Основы технологии отрасли. Лабораторный практикум. Учебное пособие

рации КОН и Са(ОН)2 может быть в том случае, когда сок недо- сатурирован. В пересатурированном соке наряду с К2СО3 со- держится еще КНСО3.

В нефильтрованных соках наряду с указанными выше со- единениями содержится СаСО3, который в водных растворах дает щелочную реакцию с величиной рН немного ниже 8. При использовании в качестве индикатора фенолфталеина, изме- няющего окраску с розовой (рН 10) до бесцветной (рН 8), титро- ванием будут определяться Са(ОН)2, КОН и половина K2CO3. В этой области рН определяются соединения, которые играют важную роль в реакциях осаждения и разложения, протекающих в процессе очистки диффузионного сока.

Важно правильно выполнить титрование: медленное до-

бавление кислоты при энергичном перемешивании позволяет избежать оттитровывания части СаСО3. Для исключения воз- можного влияния СаСО3, содержащегося в соках I и II сатура- ции, щелочность в них определяют после отделения осадка.

При определении суммарной титруемой щелочности (Са(ОН)2, NaOH, КОН, СаСО3) применяют индикатор метило- вый оранжевый, изменяющий окраску с красной (рН 3,4) на желтую (рН 4,4). Этот индикатор применяют при анализе из- весткового молока и соков, содержащих СаСО3.

На титровании с применением двух индикаторов (фенол- фталеина и метилового оранжевого) основано определение в соках СаСО3 и количества извести, расходуемой на очистку.

При определении щелочности сульфитированного сока, сиропа, оттеков, клеровок, имеющих более низкий рН, чем сок II сатурации, применяют индикатор крезоловый красный с об- ластью перехода от красной окраски при рН 8,8 на желтую при рН 7,2. Он дает яркую смену окраски и его удобно использовать при анализе густых и темных продуктов.

При качественном определении щелочности мелассы, са- хара применяют индикатор бромтимоловый синий, изменяю- щий окраску с желтой (рН 8) на синюю (рН 9,6).

Активная щелочность является лишь частью общей ще- лочности. Она обусловлена концентрацией свободных ионов ОН-, содержащихся в растворе в данных условиях, и характери-

31

зуется величиной рН. Показатель рН характеризует концентра- цию (активность) ионов Н+ в растворе и численно равен отри- цательному десятичному логарифму концентрации Н+, выра- женной в моль/дм3. Связь между концентрацией ОН- и Н+ ионов позволяет использовать любую из этих величин.

Определение активной щелочности осуществляется по- тенциометрическим методом, основанным на измерении разно- сти электрических потенциалов двух различных электродов.

В связи с тем что состав продуктов сахарного производст- ва непостоянен, четкой зависимости между активной и титруе- мой щелочностью не существует. Величина активной щелочно- сти меньше или равна титруемой щелочности.

Потенциометрический метод основан на измерении ЭДС гальванического элемента, составленного из индикаторного электрода, потенциал которого зависит от концентрации Н+ ис- следуемого раствора (стеклянный), и электрода сравнения с ус- тойчивым известным потенциалом (хлорсеребряный).

Электрод сравнения не должен быть установлен ниже ра- бочего электрода во избежание удара о дно стакана. Обтирать поверхность стеклянного электрода нельзя.

Величину рН диффузионного сока, питательной воды для диффузии, соков преддефекованного, дефекованного, I и II са- турации, сульфитированного, сиропа, клеровки измеряют непо- средственно в отобранной пробе. При определении рН утфелей I, II, III кристаллизации и аффинационного, желтых сахаров и

мелассы пробу продукта предварительно разбавляют водой с рН 7 в соотношении 1:1, затем проводят измерение.

Величину рН продуктов определяют при температуре про- цесса, которая выше 20 °С. Известно, что значение рН растворов сахарного производства с повышением температуры уменьшает- ся. Это обусловлено степенью диссоциации воды, которая при нагревании увеличивается.

Необходимо знать, что качество и выход белого сахара за-

висят от правильности проведения процесса очистки |диффузионного сока, контролируемого путем определения по- казателей преддефекованного, дефекованного соков и сока I са- турации.

32

При добавлении к диффузионному соку небольшого коли- чества извести в процессе преддефекации происходит коагуля- ция высокомолекулярных соединений (ВМС) и веществ колло- идной дисперсности (ВКД). Максимум коагуляции наблюдается в интервале рН 10,8-11,2; щелочность 0,08-0,11 % СаО. Для дос-

тижения оптимальной реакции среды в зависимости от состава несахаров диффузионного сока и его буферности расходуют 0,2- 0,3 % СаО к массе свеклы. При рН ниже оптимального значения удаление несахаров будет неполным, при рН выше оптимально- го происходит частичное растворение осадка.

