автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Научное обоснование образования сахаратов и разработка способов очистки сахарсодержащих растворов

На правах рукописи СОРОКИНА ЮЛИЯ НИКОЛАЕВНА

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ САХАРАТОВ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОЧИСТКИ САХАРСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ

Специальность 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых

продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2003

Работа выполнена на кафедре физической и коллоидной химии Воронежской государственной технологической академии

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Перелыгин Виктор Михайлович доктор технических наук, профессор Подгорнова Надежда Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лосева Валентина Александровна доктор химических наук, профессор Селеменев Владимир Федорович

Ведущая организация Всероссийский научно-

исследовательский институт сахарной свеклы и сахара имени А.Л. Мазлумова

Защита диссертации состоится «14» ноября 2003 года в 13 ч. 30мин, на заседании диссертационного совета Д 212.035.01 при Воронежской государственной технологической академии по адресу: 394000 Воронеж, пр. Революции 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТА.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес Ученого совета ВГТА

Автореферат разослан « /¿7 » 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^

доктор технических наук, профессор//Хат' А.А. Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для повышения выхода и качества товарного сахара необходимо развитие теории и совершенствование технологии известково-углекислотной очистки сахарных соков.

Одним из принципиальных теоретических вопросов технологии сахарного производства является взаимодействие сахарозы с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов. Изучением реакций, протекающих между сахарозой и основаниями, занимались многие ученые: П.М. Силин, С.Е. Харин, А.Р. Сапронов, Д.В. Озеров, P.C. Решетова, М.И. Даишев, Ю.И. Молотилин, Л.Д. Бобровник, Р.Ц. Мищук. Разработаны различные теории взаимодействия сахарозы с основаниями: замещения, комплексо-образования, коллоидная и др. Хотя в литературе имеется достаточно сведений о строении и механизме образования сахаратов, остается нерешенным ряд задач. Например, до настоящего времени не предложено теоретически обоснованных методов расчета растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах и состава насыщенных растворов.

Перспективным направлением повышения эффективности очистки диффузионного сока является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). К преимуществам ПАВ можно отнести высокую технологичность и возможность широкого применения на сахарных заводах в связи с незначительными капитальными затратами. В настоящее время использование ПАВ для повышения эффекта адсорбционной очистки сахарсодержа-щих растворов недостаточно распространено. Применяемые с этой целью поверхностно-активные вещества (АМГС, ФПМ и др.) имеют ряд недостатков и не обеспечивают высокого качества очистки сахарных соков.

Таким образом, изучение равновесий в системе вода-сахароза-основание и разработка эффективных способов очистки сахарсодержащих растворов - весьма актуальные задачи.

Цель и задачи работы. Цель исследования - развитие теоретических основ и разработка способов очистки сахарных соков.

Исходя из поставленной цели, решались задачи:

- уточнение данных о растворимости Са(ОН)2 в водно-сахарных растворах;

i юс. национальная

библиотека

( С.ПетгпПи„,.

« оэ

- измерение рН насыщенных и ненасыщенных гидрокси-дом кальция водно-сахарных растворов и систем вода-сахароза-гидроксид натрия;

- расчет ионного произведения воды в зависимости от содержания сахарозы в растворе;

- разработка методов расчета растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах и равновесного состава систем вода-сахароза-Са(ОН)г и вода-сахароза-КаОН;

- исследование влияния добавок поверхностно-активных веществ (эфиров сахарозы и их смесей с фосфатидами подсолнечного масла) на процесс очистки сахарсодержащих растворов.

Научная новизна работы заключается в том, что

- предложено уравнение для расчета коэффициентов активности воды в зависимости от концентрации сахарозы в температурном интервале 298,15<Т<353,15К;

- определены константы равновесия реакций взаимодействия сахарозы с гидроксидами кальция и натрия в интервале температур 298,15 < Т < 353,15 К;

- предложены уравнения для расчета коэффициентов активности ионов в растворах вода-сахароза-электролит;

- разработан метод расчета растворимости Са(ОН)2 в водно-сахарных растворах;

- разработан метод расчета равновесного состава насыщенных и ненасыщенных гидроксидом кальция водно-сахарных растворов, а также смесей вода-сахароза-гидроксид натрия.

Практическая значимость.

