Влияние различных факторов на процесс диффузии
26-05-2017, 10:57
На обессахаривание стружки существенное влияние оказывают качество свекловичной стружки и питающей воды (экстрагента), температура и pH среды, длительность диффузии, величина отбора сока, жизнедеятельность микроорганизмов и др.
Качество свекловичной стружки и питающей воды. Активная площадь поверхности диффузии тем больше, чем тоньше стружка. При этом укорачивается путь, который молекулы сахарозы должны пройти до выхода из тканей свеклы. Соответственно этому уменьшаются и потери сахарозы в обессахаренной стружке. Но тонкая стружка менее упруга и легче образует в диффузионном аппарате пробки, чем толстая. Она более чувствительна к воздействию высокой температуры, легче измельчается транспортирующими устройствами.
Форма и размер стружки характеризуют ее проницаемость для экстрагирующей жидкости. Особенно затрудняют движение воды кусочки стружки длиной меньше 1 см. Поэтому проницаемость стружки (Пр) в диффузионном аппарате оценивают по величине шведского фактора (Ф), с повышением которого, как видно из графика на рис. 36, проницаемость стружки быстро увеличивается: при Ф=8/12 стружка обладает довольно высокой проницаемостью, а при Ф=20 проницаемость достигает предела.
При движении в аппарате и перемешивании стружка измельчается, и шведский фактор снижается от 10—12 на входе до 1—3 на выходе.
Для обессахаривания стружки применяется чистая горячая вода, не содержащая коллоидных веществ и соединений, не удаляемых при очистке сока известью. На диффузионный процесс отрицательно влияет высокая жесткость воды, которая характеризуется содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Для диффузии не применяется щелочная вода, например аммиачные конденсаты без подкисления, так как из-за повышенного растворения пектиновых веществ сахарной свеклы под действием щелочной среды снижается скорость - отстаивания сока, увеличиваются объем фильтрационного осадка и масса коллоидных веществ, хуже прессуется жом.
Температура и pH среды. От температуры и продолжительности ее воздействия зависят полнота денатурации протоплазмы в стружке, скорость диффузии сахарозы, жизнедеятельность микроорганизмов, физическое состояние клеточных стенок свеклы. Денатурация протоплазмы происходит при температуре выше 60 °С и зависит от продолжительности нагревания. Например, при 70 °С полная денатурация белка в клетках паренхимной ткани происходит за 12 мин, а в клетках проводящей ткани — за 26 мин. Температура денатурации выше 80 °С не применяется, так как перегретая стружка теряет упругость и слипается.
В определенном интервале температура положительно влияет на диффузию сахарозы: с ростом температуры увеличивается коэффициент диффузии.
Величина коэффициента диффузии сахарозы зависит также и от физического состояния свекловичных тканей. В недоспелой свекле он на 15—20 % ниже, чем в спелой свежеубранной, а в замороженной и оттаявшей на 15—20 % выше.
При переработке спелой здоровой свеклы оптимальной температурой в активной части диффузионного аппарата следует считать 72—75 °С, а нагревание стружки до температуры денатурации надо проводить как можно быстрее, применяя предварительное ее ошпаривание. Примерный рекомендуемый температурный режим приведен на рис. 37. Нумерация точек отбора проб, характеризующих содержание сахарозы в жоме, начинается от хвостовой части аппарата (сторона, откуда выводится жом).
От температуры диффузионного процесса зависят потери сахара с жомом. При повышении средней температуры активной диффузии (от 68 до 73 °С) потери сахарозы в жоме снижаются на 0,1—0,4 % к массе свеклы.
В процессе диффузии важную роль играет pH сокостружечной смеси.
pH — водородный показатель, т. е. величина, характеризующая концентрацию водородных ионов, численно равную отрицательному десятичному логарифму этой концентрации, выраженной в грамм-ионах на 1 л. Измеряется на рН-метре чаще всего при 20 °С.
Обычно, когда условия процесса близки к стерильным, в активной части аппарата самопроизвольно устанавливается pH 6,2—6,5, что соответствует pH свекловичного сока спелой здоровой свеклы. Но в хвостовой части pH питающей воды может существенно влиять на накопление пектиновых и других веществ в диффузионном соке. Поэтому, используя в качестве экстрагента аммиачные конденсаты или барометрическую воду, перед подачей в диффузионный аппарат их подкисляют до pH 5,5—6,0 и освобождают от нежелательных примесей.
