СПОСОБЫ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ КЛЕРОВКИ ЖЕЛТЫХ САХАРОВ В САХАРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

СПОСОБЫ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ КЛЕРОВКИ ЖЕЛТЫХ
САХАРОВ В САХАРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Астапова Е.Н., Авдеева Е.Ю., Шевгунова Д.А.
Воронежский государственный университет инженерных технологий
Воронеж, Россия
METHODS OF ADSORPTION PURIFICATION OF YELLOW SUGARS
CLAIRING IN SUGAR PRODUCTION
Astapova E.N., Avdeeva E.Yu, Shevgunova D.A
FSBEE HE "Voronezh State University of Engineering Technologies", Voronezh,
Russia (394036 Voronezh, revolution Avenue, 19
Одним из промежуточных продуктов производства сахара являются
желтые сахара, представляющие собой кристаллы жёлтого цвета, содержащие,
кроме сахарозы, много примесей – красящие, редуцирующие вещества и
другие. Раствор жёлтого сахара – клеровка – вместе с сиропом идёт на
уваривание утфеля. Если не проводить очистку жёлтых сахаров, то вместе с
клеровкой в вакуум-аппараты будут поступать нежелательные примеси.
Одна из наиболее важных проблем в сахарной промышленности –
проблема цветности сахара, обусловленной различными группами красящих
веществ, образующихся при проведении технологических процессов в
производстве. Основная часть красящих веществ образуется в результате
гидролиза
сахаров
аминосоединениями.
и
При
взаимодействия
этом
продукты
образуется
смесь
их
распада
с
трудноразделяемых
окрашенных соединений.
Кроме снижения качества сахара красящие вещества отрицательно
влияют на процессы очистки сока, кристаллизации и центрифугирования
сахара, способствуют увеличению количества пробеливающей воды при
центрифугировании утфеля I продукта и потерь сахара с оттеками, снижают
продолжительность хранения сахара. О количестве образующихся красящих
веществ приближенно можно судить по величине неучтенных потерь сахарозы,
в связи с тем, что большая часть продуктов распада сахарозы принимает
участие в формировании красящих веществ. Для удаления их из сахарных
растворов используют обесцвечивание, аффинацию и перекристаллизацию, но
они не всегда обеспечивают получение сахара высокого качества.
Для очистки клеровки желтых сахаров применяют различные методы:
• использование адсорбентов;
• использование электорохимически активированных растворов;
• аффинация желтого сахара;
• возврат клеровки в сокоочистительное отделение.
Использование адсорбентов
Качество сиропа характеризуется его чистотой, содержанием в нем
красящих веществ, наличием примесей коллоидной степени дисперсности. Все
эти группы несахаров могут включаться в кристаллы сахара во время
уваривания утфелей и тем самым ухудшать качество сахара, а так же замедлять
кристаллизацию. Наиболее эффективным приемом удаления этих примесей
является использование вспомогательных фильтрующих средств, таких как
активный уголь и целлюлоза.
Чаще всего применяют гранулированный активный уголь, получаемый
паро-газовой активацией при 800 – 900оС. При этом на поверхности угля
образуется окисел, гидратная форма которого приобретает положительный
заряд. Носителем адсорбционной способности активного угля является углерод.
При
наличии
смачиваемость,
на
его
поверхности
адсорбционная
смолистых
способность
угля
веществ,
ухудшающих
понижается.
Однако
промыванием углей органическими растворителями (ацетоном, бензолом,
дихлорэтаном, пиридином) и обработкой острым паром повысить их
адсорбционную активность по отношению к красящим веществам не удается.
Из практики работы сахарных заводов известно, что красящие вещества
из растворов удаляются не полностью, эффект обесцвечивания не превышает
39%. Увеличение количества угля и времени адсорбции почти не меняет
указанных результатов.
Низкий эффект обесцвечивания объясняют специфичностью химического
строения
некоторых
групп
красящих
веществ,
обладающих
плохой
адсорбционной способностью.
В
процессе
нагревания
реакционной
смеси
параллельно
с
возникновением новой фазы красящих веществ происходит укрупнение их с
образованием частиц коллоидной дисперсности.
