автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Разработка эффективной технологии уваривания утфеля первой кристаллизации

Но. яр а в ах р\'ко.1 шеи

/

ч / ' •• . - - '

ЛЕБЕДЕВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ УВАРИВАНИЯ УТФЕЛЯ ПЕРВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Специальность 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых продуктов, чая, табака и субтропических культур

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005546264

005546264

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Славянский Анатолий Анатольевич

Официальные оппоненты;

Ведущая организация:

Кульнева Надежда Григорьевна,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», профессор кафедры «Технологии бродильных и сахаристых производств»

Костенко Владимир Георгиевич,

кандидат технических наук, ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов, старший научный сотрудник

ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свеклы имени А.Л. Мазлумова»

Защита состоится «25» декабря 2013 года в 12— часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.122.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» по адресу: 109029, г. Москва, ул. Талалихина, д. 31, аул. 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУТУ имени К.Г. Разумовского».

Отзывы направлять по адресу: 109004, г. Москва, ул. Земляной вал, д. 73. Автореферат разослан «22» ноября 2013 года

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.122.02, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач сахарного производства является обеспечение требуемого выхода и качества товарного сахара, что в значительной степени определяется процессом кристаллизации сахарозы, особенно на стадии уваривания утфеля I продукта.

Совершенствование с этой целью технологии получения утфеля I продукта на основе инновационных решений в области существующих теоретических представлений о кристаллизации сахарозы и новых технических решений ее проведения является не только актуальным, но и перспективным направлением исследований.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилось проведение комплексных исследований, направленных на совершенствование процесса формирования центров кристаллизации сахарозы и технология ее проведения в промышленных условиях, разработку соответствующих инновационных способов и их применение на I ступени кристаллизации, обеспечивающих более высокую эффективность данного процесса.

В соответствие с поставленной целью определены основные задачи исследования:

❖ проанализировать и дать оценку качества кристаллического белого сахара отечественных сахарных заводов;

❖ разработать математическую модель процесса вынужденной коагуляции сахарозы;

♦♦♦ на основе математического моделирования уточнить характер самопроизвольного образования центров вынужденной кристаллизации сахарозы в процессе уваривания утфеля в вакуум-аппарате;

❖ изучить теоретические и практические аспекты повышения эффективности кристаллизации сахарозы при уваривании утфеля I продукта в вакуум-аппарате;

❖ разработать, научно обосновать и защитить патентами РФ новые способы уваривания утфеля I кристаллизации;

❖ разработать, провести производственную проверку и предложить промышленности комплексную технологию получения кристаллического белого сахара на основе новых способов уваривания утфедя I кристаллизации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ и оценка качества кристаллического белого сахара отечественных заводов;

2. Математическое моделирование кристаллизации сахарозы как вынужденной коагуляции в вакуум-аппарате на стадии получения товарного сахара;

3. Новые способы уваривания утфсля I кристаллизации и анализ их влияния на выход и качество сахара;

4. Комплексная высокоэффективная технология уваривания утфеля I кристаллизации.

Научная концепция. В основу решения проблемы повышения выхода и качества белого сахара положен научный подход, основанный на математическом моделировании процесса вынужденной кристаллизации сахарозы в вакуум-аппарате, подборе новых технологических решений ее практической реализации, способов и на их основе разработки эффективной комплексной технологии уваривания утфеля I продукта.

Научная новизна работы состоит в развитии существующих теоретический и практических представлений о формировании центров вынужденной кристаллизации сахарозы и их роста в утфелыюй массе в процессе уваривания, анализе основных факторов, влияющих на этот процесс, и на основе проведенных исследований раскрытие и научное обоснование технологических условий, обеспечивающих повышение эффективности технологии уваривания утфеля I кристаллизации.

Разработана математическая модель процесса вынужденной кристаллизации сахарозы, на основе которой исследовано гомогенное термофлуктуационное коагулирование молекул сахарозы и характер протекания зародышеобразования в пересыщенных сахарных растворах.

Для условий самопроизвольного коагулирования частиц сахарозы изучена зависимость периода кристаллообразования от физико-механических и геометрических параметров данного процесса, проанализировано время его осуществления в вакуум-аппарате. Получены соответствующие математические зависимости, определяющие характер протекания вынужденной кристаллизации сахарозы с учетом определяющих этот процесс технологических параметров.

