автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование процесса электромембранной подготовки воды в пектиновом производстве

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАНШ КИЕВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

БОЙКО АЛЕКСАНДР ВИТАЛИЕВИЧ

Исследование процесса электромембранной подготовки воды в пектиновом производстве

Специальность 05.18.12-Процессы, машины и агрегаты

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КИЕВ 1993

Работа выполнена в Киевской технологическом институте пнцевсй промышленности.

Научные руководители - академик УААН, АИН, доктор технических

наук, профессор 1Улый И.С., доктор технических наук, профессор Купчик Ы.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Таран В.и.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Нищук Р.Д.

Ведущая организация - Винницкий проектно-конструкторский

технологический институт НШ "Спектр".

Защита состоится ЫЛ&иЖ, <«4аач г.в асов на

заседании специализированного совета Д 068.17.04 Киевского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой прышшенности по адресу :252017,г.Киев -17,ул.Владимирская ,68.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института. Автореферат разослан"_"_1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Н.И.Сороколит

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество подготавливаемой воды в пищевой и перерабатывающей промышленности в значительной степени определяет качество, выход и ассортимент пищевых продуктов.

Особо важное место процесс подготовки воды занимает в пектиновом производстве.

Большая потребность в профилактическом питании и лечебных препаратах содержащих пектин, производство студнеобрааователей требуют дальнейшего интенсивного развития пектинового производства.

Современные технологии пектина базируются на использовании минеральных, органических кислот, щелочей, что делает их производство экологически нечистым. Это является основной причиной, сдерживающей дальнейшее развитие пектинового производства.

Основой для создания высокоэффективных экологически чистых и безотходных технологий пектина является элекгромембранная подготовка воды, которая используется вместо химических реагентов для гидролиза. Использование электромембранных технологий для подготовки воды в производстве пектина позволяет отказаться а использования кислот для гидролиза, исключить рост солесодержания пищевых сред, получить необходимые реагенты непосредственно из обрабатываемой воды, создать экологически чистые, безотходные технологии пектина и пектиносодержащих продуктов.

Разработка новых электромембранных процессов подготовки экстра-гента (воды) для пектинового производства базируется на использовании биполярных мембран.

Шзтому исследование мембранных систем и структуры водных растворов с целью разработки электромембранного процесса подготовки экстрагента (электроактивированной воды) для пектинового произ-

- 2 -

водства является актуальной задачей.

Цель работы состоит в экспериментальном исследовании и разработке технологического процесса электромембранной подготовки воды для производства пектина и пектиносодержащих продуктов. В соответствии с целью определены следующие задачи:

1. Определить влияние электромембранной обработки на физико-химические свойства и структуру воды.

2. Изучить электродиффузионные свойства монополярных ионообменных мембран.

3. Исследовать электрохимические характеристики биполярных мембран.

4. Разработать процесс электромембранной технологии воды в производстве пектина и пектинопродуктов.

Научная новизна работы. На основе экспериментальных исследований и промышленных испытаний разработана электромембранная технология подготовки воды для производства пектинопродуктов.

Изучено влияние электромембранной обработки на физико-химические свойства и структуру воды, изменения химического состава "Зкстрагента" при различных условиях его обработки.

Показано, что улучшения многих технологических показателей пектиновых растворов связаны с влиянием эффектов, которые не обуславливают непосредственное изменение свойств воды и ее структуры. Изменение технологических свойств связано с влиянием химической природы компонентов.

Определены элестро диффузионные характеристики ионообменных moho- и биполярных мембран в условиях промышленной эксплуатации электромембранной установки.

Показано, что снижение электродиффузионных свойств анионитовых мембран МА-40 обусловлено изменением электропроводности гелевых участков в мембране из-за накопления блокирующих агентов на внут-

- 3 -

ренних границах раздела микрофаз.

Установлено, что основной причиной ухудшения электрохимических характеристик биполярных мембран является осадкообразование не только на поверхности анионообменного сдоя, но и в его объеме, в том числе и на биполярной границе.

Для увеличения ресурса работы ионообменных мембран в процессе электродиализного получения экстрагента в пектиновом производстве предложена схема промывки камер аппарата ко мпле «сообразующими реагентами.

Предложены метод предподготовки воды и методика расчета элект-ромембршшых аппаратов, применяемых в технологическом процессе получения пектинопродуктов.