По результатам исследований влияния. ПАВ на процесс очистки диффузионного сока разработаны и испытаны на производстве способы очистки сахарсодержащих растворов с применением эфиров сахарозы и их смесей с фосфатидами подсолнечного масла:

- способ очистки, предусматривающий введение в дефе-кованный сок эфиров сахарозы в количестве 0,001 - 0,005 % к массе раствора (заявка № 2003104002/13 на патент РФ); "

- способ очистки, предусматривающий введение в дефе-кованный сок смеси эфиров сахарозы и фосфатидов подсолнечного масла с соотношением компонентов соответственно

1:1 - 1:9 в количестве 0,001 - 0,005 % к массе раствора (заявка № 20031044211/13 на патент РФ).

Предложенные способы позволяют повысить эффект очистки сахарсодержащих растворов и увеличить выход сахара.

Апробация работы.

Отдельные разделы работы выполнены по НИР 204.04.03.033 «Повышение утилизации диоксида углерода при осуществлении инжекторной сатурации сахарсодержащих растворов и разработка аппаратов с высоким эффектом адсорбционной очистки» подпрограммы 204 «Технологии живых систем» НТП Минобразования России. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных от, четных научных конференциях Воронежской государственной технологической академии 2000 - 2003 годов; научно-практических конференциях в Угличе (2002), Набережных Челнах (2003), Хургаде (Египет) (2003) и Воронеже (2003).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 139 страницах, содержит 18 рисунков, 31 таблицу. Библиографический список включает 147 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены научная новизна и практическая значимость исследований.

В первой главе проведен анализ литературных данных по растворимости гидроксида кальция в воде и водно-сахарных растворах; проанализированы имеющиеся в литературе сведения о характере взаимодействия сахарозы с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов и свойствах систем вода-сахароза и вода-сахароза-электролит. Рассмотрены существующие способы повышения эффективности известково-углекислотной очистки, выявлены их недостатки и преимущества.

Во второй главе дана характеристика исходных веществ; описаны методики и приведены результаты исследований.

Изучение растворимости гидроксида кальция и измерение рН насыщенных и ненасыщенных гидроксидом кальция водно-сахарных растворов, а также смесей вода-сахароза-гидроксид натрия осуществлялось в изолированной от окружающей среды установке (рис. 1), которая продувалась инертным газом.

Равновесия в системе вода-сахароза-Са(ОН)2 изучались в температурном интервале 298,15 < Т < 353,15 К при содержании сахарозы 0,03 - 3,0 моль/1000 г Н20 и Са(ОН)2 от 0,004 моль/1000 г Н20 до его концентрации в насыщенных растворах.

Величины рН тройных смесей вода-сахароза-КаОН измерялись в температурном интервале 298,15 < Т < 353,15 К при содержании сахарозы 0,03 - 2,95 моль/1000 г Н20 и гидроксида натрия 0,0021 - 0,3321 моль/1000 г Н20.

Эфиры сахарозы синтезировали по известной методике при атмосферном давлении в отсутствие растворителя.

Качественные показатели сахарных соков (рН, СВ, концентрация сахарозы, цветность, содержание солей кальция) определялись по общепринятым в сахарном производстве методикам.

В третьей главе проведен анализ равновесий в системе вода-сахароза-гидроксид кальция на основе предположения об ионообменном характере взаимодействия сахарозы и Са(ОН)2.

Молекула сахарозы содержит три наиболее подвижных атома водорода, следовательно, в насыщенном гидроксидом кальция водно-сахарном растворе имеют место равновесия:

Са(ОН)2тв СаОН+ + ОН"

K*|t (1)

Са2+ + ОН"; К

H3S + СаОН4" *=± (CaOH)H2S +Н+; (CaOH)H2S + СаОБГ |=± (CaOH)2HS + Н"; (2) (CaOH)2HS + СаОН+ (CaOH)3S + IT;

Н20 Н++ОЬГ, (3)

где La - произведение активностей гидроксида кальция;

Ка - термодинамическая константа диссоциации иона СаОЬГ;

H3S - сахароза;

(CaOH)H2S, (CaOH)2HS, (CaOH)3S - moho-, ди- и тризаме-

щенные сахараты кальция;

К]а, К2а, К3а - термодинамические константы ионного обмена;

Kw - термодинамическая константа диссоциации воды.