Укрупнение частиц красящих веществ происходит как при высоких
температурах, так и при низких.
С увеличением поверхности раздела фаз (с уменьшением размера гранул
угля) количество адсорбированных веществ резко повышается. На молотом
угле эффект обесцвечивания достигал 90 – 100% вместо обычных 40 – 50% на
стандартном угле.
Следовательно, в смеси красящих веществ, образующихся в сахарном
производстве, нет каких-то групп, обладающих специфическим строением и
свойствами, подавляющими их сорбционную способность. Просто остающиеся
в растворе после адсорбции красящие вещества имеют больший размер частиц,
чем адсорбированные, и не могут проникнуть в микропоры сорбента.
Следует отметить, что на молотых углях, кроме красящих веществ,
хорошо
адсорбируются
и
бесцветные
коллоидные
частицы,
которые,
обволакивая поверхность кристаллов сахарозы и врастая в кристаллическую
решетку, придают сахару серый цвет. При использовании в сахарной
промышленности сорбентов, кроме эффекта обесцвечивания необходимо
определять и поверхностное натяжение растворов. Это даст возможность
судить о количестве удаленных несахаров, а следовательно, и об общем
эффекте
очистки,
так
как
несахара,
являясь
поверхностно-активными
веществами, сильно снижают поверхностное натяжение. С удалением
несахаров оно повышается до поверхностного натяжения растворов сахарозы.
Адсорбционная емкость угля в порошкообразном состоянии (диаметр
частиц около 90 мкм) в 5—6 раз выше, чем гранулированного
На величину адсорбции оказывают влияние геометрическая форма зерен
угля и связанная с ней внешняя поверхность частиц. Основным показателем
скорости установления адсорбционного равновесия является отношение
внешней поверхности частиц к объему. Зерна произвольной формы (дробленые
угли) имеют отношение внешней поверхности к объему больше, чем
цилиндрические гранулы такого же фракционного состава. Путь диффузии
адсорбируемых молекул внутрь зерен угля произвольной формы значительно
короче, чем в цилиндрических зернах, что приводит к увеличению скорости
адсорбции.
При использовании в адсорберах принципа противотока удается
повысить эффект очистки сиропов. Эффект адсорбции красящих веществ из
сиропов достигает 50%, причем меланоидинов удаляется несколько больше,
чем продуктов щелочного распада редуцирующих сахаров. Продукты
карамелизации сахарозы почти не адсорбируются. В обесцвеченном сиропе
уменьшается количество коллоидов и аминного азота, содержание солей
кальция остается неизменным. Но при этом немного увеличивается содержание
инвертного сахара, связанное, по-видимому, с катализирующим действием
поверхности
адсорбента
и
снижением
буферной
емкости
сиропов.
Обесцвеченные сиропы обладают пониженной термоустойчивостью.
Скорость сорбционных процессов зависит от реакции среды. С
понижением рН адсорбция красящих веществ увеличивается
По-видимому, красящие вещества, являясь солями кислот, трудно
растворимы в кислой среде и потому легко адсорбируются. В щелочной среде
адсорбция их снижается, так как образуются легко растворимые натриевые и
калиевые соли.
Целлюлоза (клетчатка) – это полисахарид, который характеризуется
высокой степенью полимеризации, из него построены стенки клеток
растительных
тканей.
Химическая
стойкость
целлюлозы
высока.
Это
соединение не растворяется в воде даже при кипячении.
Целлюлоза является экологически безопасным продуктом, изготовляется
из возобновляемых ресурсов и используется для фильтрования продуктов
пищевой промышленности и других отраслей.
Характерным для целлюлозы является высокое сродство меланоидинам,
что обеспечивает повышение эффекта удаления этой группы красящих
веществ. Волокна целлюлозы набухают в воде, образуя высокопористый осадок
с
разветвленной
структурой,
которая
увеличивает
площадь
активной
адсорбции.
