Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология крахмала, крахмалопродуктов и глюкозно-фруктозных сиропов. Учебное пособие
.pdf
111
Существенно изменяется показатель вязкости для гетерогенных систем (утфелей), т. е. растворов в присутствии кристаллов
глюкозы. При увеличении содержания кристаллов от 40 до 50 %
вязкость утфеля при 30 оС возрастает от 180 до 3800 мПа∙с, или в
21,1 раза. Такое резкое увеличение вязкости следует учитывать в
процессе практической кристаллизации глюкозы, регулируя предельное содержание кристаллов в утфеле не выше 44 - 46 %.
Важным свойством глюкозных утфелей является снижение
их вязкости при уменьшении температуры в условиях постоянного содержания кристаллов. Например, при 40 оС вязкость утфеля,
содержащего 40 % кристаллов, составляет 385, при снижении
температуры до 25 оС – 151 мПа∙с, или в 2, 55 раза меньше. Такая
зависимость позволяет за счет управляемого снижения температуры в процессе кристаллизации поддерживать оптимальную
вязкость утфеля с учетом его последующего центрифугирования.
На форму кристаллов гидратной глюкозы влияет комплекс
факторов, прежде всего, величина пересыщения, наличие примесей в растворах, температура кристаллизации. В зависимости от
условий кристаллизации образуются кристаллы разной формы и
размеров. Кристаллы правильной формы представляют тонкие
пластинки длиной не более 1 мм, они легко разделяются в центрифугах – это нормальные кристаллы.
Ложные кристаллы глюкозы (игольчатые, полидисперсные
неправильной формы, друзы и т. д.) формируются обычно в растворах с высоким коэффициентом пересыщения и при наличии
различных примесей. В процессе роста кристаллов примеси адсорбируются на их гранях и изменяют правильную форму. На
форму кристаллов влияет режим охлаждения утфеля – при быстром снижении растворимости глюкозы и недостаточной поверхности кристаллов (в начале процесса кристаллизации) формируются ложные кристаллы.
Главным показателем, определяющим процесс роста кристаллов глюкозы, является скорость кристаллизации – это масса
выкристаллизованной за 1 мин глюкозы на 1 м2 поверхности кристаллов. Количество выкристаллизовавшейся глюкозы пропорционально поверхности кристаллов и продолжительности кристаллизации.
112
С учѐтом принятого положения, что скорость кристаллизации определяется скоростью диффундирования молекул глюкозы, можно описать этот процесс законом Фика. Скорость кристаллизации υ
пропорциональна разности концентраций С - Со,
кр
величине коэффициента D диффузии и длине d пути диффундирования молекул (толщина слоя глюкозного раствора на поверхности кристалла).
Коэффициент диффузии D, в свою очередь, зависит от температуры Т (в абсолютных градусах), вязкости жидкой фазы η и
некоторой постоянной величины k:
На скорость кристаллизации глюкозы в производственных
условиях влияют следующие основные факторы:
- величина коэффициента пересыщения;
- мутаротация глюкозы;
- интенсивность перемешивания;
- температура и вязкость;
- доброкачественность глюкозных растворов;
- содержание кристаллов и их размеры.
Скорость кристаллизации пропорциональна избыточному
пересыщению С - Со. Повышение коэффициента пересыщения в
процессе кристаллизации глюкозы достигается путем снижения
температуры утфеля. Однако при этом увеличивается и вязкость,
которая согласно закону Фика снижает скорость кристаллизации
глюкозы. Кроме того, при высоком пересыщении формируются
ложные кристаллы неправильной формы, затрудняется отделение
оттеков при центрифугировании и пробеливание кристаллов
глюкозы. Поэтому кристаллизация проводится при оптимальном
пересыщении, исключающем образование «муки», и достаточном
для получения однородных кристаллов правильной формы.
Мутаротация глюкозы обусловлена взаимным превращением двух форм α- и β-D-глюкозы и установлением между ними подвижного равновесия. Из водных растворов глюкозы выкристаллизовывается только α-форма, поэтому чем быстрее β-форма перейдет в α-форму, тем быстрее будет протекать кристаллизация.
