Факторы и варианты основной дефекации
25-04-2017, 14:16
Сущность и значение. Название «Основная, или главная, дефекация» оставлено лишь по традиции, по существу же эта дефекация совсем и не основная, и не главная, так как все быстроидущие реакции осаждения несахаров и коагуляции белков, ведущие к повышению чистоты сока, проходят уже раньше — на предварительной дефекации. На долю же основной дефекации остаются лишь реакции разложения, отнюдь не повышающие чистоты сока, а немного понижающие ее и ведущие к увеличению цветности сока и к повышению содержания солей кальция в нем.
При разложении амидов выделяется аммиак, но образуются растворимые соли кальция аминокислот, при разложении редуцирующих веществ получается ряд кислот, тоже дающих соли кальция, да еще и окрашенные. Цветность особенно усиливается, так как это щелочное разложение моносахаров происходит в присутствии аминокислот, причем образуются весьма сложные, очень сильно окрашенные соединения «меланоидины», открытые Майяром: они содержат азот.
Разложение пектина и превращение его в пектовую кислоту приводят к затрудненной фильтрации сока 1 сатурации. И пектин, и пектовая кислота дают нерастворимые соли кальция — пектинаты и пектаты. По пектинат кальция гораздо легче отфильтровывать, чем образующийся после разложения особенно желатинозный и трудноотфильтровываемый пектат кальция.
Реакции разложения проходят далеко не моментально. Поэтому их можно задержать, снижая или длительность, или температуру дефекации, или то и другое. Такая работа почти без основной дефекации дает очищенный сок с несколько повышенной чистотой (на 0,3—0,5%), с меньшей цветностью и с меньшим содержанием солей кальция; кроме того, значительно увеличивается скорость фильтрации сока I сатурации. Однако эти хорошие качества сока удается сохранить лишь в том случае, если предотвратить продвижение незаконченных реакций разложения на дальнейших этапах сахарного производства, т. е. быстро выполнять I и II сатурацию, проводить углубленную сульфитацию перед выпаркой, например до pH 7,5. Если же на выпарку будет поступать сок с pH 9,5, то при выпаривании будет наблюдаться значительное падение щелочности и нарастание цветности вследствие идущих там реакций разложения. Катализатором для этих реакций являются ионы гидроксила, концентрация которых при. pH 9,5 в 100 раз больше, чем при pH 7,5.
Подобную работу без реакций разложения ведут на тростниковосахарных заводах, так как сахарный тростник всегда содержит значительные количества редуцирующих веществ, и, если допустить разложение их, то получился бы чрезмерно окрашенный сок. Поэтому там работают при низких pH, и редуцирующие вещества в неразложенном состоянии проходят по всем станциям завода и удаляются с мелассой.
Подобная же работа почти без реакций разложения осуществлялась в США и на свеклосахарных заводах. Однако в настоящее время при применении отстойников в качестве грязесгустителей уже нельзя рекомендовать работу без дефекации или с уменьшенной дефекацией, так как в отстойниках сок I сатурации долгое время (2 ч) находится при высокой температуре (80—85° С) и высоком pH (11). Поэтому здесь, конечно, идет разложение редуцирующих веществ, т. е. значительно нарастает цветность и повышается содержание солей кальция.
Если бы эти вредные процессы прошли на дефекации, то сок все же был бы улучшен путем адсорбции на I сатурации. Поэтому при наличии отстойников нужно применять достаточно углубленную дефекацию (например, 10 мин при 80—85° С), чтобы в отстойник поступал «прочный» сок, не содержащий редуцирующих веществ.
Рассмотрим детальнее варианты работы на дефекации по отдельным факторам.
Продолжительность дефекации. Как уже сказано, для разложения редуцирующих веществ и получения устойчивого сока требуется 10-минутная дефекация при 80° С. Однако для облегчения фильтрации иногда применяют ускоренную дефекацию.
Сюда относится так называемая моментальная дефекация, предложенная Л.М. Агеевым, при которой обходятся совсем без специальной дефекации, а известковое молоко вместе с диффузионным соком поступает непосредственно в верхнюю часть решетчатого сатуратора. Здесь все же имеется хотя и слабая, но очень быстрая дефекация, так как в верхней части сатуратора щелочность еще высокая. При моментальной дефекации весьма ускоряется фильтрация (раза в 2), но повышается цветность сока. При переработке испорченной свеклы, богатой растворимыми пектиновыми веществами, дающей очень плохо фильтрующийся сок, этот метод работы иногда применяется.