Механизм адсорбции разных групп красящих веществ на развитой
поверхности целлюлозы можно объяснить следующим образом. Красящие
вещества, которые содержатся в сахаросодержащих растворах, такие как соли
органических оснований, соли углеродных и сульфокислот, анионные
комплексы некоторых красителей с металлами в водных сахаросодержащих
растворах диссоциируют с образованием анионов красящих веществ, а соли
органических оснований – их катионов. Они сродны целлюлозе, адсорбируются
кислотными и основными группами и удерживаются на целлюлозе ионными
связями. Красящие вещества, которые способны образовывать стойкие
комплексы с металлами не имеют достаточного сродства с целлюлозой, но
удерживаются на ней солями металлов.
Вещества коллоидной дисперсности адсорбируются на целлюлозных
волокнах из водных растворов сахарозы и могут быть удалены при
фильтровании.
Адсорбция красящих веществ на целлюлозе происходит в несколько
стадий:
- диффузия красящих веществ в сахаросодержащем растворе к
поверхности волокна целлюлозы, которая ускоряется перемешиванием, а так
же образование на поверхности волокна заряда, противоположного заряду
красящих веществ;
- сорбция красящих веществ активными центрами поверхности волокна,
которая зависит от диаметра и длины волокна.
- диффузия сорбированных красящих веществ внутри волокна, связана с
выравниванием концентраций их на поверхности и в середине волокна;
- закрепление красящих веществ на волокнах происходит быстро.
Красящие вещества держатся в результате образования стойких ковалентных,
ионных и водородных связей.
Целлюлоза изменяет цвет после адсорбции красящих веществ, то есть она
ими окрашивается.
Исследования показали сорбционную эффективность целлюлозы по
отношению к молекулярно-растворимым примесям – взвесям и красящим
веществам. Целлюлоза при обработке ею сиропа удаляет из него как полярные,
так
и
неполярные
примеси,
которые
более
всего
вклиниваются
в
кристаллическую решетку сахара во время его кристаллизации. Таким образом,
при использовании целлюлозы повышается эффективность удаления красящих
веществ, что приводит к повышению качества готового сахара.
Электрохимически активированные растворы
Электрохимически
активированные
(ЭХА)
растворы
–
анолиты,
полученные в анодной камере диафрагменного электролизера.
Под действием анолита протекает ряд химических реакций, в частности
окисление хромофорной группы меланоидных соединений, приводящее к
осветлению клеровки. Наблюдается разрушение комплексов меланоидных
соединений с сахарозой, способствующее снижению потерь и, таким образом,
увеличению содержания сахара в клеровке и её чистоты. Особенно выражено
этот эффект проявляется после дефекосатурационной очистки клеровки.
Снижение вязкости клеровки за счёт использования анолита в качестве
клерующего раствора способствует интенсификации реакций разложения
редуцирующих веществ и других процессов, протекающих на дефекации.
Также адсорбция несахаров при дефекосатурации происходит эффективнее.
Обесцвечивающее
действие
окислителей
при
их
определённых
концентрациях в сахарсодержащих растворах обусловлено не разрывом
химических
связей, а
переходом окрашенных
веществ в бесцветные
лейкосоединения, а также образованием ряда промежуточных соединений с
более низкой интенсивностью окраски. Соединения, образовавшиеся в
результате
деструкции
адсорбируются
окрашенных
карбонатом
кальция
веществ,
на
окислителем
сатурации,
что
хорошо
способствует
улучшению качества сока.
Кроме того, электрохимическая обработка позволяет получить растворы с
ослабленными водородными связями между молекулами Н2О и с пониженной
вязкостью. Всё это способствует более полному и активному протеканию
многих физико-химических процессов при дальнейшей очистке клеровки.
Например, эффективность дефекации как массообменного процесса зависит от
вязкости очищаемого раствора (клеровки). Снижение вязкости клеровки за счёт
использования анолита в качестве клерующего раствора способствует
интенсификации реакций разложения редуцирующих веществ и других
процессов, протекающих на дефекации. Также адсорбция несахаров при
дефекосатурации происходит эффективнее.
Таким образом, при использовании анолита на клеровании происходит
обесцвечивание и разрушение красящих веществ, создаются благоприятные
условия для проведения дальнейшей дефекосатурационной очистки клеровки.
Аффинация сахара III кристаллизаци.
