автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процесса экстрагирования сахара из свекловичной стружки с использованием метода электрохимической активации

^у^&нс^^ Государственный технологический университет 1 2 ДЫ\ 1 На правах рукописи

СТЕПАНОВА ЕВГЕНИЯ ГРИГОРЬЕВНА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ САХАРА ИЗ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ

Специальность 05.18.12 — Процессы, машины и агрегаты

пищевой промышленности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар — 1994

Работа выполнена в Кубанском Государственном технологическом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, Е.П.Кошевой

Официальные оппоненты: доктор технических наук, < - профессор,

Е.Н.Константинов

доктор технических наук, профессор,

чд.-кор. АИН Украины Л.В.Донченко

*

Ведущая организация: ТОО "Тбилисский сахарный завод"

Защита состоится 27 декабря 1994 года в 13 часов на заседании специализированного совета Д 063.40.01 при Кубанском Государственном технологическом университете по адресу: 350072, г.Краснодар, ул.Московская, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Университета (ул.Московская, 2)

Автореферат разослан

ноября 1994 г. Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 350072, г.Краснодар, ул.Московская, 2, КубГТУ

Ученый секретарь специализированного кандидат технически: доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение населения страны необходимыми продуктами питания принадлежит к числу первоочередных задач отечественной пищевой промышленности. Производство сахара должно развиваться в направлении совершенствования основных производственных процессов и, прежде всего, процесса экстрагирования. Актуальной задачей является разработка технических решений для интенсификации процесса экстрагирования сахара из свекловичной стружки с использованием активационных методов воздействия на стружку и экстрагент. Это позволит влиять на изменения физико-химических свойств экстрагента и стружки и интенсифицировать процесс при одновременном улучшении качества диффузионного сока.

. В данной работе на основе наукометрических исследований информационных потоков в области экстрагирования сахара показано, что темпы роста публикаций по применению новых физи-. ческих методов для интенсификации экстрагирования вдвое превышают общие темпы роста работ по экстракции. Проведены сравнительные исследования различных методов активации экстрагента, в результате которых получены диффузионные сока с высокими показателями доброкачественности. При исследовании влияния метода электрохимической активации (ЭХА) на физико-химические свойства, равновесия и кинетику экстрагирования получены данные, которые с помощью математического моделирования позволили оценить степень интенсификации процесса.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Кубанского Государственного технологического университета по комплексной научно-технической программе "Продовольствие" (№ гос. регистрации 01920001870).

Пель работы. Разработка предложений по интенсификации процесса экстрагирования сахара из свекловичной стружки с использованием метода ЭХА на основе изучения свойств стружки при ее обработке электроактивированным экстрагентом с получением диффузионного сока высокого технологического достоинства, условий статики и кинетики экстрагирования сахара й математического моделирования работы карусельного экстрактора.

Основные задачи исследования;

— теоретический анализ процесса экстрагирования с учетом кон-центрационно-зависящего коэффициента диффузии и влияния возврата жомопрессовой воды на эффективность экстрагирования сахара;

— сопоставительные исследования влияния различных способов активации экстрагента на интенсивность процесса экстрагирования сахара из свекловичной стружки;

— исследование физико-химических свойств электроактивированных экстрагентов, экстракционных, равновесных и кинетических, а также реологических свойств свекловичной стружки и жома при обработке стружка электроактивированным водным раствором (ЭВР);

— определение влияния режимов ЭХА на основные технологические показатели процесса экстрагирования сахара;

— разработка математической модели карусельного экстрактора и исследование влияния факторов на интенсивность процесса в данном аппарате;

— разработка технических решений, позволяющих интенсифицировать процесс экстрагирования сахара из свекловичной стружки.

Научная новизна:

— проведен теоретический анализ процесса экстрагирования сахара с учетом концентрационно-зависящего коэффициента диффузии и влияния Еозврата жомопрессовой воды на эффективность экстрагирования сахара;

— усовершенствован метод определения параметров диффузионного процесса для дробио-линейной концентрационной зависимости коэффициента диффузии;

— экспериментально установлены зависимости некоторых физико-химических свойств экстрагентов при их подготовке методом ЭХА, а также экстракционных равновесных, кинетических и реологических свойств свекловичной стружки при дозированной обработке электроактивироваиным экстр агентом;

— разработана математическая модель карусельного экстрактора, позволяющая проводить оптимальное конструирование с целью интенсификации процесса в этом аппарате.

