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

Содержание редуцирующих веществ (РВ), % к массе свеклы, вычисляют по формуле

где 20 – избыток 0,0333 моль/дм3 раствора йода, см3; а – объем 0,0333 моль/дм3 раствора гипосульфита, пошедше-

го на титрование избытка раствора йода в исследуемом продукте, см3;

0,2 – поправка на восстановление, производимое 10 см3 реактива Мюллера, см3;

Сх – содержание сахарозы в исследуемом продукте, %; 0,2 – поправка на каждый грамм присутствующей в навеске

сахарозы, см3;

b – объем 0,0333 моль/дм3 раствора гипосульфита, пошедше-

го на титрование избытка раствора йода в глухом опыте, см3;

5 – навеска исследуемого продукта, г.

2. Колориметрический метод.

На технических весах взвешивают 50 г фильтрованного сока основной дефекации, навеску количественно переводят в мерную колбу вместимостью 100 см3, добавляют 9 см3 смешанного свинцового осветлителя (свинцового уксуса и 25 %- ного раствора нейтрального уксусного свинца в соотношении 5 4 по объему) и доводят дистиллированной водой до метки. Содержимое колбы хорошо перемешивают, выливают в сухой чистый химический стакан вместимостью 150 см3 и при помощи мерки диаметром 20 мм и высотой 22 мм добавляют промытый карборафин (карбополь, глюконат-IV, норит). Содержимое стакана перемешивают в течение 20 с стеклянной палочкой и фильтруют через двойной бумажный фильтр.

В две пробирки с притертыми стеклянными пробками при помощи пипетки переводят по 2 см3 1 %-ного раствора ДНСК (3,5-динитросалициловой кислоты), тщательно перемешивают

41

горизонтальными встряхиваниями. Пробирки помещают в кипящую водяную баню с ложным дном.

Одновременно приготавливают эталонный раствор, для чего в пробирку с притертой пробкой при помощи пипетки переводят 2 см3 дистиллированной воды и 2 см3 1 %-ного раствора ДНСК, взбалтывают горизонтальными движениями и одновременно вместе с двумя пробирками, в которых находится испытуемый раствор, помещают в кипящую водяную баню с ложным дном.

По истечении 5 мин все три пробирки вынимают из кипящей бани, помещают в холодильник с проточной водой при температуре 20 С. Во избежание присасывания стеклянных пробок их приоткрывают 2 – 3 раза в течение охлаждения. После охлаждения пробирки вынимают из холодильника, вытирают полотенцем наружную поверхность и в каждую добавляют пипеткой по 20 см3 дистиллированной воды. Пробирки вновь закрывают каждую своей пробкой и тщательно перемешивают содержимое, переворачивая в вертикальном направлении.

Измерение оптической плотности полученных окрашенных растворов производят на фотоэлектроколориметре в кювете длиной 10 мм при монохроматическом свете с длиной волны 490 нм.

Для получения расчетной оптической плотности Др пользуются формулой

Др = Д1 – 0,022,

где Д1 – оптическая плотность, полученная при измерении на фотоэлектроколориметре при длине волны 490 нм.

Затем по калибровочной кривой определяют содержание редуцирующих веществ, мг/см3.

Содержание редуцирующих веществ (РВ), % к массе продукта, вычисляют по формуле

РВ = 10·а/g,

где а – количество редуцирующих веществ в растворе, мг/см3, определенное по калибровочной кривой;

g – навеска продукта, г.

42

Построение калибровочной кривой Определение содержания редуцирующих веществ в про-

дуктах сахарного производства основано на применении фотоколориметрического метода. Поэтому необходимо построить калибровочную кривую.

При накоплении исходных данных для калибровочной кривой используют 0,1 %-ный нейтральный раствор инвертного сахара.

Рабочие растворы инвертного сахара, непосредственно используемые для получения окрашенных растворов по методу, описанному выше, приготавливают путем смешивания 0,8 – 6 см3 0,1 %-ного раствора инвертного сахара и дистиллированной воды с таким расчетом, чтобы общий объем жидкости составлял 10 см3 (табл. 4).