Аффинация (от французского слова affinier — облагораживание,
улучшение) является эффективным способом повышения качества аффинируемого сахара. Улучшение качества аффинируемого сахара достигается
путем замены пленки маточного раствора на поверхности аффинируемого
сахара на меньшее ее количество и более высокого качества.
Процесс аффинации состоит из двух ступеней:
♦
приготовления аффинационного утфеля;
♦
центрифугирования аффинационного утфеля.
Аффинации можно подвергать любой сахар: сахар-сырец, желтые сахара
и сахар утфеля первого продукта.
Цель аффинации- повысить чистоту сахара последней кристаллизации,
который
после
растворения
возвращается
на
уваривание
утфеля
I
кристаллизации.
При
центрифугировании
утфеля
последней
кристаллизации
на
поверхности кристаллов сахара в пленке остается 12... 18 % межкристального
раствора, вместе с которым чистота сахара составляет 93...95 %. Чтобы
повысить чистоту; сахар аффинируют, смешивая его в аффинаторе с
разбавленным до 74...76 % СВ первым оттеком утфеля 1 кристаллизации до СВ
89...90 %. Полученный аффинационный утфель перемешивают в течение 20
мин при температуре около 65 °C.
В результате значительной разности концентрации несахаров в пленке на
кристаллах (например, Ч ~ 60 %) и в аффинирующем растворе ( Ч ~ 82 %)
часть несахаров из пленки переходиi (диффундирует) в аффинирующий
раствор. При этом чистота ее повышается, а содержание сухих веществ и
вязкость снижаются, что обусловлено уменьшением растворимости сахарозы в
пленке,
являющейся
насыщенным
раствором.
При
центрифугировании
аффинационного утфеля с менее вязким межкристальным раствором пленка
последнего на поверхности отделяемых кристаллов сахара становится тоньше,
а чистота сахара — выше.
По чистоте аффинационный утфель приближается к утфелю II
кристаллизации, но по среднему размеру кристаллов значительно отличается.
Поэтому
их
центрифугируют
раздельно.
Аффинационный
утфель
центрифугируют при температуре 45…50°С, на промывание сахара-аффинада
расходуют 1 % горячей воды к массе утфеля. Первый и второй оттеки
объединяют.
После промывания чистота сахара, называемого сахаром-аффинадом,
повышается до 96...97 %, а цветность снижается в 2...3 раза. Чистота
аффинационного оттека на 2,5...3 % ниже чистоты аффинирующего раствора,
расход которого составляет 4,5...5 % к массе свеклы.
Аффинация сахара III кристаллизации в аффинаторе имеет существенные
недостатки: для ее проведения требуется дополнительное оборудование
(центрифуги, аффинатор, насосы, трубопроводы), при перемешивании утфеля
часть кристаллов сахара истирается и при центрифугировании эти осколки
попадают в аффинационный оттек, на промывание кристаллов расходуется
вода, в которой часть их растворяется. Поэтому типовую схему аффинации
целесообразно заменять промыванием сахара последней кристаллизации в
центрифугах первым оттеком утфеля I кристаллизации или мелассой. И тот, и
другой продукт должны быть разбавлены до содержания сухих веществ 74...76
% и нагреты до 80...85 °С. Чистота мелассы, используемой на промывание
сахара последней кристаллизации, на выходе из центрифуги повышается всего
лишь на 0,4…0,5%
Процесс аффинации зависит от многих факторов: гранулометрического
состава сахара (чем кристалл однороднее и крупнее, тем эффект выше), от
качества аффинируемого сахара и применяемого аффинирующего раствора,
температуры проведения процесса.
В среднем можно считать, что при применении процесса аффинации
цветность снижается примерно в два раза, содержание несахаров (главным
образом золы) — примерно на 40...50 %.
В любом случае можно считать, что аффинация является эффективным
способом улучшения качества сахара без применения химических реагентов и
адсорбционных средств.
Именно поэтому аффинация желтого сахара последнего продукта
является составным элементом практически каждой кристаллизационной
схемы.
Возврат клеровки в сокоочистительное отделение
Клеровка поступает в сокоочистительное отделение в дефекатор (на
известкование). Кроме этого в дефекатор поступает клеровка зеленой патоки I
продукта совместно с клеровкой желтого сахара III продукта с содержанием
сухих
веществ
50-54
%.