Практическая значимость. Полученные в результате исследований данные о влиянии различных факторов при ошпаривании стружки с применением метода ЭХА на интенсивность процесса экстрагирования использованы при обосновании способов получения диффузионного сока (Патент Российской Федерации № 2010861, положительные решения НИИГПЭ о выдаче патентов РФ по заявкам № 4911636/13 от 15.02.91 и Nfc 93-038348/13 от 27.07.93), способа получения свекловичного сиропа (Заявка № 94-0149447/13 от 21.04.94) и конструкции аппарата для ошпаривания свекловггчной стружки дозиросанным количеством электроактивированного окстрагента.

Реалпзапия результатов исследования. Схема получения свекловичного сиропа с применением метода ЭХА для ошпаривания свекловичной стружки и обработки диффузионного сока испытана в лаборатории очистки соков и сиропов Сев?ро-Кавказ-ского НИИ сахарной сахарной свеклы и сахара НПО "Красно-дарсахар". Использование предлагаемого способа позволит получить пищевой сироп из сахарной свеклы, снизить потери сахара в производстве, сократить расходы химических реагентов и улучшить экологическую обстановку производства.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и доложены на VIII конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 60-летию образования МТИПП (Москва, июнь 1991 г.), на II международной конференции "Проблемы механизации и электронизации сельского хозяйства" (г.Краснодар, октябрь 1991г.), на XI международной конференции "Market and Exhibition on Chemical Engineering and Services", CHISA — 93 (г.Прага, август 1993г.), на научно-практической конференции "Проблемы энергетики, теплотехно-логии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье" (г.Москва, январь 1994г.), на Республиканской научно-практической конференции "Повышение эффективности сахарного производства при минимальных капитальных затратах" (г.Красно-

дар, июнь 1994г.), на международной научной конференции "Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности" (г.Краснодар, сентябрь 1994г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, получен 1 патент и 2 положительных решения НИИГПЭ о выдаче патентов Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 14 таблиц. Список литературы включает 195 наименований, из них 42 на иностранных языках. Приложения даны на 37 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ САХАРА ИЗ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ

В главе дан обзор и анализ научных работ по экстрагированию сахара из свеклы методами наукометрии. На основе отобранных 1690 информационных документов выявлены перспективные направления и ключевые работы, сформированы графы авторских коллективов и установлены ведущие авторы — руководители научных школ. Анализ информационного массива выявил экспоненциальный характер роста информационного потока. Отмечено, что темпы роста публикаций по выявленным направлениям интенсификации процесса превышают средние темпы роста публикаций по экстрагированию сахара.

Проведен анализ теории экстрагирования и показаны различные подходы к описанию молекулярной и внутренней диффузии. Имеющие место теоретические расхождения исследователи относят на переменный характер свойств стружки в процессе экстрагирования и для анализа процесса рекомендуют интервально-ите-рационный метод. Аналитические методы решения задачи диффузии нуждаются в совершенствовании в направлении возможности описания процесса с концентрационно-зависящими коэффициентами диффузии. Далее приведены основные методы ин-

генсификации процесса как при подготовке стружки, тате и в самом экстракторе. Дана характеристика различных методов активации при подготовке экстрагента и особенно с использованием электротехнологий, позволяющих интенсифицировать экстрагирование, но ввиду сложности реализации до настоящего времени пока не находящих промышленное применение. Исходя из проведенного обзора сформулированы задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

При оценке перспективных направлений интенсификации процесса экстрагирования сахара из свекловичной стружки с модифицированной структурой важно провести анализ процесса с учетом концентрационно:зависящего коэффициента диффузии и влияння возврата жомопрессовой воды на эффективность экстрагирования.

Задача нестационарной диффузии при концентрационно-завпея-щем коэффициенте переноса решалась с использованием подстановки Кирхгофа. При этом решение полученного дифференциального уравнения нестационарной диффузии основано на аппроксимации функции преобразованной переменной з виде линейной комбинации полиномов Лежандра. В результате преобразований получают систему дифференциальных уравнений а простых производных, из которых определяют входящие в эти уравнения коэффициенты. Решения указанных уравнений определяют коэффициенты при полиномах Лежандра, являющиеся функциями времени и которые могут быть аппроксимированы.

Для моделирования массопереноса получено решение, применяемое при расчете числа Шервуда в зависимости от числа Фурье (рис.1). Следует отметить, что при достаточно больших значениях чисел Фурье кривые приобретают асимптотический характер и приближаются к величине 5/1 = —, что соответствует решению линейной задачи диффузии.

Разработана методика определения параметров концентрационной зависимости коэффициента диффузии, основанная. на сопос-

в

тавлешш параметров экспериментальных кинетических кривых экстракции с расчетными кривыми нестационарной диффузии при различных значениях параметра нелинейности (рис. 2).