113
В интервале значений рН утфеля 4,5 - 5,0 скорость мутаротации остается неизменной. Имеющиеся в жидкой фазе глюкозных утфелей примеси также незначительно влияют на скорость
мутаротации.
Наибольшее влияние на мутаротацию оказывает температура – при 25 оС она проходит за 24 ч, при кипении – за несколько минут.
С учетом такого влияния начальная стадия процесса кристаллизации глюкозы в мешалках-кристаллизаторах начинается
при относительно высокой температуре – 44 оС, обеспечивающей
минимальное отставание мутаротации глюкозы от еѐ выкристаллизовывания.
Перемешивание утфеля в процессе кристаллизации необходимо для обеспечения постоянного притока пересыщенного глюкозного сиропа к поверхности кристалла и поддерживания постоянной высокой скорости кристаллизации глюкозы. Более интенсивное перемешивание целесообразно на начальной стадии кристаллизации для ускорения смешивания затравки в виде оставшегося в мешалке утфеля и сгущенного глюкозного сиропа. На следующем этапе кристаллизации интенсивное перемешивание нецелесообразно, так как вызывает механическое истирание кристаллов, изменение их формы, что затрудняет центрифугирование утфеля и пробеливание кристаллов глюкозы. На стадии установившейся массовой кристаллизации важным является поддержание
кристаллов глюкозы в утфеле в состоянии постоянного падения,
т. е. исключение их оседания на дно мешалки – для этого достаточно осуществлять перемешивание в ламинарном режиме.
С повышением температуры вязкость насыщенных растворов глюкозы растет, однако, несмотря на это, скорость кристаллизации также увеличивается. Вероятным объяснением этой закономерности является увеличение скорости мутаротации с повышением температуры. Например, при 30 оС скорость кристаллизации составляет 2,64, а при 40 оС – 4,23 мг / (м2· мин). Вязкость этих растворов соответственно равна 20,50 и 32,36 мПа∙с.
Следовательно, вязкость не является главным фактором, определяющим скорость кристаллизации глюкозы.
114
С учетом того, что при снижении температуры вязкость насыщенных глюкозных растворов уменьшается, устанавливается
режим завершающей стадии глубокого охлаждения утфеля в интервале температур 25 - 27 оС.
Со снижением доброкачественности сиропов увеличивается содержание примесей несахаров, что резко снижает скорость
кристаллизации глюкозы. Например, при снижении Дб сиропа со
100 до 90 % скорость кристаллизации уменьшается почти в 5 раз,
при дальнейшем ухудшении качества (Дб сиропа 80 %) скорость
уменьшается почти в 15 раз. Присутствие несахаров в производственных сиропах повышает растворимость глюкозы, следовательно, для достижения необходимого пересыщения нужно
больше ее растворить, что приводит к повышению содержания
сухих веществ и вязкости.
Из растворов с низкой Дб кристаллизуются кристаллы глюкозы неправильной формы, мелкие, окрашенные в желтый цвет,
что свидетельствует об адсорбции красящих веществ.
При снижении Дб сиропа до 67 % кристаллизация глюкозы
практически прекращается.
С увеличением содержания кристаллов в утфеле ускоряется
процесс перехода глюкозы из раствора на поверхность кристаллов. Однако с увеличением доли кристаллов замедляется относительное движения кристаллов и глюкозного сиропа, что отрицательно влияет на процесс кристаллизации. Кроме того, возрастает
и вязкость утфеля – при содержании кристаллов 45 % она повышается в два раза в сравнении с 40 %. Увеличение доли кристаллов выше 45 % вызывает механическое их истирание, появляется
«мука». С учетом этого практическая кристаллизация глюкозы
проводится при содержании кристаллов не выше 45 %.
