Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Содержание сахара в мелассе. Оптимизация режима кристаллизации сахарозы на последнем продукте
.pdf
УДК 664.15.054
ББК 36.84
С 57
Серия основана в 2013 году
А в т о р ы:
член-корреспондент НАН Беларуси,
доктор технических наук, профессор З. В. Ловкис; Т. И. Турбан,
кандидат технических наук Н. Н. Петюшев, С. В. Мельничек, О. К. Никулина,
Е. И. Трефилова, В. В. Кулаковский
Р е ц е н з е н т:
кандидат экономических наук А. В. Мелещеня
сахара в мелассе. Оптимизация режима
С 57
кристаллизации сахарозы на последнем продукте / З. В. Ловкис [и др.] ; под общ. ред. З. В. Ловкиса. – Минск : Беларуская навука, 2014. - 97 с. - (Настольная книга производственника).
ISBN 978-98508-1746-4.
В книге рассмотрены оптимальные условия проведения процесса
кристаллизации сахарозы в утфеле последней стадии кристаллизации при уваривании в вакуум-аппаратах (при температуре 60 –75 °С)
и в кристаллизационной установке методом охлаждения. Даны рекомендации по выбору оптимального технологического процесса.
Издание предна значено для научно-технических работников и спе-
циалистов, занимающихся вопросами сахарного производства.
© Оформление. РУП «Издательский дом
«Беларуская навука», 2014
В последние годы наряду с увеличением производства сахара произошло значительное улучшение технического оснащения сахарной промышленности, что привело к росту техникоэкономических показателей предприятий.
Основным технико-экономическим показателем сахарной
промышленности является выход сахара. Резкое повышение цен
на топливо потребовало разработки новых стратегических направлений энергосберегающей политики в сахарной отрасли.
Процесс кристаллизации является завершающей стадией сахарного производства, существенно влияющей на выход и качество товарного сахара, на эффективность работы предприятия
в целом.
В результате кристаллизации получают химически чистую
сахарозу, а все несахара концентрируются в межкристальном
растворе. При этом стремятся к максимально возможному выделению сахарозы из сахарных производственных растворов.
Важность кристаллизации в технологической схеме сахарного
завода определяется тем, что это наиболее эффективный способ
очистки сахарных растворов от несахаров. Если на всех предшествующих этапах достигается эффект очистки до 40 %, то все
оставшиеся несахара отделяются при кристаллизации.
Процесс кристаллизации должен обеспечить наряду с получением высококачественного сахара наиболее полное истощение межкристального раствора для того, чтобы максимально
сократить потери сахара в мелассе. Размер этих потерь может
достигать 13 % от всей массы сахара, имеющегося в свекле, и за-
3
висит от качества продуктов, поступающих на кристаллизацию,
а также от способа и качества ее проведения.
Одним из путей повышения эффективности работы, рационального использования сырья, увеличения конечного результата является снижение содержания сахара в мелассе.
Количество мелассы, получаемой при переработке сахарной
свеклы, и содержание сахара в ней зависят от качества сырья,
технологии его хранения и переработки. Для каждого завода эти
условия сугубо специфические и зависят от многих факторов.
В истории сахарной промышленности проводились многочисленные исследования, главная цель которых – снижение содержания сахара в мелассе. В основном эти исследования велись
в двух направлениях.
Одно направление исследований – это определение содержания сахара в мелассе в зависимости от состава несахаров свеклы. Результаты данных исследований используются для улучшения технологического качества свеклы, зависящего, прежде
всего, от культуры возделывания, агротехнических мероприятий, сроков и качества уборки, способов хранения свеклы. Также результаты этих исследований применяются для разработки
оптимального технологического режима переработки сырья.
Другое направление было связано с определением содержания сахара в мелассе в зависимости от технологии уваривания
и кристаллизации утфеля последней ступени кристаллизации.