в А 5,4

5,2

5,0

4,8

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Ро

Рис. 1. Зависимость числа Шервуда от числа Фурье при различных значениях параметра у функции 2) = Г>0 • ехр(-у • с):

1—У =0,0100; 2—у =0,0050; 3—у =0,0001;

4—у =-0,0001; 5—у--0,0050; 6—у =-0,0100.

Для оценки возможности интенсификации экстрагирования материала, подвергнутого предварительной обработке с использованием метода ЭХА, проведено математическое моделирование процесса в противоточном аппарате с возвратом жомопрессовой воды по критерию разности чисел единиц переноса в сопоставляемых вариантах без учета возврата и с учетом возврата отжатой жидкой фазы:

г.-Уь1-"-^--!—ь,1-1|,-|У а)

1-р„, 1-л 1-р;„ . 1 - л'

1

1

1 1

ш

Рис. 2. Алгоритм расчета параметров кинетики экстрагирования сахара при дробно-линейной концентрационной зависимости коэффициента диффузии

О ОД 0,2 0,3 0,4 т

Рис. 3. Влияние коэффициента деления т при возврате жомопрессовой воды на эффективность процесса экстрагирования .Р для "Л «=0,99 при различных значениях объемных соотношений фаз: 1— р=0,2; 2 — 0=0,4; 3 — 0=0,6.

На рис. 3 представлены результаты численного моделирования. Следует отметить, что для кривых 1, 2, 3 в интервале изменения коэффициента деления от 0 до 0,3 наблюдается относительно небольшое возрастание функции Р. В диапазоне т«=[0,3* 0,4] значение функции резко возрастает и достигает максимального значения при т=0,4. При дальнейшем увеличении т значение ¥ снижается. При т=0,4 удаляется межчастичная механически удерживаемая влага из пор, что соответствует содержанию сухих веществ в отжатом жоме 30 %. Анализ показывает возможность интенсификации процесса экстрагирования за счет возврата жомопрессовой воды. Более глубокий отжим не способствует интенсификации экстрагирования сахара.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ САХАРА ПЗ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ •

Проведенные сопоставительные эксперименты по испрльзова-ншо различных методов активации экстрагентоз — дегазации, омагничивания и ЭХА (табл. 1) показывают улучшение основных технологических показателей полученных диффузионных соков и, соответственно, свидетельствуют о единстве механизма воздействия рассматриваемых методов.

Дальнейшие опыты проводили при использовании метода электрохимической активации. Отмечена возможность повышения эффективности метода ЭХА при введении в обрабатываемый раствор солей поливалентных металлов (сульфатов и хлоридов алюминия, железа, кальция). *

Изучено изменение некоторых физико-химических свойств зкстрагентов при проведении ЭЗСА — плотности, динамической вязкости, поверхностного натяжения и молекулярной диффузии. Установлено, что ЭХА вызыпэет изменение следующих свойств (на примере 0,03% раствора сульфата алюминия): уменьшение плотности электроактивированных водных растворов (ЭБР) по сравнению с исходным необработанным раствором я среднем на 14,5%; снижение коэффициента динамической в;;л:ест*л в среднем на 9,4%; понижение поверхностного натяжения исследуемых ЭВР в среднем на 6,8% и увеличение коэффициента молекулярной диффузии на 10%. Выполненные расчеты коэффициента молекулярной диффузии по формуле Вильке-Ченга показал удовлетворительную сходимость с экспериментами. Установлено, что для ЭВР указанных типов и концентраций солей коэффициент ассоциации растворителя должен срставлять 2,86.

При анализе экстрагирования сахара из свекловичной стружки с использованием метода ЭХА экспериментально определялись параметры равновесия и внутренней диффузии. Установлено, что при оценке экстрагирования следует учитывать явление адсорбции. В проведенных экспериментах концентрация раствора в порах в равновесии превышает концентрацию сахара во

Таблица 1

. Основные технологические показатели диффузионных соков, полученных при различных методах активации экстрагентов

Метод Параметры экстрагентов Показатели диффузионных соков

активации Содержание Доброкачест- Эффект очист-

вкстрагентов РН ЕЬ, В рН ВКД, % к массе СВ в диффузионном соке сухих веществ, % сахарозы, % венность, % ки на диффузии, %