Исследована самопроизвольная инициация центров кристаллизации сахарозы применительно к условиям уваривания утфеля I продукта в вакуум-аппарате; проанализированы особенности спонтанного образования центров кристаллизации; с позиций термодинамики обоснован вынужденный характер движения кристаллов сахарозы размером 5-Ю"7 м и более; эволюция дисперсного состава сахара в вакуум-аппарате.

Уточнены и научно обоснованы диапазоны технологических и технических параметров проведения процесса кристаллизации сахарозы в промышленных условиях.

Сформулированы основные положения, обеспечивающие эффективность комплексной технологии уваривания утфеля I кристаллизации, что позволяет обеспечить требуемый выход и необходимое качество кристаллического белого сахара.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Выполнены исследования по оценке качества вырабатываемого отечественными сахарными заводами сахара с позиций его пищевой и сырьевой значимости. Определены технологические мероприятия по усовершенствованию технологии кристаллизации сахарозы, повышению выхода и качества сахара.

Разработана математическая модель и на ее основе уточнен характер процесса вынужденной кристаллизации сахарозы в вакуум-аппарате. Предложены математические зависимости для установления основных режимных параметров процесса кристаллизации сахарозы.

Разработаны и испытаны на ОАО «Мелеузовский сахарный завод» способы получения утфеля первой кристаллизации (Патент РФ № 2472860, С 13 В 30/02 от 20.01.13; Патент РФ № 2497952, С 13 В 30/00 от 10.11.13), на ОАО «Чишминский сахарный завод» способ получения затравочной суспензии для уваривания утфеля (Патент РФ № 2480527, С 13 В 30/02 от 27.04.13), позволяющие повысить выход и качество сахара.

Предложена комплексная технология получения утфеля I кристаллизации, обеспечивающая эффективную кристаллизацию сахарозы в производственных условиях на основе комбинирования способов по патентам РФ (Патент РФ № 2479631, С13 В 30/00 от 20.04.13; Патент РФ № 2497951, С 13 В 30/00 от 10.11.13; Патент РФ № 2472860, С 13 В 30/02 от 20.01.13; Патент РФ № 2497952, С 13 В 30/00 от 10.11.13).

Применение данной технологии позволяет увеличить производительность продуктового отделения завода на 25-30%, снизив при этом потери сахара на 0,05-0,07% к массе сырья.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований опубликованы в центральной печати и обсуждались на научно-технических конференциях:

1. «Сахар-песок как пищевой продукт и сырье для промышленной переработки» - IV конференция молодых ученых и специалистов (Отделение «Хранение и переработки сельскохозяйственной продукции» РАСХН - 9 декабря 2010 г.). - Москва, 2010;

2. «Сахар и продукты на его основе» - Международная научно-практическая конференция (14-15 декабря 2011 г.). - Московская область, Коренево, 2011;

3. «Совершенствование технологии производства белого сахара» (Круглый стол - Государственная Дума). - Москва, 2012;

4. «Новый подход к обоснованию теории кристаллизации сахарозы (Научная конференция с международным участием). - Пловдив, 2012;

5. «Характеристика особенностей диффузионного процесса кристаллизации сахарозы» - Международная научно-практическая конференция (3-4 апреля 2013 г.). - Курск, 2013.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 научных трудов, в том числе 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, получено 6 патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, выводы и рекомендации промышленности, список литературы и приложения. Она изложена на 148 страницах, иллюстрирована 21 рисунком и 12 таблицами. Список литературы включает 189 источников, в том числе 61 работа зарубежных авторов. Приложения содержат акты производственных испытаний, патенты, грамоты и сертификаты.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе «Современное состояние технологии кристаллизации сахарозы» проведен аналитический обзор отечественных и зарубежных литературных источников, посвященных требованиям к качеству кристаллического сахара, влиянию на него технологических и физико-химических параметров процесса кристаллизации. Рассмотрены вопросы уваривания утфеля I кристаллизации и технологические аспекты его реализации в производственных условиях.

Сформулированы цель и задачи проведения теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации.

Во второй главе «Оценка качества кристаллического сахара» приведена структурная схема исследований, дан анализ специальных методов для углубленной характеристики качества кристаллического сахара.

Исследования проводились на кафедре «Технологии продуктов из растительного сырья и парфюмерно-косметических изделий» ФГБОУ ВПО «МГУТУ имени К.Г. Разумовского», а также в лаборатории отдела качества Российского научно-исследовательского института сахарной промышленности.

В исследованиях по оценке качественных показателей сахара были использованы образцы 20 сахарных заводов, часть которых приведена в таблице 1.