Результаты этих исследований использовались для установки
оптимального технологического режима кристаллизации сахарозы в кристаллизаторах.
В последние годы теория мелассообразования в большей
степени связана с реальными процессами. Для промышленности представляет интерес выявление основных источников образования мелассы, а также изыскание путей максимального
снижения содержания в ней сахара.
В настоящей работе обобщен опыт по ведению процесса кристаллизации сахарозы в варочно-кристаллизационном отделении
при уваривании утфелей в вакуум-аппаратах и охлаждении в кристаллизаторах при переработке свеклы различного качества.
Глава 1
В настоящее время в сахарном производстве применяют два
способа кристаллизации сахарозы: с удалением части растворителя (воды) в условиях кипения сиропа (оттека) под разрежением в вакуум-аппаратах и кристаллизация охлаждением утфеля
в мешалках-кристаллизаторах. Современная технология предусматривает комбинацию этих двух способов кристаллизации:
вначале первый, затем второй. Выпаривание воды из раствора
является более эффективным способом, чем охлаждение. Поэтому в сахарном производстве основное количество сахарозы выделяется кристаллизацией, осуществляемой за счет выпаривания воды.
Процесс уваривания и криста ллизации может осуществлять-
ся по двухкристаллизационной или трехкристаллизационной
схемам.
Отличительной особенностью каждой последующей ступе-
ни кристаллизации в этих схемах является то, что заводка и наращивание кристаллов происходят по мере снижения чистоты
увариваемых продуктов при более высоких коэффициентах перенасыщения. При этом содержание сухих веществ готовых утфелей повышается по мере снижения чистоты, а массовое содержание кристаллов в сваренном утфеле уменьшается от 54–56 %
в утфеле I кристаллизации до 32–40 % в утфеле последней кристаллизации.
При правильном проведении кристаллизации и любом коли-
честве ее ступеней содержание сахара в мелассе остается постоянным и зависит от качества перерабатываемого сырья. По су-
5
ществу, выход мелассы и концентрация сахара в ней при переработке сиропа одинакового качества должны оставаться неиз менными при использовании любых схем кристаллизации.
Различия в показателях зависят от потерь из-за термохимического разложения сахарозы в продуктах на верстате завода.
Процесс производства сахара, как и все технологические
процессы, постоянно модернизируется (в частности, с целью
экономии тепло- и электроэнергии). При этом нельзя упускать
из виду и растущие требования к качеству сахара.
Основной задачей сахарного производства является получение максимального количества сахара высокого качества из сахаросодержащего сырья при минимальных затратах труда, топлива и вспомогательных материалов. Решение этой задачи
в значительной степени зависит от эффективности работы варочно-кристаллизационного отделения, в котором проводится
выделение кристаллизацией сахарозы из сахаросодержащих
растворов.
Кристаллизация сахарозы является одним из важнейших технологических процессов сахарного производства, существенно
влияющим на выход и качество белого сахара.
Проведение процесса кристаллизации зависит от физико-химических свойств кристаллизуемого вещества и условий проведения процесса.
Важнейшим свойством кристаллизуемого вещества является его растворимость, показывающая, какое количество вещества находится в единице растворителя в насыщенном растворе. Растворимость сахарозы в сахарном производстве выражают обычно в граммах на 1 г воды (Н
) или в граммах на 100 г
0
раствора.
Сахароза хорошо растворяется в воде; с повышением температуры ее растворимость увеличивается. Например, при
20 °С в 1 кг воды растворяется 1,994 кг сахарозы, а при 75 °С –
3,463 кг, т. е. в 1,74 раза больше.
6
Растворимость сахарозы, при прочих равных условиях, за-
висит от присутствия в растворе несахаров. Величина растворимости сахарозы в нечистом сахарном растворе зависит от качественного и количественного состава несахаров.
Влияние несахаров на растворимость сахарозы характеризу-
ется величиной коэффициента насыщения.