В США при работе с возвратом очень большого количества нефильтрованного сока I сатурации (около 700%) и при применении сатуратора Бенинга дефекация почти полностью отсутствует. Здесь известковое молоко тоже подается в верхнюю часть сатуратора, но оно, кроме того, разбавляется семикратным количеством возвращаемого отсатурированного сока. Как и следовало ожидать, получается очень легкоотстаивающийся и фильтрующийся, но неустойчивый сок, значительно повышающий цветность и содержание солей кальция в период декантации в отстойнике, что и установлено работами О. Виклунда.
Все же при одновременной дефекации и сатурации весьма облегчается фильтрация: одновременно направляют в сатуратор и диффузионный сок, и струю известкового молока, и углекислый газ, регулируя скорость подачи таким образом, чтобы поддерживалось за все время сатурации одно и то же оптимальное значение pH 11. В результате ни на один момент pH не поднимается до высоких значений, характерных для основной дефекации, пектин не превращается в пектовую кислоту, не образуется затрудняющих фильтрацию кальциевых солей декстрана и фильтрация сока I сатурации идет легко даже при переработке подмороженной и значительно испорченной свеклы. При работе с хорошей свеклой этот метод позволяет снизить расход извести. Предложившие этот метод «одновременной дефекации и сатурации» или «дефеко-сатурации» Дедек и Вашатко объясняют достигнутое улучшение фильтрации укрупнением частиц осадка СаСО3, который выпадает здесь при меньшей концентрации извести, благодаря чему образуется гораздо меньше центров кристаллизации.
Еще лучший эффект получается при дефеко-сатурации с временным пересатурированием до pH 9—9,5 (и щелочность 0,02— 0,01 % СаО). Такое пересатурирование Бетгер рекомендует выполнять, когда уже добавлено 60% всей извести. В этот момент на время прекращают дальнейший приток извести, получают нужное пересатурирование и затем добавляют остальные 40% извести одновременно с сатурацией при постоянном оптимальном pH 11. Быть может, при пересатурировании растворяются особенно мелкие частицы осадков кальциевых солей, а при дальнейшей дефеко-сатурации вновь выпадают, наращивая более крупные частицы.
Температура. Понижение температуры дефекации должно влиять так же, как и ускорение ее: реакции разложения снизятся и можно ожидать более легкой фильтрации. Это и подтвердилось при испытании метода А.К. Карташева, при котором диффузионный сок проходил через холодную предварительную дефекацию, холодную 10-минутную основную дефекацию, нагревался до 90° С и сатурировался. Фильтрация шла легче, что особенно было заметно При работе с испорченной свеклой. Чтобы обеспечить разложение редуцирующих веществ, рекомендовалось перед II сатурацией проводить особую II дефекацию с 0,2% СаО в течение 5 мин. Перед выпаркой для обесцвечивания рекомендовалась сульфитация.
Интересно предложение Вашатко: прибавлять всю известь для дефекации при перемешивании смеси около 5 мин на холоду (например, после холодной предварительной дефекации при 60°С), а затем нагревать смесь до 90°С и выдерживать 5 мин при этой температуре. На холоду известь более растворима и после нагревания она не успевает опять выпасть в осадок, действует энергично при повышенной концентрации и температуре, разлагая быстро и полностью редуцирующие вещества.
Мокрая и сухая дефекация. Обычно процесс дефекации ведут при помощи известкового молока (мокрая дефекация), но можно дефековать также спуская куски негашеной извести непосредственно в диффузионный сок в дефекаторе (сухая дефекация). При сухой дефекации в раствор переходит в 1,5 раза больше извести (пересыщенный раствор, получаемый при растворении весьма тонких частичек, о чем уже говорилось в главе об образовании сахаратов кальция): вместо обычных 0,25% растворяется 0,35% извести.
В связи с этим реакции разложения проходят несколько быстрее. Очистка сока получается такая же, как и при мокрой дефекации. Можно было бы опасаться разложения сахара при гашении извести в диффузионном соке вследствие местных перегревов, но опытами такое явление не обнаружено.
Недостатки сухой дефекации кроются в неудобстве манипулирования с кусками негашеной извести, неточности ее дозирования. Поэтому она очень мало применяется.
