Основы технологии отрасли. Лабораторный практикум. Учебное пособие

рию (лат. color - цвет, греч. ( μετρον - измеряю) делят на визу-

альную и фотоэлектрическую.

Колориметрия - физико-химический метод, в основе кото- рого лежит определение интенсивности окраски раствора (его цвета).

Так как при сравнении окраски раствора с окраской стекла один из стаканчиков колориметра оказывается ненужным, то

был конструирован для сахарной промышленности специальный колориметр КСМ (рис. 7) с одной большой металлической кюве-

Рис. 7. - Колориметр КСМ: 1 - кювета, 2 - подвижная трубка, 3 - револьверная головка со стандартными стеклами, 4 - погружаемая трубка, 5 - экран отражателя, 6 - головка окуляра

Внутрь стакана с раствором опускают трубку, закрытую снизу стеклянным дном. При движении трубки изменяется тол-

щина слоя раствора между стеклянным дном стакана и нижним стеклом погружаемой трубки 3. Для удобства смены стекол ко- лориметр снабжен револьверной головкой 4 с комплектом цвет- ных стекол (нормальные стекла 1; 0,5 и 0,25). Смена стекол вы- полняется поворотом головки. Номер стекла, установленного над трубкой 2, можно видеть в окошке на верхней части головки.

Для освещения применяется лампа дневного света. Приме- нение обычных ламп накаливания нежелательно, так как они излучают желтый свет. Свет, излучаемый лампой дневного све- та, отражается от белого матового экрана 5 и направляется двумя потоками: в стакан с раствором и в трубку с окрашенным нор- мальным стеклом. Далее свет отражается системой призм и на-

51

правляется в окуляр 6. Наблюдатель видит поле зрения, разде- ленное на две половины. Изменяя высоту столба раствора в ста- кане, добиваются одинаковой освещенности обеих половинок поля зрения. Отсчет на шкале прибора показывает толщину слоя раствора в миллиметрах, при которой окрашенность обеих поло- винок поля зрения одинакова.

За единицу цветности принимают цветность такого рас- твора, который при высоте столба 100 мм пропускает свет такой же интенсивности, как и нормальное стекло. Считают, что такой раствор имеет цветность, равную одной условной единице (1 усл. ед.). Если какой-нибудь окрашенный сахарный раствор разбавить, например, в 2 раза, то цветность его станет, конечно, в 2 раза меньше. Если из раствора выпарить воду (под разреже- нием при низкой температуре), чтобы его объем стал в 2 раза меньше, то цветность вследствие сгущения станет в 2 раза больше, хотя никаких новых окрашенных веществ не образова- лось. Следовательно, простое определение цветности раствора не дает представления о количестве окрашенных веществ по от- ношению к сухим веществам раствора. Поэтому цветность пере- считывают на какую-то всегда одинаковую концентрацию рас- твора. За такую концентрацию принято считать 100 г сухих ве- ществ в 100 см3.

Точность измерения цветности колориметром КСМ не- большая, погрешность составляет 10 %.

В отличие от визуальной колориметрии фотоэлектроколо- риметрия является более объективной. Если глаз человека спо- собен различать окраски, разнящиеся друг от друга по интенсив- ности более чем на 2 %, то фотоэлемент - менее чем на 0,01 %.

Рассчитанная величина цветности имеет лишь условное значение, поскольку изменчивость конфигурации спектра кра- сящих веществ приводит к тому, что фактическое определение с помощью колориметра Штаммера может датать результат, от- личный от значения цветности, полученного при пересчете оп- тической плотности.

Фотоэлектроколориметрическим методом определяют степень поглощения веществом сравнительно широкого участка спектра, выделенного светофильтрами. Интенсивность световых

52

потоков фиксируют с помощью фотоэлементов, в которых воз- буждается фототок, регистрируемый гальванометром.

Для измерения коэффициента светопропускания (оптиче- ской плотности) в лаборатории широко применяют фотоэлек- троколориметры КФК-2 (рис. 8).

Рис. 8. Колориметр фотоэлектриче- ский концентрационный КФК-2: 1- регистрирующий прибор; 2 – осве- титель; 3 – ручка переключения све- тофильтров; 4 – ручка кюветодержа- теля; 5 – переключатель чувстви- тельности прибора; 6 – ручка «грубой настройки»

При проведении определе-

ний необходимо соблюдать следующую последовательность в работе: после включения прибор прогреть 15 мин, в световой поток поместить кювету с растворителем или контрольным рас- твором, по отношению к которому проводятся измерения, за- крыть ручку кюветного отделения; ручками «чувствительность», «грубо» и «точно» установить отсчет 100 по шкале колориметра: при этом ручка «чувствительность» может находиться в поло- жениях 1, 2 или 3. Поворотом ручки кюветодержателя 4 заме-

нить кювету с растворителем кюветой с исследуемым раствором и снять отсчет по шкале колориметра. Измерение следует про- водить 3-5 раз, и окончательное значение измеренной величины определяется как среднее арифметическое из полученных зна- чений.