Рис. 1. Схема установки для исследования растворимости гидроксида кальция и рН растворов 1 - изолированный бокс; 2 - ротаметр; 3 - вентилятор; 4 - форкамера; 5 - перчатки; 6 - обоймы; 7 - ячейка для изучения растворимости; 8 - термометр; 9 - холодильник; 10 - термостат; 11 - магнитная мешалка; 12 - фильтр Шотта; 13 - колба Бунзена; 14 - ячейка для измерения рН; 15 - стеклянный электрод; 16 - хлорсеребряный электрод; 17 - термостат; 18-иономер.

Константы равновесий (1) - (3):

m

CaOH

•у + | " • (т _ • у _ Г" • li

' CaOH ' V OH ' ОН > V

к. =

тСа2+ '"ОН" "W

ш • v

СаОН+ ' СаОН+

т

2-У2-шн+-ун+

К2а="

т2-Т2-тсаОН-

т2 -У'г

т. • у, • т„ .

2 ' 2 CaOH

т

2 '?2

Ш2 • У2 • тсаОН+

Кн20 = V • °он- :

СаОН+

1 СаОН

1 СаОН+

Kw ' ан20 :

1(4)

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

где т, - моляльность ионов i-го сорта;

у, - коэффициент активности ионов i-ro сорта; а - степень диссоциации иона СаОНГ;

т2, т'2, т", т" - равновесные моляльности сахарозы, моно-, ди- и трисахарата кальция соответственно; у2 , у2, У2, У2 - коэффициенты активности сахарозы, moho-, ди- и трисахарата кальция соответственно; а. , _, а„ п - активность соответственно ионов водорода,

Н ОН H2U

гидроксила и воды; КНг0 - ионное произведение воды. Дня учета влияния концентрации сахарозы на величину КНг0 рассчитаны значения коэффициента активности воды уНг0

на основе данных об упругости пара над водно-сахарными растворами и описаны уравнением Маргулеса второго порядка:

1лГн2о =(1"хн2о) -[А+(В-А}хН20

(10)

где хНг0 - мольная доля воды в растворе;

А и В - константы, численные значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения констант в уравнении Маргулеса (10)

Температура, К 298,15 313,15 323,15 333,15 343,15 353,15

А -36,10 -24,55 -13,73 -9,80 -5,95 -5,06

В 10,52 7,72 5,22 4,13 4,17 4,02

Так как подвижные атомы водорода в молекуле сахарозы достаточно удалены друг от друга, и энергии отрыва протонов приблизительно равны, то

К2а ~ 5'К1а;

К3а - 9 К1а-

(И)

Значения константы ионного обмена в системе вода-сахароза-гидроксид кальция рассчитаны на основе данных о растворимости Са(ОН)2 в водно-сахарных растворах и рН тройных растворов. В расчетах приняты допущения:

У'г

Уг

Уг Уг

и в соответствии с уравнением Дэвиса

Л

УИ2

(12)

(13)

' Н+ ~ 1 СаОН

Полученные значения К]а для 298,15 < Т < 353,15 К приведены в табл. 2 и описаны уравнением:

4656,4

К1а = 0,0256 • ехр

Значения константы ионного обмена К|а

(14) Таблица 2

Т,К 298,15 313,15 323,15 333,15 343,15 353,15

К(а 4,256-Ю"" 8,770-109 1,426-10"8 2,193-10'5 3,236-10* 4,842-Ю-8

Для расчета коэффициентов активности у+ в системе вода-сахароза-Са(ОН)2 с концентрацией сахарозы < 3,0 в температурном интервале 333,15 £ Т < 353,15 К предложено уравнение:

1ёУ+ +а, -ш" +а2 ■л[т1> (15)

а для 298,15 <Т<323,15 Ки т° <1,2

=1§т!+Ь,-(ш2)Ь2, (16)

где у® - рассчитанный по уравнению Дэвиса коэффициент активности иона в водном растворе с тем же значением ионной силы, что и в изученной тройной смеси;

аь а2, Ьь Ь2 - эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в табл. 3.

Таблица 3

т,к 298,15 313,15 323,15 333,15 343,15 353,15

ai - - - -0,159 -0,134 -0,110

а2 - - - 0,499 0,462 0;417

ь, 0,252 0,273 0,296 - - -

ь3 0,390 0,310 0,300 - - -

С использованием констант Ка, La и К]а разработан метод, позволяющий рассчитать растворимость гидроксида кальция в водно-сахарных растворах, а также равновесные концентрации ионов Са2+, СаОН+, ОН", Н* и moho-, ди- и трисахаратов кальция. Результаты расчетов приведены в табл. 4 и 5.