В работе применяли как общепринятые, так и специальные методы исследований. Органолептические и физико-химические показатели определяли по ГОСТ 21-94 и ГОСТ Р 53396-2009; содержание крахмала в белом сахаре - по аттестованной методике, разработанной РНИИСП; содержание отдельных микроэлементов — методом атомно-абсорбционного анализа; содержание щелочных металлов - эмиссионным методом.

Обработку экспериментальных данных проводили на ПЭВМ с применением программного пакета Microsoft Excel.

Эксперименты показали на некоторые отклонения физико-химических показателей сахара от их стандартных значений (ГОСТ 21-94 и ГОСТ Р 533962009).

Так, например, содержание сахарозы в исследованных образцах изменялось от 99,7% до 99,9%, цветность - от 39,9 ед. ICUMSA до 116,5 ед. ICUMSA, редуцирующие вещества - от 0,003% до 0,07%, содержание золы — от 0,016% до 0,054%, содержание влаги - от 0,01% до 0,16% (таблица 1).

Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что данная проблема по-прежнему актуальна и требует соответствующих (компетентных) технологических решений. Одним из эффективных путей повышения выхода и качества сахара является совершенствование технологии уваривания утфеля первой кристаллизации, что и вытекает из структурной схемы проведения исследований (рисунок 1).

Таблица 1 - Физико-химические показатели качества белого сахара

Показатели качества

Массовая доля Массовая доля Массовая доля

№ п/п Сахарные заводы сахарозы (в пересчете на сухое вещество), %, не менее редуцирующих веществ (в пересчете на сухое вещество), %, не более золы (в пересчете на сухое вещество), %, не более Цветность, ед ЮИМвА, не более Массовая доля влаги, %, не более

Норма по ГОСТ 21-94

1 Сахар-песок обычный 99,75 0,050 0,04 104 0,14

Норма по ГОСТ Р 53396-2009

1 Белый сахар первой категории 99,8 0,04 0,036 60 0,10

Сахарные заводы

1 ОАО «Мелеузовский сахарный завод» 99,82 0,008 0,026 87,0 0,047

2 ОАО «Чишминский сахарный завод» 99,85 0,009 0,034 99,7 0,088

3 ОАО «Валуйкисахар» 99,76 0,046 0,038 107,6 0,12

4 ОАО «Лискисахар» 99,88 0,003 0,016 62,4 0,016

5 ООО «Сахар Золотухино» 99,77 0,017 0,020 113,2 0,014

6 ОАО «Сахарный комбинат «Льговский» 99,80 0,011 0,054 113,0 0,024

7 ОАО «Добринский сахарный завод» 99,90 0,01 0,020 52,0 0,010

8 ОАО «Атмис-сахар» 99,81 0,004 0,036 59,5 0,020

9 ОАО «Знаменский сахарный завод» - Филиал «Жердевский» 99,70 0,070 0,048 116,5 0,16

10 ОАО «Сахарный завод «Никифоровский» 99,79 0,004 0,022 39,9 0,015

Рисунок 1 - Схема проведения исследований

В главе 3 «Кристаллизация сахарозы как процесс вынужденной коагуляции» исследована кинетика вынужденной кристаллизации сахарозы при уваривании утфеля I продукта в вакуум-аппарате периодического действия, как коагуляционного процесса. Теория данного процесса основана на концепции Смолуховского о быстрой коагуляции, при которой исследуемое явление (в том числе, и исследуемый процесс кристаллизации сахарозы) рассматривается как совокупность актов попарного слипания частиц, в предположении, что вероятность одновременного столкновения трех и большего числа частиц пренебрежимо мала. Применительно к анализу собственно процесса кристаллизации сахарозы дополнительно предполагается, что кристаллы сахарозы имеют сферическую форму, скорость коагуляции зависит от начальной концентрации частиц и сил взаимодействия между частицами.

Для математического описания исследуемого процесса использовано кинетическое соотношение в форме уравнения нестационарной коагуляции (1) (уравнение Смолуховского), решение которого согласуется с начальным условием (2)

бп/дг = 0,5 Цу(т',т")0(т,т",т")п(т')и(т";с1т'с/т", (1)

о о

п(т, 0 = п0(т) при 1 = 0. (2)

Решение задачи (1), (2) имеет вид

^ =А±е±(-г?.—.г'ф(3)

А = Л(0 = 1/(1 + В), В = В(0 =ьш. (4)

Формула расчёта периода кристаллизации

Т = (ШоУ\ (5)

где Л'о- исходное число частиц в единице объема, 1/м3.