Для получения рабочего раствора в сухую чистую пробирку отмеривают 0,1 %-ный раствор инвертного сахара в количестве, указанном в графе 1 табл. 4, добавляют дистиллированную воду в количестве, приведенном в графе 2 табл. 12, и содержимое тщательно перемешивают сухой стеклянной палочкой.

43

Окрашенные растворы получают по методике, описанной выше. Оптическую плотность окрашенного раствора измеряют на фотоэлектроколориметре в кювете 10 мм при длине волны

490 нм.

Затем на миллиметровой бумаге строят калибровочную кривую, где на оси абсцисс откладывают содержание инвертного сахара в рабочем растворе, мг/см3, а на оси ординат – оптическую плотность окрашенного раствора. Полученные точки соединяют и получают калибровочную кривую.

Вопросы для самоподготовки

1.Каковы цель и задачи основной дефекации?

2.Чем вызвана необходимость проведения комбинированной основной дефекации?

3.Назовите основные параметры на I и II ступенях основной дефекации.

4.Какие реакции протекают на основной дефекации?

5.Какое количество извести необходимо для проведения химических реакций на основной дефекации и почему ее добавляют в большем количестве?

6.При переработке какой свеклы можно исключить основную дефекацию?

7.Назовите основные операции, производимые при определении редуцирующих веществ методом Мюллера.

8.Какие поправки необходимо использовать при расчете редуцирующих веществ?

9.Как можно определить содержание редуцирующих веществ колориметрическим методом?

10.Расскажите методику построения калибровочной кривой для определения редуцирующих веществ колориметрическим методом.

44

Лабораторная работа № 6.

Выбор способа проведения карбонизации для повышения адсорбционной очистки сока

Цель работы: освоить методику определения оптимального режима проведения I сатурации.

Теоретические сведения

На качество сатурационного сока оказывает влияние ряд факторов, в первую очередь скорость сатурации и температура. Быстрая сатурация позволяет получить более мелкозернистый осадок СаСО3, позволяющий интенсифицировать адсорбцию солей кальция и красящих веществ и получить более однородный осадок, однако при этом несколько ухудшается отстаивание. Продолжительность I сатурации для осуществления необходимой карбонизации извести составляет 8…10 мин.

При работе с фильтрами-сгустителями (без отстаивания сока) длительность сатурации можно сокращать, получая суспензию с мелкими кристаллами. При наличии отстойников сатурировать сок меньше 10 мин нельзя, так как мелкие кристаллы СаСО3 плохо осаждаются в отстойниках.

Практикой работы заводов установлено, что наиболее рациональной на сатурации является температура 83 – 87 °С. При высокой температуре 90 – 95 °С образующийся карбонат кальция трудно поддается кристаллизации, плохо фильтруется и содержит значительное количество связанной сахарозы. При температурах ниже 70 °С сатурация проходит в условиях сильного пенения и получается труднофильтрующийся осадок.

Реакция среды, характеризующаяся показателем рН в соке I сатурации, в значительной мере определяет его седиментацион- но-фильтрационные показатели и эффект адсорбции на карбонате кальция.

Оптимальной щелочностью сока I сатурации считают максимальную щелочность, при которой фильтрационное оборудование работает эффективно. Такой сок быстро отстаивается и имеет низкую цветность. Эту щелочность уста-

45

навливают экспериментально на заводском оборудовании один раз в декаду, а также при изменении качества свеклы, поступающей в переработку. В заводской лаборатории проводят сатурацию нескольких проб дефекованного сока до различной щелочности. В зависимости от качества перерабатываемой свеклы ее величина колеблется от 0,06 до 0,15 % СаО (рН 10,5…11,6).

При более полном удалении извести сатурацией (0,05 % СаО и ниже) получают «пересатурированный» сок, который лучше фильтруется, так как в нем отсутствуют сахараты кальция, но из-за пептизации части несахаров наблюдается повышенная цветность.