Повторная обработка сока известью называется основной дефекацией. В задачи основной дефекации входит разложение амидов кислот, солей аммония, редуцирующих веществ, омыле- ние жира, а также созданий избытка извести, необходимого для получения достаточного количества карбоната кальция на I са- турации. Целесообразно на дефекацию вводить известь в коли- честве 100 % к массе несахаров, при котором содержание извес- ти в соке составляет 1,0-1,8 % СаО на 100 см3 сока, а щелочность

- 0,8-1,1 % СаО.

Обработка дефекованного сока сатурационным газом (I са- турация) позволяет за счет образования осадка карбоната каль- ция провести физико-химическую очистку сока адсорбцией с последующим отделением осадка несахаров. Конечная щелоч- ность сока I сатурации 0,08 - 0,10 % СаО, рН 10,8-11,2.

Для правильного ведения процессов очистки важен кон- троль следующих показателей соков:

преддефекованный сок - скорость отстаивания, щелоч- ность фильтрованного сока, общее содержание извести;

дефекованный сок - общее содержание извести, щелоч- ность фильтрованного сока;

сок I сатурации - щелочность фильтрованного сока, рН, скорость отстаивания.

ПРАВИЛА ОТБОРА ПРОБ

Пробы преддефекованного сока отбирают 1 раз в час из крана на трубе, отводящей сок из переливной коробки предде-

33

фекатора. В них определяют общее содержание извести, а, по- сле фильтрования - щелочность. рН20 преддефекованного сока измеряют два раза в смену. При прогрессивной преддефекации для контроля рН20 сока производят отбор проб сока по секциям преддефекатора.

Дефекованный сок отбирают один раз в час из крана на трубопроводе между дефекатором и сатуратором. В отобран- ной пробе сразу же определяют щелочность и общее содержа- ние извести.

Сок I сатурации отбирают I раз в час из крана на трубо- проводе, по которому сок поступает ваппарат II сатурации. В часовой пробе coкa I сатурации определяют содержание сухих веществ, щелочность и прозрачность. Значение рН20 измеряют не менее двух раз в смену.

При затруднениях в работе отстойников проверяют ско- рость осаждения осадка сока I сатурации по средней пробе, со- бранной в течение получаса. При затрудненном фильтровании для сока I сатурации контролирует скорость фильтрования.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Массовая доля сухих веществ. Перед началом работы реф-

рактометры проверяют с помощью дистиллированной воды: ее показатель преломления равен 1,333.

Массовую долю сухих веществ в фильтрованном соке I сатурации определяют непосредственно рефрактометрами РПЛ-3 или УРЛ. Трижды снимают показания рефрактометра, а

за результат принимают среднеарифметическое значение трех показаний прибора.

рН соков преддефекованного и I сатурации определяют ла- бораторным иономером.

Щелочность соков. Применяют аналитический метод тит- рования 0,1 моль/дм3 раствором кислоты (HCl) или щелочи (NaOH), пользуясь в качестве индикатора раствором фенолфта- леина с массовой долей 1 %. Фенолфталеин дает весьма четкую окраску, и перемена окраски происходит еще в слабощелочной

34

среде (рН 8,5). При определении кислотности диффузионного и свекловичного соков обычно пользуются фильтровальной бума- гой, пропитанной раствором фенолфталеина и высушенной, так как эти соки окрашены и могут маскировать окраску прибав- ляемого к ним раствора фенолфталеина. Концом титрования считается момент, когда вокруг капли сока на фенолфталеиновой бумаге появляется розовая окраска.

Щелочность соков сахарного производства принято выра- жать условно в процентах оксида кальция (СаО), эквивалент- ных щелочности. Грамм-эквивалент СаО (40+16)/2=28 г. Следо- вательно, если титрование проводят раствором серной кислоты 0,1 моль/дм3, то 10 дм3 ее (или 10000 см3) будут соответствовать 1 г-экв СаО, или 28 г его, т. е. 1 см3 раствора кислоты соответст- вует 0,0028 г СаО. Гораздо удобнее для работы иметь такой рас- твор кислоты, чтобы 1 см3 его соответствовал 0,001 г CaO. Это будет не 0,1 моль/дм3 раствор, а раствор в 2,8 раза более слабый, т. е. 1/28 моль/дм3.

Если для титрования брать 10 см3 сока, то каждый см3 за- траченной при титровании кислоты (1/28 моль/дм3) будет соот- ветствовать щелочности СаО по объему; если же взять навеску массой 10 г продукта, то при титровании получили бы % СаО по массе. Вместо того чтобы готовить специальный титрованный

раствор кислоты 1/28 моль/дм3,

можно применять титрованный 0,1 моль/дм3 раствор кислоты, но пользоваться при титровании спе- циальной бюреткой Каппуса (рис. 6), деления которой по объему рав- ны 1/2,8 см3. Одно деление при ра- боте с 0,1 моль/дм3 раствора исло- ты будет соответствовать 0,001 г СаО, а при титровании 10 см3 - 0,01 % СаО (на 100 г).