В зависимости от физико-механических и геометрических параметров процесса было рассмотрено формирование в вакуум-аппарате кристаллов как агрегатов из частиц сахарозы. При этом проанализировано изменение по

времени и размеру их количественного содержания в рабочем объёме аппарата. Результаты расчётов представлены в виде графиков 1-3 рисунка 2.

100--—--

р. %

80 - 2

I

I

I

50

4 6 9 10 12

ЯМО"6, м

Рисунок 2 - Зависимость функции распределения Р от массы т частиц, для различных периодов Т протекания процесса при вынужденной коагуляции: Т = 0 (кривая 1), Т = 553 мин (кривая 2), Т = 1106 мин (кривая 3)

Результаты этих исследований позволили уточнить технологические решения, параметры уваривания утфеля I кристаллизации и на их основе разработать новый способ его осуществления (Патент РФ № 2497952, С 13 В 30/00 от 10.11.13).

Усредненные результаты уваривания утфеля I кристаллизации приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Усредненные результаты уваривания утфеля I кристаллизации________

Показатели Способ

Известный Предлагаемый

Утфель I кристаллизации при спуске из аппарата:

- чистота, % 91,78 91,77

- содержание сухих веществ, % 92,52 92,51

- содержание кристаллов, % 50,9 52,4

- содержание сросшихся кристаллов, % 53,5 44,2

- время уваривания утфеля, мин. 330 272

Кристаллический белый сахар:

- цветность, усл. ед 0,80 0,75

- мутность, физ. ед 28,0 22,2

- редуцирующие вещества, % 0,05 0,04

- зола,% 0,032 0,026

Гранулометрический состав:

- средний размер кристаллов, мм 0,58 0,70

- коэффициент неоднородности, % 30,5 26,5

Из приведенных в таблице 2 данных видно, что предлагаемый способ уваривания утфеля I кристаллизации обеспечивает на 1,5% более высокий выход сахара по сравнению с известным, время его уваривания сокращается на 12,5%, существенно улучшаются качественные показатели сахара.

В главе 4 «Кристаллизация сахарозы как процесс произвольной коагуляции» на основе теории Смолуховского исследована кристаллизация сахарозы на молекулярном уровне. Предполагается, что исходная дисперсная система является монодисперсной, как и в чистом растворе, включающей лишь молекулы сахарозы. При этом скорость коагуляции определяется интенсивностью броуновского движения частиц, характеризуемой числом столкновений в единицу времени, начальной концентрацией частиц, наличием между частицами лишь силы притяжения.

Выбирая в качестве исходных кинетическое соотношение в форме уравнения нестационарной коагуляции (1), а также начальное условие (2), кристаллизация сахарозы в вакуум-аппарате периодического действия была исследована как процесс самопроизвольной коагуляции. Причем, в качестве ядра коагуляции выбирали

Р(/??', т") = Ьу(т', т"), (6)

где Ъ= 2&Б0/(Зцж);

у (иг', яг") = {т'т + т"ш){Мтлп + Мт"т) = [2 + (га7яг")1/3 + (т"/т'?% (7)

Полагая, что исходный объём раствора включает лишь молекулы сахарозы массой т\ = 5,7x10"24 кг, счетную плотность распределения частиц в исходной жидкостной смеси принимают в виде

пй(т) = ЫцЦт - т,).

На основе ряда математических преобразований период кристаллизации сахарозы может быть определен с помощью уравнения

Т _ , ~ 4укБвЫ0-

Результаты из расчётов, проведенных по процессу самопроизвольной коагуляции, представлены в виде данных таблицы 3.

Таблица 3 - Значения функций распределения в зависимости от массы кристалла при термофлуктуационной коагуляции для разных периодов кристаллизации ________

т, ш, = 8,2х10"24кг mi 2т\ 3mi Ат\ Smi 10mi

8x109 м 1,0 1,26 1,44 1,59 1,71 2,15

F(m), %,Т = 1,35х 10"8 с 53,33 71,11 77,04 79,01 79,67 80

F\m, 1+1 )-F(m. i) - 17,78 5,93 1,97 0,66 0,33

F{m), %, T = 2,7x10"8 с 44,44 64,20 65,84 66,39 66,58 66,67

- 19,76 1,64 0,55 0,19 0,09

Примечание: m - масса молекулы сахарозы, кг; S - размер молекулы сахарозы, м, /■' -значение функции распределения в момент времени Т, %.