Таблица 4

Растворимость гидроксида кальция и значения рН

насыщенных Са(ОН)2 водно-сахарных растворов при 343,15 К

Сахароза, моль/1000 г Н20 Растворимость Са(ОН)2, моль/1000 г Н20 РН

эксп. расч. эксп. расч.

0,1548 0,028 0,026 10,94 10,95

0,3278 0,050 0,050 10,88 10,88

0,4013 0,059 0,063 10,86 10,86

0,5164 0,082 0,085 10,83 10,84

0,7365 0,138 0,137 10,80 10,80

1,2742 0,365 0,339 10,75 10,74

1,9544 0.850 0,846 10,71 10,70

Таблица 5

Равновесный состав насыщенных Са(ОН)2 водно-сахарных растворов при 343,15 К___

сахароза, моль/1000 гН20 тС.а(ОН)2 ' моль/1000 гН20 Состав равновесного раствора, моль/1000 г воды

CaOrfx хЮ3 Са2+х хЮ3 m2 _ t 2 m'x xlO2 m2 ОЬГх xlO3 iTx xlO13

0,1548 0,026 0,60 5,39 0,1359 0,0181 0,08 1Д8-10"5 11,4 88,2

0,3278 0,050 0,58 3,83 0,2840 0,0417 0,20 3,32-10"5 8,25 88,7

0,4013 0,063 0,58 3,45 0,3454 0,0531 0,27 4,65-10"5 7,48 88,9

0,5164 0,085 0,57 3,01 0,4394 0,0729 0,40 7,42-10"5 6,59 89,0

0,7365 0,137 0,55 2,46 0,6105 0,1182 0,76 1,64-10"4 5,47 89,2

1,2742 0,339 0,52 1,81 0,9659 0,2803 2,71 8,74-10"4 4,14 89,3

1,9544 0,846 0,51 1,49 1,2260 0,6186 10,4 5,83-10"3 3,48 89,0

Четвертая глава посвящена расчету ионных равновесий в системе вода-сахароза-гидроксид натрия на основе допущения об ионообменном характере взаимодействия сахарозы с №ОН. В системе вода-сахароза-МаОН имеют место равновесия:

к;

НзБ+Ка*«^ К'

NaH2S + Na Na2HS + Na+ •

к:

NaH2S + НГ; Na2HS + FT; Na3S + H+,

(17)

где NaH2S, Na2HS, Na3S - moho-, ди- и тринатриевые сахараты.

Значения термодинамической константы ионообменного равновесия в системе вода-сахароза-гидроксид натрия рассчитаны на основе данных о рН тройных растворов с учетом допущения (12) и с использованием уравнения Дэвиса при условии:

YH+ -YNa+

(18)

Полученные значения К'1а для системы вода-сахароза-гидроксид натрия приведены в табл. 6 и описаны в температурном интервале 298,15 < Т < 353,15 К уравнением:

к;а =8,02 1 3075,7

10~6 • ехр|

(19) Таблица 6

Значения К'1а для системы вода-сахароза-гидроксид натрия

т,к 298,15 313,15 323,15 333,15 343,15 353,15

к; 1а 2,679-10'10 4,335-Ю"10 5,914-Ю-10 7,74МО'10 1,033-Ю'9 1,337-Ю'9

Из данных табл. 2 и 6 видно, что Kia примерно на порядок выше, чем К'1а, что объясняется большей комплексообразующей способностью ионов СаОН*.

С применением константы ионообменного равновесия разработан метод расчета равновесных концентраций ионов Na+, ОН', Н+ и moho-, ди- и трисахаратов. Значения рН смесей вода-сахароза-гидроксид натрия, рассчитанные с использованием К'1а,

удовлетворительно согласуются с опытными данными (табл. 7), что свидетельствует о справедливости предположения об ионообменном характере взаимодействия сахарозы с NaOH.

