VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В индустрии продукции питания особое место уделяется пищевым продуктам, которые производятся из растительного сырья. К таким предъявляются высокие требования – производимая продукция должна быть полностью безопасной для человека и соответствовать всем регламентируемым требованиям международной системы здравоохранения. Для России эта проблема ощущается особенно остро с момента вступления ее в ВТО, что послужило довольно мощным импульсом развития научных исследований в сфере переработки сельскохозяйственной продукции [1].

Одной из важнейших пищевых отраслей многих стран мира, в том числе России, основывающейся на переработке растительного сырья, является сахарная промышленность. Основным сырьем для производства сахара в РФ является сахарная свекла

Эффективное развитие отечественного свеклосахарного производства, целиком зависит от условий конкуренции с Европейскими партнерами, обусловленной различными факторами. В настоящее время одним из рычагов торможения динамического роста свеклосахарного комплекса России является пониженное качество производимого сахара-песка по сравнению с требованиями Европейских производителей. Все это происходит на фоне удорожания энергоносителей и различных вспомогательных материалов, что в итоге приводит к колоссальным затратам. В сложившейся ситуации возникает необходимость своевременного внедрения современных технологий, эффективных с точки зрения экономии энергетических ресурсов, а также предусматривающих максимальное использование отходов, образующихся на различных стадиях производства.

Производство сахара-песка включает значительное количество энергоемких технологических операций, оказывающих влияние на качество и выход готовой продукции. Одной из таких операций является станция извлечения сахарозы из свеклы [2].

Одним из важнейших критериев оценки эффективности экстракционного процесса является величина коэффициента пропорциональности (D) в выражении закона Фика - коэффициента молекулярной диффузии. Данный коэффициент выражается следующим образом:

(1)

Он показывает, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций, равном единице.

Коэффициент пропорциональности D представляет собой физическую константу, характеризующую способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду [3]. Значения данного коэффициента являются функцией свойств распределяемого вещества, среды, через которую оно диффундирует, а также температуры и давления.

На величину коэффициента молекулярной диффузии оказывает влияние ряд факторов [4].

Степень денатурации свекловичной ткани: с ее увеличением пропорционально возрастает величина D, следовательно, процесс экстрагирования протекает эффективнее. Степень денатурации протоплазмы клеток свекловичной ткани зависит в свою очередь от температуры процесса, продолжительности теплового воздействия на стружку, природы экстрагента, концентрация сахарозы и др.

Размер диффундирующих частиц: с увеличением размера величина коэффициента пропорционально уменьшается.

Температура процесса: при увеличении температуры протекания процесса увеличивается кинетическая энергия молекул, скорость их движения, а вязкость взаимодействующих фаз уменьшается. Все это способствует более эффективному протеканию процесса.

Вязкость экстрагента: с уменьшением данного параметра величина коэффициента пропорционально возрастает.

Природа экстрагирующей жидкости.

Одним из технологических направлений, способствующих повышению эффективности диффузионного процесса и ускорению извлечения сахарозы из свеклы, является применение различных теплоносителей для обработки стружки перед экстрагированием.

Проведены исследования по оценке зависимости молекулярного коэффициента диффузии сахарозы от режимов применяемого теплового воздействия на образцы сахарной свеклы. Исследования проводили по следующей методике: получали образцы сахарной свеклы диаметром 25×10^-3 м и толщиной 7×10^-3 м. Полученные образцы подвергали разному по продолжительности ошпариванию – 0, 30, 60, 90 и 120 с соответственно. Далее образцы помещали в лабораторную установку, добавляли экстрагент, в качестве которого выступал конденсат, предварительно нагретый до температуры 72 °С, и осуществляли процесс экстрагирования при интенсивном контакте образцов и экстрагента [5]. По истечении времени активной диффузии отделяли экстрагент, термостатировали при температуре 20 °С и анализировали (табл. 1).

В результате исследования установлено, что интенсивная тепловая обработка образцов свеклы, оказывает общее положительное влияние на процесс экстракции сахарозы. Максимальное значение коэффициента диффузии D достигается при продолжительности ошпаривания 60 с.

Таблица 1 - Влияние продолжительности ошпаривания свеклы

на величину молекулярного коэффициента диффузии

Продолжительность ошпаривания, с	0	30	60	90	120
Массовая доля сахарозы в экстрагенте, %	2,35	3,25	3,4	3,25	2,3
Дигестия свеклы, %	17	17	17	17	17
Отношение среднеобъемных концентраций сахарозы, Сэк / Ссв ×10-2	14	19	20	19	13,5
Толщина образцов, L×10-3 м	7	7	7	7	7
Поправочный коэффициент, К×10-8, м2/с	2	2	2	2	2
Величина D´×10-2	21,5	24	28	24	11
Коэффициент диффузии, D ×10-10, м2/с	42	43	48	43	22

На основании экспериментальных данных, полученных с применением различных экстрагентов, установлено, что применение воды в качестве основного экстрагента не позволяет добиться высоких значений коэффициента диффузии, следовательно и необходимой величины извлечения сахарозы. Целесообразным является совмещенное термохимическое воздействие на образцы сахарной свеклы, позволяющее добиться упрочнения свекловичной ткани и ускорения извлечения сахарозы.