Из данных таблицы 3, следует, что функция распределения F(m) имеет ступенчатый возрастающий характер, отражающий динамику кристаллообразования по расчётным периодам процесса. Например, по периоду времени Т = 1,35x10"8 с относительное содержание мономеров (молекул) в растворе уменьшается до 53,33%. Помимо этого, за счет объединения молекул в растворе, появляются дублеты, относительное содержание которых составляет 71,11-53,33 = 17,78%, триплеты - 77,04-71,77 - 5,93%, относительное число агрегатов с числом молекул более пяти - 80-79,67 = 0,33% (четвертая строка таблицы 3) и т.д.

Сравнение данных по столбцам таблицы указывает на уменьшение с течением времени относительного содержания, как мономеров, так и агрегатов каждой кратности частиц (третья и пятая строки таблицы 3). Причём, если при увеличении времени протекания процесса удельное количество дублетов из частиц сахарозы возрастает, то относительное содержание более крупных убывает. Иначе говоря, в целом, из-за снижения счётной концентрации частиц сахарозы имеет место затухание во времени процесса и кристаллообразования.

На основе моделирования данного процесса в производственных условиях был разработан новый способ получения утфеля I кристаллизации (Патент РФ 2472860, С 13 В 30/02 от 20.01.13), схема реализации которого приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Технологическая схема получения утфеля первой кристаллизации по патенту РФ 2472860: 1 - сборник общего оттека; 2 -сборник сиропа; 3 - коллектор: 4 - вакуум-аппарат; 5 - сборник второго оттека; 6 - утфелемешалка; 7 - центрифуга; 8 - сборник общего оттека; 9 - сборник второго оттека после центрифуг; 10 - сборник первого оттека после центрифуг

Анализ полученных с ею использованием результатов показал, что работа по предлагаемому способу позволяет повысить эффективность уваривания утфеля I кристаллизации, обеспечить повышение выхода и качества кристаллического белого сахара.

В пятой главе «Разработка комплексной технологии получения утфеля I кристаллизации» опиеэны исследования по разработке и производственной проверке комплексной технологии уваривания утфеля I кристаллизации на основе использования разработанных способов: Патент РФ № 2479631, С13 В 30/00 от 20.04.13; Патент РФ № 2497951, С 13 В 30/00 от 10.11.13; Патент РФ № 2472860, С 13 В 30/02 от 20.01.13; Патент РФ № 2497952, С 13 В 30/00 от 10.11.13.

В отличие от типовой схемы предложенная технология предусматривает ряд новых подходов, повышающих эффективность отдельных циклов уваривания утфеля:

1. Заводка центров кристаллизации. Осуществление этой технологической операции предусматривает возможность применения различного затравочного материала, а также способов, например, на основе Брауншвейгского метода (Патент РФ № 2479631, С 13 В 30/00 от 20.04.13).

При переработке сырья хорошего качества (чистота сиропа более 91,0%) лучшие результаты достигаются при самопроизвольной заводке кристаллов по двум способам:

- Патент РФ № 2497951, С 13 В 30/00 от 10.11.13 - центры кристаллизации формируют в период повышения коэффициента пересыщения в интервале 1,20-1,22 — 1,36-1,38 и снижении температуры сиропа с клеровкой в диапазоне 80-78°С - 70-68°С. После чего их закрепляют раскачками смеси сиропа с клеровкой температурой 72-74°С при снижении степени пересыщения до 1,15-1,17;

- Патент РФ № 2472860, С 13 В 30/02 от 20.01.13 - центры кристаллизации формируют в период, когда степень пересыщения доводится до 1,3-1,4 при температуре 78-82°С с последующим быстрым охлаждением до их

появления, при этом регулируют подачу греющего пара в паровую камеру вакуум-аппарата.

Количество образуемых в утфеле центров кристаллизации сахарозы определяется способом его уваривания. При получении утфеля с промежуточным центрифугированием его части или на кристаллической основе в двух параллельных аппаратах количество затравочных кристаллов формируют из расчета 9-12 шт. на 1 мм длины поверхности пробного стекла.

Для предотвращения образования вторичных центров кристаллизации может быть использован усовершенствованный способ уваривания утфеля по Патенту РФ № 2497952, С 13 В 30/00 от 10.11.13. В соответствии с этим способом кристаллы заводят из расчета 9-12 шт. на 1 мм длины поверхности пробного стекла и после их закрепления подкачками сиропа при достижении пересыщения 1,15-1,19 дважды раскачивают фильтрованным соком II сатурации или сиропом сначала при достижении кристаллами размера 0,10-0,15 мм, а затем 0,2-0,3 мм снижая коэффициент пересыщения до 1,10-1,12.