Частой причиной ошибок при измерении цветности явля- ется наличие взвеси в исследуемом растворе или в воде, нахо- дящейся в кювете сравнения. Фильтрование через фильтроваль- ную бумагу оказывается безрезультатным, если в фильтрат по- падают волокна бумаги, отрывающиеся при ее сгибе. В послед-

нее время с успехом применяют для фильтрования пористые фильтры. ICUMSA рекомендует размеры пор 0,45 мкм. При

проведении фильтрования первые порции фильтрата следует отбрасывать.

53

Фильтрованию можно подвергать и теплые растворы, при условии, что их температура не превышает 60 °С, поскольку при

более высоких температурах по истечении некоторого времени может увеличиться цветность. Само измерение проводят при комнатной температуре в пределах 15 - 25 °С.

ПРАВИЛА ОТБОРА ПРОБ

Пробы сиропа отбирают каждый час из краника на трубо- проводе, подающего сироп на сульфитацию. Пробы смеси сиро- па с клеровкой после сульфитации отбирают через час из проб- ных краников на сборниках сиропа перед вакуум-аппаратам. В

часовых пробах определяют массовую долю сухих веществ и щелочность. Не менее двух раз в смену измеряют значение рН. Для составления средней пробы за смену по 50 см3 сиропа из ежечасных проб сливают в банку с крышкой.

В средней пробе за смену определяют массовую долю сухих веществ и сахарозы, цветность и массовую долю каль- циевых солей.

Качество сиропа исследуют для контроля работы выпар- ной станции (степень сгущения сока, т.е. сухие вещества сиро- па) и химических процессов при сгущении (изменение щелоч- ности, цветности, содержания солей кальция, чистоты).

Смесь сиропа с клеровкой анализируют для определения качества продуктов, поступающих на уваривание утфеля I кри- сталлизации.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Определение массовой доли сухих веществ в сиропе осу-

ществляют непосредственным рефрактометрированием при температуре 20 °С.

Определение массовой доли сахарозы. Нормальную навес-

ку сиропа массой 26 г взвешивают в нейзильберовой чашке и количественно переводят в мерную колбу вместимостью 100 см3. Добавляют 1 каплю фенолфталеина и разбавленной 1:1 ук- сусной кислоты по каплям до исчезновения розовой окраски.

54

После этого приливают 1-2 см3 раствора уксуснокислого свин- ца, убирают пену с помощью смеси спирт+эфир, доводят со- держимое колбы почти до метки, термостатируют при темпера- туре 20 °С в течение 15-20 мин, доводят содержимое колбы до метки, перемешивают, фильтруют и поляриметрируют в трубке длиной 200 мм, снимая 3-5 раз показания прибора. Средне-

арифметическое показание сахариметра соответствует массовой доле сахарозы в сиропе в процентах к его массе.

рН сиропа определяют рН-метром при температуре 20 °С.

Щелочность сиропа определяют в присутствии индикатора крезолового красного: в интервале рН 7,2-8,7 наблюдается пере- ход желтой окраски в красную.

Разбавляют 10 г сиропа в фарфоровой чашке нейтральной по крезоловому красному водой для получения светлого раство- ра. Прибавляют несколько капель раствора крезолового красного и прибором Каппуса титруют 0,1 моль/дм3 раствором серной Ки- слоты до исчезновения окраски. Количество делений бюретки Каппуса умножают на 0,01, получают щелочность сиропа в про- центах СаО по его массе.

Определение солей кальция комплексометрическим мето-

дом. Навеску сиропа массой 2-5 г переводят в коническую колбу вместимостью 250-300 см3, добавляют 100 см3 дистиллирован- ной воды, 5 см3 аммиачного буферного раствора, 10-15 см3 1/28 моль/дм3 раствора трилона Б, 7-8 капель индикатора ки- слотного хром темно-синего. Избыток раствора трилона Б от- титровывают 1/28 моль/дм3 раствором сернокислого магния. Па- раллельно проводят определение в 100 см3 дистиллированной воды.