Рис.6. Прибор Каппуса: 1 – сосуд для раствора кислоты; 2 – бю- ретка; фарфоровая чашка для титрования; 4 – резиновая груша; 5 – во-

ронка для фильтрования сока

35

В аппарате (рис. 6) имеется бюретка 2, каждое деление ко- торой по объему в 2,8 раза меньше деления обыкновенной бю- ретки, т.е. равно 1/2,8 см3. При титровании пробы сока, равной 10 см, одно деление бюретки Каппуса при использовании 0,1 моль/дм3 раствора кислоты будет соответствовать 0,01 % СаО на 100 см3 сока или 0,1 % СаО на 100 см3 при использовании 1 моль/дм3 кислоты.

10 см3 предварительно размешанного преддефекованного сока или 10 см3 профильтрованного сока I сатурации титруют 0,1 моль/дм3 раствором серной кислоты из аппарата Каппуса при индикаторе фенолфталеине до обесцвечивания.

Определение общего содержания извести. Отобранную пробу нефильтрованного преддефекованного или дефекованно- го сока тщательно перемешивают, отмеривают с помощью ци- линдра 10 см3 в фарфоровую чашку, добавляют избыток 1 моль/дм3 раствора серной кислоты из аппарата для определе- ния щелочности продуктов (25-40 делений) и 7-10 капель инди- катора метилового красного. Смесь титруют из аппарата для определения щелочности 1 моль/дм3 раствором гидроксида натрия до перехода окраски из красного цвета в желтый.

Скорость осаждения и объем осадка сока I сатурации оп-

ределяют для оценки размера частиц, влияющего на процессы фильтрования и отстаивания соков.

Определение скорости осаждения нефильтрованного сока. I сатурации проводят в стеклянном цилиндре диаметром 30 мм и высотой 350-400 мм с наклеенной полоской миллиметровой бумаги. Пробу нефильтрованного сока I сатурации хорошо пе- ремешивают, выливают в цилиндр до метки и включают секун- домер. Через 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 15, 20 и 25 мин отмечают и запи- сывают число делений, соответствующих границе раздела ос-

ветленного сока и осадка Полученные результаты наносят на график, откладывая на

оси ординат высоту слоя осадка (неосветленного сока), по оси абсцисс - время. На построенной кривой седиментации наблю- дается две стадии процесса: осаждение и сгущение осадка.

36

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Щелочность продуктов рассчитывают, умножая объем ки- слоты, затраченной на титрование, на коэффициент, зависящий от концентрации кислоты: при использовании раствора концен- трацией 0,1 моль/дм3 соляной кислоты применяется коэффици- ент 0,01; при концентрации 1 моль/дм3 соляной кислоты - 0,1.

Пример. На титрование 10 см3 фильтрованного сока I сату- рации раствором 0,1 моль/дм3 соляной кислоты, израсходовано 10 делений прибора. Щелочность при этом составит 10 × 0,01 = =0,10 (% СаО).

Общее содержание извести (% к объему сока) С=0,1(а - в), где а – объем 1 моль/дм3 раствора кислоты, добавленного к ана- лизируемой пробе (выражается числом делений бюретки);

в – объем 1 моль/дм3 раствора щелочи, пошедшего на титро- вание (выражается числом деления бюретки).

Седиментационные свойства оценивают по средней скоро- сти осаждения. Объем осадка рассчитывают через 25 мин.

При оперативном заводском контроле ограничиваются расчетом скорости осаждения за первые 5 мин, обозначая ее со-

ответственно S5: S5= Hосв.сока/5.

Оптимальные параметры преддефекованного сока: рН 10,8-11,6; щелочность 0,08-0,11 % СаО к массе свеклы; рас- ход извести 0,2-0,3 % СаО массы свеклы. При рН ниже опти- мального значения удаление несахаров будет неполным, при рН выше оптимального происходит частичное растворение осадка.

При нормальной работе сокоочистительного отделения скорость осаждения составляет 2-2,5 см/мин.

Оптимальные параметры дефекованного сока: рH 11,8- 12,5; щелочность 0,8-1,0 % СаО к массе свеклы, расход извести 2,0-3,0 % СаО массы свеклы. При рН ниже оптимального значе- ния удаление несахаров будет неполным, при рН выше опти- мального затрудняется фильтрация сока I сатурации.

Оптимальные параметры сока I сатурации: рН 10,8-11,2; щелочность 0,08-0,10 % СаО к массе свеклы. При рН выше оп- тимального значения цветность сока минимальная, но затруднен процесс фильтрования, при рН ниже оптимального - происходит

37

пептизация адсорбированного осадка, что увеличивает цвет- ность сока, но значительно улучшается процесс фильтрации.