2. Наращивание кристаллов. На этой стадии уже образовавшиеся кристаллы наращивают на систематических подкачках сиропа в вакуум-аппарате, выдерживая коэффициент пересыщения межкристального раствора утфеля в интервале 1,10-1,12. При этом необходима энергичная циркуляция массы утфеля и достаточная площадь поверхности кристаллизации.

Проведенные эксперименты в заводских условиях подтвердили эффективность выдерживания в утфеле на стадии наращивания 30-35% кристаллов. При этих условиях данный процесс протекает с максимальной скоростью кристаллизации сахарозы. Подобные условия наиболее рациональны при подготовке кристаллической основы для уваривания утфеля в соответствии с Патентом РФ № 2480527, С 13 В 30/02 от 27.04.13.

3. Отбор части утфеля из вакуум-аппарата. Требования к этой операции связаны с последующей технологией его уваривания до готовности. Так, например, при уваривании утфеля I кристаллизации с промежуточным центрифугированием после достижения в нем 30-35% кристаллов пересыщение

межкристального раствора снижают до 1,10-1,12. При этом расстояние между кристаллами выдерживают в диапазоне 1,510~4-2,5-10^ м до достижения их содержания в утфеле 40-47%. Затем часть утфеля в количестве 40-55% отбирают и направляют на центрифугирование.

Опыты в этом направлении показали, что лучшие результаты можно достигнуть при выполнении следующих технологических условий:

- наращивание кристаллов проводят до достижения в утфеле 90,0-90,5% сухих веществ;

- отбор части утфеля проводят из вакуум-аппарата в количестве 40-50% от его общей массы;

отобранную часть утфеля направляют на дополнительную кристаллизацию сахарозы охлаждением в утфелемешалку - кристаллизатор;

- кристаллизацию сахарозы охлаждением проводят до достижения температуры утфеля в диапазоне 68-70°С в течение 60-90 мин;

- центрифугирование отобранной части утфеля осуществляют с разделением на сахар и общий оттек, представляющий собой смесь межкристального (первого) и оттека от промывания кристаллов сахара горячей водой в количестве 1,5-2,0% к массе утфеля (второго);

- в промывную воду для улучшения качества кристаллического белого сахара может быть добавлена перекись водорода в количестве 0,002-0,010% к массе сахара.

Окончательное сгущение утфеля в предлагаемой технологии рекомендуется до 92,0-92,5% СВ. Однако в ряде случаев не исключено уваривание утфеля I кристаллизации до содержания в нем сухих веществ более 93,0%.

Данная технология была реализована в производственных условиях ОАО «Чишминский сахарный завод», а усредненные результаты по комплексной технологии уваривания утфеля приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Усредненные результаты по комплексной технологии уваривания утфеля по предлагаемой и известной технологиям

Основные показатели Технология уваривания

Предлагаемая Известная

Чистота,%:

- утфель I кристаллизации 91,80 91,80

- первый оттек 83,16 84,02

- второй оттек 90,20 91,20

Содержание кристаллов в утфеле,% к его массе 51,3 48,7

Время уваривания утфеля до готовности, час 5,57 6,2

Общее время цикла центрифугирования утфеля, 2,83 3,07

мин

Чистота мелассы,% 58,7 59,1

Эффект кристаллизации,% 33,1 32,7

Количество сросшихся кристаллов в утфеле,% 34,6 47,3

Кристаллический белый сахар:

Цветность, усл. ед. 0,75 0,80

Мутность, физ. ед. 24,6 32,2

Редуцирующие вещества,% 0,032 0,047

Зола, % 0,018 0,034

Гранулометрический состав:

- средний размер кристаллов, мм 0,78 0,64

- коэффициент неоднородности,% 24,2 30,8

Из приведенных в таблице 4 данных видно, что предлагаемая технология обеспечивает на 2,6% более высокое содержание кристаллов в готовом утфеле, чем известная, что обеспечивает высокий эффект кристаллизации сахарозы, на 0,4% уменьшается чистота мелассы, сокращается время уваривания утфеля, улучшаются физико-химические и гранулометрические показатели качества кристаллического белого сахара.

Заводская комиссия ОАО «Чишминскнй сахарный завод» признала предложенную технологию эффективной и рекомендовала ее к внедрению в производство.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

На основе результатов, полученных в настоящей работе, сформулированы следующие выводы и рекомендации.

