Параметры, определяющие процесс экстрагирования сахара
9-05-2017, 16:06
По современным представлениям, процесс экстрагирования сахара из свеклы включает две важнейших стадии: перенос (диффузию) сахара изнутри стружки к ее поверхности по законам молекулярной диффузии и затем от поверхности стружки к экстрагенту.
Диффузию сахара в свекловичной ткани обычно рассматривают как перенос вещества из одной части системы в другую за счет теплового движения молекул. Молекулярная диффузия описывается законом Фика, согласно уравнению:
где М - количество вещества, диффундирующего через некоторую площадку F; С - с - разность концентраций; т - время;
D - коэффициент диффузии; n - толщина слоя.
Коэффициент диффузии является физическим параметром материала. Он характеризует способность материала проводить вещество и численно равен массе вещества, диффундирующего через единицу площади за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. В соответствии с этим размерность коэффициента диффузии - м2/с Коэффициент диффузии зависит от свойств диффундирующего вещества, вязкости экстрагирующей жидкости и температуры процесса.
Согласно Энштейну, величина коэффициента диффузии может быть определена из уравнения:
где К - постоянная, зависящая от размера частиц; Т - абсолютная температура, К; ? - кинематическая вязкость, Па • с.
Подставив в уравнение (1) выражение коэффициента диффузии (2), получим уравнение
которое позволяет проанализировать влияние отдельных факторов на процесс извлечения сахара из стружки.
Второй стадией процесса экстракции является массообмен на поверхности твердой частицы. При этом перенос экстрагируемого вещества с поверхности частицы в массу движущейся около ее поверхности жидкости осуществляется молекулярной диффузией и конвекцией.
Массообмен жидкости у поверхности твердого тела - довольно сложный процесс, зависящий от многих факторов: формы и размера частиц, свойств жидкости, скорости движения жидкости, температуры и т. д.
Для решения задач массоотдачи в инженерной практике применяется уравнение:
где М - количество сахара, перешедшего в жидкую фазу; ? - коэффициент массоотдачи или массообмена; С - концентрация сахара на поверхности твердой частицы; с - концентрация в массе экстрагента.
Коэффициент массоотдачи не является физической постоянной, а отражает совместное действие молекулярной диффузии и конвекции. Он зависит от движения жидкости и ее свойств, формы и размера экстрагируемых частиц, конструктивных особенностей аппарата.
При извлечении сахара из стружки из двух рассмотренных стадий преобладающей является молекулярная диффузия. Однако последняя возможна только после предварительной (тепловой, химической, электрической и т. д.) обработки стружки. Такая обработка необходима потому, что сахар, находящийся в растворенном состоянии в клетке, не может переходить в экстрагент, окружающий ее, так как протоплазма малопроницаема для сахарозы. Поэтому для того чтобы сахароза начала переходить в раствор необходима денатурация протоплазмы.
По закону Фика, основными факторами, влияющими на потери сахара в жоме, являются:
• откачка (отбор сока);
• качество стружки;
• температура;
• продолжительность процесса обессахаривания. Качественную оценку влияния этих факторов на потери сахара в жоме можно провести на основании уравнения (3), а количественную - на основании обобщенного уравнения П.М. Силина:
где ? - обобщенный фактор, учитывающий влияние основных параметров на процесс извлечения сахара из стружки; l - длина 100 г стружки; D - коэффициент диффузии; т - продолжительность диффузии;
А - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности диффузионного аппарата.
Откачка (отбор сока). При увеличении откачки извлечение сахара из стружки будет полнее; так это приводит, как следует из уравнения (3), к увеличению разницы С-с и соответственно большему количеству экстрагированного сахара из стружки, и уменьшению его содержания в обессахаренной стружке.
Зависимость потерь сахара в жоме от откачки имеет практически линейный характер. Считается, что изменение величины отбора сока на 1% приводит к увеличению или уменьшению потерь сахара в жоме на 0,015...0,02% к массе свеклы.
Однако увеличение откачки связано с последующим выпариванием воды на выпарной установке и дополнительными затратами тепла. Именно этим фактором и лимитирована величина откачки, которая на отечественных заводах принята равной 120...125%. На зарубежных же заводах величина откачки составляет 110...115%.