Размер кристаллов оказывает двоякое действие на скорость
кристаллизации - крупные кристаллы имеют большую скорость
гравитационного осаждения, что способствует увеличению разности концентраций и повышению скорости. Однако вследствие
большего расстояния между кристаллами увеличивается толщина
слоя сиропа на поверхности, что удлиняет путь движения молекул, а это снижает скорость. В практической кристаллизации установлено, что в утфеле с мелкими кристаллами глюкоза выкри-
115
сталлизовывается быстрее, кроме того, снижается вероятность
образования «муки». Однако утфель с мелкими кристаллами хуже центрифугируется. В экспериментальных исследованиях установлено, что в интервале обычных размеров кристаллов скорость кристаллизации глюкозы практически одинакова.
6.1.5. Кристаллизация глюкозы в производственных условиях
Окончательный процесс кристаллизации глюкозы происходит в кристаллизаторах в управляемом режиме охлаждения утфеля. Сгущенный в вакуум-аппаратах сироп (СВ 74 - 76 % мас.) после охлаждения до 48 оС с рН 4,2 - 4,3 поступает в мешалкукристаллизатор, в котором осталась в качестве затравки часть
(примерно 30 %) глюкозного утфеля предыдущего цикла кристаллизации. Продолжительность перемешивания составляет от
12 до 24 ч. Охлаждение полученного утфеля с целью снижения
растворимости глюкозы и ее максимального выкристаллизовывания проходит в интервале от 44 до 25 оС в течение 110 - 120 ч.
Коэффициент пересыщения в начале кристаллизации составляет
1,25 - 1,30, на стадии завершения – 1,10 - 1,15. Утфель охлаждается за счет прохождения через поверхность теплообмена кристаллизаторов воды, причем разность температур не должна превышать 8 - 10 оС – в этих условиях образования «муки» не происходит.
Интенсивность охлаждения утфеля в кристаллизаторах с
целью поддержания заданного коэффициента пересыщения в
глюкозном растворе регулируется за счет изменения температуры
воды и ее расхода. В контуре охлаждения утфеля имеются два
сборника с различной температурой воды: в одном 30, а во втором 20 оС. На начальной стадии кристаллизации в контур подается вода с температурой 30 оС, после охлаждения утфеля до указанной температуры в контур подается вода из второго сборника
(температура 20 оС).
Окончание процесса кристаллизации глюкозы определяется
по величине Дб межкристального раствора – она не должна превышать 80 % при содержании СВ в нем около 63 % мас. Утфель с
нормальными кристаллами представляет рассыпчатую искрящуюся массу, не прилипающую к лопастям мешалки.
116
При пуске станции кристаллизации в работу при отсутствии утфеля в качестве затравки в сгущенный сироп вводится
глюкозная пудра в количестве 15 % к его массе.
Для кристаллизации используются горизонтальные цилиндрические мешалки, имеющие поверхность теплообмена в виде
змеевиков или пустотелых дисков. Для повышения интенсивности теплообмена мешалки могут оснащаться «рубашками» охлаждения. На горизонтальном валу, вращающемся с частотой 0,25 0,60 мин-1, имеются перемешивающие лопасти или планки на
пустотелых дисках.
Мешалки-кристаллизаторы могут работать индивидуально
в периодическом режиме охлаждения или объединяются в батареи, работающие непрерывно, что является предпочтительным с
точки зрения управления процессом охлаждения утфеля и поддержания заданной величины коэффициента пересыщения в
межкристальном растворе.
Вместимость кристаллизаторов от 24 до 57 м3, площадь поверхности теплообмена – 42 - 125 м2. На каждый м3 утфеля необходимо примерно 2,5 м2 площади поверхности охлаждения.
6.1.6. Центрифугирование глюкозного утфеля
Для разделения утфеля на компоненты и получения кристаллов глюкозы применяются центрифуги, в которых под действием центробежной силы происходит быстрое разделение исходной гетерогенной системы. Показателем интенсивности центрифугирования является фактор разделения, представляющий отношение центростремительного ускорения к ускорению свободного падения. В производстве глюкозы используются автоматизированные фильтрующие центрифуги периодического действия
с вертикальным приводным валом типа ФПН-1251 с фактором
разделения около 1500.
Эффективность работы центрифуги в большей степени
обусловлена показателями качества утфеля. Кристаллы глюкозы
крупного и среднего размера, однородные, при отсутствии «муки» образуют на сите центрифуги проницаемый слой, межкристальный оттек отделяется легко, пробеливание проходит с небольшим расходом горячей воды.