Длительность диффузии. Увеличение длительности диффузии способствует более полному извлечению сахарозы из стружки, но количество извлекаемой сахарозы не прямо пропорционально этой длительности, так как со временем разность концентраций сахарозы в стружке и соке снижается и скорость диффузии уменьшается.
При длительном обессахаривании из стружки в диффузионный сок почти полностью переходят растворенные пектиновые вещества, стружка размягчается, теряет упругость и проницаемость, усиливается жизнедеятельность микроорганизмов, возрастают потери сахарозы. Поэтому с практической точки зрения чрезмерно увеличивать время контакта стружки с соком нецелесообразно. В современных диффузионных установках достаточно полное обессахаривание стружки из хорошей свеклы достигается за 65—70 мин.
Величина отбора диффузионного сока. Отбор диффузионного сока, необходимый для достижения определенной степени обессахаривания свекловичной стружки, и необходимое для этого количество свежей воды существенно зависят от качества перерабатываемой свеклы, площади поверхности стружки, температуры и длительности диффузии и в меньшей степени от сахаристости свеклы. С увеличением расхода свежей воды снижаются потери сахарозы в жоме, но увеличивается расход топлива на выпаривание избыточной воды.
На практике отбор диффузионного сока поддерживают на уровне 120—130 % к массе свеклы, а потери сахарозы в жоме — 0,3—0,4 % к массе свеклы.
Масса отбираемого диффузионного сока на 100 кг свеклы определяется из уравнения баланса сахарозы
Отбор диффузионного сока контролируется с помощью проточных расходомеров и регулируется подачей питающей воды. Заданное соотношение воды и свекловичной стружки поддерживается автоматически.
Действие микроорганизмов. Свекловичная стружка и сок являются хорошей питательной средой для развития микроорганизмов, потребляющих в процессе обмена веществ сахарозу. Важным условием для их жизнедеятельности является соответствующая температура и время, необходимое для приспособления к условиям среды (адаптация). После этого микроорганизмы быстро размножаются. Потери сахарозы от действия микроорганизмов относятся к неучтенным.
При переработке здоровой свеклы и соблюдении оптимальной температуры, когда жизнедеятельность микроорганизмов подавлена, неучтенные потери сахарозы в диффузионной установке могут составлять 0,10—0,15 % к массе свеклы, в неблагоприятных условиях достигают 0,3—0,5 % и более. Обычно неучтенные потери сахарозы на диффузии составляют 1/3 суммы неучтенных потерь по заводу.
Простым и эффективным способом оценки интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов является контроль за кислотностью сока. Для этого по длине (высоте) диффузионного аппарата в 8—10 точках отбирают образцы сока, в них определяют pH и по полученным данным строят график. При стерильной работе диффузионной установки на графике будет кривая, не выходящая за пределы pH 6,1—6,3, с плавным подъемом в головной части аппарата (головной частью аппарата называется место, куда подается свежая стружка). Наличие мест резкого падения кривой свидетельствует о наибольшей активности микроорганизмов на этом участке.
По температурной кривой, полученной аналогично, определяют зону аппарата, где протекает активная диффузия. Температура активной диффузии выше 70 °С не обеспечивает полной стерильности процесса, так как в диффузионном соке сохраняются устойчивые формы бактерий — споры. При снижении температуры ниже 70 °С жизнедеятельность этих микроорганизмов возобновляется.
Для подавления микрофлоры в точку, расположенную на 1/4 длины (высоты) диффузионного аппарата от места ввода свежей питающей воды, через каждые 2 ч подается 40 %-иый раствор технического формалина (10 л на 100 т свеклы или 0,010—0,015 % к массе свеклы). Для достижения стерильности установки достаточно в течение 1 ч при температуре 60—70 °С выдержать в аппарате 0,1%-иую (в % по объему) концентрацию 40%-иого формалина.
В диффузионном аппарате в результате деятельности микроорганизмов и наличия в соке сапонина образуется пена, которую подавляют введением 10%-ной эмульсии, приготовленной из соапстока (антипенного вещества, являющегося отходом маргаринового производства) и хозяйственного мыла. На 1 т аитипенной эмульсии расходуется 100 кг соапстока, 10 кг мыла и 890 кг воды. Эти компоненты перед употреблением смешивают и при температуре 80 °С в течение 15—20 мин интенсивно перемешивают. Расход эмульсии составляет около 0,01 % к массе свеклы или 1 кг соапстока на 100 т свеклы.