Величина откачки сока, необходимая для достижения требуемой степени обессахаривания стружки, зависит от качества стружки, температуры и длительности процесса экстракции и, в меньшей степени, от сахаристости стружки. Поскольку некоторые из перечисленных параметров для различных аппаратов несколько отличаются, то и рекомендуемая величина откачки сока для различных типов диффузионных аппаратов, отличается (табл. 20).
При этом при рекомендуемых значениях отбора сока потери сахара на диффузии должны быть не выше 0,2 % к массе свеклы.
Хорошего обессахаривания жома можно достичь и при откачке сока меньше рекомендуемой величины за счет увеличения времени процесса экстрагирования или при глубоком прессовании жома.
Снижение величины отбора сока за счет увеличения продолжительности процесса экстрагирования возможно при наличии на заводе диффузионной установки с производительностью, превышающей производительность завода.
Качество стружки. На процесс диффузии, как следует из уравнения (3), оказывает влияние и качество стружки, в первую очередь, ее толщина, соответственно - длина ее 100 г. Чем тоньше стружка, т. е. чем больше длина ее 100 г, тем лучше обессахаривание. Величина длины 100 г стружки и максимальное содержание брака для отдельных типов диффузионных аппаратов приведены в табл. 20.
При переработке здоровой свеклы следует работать со стружкой, длина которой соответствует верхнему рекомендуемому пределу с тем чтобы максимально использовать преимущества тонкой стружки.
Следует иметь в виду, что если стружка содержит мало мезги, то на диффузионных аппаратах можно работать с более длинной стружкой без ухудшения ее транспортировки. Дело в том, что образование пробок в диффузионных аппаратах и ухудшение движения сока связано главным образом с повышенным содержанием в стружке мезги.
При ухудшении качества перерабатываемой свеклы (подмороженной, подпорченной) работают с более толстой стружкой, чтобы избежать забивания сит. Для снижения содержания сахара в жоме в таких случаях следует увеличить отбор сока.
Температура. С повышением температуры возрастает величина коэффициента диффузии и соответственно, как это следует из уравнения (3), количество перешедшего сахара в сок, что приводит к снижению содержания сахара в жоме. Однако повышение температуры процесса экстрагирования сахара связано с гидролизом протопектина и увеличением растворимых пектиновых веществ.
Рекомендуемая средняя температура для диффузионных аппаратов при переработке свеклы нормального качества 70...72°С. Более высокая температура может привести к развариванию стружки, а это, в свою очередь, - к забиванию сит и ухудшению движения сока в диффузионном аппарате.
Для поддержания этой температуры средний температурный режим для отдельных типов диффузионных установок приведен ниже (в °С):
Указанный выше температурный режим может уточняться в зависимости от качества перерабатываемой свеклы. При переработке свеклы пониженного качества необходимо снизить температуру процесса в диффузионных установках до следующих параметров:
Продолжительность процесса. Одним из факторов, оказывающих влияние на потери сахара в жоме, который трудно регулировать, является время экстрагирования.
Среднее время пребывания стружки в различных диффузионных аппаратах различно. Например, для наклонных аппаратов оно составляет 110...130 мин, колонных - 75...95 мин, ротационных - 90...100 мин. Здесь следует иметь в виду, что у наклонных аппаратов время обессахаривания и время пребывания стружки в аппарате не совпадают, так как в процессе перемещения стружка периодически освобождается от сока. С учетом этого, действительное время обессахаривания в наклонных аппаратах составляет 90...110 мин.
Продолжительность обессахаривания существенным образом зависит от производительности, с которой работает диффузионный аппарат, и его загрузки. При работе диффузионного аппарата с пониженной производительностью время обессахаривания значительно возрастает. Так, например, для наклонных аппаратов типа ДДС при производительности 100 % и нормальной загрузке время обессахаривания составляет 120 мин, при производительности 90, 80, 70% - 130, 145, 165 мин соответственно.
Для уменьшения времени экстракции при работе диффузионных аппаратов с пониженной производительностью следует уменьшать их нагрузку.
Для наклонных диффузионных аппаратов нормальной считается такая загрузка, когда уровень стружки в хвостовой части аппарата выше верхнего края шнеков.
Увеличить время обессахаривания можно уменьшением частоты вращения транспортирующего органа, заполнением диффузионного аппарата или двумя этими мероприятиями одновременно.