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Дистиллированная вода Бидистпллят Дистиллированная вода, подкисленная сульфатом алюминия Дистиллированная вода, подкисленная серной кислотой Дегазированная дистиллированная вода Дегазированный 0,03% раствор сульфата алюминия Омагниченный 0,03% раствор сульфата алюминия ЭВР-католит 0,03% раствора сульфата алюминия 6,60 6,20 6,50 +0,13 +0,14 +0,13 6,20 6,10 6,15 4,46 4,20 3,92 10,4 10,3 10,3 9,02 8,90 8,96 86,7 86,4 87,0 8,1 6,7 10,5

6,50 5,20 5,80 5,76 5,50 +0,13 +0,08 +0,08 +0,15 -0,63 6,15 6,05 6,20 6,15 6,10 4.36 4,33 4,26 4.37 3,78 10,4 10,4 10,3 10,3 10,2 9,04 9,00 9,00 9,02 9,00 86,9 86.5 87,4 87.6 88,2 (-» О 9,7 6,5 13,6 15,2 19,8

Примечание: нормальный (клеточный )сок 5,35 8,76 18,3 15,68 85,7

внешнем объеме жидкости в 1,88 — 3,15 раз. Для описания равновесной адсорбции использовано уравнение типа Ленгмюра, имеющее вид:

(2)

1 +

По результатам численной обработки экспериментальных данных получены значения параметров равновесия (табл. 2).

Таблица 2

Параметры равновесной зависимости

№ п/п Вид экстр агента Параметры экстрагента (кг/м3 Г1 ст, кг/м3

РН ЕЬ, В

1. дистиллированная вода 6,5 0,21 5,5 150

2. 0,03% раствор сульфата 4,9 0,22 5,7 149

алюминия

3. католит 0,03% раствора

сульфата алюминия 6,5 -0,75 5,2 156

4. анолит 0,03% раствора

сульфата алюминия 4,8 0,58 5,5 146

5. ошпаривание — католитом

0,03% раствора сульфата

алюминия (35% к массе

свеклы), экстрагирование— 6,5 -0,75 4,9 127

дистиллированной водой

Анализ изотерм ленгмюровского типа показывает, что наименьший адсорбционный эффект сахарозы наблюдается для случая с ошпариванием стружки дозированным количеством ЭВР (№ 5, табл.2). ,

При исследовании параметров кинетики при извлечении сахара из стружки получены следующие значения параметров диффузионного процесса (табл. 3).

Расчет параметров внутренней диффузии согласно разработанной методике (рис. 2) проведен для дробно-линейной концентрационной зависимости. Как видно из табл. 3, ошпаривание

Таблица 3

Параметры внутренней диффузии

№ п/п Вид экстрагента Параметры экстрагента В' В" А,-Ю10. М2/с К

РН ЕЬ.В

1. Дистиллированная вода 6,5 0,21 37,5 -0,3 7,35 86,9

2. Ошпаривание католитом

0,03% раствора сульфата

алюминия, экстрагирова- 6,5 -0,75 36,0 -0,4 8,25 89,3

ние—дистиллированной

водой

стружки ЭВР увеличивает предельный коэффициент внутренней диффузии извлекаемого компонента и несколько повышает величину параметра нелинейности И.

Выполнены исследования изменения реологических свойств свекловичной стружки и жома с предварительной тепловой обработкой свекловичной стружки различными видами экстрагентов при одинаковых температурных условиях (80°С), продолжительности ошпаривания (60 с) и количестве ошпаривающего агента (40 % к массе свеклы). Установлено, что ошпаривание стружки ЭВР повышает модуль упругости стружки на 28,2% по сравнению с традиционным способом ошпаривания. Для жома, полученного в результате экстрагирования стружки, обработанной ЭВР, отмечено увеличение модуля упругости на 63,4%.

Анализ проведенных экспериментальных исследований свойств экстрагента и свекловичной стружки, ошпаренной электрохимически обработанным экстрагентом, позволяет сделать вывод о наличии предпосылок к существенной интенсификации процесса экстрагирования с использованием метода ЭХА. Совокупное изменение свойств экстрагента, сопровождаемое газонасыщением растворов и рядом других электрохимических процессов, направлено воздействует на структуру ЭВР. Предварительная тепловая обработка стружки ЭВР солей поливалентных металлов изменяет условия статики и кинетики процесса, снижая адсорбционный эффект сахара в порах стружки и ускоряя стадию внутреннего переноса.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАРУСЕЛЬНОГО ЭКСТРАКТОРА.