Качество свекловичной стружки и питающей воды. Активная площадь поверхности диффузии тем больше, чем тоньше стружка. При этом укорачивается путь, который молекулы сахарозы должны пройти до выхода из тканей свеклы. Соответственно этому уменьшаются и потери сахарозы в обессахаренной стружке. Но тонкая стружка менее упруга и легче образует в диффузионном аппарате пробки, чем толстая. Она более чувствительна к воздействию высокой температуры, легче измельчается транспортирующими устройствами.
Форма и размер стружки характеризуют ее проницаемость для экстрагирующей жидкости. Особенно затрудняют движение воды кусочки стружки длиной меньше 1 см. Поэтому проницаемость стружки (Пр) в диффузионном аппарате оценивают по величине шведского фактора (Ф), с повышением которого, как видно из графика на рис. 36, проницаемость стружки быстро увеличивается: при Ф=8/12 стружка обладает довольно высокой проницаемостью, а при Ф=20 проницаемость достигает предела.
При движении в аппарате и перемешивании стружка измельчается, и шведский фактор снижается от 10—12 на входе до 1—3 на выходе.
Для обессахаривания стружки применяется чистая горячая вода, не содержащая коллоидных веществ и соединений, не удаляемых при очистке сока известью. На диффузионный процесс отрицательно влияет высокая жесткость воды, которая характеризуется содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Для диффузии не применяется щелочная вода, например аммиачные конденсаты без подкисления, так как из-за повышенного растворения пектиновых веществ сахарной свеклы под действием щелочной среды снижается скорость - отстаивания сока, увеличиваются объем фильтрационного осадка и масса коллоидных веществ, хуже прессуется жом.
Температура и pH среды. От температуры и продолжительности ее воздействия зависят полнота денатурации протоплазмы в стружке, скорость диффузии сахарозы, жизнедеятельность микроорганизмов, физическое состояние клеточных стенок свеклы. Денатурация протоплазмы происходит при температуре выше 60 °С и зависит от продолжительности нагревания. Например, при 70 °С полная денатурация белка в клетках паренхимной ткани происходит за 12 мин, а в клетках проводящей ткани — за 26 мин. Температура денатурации выше 80 °С не применяется, так как перегретая стружка теряет упругость и слипается.
В определенном интервале температура положительно влияет на диффузию сахарозы: с ростом температуры увеличивается коэффициент диффузии.
Величина коэффициента диффузии сахарозы зависит также и от физического состояния свекловичных тканей. В недоспелой свекле он на 15—20 % ниже, чем в спелой свежеубранной, а в замороженной и оттаявшей на 15—20 % выше.
При переработке спелой здоровой свеклы оптимальной температурой в активной части диффузионного аппарата следует считать 72—75 °С, а нагревание стружки до температуры денатурации надо проводить как можно быстрее, применяя предварительное ее ошпаривание. Примерный рекомендуемый температурный режим приведен на рис. 37. Нумерация точек отбора проб, характеризующих содержание сахарозы в жоме, начинается от хвостовой части аппарата (сторона, откуда выводится жом).
От температуры диффузионного процесса зависят потери сахара с жомом. При повышении средней температуры активной диффузии (от 68 до 73 °С) потери сахарозы в жоме снижаются на 0,1—0,4 % к массе свеклы.
В процессе диффузии важную роль играет pH сокостружечной смеси.
pH — водородный показатель, т. е. величина, характеризующая концентрацию водородных ионов, численно равную отрицательному десятичному логарифму этой концентрации, выраженной в грамм-ионах на 1 л. Измеряется на рН-метре чаще всего при 20 °С.
Обычно, когда условия процесса близки к стерильным, в активной части аппарата самопроизвольно устанавливается pH 6,2—6,5, что соответствует pH свекловичного сока спелой здоровой свеклы. Но в хвостовой части pH питающей воды может существенно влиять на накопление пектиновых и других веществ в диффузионном соке. Поэтому, используя в качестве экстрагента аммиачные конденсаты или барометрическую воду, перед подачей в диффузионный аппарат их подкисляют до pH 5,5—6,0 и освобождают от нежелательных примесей.