Изучено влияние различных реагентов, используемых для приготовления экстрагентов, на молекулярный коэффициент диффузии D. В качестве экстрагентов использовали водные растворы сульфата алюминия Al₂(SO₄), сульфата кальция Са(SO)₄ и сульфата аммония (NH₄₎₂SO₄.

Образцы сахарной свеклы заданного размера ополаскивали и прогревали в течение 20 мин. Затем помещали в лабораторную установку, добавляли нагретый до температуры 70 ^оС экстрагент. В качестве экстрагентов использовали водные растворы предлагаемых нами солей. Для сравнения проводили экстрагирование с применением конденсата (рис 1.)

Полученные результаты свидетельствуют, что максимальное значение коэффициента диффузии достигается при использовании в качестве экстрагента раствора сульфата аммония.

Проведены исследования [6] по изучению влияния продолжительности контакта раствора (NH₄₎₂SO₄,используемого в качестве экстрагента, на коэффициент D.

Рис.1. - Влияние различных экстрагентов на коэффициент диффузии сахарозы: 1 - типовая диффузия; 2 – с СаSO₄; 3 – с Al₂(SO₄₎₃; 4 – с (NH₄₎₂SO₄

Подготовленные образцы сахарной свеклы подвергали предварительной обработке раствором предлагаемой соли с длительностью контакта 0, 10, 20, 30 и 60 с, после чего помещали в лабораторную установку для экстрагирования (рис 2.)

Рис 2. - Влияние продолжительности контакта с реагентом на величину коэффициента диффузии

Полученные данные свидетельствуют, что оптимальная продолжительность контакта образцов свеклы и реагента составляет 30 с.

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс экстрагирования сахарозы, были применены математические методы планирования эксперимента. Полученные уравнения регрессии были использованы для оптимизации процесса. Для решения задачи оптимизации процессов с большим количеством откликов использовали обобщенную функцию желательности D (критерий Харрингтона) (рис. 3).

Рис. 3. - Значения обобщенной функции желательности

Анализируя полученные значения обобщенной функции желательности можно выбрать оптимальные параметры обработки стружки перед экстрагированием: температура раствора для ошпаривания – 75 °С, концентрация предлагаемого реагента – 0,05 %.

На основании проведенных исследований, установлено:

- использование предварительной тепловой обработки образцов свеклы приводит к постепенному равномерному прогреванию свекловичной ткани и денатурации белков, что увеличивает ее проницаемость и повышает величину молекулярного коэффициента диффузии сахарозы;

- тепловая обработка повышает коэффициент диффузии сахарозы из свекловичной ткани. Максимальное значение величины коэффициента диффузии достигается при использовании в качестве экстрагента раствора сульфата аммония (NH₄₎₂SO₄;

- раствор предлагаемой соли с малой концентрацией 0,05 % позволяет повысить эффективность протекания диффузионного процесса, а также снижает растворимость белковых и пектиновых веществ, повышая прочность и упругость свекловичной стружки;

- стабилизируется рН среды, что уменьшает переход несахаров из свекловичной ткани в экстрагент в процессе диффундирования сахарозы;

- раствор сульфата аммония с такой концентрацией возможно получать в условиях сахарного производства, что позволяет избежать затрат на закупку данного реагента;

- оптимальными параметрами процесса термохимической обработки образцов свеклы являются: продолжительность ошпаривания стружки – 20 с, продолжительность контакта стружки и реагента – 50 с, температура раствора сульфата аммония для обработки стружки – 75 °С, концентрация раствора предлагаемого реагента – 0,05 %.

Список литературы

1. Кульнева, Н.Г. Разработка экологически чистой технологии получения диффузионного сока [Текст] / Н.Г. Кульнева, М.В. Журавлев // Материалы международной научно-технической конференции «Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение» / ВГУИТ, Воронеж, 2014. – С. 112-116.

2. Выбор оптимальных параметров предварительной обработки свекловичной стружки перед экстрагированием [Текст] / Н.Г. Кульнева, М.В. Журавлев, А.И. Шматова, И.С. Воронина // Новое в технике и технологии функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений: Материалы III Международной научно-технической конференции / Воронеж.гос. ун-т инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2013. – С.340-342.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие 13-е изд., М. :ООО ИД Альянс., 2006. 753 с.

4. Лысянский В. М., Гребенюк С.М. Экстрагирование в пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1987. 188 с.

5. Пат. №1270698, RU, A1 4 G 01 N 33/00. Способ определения коэффициента диффузии сахарозы в сахарной свекле [Текст] / Кармаев В.Н., Корниенко Т.С. № 2000132175/13; Заявлено 24.05.1984. Опубл. 15.11.1986, Бюл. № 42.

6. Кульнева, Н.Г. Влияние термохимической обработки на молекулярный коэффициент диффузии сахарозы из свеклы [Текст] / Н.Г. Кульнева, М.В. Журавлев // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий / ВГУИТ. – № 3. – Воронеж, 2014. – С.146-149.

Код для цитирования: Скопировать