Однако уменьшение частоты вращения транспортирующих органов проводит к снижению производительности аппарата, а заполнение аппарата стружкой лимитируется тем, что он не должен быть переполнен.
Диффузию сахара в свекловичной ткани обычно рассматривают как перенос вещества из одной части системы в другую за счет теплового движения молекул. Молекулярная диффузия описывается законом Фика, согласно уравнению:
где М - количество вещества, диффундирующего через некоторую площадку F; С - с - разность концентраций; т - время;
D - коэффициент диффузии; n - толщина слоя.
Коэффициент диффузии является физическим параметром материала. Он характеризует способность материала проводить вещество и численно равен массе вещества, диффундирующего через единицу площади за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. В соответствии с этим размерность коэффициента диффузии - м2/с Коэффициент диффузии зависит от свойств диффундирующего вещества, вязкости экстрагирующей жидкости и температуры процесса.
Согласно Энштейну, величина коэффициента диффузии может быть определена из уравнения:
где К - постоянная, зависящая от размера частиц; Т - абсолютная температура, К; ? - кинематическая вязкость, Па • с.
Подставив в уравнение (1) выражение коэффициента диффузии (2), получим уравнение
которое позволяет проанализировать влияние отдельных факторов на процесс извлечения сахара из стружки.
Второй стадией процесса экстракции является массообмен на поверхности твердой частицы. При этом перенос экстрагируемого вещества с поверхности частицы в массу движущейся около ее поверхности жидкости осуществляется молекулярной диффузией и конвекцией.
Массообмен жидкости у поверхности твердого тела - довольно сложный процесс, зависящий от многих факторов: формы и размера частиц, свойств жидкости, скорости движения жидкости, температуры и т. д.
Для решения задач массоотдачи в инженерной практике применяется уравнение:
где М - количество сахара, перешедшего в жидкую фазу; ? - коэффициент массоотдачи или массообмена; С - концентрация сахара на поверхности твердой частицы; с - концентрация в массе экстрагента.
Коэффициент массоотдачи не является физической постоянной, а отражает совместное действие молекулярной диффузии и конвекции. Он зависит от движения жидкости и ее свойств, формы и размера экстрагируемых частиц, конструктивных особенностей аппарата.
При извлечении сахара из стружки из двух рассмотренных стадий преобладающей является молекулярная диффузия. Однако последняя возможна только после предварительной (тепловой, химической, электрической и т. д.) обработки стружки. Такая обработка необходима потому, что сахар, находящийся в растворенном состоянии в клетке, не может переходить в экстрагент, окружающий ее, так как протоплазма малопроницаема для сахарозы. Поэтому для того чтобы сахароза начала переходить в раствор необходима денатурация протоплазмы.
По закону Фика, основными факторами, влияющими на потери сахара в жоме, являются:
• откачка (отбор сока);
• качество стружки;
• температура;
• продолжительность процесса обессахаривания. Качественную оценку влияния этих факторов на потери сахара в жоме можно провести на основании уравнения (3), а количественную - на основании обобщенного уравнения П.М. Силина:
где ? - обобщенный фактор, учитывающий влияние основных параметров на процесс извлечения сахара из стружки; l - длина 100 г стружки; D - коэффициент диффузии; т - продолжительность диффузии;
А - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности диффузионного аппарата.
Откачка (отбор сока). При увеличении откачки извлечение сахара из стружки будет полнее; так это приводит, как следует из уравнения (3), к увеличению разницы С-с и соответственно большему количеству экстрагированного сахара из стружки, и уменьшению его содержания в обессахаренной стружке.
Зависимость потерь сахара в жоме от откачки имеет практически линейный характер. Считается, что изменение величины отбора сока на 1% приводит к увеличению или уменьшению потерь сахара в жоме на 0,015...0,02% к массе свеклы.
Однако увеличение откачки связано с последующим выпариванием воды на выпарной установке и дополнительными затратами тепла. Именно этим фактором и лимитирована величина откачки, которая на отечественных заводах принята равной 120...125%. На зарубежных же заводах величина откачки составляет 110...115%.
Величина откачки сока, необходимая для достижения требуемой степени обессахаривания стружки, зависит от качества стружки, температуры и длительности процесса экстракции и, в меньшей степени, от сахаристости стружки. Поскольку некоторые из перечисленных параметров для различных аппаратов несколько отличаются, то и рекомендуемая величина откачки сока для различных типов диффузионных аппаратов, отличается (табл. 20).