В табл. 1 приведены значения коэффициентов растворимо-
сти сахарозы Н
Таблица 1.
в воде при различных температурах.
0
t °С СХ, % Н
-10 63,79 1,761 44 70,8 2,425 80 78 ,74 3,703
-5 64,08 1,784 46 71,2 2,473 82 79,19 3,806
0 64,4 1,809 48 71,62 2,523 84 79,65 3,913
5 64 ,81 1,842 50 72,04 2,576 86 8 0,1 4,025
10 65,32 1,884 52 72,46 2, 631 88 80,55 4,141
15 65,92 1,934 54 72,89 2,688 90 81,0 4,262
20 66,6 1,994 56 73,32 2,748 92 81,36 4,364
22 66,89 2,020 58 73,76 2 ,811 94 81,73 4,473
24 67, 2 2,048 60 74,2 2 ,876 96 82,11 4,589
26 67,51 2,078 62 74,65 2,944 98 82,49 4 ,711
28 67, 8 4 2,11 64 75,09 3,015 10 0 82,88 4 ,841
30 68,18 2 ,143 66 75,5 4 3,089 105 83,9 5,211
32 68,53 2 ,177 68 76,0 3,16 6 110 84,9 5,622
34 68,88 2 , 214 70 76,45 3,247 115 85,9 6,092
36 69, 25 2,252 72 76, 91 3, 331 120 86,9 6,633
38 69,63 2,292 74 77,36 3,418 125 88,1 7, 4 0 2
40 70,01 2,334 76 77,8 2 3,509 130 89,1 8 ,174
42 70,4 2,378 78 78,28 3,604 135 90,3 9,309
t °С СХ, % Н
0
t °С СХ, % Н
0
140 91,4 10,627
0
Коэффициент насыщения. Коэффициент растворимости
действителен для чистых растворов сахарозы. Но в технических
сахарных растворах (сок, сироп, оттеки) кроме сахарозы содержатся различные несахара, большинство из которых способствует увеличению растворимости сахарозы.
7
Коэффициент насыщения (К
) – величина, показывающая во
н
сколько раз больше (или меньше) растворено сахарозы в данном
насыщенном техническом сахарном растворе (Н) в сравнении
с насыщенным чистым раствором сахарозы (Н0):
К
= Н / Н0.
нас
(1)
Величина коэффициента насыщения зависит от качествен-
ного и количественного состава несахаров.
По теории М. И. Даишева, повышение растворимости сахарозы в присутствии несахаров объясняется тем, что в насыщенном растворе несахара занимают часть межмолекулярного объема и вытесняют свободную воду, давая тем самым возможность
вытесненной воде участвовать в гидратации дополнительного
количества сахарозы (т. е. в ее растворимости). Эти несахара
ведут себя как растворитель, подобный воде. Такое положение
применимо только для несахаров, объем частиц которых значительно меньше межмолекулярного пространства. Несахара, обладающие большим размером по сравнению с межмолекулярным пространством, будут раздвигать молекулы сахарозы, увеличивая межмолекулярный объем и массу свободной воды
в нем, что приводит к снижению растворимости сахарозы.
Неорганические соединения, особенно соли щелочных металлов калия и натрия, повышают растворимость сахарозы,
а соли щелочноземельных металлов кальция и магния, инвертный сахар понижают растворимость сахарозы.
Коэффициент перенасыщения. Отличительной особенностью
сахарозы является образование перенасыщенных растворов, которая проявляется в большей степени в технических сахарных
растворах.
Структура перенасыщенных растворов отличается от насыщенных тем, что в перенасыщенных растворах недостает свободной воды для заполнения всего объема между молекулами
сахарозы, в результате чего в них образуются пустоты, объем
которых с ростом перенасыщения увеличивается.
Перенасыщение сахарозы в растворах в процессе кристаллизации поддерживается путем выпаривания воды в вакуум-аппаратах или за счет охлаждения в мешалках-кристаллизаторах.