Прастическая ценность работы. Разработки, выводы и предложения диссертационной работы нашли практическое применение и использованы для:

-разработки технологической схемы электромембранной подготовки, води и ее аппаратурного оформления ;

-выбора оптимальных технологических параметров процесса получения экстрагента;

-разработки методики расчета электромембранных аппаратов;

-разработки способа получения экстрагента для извлечения сахара из свекловичной стружки;

-разработки способа получения глюкозо-фруктозных сиропов применяемых в кондитерском и других производствах.

Достоверность работы. Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций обеспечена применением современных измерительных приборов, методик, математических методов обработки экспериментальных данных и подтверждается согласованием результатов лабораторных и промышленных испытаний.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке и внедрении способа получения жидких пекти-нопродуктов на Солдатском консервном заводе.

Разработанный, на основе . исследований, производственный технологический регламент получения экстрагента электромембранным методом, использован на Хорольеком плодоконсервном заводе.

По результатам исследований организовано экологически чистое производство экстрагента для получения пектинопродуктов на Лети-чевском заводе продтоваров.

Экономический эффект от использования результатов исследований составляет 1985 тыс. руб. в год ( в ценах 1902 г).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 58-й научной конференции КТИПП (Киев. 1092 г.) ;1-м, 2-м, 3-м научно-технических семинарах "Электротехнология пектиновых веществ"' (Киев 1990-1902 гг.); республиканской конференции "Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, оборудований и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающие отрасли АПК" (г. Киев 24-26 сентября 1091 г.); 18-й международной конференции "Мембранная электрохимия. Ионообменные мембраны: от синтеза к применению (г.Краснодар 23-26 апреля 1992 г.)

Тематика исследований входила в планы важнейших научно-исследовательских работ КТИПП, являющихся составной частью программы 0. Ц.030 "Развитие производства биологически полноценных продуктов на основе комплексного использования сырья и снижение его потерь", Государственной союэно-республиканской программы неотложных мер по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС (Украинская ССР), задание 1.4.7.2. Создание и освоение производства пектиносо-держащих добавок.

- б -

Тема диссертации является также составной частью научно-исследовательской работы ПНИЛ КТИПП по теме: "Разработка электротехнологии экстрагирования сахара и пектина из растительного сырья". Приказ Минвуза Украины N 78 от 21.03.1991 г.

Исследования по диссертационной работе выполняли в Проблемной научно-исследовательской лаборатории КТИПП, научно-исследовательских лабораториях ассоциации "Пектин".

Промышленные исследования проводили на Солдатском консервном ваводе, Хорольском плодоконсервном заводе. Летичевском заводе продтоваров.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (137 наименований, из них 26 на иностранных явыках) и приложений. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, в том числе 66 страниц основного текста. 29 рисунков, 30_таблиц.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук Матвиенкр А. Б. за научные консультации при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены результаты исследований, приведенных в научно-технической литературе по подготовке воды в производстве пищевых продуктов, в том числе и пектине.

Изучены основные приемы изменения рН и ЕЙ водных- растворов: химические, физические, биохимические. Сравнительный анализ технологических характеристик реагентного и электрохимического методов обработки водных сред показал перспективность электрических способов подготовки вода

Показано, что электротехнологические процессы с использованием мембранных материалов находят широкое применение для решения разнообразных прикладных задач, так как являются основой для создания высокоэффективных, экологически чистых и безотходных технологий, в том числе и электротехнологий пектиновых веществ.

Сделан вывод о том, что для создания новых электромембранных процессов активации водных сред широкие возможности представляют ионообменные биполярные мембраны.

Установлены основные экспериментальные закономерности изменения электротранспортных свойств ионообменных мембран от внутренних и внешних факторов, условий синтеза и структурных параметров, концентрации внешнего электролита, температуры, плотности тока и другие.

Сделано предположение, что в условиях наличия больших электрических полей на поверхности мембраны и значительной кислотности окружающей среды возможны не только реакции протонизации и депротони-8ации воды, но и выделение микрокомпонентов, могущих оказывать влияние на гелеобразующие свойства пектиновых растворов. 0

Вместе с тем. до сих пор недостаточно разработаны вопросы стабильности мембранных материалов в условиях эксплуатации, нет общих критериев для оценки изменения свойств или практических приемов регенерации мембран с целью возвращения их в рабочее состояние. Решение этих вопросов имеет важнейшее значение при проведении реального процесса. Применение биполярных мембран в электродиализных аппаратах расширяет круг задач, решаемых электромембранной технологией, однако для проведения процесса изменения кислотно-основных свойств воды, необходим подбор конструкций электродиализных аппаратов, обеспечивающих эффективную подготовку экстрагента для производства пектинопродуктов. В заключении главы сделаны выводы, поставлены це-

ли и задачи исследований.