1. Исследованы физико-химические показатели качества кристаллического белого сахара ряда отечественных сахарных заводов. Установлено, что он в целом соответствует требованиям, предъявляемым к нему ГОСТ 21-94 и ГОСТ Р 53396-2009. Вместе с тем в образцах сахара отдельных заводов обнаружено несоответствие этих требований по отдельным показателям.

2. Кристаллизация сахарозы в производственных условиях исследована как вынужденная коагуляция. В ходе количественного анализа установлено, что на величину периода кристаллизации сахарозы влияют такие факторы как счетная концентрация ее частиц и, особенно, величина коэффициента их захвата.

3. Разработана математическая модель самопроизвольной инициации центров кристаллизации сахарозы приминителыто к условиям уваривания утфеля I продукта в вакуум-аппарате. Количественным моделированием процесса в производственных условиях проанализированы физико-технологические и геометрические особенности самопроизвольного образования центров кристаллизации сахарозы.

4. Выведены математические зависимости периода вынужденной кристаллизации сахарозы от размера частиц и физико-технологических параметров процесса уваривания утфеля, что создало предпосылки для создания новой технологии уваривания утфеля I кристаллизации.

5. Разработаны и защищены патентами РФ новые способы уваривания утфеля I кристаллизации, что обеспечило не только увеличение сахара из вакуум-аппарата, но и улучшило его качественные показатели. Способы прошли промышленную проверку и признаны эффективными.

6. Разработана, испытана в производственных условиях и предложена промышленности комплексная технология получения кристаллического белого

сахара на основе включения в нее новых способов уваривания утфеля. Ее использование позволяет повысить выход сахара на 0,05-0,07% к массе сырья.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Семенов, Е.В. Кристаллизация сахарозы как процесс вынужденной коагуляции / Е.В. Семенов, A.A. Славянский, H.H. Лебедева, М.И. Егорова // Сахар. - 2011. - № 7. - С. 45^18.

2. Семенов, Е.В. Количественный анализ кристаллизации сахарозы как вынужденной коагуляции ее частиц / Е.В. Семенов, A.A. Славянский, H.H. Лебедева // Сахар. - 2011. - № 8. - С. 29-33.

3. Семенов, Е.В. Оценка периода кристаллизации сахарозы при самопроизвольной коагуляции / Е.В. Семенов, A.A. Славянский, H.H. Лебедева, М.И. Егорова // Сахар. - 2011. - № 9. - С. 44-47.

4. Семенов, Е.В. Количественный анализ самопроизвольной кристаллизации как процесса коагулирующих наночастиц сахарозы / Е.В. Семенов, A.A. Славянский, H.H. Лебедева// Сахар. -2011,-№ 10. - С. 44-49.

5. Карамзин, A.B. Фракционирование затравочного материала сахарозы в центрифуге периодического действия / A.B. Карамзин, Е.В. Семенов, A.A. Славянский, H.H. Лебедева // Сахар. - 2012. - № 1. - С. 47-50.

6. Карамзин, A.B. Классификация тонкодисперсных частиц на базе центрифуги с периодической выгрузкой осадка / A.B. Карамзин, Е.В. Семенов, A.A. Славянский, H.H. Лебедева // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. -2012. -№ 2. - С. 3-6.

7. Семенов, Е.В. Особенности эволюции дисперсности сахарозы в процессе кристаллизации в вакуум-аппарате / Е.В. Семенов, A.A. Славянский, Н.М. Хубулава, Е.В. Журавко, H.H. Лебедева, И.А. Кузнецов // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. - 2012. - № 5. - С. 3-10.

8. Славянский, A.A. Кристаллизация сахарозы: поиск истины / A.A. Славянский, Е.В. Семенов, H.H. Лебедева // Сахар. - 2012. - № 6. - С. 46-48.

Научные статьи в журналах и сборниках

9. Славянский, Л.Л. Структура потребления сахара и ее перспективы на рынке / A.A. Славянский, H.H. Лебедева // Сборник материалов круглого стола «Основы Государственной политики в области создания продуктов здорового питания: технологические аспекты», М.: МГУТУ. - 2010. — С. 1013.

Ю.Славянский, A.A. Образование центров кристаллизации сахарозы в сахарных растворах / A.A. Славянский, H.H. Лебедева, И.В. Глазкова // Сборник материалов круглого стола «Основы Государственной политики в области создания продуктов здорового питания: технологические аспекты», М.: МГУТУ. -2010,- С. 15-17.