В «недосатурированном» соке со щелочностью более 0,11 % СаО присутствуют сахараты кальция, что затрудняет фильтрование. На этой стадии сатурации осадок СаСО3 имеет высокую дисперсность и хорошо адсорбирует несахара, поэтому сок по чистоте и цветности лучше, чем нормально отсатурированный.

Оптимальную щелочность определяют экспериментально по скорости фильтрования, фильтрационному коэффициенту Fк, который должен быть не более 10, по скорости отстаивания и прозрачности сока I сатурации.

Повышенная щелочность сока I сатурации оказывает влияние на улучшение качества сока II сатурации, так как полнее удаляются слаборастворимые несахара. Например, сок освобождается от Мg(OH)2. Даже при использовании доломитовой извести богатой магнием поверхность нагрева выпарных аппаратов меньше покрывается накипью.

Порядок выполнения работы

1.Получить свекловичный или диффузионный сок из свеклы в количестве 1,5 – 2,0 дм3.

2.Провести очистку диффузионного сока:

а) прогрессивную преддефекацию (t = 55 – 60 ºС, продолжительность 20 мин, рН 10,8 – 11,2, количество возврата нефильтрованного сока I сатурации 80 – 100 % к массе диффузионного сока);

46

б) основную дефекацию (t = 80 – 85 ºС, продолжительность 10 мин, количество извести 1,5 – 2,0 % к массе сока);

3.Провести I сатурацию до разных значений рН: 10,5; 10,8; 11,0; 11,2; 11,4; 11,6 и определить щелочность по прибору Каппуса.

4.Определить скорость отстаивания нефильтрованного сока I сатурации, скорость фильтрования под давлением и под разрежением (Fк) при разных значениях рН.

5.Построить график зависимости скорости осаждения осадка в соке I сатурации при разных рН.

6.Заполнить табл. 13 и обсудить результаты.

Определение щелочности фильтрованного сока I сатурации

Щелочность сока I сатурации обусловлена наличием в нем

Са(ОН)2 и КОН.

В соке I сатурации часть щелочности зависит от присутствия Са(ОН)2, а другая часть – от присутствия гидроксидов щелочных металлов (КОН, NaOH, NH4OH, причем последнего чрезвычайно мало). Натуральной щелочностью сока I сатурации называется та часть щелочности его, которая соответствует содержанию гидроксидов щелочных металлов.

10 см3 фильтрованного сока I сатурации переводят в фарфоровую чашку, добавляют 2 – 3 капли 1 %-ного раствора фенолфталеина и титруют 0,1 моль/дм3 раствором Н2SO4 (или HCl) из аппарата для определения щелочности продуктов сахарного

Лабораторные установки для определения фильтрационных показателей сока

Физико-химические свойства осадка в соке I сатурации определяют, в первую очередь, работу станции фильтрования. Сатурационный осадок должен хорошо и быстро осаждаться в

47

отстойниках и обладать высокими фильтрационными показателями.

Для оценки фильтрационных и седиментационных свойств сока I сатурации известно несколько лабораторных установок, предложенных различными авторами. Каждая из установок отличается особенностями конструкции и степенью приближения лабораторного эксперимента к производственным условиям. Проводя лабораторные определения каких-либо показателей, необходимо по возможности стремиться к максимальному воспроизведению реальных заводских условий. Так, например, при определении фильтрационных показателей это требование достигается поддержанием в лабораторных условиях той же температуры, давления, толщины лепешки, вида фильтровального материала, режима фильтрования и др., что и при фильтровании на заводском оборудовании.

Определение скорости фильтрования сока I сатурации под давлением

Для определения скорости фильтрования служит прибор, представленный на рис. 5. Он состоит из вертикальной латунной 200-миллиметровой трубки диаметром 20 мм. На трубку снизу навинчивают головку, имеющую отверстие диаметром также 20 мм. В головку вкладывают медную сетку (центрифужную); на сетку сверху помещают кружок фильтровальной бумаги, который после завинчивания головки оказывается плотно прижатым по окружности к концу трубки.