Количество извести. Теоретически для дефекации совсем не требуется 2—2,5% извести по массе свеклы, которые обычно применяются на сахарных заводах, а достаточно уже 0,3%), т.е. в 7 раз меньше. Работа с меньшими количествами извести имеет ряд преимуществ: 1) меньший расход известняка; 2) меньшая загрузка транспорта на подвоз известняка; 3) меньший расход тепла на обжиг известняка и на I сатурации; 4) получение дефеко-сатурационной грязи, более ценной как удобрение и в меньшем количестве, следовательно, освобождение от обременительного отброса.
Ввиду перечисленных преимуществ становится понятным стремление сахаротехники к уменьшению расхода извести на дефекацию.
Однако при уменьшении расхода извести мы сталкиваемся с рядом затруднений в производстве, которые сводятся к следующему: 1) ухудшается фильтрация сока, так как грязь делается слизистой, заклеивающей поры фильтра; 2) сатурационный сок оказывается повышенной цветности с большим количеством солей кальция и с пониженной чистотой, так как с уменьшением количества извести уменьшается и эффект адсорбции на сатурации.
Предложен ряд способов для уменьшения расхода извести с одновременным устранением вредных последствий этого.
Для улучшения фильтрации предлагалось заменять часть извести мелом или кизельгуром, внося вместо 2 лишь 1 % извести и, кроме того, 1% мела или кизельгура. При этом фильтрация действительно улучшается, но адсорбция остается все-таки плохой, так как ни мел, ни кизельгур не обладают адсорбционными свойствами свежеосажденного СаСО3, следовательно, по цветности и солям кальция при таком методе работы получаются ухудшенные показатели. Кроме того, преимуществом при этом способе является лишь уменьшение количества обжигаемого известняка, но ничего не выгадывается ни на транспорте, ни на удобрительных качествах и количестве грязи. Поэтому способ замены извести мелом или кизельгуром на практике не привился.
Шпенглер и Беттгер дали схему очистки сока с малым количеством извести; предлагается вносить лишь «оптимальное» количество извести до pH 11 (0,2—0,3%) и после нагрева до температуры 85° С фильтровать сок без сатурации. Затем подвергать фильтрованный сок I сатурации, добавляя 0,1% СаО, и сок II сатурации — также с добавлением 0,1% СаО. Осадки СаСО3 с I и II сатурации добавляют на дефекацию, чтобы облегчить отфильтровывание осадка. Следовательно, всего затрачивается около 0,5% СаО, но схема сложная и первая фильтрация будет затрудненной, а очистка сока — хуже.
При разложении амидов выделяется аммиак, но образуются растворимые соли кальция аминокислот, при разложении редуцирующих веществ получается ряд кислот, тоже дающих соли кальция, да еще и окрашенные. Цветность особенно усиливается, так как это щелочное разложение моносахаров происходит в присутствии аминокислот, причем образуются весьма сложные, очень сильно окрашенные соединения «меланоидины», открытые Майяром: они содержат азот.
Разложение пектина и превращение его в пектовую кислоту приводят к затрудненной фильтрации сока 1 сатурации. И пектин, и пектовая кислота дают нерастворимые соли кальция — пектинаты и пектаты. По пектинат кальция гораздо легче отфильтровывать, чем образующийся после разложения особенно желатинозный и трудноотфильтровываемый пектат кальция.
Реакции разложения проходят далеко не моментально. Поэтому их можно задержать, снижая или длительность, или температуру дефекации, или то и другое. Такая работа почти без основной дефекации дает очищенный сок с несколько повышенной чистотой (на 0,3—0,5%), с меньшей цветностью и с меньшим содержанием солей кальция; кроме того, значительно увеличивается скорость фильтрации сока I сатурации. Однако эти хорошие качества сока удается сохранить лишь в том случае, если предотвратить продвижение незаконченных реакций разложения на дальнейших этапах сахарного производства, т. е. быстро выполнять I и II сатурацию, проводить углубленную сульфитацию перед выпаркой, например до pH 7,5. Если же на выпарку будет поступать сок с pH 9,5, то при выпаривании будет наблюдаться значительное падение щелочности и нарастание цветности вследствие идущих там реакций разложения. Катализатором для этих реакций являются ионы гидроксила, концентрация которых при. pH 9,5 в 100 раз больше, чем при pH 7,5.