117
Процесс центрифугирования включает четыре стадии: загрузка утфеля, отделение межкристального раствора, промывание
кристаллов глюкозы, подсушка и выгрузка. Загрузка утфеля при
частоте вращения ротора 250 мин-1, отделение основной массы
межкристального раствора происходит вначале при частоте
750 мин-1, затем на максимальной 1450 мин-1. После отделения
межкристального раствора (первый оттек) кристаллы глюкозы
промываются (пробеливаются) теплой умягченной водой (можно
конденсатом паров) с температурой 45 оС в количестве 20 - 25 %
к массе глюкозы. В результате с поверхности кристаллов смываются поверхностные загрязнения – красящие вещества, азотистые
соединения, минеральные соли.
После завершения промывания, т. е. когда выходящий второй оттек почти бесцветный, центрифуга остается работать для
частичной подсушки кристаллов глюкозы. Выгружается сырая
глюкоза с помощью ножа, имеющего вертикальный ход, при
вращении ротора центрифуги в обратную сторону с частотой
50 мин-1. Глюкоза после центрифуги имеет влажность 13 - 15 % и
показатель чистоты - Дб 99,5 – 99,9 %.
Продолжительность полного цикла работы центрифуги 40 48 мин, из них загрузка – 1, отделение первого оттека – 15 - 18, промывание кристаллов – 8 - 10, подсушка – 12 - 15, выгрузка – 4 мин.
6.1.7. Сушка кристаллов гидратной глюкозы
В составе кристаллов глюкозы имеется вода в виде кристаллизационной влаги (9,1 %) и поверхностной (4 - 6 %). В процессе
сушки кристаллов удаляется только поверхностная свободная влага, поэтому влажность сухой глюкозы составляет около 9 %.
С учетом значительного содержания влаги в кристаллах
сырой глюкозы температура в процессе высушивания не должна
превышать порога ее плавления в собственной кристаллизационной влаге. Максимальная температура кристаллов глюкозы при
сушке 47 - 50 оС, что обеспечивается подачей горячего воздуха не
выше 55 оС. Температура отработавшего воздуха после сушилки
составляет 45 - 50 оС.
118
Высушивание глюкозы проводится в барабанных и пневматических сушилках в прямоточном режиме движения воздуха и
кристаллов. Отрицательной стороной барабанных сушилок является значительное механическое истирание кристаллов при достаточно продолжительном процессе сушки.
В пневматических сушилках осуществляется режим интенсивной быстротечной сушки в восходящем потоке горячего воздуха в вертикальной камере. Температура подаваемого горячего
воздуха значительно превышает 60 оС, однако за счѐт быстрого
процесса сушки (несколько секунд) кристаллы глюкозы не нагреваются до порога плавления. За счѐт высокой температуры сушильного агента повышается эффективность испарения свободной влаги кристаллов глюкозы. Смесь отработавшего воздуха и
глюкозы проходит через циклон для отделения сухой глюкозы,
после чего воздух с глюкозной пылью поступает в скруббер для
мокрой очистки и выбрасывается в атмосферу. Глюкозный раствор из скруббера направляется в линию получения сгущенного
сиропа утфеля I продукта.
Кристаллы сухой глюкозы, выходящие из нижней части
циклона, проходят через магнитный сепаратор, барабанные сита
для отделения крупки и затем в бункер готовой продукции. Сита
для рассева глюкозы имеют отверстия 1 мм, через которые проходят кристаллы глюкозы, но задерживаются слипшиеся кристаллы (крупка), которые растворяются в воде и возвращаются в
производство.
Сухая глюкоза упаковывается в тканевые мешки с вкладышем из полиэтилена (вместимость 50 кг) или в бумажные пакеты
по 1 кг.
Упакованная глюкоза должна храниться в складах на деревянных поддонах с относительной влажностью воздуха не выше
75 % при отсутствии посторонних, имеющих специфический запах, веществ.