Определение цветности. Отмеривают 50 см3 сиропа тем- пературой 20 °С, переводят в мерную колбу вместимостью 200 см3, доливают дистиллированной водой при 20 °С до метки, фильтруют и определяют показание прибора КСМ с использова- нием нормального или 0,5 нормального стекла. Определяют в этом же растворе массовую долю сухих веществ рефрактомет- ром.

Цветность в единицах оптической плотности определяют на приборе КФК-2. Сироп разбавляют горячей дистиллирован-

55

ной водой до массовой доли сухих веществ (15,0 ± 0,5) % по рефрактометру и фильтруют. Полученный фильтрат доводят до рН 7,0 ± 0,2 при помощи 0,1 моль/дм3 растворов NaOH или НС1. Длину кюветы выбирают с расчетом, чтобы показания по шкале прибора находились в пределах 10-90 % светопропускания.

Оптическую плотность испытуемого сиропа измеряют при длине волны 560 нм. В качестве эталона используют свежую дистиллированную воду.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

По массовой доле сухих веществ и сахарозы рассчиты- вают чистоту сиропа. Чистота сиропа должна быть на 0,1-0,2 % выше чистоты очищенного сока.

Щелочность продуктов рассчитывают, умножая объем ки- слоты, затраченной на титрование, на коэффициент, зависящий от концентрации используемой кислоты.

Цветность с использованием колориметра КСМ рассчиты- вают по формуле (1).

Цветность с использованием фотоэлектроколориметра КФК-2 рассчитывают по формуле (2).

Для перевода цветности из единиц оптической плотности в условные единицы, значение цветности в единицах оптической плотности необходимо разделить на коэффициент 20.

Массовую долю солей Са2+ и Mg2+ в пересчете на СаО в процентах к массе продукта методом обратного титрования вы- числяют по формуле (3).

В соответствии с «Инструкцией по ведению технологиче- ского режима» сироп хорошего качества должен характеризо- ваться следующими показателями: чистота 90-92 %, цветность не более 40 усл. ед. или не более 800 единиц оптической плот- ности, массовая доля солей кальция 0,12-0,5 % СаО, массовая доля сухих веществ 60-65 % к массе сиропа, щелочность 0,008- 0,015 % СаО, рН20 7,8-8,2. Чистота сиропа должна быть на 0,1- 0,2 % выше чистоты очищенного сока.

56

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1.Какие химические процессы протекают в выпарной ус-

тановке?

2.В чем заключается принцип многократного использова- ния пара?

3.Как влияет проведение очистки сока на станции дефеко- сатурации на качество сиропа?

4.Каково устройство колориметра КСМ?

5.Каковы устройство и принцип работы фотоэлектроко- лориметра КФК-2?

6.Как изменяется щелочность при выпаривании в продук- тах сахарного производства?

7.На каких законах основана работа приборов для опреде- ления цветности продуктов?

8.Какова методика определения цветности с помощью прибора КСМ?

9.Как определяется цветность с помощью прибора КФК-2?

10.Какова методика определения щелочности в сиропе?

11.Как можно определить массовую долю солей кальция в

сиропе?

12.Какова методика определения массовой доли сахарозы

всиропе?

Лабораторная работа № 7.

АНАЛИЗ УТФЕЛЯ И МЕЖКРИСТАЛЬНОГО РАСТВОРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: освоить методики анализа утфеля I кри- сталлизации и его оттека; рассчитать массовую долю кристаллов сахарозы в утфеле.

ПРИБОРЫ, ПОСУДА, РЕАКТИВЫ

Сахариметр. Рефрактометр.

57

рН-метр.

Стартовый раствор индикатора бромтимолового синего массовой долей 0,05 % в 20 % этаноле.

Раствор уксуснокислого свинца. Металлические сосуды для разбавления 1:1. Чашка фарфоровая диаметром 100 мм.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Утфель представляет собой смесь кристаллов сахара и межкристального раствора. Утфель I кристаллизации следует уваривать до массовой доли кристаллов сахара не более 55-60 %.

При повышении этого предела утфельная масса становится чрезвычайно вязкой и малоподвижной, спуск утфеля из вакуум- аппарата затрудняется, ухудшается работа утфелемешалки (вплоть до ее поломки) и становится невозможным процесс цен- трифугирования утфеля.

Анализ утфеля I кристаллизации выполняют для контроля процесса уваривания и расчета выхода кристаллического сахара.

Утфель 1 кристаллизации хорошего качества характеризу- ется чистотой 93-93 %. Для анализа процесса уваривания утфеля необходимо сравнивать чистоту утфеля I кристаллизации и про- дуктов, поступающих на его уваривание (сироп с клеровкой).