Подобную работу без реакций разложения ведут на тростниковосахарных заводах, так как сахарный тростник всегда содержит значительные количества редуцирующих веществ, и, если допустить разложение их, то получился бы чрезмерно окрашенный сок. Поэтому там работают при низких pH, и редуцирующие вещества в неразложенном состоянии проходят по всем станциям завода и удаляются с мелассой.
Подобная же работа почти без реакций разложения осуществлялась в США и на свеклосахарных заводах. Однако в настоящее время при применении отстойников в качестве грязесгустителей уже нельзя рекомендовать работу без дефекации или с уменьшенной дефекацией, так как в отстойниках сок I сатурации долгое время (2 ч) находится при высокой температуре (80—85° С) и высоком pH (11). Поэтому здесь, конечно, идет разложение редуцирующих веществ, т. е. значительно нарастает цветность и повышается содержание солей кальция.
Если бы эти вредные процессы прошли на дефекации, то сок все же был бы улучшен путем адсорбции на I сатурации. Поэтому при наличии отстойников нужно применять достаточно углубленную дефекацию (например, 10 мин при 80—85° С), чтобы в отстойник поступал «прочный» сок, не содержащий редуцирующих веществ.
Рассмотрим детальнее варианты работы на дефекации по отдельным факторам.
Продолжительность дефекации. Как уже сказано, для разложения редуцирующих веществ и получения устойчивого сока требуется 10-минутная дефекация при 80° С. Однако для облегчения фильтрации иногда применяют ускоренную дефекацию.
Сюда относится так называемая моментальная дефекация, предложенная Л.М. Агеевым, при которой обходятся совсем без специальной дефекации, а известковое молоко вместе с диффузионным соком поступает непосредственно в верхнюю часть решетчатого сатуратора. Здесь все же имеется хотя и слабая, но очень быстрая дефекация, так как в верхней части сатуратора щелочность еще высокая. При моментальной дефекации весьма ускоряется фильтрация (раза в 2), но повышается цветность сока. При переработке испорченной свеклы, богатой растворимыми пектиновыми веществами, дающей очень плохо фильтрующийся сок, этот метод работы иногда применяется.
В США при работе с возвратом очень большого количества нефильтрованного сока I сатурации (около 700%) и при применении сатуратора Бенинга дефекация почти полностью отсутствует. Здесь известковое молоко тоже подается в верхнюю часть сатуратора, но оно, кроме того, разбавляется семикратным количеством возвращаемого отсатурированного сока. Как и следовало ожидать, получается очень легкоотстаивающийся и фильтрующийся, но неустойчивый сок, значительно повышающий цветность и содержание солей кальция в период декантации в отстойнике, что и установлено работами О. Виклунда.
Все же при одновременной дефекации и сатурации весьма облегчается фильтрация: одновременно направляют в сатуратор и диффузионный сок, и струю известкового молока, и углекислый газ, регулируя скорость подачи таким образом, чтобы поддерживалось за все время сатурации одно и то же оптимальное значение pH 11. В результате ни на один момент pH не поднимается до высоких значений, характерных для основной дефекации, пектин не превращается в пектовую кислоту, не образуется затрудняющих фильтрацию кальциевых солей декстрана и фильтрация сока I сатурации идет легко даже при переработке подмороженной и значительно испорченной свеклы. При работе с хорошей свеклой этот метод позволяет снизить расход извести. Предложившие этот метод «одновременной дефекации и сатурации» или «дефеко-сатурации» Дедек и Вашатко объясняют достигнутое улучшение фильтрации укрупнением частиц осадка СаСО3, который выпадает здесь при меньшей концентрации извести, благодаря чему образуется гораздо меньше центров кристаллизации.
Еще лучший эффект получается при дефеко-сатурации с временным пересатурированием до pH 9—9,5 (и щелочность 0,02— 0,01 % СаО). Такое пересатурирование Бетгер рекомендует выполнять, когда уже добавлено 60% всей извести. В этот момент на время прекращают дальнейший приток извести, получают нужное пересатурирование и затем добавляют остальные 40% извести одновременно с сатурацией при постоянном оптимальном pH 11. Быть может, при пересатурировании растворяются особенно мелкие частицы осадков кальциевых солей, а при дальнейшей дефеко-сатурации вновь выпадают, наращивая более крупные частицы.
