной известью воды приводит к образованию плохо растворимой соли СаSО₃, в результате чего дезинфицирующего действия сернистого газа практически нет, так как сернистый ангидрид находится в нерастворимой форме.

В предлагаемом способе при глубокой сульфитации и при смешивании до рН 6,0–6,5 вся сера в воде находится в растворенном состоянии, количество её за счет образования Са(НSО₃₎₂ на три–четыре порядка больше, что дает усиленный дезинфицирующий эффект.

Подщелачивание воды до рН 11,5 также способствует стерилизации питательной воды, но степень стерилизации значительно ниже, что подтверждается примерами конкретного выполнения [3].

Способ подготовки питательной воды с помощью сульфата алюминия предусматривает введение соли в воду, используемую в качестве экстрагента, и экстрагирование ошпаренной свекловичной стружки этой водой, причем соль вводят в количестве 0,03-0,05 % к массе свеклы и воду подвергают электрохимической активации в диафрагменном электролизере до достижения рН католита и анолита 4,5-5,5.

Недостатками и отличиями этого способа являются: проведение ошпаривания стружки, то есть требуется дополнительный подогрев диффузионного сока; обработка воды происходит в периодически действующем устройстве с использованием для диффузии одной фракции обработанной воды - католита или анолита. В предлагаемом способе ошпаривания свекловичной стружки не требуется, устройство непрерывно работает без использования диафрагмы, используется вся обработанная вода.

Подготовку воды для диффузионного процесса осуществляют обработкой ее сульфатом алюминия, отстаиванием, нагреванием до 70 °С и подачей в диффузионный аппарат, при этом сульфат алюминия вводят до рН 6,0-6,5, а после нагревания воду электрохимически обрабатывают при напряженности поля 8,1-10,3 В/см в течение 3-5 мин.

Во время электрообработки сульфат алюминия разлагается и взаимодействует с гидроксил-ионом с образованием гидроксида алюминия. Под воздействием гидроксида алюминия, обладающего большой поверхностной активностью, ВКД легко образуют агрегаты и осаждаются. Обработка воды электрическим током способствует поляризации молекул. При этом, благодаря использованию электрохимически обработанной воды, происходит электроудерживание высокомолекулярных несахаров в клетках свекловичной ткани и больший переход сахарозы в диффузионный сок. Происходит коагуляция высокомолекулярных веществ и веществ коллоидной дисперсности, содержащихся в диффузионном соке, что повышает эффективность очистки (рисунок).

- диффузионный сок - очищенный сок

Выбор оптимальных параметров электроактивации экстрагента: а – напряженности поля, В/см; б – продолжительности обработки, мин.

Предлагаемый способ дает возможность повысить чистоту диффузионного сока на 1,1 %, снизить содержание ВКД на 17 % в сравнении с известным способом [4].

Для придания экстрагенту антипептизирующих свойств и повышения доброкачественности диффузионного сока аммиачный конденсат обрабатывают известковым молоком в количестве 0,10–0,15 % к массе конденсата. На этой стадии удаляется до 15 % растворенного аммиака за счет того, что введение в аммиачный раствор гидроксида кальция способствует образованию газообразного аммиака. Затем аммиак направляют в деаммонизатор, в котором поддерживают разряжение. Деаммонизацию конденсата осуществляют путем самоиспарения. Направляемый в деаммонизатор конденсат имеет температуру 80– 95 ^оС. Для осуществления процесса самоиспарения величина разряжения в деамонизаторе должна быть несколько выше температуры кипения поступающего конденсата. Самоиспарение в деаммонизаторе происходит практически мгновенно, а в результате удаляется еще до 75 % растворенного аммиака.

Полученный конденсат смешивают с жомопрессовой водой и смесь карбонизируют до достижения рН не выше 6,8. Значение рН 6,8 и ниже в данной сатурируемой системе, содержащей избыток СаО, предопределяет конечное содержание концентрации гидрокарбоната кальция Са(НСО₃₎₂ в экстрагенте в пределах 900–1000 мг/л. Чем ниже рН смеси, тем больше концентрация Са(НСО₃₎₂,и наоборот, но по условиям ведения диффузинного процесса рН не должен быть выше 6,8.

Концентрация гидрокарбоната кальция в экстрагенте в пределах 900–1000 мг/л определяется тем остаточным количеством активной извести, которое присутствует в растворе после прошедших уже реакций осаждения и коагуляции примесей, содержащихся в жомопрессовой воде при её смешивании с подщелоченным конденсатом, т.е. для подщелачивания конденсата подается такое же количество активной извести, которое обеспечивает сдвиг химического равновесия в конденсате, необходимый для интенсификации выделения газообразного аммиака, а также осаждение и коагуляцию несахаров жомопрессовой воды и образование гидрокарбоната кальция в экстрагенте в процессе карбонизации до значений рН 6,8 и ниже.