В технике экстрагирования растительного сырья широкое распространение получили карусельные экстракторы благодаря простоте конструкции, строгой организации процесса, надежности, возможности управления температурным режимом в аппарате, а также незначительному механическому воздействию транспортных органов на стружку. Для оценки влияния различных факторов, интенсифицирующих процесс экстрагирования в аппарате, проведено математическое моделирование экстрактора карусельного типа. Блок-схема математической модели показана на рис. 4.

В основу расчета модели аппарата положена система балансовых уравнений общих материальных потоков экстрагента и стружки, а также компонентов стружки — сахара и влаги (блок 3). В результате определяются концентрации сахара в поровсм объеме жидкой и твердой фаз на выходе из аппарата.

Блок 4 зключает расчет среднего значения коэффициента адсорбции, вычисленного с использованием уравнения типа Ленг-мюра в диапазоне изменения рабочих концентраций, а также приведенного значения соотношения объемов фаз.

В блоке 5 выполнен расчет "кажущихся" ЧЕП как по твердей фазе, так и по жидкой фазе при идеальном противотоке фаз и "истинных" ЧЕП по корреляции, полученной в результате численного моделирования перемешивания потока в каскаде слоевых ступеней с орошаемым слоем материала.

Расчет массопередачи (блок 6) проводится с учетом сделанного в теоретической части работы вывода об изменении числа Шервуда.

Расчет времени процесса экстракции (блок 7) осуществляется с учетом найденного значения "истинного" ЧЕП, коэффициента массопередачи и удельной поверхности твердой фазы. Основные размеры аппарата (диаметр, высота, полезный объем с учетом зон загрузки и выгрузки материала) определяются с учетом времени экстрагирования.

Рис. 4. Блок-схема математической модели карусельного экстрактора

Разработанная математическая модель карусельного экстрактора оформлена в виде программы на ЭВМ, что позволило провести численное исследование работы аппарата при варьировании основных конструктивных и режимных параметров его работы, а также оценить степень интенсификации процесса экстрагирования сахара с использованием метода ЭХА при подготовке экстра-гента и обработке стружки ЭВР. Установлено, что с учетом экспе-

риментальных значений равновесных и кинетических параметров экстрагирования, полученных при отпаривании стружки ЭВР соли сульфата алюминия, время экстракции сокращается на 27 %. На рис. 5 представлено влияние некоторых технологических и конструктивных факторов на время экстракции. В частности, рост массового соотношения сок — материал (кривая 1) и предельного коэффициента диффузии (кривая 2) сокращает время экстракции, что согласуется с общепринятыми представлениями. Увеличение числа ступеней свыше 6-8 (кривая 3) существенно не отражается на улучшении структуры потоков и, как следствие, па спнзеппп времени процесса.

х -Ю8, с

• 4

3

2 1

О 0,5 1,0 1,5 В

0 ■ 2,5 5^0 7,5 IV101? к2/с

г < ■ '

2 4 6 8 ! пет

Рис. 5. Влияние массового соотношения сок — стружка .К(1), предельного коэффициента внутренней диффузия В0 (2) и числа ступеней (3) на продолжительность экстрагирования Т.

На рис. 6 показано влияние степени отжима свекловичного жома на значения объемной концентрации диффузионного сока (кривая 1), на количество жомопрессовой воды (кривая 2) и время экстрагирования (кривая 3). Из рис. 6 следует, что с увеличением глубины отжима при возврате жомопрессовой воды кон-

3 /-

Рис. 6. Влияние степени отжатия жома Вк на концентрацию сахара в диффузионном соке С^ (1), количество жомопрессовой воды Ожд (2) и время экстрагирования Т (3). центрация сахара в диффузионном соке возрастает. Увеличение количества жомопрессовой воды дает возможность снизить расход свежей питательной воды и несколько сократить время экстракции.

Полученные при моделировании работы экстрактора результаты использованы при разработке технических предложений по совершенствованию процесса экстрагирования сахара.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

На основе проведенных исследований разработаны способы получения диффузионного сока с предварительной подготовкой экс-трагентов путем электрохимической и магнитной активации. Способ (положительное решение НИИГПЭ о выдаче патента РФ по заявке № 4911636/13 от 15.02.91) предполагает использование для экстрагирования сахара ЭВР солей поливалентных металлов (алюминия, железа, кальция) с концентрацией 0,03— 0,05%, тлеющих рН 5,0+6,0, ЕЬ ±(0,5+0,1) В с температурой 70±2°С. Затраты электроэнергии на ЭХА питательной воды при

продолжительности электрообработки 6-8 минут составляют 0,60,8 кВт.ч на 1 т свеклы. Общие капитальные затраты от установки электроактиваторов типа УЭМ-2 на типовом сахарном заводе производительностью по перерабатываемой свекле 3,0 тыс.т в сутки покрываются за счет повышения выхода сахара на 0,2 % к массе свеклы и сокращения расхода химических реагентов на подавление жизнедеятельности микроорганизмов при проведении экстрагирования.