Во второй главе изучено влияние электромембранной обработки на физико-химические свойства и структуру воды.

В качестве объектов исследования были использованы два образца зкстрагента:

1. Прошедшие электромембранную обработку.

2. Водные растворы HCl.

Для исследования возможных изменений структуры водных систем выбран метод ЯМР - релаксации. Непосредственно в эксперименте ЯМР измеряются химический сдвиг в спектрах магнитного резонанса ядер, времена релаксации и связанные с ними величины.

Методика измерения химического сдвига использована для анализа примесей в экстрагенте, а методика измерения времен спин-спиновой релаксации для анализа особенностей изменения структуры водных систем и прототропной миграции в данных системах.

Измерение скорости спин-спиновой релаксации проводили с помощью модифицированной последовательности Карра-Парселла с применением компьютерного метода анализа результатов для вычисления величины времени спин-спиновой релаксации или поперечной релаксации (Т2).

Показано, что при увеличении pH значение Т2 в интервале рН>3,5 значительно уменьшается.

При этом измеренные зависимости при различных условиях обработки водных систем отличаются слабо. Это свидетельствует о том, что структуры водных сред и особенности прототропного обмена в данных системах отличаются незначительно и наблюдаемые особенности улучшения ряда технологических свойств пектиновых растворов связаны с влиянием эффектов, не обусловленных непосредственно изменением свойств воды и ее структура

Изменение технологических свойств следует объяснить другими

Измерение вначения Т2 для различных образцов представлены на

рис. 1.

То

З.Ч &S

12

з.1

и.о гз г.! ¿7

¿.с г. 5

pH

О - HCl;

Q - электромембранная обработка;

Рис. 1. Изменение спин-спиновой релаксации в зависимости от pH для экстрагентов пектинового производства,полученных на электромембранной установке

и с добавлением HCl.

i Z з и в е ? факторами и в частности наличием малого количества примесей в экстрагенте, которые могут активно влиять на гелеобразующие свойства пектинового раствора.

Определение состава гидролизующих жидкостей для пектинового производства проводили методами: I. Газовой хроматографии.

Шлучены хроматограммы для различных образцов :

1-дистилированная вода;

2-водный раствор Ш1 (рН-1,8);

3-вода прошедшая электромембранную обработку (рН-2,0).

1. Отличие хроматограммы дистилированной воды и водного раствора HCl (IX).

Введение HCl в дистилированную воду приводит к появлению большого количества примесей органической природы и появлению новых пи-

ков. Так появляются новые интенсивные пики. Общее количество органических примесей в системе возрастает приблизительно в 4 раза (от 1.5 иг/литр до 6.2 мг/литр).

2. Отличие хроматограмм дистилированной воды и водного раствора после электромембранной обработки.

Шсле мембранной обработки исчезает ряд пиков, которые имеются в дистилированной воде, в частности при Ь-10,34 с и при 1-14,5 с. Общее содержание органических примесей в растворах после мембранной обработки увеличивается в 2-3 раза и это сопровождается появлением новых пиков в области 1-13,3-16,2 с и при и 18,5 с, которые могут соответствовать продуктам мембранного разложения. Общее количество данных примесей не превышает 10%.

3. Отличие хроматограмм раствора НС1 и раствора после электромембранной обработки. Общее количество примесей в растворе НС1 6,2 мг/литр, в растворах после мембран 4,7 мг/литр при примерно равных значениях (рН-1,9-2,0) хроматограммы очень подобные, но для растворов после электромембранной обработки исчезает ряд пиков при 1-10,8 с. 1-12,025 с уменьшается и появляется пик 1-13,816 с и ряд других в области 1-13,8-16,5 с. Отметим, что именно пики 1-10.8 с и 1-12,025 с отсутствуют в хроматограмме дистилированной воды.

2. Масс - спектроскопического анализ^.

В работе проведен детальный анализ масс-спектров для трех образцов:

1. Дистилированной воды.

2. Водных растворов НС1 (рН-2,0).

3.Воды после электромембранной обработки (рН-2,0).

Полученные масс-спектры здесь не представлены в виду их сложности и проведен только анализ их наиболее характерных областей.

Для1 образцов воды после электромембранной обработки имеется

специфическая область m/e-267;281;295;305 которая может соответствовать осколкам парафиновой природы компонентов связанных со стиролом. По-видимому, данные компоненты соответствуют продуктам частичной деструкции ионообменных мембран, которые также наблюдаются в хроматограмме.