При этом при рекомендуемых значениях отбора сока потери сахара на диффузии должны быть не выше 0,2 % к массе свеклы.
Хорошего обессахаривания жома можно достичь и при откачке сока меньше рекомендуемой величины за счет увеличения времени процесса экстрагирования или при глубоком прессовании жома.
Снижение величины отбора сока за счет увеличения продолжительности процесса экстрагирования возможно при наличии на заводе диффузионной установки с производительностью, превышающей производительность завода.
Качество стружки. На процесс диффузии, как следует из уравнения (3), оказывает влияние и качество стружки, в первую очередь, ее толщина, соответственно - длина ее 100 г. Чем тоньше стружка, т. е. чем больше длина ее 100 г, тем лучше обессахаривание. Величина длины 100 г стружки и максимальное содержание брака для отдельных типов диффузионных аппаратов приведены в табл. 20.
При переработке здоровой свеклы следует работать со стружкой, длина которой соответствует верхнему рекомендуемому пределу с тем чтобы максимально использовать преимущества тонкой стружки.
Следует иметь в виду, что если стружка содержит мало мезги, то на диффузионных аппаратах можно работать с более длинной стружкой без ухудшения ее транспортировки. Дело в том, что образование пробок в диффузионных аппаратах и ухудшение движения сока связано главным образом с повышенным содержанием в стружке мезги.
При ухудшении качества перерабатываемой свеклы (подмороженной, подпорченной) работают с более толстой стружкой, чтобы избежать забивания сит. Для снижения содержания сахара в жоме в таких случаях следует увеличить отбор сока.
Температура. С повышением температуры возрастает величина коэффициента диффузии и соответственно, как это следует из уравнения (3), количество перешедшего сахара в сок, что приводит к снижению содержания сахара в жоме. Однако повышение температуры процесса экстрагирования сахара связано с гидролизом протопектина и увеличением растворимых пектиновых веществ.
Рекомендуемая средняя температура для диффузионных аппаратов при переработке свеклы нормального качества 70...72°С. Более высокая температура может привести к развариванию стружки, а это, в свою очередь, - к забиванию сит и ухудшению движения сока в диффузионном аппарате.
Для поддержания этой температуры средний температурный режим для отдельных типов диффузионных установок приведен ниже (в °С):
Указанный выше температурный режим может уточняться в зависимости от качества перерабатываемой свеклы. При переработке свеклы пониженного качества необходимо снизить температуру процесса в диффузионных установках до следующих параметров:
Продолжительность процесса. Одним из факторов, оказывающих влияние на потери сахара в жоме, который трудно регулировать, является время экстрагирования.
Среднее время пребывания стружки в различных диффузионных аппаратах различно. Например, для наклонных аппаратов оно составляет 110...130 мин, колонных - 75...95 мин, ротационных - 90...100 мин. Здесь следует иметь в виду, что у наклонных аппаратов время обессахаривания и время пребывания стружки в аппарате не совпадают, так как в процессе перемещения стружка периодически освобождается от сока. С учетом этого, действительное время обессахаривания в наклонных аппаратах составляет 90...110 мин.
Продолжительность обессахаривания существенным образом зависит от производительности, с которой работает диффузионный аппарат, и его загрузки. При работе диффузионного аппарата с пониженной производительностью время обессахаривания значительно возрастает. Так, например, для наклонных аппаратов типа ДДС при производительности 100 % и нормальной загрузке время обессахаривания составляет 120 мин, при производительности 90, 80, 70% - 130, 145, 165 мин соответственно.
Для уменьшения времени экстракции при работе диффузионных аппаратов с пониженной производительностью следует уменьшать их нагрузку.
Для наклонных диффузионных аппаратов нормальной считается такая загрузка, когда уровень стружки в хвостовой части аппарата выше верхнего края шнеков.
Увеличить время обессахаривания можно уменьшением частоты вращения транспортирующего органа, заполнением диффузионного аппарата или двумя этими мероприятиями одновременно.
Однако уменьшение частоты вращения транспортирующих органов проводит к снижению производительности аппарата, а заполнение аппарата стружкой лимитируется тем, что он не должен быть переполнен.