Таблица 7

Величины pH растворов вода-сахароза-ЫаОН_

Состав исходного раствора, моль/1000 г Н20 Температура, К

333; 15 343,15 353,15

сахароза NaOH РНЭКСП рНрасч Р^эксп РНцасч рНэксп рНрасч

0,0297 0,0041 10,49 10,49 10,27 10,29 10,07 10,11

0,5103 0,0041 9,66 9,65 9,52 9,49 9,39 9,37

0,0294 0,0294 11,29 11,27 11,07 11,07 10,84 10,87

0,5053 0,0294 10,36 10,39 10,21 10,22 10,05 10,07

0,1528 0,1257 11,44 11,48 11,27 11,28 11,12 11,09

0,5164 0,1257 11,02 11,00 10,88 10,82 10,75 10,65

0,5025 0,2450 11,30 11,34 11,12 11,14 10,94 10,97

1,9225 0,0055 9,12 9,19 9,00 9,05 8,90 8,95

0,9681 0,3321 11,32 11,21 11,07 11,02 10,84 10,84

В пятой главе представлены результаты экспериментов по изучению влияния поверхностно-активных веществ - эфиров сахарозы (ЭС) и их смесей с фосфатидами подсолнечного масла (ФПМ) на качество очистки сахарных соков. На основе проведенных исследований разработаны способы очистки сахарсодер-жащих растворов, предусматривающие введение ПАВ в сок основной дефекации с последующей его обработкой по типовой технологической схеме. Способы прошли проверку в производственных условиях на сахарном заводе ОАО «Ника».

По первому способу в дефекованный сок вводят ЭС в количестве 0,001 - 0,005 % к массе раствора. Добавки ЭС способствуют увеличению чистоты сока на 1,3 - 2,2 ед., снижению оптической плотности на 5 - 17 %, солей кальция - на 2 - 17 % по сравнению с контролем.

Второй способ предусматривает введение в дефекованный сок смеси ЭС и ФПМ с соотношением компонентов соответственно 1:1 - 1:9 в количестве 0,001 - 0,005 % к массе раствора. Использование смесей ЭС и ФПМ способствует повышению чистоты на 1,5 - 2,5 ед., снижению цветности на 10 - 18 %, солей кальция на 12 - 26 % по сравнению с контролем.

На основе проведенных исследований по влиянию ЭС и ФПМ на процесс очистки сахарных соков предложена технологическая схема очистки диффузионного сока, предусматривающая синтез ЭС непосредственно на сахарном заводе (рис. 2).

Рис. 2. Технологическая схема очистки диффузионного сока с применением ПАВ 1 - емкость для подсолнечного масла; 2 - бункер для сахара; 3 - бункер для катализатора; 4 - емкость для сульфитированного сока; 5 - смеситель для синтеза ЭС; 6 - сборник суспензии ЭС; 7 - сборник для отработанного подсолнечного масла; 8 - сборник суспензии ФПМ; 9 - смеситель для ПАВ; 10 - сборник; 11 - сатуратор I сатурации; 12 - сборник; 13 - напорный сборник; 14 - листовые фильтры 15 - вакуум-сборник; 16 - напорный сборник; 17 - вакуум-фильтры; 18 - подогреватель; 19 - дефекатор; 20 - сатуратор II сатурации; 21 - мешалка; 22 - сборник.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕДАЦИИ

1. Уточнены данные по растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах и рН насыщенных растворов в интервале температур 298,15 < Т < 353,15 Ки концентраций сахарозы 0,03 - 3,0 моль/1000 г Н20. Измерены величины рН тройных систем вода-сахароза-Са(ОН)2 и вода-сахароза-№ОН различного состава в том же интервале температур. Подтверждено, что с повышением концентрации сахарозы растворимость гидроксида кальция значительно увеличивается, а рН растворов снижается.

2. Увеличение содержания сахарозы приводит к снижению ионного произведения воды. Предложено уравнение для расчета коэффициента термодинамической активности воды в водно-сахарных растворах в интервале температур 298,15 < Т < 353,15 К и концентраций сахарозы <65% масс.

3. Повышение концентрации сахарозы' способствует увеличению термодинамической активности электролитов. Предложены уравнения для расчета коэффициентов термодинамической активности ионов в растворах из воды, сахарозы и электролитов.

4. Предложены уравнения для расчета констант ионообменного равновесия в системах вода-сахароза-Са(ОН)2 и вода-сахароза-ЫаОН для интервала температур 298,15 < Т < 353,15 К. С увеличением температуры значение константы ионообменного равновесия возрастает. Полученные константы позволяют рассчитать равновесный состав указанных систем.