3. ЯМР - спектро-скопического анализа на ядрах 1Н. Для исследований были выбраны только два наиболее характерных концентрата, соответствующих водному раствору HCl и воды полученной с помощью электромембранного метода.

Получены спектры высокого разрешения 1Н-ЯМР для образцов концентратов, соответствующих водному раствору HCl (рН-2) (образец 1) и концентратов водных растворов, полученных с помощью электромембранных методов (рН-2) (образец 2).

Анализ спектров показывает, что в спектре образца 1 присутствует значительное количество углеводородных примесей и идентифицировать их структуру не удается, так как их линии, перекрываются. В спектре образца 2 сигналы в области Т-7-8 могут соответствовать полистирольным фрагментам, принадлежащим к продуктам деструкции мембран, а также веществам полиароматических углеводородов.

Таким образом, на основании результатов физико-химических анализов нами сделаны следующие выводы:

-во всех исследованных водных системах присутствуют органические примеси с концентрацией 1-6 мг/литр;

-в водных растворах после электромембранной обработки отсутствует также ряд примесей, имеющихся в дистилированной воде и водных растворах HCl. Однако, в результате электромембранной обработки в раствор попадает незначительное количество примесей (до 10% от общего количества - 1-5 мг/литр) вмещающие фрагменты

стирола,что, по-видимому, связано о незначительной деструкцией мембран в процессе их эксплуатации.

Для более обстоятельного изучения структуры всех примесей в исследуемых растворах необходимо проведение специальных тестовых эгапериментов с добавками известной природы и проведения сравнительного анализа.

По-видимому свойства экстрагента будут зависеть от предистории приготовления этих растворов и механизма гидролизуюшего действия по принципу гомо-и гетерофазных реакций.

В третьей главе представлены результаты исследований изменения электроди$фузионных свойств биполярных мембран в процессе их эксплуатации.

Для получения гидролизующей жидкости в пектиновом производстве нами предложено использовать ее мембранную предобработку в слоистых биполярных ионообменных мембранах.

Схема полученм гидролизующей жидкости представлена па рис.2.

Известно, что в основе электрохимичесадго синтеза кислот» и< щз-лочей из солевых растворов лежит реакция диссоциации воды, протекающая в области контакта анионообменного и катионообменного■слоев

биполярной мембраны при наложении на мембрану электрического поля. Исследовали три партии образцов мембран: -исходный образец;

-образцы, отработавшие в аппарате половину срока (N1); -образцы, отработавшие полный срок (N2);

Для исследования биполярных мембран использовали метод частотного спектра электрохимического импеданса,метод вольтамперометрии, метод измерения чисел переноса ионов.

Мембраны, извлеченные из электродиализного аппарата(образец т.ыг). имеют более высокий импеданс, падение напряжения и числа переноса ионов хлора (рис.3) по сравнению с исходной.

¿, Ш Зг

1- исходная мембрана;

2- образец N1;

3- образец N2;

и, б

Рис.3. Статическая вольтамперная характеристика биполярной мембраны ШМ.

Как видно, характеристики биполярных мембран изменяются. По-видимому, причиной ухудшения свойств биполярных мембран является осавдение из прилегающих к биполярной мембране растворов малорастворимых соединений кальция и магния (карбонатов и гидроксидов). Осадки образовались в результате реакции между катионами кальция и магния присутствующими в небольших концентрациях в умягченной воде, применявшейся для приготовления солевого раствора, а также в виде примесей в исходном хлориде

натрия и ионами гидроксила, генерируемыми биполярной мембраной.

Возможно также образование комплексных соединений между ионогенными группами анионообменного слоя биполярной мембраны ШЗ-1 и ионами Са. которые присутствовали в небольших количествах в обрабатываемых растворах. Частотные спектры импеданса показывают, что в образцах N1 и N2 по сравнению с исходной мембраной возрастает не только сопротивление монополярных, но и особенно биполярных областей. Таким образом, осадкообразование затрагивает не только поверхность анионообменного слоя . но и реакционный слой на биполярной границе, снижая каталитическую активность ионогенных групп.

Между собой образцы N1 и N2 различаются в значительно меньшей степени, чем образец N1 и исходная мембрана, как по вольтамперной характеристике, так и по импедансу. Вероятно, основное ухудшение свойств биполярной мембраны в процессе ее эксплуатации происходит в первые моменты времени после ее контакта с растворами, содержащий следы ионов кальция.. магния и железа Следует отметить, что числа переноса ионов натрия через образцы N1 и N2 незначительно отличаются от чисел переноса натрия через исходную мембрану.