В
дефекаторе
клеровки
смешиваются
со
свежеприготовленным раствором «известкового молока». Продолжительность
10 минут, температура 80градусов. Расход извести 2-4% к массе сахара-сырца в
зависимости от его качества.
Дефекованная клеровка после подогрева поступает на сатурацию, которая
осуществляется в две ступени. В сатураторах происходит обработка клеровки
сатурационным газом, при которой несахара выпадают в осадок и, совместно с
красящими веществами, адсорбируются на поверхности свежеобразовавшегося
осадка СаСОз.
Перед второй ступенью фильтрования в клеровку дополнительно
вводится известковое молоко в количестве 0,3-0,5 % СаО к массе сахара-сырца.
После
первой
ступени
сатурации
клеровка
имеет
щёлочность
по
фенолфталеину 0,09-0,11 % СаО (рН 10-10,5) после второй ступени 0,01-0,05 %
СаО (рН 8,4-8,6). Клеровка, обработанная углекислым газом, подогревается до
85 градусов и направляется на станцию фильтрации, где проходит две
стадии:фильтрация клеровки, фильтрация суспензии. Суспензия с фильтров
сбрасывается
в
мешалку,
далее
выкачивается
на
фильтр-пресса
для
высолаживания. Полученный в результате высолаживания дефекат в виде
порошка удаляется на специальные складские площадки. Промой с камерных
фильтров направляется в сборник промоя для использования его при
растворении сахара-сырца и зеленой патоки I продукта.
Полученный после фильтрации сироп направляется на сульфитацию
(обработка сернистым газом SO2).
Сульфитированная клеровка фильтруется и направляется на уваривание
(сгущение очищенного сиропа) на 4-ом, 5-ом и 6-ом корпусах выпарной
станции до содержания сухих веществ 72-74 %. Далее сироп послушает в
сборники сиропа продуктового отделения перед вакуум-аппаратами для
уваривания утфеля I-ой кристаллизации.
На дефекосатурации обеспечивается снижение цветности сиропа и
повышение его чистоты за счет адсорбции несахаров осадком карбрната
кальция и частично за счет их осаждения. Но недостатком этого метода
является значительное пенение сахарных растворов, которое усложняет его
практическое использование.
Заключение
Цветность сахара-песка — один из важнейших показателей его качества,
зависит от качественного и количественного состава красящих веществ,
содержащихся в нем.
Основное количество красящих веществ, как и зольных элементов, в
сахаре-песке содержится в пленке маточного раствора, находящейся на
поверхности кристаллов. Этим, очевидно, можно объяснить то, что между
цветностью сахара-песка и его зольностью имеется взаимосвязь. Чем выше
цветность сахара-песка, тем выше его зольность. Именно этим, по-видимому, и
объясняются высокие требования к цветности сахара-песка, используемого при
приготовлении таких сильно окрашенных напитков, как «Кока-кола» и «Пепсикола», для которых цветность используемого песка, казалось бы, не должна играть особой роли.
Сахар, который не отвечает всем требованиям, относится к низшим
категориям, что приводит к пониженным ценам на него и уменьшению
возможностей его сбыта на отечественном и мировом рынках. Именно поэтому
необходимо
разрабатывать
наиболее
эффективные
методы
снижения
содержания красящих веществ в полупродуктах сахарного производства.
Список используемой литературы
1.
Сапронов
А.Р.
Технология
сахарного
производства
-
М.:
Агропромиздат, 1986. - 98-103 с.
2. Бугаенко И. Ф. Общая технология отрасли. Научные основы технологии сахара / И. Ф. Бугаенко, В. И. Тужилкин. - СПб. : Гиорд, 2007. - 215с.
3. Сапронов А.Р. Красящие вещества и их влияние накачество сахара
/А.Р. Сапронов, Р.А. Колчева. – М.: Пищевая промышленность, 1975. – С.190192.
4. Бугаенко И.Ф. Технохимический контроль сахарного производства. –
М.: Агропромиздат, 1989. – 230 с.