Способ получения диффузионного сока (Заявка № 93-040062/13 от 18.08.93) предусматривает использование в качестве экстра-гентов 0,01-0,05 М растворов вышеуказанных солей, подвергнутых многократному омагничиванию в постоянном магнитном поле с единичной индуктивностью 30 мТл. При реализации данного способа затраты на прокачивание раствора в постоянном магнитном поле малы по сравнению с экономическим эффектом от повышения доброкачественности диффузионного сока на 0,6-0,8 %.

Дальнейшее совершенствование описанных способов осуществлялось в направлении сокращения оборудования для проведения ЭХА и затрат энергии на уменьшенное количество электрообраба-тываемых растворов. Одним из путей совершенствования предварительной подготовки стружки является ошпаривание ее смесью водяной пар — ЭВР-католит в количестве, достаточном для пропитки. Данный способ (Патент РФ № 2010861) взят за основу при расчете технико-экономических показателей сравниваемых способов.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

МЕТОДА ЭХА

Технико-экономическая оценка использования метода ЭХА для интенсификации экстрагирования в условиях типового сахарного завода суточной производительностью по перерабатываемой свекле 3 тыс.т проведена по типоной методике. Расчет экономической эффективности от внедрения способа получения диффузионного сока с использованием ЭВР-католита при ошпаривании стружки (Патент РФ №2010861) выполнен в ценах на 01.09.94г.

и состоит в определении капитальных затрат на приобретение трех электроактиваторов, емкости солевого раствора, монтажа и наладки схемы. Расчет изменения себестоимости сахара выполнен с учетом увеличения энергозатрат на проведение ЭХА, составляющих 0,4-0,6 кВт.ч на 1 т свеклы, расхода соли, сокращения затрат дезинфицирующих средств (формалина), увеличения выхода сахара на 0,2 % к массе свеклы за счет повышения доброкачественности диффузионного сока и снижения потерь сахара при экстрагировании, некотором сокращении затрат топлива, извести и газа.

В результате расчета экономическая эффективность составила 0,8, а срок окупаемости 1,2 года.

Таким образом, можно ожидать значительный экономический эффект за счет увеличения выработки сахара.

Разработан способ получения диффузионного сока, предусматривающий использование обеих рабочих камер электроактиватора: катодной — для получения электроактивированной паро-жидкостной смеси и анодной — для обработки жомопрессовой воды (положительное решение НИИГПЭ о выдаче патента РФ по заявке № 93-038348/13 от 27.07.93).

Работы по интенсификации процесса экстрагирования привели к обоснованию конструкции экстрактора карусельного типа с использованием специальной секции ошпаривания с дозированной подачей электроактивированного экстрагента. Такой тип аппарата отличается простотой, компактностью, а процесс ошпаривания в нем протекает более эффективно, так как в нем не происходит разбавление диффузионного сока конденсатом греющего пара. Ошпаривание в предложенной конструкции аппарата осуществляется интенсивно в течение 60-90 с, что создает благоприятные условия для интенсификации процесса в основном экстракционном аппарате.

Предложена аппаратурно-технологическая схема получения свекловичного сиропа с использованием метода ЭХА при подготовке 30-40 % к массе свеклы экстрагента и ошпаривании им

стружки и очистке диффузионного сока (Заявка № 94-0149447 от 21.04.94г.). Интенсификация экстрагирования позволяет создать более компактное оборудование. Схемой предусмотрено получение пищевого сиропа при небольшом (0,4-0,6 % СаО к массе свеклы) расходе извести на очистку сока. Схема испытана в Северо-Кавказском НИИ сахарной свеклы и сахара НПО "Крас-нодарсахар". Полученный по предлагаемой схеме свекловичный сироп имеет повышенные показатели цветности на 10-15 ед. Шт и редуцирующих веществ в среднем на 2,0-4,5 % на 100 СВ по сравнению с одноименными показателями типовой схемы получения сиропа из сахарной свеклы, что дает возможность применения полученного по предлагаемому способу сиропа в различных отраслях пищевой промышленности — консервной, кондитерской, молочной, хлебопекарной, в производстве безалкогольных напитков и т.д. Результаты анализов содержания тяжелых и токсичных элементов (ртуть, мышьяк, медь, свинец, кадмий, цинк), остаточных пестицидов и нитратов подтверждают экологическую безопасность свекловичного сиропа, полученного с использованием метода электрохимической активации.