На основе обработки зависимостей чисел переноса ионов через мембраны от обратного значения плотности тока рассчитаны электромиграционные числа переноса ионов натрия и хлора в мембранах, а также коэффициенты проницаемости щелочи и кислоты через мембрану (таблица N1).

С целью изучения возможности регенерации мембран после эксплуатации образцы биполярных ионообменных мембран обрабатывались в течении 48 часов растворами соляной, щавелевой кислоты и трилона В с концентрацией 0,1Н. Далее измеряли числа переноса ионов через мембраны и падение напряжения на них при плотности тока 3 А/м2 (табли-

Наиболее полно регенерация происходит в случае применения раствора трилона Б, менее эффективен раствор щавелевой кислота Раствор соляной кислоты не пригоден. .

Для предупреждения выпадения осадка солей жесткости на биполярной мембране при ее эксплуатации в существующую технологическую схему необходимо ввести блок доумягчения солевого раствора Удаление- катионов кальция и магния обеспечит значительное увеличение срока эксплуатации биполярных мембран без ухудшения их характеристик

Таблица N1

Характеристика биполярной мембраны МБ-1 до и после эксплуатации

Образец Электромиграционное число Коэффициент проницаемости

переноса через мембрану. • Л/С

Ма+ и" ЫаОН НС1

Исходный 0,11 0,07 0,95 0,76

N1 0,13 0,09 0,99 1,43

N2 0,10 0.11 1,04 1,60

В четвертой главе изучены электрохимические характеристики ионообменных мембран в условиях эксплуатации электромембранных аппаратов.

Объектами исследования являлись ионообменные мембраны типа МА-40, извлеченные из электромембранных аппаратов, предназначенных

Таблица N2

Характеристики биполярной мембраны МБ-1 до и после регенерации.

Электромиграционное Напряжение на мембране, В

р

Образец число переноса (плотность тока 3 А/дмЛ)

N3 С1"

N1 0,13 0,09 5,7

Регенерация:

НС1 0,11 0,31 6,3

Н2С204 0,05 0,15 5,3

Трилон В 0,04 0,12 5,1

для получения экстрагента в пектиновом производстве.

При этом одна партия использовалась в аппарате половину срока в течении одного месяца (образец N1), другая полный срок-два месяца (образец N2).

Удельную электропроводность анионообменных мембран (#) определяли с помощью усовершенствованного ртутно-контактного метода на частоте переменного тока 200 кГц. . Получены зависимости электропроводности исходных мембран, и мембран из аппарата, от концентрации равновесного раствора хлорида натрия, из которых следует, что удельная электропроводность мембран после эксплуатации в аппарате уменьшается во всем исследованном диапазоне концентраций.

Диффузионная проницаемость анионитовых мембран для растворов N801 исследовалась по нарастанию концентраций электролита в 1самере,

заполненной первоначально водой. Количественными

характеристиками диффузионной способности мембран были: величина интегрального коэффициента проницаемости (Р). а также величина диффузионного потока (ч):

д-У/Б с1о/с1Ь Р-ау/с Б йс/йЬ . где ¿-толщина мембраны; Б-ее площадь; У-объем камеры в которую диффундирует соль; С-концентрация диффундирующего электролита; бс/йЬ-скорость нарастания концентрации электролита в камере с водой.

Получены концентрационнные кривые изменения величины Р для исследованных образцов мембран. Химически кондиционированная и стандартизированная мембрана МА-40 имеет понижающийся характер зависимости Р-с, причем большая чуствительность величины Р к концентрации диффундирующего электролита в области разбавленных растворов (до 0,2Ы).

После эксплуатации анионитовых мембран в электродиализных аппаратах ход зависимости Р-с становится нарастающим, что может быть связано со структурно-морфологическими изменениями данной мембраны.

При возрастании концентрации диффундирующего электролита до 0,5М различие в диффузионной проницаемости между исходной и отработанной мембраной сглаживаются, однако в зоне разбавленных растворов эти различия очень существенны и далеко выходят за пределы ошибки эксперимента. Обращает на себя внимание тот факт , что несмотря на продолжительность эксплуатации анионитовых мембран, их диффузионнные характеристики практически совпадают, что наблюдалось такие и при измерении удельной электропроводности. Это свидетельствует о. эгом , что воздействие некоторых компонентов обрабатываемых

вод приводит к изменению в структурной организации мембран и стабилизации их диффузионных свойств. Для подтверждения этого предположения была проведена обработка полученных концентрационных зависимостей электродиффуэионных характеристик мембран в рамках модельных представлений об ионообменной мембране как двухфазной системе. Этот подход позволяет оценить структурные свойства мембран с помощью набора параметров.

