Методы интенсификации технологических процессов свеклосахарного производства. Лабораторный практикум. Учебное пособие

ду их подсистемами по данным и управлению, абстрагируясь от конкретных механизмов образования этих связей. Указанные аспекты делают использование методологии SADT в качестве универсального подхода к моделированию информационных и технологических систем вполне полезным и обоснованным.

Порядок выполнения работы

Наиболее важный этап процесса разработки модели состоит в выборе структуры рассматриваемой системы. Представляется целесообразным, особенно для систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных подсистем, вначале наметить основные подсистемы и установить главные взаимосвязи между ними, а затем переходить к детальному моделированию механизмов функционирования различных подсистем.

Для этого, следуя концепции SADT, проводим декомпозицию технологических процессов свеклосахарного производства и представляем их в виде функциональной SA-диаграммы (рис. 2). Причем следует отметить, что для описания такой сложной системы как, например, процесс производства сахара из сахарной свеклы, следует использовать с математической точки зрения более абстрактное и менее структурированное описание.

На этом уровне можно решать многие структурные вопросы, например, проблему декомпозиции, координации и другие. Однако упрощения следует достигать не за счет решения не рассматривать некоторые переменные, а за счет отказа от деталей, которые мы считаем несущественными.

Из всех параметров, характеризующих технологический процесс, будут использованы только показатели исходных продуктов производства, полупродуктов, получаемых на промежуточных этапах и выходных продуктов. Сознательно опускаются параметры настройки технологического оборудования и средств автоматизации, считая, что их влияние на рассматриваемый процесс носит постоянный характер и не изменяется в процессе технологического цикла. Также не рассматриваются параметры управляющих воздействий на технологический процесс, предпо-

11

лагая, что они полностью соответствуют правилам и нормам, принятым в свеклосахарном производстве.

На рис. 2 приведена структурная схема технологических процессов свеклосахарного производства, характеризующая общий ход функционирования системы. Она не подходит для подробного анализа, поэтому необходимо провести последовательную декомпозицию по каждому из ее блоков с целью выявления параметров, характеризующих рассматриваемый технологический процесс на всех его этапах.

Рис. 2 SA-диаграмма «Технологический процесс свеклосахарного производства»

В результате декомпозиции блока «Получить диффузионный сок» SA-диаграммы, представленной на рисунке 2, необходимо построить SA-диаграмму, отражающую процессы получения диффузионного сока из сахарной свеклы и связи между ними. На этой диаграмме нужно указать наиболее значащие параметры рассматриваемого технологического процесса, оказывающие существенное влияние на эффективность функционирования технологической системы.

Вопросы для самоподготовки

1.В чем различие физического и статистического моделирования?

12

2.На чем основано построение статистических моделей?

3.Какие задачи позволяют решать статистические модели?

4.Что характеризуют блоки и дуги в SA-диаграммах?

5.В чем заключается методология SADT?

6.Каковы основные этапы построения SA-диаграмм?

7.Как провести анализ технологического участка с применением SA-диаграмм?

Лабораторная работа № 2.

Выбор рационального способа подготовки свекловичной стружки к экстрагированию

Цель работы: изучить способы подготовки свекловичной стружки к извлечению сахарозы. Освоить методики выбора рациональных условий обработки стружки перед экстрагированием.

Теоретические сведения

По классической схеме диффузионный процесс осуществляют противоточным способом в аппаратах наклонного типа в течение 60-65 мин при поддержании температуры 70-72 °С. Такое значение температуры необходимо для денатурации молекул белка, а также разрушения протоплазмы клеток свекловичной ткани. В результате происходит высвобождение молекул сахарозы из стружки в экстрагент. Конечным продуктом диффузионного процесса является диффузионный сок.

На большинстве сахарных заводов экстрагирование осуществляют в наклонных диффузионных аппаратах. Их достоинством является возможность подогревания стружки непосредственно в аппарате. Проведение диффузионного процесса в аппаратах такой конструкции сопровождается рядом проблем: неравномерный обогрев сокостружечной смеси по длине аппарата, что приводит к снижению степени извлечения сахарозы из стружки, а также интенсивное развитие микроорганизмов внутри аппарата. Как следствие увеличиваются потери сахарозы на станции экстрагирования, расход пара на достижение заданной температуры, продолжительность процесса.

13

Одной из главных задач отраслевого развития свеклосахарного подкомплекса России является уменьшение энергопотребления за счёт комплексной переработки сырья с использованием современных технологий. Современным решением большинства проблем, описанных выше, является предварительная подготовка свекловичной стружки перед процессом экстрагирования. Важнейшим элементом подготовки стружки следует считать обработку ее реагентами, переводящими основной компонент клеточной стенки – пектин - в нерастворимое состояние. В одних случаях – это сернокислый глинозем, суперфосфат, гипс, в других – полупродукты сахарного производства.