Длительность диффузии. Увеличение длительности диффузии способствует более полному извлечению сахарозы из стружки, но количество извлекаемой сахарозы не прямо пропорционально этой длительности, так как со временем разность концентраций сахарозы в стружке и соке снижается и скорость диффузии уменьшается.
При длительном обессахаривании из стружки в диффузионный сок почти полностью переходят растворенные пектиновые вещества, стружка размягчается, теряет упругость и проницаемость, усиливается жизнедеятельность микроорганизмов, возрастают потери сахарозы. Поэтому с практической точки зрения чрезмерно увеличивать время контакта стружки с соком нецелесообразно. В современных диффузионных установках достаточно полное обессахаривание стружки из хорошей свеклы достигается за 65—70 мин.
Величина отбора диффузионного сока. Отбор диффузионного сока, необходимый для достижения определенной степени обессахаривания свекловичной стружки, и необходимое для этого количество свежей воды существенно зависят от качества перерабатываемой свеклы, площади поверхности стружки, температуры и длительности диффузии и в меньшей степени от сахаристости свеклы. С увеличением расхода свежей воды снижаются потери сахарозы в жоме, но увеличивается расход топлива на выпаривание избыточной воды.
На практике отбор диффузионного сока поддерживают на уровне 120—130 % к массе свеклы, а потери сахарозы в жоме — 0,3—0,4 % к массе свеклы.
Масса отбираемого диффузионного сока на 100 кг свеклы определяется из уравнения баланса сахарозы
Отбор диффузионного сока контролируется с помощью проточных расходомеров и регулируется подачей питающей воды. Заданное соотношение воды и свекловичной стружки поддерживается автоматически.
Действие микроорганизмов. Свекловичная стружка и сок являются хорошей питательной средой для развития микроорганизмов, потребляющих в процессе обмена веществ сахарозу. Важным условием для их жизнедеятельности является соответствующая температура и время, необходимое для приспособления к условиям среды (адаптация). После этого микроорганизмы быстро размножаются. Потери сахарозы от действия микроорганизмов относятся к неучтенным.
При переработке здоровой свеклы и соблюдении оптимальной температуры, когда жизнедеятельность микроорганизмов подавлена, неучтенные потери сахарозы в диффузионной установке могут составлять 0,10—0,15 % к массе свеклы, в неблагоприятных условиях достигают 0,3—0,5 % и более. Обычно неучтенные потери сахарозы на диффузии составляют 1/3 суммы неучтенных потерь по заводу.
Простым и эффективным способом оценки интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов является контроль за кислотностью сока. Для этого по длине (высоте) диффузионного аппарата в 8—10 точках отбирают образцы сока, в них определяют pH и по полученным данным строят график. При стерильной работе диффузионной установки на графике будет кривая, не выходящая за пределы pH 6,1—6,3, с плавным подъемом в головной части аппарата (головной частью аппарата называется место, куда подается свежая стружка). Наличие мест резкого падения кривой свидетельствует о наибольшей активности микроорганизмов на этом участке.
По температурной кривой, полученной аналогично, определяют зону аппарата, где протекает активная диффузия. Температура активной диффузии выше 70 °С не обеспечивает полной стерильности процесса, так как в диффузионном соке сохраняются устойчивые формы бактерий — споры. При снижении температуры ниже 70 °С жизнедеятельность этих микроорганизмов возобновляется.
Для подавления микрофлоры в точку, расположенную на 1/4 длины (высоты) диффузионного аппарата от места ввода свежей питающей воды, через каждые 2 ч подается 40 %-иый раствор технического формалина (10 л на 100 т свеклы или 0,010—0,015 % к массе свеклы). Для достижения стерильности установки достаточно в течение 1 ч при температуре 60—70 °С выдержать в аппарате 0,1%-иую (в % по объему) концентрацию 40%-иого формалина.
В диффузионном аппарате в результате деятельности микроорганизмов и наличия в соке сапонина образуется пена, которую подавляют введением 10%-ной эмульсии, приготовленной из соапстока (антипенного вещества, являющегося отходом маргаринового производства) и хозяйственного мыла. На 1 т аитипенной эмульсии расходуется 100 кг соапстока, 10 кг мыла и 890 кг воды. Эти компоненты перед употреблением смешивают и при температуре 80 °С в течение 15—20 мин интенсивно перемешивают. Расход эмульсии составляет около 0,01 % к массе свеклы или 1 кг соапстока на 100 т свеклы.