В трубку наливают (наполняют доверху) около 60 см3 нагретого до температуры 85 °С нефильтрованного сока I сатурации. Чтобы вести фильтрование под определенным давлением, на верхний конец трубки также навинчивают головку, которая прижимается к концу трубки, причем для герметичности в головку вложено уплотняющее резиновое кольцо. В головку подводится по трубке сжатый воздух, имеющий определенное давление (опыты фильтрования проводят обычно под избыточным давлением 0,1 МПа).

48

Давление создают компрессором (или воздушным насосом Камовского) и измеряют маленьким манометром. Между компрессором и трубкой для фильтрования устанавливают буферную емкость (виндфляшу).

Чтобы создать определенные постоянные температурные условия фильтрования, трубку снабжают кожухом из более широкой латунной трубки.

Постоянная температура в фильтре и сборнике поддерживается ультратермостатом путем подачи горячей воды температурой 85 ºС.

Фильтрат вытекает через сетку из нижней части трубки и собирается в мерном цилиндре. Замеряя время, необходимое для фильтрования 10, 20, 30, 40 и 50 см3 жидкости, можно построить кривую фильтрования, характеризующую скорость фильтрования.

Когда все готово, нагревают до кипения в конической колбе вместимостью 150 см3 хорошо перемешанную пробу нефильтрованного сока I сатурации (60 см3, отмеренных мерным цилиндром), еще раз взбалтывают ее и переливают в трубку для фильтрования, причем трубка наполняется почти до краев. В момент окончания заполнения трубки пускают секундомер, быстро навинчивают верхнюю головку фильтра, присоединяют трубку сжатого воздуха и открывают зажим на ней. Эти операции занимают обычно около 20 с, что следует отмечать и записывать.

Далее записывают по секундомеру, как уже сказано, время в минутах, необходимое для фильтрования 10, 20, 30, 40 и 50 см3 сока. Строят кривую фильтрования. Получают хорошо воспроизводимые результаты.

Вначале объем фильтрата нарастает быстро, далее по мере увеличения толщины осадка на фильтре, сопротивляющегося фильтрованию, скорость фильтрования замедляется. После того как наберется 30 см3 фильтрата, начинается нарастание толщины осадка, почти пропорционально времени (кривая фильтрования превращается в прямую), т.е. скорость фильтрования становится постоянной величиной. Это обусловлено тем, что вследствие и фильтрования и седиментации (отстаивания) в этот момент уже почти весь осадок находится на фильтрующей поверхности.

49

Толщина осадка больше уже не нарастает, поэтому и скорость фильтрования уже не уменьшается.

Эта установившаяся скорость фильтрования – от 30 до 50 см3 жидкости – и является характерной величиной скорости фильтрования. Ее легко определить. Например, если профильтровано 30 см3 за 3,02 мин, а 50 см3 – за 6,73 мин, то, очевидно, ско-

Так как площадь фильтра в приборе при диаметре 2 см будет 3 см2, то можно, разделив на 3, найти скорость фильтрования

Эти величины скорости фильтрования сильно зависят от принятого метода очистки сока и удобны для сравнительной оценки различных методов очистки. Очень ценно для практики то, что эти величины скорости фильтрования характеризуют не только качество осадка (скорость фильтрования через осадок толщиной в 1 см), но и количество его в соке. На поверхности фильтра образуется лепешка осадка толщиной около 0,8 – 1 см, что соответствует заводским условиям.

Сопротивление фильтровальной бумаги здесь не принимается в расчет, так как оно мало по сравнению с фильтрационным сопротивлением осадка толщиной около 1 см.

Если скорость фильтрования 5 см3/(мин·см2) и выше, то фильтрование хорошее; 3 – 4 см3/(мин·см2) – удовлетворительное; 1,5 – 2,5 см3/(мин·см2) – плохое.

Определение скорости фильтрования сока I сатурации под разрежением

Для оценки фильтрационных свойств сатурационного сока датским ученым Бригель-Мюллером сформулировано понятие о фильтрационном коэффициенте Fк. Прибор для определения этого коэффициента сконструирован таким образом, чтобы фильтрационную способность сока наблюдать при вакууме. В данном случае находят не скорость фильтрования сока, а обратную ей

50