Наличие гидрокарбоната кальция в экстрагенте благоприятно влияет на процессы, происходящие на диффузии, поддерживает в нерастворимом состоянии протопектин клеточных стенок свекловичной ткани и препятствует накоплению в диффузионном соке неудаляемых на станции очистки гемицеллюлоз (арабан, галактан). Поэтому диффузионный и очищенные соки по предлагаемому способу получают более высокой доброкачественности по сравнению с известным [5].

В барометрическую воду или конденсат гидроксида кальция вводят гидроксид кальция, сульфитируют, затем пропускают через слой воды диспергированный воздух. Пропускание воздуха проводят непосредственно после сульфитации, и используют воздух, содержащий 12–18 г/м³ озона, при этом расход воздуха составляет 13–17 м³/ч, и пропускание его осуществляют в течение 12–18 мин для окисления и минерализации примесей обрабатываемой воды.

Применение для обработки конденсатов или барометрической воды (или их смесей) после введения гидроксида кальция и сульфитации воздуха, содержащего озон, позволяет значительно улучшить качество питательной воды.

Улучшение качества питательной воды в данном способе достигается вследствие более эффективного действия озона на примеси воды непосредственно после сульфитации. Это обусловлено тем, что при сульфитировании происходит блокирование SO₂ карбоксильных групп органических примесей, содержащихся в воде. При действии озона на примеси с блокированными карбонильными группами происходит вначале их расщепление на более мелкие фрагменты, а затем окисление последних.

При действие же озона на органические соединения, содержащие свободные карбонильные группы, происходит вначале их окисление, а затем расщепление, т. е. разрушение проходит с образованием других соединений, в частности, органических кислот, которые с известью дают растворимые соли кальция. Проведение сульфитации перед пропусканием воздуха с озоном увеличивает растворимость последнего в воде. Это связано с тем, что при сульфитации происходит снижение величины рН воды и образование СаSO₄. Оба эти момента способствуют повышению растворимости озона, а тем самым и эффективности его действия.

Кроме того, при пропускании через слой конденсата или барометрический воды (или их смесей) воздуха, содержащего озон, происходит удаление аммиака с пузырьками воздуха и его окисление до азотистой кислоты. В результате такого двойного действия достигается более высокая степень освобождения воды от аммиака.

Таким образом, существует большое количество вариантов подготовки питающей воды для диффузионных аппаратов. Эффективность данных способов определяется механизмом воздействия применяемых реагентов на сопутствующие загрязнения и микрофлору воды. Наибольший технологический эффект наблюдается при комплексной электрохимической обработке экстрагента [6].

Литература:

1. Голыбин В. А. Очистка питательной воды для извлечения сахарозы из свекловичной стружки/ В. А. Голыбин, К. К. Горожанкина, Ю. И. Зелепукин, А. В. Пономарев//Сахарная свекла. – 2010. – 10. – С. 30 – 32.

2. Патент RU 2090617 C1 Российской Федерации 6 C 13 D 1/08, 3/16//способ подготовки жомопрессовой воды к возврату на диффузию//Давыдова Р. Г., Данилушкин В. И., Погодин О. П., Давыдова Н. Л.//95100327/13 //заяв.05.01.95 // опубл. 20.09.97.

3. Патент SU 1700055 A1 Союз Советских Социалистических Республик С 13 D 1/08 //способ подготовки питательной воды для диффузионных установок// Л. В. Перфильев, В. С. Самойленко, В. О. Штангеев// 4682271/13// заяв. 19.04.89// опубл. 23.12.91.

4. Патент RU 2 264 470 C1 Российская Федерация С 13 D 1/08// способ получения диффузионного сока// Голыбин В. А., Кульнева Н. Г., Федорук В. А// 2004106392/13// заяв. 04.03.2004// опубл. 20.11.2005.

5. Патент SU 1652346 А1 Союз Советских Социалистических Республик С 13 D 1/10// способ подготовки экстрагента для свекловичной стружки//М. И. Дашиев, В. О. Городецкий, А. Г. Кавун//4486859/13//заяв. 26.09.88//опубл. 30.05.91.

6. Патент RU 2008357 С1 Российская Федерация С 13 D 1/08// способ подготовки питательной воды на диффузию// Федосов Л. В., Наволокин В. В., Смолянинов В. В.//92009694/13//заяв. 07.12.92//опубл. 28.02.94

Код для цитирования: Скопировать