5. Разработан метод, позволяющий рассчитать растворимость гидроксида кальция в водно-сахарных растворах в интервале температур 298,15 <Т<353,15Кс точностью ±5 %.

6. Добавление в дефекованный сок 0,001 - 0,005 % ЭС к массе раствора способствует увеличению чистоты сока на 1,3 - 2,2 ед., снижению оптической плотности на 5 - 17 % и содержания солей кальция - на 2 - 17 %, а Смесей ЭС и ФПМ с соотношением компонентов 1:1 - 1:9 соответственно повышает чистоту на 1,5 - 2,5 ед., снижает цветность на 10 - 18 %, содержание солей кальция на 12 - 26 % по сравнению с контролем.

7. Предложенная схема очистки сахарных соков, предусматривающая добавление ЭС или их смесей с ФПМ в количестве 0,001 - 0,005 % к массе раствора, позволяет получить дополнительную прибыль 317500 - 339000 руб. в месяц.

По теме диссертации опубликованы работы:

1. Перелыгин В.М. Взаимодействие сахарозы с гидроксидом натрия / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Известия вузов. Сер. Пищ. технология. - 2003. - № 4. - С. 24 - 27.

2. Перелыгин В.М. К теории образования сахаратов кальция / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 5. - С. 31 - 33.

3. Перелыгин В.М. Термодинамические свойства водно-сахарно-солевых систем / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003.

- № 2. - С. 17-20.

4. Перелыгин В.М. О растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах /В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Сахар. - 2003. - № 5. - С. 40 - 42.

5. Перелыгин В.М. Константы ионообменного равновесия в системе вода-сахароза-гидроксид натрия / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Материалы науч.-практич. конф. «Технологические аспекты комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных пищевых продуктов общего и специального назначения».

- Углич, 2002. - С. 411 - 413.

6. Перелыгин В.М. О взаимодействии сахарозы с гидрокси-дами щелочных и щелочноземельных металлов / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова; Ю.Н. Сорокина // Материалы конф. «Наука и практика. Диалоги нового века». - Наб. Челны, 2003. - Ч. I. -С. 183- 185.

7. Перелыгин В.М. Расчет констант ионообменного равновесия в системе вода-сахароза-гидроксид кальция / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Успехи современного естествознания. - 2003. - № 9. - С. 65.

8. Перелыгин В.М. Об образовании сахаратов натрия и кальция / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Сборник научных трудов междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» / Воронеж, гос. агроуниверситет. - Воронеж, 2003. -Т.З,Ч. 1.-С. 50-53.

» 1:55 78^

9. Перелыгин В.М. Ионное произведение веды в водно1" сахарных растворах / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Материалы XXXIX отчетной науч. конф. за 2000 г./ Воронеж, гос. технол. акад.- Воронеж, 2001.- Ч. 1.- С. 17.

10. Перелыгин В.М. К теории образования сахаратов / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Материалы XL отчетной науч. конф. за 2001 г. / Воронеж, гос. технол. акад. -Воронеж, 2002. - Ч. 1. - С. 29 - 30.

11. Перелыгин В.М. К вопросу о сахаратах кальция / В.М. Перелыгин, Н.М. Подгорнова, Ю.Н. Сорокина // Материалы XLI отчетной науч. конф. за 2002 г. / Воронеж, гос. технол. акад.

- Воронеж, 2003. - Ч. 1. - С. 24 - 26.

12. Сорокина Ю.Н. Влияние ПАВ на эффективность очистки сахарных соков / Ю.Н. Сорокина, А.И. Ситников // Материалы XLI отчетной науч. конф. за 2002 г. / Воронеж, гос. технол. акад.

- Воронеж, 2003. - Ч. 1. - С. 34.

13.Sorokina Yu. The raw juice purification process // Актуальные проблемы научно-практических исследований и методологий: Материалы докладов науч.-практ. конф. аспирантов и соискателей ВГТА на иностранных языках / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2001. - С. 24.

14. Заявка № 2003104002/13 (004402), МПК7 С 13 D 3/04. Способ очистки сахарсодержащего раствора / Н.М. Подгорнова, В.М. Перелыгин, Ю.Н. Сорокина, С.М. Петров. - Заявлено 12.02.2003 г.