Полученные результаты приведены в таблице N3.

Таблица N3

Физико-химические характеристики и структурные параметры мембраны МА-40 до и после эксплуатации.

3 12

Образец О ЩОО с110 Р10 р *кзо Г

г-экв/г 'Н2<УЧ ш 0,1ШаС1 си/и 2 т/'с

Исходный 2.57 54.1 0,64 25,5 0,36 0,440 0,16 N1 2,60 63.5 0.49 6.5 1.40 0.125 0,16

N2 2.65 61.8 0.49 6.6 1.40 0.096 0,20

Анализ полученных результатов показывает, что общее снижение электропроводности мембран определяется снижением электропроводности гелевых участков «изо). Изменение параметра £ при этом лишь незначительно выходит за пределы ошибки определения, что свидетельствует об отсутствии существенных изменений в объемной доле структурных областей заполненных равновесным раствором.

Следовательно, независимо от природы компонентов обрабатываемых вод, имеет место блокировка заряженных центров геля и снижение под-

вижности противоионов в геле, однако существенные изменения в обменной емкости (0) отсутствуют. В паралельных экспериментах гравиметрическим методом была определена общая влагоемкость (V), представляющая отношение веса воды в набухшем образце к весу сухого образца. Возрастание V для мембран, после их эксплуатации в электродиализных аппаратах, по-видимому связано с изменениями в полимерном материале, деструктивного характера, а также с отсутствием гид-рофобизирующего действия сорбированных компонентов.

Сравнение полученных результатов с результатами диагностических исследований, выполненных в определенных условиях реальных процессов электродиализа, показали, что в данном случае изменения в электротранспортных и структурных свойствах мембран можно трактовать как эффекты воздействия на мембрану поливалентных ионов, в З4"

частности ионов Ре. Известно, что последние в процессах электродиализа вызывают снижение электропроводности как катионитовых, так и анионитовых мембран вследствие комплексообразования с аминогруппами, которое в мембране МА-40, изготовленной на основе смолы ЭДЭ-10П, усиливается из-за наличия целого ряда аминогрупп: -Щ3 >-М? Однако влияние блокирующих агентов на гелевые участки анионитовых мембран носит обратимый характер, поскольку при регенерации мембран 0,1М растворами соляной и щавелевой кислот, либо трилона Б их электропроводящие свойства восстанавливаются на 80-90%.

Таким образом, профилактическая промывка камер аппарата комп-лексообразующими реагентами при эксплуатации электродиализных установок получения экстрагента в пектиновом производстве может быть рекомендована для увеличения ресурса работы анионитовых мембран в данном процессе.

В пятой главе изложены: методика расчета электромембранных аппаратов, аппаратурно- технологическая схема получения воды и про-

мышленные исследования процесса электромембранной подготовки. lía основании изучения функционирования электромембранных систем, анализа многокамерных элементарных ячеек электродиализных аппаратов для получения кислоты и щелочи, наш выбрана для проведения промышленных исследований двухкамерная ячейка ЭМА и предложена аппаратур-но-технологическая схема подготовки зкстрагента в пектиновом производстве (рис. 4).

Разработана методика и алгоритм для расчета электромембранных аппаратов на их максимальной производительности, которую можно рекомендовать для инженерных расчетов электротехнологических процессов.

Промышленные исследования электромембранного метода подготовки воды осуществлено на Солдатском консервном заводе, на линии производства пектинового экстракта с яблочных выжимок, где в 1990 году была смонтирована модернизированная электродиализная установка УЭО-4-12,5 производства Пятигорского опытного завода.

Технические характеристики установки: напряжение питательного

тока (переменный, трехфазный 50Гц; 380/220В); максимальный ток

-80А; номинальное выпрямленное напряжение- 440В; пропускная способ-3

ность -50 м/час; количество аппаратов - 4; насосов - 2; габаритные размеры агрегата- 1250/1600/2200 мм; установленная мощность- 40 кВА; свободный напор воды на входе- 245кПа; марки мембран- МА-40 и МБ-1; количество мембран в одном аппарате- 300 штук; материал электродов - платинированный титан; мощность приводов насосов-15 кВт; масса установки-5900 кг.