Научно доказано, что применение данного технологического приема позволяет:

-снизить величину потерь сахарозы на станции экстрагиро-

вания;

-удерживать коллоиды и высокомолекулярные соединения

всвекловичной стружке;

-уменьшить переход несахаров из свекловичной стружки в диффузионный сок;

-повысить качественные показатели соков сахарного производства, в том числе чистоту очищенного сока;

-уменьшить энергетические затраты на прессование и сушку жома.

Задачами данного исследования являются: выбор реагентов для обработки стружки, определение их оптимальной концентрации; выбор оптимальной температуры и продолжительности ошпаривания свекловичной стружки; изучение влияния обработки стружки на качественные показатели диффузионного и очищенного соков.

Порядок выполнения работы

Предлагаемая схема диффузионного процесса отличается от классической тем, что непосредственно перед экстрагированием проводится обработка свекловичной стружки специально подготовленными растворами с определенной концентрацией активного вещества. Опытным путем уставлено, что данный способ

14

подготовки стружки к диффузионному процессу позволяет уменьшить переход несахаров из свекловичной стружки в диффузионный сок, а также повысить его качественные показатели. Особенностью данного мероприятия является то, что ошпаривание стружки позволяет подогреть ее до оптимальной температуры диффузионного процесса – 70 °С. В аппарат поступает уже нагретая стружка, благодаря чему сокращается расход греющего пара, направляемого на станцию экстрагирования, а значит, уменьшается расход топлива, затрачиваемого на получение греющего пара. Следовательно, предлагаемый способ подготовки свекловичной стружки является эффективным с технологической точки зрения и позиций ресурсосбережения.

1. Выбор реагентов для обработки свекловичной стружки При экстрагировании сахарозы с применением предвари-

тельного ошпаривания свекловичной стружки необходимо выбрать наиболее эффективный реагент для приготовления рабочего раствора. Правильно подобранный реагент позволяет оптимизировать протекание диффузионного процесса и получить диффузионный сок с высокими качественными показателями.

В качестве реагентов для обработки стружки рассматриваются водные растворы сульфатов аммония (NH4)2SO4, алюминия Al2(SO4)3 и кальция СаSO4. В качестве варианта сравнения используется классический способ проведения диффузионного процесса.

Проводится ошпаривание стружки паром в течение 60 с, затем растворы реагентов массовой долей 0,1 % в количестве 10 % к массе стружки при температуре 70 °С добавляют в свекловичную стружку, выдерживают 60 с. В качестве экстрагента используют дистиллированную воду, которую затем добавляют к обработанной стружке в количестве 90 % при температуре 70 оС. Диффузию проводят при температуре 70 °С в течение 60 мин при интенсивном перемешивании.

После экстрагирования сокостружечную смесь охлаждают и отделяют диффузионный сок, термостатируют его при температуре 20 оС, определяют качественные показатели полученного сока (табл. 1)

15

Таблица 1.

Качественные показатели диффузионного сока в зависимости от применяемых реагентов

По результатам исследования делают заключение о целесообразности применения конкретного реагента.

Для выбора оптимальной концентрации реагента готовят растворы реагента различной концентрации, подогревают их до температуры 70 оС и используют для предварительной обработки стружки, добавляя в количестве 10 % к массе стружки, выдерживают 30 с. Далее к образцам добавляют экстрагент при температуре 70 оС в количестве 90 % по массе, проводят диффузию в течение 60 мин при перемешивании. Образцы охлаждают, отделяют диффузионный сок и термостатируют его при температуре 20 оС и определяют качественные показатели полученного диффузионного сока (табл .2).

После диффузии проводят преддефекацию диффузионного сока при температуре 55-60 оС продолжительностью 15 мин с добавлением суспензии сока I сатурации и известкового молока до значений рН сока 11,0-11,6. Далее последовательно проводят тепло-горячую основную дефекацию и обрабатывают сок сатурационным газом при температуре 90 °С до рН 11,0-11,2 фильтру-

16

ют. Фильтрат нагревают до температуры 95 оС, вводят 0,3 % СаО в виде известкового молока, сатурируют до рН 9,0-9,2, фильтруют. В полученном соке II сатурации определяют качественные показатели (табл. 3).

Таблица 3.

Качественные показатели очищенного сока в зависимости от концентрации реагента

По результатам исследования делают вывод об оптимальной концентрации реагента для обработки свекловичной стружки перед экстрагированием.

Аналогичным способом выбирают количество реагента для обработки стружки (табл. 4).

Таблица 4.

Качественные показатели диффузионного и очищенного соков при различном расходе реагента

17

По результатам исследования делают вывод об оптимальном количестве реагента для обработки свекловичной стружки перед экстрагированием.

Общий вывод формулируется путем обобщения всех полученных результатов.