8
Так как сахароза кристаллизуется только из перенасыщен-
ных растворов, то для оценки степени перенасыщения принят
коэффициент перенасыщения (К
), который показывает во сколь-
пер
ко раз больше растворено сахарозы в 1 кг воды в перенасыщенном растворе (Н1) по сравнению с насыщенным раствором (Н),
при той же температуре, т. е.
К
= Н1 / Н. (2)
пер
Различают истинный и видимый коэффициенты перенасы-
щения. Если растворимость сахарозы в перенасыщенном техническом растворе, содержащем несахара, отнести к ее растворимости в насыщенном растворе такой же чистоты (Н
/Н), то это
1
будет истинный коэффициент перенасыщения (уравнение 2).
Если вместо Н в знаменатель подставить значение растворимости сахарозы в чистом растворе Н0, то получим видимый коэф-
фициент перенасыщения:
К
= Н1 / Н0. (3)
пер
Для того чтобы началась кристаллизация сахарозы, ее рас-
твор должен быть перенасыщенным. В интервале перенасыщения от 1 до 1,2, называемом метастабильной зоной, центры кристаллизации почти не зарождаются, сахароза может кристаллизоваться только на кристаллах, внесенных извне.
В растворах, имеющих коэффициент перенасыщения 1,3
и более, называемых лабильными (неустойчивыми), не только
растут кристаллы, но и легко зарождаются новые центры кристаллизации.
В интервале перенасыщения 1,2–1,3 располагается промежу-
точная зона, в которой новые центры кристаллизации образуются медленно.
Разность концентраций сахарозы в перенасыщенном и насы-
щенном растворах – это движущая сила процесса кристаллизации. Чем больше истинный коэффициент перенасыщения, тем
выше скорость кристаллизации сахарозы.
9
Процесс кристаллизации сахарозы состоит из двух основных стадий: стадия зарождения центров кристаллизации и стадия наращивания этих зародышей с определенной скоростью.
Центры кристаллизации создаются искусственно: в сгущенный
до лабильного состояния (К
= 1,25–1,3) сахарный раствор вво-
пер
дится тонкоизмельченная, просеянная через сито сахарная пудра, которая является импульсом (затравкой) для возникновения во всем объеме раствора новых центров кристаллизации,
или вводится затравочная паста, или маточный утфель. Зарождение кристаллов происходит в системе не одновременно, так
как скорость образования зародышей – функция продолжительности процесса.
На второй стадии процесса кристаллизации происходит
только наращивание образовавшихся зародышей с максимальной скоростью, появление же новых центров кристаллизации
в этот момент нежелательно. Для этого необходимо коэффициент перенасыщения межкристального раствора поддерживать
в оптимальном интервале. Если коэффициент перенасыщения
выше оптимального, то наряду с имеющимися кристаллами будут зарождаться новые, в результате чего получится утфель низкого качества с разнородными кристаллами. Но при очень малом коэффициенте перенасыщения скорость кристаллизации
сахарозы будет низкой, увеличится продолжительность процесса и снизится производительность вакуум-аппарата, повысятся
неучтенные потери сахарозы и цветность сахара.
В процессе роста кристаллы окружены слоем перенасыщенного межкристального раствора толщиной d, который называет-
ся пограничным. Избыток молекул сахарозы из этого слоя быстро выкристаллизовывается на поверхности кристаллов и раствор переходит в стадию насыщения с концентрацией сахарозы
С
. Но на некотором расстоянии от граней кристаллов в окру-
нас
жающем растворе сохраняется перенасыщение с концентрацией
сахарозы С
Вследствие разности концентраций С
(рис. 1).
пер
пер
– С
сахароза диф-
нас
фундирует через пограничный слой раствора d. Приблизившись
к граням кристаллов, молекулы сахарозы переходят в кристал-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]