Температура. Понижение температуры дефекации должно влиять так же, как и ускорение ее: реакции разложения снизятся и можно ожидать более легкой фильтрации. Это и подтвердилось при испытании метода А.К. Карташева, при котором диффузионный сок проходил через холодную предварительную дефекацию, холодную 10-минутную основную дефекацию, нагревался до 90° С и сатурировался. Фильтрация шла легче, что особенно было заметно При работе с испорченной свеклой. Чтобы обеспечить разложение редуцирующих веществ, рекомендовалось перед II сатурацией проводить особую II дефекацию с 0,2% СаО в течение 5 мин. Перед выпаркой для обесцвечивания рекомендовалась сульфитация.
Интересно предложение Вашатко: прибавлять всю известь для дефекации при перемешивании смеси около 5 мин на холоду (например, после холодной предварительной дефекации при 60°С), а затем нагревать смесь до 90°С и выдерживать 5 мин при этой температуре. На холоду известь более растворима и после нагревания она не успевает опять выпасть в осадок, действует энергично при повышенной концентрации и температуре, разлагая быстро и полностью редуцирующие вещества.
Мокрая и сухая дефекация. Обычно процесс дефекации ведут при помощи известкового молока (мокрая дефекация), но можно дефековать также спуская куски негашеной извести непосредственно в диффузионный сок в дефекаторе (сухая дефекация). При сухой дефекации в раствор переходит в 1,5 раза больше извести (пересыщенный раствор, получаемый при растворении весьма тонких частичек, о чем уже говорилось в главе об образовании сахаратов кальция): вместо обычных 0,25% растворяется 0,35% извести.
В связи с этим реакции разложения проходят несколько быстрее. Очистка сока получается такая же, как и при мокрой дефекации. Можно было бы опасаться разложения сахара при гашении извести в диффузионном соке вследствие местных перегревов, но опытами такое явление не обнаружено.
Недостатки сухой дефекации кроются в неудобстве манипулирования с кусками негашеной извести, неточности ее дозирования. Поэтому она очень мало применяется.
Количество извести. Теоретически для дефекации совсем не требуется 2—2,5% извести по массе свеклы, которые обычно применяются на сахарных заводах, а достаточно уже 0,3%), т.е. в 7 раз меньше. Работа с меньшими количествами извести имеет ряд преимуществ: 1) меньший расход известняка; 2) меньшая загрузка транспорта на подвоз известняка; 3) меньший расход тепла на обжиг известняка и на I сатурации; 4) получение дефеко-сатурационной грязи, более ценной как удобрение и в меньшем количестве, следовательно, освобождение от обременительного отброса.
Ввиду перечисленных преимуществ становится понятным стремление сахаротехники к уменьшению расхода извести на дефекацию.
Однако при уменьшении расхода извести мы сталкиваемся с рядом затруднений в производстве, которые сводятся к следующему: 1) ухудшается фильтрация сока, так как грязь делается слизистой, заклеивающей поры фильтра; 2) сатурационный сок оказывается повышенной цветности с большим количеством солей кальция и с пониженной чистотой, так как с уменьшением количества извести уменьшается и эффект адсорбции на сатурации.
Предложен ряд способов для уменьшения расхода извести с одновременным устранением вредных последствий этого.
Для улучшения фильтрации предлагалось заменять часть извести мелом или кизельгуром, внося вместо 2 лишь 1 % извести и, кроме того, 1% мела или кизельгура. При этом фильтрация действительно улучшается, но адсорбция остается все-таки плохой, так как ни мел, ни кизельгур не обладают адсорбционными свойствами свежеосажденного СаСО3, следовательно, по цветности и солям кальция при таком методе работы получаются ухудшенные показатели. Кроме того, преимуществом при этом способе является лишь уменьшение количества обжигаемого известняка, но ничего не выгадывается ни на транспорте, ни на удобрительных качествах и количестве грязи. Поэтому способ замены извести мелом или кизельгуром на практике не привился.
Шпенглер и Беттгер дали схему очистки сока с малым количеством извести; предлагается вносить лишь «оптимальное» количество извести до pH 11 (0,2—0,3%) и после нагрева до температуры 85° С фильтровать сок без сатурации. Затем подвергать фильтрованный сок I сатурации, добавляя 0,1% СаО, и сок II сатурации — также с добавлением 0,1% СаО. Осадки СаСО3 с I и II сатурации добавляют на дефекацию, чтобы облегчить отфильтровывание осадка. Следовательно, всего затрачивается около 0,5% СаО, но схема сложная и первая фильтрация будет затрудненной, а очистка сока — хуже.