Вопросы для самоподготовки

1.Чем обусловлена необходимость предварительной обработки стружки перед экстрагированием?

2.Какие известны способы обработки стружки перед экстрагированием?

3.Какие реагенты целесообразно использовать для обработки стружки?

4.В чем состоит механизм воздействия данных реагентов?

5.В чем заключается технологический эффект предварительной обработки стружки?

Лабораторная работа № 3.

Выбор оптимального режима экстрагирования сахарозы из свеклы

Цель работы: освоить методику определения коэффициента диффузии сахарозы из свекловичной ткани. Установить влияние параметров процесса экстрагирования на коэффициент диффузии сахарозы.

Теоретические сведения

Одним из важнейших параметров, определяющих полноту извлечения сахарозы из свеклы в процессе экстрагирования и качество получаемого экстрагента – диффузионного сока, является коэффициент молекулярной диффузии, характеризующий способность свекловичной ткани проводить диффундирующую сквозь нее сахарозу.

На эффективность процесса экстрагирования сахарозы из свеклы особенно существенное влияние оказывают структура и

18

состояние свекловичной ткани, температура и длительность ее воздействия, характер взаимодействия фаз, соотношение расхода масс экстрагента и стружки (откачка), условия массоотдачи от поверхности частиц экстрагенту, которые в свою очередь зависят от формы и размеров стружки, ее упругости и конструктивных особенностей аппарата.

Структура и состояние свекловичной ткани оказывают влияние на диффузию из нее сахарозы лишь до тех пор, пока ткань не будет денатурирована.

Свекловичный корень состоит главным образом из паренхимной ткани (до 75 %), клетки которой содержат практически весь сахарный раствор. В нативном виде клетки не проницаемы для сахарозы, так как мешают естественные барьеры: клеточная оболочка, липопротеидная мембрана, прилегающая к оболочке клетки, цитоплазма, мембраны, окружающие многочисленные структурные части, включенные в цитоплазму, и др.

Основное сопротивление проникновению вещества в клетку

иизвлечению сахарозы создают мембраны, окружающие цитоплазму и включенные в нее органеллы. Из–за наличия этих барьеров скорость диффузии веществ в живой растительной ткани на несколько порядков ниже, чем в чистых жидкостях.

Мембраны и цитоплазма состоят из белков. Диффузионное сопротивление моно- и полимолекулярных мембран играет существенную роль только до тех пор, пока не денатурированы белки. После этого основным барьером на пути переноса вещества в растительной ткани остается оболочка клетки.

Структурную основу оболочек растительных клеток, определяющую прочность, упругость и эластичность растительной ткани, составляет целлюлоза, или клетчатка, инкрустированная пектинами, низкомолекулярными фракциями целлюлозы и другими высшими полисахаридами.

Целлюлоза представляет собой природный полимер с линейными жесткими макромолекулами, отличающимися большой длинной цепью с молекулярной массой до нескольких миллионов

изначительной энергией взаимодействия между цепями. Отдельные макромолекулы целлюлозы, расположенные более или менее параллельно, ассоциируются в длинные пучки, получившие

19

название пачек.

На проницаемость клеточной оболочки значительное влияние оказывают гидрофильность коллоидов, входящих в состав стенок клеток, и дегидратирующее действие растворов, диффундирующих через клеточные мембраны. Повышение температуры и концентрации сахарных растворов способствует более сильному обезвоживанию гидрофильных коллоидов, а извлечение из оболочек клеток ряда гидрофильных веществ: пектинов, низкомолекулярных фракций целлюлозы, пентозанов, ведет к падению гидрофильности всей системы и понижению проницаемости клеточной стенки.

Определенная степень денатурации белков протоплазмы достигается уже при изрезывании свеклы в стружку. При этом необратимо разрушается 5–10 % клеток, что позволяет извлечь до 40 % сахарозы, вымывая ее водой температурой 20 ºС. Такое количество извлекаемой сахарозы свидетельствует о том, что кроме механически поврежденных клеток с разорванной плазматической оболочкой появляются клетки, протоплазма которых денатурирована в результате распространения механического действия на соединение клетки.

Степень денатурации свекловичной ткани, определяющая эффективность процесса экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки, оценивается коэффициентом молекулярной диффузии D, входящим в диффузионный критерий Фурье:

Fo D R2 ,

где D – молекулярный коэффициент диффузии, м2/с; - продолжительность экстрагирования, с; R – эквивалентный радиус экстрагируемых частиц, м.

Данные, полученные в опытах с различными концентрациями сахарозы, показали, что применение воды в качестве жидкой фазы для тепловой обработки свекловичной стружки не позволяет достичь оптимальной степени денатурации клеток свекловичной ткани, приводит к местным перегревам стружки, что затрудняет последующую фильтрацию сока в диффузионном аппарате, вызывает повышенный расход топлива из–за разбавления сока.

20