Питьевую воду перед подачей в электродиализатор подвергают ка-тионированию в фильтрах предподготовки; умягченную воду собирают в емкость накопитель, а из нее подают в технологические емкости; рассол готовят на основании 0,4-1% поваренной соли; умягченная вода

в 13 Рч

0

К 17

умягч«идо* ВсЬс чг

П

№ТЬ<&)Я 'оЗо

агл)

а»

(К

п

а

п

сз

Н>А

1«

©—;

®

(••¿.и» С^цфсМ'Я

¥

х3 £*~®1

€Н

хгн>

<

¡6

■Л

М Ж

/V

1-сборник умягченной воды

2-сборник раствора

3-сборник очищенной воцы

4-сборник раствора /УаС1

5-сборник воды технологической

6-электродиалиэатор-умягчитель

7-9 - электроциализатор-регуля тор рН

10-13 - коллектора

14-сборник экстрагента

15-макометр электроконтактны*

16-тиристорный электропривод

17-блок управления

18-насосы кислотостойкие

19-отбор проб и отвод воздуха

20-$ильтр тонкой очистки 21-манометры технические

□5

* Прмук /«Эстсо

Рис. ■ €.Агшаратурно-технологическая схема получения экстрагента "КГИПП".

и раствор NaCl циркулируют через электродиализные установки до тех пор. пока концентрация ионов водорода в экстрагенте не достигнет нужной величины (рН-2). Обработанную таким образом воду подают в производство, цикл повторяется.

На протяжении 1991-1902 гг. установка в циркуляционном режиме обеспечила экстрагентом цех пекгшгасодержаших продуктов, где перерабатывается 8-12 тонн яблочных выжимок за сутки.

Для эксплуатации установки на протяжении 350 часов необходимо: напряжение - 400 Б; суммарная сила тока - 25 - 30 А; потребляемая мощность - 10 кВт; температура воды 18-20 градусов; при 0,8% содержании NaCl в рассоле pH экстрагента 2; затраты электроэнергии - 3,3 кВтчас; производительность агрегата - З.к$час; произведено экстрагента - 1050 м?

Гарантийный срок эксплуатации установки - б лет, средний срок использования мембран с ежегодной заменой 5 - 10 % - 3 года

Такие же установки для подготовки экстрагента смонтированы и испытаны на Летичевском заводе продтоваров и Хорольском плодо-консервном заводе.

Экономический эффект от внедрения данной технологии - 1985 тыс. руб в год (в ценах 1992 года).

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На основе изучения электродиффузионных свойств монополярных и биполярных ионообменных мембран в процессе их эксплуатации и влияния электрического поля на структуру и состав воды разработана технология электромембранной подготовки воды в пектиновом производстве.

1. Предложен новый способ электромембранной подготовки воды для пектинового производства, позволяющий сократить расход химических реагентов, отказаться от применения агрессивных рабочих сред, повысить качество целевых продуктов и улучшить экологичность производства

2. Методом газовой хроматографии, масс-спектроскопии, ЯМР- спектроскопического анализа на ядрах 1Н показано.что улучшение технологических свойств пектинопродуктов связано с наличием в составе, гидролизмрухшх компонентов повышающих гелеобразуюзде свойства растворов. Существенных изменений структуры водных сред, прошедших электромембранную обработку, не обнаружено.

3. Снижение злектродиф^узшнных свойств анионитовых мембран в процессе их эксплуатации обусловлено изменением электропроводности гелевых участков в мембране вследствие накопления блокирующих агентов на внутренних границах раздела микрофаз.

4. Основной причиной ухудшения электрохимических характеристик биполярных мембран в условиях их промышленной эксплуатации, является осадкообразование не только на поверхности анионообменного слоя, но и в его объеме, в том числе и на биполярной границе.

5. Для улучшения режима работы ионообменных мембран в процессе электромембранной подготовки воды в пектиновом производстве разработана схема профилактической промывки камер аппарата комплексооб-разующими реагентами,в которую включен блок доумягчения солевого раствора

6. Разработаны методика и программы расчета на ЭВМ электромембранных аппаратов, позволяющая установить оптимальную производительность установки для подготовки воды в пектиновом производстве.

7. Разработана аппаратурно- технологическая схема подготовки во-

ды в производстве пектина и пектикопродуктов. Схема использована в производственном технологическом регламенте получения экстрагента электромембранным способом.-

8. разработанная технология электромембранной подготовки воды для получения пектинового экстракта испытана на Хорольском плодо-консервном заводе, Летичевском заводе продтоваров и внедрена на Солдатском консервном заводе.

