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
лическую решетку (фазовый переход).
Следовательно, скорость роста кристаллов обусловлена скоростью диффузии
сахарозы и скоростью фазового перехода на границе раздела фаз. Если скорость фазового перехода намного выше
скорости диффузии сахарозы, то определяющей (лимитирующей) стадией процесса кристаллизации сахарозы станет
ее диффузия.
Скорость роста кристаллов сахарозы
можно выразить уравнением:
Рис. 1. Кристалл сахарозы, окруженный пленкой
межкристального раство-
ра толщиной d
К = 2318·Т(С
где К – скорость кристаллизации сахарозы, мг/(м
солютная температура, К; С
пер
пер
– С
– С
) / m2, (4)
нас
2
·мин); Т – аб-
– разность концентраций, г
нас
на 100 г раствора; m – динамическая вязкость насыщенного раствора при данной температуре, мПа·с.
Суммарная скорость кристаллизации К – средняя величина,
которая складывается из скоростей кристаллизации на отдельных гранях кристалла, обусловленных некоторым различием
концентраций (С
пер
– С
) в пограничном слое над этими граня-
нас
ми. Если скорость кристаллизации сахарозы на всех гранях
была бы одинаковой, то кристаллы приобретали бы шарообразную форму.
Перенасыщение. Один из наиболее существенных факторов,
оказывающих влияние на кристаллизацию сахарозы, – ее перенасыщение в растворе. Скорость кристаллизации пропорциональна избыточной концентрации сахарозы над концентрацией
насыщения С
перенасыщению, выраженному разностью (К
пер
– С
или же пропорциональна избыточному
нас
пер
– 1).
Температура, вязкость и чистота. Влияние этих показате-
лей на скорость кристаллизации сахарозы взаимосвязано. С уве-
11
личением (до определенного предела) абсолютной температуры Т, входящей в числитель уравнения 4, происходит уменьше-
ние вязкости насыщенного раствора и толщины неподвижного
пограничного слоя на поверхности кристаллов, в результате
чего скорость кристаллизации сахарозы повышается. Например,
в чистых растворах сахарозы при постоянном перенасыщении
раствора с повышением температуры на 10 ºС скорость кристаллизации сахарозы увеличивается в 2 раза.
В присутствии несахаров скорость кристаллизации сахарозы резко снижается. Так, в растворах с чистотой 79,5; 64,4; 58,1;
55,5 % при одинаковом истинном коэффициенте перенасыщения
1,1, скорость кристаллизации сахарозы будет соответственно
в 2; 9; 23; 64 раза меньше. Вязкость таких же насыщенных растворов будет больше соответственно в 2,8; 12,2; 79,4; 267 раз,
чем вязкость раствора чистой сахарозы, т. е. чем выше вязкость
раствора, тем ниже скорость кристаллизации. А большая вязкость раствора в присутствии несахаров по сравнению с чистыми растворами сахарозы обусловлена повышенной растворимостью в них сахарозы (при одинаковом перенасыщении),
и, следовательно, повышенным содержанием в технических растворах сухих веществ, увеличивающих вязкость.
Перемешивание. Плотность кристаллов сахарозы несколько
больше плотности межкристального раствора, например, плот-
3
ность кристаллов сахарозы 1,5915 г/см
, а плотность перенасыщен-
ного раствора с содержанием СВ = 85 % 1,45 г/см3. Поэтому под
влиянием силы тяжести они медленно осаждаются, т. е. находятся
в движении по отношению к массе межкристального раствора. Одновременно происходит приток свежих порций сахарозы к пограничному слою кристаллов. Поддержание кристаллов во взвешенном состоянии осуществляется естественной или принудительной
циркуляцией утфеля в вакуум-аппарате, механическим перемешиванием в кристаллизационной установке. Следовательно, цель перемешивания – поддерживать кристаллы во взвешенном состоянии, но при условии, что оно не должно быть интенсивным.
Размер и концентрация кристаллов. Обычно средний размер кристаллов сахара-песка составляет 0,5–0,9 мм, а сахара по-
12
следней кристаллизации – 0,25–0,5 мм. В этом интервале размер кристаллов не оказывает влияния на скорость кристаллизации сахарозы. В утфеле с мелкими кристаллами происходит
лишь увеличение общей массы выкристаллизовывающейся в единицу времени сахарозы по сравнению с крупнокристаллическим
утфелем, так как в нем больше суммарная площадь поверхности
кристаллизации. Это положение используется на практике при
уваривании утфелей. Утфель с мелкими кристаллами уваривается быстрее, чем с крупными кристаллами.