При трехкристаллизационной схеме продуктового отделения разность между чистотой сиропа с клеровкой и утфеля I кри-

сталлизации не должна превышать несколько десятых долей процента. Большая разница свидетельствует о значительном

разложении сахарозы в процессе уваривания и необходимости изменения технологического режима.

При наличии твердой фазы невозможно использование рефрактометрического метода. Поэтому для получения жидкого раствора используется метод разбавления 1:1, который основан на растворении кристаллов сахара при разбавлении утфеля с во- дой в соотношении 1:1.

Следует помнить, что рефрактометр показывает массовую долю сухих веществ только в растворенном виде. При проведе- нии анализа утфеля используют метод разбавления 1:1. Для это-

58

го метода ВНИИСП разработан сосуд для разбавления 1:1. Он состоит из двух цилиндров, один из которых (меньший) припаян к внутренней стороне крышки большего сосуда. Больший ци- линдр закрывается крышкой так, чтобы меньший сосуд был внутри. Крышка плотно закрепляется скобой с винтом. Для уп- лотнения крышка имеет резиновую прокладку. Масса наружного цилиндрического сосуда приблизительно равна массе внутрен- него цилиндра с крышкой.

Перед выполнением анализа один сосуд помещают на од- ну чашку технических весов, а второй сосуд - на другую и точно уравновешивают их.

Во внутренний меньший цилиндр помещают около 50 г продукта, а во второй наливают столько дистиллированной во- ды, чтобы уравновесить массу продукта, т. е. массы продукта и воды должны быть равными.

Малый цилиндр быстро опрокидывают во второй цилиндр и крышку плотно закрывают. Герметически закрытый сосуд по- мещают на водяную баню с температурой 60-70 °С и взбалты- вают до полного растворения продукта. К прибору прилагается специальный грузик для перемешивания содержимого в сосуде.

Прибор удобен тем, что растворение можно выполнять при нагревании, что ускоряет его. После полного растворения продукта сосуд охлаждают холодной водой и только тогда от- рывают крышку: это предотвращает испарение горячей воды из продукта.

ПРАВИЛА ОТБОРА ПРОБ

Пробу угфеля массой 1 кг отбирают из-под шибера в мо- мент, когда из вакуум-аппарата спущена половина сваренного утфеля. Отбор проб производят через один вакуум-аппарат, но не менее 3 раз в смену.

Часть пробы анализируют, другую используют для полу- чения межкристального раствора. В пробах утфеля и межкри-

59

стального раствора определяют массовую долю сухих веществ и сахарозы, рН и реакцию утфеля.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Массовую долю сухих веществ в утфеле I кристаллизации или его первом оттеке определяют с использованием металличе- ских сосудов для разбавления водой в соотношении 1:1. Внут- ренний и внешний сосуды уравновешивают техническими веса- ми. Во внутренний сосуд помещают 50,0 г утфеля или межкри- стального раствора и уравновешивают дистиллированной водой, которую приливают во внешний сосуд. Внутренний сосуд по- мещают во внешний, герметично закрывают и выдерживают при температуре 80 °С 45-60 мин для растворения кристаллов. Пе- риодически содержимое сосуда перемешивают вращением в го- ризонтальной плоскости.

Сосуд охлаждают, термостатируют 20 мин при температуре 20 °С, раствор рефрактометрируют. Массовую долю сухих ве- ществ определяют умножением показания рефрактометра на 2.

Для определения массовой доли сахарозы в мерную колбу вместимостью 100 см3 переносят разбавленные 1:1 52 г утфеля или 26 г первого оттека, добавляют 2-4 см3 раствора свинцового уксуса, для удаления пены прибавляют 2-3 капли смеси спирт+эфир, доливают до метки дистиллированной водой тем- пературой 20 °С, фильтруют и поляриметрируют в трубке дли- ной 200 мм, снимая 3-5 показаний прибора. Массовая доля саха-

розы в утфеле соответствует среднеарифметическому показанию сахариметра, в первом оттеке - среднеарифметическому удвоен- ному значению.

рН утфеля определяют рН-метром, предварительно раз- бавляя утфель в соотношении 1:1 дистиллированной водой, имеющей рН70 7,0.

Реакцию утфеля определяют индикатором бромтимоло- вый синий, изменение окраски которого характеризуется рН: 6,0

–желтая, 7,6 – синяя.

Вфарфоровую чашку диаметром 100 мм вносят 3,0 г ут- феля, разбавляют 50 см3 дистиллированной воды, нейтральной

60