Экономический эффект от использования рекомендуемых промышленности. разработок составляет 1985 тыс. руб. в год (в ценах 1992 года).

ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Електричне поле 1 структура водних систем / м. IL Купчик, 1.0. Гулий, 0. Е Бойко, В. R Манк. М. I. Лебовка, А. Б. Матвюнко // Хар-чова 1 переробна промисловють. -1992 - N9 - С. 17.

2. Вплив мембранно1 обробки на ослад 1 ф1эико-х1М1чн1 властц-boctI водных систем/ EIL Купчик, 1.0. Гулий. О.Е Бойко, Л.Л. Купчик, M.I. Лебовка, A.B. Матвюнко // Харчова 1 переробна промисловють. -1992 - N9 - С. 18.

3. Досл1дження электромембрашюго процесу шдготовки води / А. В. Матвюнко, СЛ. Марцш, м. п. Купчик, 0. В. Бойко, Л. А. Купчик// Харчова 1 переробна промисловють. -1992 - N9 - С. 19.

4. Електродифуз 1йН1 властивост1 монополярних юнообмшних мембран/ 0. R Бойко, I.e. Гулий,. М.П. Купчик, Е А. Кононенко, А. Б. Матвюнко // Харчова 1 переробна промисловють. -1992 - N9 - С.20.

5. Електрох1м1чн1 характеристики бтолярних юнообмшних мембран /О. В. Бойко, I.e. Гулий, М.П. Купчик, М. I. Шзльдешов, A.B.

Матвюнко // Харчова 1 переробна промисловють. -1992 - N9 - С. 22.

6. Електромембранш установки. / Ы.П. Купчик, I. С. Гулий, 0. а Бойко. А. Б. Матвюнко // Харчова 1 переробна промисловють. -1992 -N9 - С. 23.

7. Електромембранне очищения / М. П. Купчик, О. В. Бойко, ЕЕМанк, А. Б. Матвюнко // Харчова 1 переробна промисловють. -1991 - N9 - 0.20.

8. Пути совершеннствования электромембранных аппаратов для получения воды в пектиновом производстве / А. В. Бойко, М.П. Купчик, И. С. Гулый. Е С. Карпович, Ы А. Тоткайло / Тез. докл. респ. конф.

"Разработка и внедрение высокоэф. ресурсосберег. технологий и новых видов пищевых продуктов в в пищ. и перераб. отрасли АПК. " // -К -КТШШ -1991 . С. 79.

9. Влияние мембранной электрообработки воды на ее состав и физико-химические свойства / Купчик М. П., Бойко А. В.. Лебовка а И., Манк В. Е , Немировская Л. В. // Теэ. докл. 111 науч. -техн. семинара "Электротехнология пектиновых веществ." -К. -КТИПП -1992 -С. 10.

10. Бойко А. В., Купчик 1£ П., Березина Е П /Зизико-химические характеристики гетерогенных ионообменных мембран после их эксплуатации. // Теэ. докл. 3 науч.-техн. семинара "Электротехнология пектиновых веществ". -К -КТИПП -1992 -С. 13.

11. Опыт эксплуатации промышленных электромембранных установок для подготовки воды в пектиновом производстве // Купчик М. П., Бойко А. В., Матвиенко А. Б.. Дейкин И. Е , Тоткайло М. А., Рубинов С. Р., Ба-жал М. И. //Тез. докл. 111 науч. -техн. семинара "Электротехнология пектиновых веществ. " -К. -КТЖШ -1992 -С. 14.

12. Матвиенко А. Б., Купчик М. Е , Марцин 0. И., Бойко А. В. Экспериментальное исследование процесса активации водных сред электро-

¡.'выбранными методами. Tea. докл. Узжгосударсвеннай конф. "ОСр&Зотга жидких сред электромагнитными полями с целью интенсиф. тепло-массообменных "проц. в раэличн. технол. процессах. " 1992., г. Алушта.

13. Матвиенко А. Б., Купчик М. Е , Марцин С. И.. Бойко A. R Аппараты и аппаратурно-техиологические схемы здектромембранной обработки водных сред. Тез. докл. Межгосударственная конф. "Обработка жидких сред электромагнитными полями с целью интесификации твпломассооб-менных проц. в различных технологических процессах." 1992.. г. Алушта.

Подписано в печать l9.04-.9Jr формат 60x84/16 Буиага писчая. Уел.neu.л. 1,0. 1ираж 100 экз. Заказ № 761

Отпечатано 11У0П ГНПП "Плодвинконсерв" г.Киев.Саксаганокого,!