При постоянном коэффициенте перенасыщения и прочих
равных условиях массовая скорость кристаллизации в растворах с повышением концентрации кристаллов и снижением их
среднего размера будет уменьшаться. Это обусловлено увеличением вязкости утфеля и уменьшением скорости осаждения кристаллов в нем.
При высокой концентрации кристаллов в утфеле, с одной
стороны, это мешает им перемещаться в межкристальном растворе, что приводит к снижению скорости кристаллизации, а с другой стороны, стесненные условия препятствуют образованию на
кристаллах толстого неподвижного пограничного слоя, что способствует увеличению скорости кристаллизации. Следовательно, с некоторым допущением можно считать, что концентрация
кристаллов в утфеле не влияет на скорость кристаллизации сахарозы.
Однако высокая концентрация кристаллов в утфеле сильно
затрудняет его перемешивание, так как при этом увеличивается
вязкость. В табл. 2 приведена зависимость относительной вязкости
утфеля m
от содержания кристаллов Кр (%), где mут, m
ут/mм. р
м. р
–
вязкость соответственно утфеля и межкристального раствора.
Таблица 2.
Кр, % 10 15 20 25 30 35 40 45
m
ут/mм. р
1,5 2,1 3,0 4,0 5,2 7,1 11 18,8
13
Рис. 2. Схема кристалла сахарозы
Из табл. 2 видно, что чем выше содержание кристаллов (особенно при концентрации кристаллов выше 30 %), тем более вязким и малоподвижным становится утфель.
Влияние несахаров на форму кристаллов. Образующиеся
кристаллы сахарозы имеют блестящие плоские грани с постоянными углами. Кристаллы относятся к моноклинической системе
и характеризуются в пространстве тремя кристаллографическими осями координат а, в, с, которые условно располагаются внутри кристалла.
Оси координат используют для определения положения всех
граней кристалла.
На рис. 2 ось с расположена вертикально, ось в – горизонтально и проходит через кристалл слева направо, а ось а наклонена вниз от задней грани к передней, т. е. находится под прямым углом к оси в и наклонена под углом b = 103° 30’ к оси с.
Осевые углы a и g равны 90°.
Нормальный кристалл сахарозы, выращенный в чистом растворе, имеет соотношение длины осей а : в : с = 1,2595 : 1,0 : 0,8782.
Такое же соотношение размеров имеет и молекула сахарозы (нм):
а = 1,089; в = 0,869; с = 0,777.
Плотность кристаллов сахарозы без посторонних примесей
3
при 20 ºС составляет 1,5915 г/см
, удельный объем – 0,628 см3/г.
Многие несахара, по-разному адсорбируясь на гранях кристалла, замедляют кристаллизацию сахарозы и изменяют габитус (форму кристалла). Например, глюкоза, адсорбируясь на гранях кристалла по оси а, тормозит его развитие в данном направ-
14
лении, другие же грани растут нормально. В результате крис таллы получаются в форме тонких пластинок. В присутствии
раффинозы кристаллы удлиняются по оси в и образуют вытянутые иглообразные формы. Поэтому большинство кристаллов
промышленного сахара-песка не имеют правильной геометрической формы, присущей чистой сахарозе.
При быстром росте кристаллов происходит включение от-
дельных молекул несахаров из межкристального раствора в кристаллическую решетку (инклюзия) или механическое включение межкристального раствора в трещины кристалла, зарастающие позже сахарозой (окклюзия). Если процесс роста протекает
умеренно, то отталкивающие силы, возникающие вокруг кристалла сахарозы, отторгают примеси от своей поверхности.
Несмотря на промывание кристаллов сахара-песка водой
в центрифугах, на их поверхности после высушивания остается
пленка межкристального раствора.
Кристаллы могут увеличиваться не только в результате ро-
ста граней, но и при сращивании их в агрегаты. Наличие значительного количества агрегатов оказывает вредное воздействие
на качество сахара-песка, который плохо промывается в центрифугах и плохо высушивается. Основным фактором, влияющим
на агрегацию кристаллов при уваривании утфеля, является сохранение изогидрических условий кристаллизации с момента
образования твердой фазы, при которых в любой промежуток
времени масса выпаренной воды при уваривании была бы равна
массе воды, поступившей в вакуум-аппарат с подкачками сиропа.