15. Заявка № 20031044211/13 (004403), МПК7 С 13 D 3/04. Способ очистки сахарсодержащего раствора / Н.М. Подгорнова, В.М. Перелыгин, Ю.Н. Сорокина, С.М. Петров. - Заявлено 12.02.2003 г.

Подписано в печать^ /С. &3 Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № ¿/C-f

Воронежская государственная технологическая академия (ВГТА) Участок оперативной полиграфии ВГТА Адрес академии и участка оперативной полиграфии: 394000, г. Воронеж, пр. Революции, 19

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗВЕСТКОВО

УГЛЕКИСЛОТНОЙ ОЧИСТКИ САХАРСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Растворимость гидроксида кальция в воде и водно-сахарных растворах.

1.1.1 Растворимость гидроксида кальция в воде.

1.1.2 Растворимость гидроксида кальция в водно-сахарных растворах.

1.2. Основы взаимодействия сахарозы с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов.

1.2.1. Термодинамические свойства системы вода-сахароза-электролит.

1.2.2. Теории образования сахаратов щелочных и щелочноземельных металлов.

1.3. Применение химических реагентов с целью повышения качества очистки сахарных соков.

1.4. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Характеристика исходных веществ.

2.2. Методика экспериментальных исследований.

2.2.1. Методика исследования растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах.

2.2.2. Методика измерения рН насыщенных гидроксидом кальция водно-сахарных растворов.

2.2.3. Методика количественного определения ионов кальция в водно-сахарных растворах.

2.2.4. Методика измерения рН тройных растворов вода-сахароза-гидроксид кальция.

2.2.5. Методика измерения рН тройных растворов вода-сахароза-гидроксид натрия.

2.2.6. Методика получения эфиров сахарозы.

2.2.7. Методика определения технологических показателей сахарных соков.

2.2.8. Результаты экспериментальных исследований.

ГЛАВА 3. РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ

ВОДА-САХАРОЗА-ГИДРОКСИД КАЛЬЦИЯ.

3.1. Ионное произведение воды в водно-сахарных растворах.

3.2. Равновесия в насыщенных гидроксидом кальция водно-сахарных растворах.

3.3. Расчет константы ионообменного равновесия в системе вода-сахароза-гидроксид кальция.

3.4. Расчет растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах и равновесного состава системы вода-сахароза-Са(ОН)2.

ГЛАВА 4. ИОННЫЕ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ

ВОДА-САХАРОЗА-ГИДРОКСИД НАТРИЯ.:.

4.1. Взаимодействие сахарозы с гидроксидом натрия.

4.2. Расчет ионообменных равновесий в системе вода-сахароза-гидроксид натрия.

ГЛАВА 5. СПОСОБЫ ОЧИСТКИ САХАРНЫХ СОКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ.

5.1. Перспективы применения эфиров сахарозы для повышения качества очистки сахарсодержащих растворов.

5.2. Добавки ПАВ на I сатурацию и эффективность очистки сахарсодержащих растворов.

5.3. Введение ПАВ на I и II сатурации и качественные показатели сатурированных соков.!.

5.4. Влияние добавок комбинированных ПАВ на технологические показатели производственных

О сахарных растворов.

Для повышения выхода и качества товарного сахара необходимо разО витие теории и совершенствование технологии известково-углекислотнои очистки сахарных соков.

Одним из принципиальных теоретических вопросов технологии сахарного производства является взаимодействие сахарозы с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов. Изучением реакций, протекающих между сахарозой и основаниями, занимались многие ученые: П.М. Силин, С.Е. Харин, А.Р. Сапронов, М.И. Даишев, Л.Д. Бобровник, Р.С. Решетова, & Д.В. Озеров, Ю.И. Молотилин, Р.Ц. Мищук. Разработаны различные теории взаимодействия сахарозы с основаниями: замещения, комплексообразования, коллоидная и др. Хотя в литературе имеется достаточно сведений о строении и механизме образования сахаратов, единого мнения о характере взаимодействия сахарозы с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов все еще нет. Отсутствуют данные о термодинамических свойствах системы водасахароза-Са(ОН)2.

Растворимость гидроксида кальция является существенным показате-0 лем, определяющим эффективность очистки сахарсодержащих растворов. Результаты исследований растворимости Са(ОН)2 в водно-сахарных растворах освещены в работах Поляченко М.М., Смоленского К., Лосевой В.А., Бугаен-ко И.Ф. и др. Тем не менее до настоящего времени не предложено теоретически обоснованных методов расчета растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах и равновесного состава насыщенных растворов.