119
6.1.8. Переработка межкристального раствора – зелѐной патоки
Первый оттѐк (зелѐная патока), полученный при центрифугировании утфеля I продукта, представляет собой насыщенный
глюкозный раствор, содержащий значительное количество несахаров. Для более полного извлечения глюкозы в виде желтого
сахара II продукта он подвергается обработке. Зеленая патока
разбавляется водой до СВ 30 - 35 % мас. и осахаривается соляной
кислотой (0,6 % к массе СВ патоки) в конверторе при температуре 138 оС (давление 0,32 МПа) в течение 30 мин. Полученный
кислый гидролизат нейтрализуется раствором кальцинированной
соды до рН 4,8 - 5,0.
За счет гидролиза доброкачественность раствора повышается на 4 - 6 %, что позволяет увеличить выход глюкозы.
Нейтрализованный сироп фильтруется с использованием
отработавших материалов из линии первого продукта (наполнители, активные угли), затем сгущается на 3-ступенчатой выпарной установке, работающей под разрежением, до СВ 52 -
56 % мас. Сироп второго продукта очищается активным углем,
фильтруется, подкисляется до рН 4,2 - 4,3 и направляется на вакуум-аппараты для окончательного сгущения до СВ 76 -
78 % мас. Сгущенный сироп с Дб не ниже 84 % охлаждается до
50 оС и поступает в кристаллизатор, в котором затравкой служит
часть утфеля II продукта – 30 - 35 %.
После получения однородной гетерогенной массы в режиме постепенного управляемого охлаждения от 44 до 28 оС в течение 220 - 265 ч проходит кристаллизация глюкозы при коэффициенте пересыщения 1,20 - 1,35. Кристаллизация завершается при
снижении Дб межкристального раствора до 70 - 71 %, содержание сухих веществ в нем 65 - 67 % мас.
Полученный утфель II продукта центрифугируется с получением кристаллов желтого сахара и межкристального раствора
(гидрола). Промывания кристаллов при этом не проводится.
Вследствие высокого содержания несахаров и значительной вязкости межкристального раствора продолжительность его отделения при центрифугировании составляет 25 - 30 мин.
120
После подсушивания в течение 12 мин кристаллы желтого
сахара выгружаются из ротора центрифуги и растворяются (клеруются) горячей водой совместно с глюкозной крупкой из сушильного отделения и белой патокой утфеля I продукта. Полученная клеровка направляется на дальнейшую переработку на
стадию очистки жидкого сиропа первого продукта.
Желтый сахар после такой обработки имеет достаточно высокую доброкачественность (94 - 96 %, влажность 14 - 16 %), что
позволяет при возвращении в производство увеличить выход условной безводной глюкозы на 5 - 7 %, т. е. до 71 - 72 % к массе
сухих веществ крахмала.
При проведении всего комплекса операций получения глюкозы нормируются ее потери в производстве, %:
- осахаривание и нейтрализация 0,05 + 0,05;
- фильтрование и обесцвечивание 0,40 + 0,40;
- промывание осадка и ткани 0,35;
- сгущение сиропа в два этапа 0,45;
- потери с промывными и сточными водами 1,20;
- потери неопределенные (нерасшифрованные) 2,00;
- итого потерь 4,90.
6.1.9. Применение гидрола
Оттек, полученный при центрифугировании утфеля II продукта, имеет производственное название гидрол. В его составе
глюкоза, продукты ее реверсии, примеси несахаров исходного
сырья (крахмала), а также образовавшиеся при гидролизе крахмала и в процессе различных технологических операций – выпаривание, уваривание, кристаллизация. Примеси в составе глюкозных сиропов повышают растворимость глюкозы и их вязкость, что способствует увеличению потерь глюкозы в конечном
побочном продукте – гидроле. Вследствие связывания примесями
в составе гидрола выводится 20 - 25 % глюкозы.
Гидрол – однородная непрозрачная жидкость темнокоричневого или черного цвета со специфическим запахом, содержащая не менее 65 % мас. СВ. В составе СВ редуцирующие
вещества (не менее 67 %), минеральные соединения – зола (не
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]