Глава 2
В сахарном производстве под словом «меласса» подразумевают конечный продукт свеклосахарного производства.
В мелассе вместе с растворенной сахарозой накапливаются
все несахара, которые не удаляются при очистке сока и сиропа.
Следовательно, мелассой называют межкристальный раствор
утфеля последней кристаллизации (последнего продукта), остающийся после кристаллизации сахарозы. Для точного определения понятия мелассы необходимо различать теоретическую,
или идеальную, мелассу и реальную, т. е. получаемую практически.
По Г. Классену, идеальная меласса в теоретическом смысле
слова представляет собой жидкую смесь сахарозы, несахаров
и воды, из которой даже при самых благоприятных условиях
никакими методами (сгущение, охлаждение) не удается выкристаллизовать сахарозу в чистом виде. В производственных условиях, исходя из экономических соображений, ограничиваются
получением реальной (заводской) мелассы. Известно, что реальная, или техническая, меласса является несколько перенасыщенным раствором, поскольку кристаллизация длится в допустимых для практики пределах и состав технической мелассы
отличается от состава идеальной.
Меласса получается на последней ступени кристаллизации
сахарозы. В ее состав входят нерастворимые несахара, оставшиеся в диффузионном соке после его очистки известью, и несахара, образовавшиеся в результате разложения сахарозы на последующих станциях сахарного производства.
16
Очень важно как можно полнее выкристаллизовать сахарозу
из утфеля последней кристаллизации. Растворимость сахарозы
в сахарных растворах зависит от температуры и от состава несахаров.
Главной причиной, не позволяющей выкристаллизовать са-
хар из мелассы, является ее вязкость, которая сильно повышается при увеличении количества несахаров.
Из-за высокой вязкости межкристального раствора утфеля
последнего продукта в какой-то момент приходится прекращать
кристаллизацию сахарозы. Это связано с техническими возможностями современного оборудования.
Меласса должна находиться в состоянии насыщенного рас-
твора с нормальным содержанием сухих веществ, соответствующих температуре центрифугирования утфеля. Из такой мелассы в промышленных условиях выкристаллизовывать сахарозу
нецелесообразно.
Значит, содержание некоторого количества сахарозы в мелас-
се неизбежно. Необходимо только знать его оптимальный предел
с целью проведения контроля технологических процессов и получения мелассы с минимальным содержанием сахарозы.
После анализа качества меласс многих сахарных заводов
П. М. Силин ввел понятие «нормальной» мелассы. «Нормальная» меласса – это насыщенный раствор при температуре 40 °С.
П. М. Силин установил для нее пределы содержания сухих веществ и вязкости. Нормальной считается чистота мелассы такого насыщенного раствора, вязкость которого при температуре
центрифугирования утфеля составляет 7,1 Па·с.
Не случайно среди параметров «нормальной» мелассы по
П. М. Силину отсутствует величина чистоты. Чистота «нормальной» мелассы определяется растворимостью сахарозы в растворе данного химического состава несахаров, содержанием сухих
веществ насыщенного раствора, температурой насыщения. В зависимости от количества и состава несахаров для разных заво-
17
дов она будет своей. Но зависимость содержания сахара от температуры охлаждения утфеля и центрифугирования сохраняется.
Для выявления причины повышенного содержания сахара
в мелассе необходимо в первую очередь установить влияние
комплекса несахаров на чистоту «нормальной» мелассы.
Меласса в процессе отделения на центрифугах должна иметь
чистоту «нормальной» мелассы. Превышение чистоты «нормальной» мелассы может возникать из-за прохождения мелких кристаллов через сито центрифуг, недостаточного снижения коэффициента перенасыщения межкристального раствора.
Величина чистоты «нормальной» мелассы является важнейшим критерием, по которому проводится контроль истощения
заводской мелассы. Разница между чистотой «нормальной» мелассы и заводской – главный показатель оценки работы варочно-кристаллизационного отделения. Большее значение величины чистоты заводской мелассы в сравнении с величиной чистоты «нормальной» мелассы свидетельствует о ее недостаточном
истощении на заводе, что приводит к повышенному содержанию
сахара в мелассе и, соответственно, к уменьшению выхода готовой продукции. Этот метод является наиболее объективным при
контроле истощения мелассы.