ВЫВОДЫ

1. Эффективным направлением интенсификации процесса экстрагирования сахара из свеклы является применение электротехнологии. Темпы роста публикаций этого направления превышают общие темпы роста работ по экстракции.

2. Одним из основных методов интенсификации процесса экстрагирования из свекловичной стружки является ее обработка активированным зкстрагентом с использованием метода ЭХА слабоконцентрированных водных растворов сульфатов и хлоридов солей поливалентных металлов, имеющих рН католита 5,0-5,5.

3. Физико-химические свойства экстрагента, равновесные, диффузионные и реологические свойства стружки и жома изменяются при обработке ЭВР. При этом плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение и адсорбционный эффект

уменьшаются, а упругость свекловичной стружки и жома, а также коэффициент внутренней диффузии стружки возрастают.

4. Адекватное описание процесса диффузии при экстрагировании сахара из свекловичной стружки возможно на основе математической модели при использовании концентрационно-зави-сящего коэффициента диффузии.

5. Поведение числа Шервуда в случае концентрационно-завися-щего коэффициента диффузии с ростом числа Фурье носит асимптотический характер по отношению с зависимостью числа Шервуда с постоянным коэффициентом диффузии.

6. Интенсивность процесса экстракции увеличивается в зависимости от степени отжима и возврата жомопрессовой воды вблизи предельного значения степени отжима.

7. Конструкция карусельного экстрактора, совмещенного с камерой ошпаривания, при дозированной подаче электроактивированного зкстрагента обеспечивает интенсивное проведение процесса.

8. Математическое моделирование работы карусельного экстрактора позволяет оценить интенсивность процесса экстракции с использованием метода ЭХА — время экстракции сокращается на 27 %, а также влияние технологических факторов — с ростом коэффициента отбора диффузионного сока, степени возврата жомопрессовой воды интенсивность процесса повышается и конструктивных факторов — рост числа ступеней более 6-8 не приводит к дальнейшей интенсификации процесса.

9. Предложены способы получения диффузионного сока с использованием методов электрохимической и магнитной .активации экстр агентов, а также способы подготовки свекловичной стружки к экстрагированию, позволяющие интенсифицировать процесс экстрагирования сахара, прошедшие сравнительные испытания. Экономический эффект от интенсификации экстрагирования с использованием метода ЭХА при подготовке стружки

складывается за счет увеличения выработки сахара, сокращения расхода химреагентов при проведении экстрагирования и времени процесса. Коэффициент экономической эффективности составляет 0,8, срок окупаемости капитальных вложений — 1,2 года. Разработана алпаратурно-технологическая схема получения пищевого свекловичного сиропа при малых расходах извести на очистку диффузионного coica.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Анализ эффективности возврата отжатой жидкой фазы в процессе противоточной экстракциии / Б.П.Кошевой, Д.Г.Ква-рацхелия, В.А.ЛеонТьев, Е.Г.Степанова // Известия вузов. Пищевая технология.— 1991.— Na 4— 6.—С. 110-112.

2. Влияние подготовки экстрагента с использованием ЭХА на технологические показатели диффузионного сока / Е.П.Кошевой, Е.Г.Степанова, Н.В.Орлова и др. // Сахарная пром-сть.— 1994.— № 4.— С. 20-22.

3. Косачев B.C., Кошер ой Е.П., Степанова Е.Г. Описание кинетики экстрагирования из твердой фазы // Тез. докл. на Меж-дунар. научн. конф. "Прогрессивные технологии и техника в пищевой пром-сти".— Краснодар, 1994, 19-21 сент.— С.125-126.

4. Кошевой Е.П., Степанова Е.Г. Совершенствование процесса извлечения сахара на основе использования ЭАЖС // Тез. докл. II Междунар. конф. "Проблемы механизации и электронизации сельского хозяйства",'Краснодар, 1991, 3-5 окт. — С.12.

5. Кошевой Е.П., Степапова Е.Г. Применение энергосберегающей технологии при создании машинно-аппаратурного комплекса по переработке сахарной свеклы // Тез. докл. в Московск. Государств, академию пищевых производств. "Проблемы

энергетики теплотехнологии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье".— М., 1994.— С.61-63.

6. Кошевой Е.П., Степанова Е.Г. Оценка адсорбционных свойств свекловичной стружки при экстрагировании сахара с использованием электроактивированных водных растворов (ЭВР)// Известия вузов. Пищевая технология.— 1994.— Ms 5-6.— С.65-67.