Перспективным направлением повышения эффективности очистки диффузионного сока является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). К преимуществам ПАВ можно отнести высокую технологич-r> ность и возможность широкого применения на сахарных заводах в связи с незначительными капитальными затратами. В настоящее время использование ПАВ для повышения эффективности адсорбционной очистки сахарных соков недостаточно распространено. Применяемые с этой целью поверхностно-активные вещества (АМГС, ФПМ и др.) имеют ряд недостатков и не обеспечивают высокого эффекта очистки сахарных соков.

В связи с этим в настоящей работе изучены равновесия в системе вода-сахароза-основание, а также рассмотрены некоторые вопросы повышения эффекта очистки сахарсодержащих растворов.

Научная новизна работы заключается в том, что

- теоретически обоснован характер взаимодействия сахарозы с гид-роксидами кальция и натрия в водных растворах;

- рассчитаны значения константы равновесия реакций образования сахаратов в системах вода-сахароза-гидроксид кальция и вода-сахароза-гидроксид натрия в интервале температур 298,15 < Т < 353,15 К;

- предложено уравнение для расчета коэффициентов термодинамической активности воды в зависимости от содержания сахарозы в растворе;

- предложены уравнения для расчета коэффициентов термодинамической активности ионов в растворах из воды, электролитов и сахарозы;

- разработан метод расчета растворимости гидроксида кальция в водно-сахарных растворах;

- разработаны методы расчета состава равновесных насыщенных и ненасыщенных Са(ОН)2 водно-сахарных растворов;

- разработан мс/од расчета равновесного состава тройных растворов вода-сахароза-гидроксид натрия;

- исследовано влияние ПАВ (эфиров сахарозы и их смесей с фосфа-тидами подсолнечного масла) на качество очистки сахарных соков.

Практическая значимость работы. По результатам научных исследований разработаны и испытаны на производстве способы очистки сахарсодержащих растворов с применением эфиров сахарозы и их смесей с фос-фатидами подсолнечного масла:

- способ очистки, предусматривающий введение в дефекованный сок эфиров сахарозы в количестве 0,001 - 0,005 % к массе раствора (заявка № 2003104002/13 на патент РФ);

- способ очистки, предусматривающий введение в дефекованный сок смеси эфиров сахарозы и фосфатидов подсолнечного масла с соотношением компонентов соответственно 1:1 — 1:9 в количестве 0,001 — 0,005 % к массе раствора (заявка № 2003104211/13 на патент РФ).

Предложенные способы позволяют повысить эффективность очистки сахарсодержащих растворов и увеличить выход сахара.

Апробация работы. Отдельные разделы работы выполнены по НИР 204.04.03.033 «Повышение утилизации диоксида углерода при осуществлении инжекторной сатурации сахарсодержащих растворов и разработка аппаратов с высоким эффектом адсорбционной очистки» подпрограммы 204 «Технологии живых систем» НТП Минобразования России. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных отчетных научных конференциях Воронежской государственной технологической академии 2000 — 2003 годов; научно-практической конференции «Технологические аспекты комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных пищевых продуктов общего и специального назначения» (Углич, 2002); международных научно-практических конференциях «Наука и практика. Диалоги нового века» (Наб. Челны, 2003), «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (Воронеж, 2003); научной конференции РАЕ «Современные наукоемкие технологии» (Хургада (Египет), 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 139 страницах, содержит 18 рисунков, 31 таблицу. Библиографический список включает 147 источников.

Анализируя данные, полученные в ходе испытаний, комиссия сделала следующие выводы:

1. При добавлении поверхностно - активного вещества (смеси ЭС и ФПМ) в количестве 0,001 - 0,005 % чистота фильтрованного сока второй сатурации возросла на 1,5 — 2,5 % по сравнению с соком без добавления реагента.

2.Цветность сока уменьшилась на 10- 19 % по сравнению с контролем.

3.Содержание солей кальция снизилось на 12 - 26 % по сравнению с соком без добавления ПАВ.

Комиссия считает данный способ очистки сока второй сатурации перспективным для внедрения в сахарной промышленности.

Председатель комиссии: .П.Юшков

А.Малашевский Н.Н. Тупикин Н.М. Подгорнова С.М. Петров Ю.Н. Сорокина