Для определения чистоты «нормальной» мелассы предложен
ряд методов. Но они обладают существенными недостатками
и практически непригодны для оперативного контроля истощения мелассы на заводах. Следует отметить, что известный метод
П. М. Силина, заключающийся в насыщении проб заводской мелассы с различной концентрацией сухих веществ в термостатекристаллизаторе, является высокоточным, но по причине продолжительности и трудоемкости он не прижился на заводах. Такой
метод приемлем для определения «нормальной» мелассы в центральных (групповых) лабораториях сахарного производства.
Для разных заводов и для различного периода производства
«нормальная» чистота мелассы не является постоянной величиной.
«Нормальная» меласса далеко не «предельно истощенна».
При отделении мелассы с большей концентрацией сухих веществ можно получить заводскую мелассу со значением чисто-
18
ты ниже величины чистоты «нормальной» мелассы. Однако это
зависит от возможностей работы станции центрифугирования.
Для оперативного контроля истощения мелассы введено поня-
тие нормативной мелассы. Учитывая, что параметры «нормальной»
мелассы обусловлены применяемым в варочно-кристаллизационном отделении оборудованием, а показателем эффективности его
работы служит величина эффекта кристаллизации (разница между
чистотой сиропа и мелассы), можно определить величину чистоты
мелассы, которая может быть получена при переработке свеклы
данного качества на данном заводе. Определенную таким образом
величину чистоты мелассы называют нормативной. Ее чистота
близка или практически равна чистоте «нормальной» мелассы.
Чистота заводской мелассы зависит от метода работы в ва-
рочно-кристаллизационном отделении и может находиться в пределах 52,0–63,0 %.
Выход заводской мелассы обычно колеблется в преде-
лах 2,5–4,0 % к массе свеклы. Он зависит от качества растворимых несахаров в свекле, условий и продолжительности ее
хранения, от степени удаления несахаров при очистке сока
и от сахаристости свеклы. Общеизвестно, что на одном и том
же заводе выход мелассы увеличивается к концу производственного сезона.
Установлено, что количественный выход мелассы связан
с количеством несахаров, содержащихся в клеточном соке
и сахаристостью свеклы. С повышением сахаристости свеклы
на 1 % содержание сахара в мелассе при прочих равных условиях увеличивается на 0,1–0,15 % к массе свеклы. С повышением чистоты свекловичного сока на 1 % содержание сахара в мелассе при прочих равных условиях уменьшается на 0,13–0,25 %
к массе свеклы, в зависимости от ее сахаристости. Если сахаристость свеклы и чистота свекловичного сока увеличиваются
равнозначно, то содержание сахара в мелассе почти не изменяется.
19
Высокому выходу мелассы сопутствует большое содержание
кальциевых солей, инвертного сахара, высокие органический
и азотный коэффициенты, наименьшие удельно-зольные коэффициенты и большая вязкость меласс.
Существенное влияние на выход мелассы оказывает полнота
удаления несахаров при диффузии и на станции дефекосатурации. Уменьшение эффекта очистки сока на 1 % увеличивает выход мелассы в среднем на 0,09 % к массе свеклы.
При длительном хранении свеклы, особенно в неблагоприятных условиях, а также при переработке свеклы с большим количеством поврежденных корнеплодов (до 70 %) и значительной
общей загрязненностью, вследствие чего в свекле накапливается
много вредных для производства растворимых несахаров, чистота сока снижается. При очистке и переработке свеклы низкого качества эффект очистки сока весьма низок.
Свекла низкого качества содержит мало калия (70–75 % нормы) и фосфора (30–70 %), повышенное количество органических
кислот и растворимых соединений азота (400–600 %) по сравнению с содержанием его в свекле высокого технологического качества. В процессе очистки эти вещества на дефекосатурации не
удаляются и поэтому эффект очистки не превышает 23 % от
массы несахаров в диффузионном соке.
Высококачественная свекла должна содержать азот в виде
белковых соединений в пределах 70 % от массы общего азота,
тогда эффект очистки будет максимальным.
Большинство несахаров свеклосахарного производства способствует увеличению растворимости сахарозы, что является
основной причиной образования мелассы. Активность отдельных
несахаров в процессе мелассообразования определяет мелассообразовательный коэффициент, показывающий сколько килограммов сахарозы удерживается в «нормальной» мелассе одним килограммом несахаров.
В табл. 3 приведены средние значения мелассообразовательных коэффициентов некоторых несахаров «нормальной» мелассы,
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]