7. Кошевой Е.П., Степанова Е.Г. Совершенствование процессов и технологии получения сиропа из сахарной свеклы с использованием метода электрохимической активации (ЭХА)// Тез. докл. на Республ. научн.-практич. конф. "Повышение эффективности сахарного производства при минимальных капитальных затратах", Краснодар, 1994, 30 июня — 1 июля.— С. 4849.

8. Кошевой Е.П., Степанова Е.Г. Исследование параметров кинетики экстрагирования с предварительной подготовкой электрохимически обработанным экстрагентом // Тез. докл. на междунар. научн. конф. "Прогрессивные технологии и техника в пищевой пром-сти".— Краснодар, 1994, 19-21 сент.— С.130-132.

9. Koshevoy Е.Р., Stepanova E.G. Development of sugar extraction technology by applying activated treatment// The 11-th International Congress of Chemical Engineering, Chemical Equipment Design and Automation.—Praha, 1993, August 29 — September 3.—P. 24.

10. Математическое моделирование работы карусельного диффузионного аппарата / Е.П.Кошевой, В.С.Косачев, Е.Г.Степанова, Р.А.Пахомов // Тез. докл. на междунар. научн. конф. "Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности".— Краснодар, 1994, 19-21 сент.— С. 129-130.

11. Оценка адсорбционных свойств экстрагируемых растительных материалов /Д.Г.Кварацхелия, Е.Г.Степанова, В.Е.Тара-

сов, Е.П.Кошевой// Тез.докл. конф. мол.уч. и спец., посвящ. 60-летию образ. МТИПП.— М., 1991.—2 с.

12. Патент РФ № 2010861, МКИ'С 13 Б 1/08. Способ получения диффузионного сока из сахарной свеклы/Е.П.Кошевой, Е.Г. Степанова; Краснод. политехи, ин-т, Сев.-Кав. НИИсах. свеклы и сахара НПО "Краснодарсахар"; Заявл. 16.07.92; Опубл. 15.04.94. Бюл. № 7.— 7 с.

13. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 4911636/13 от 15.02.91. Способ получения диффузионного сока / Е.П.Кошевой, Е.Г.Степанова.

14. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке №93-038348/13 от 27.07.93. Способ получения диффузионного сока из сахарной свеклы / Е.Г.Степанова, Е.П.Кошевой.

15. Совершенствование конструкций жомопрессоЕого оборудования и методов интенсивной подготовки сырого свекловичного жома к прессованию / А.А.Рсманов, Е.Г.Степанова, Н.А.Лю-сый // Обзорн. инф-ция АгроНИИТЭИПП, сер. "Сахарная пром-сть", 1988.— Вып. 6.— 24 с.

16. Степаноза Е.Г., Кошевой Е.П. Технологические эффекты процесса экстрагирования сахара с применением ЭАЖС//Из-Еестия вузов. Пищевая технология.—1992.—№3-4.—С.55-57.

17. Степанова Е.Г., Кошевой Е.П. Влияние подготовки экстра-ггнта с использованием электроактивированных водных растворов (ЭВР) на показатели процесса экстрагирования// Известия вузов. Пищевая технология.—1994.—№3-4.—С.57-59.

. 24

Првшхтые условные обозначения

А', А", В', В"— параметры диффузионного процесса; С — концентрация сахара в стружке, кг/м3; Вап— диаметр аппарата, м; ЕЬ — редокс-потенциал, В; Р — функция эффективности экстрагирования; в — производительность экстрактора, кг/с; /л— коэффициент деления при отжиме; Я — характерный размер частиц, м; Т— температура, °С; V— рабочий объем экстрактора, м3; Вл—влажность, %; О—коэффициент диффузии, м2/с; Кцс — концентрация сока, %; С* — содержание сахара в стружке, %; р — соотношение объемов твердой и жидкой фаз; ц—в эффективность экстракции; р—плотность, кг/м3; Т— время, с; У— параметр экспоненциальной концентрационной зависимости коэффициента диффузии; Ъ — параметр нелинейности; ат, Ст— коэффициенты уравнения Ленгмюра.

Индексы: н — начальный; к — конечный; р — равновесный; о — предельный; пр — приведенный; м — материал; жд — сырой жом; же — жомопрессовая вода; сх — сахар; (1), (2) — относят к концентрациям жидкой и твердой фаз соответственно; ' — к расчету ЧЕП с отжимом жидкой фазы; БН — число Шервуда; То — число Фурье. ВКД — вещества коллоидной дисперсности; СВ — сухие вещества; ЧЕП—число единиц переноса.