При нормальной работе сокоочистительного отделения ско- рость осаждения составляет 2,5-5 см/мин; объем осадка 15-20 %.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1.Каковы параметры оптимального технологического ре- жима на преддефекации?

2.Каковы химические реакции и параметры сока на ос- новной дефекации?

3.Каковы оптимальные показатели сока I сатурации?

4.Каковы устройство и назначение прибора Каппуса?

5.Какова методика определения щелочности в соках са- харного производства?

6.Какова методика определения общего содержания из- вести в соках?

7.Как определяют седиментационные показатели сока?

8.Какие индикаторы используют для определения щелоч- ности соков?

9.Что такое активная щелочность и как определяется?

10.Что такое титруемая щелочность?

11.Как проводится пересчет делений обычной бюретки на бюретку прибора Каппуса?

Лабораторная работа № 5.

АНАЛИЗ СОКА II САТУРАЦИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: оценить качество сока II сатурации по чистоте, цветности, массовой доле кальциевых солей, щелочно- сти и рН20 в сравнении с нормативами.

ПРИБОРЫ, ПОСУДА, РЕАКТИВЫ

Весы технические. Сахариметр.

Трубки поляриметрические длиной 200 и 400 мм.

38

Рефрактометр.

Колориметр или фотоэлектроколориметр. Нейзильберовая чашка.

Прибор Каппуса. Иономер. Мерный цилиндр.

Колба мерная вместимостью 100 см3. Коническая колба вместимостью 250 см3. Воронка.

Баня для термостатирования с термометром. Уксусная кислота 1:1.

Фенолфталеин.

Раствор уксуснокислого свинца. Аммиачный буферный раствор. Раствор Трилона Б 0,0357 моль/дм3.

Раствор сульфата магния 0,0357 моль/дм3. Индикатор кислотный хром темно-синий. Вода дистиллировавшая.

Бумага фильтровальная.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Задача II сатурации - перевести оставшиеся после I сатура- ции свободные гидроксиды кальция, калия и натрия в карбонаты, а также вывести в осадок растворимые соли кальция. Неполное удаление из сока гидроксидов кальция и магния, солей кальция приводит к быстрому образованию накипи на поверхностях теп-

лообмена выпарной установки и к увеличению потерь сахарозы в мелассе. Цель II сатурации - достижение оптимальной (эффек- тивной) щелочности, когда все ионы бикарбоната переходят в карбонаты и содержание солей кальция в соке минимально (тит- руемая щелочность примерно 0,02 % СаО или рН 9,2...9,5).

Массовая доля солей кальция в очищенном соке зависит от химического состава диффузионного сока и технологии его очи- стки. Соки с содержанием кальциевых солей 0,02 - 0,04 г СаО на

39

100 г СВ считаются хорошими; 0,05 - 0,07 г на 100 г СВ – удов- летворительными. В очищенном соке, полученном из свеклы низкого качества, массовая доля солей кальция достигает 1 г СаО на 100 г СВ и более.

Основное количество солей кальция образуется в процессе дефекосатурационной очистки диффузионного сока в результате взаимодействия извести с анионами кислот. Основными источ- никами анионов кислот, влияющих на накопление солей каль- ция, является сахарная свекла, в клеточном соке которой содер- жится 0,5 % органических кислот и 0,2 % аминокислот. Качест- венный и количественный состав кислот зависит от многих фак- торов, в том числе от сорта свеклы и условий ее хранения, пита-

тельной воды для диффузии и микробиологических процессов в диффузионной установке, реакций разложения редуцирующих веществ, гидролиза белка и пектинов в процессе очистки и дру- гих факторов.

Кальциевые соли сока II сатурации с технологической точки зрения разделяют на два вида:

– соли временной жесткости, связанные в форме карбона- тов, дающие пересыщенный раствор и способные выкристалли-

зоваться при перемешивании и кипячении на готовом осадке

CaCО3;

– соли постоянной жесткости, которые не выпадают в оса- док при кипячении и не сорбируются углекислым кальцием.

Отдельные труднорастворимые кальциевые соли в процес-

се выпаривания очищенного сока осаждаются на поверхностях теплообмена выпарных и других теплообменных аппаратов, снижают производительность технологического оборудования,

ухудшают работу кристаллизационного отделения и повышают потери сахарозы в мелассе, поэтому необходима эффективная очистка сока от сопутствующих солей кальция.

Термин «соли кальция» в сахарном производстве пред- ставляет собой упрощенное понятие, которое не всегда опреде- ляют с достаточной точностью. Термин этот относится к соеди- нениям кальция, растворенным в пробе и, следовательно, не только к солям, но и к неионизированным комплексам кальция. Как правило, результат анализа включает и гидроксид кальция,

40