11.Славянский, A.A. Оптимизация процесса кристаллизации сахарозы / A.A. Славянский, И.В. Глазкова, H.H. Лебедева // Сборник материалов круглого стола «Основы Государственной политики в области создания продуктов здорового питания: технологические аспекты», М.: МГУТУ. — 2010. - С. 5862.

12.Славянский, A.A. Механизм диффузионной теории роста кристаллов сахарозы / A.A. Славянский, И.В. Куликова, H.H. Лебедева // Сборник материалов круглого стола «Основы Государственной политики в области создания продуктов здорового питания: технологические аспекты», М.: МГУТУ.-2010.-С. 81-84.

1 З.Лебедева, H.H. Сахар-песок как пищевой продукт и сырье для промышленной переработки / H.H. Лебедева, И.В. Глазкова, A.A. Славянский. // Сборник материалов молодых ученых и специалистов «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ», М.: РАСХН. -2010. - С. 134-135.

14.Славянский, A.A. Сахар и продукты на его основе / A.A. Славянский. С.А. Макарова, H.H. Лебедева // Труды международной научно-практической конференции «Крахмал и крахмалопродукты. состояние и перспективы», М.: ВНИИ Крахмалопродуктов. - 2011. - С. 130-136.

15.Славянский A.A. Углеводы и механизм их усвоения организмом/ A.A. Славянский, С.А. Макарова, H.H. Лебедева // Труды международной научно-практической конференции «Крахмал и крахыалопродукты, состояние и перспективы», М.: ВНИИ Крахмалопродуктов. - 2011.-С. 137-143.

16.Славянский, A.A. Совершенствование технологии производства белого сахара / A.A. Славянский, H.H. Лебедева II Сборник докладов круглого стола на тему «Государственная политика в области производства продуктов здорового питания: законодательные и научные аспекты» М.: Издательство ООО «Вторая типография». - 2012. - С. 44-47.

П.Лебедева, H.H. Требования к качеству кристаллического сахара при оценке его пищевых и сырьевых свойств / H.H. Лебедева, A.A. Славянский, С.А. Макарова, Н.И. Данцевич II Труды VI межвузовской студенческой научно-практической конференции «Вопросы питания: теория и практика», Нижний Новгород: НИТУ. - 2012. - С. 259-263.

18.Лебедева, H.H. Качество сахара и требования к нему в современных условиях / H.H. Лебедева // Сборник докладов круглого стола на тему «Государственная политика в области производства продуктов здорового питания: законодательные и научные аспекты», М.: Издательство ООО «Вторая типография». - 2012. - С. 195-200.

19. Славянский, A.A. Новый подход к обоснованию теории кристаллизации сахарозы / A.A. Славянский, Е.В. Семенов, H.H. Лебедева, Е.А. Сергеева // Научни трудове научна конференция с международно участие «Хранителна наука, техника и технологии 2012», Пловдив. - 2012. - Том ЫХ. - 19-20 октомври. - С. 825-827.

20. Лебедева, H.H. Кинетика вынужденной кристаллизации сахарозы при уваривании утфеля первого продукта / H.H. Лебедева, A.A. Славянский, С.А. Макарова // Труды VII межвузовской научно-практической конференции «Продовольственная независимость России — приоритетная задача агропромышленного комплекса», Нижний Новгород: НИТУ. - 2012. - С. 145-148.

21.Макарова, С.А. Расчет периода кристаллообразования при вынужденной коагуляции частиц сахарозы / С.А. Макарова, A.A. Славянский, H.H. Лебедева, Н.И. Данцевич // Труды VII межвузовской научно-практической конференции «Продовольственная независимость России - приоритетная задача агропромышленного комплекса», Нижний Новгород: НИТУ. - 2012. -С. 148-149.

22.Семенов, Е.В. О разделении утфеля в центробежном силовом поле / Е.В. Семенов, A.A. Славянский, H.H. Лебедева, Е.А. Сергеева // Сборник материалов круглого стола «Инновационные технологии для производства питания функционального назначения», М.: МГУТУ. - 2012. - С. 73-74.

23.Лебедева, H.H. Кристаллизация сахарозы в вакуум-аппарате как процесс химической кинетики / H.H. Лебедева, Е.А. Сергеева, A.A. Славянский // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы свеклосахарного комплекса - ответ на вызовы времени», Курск: МУП «Курская городская типография». - 2013. - С. 109112.

24. Сергеева, Е.А. Характеристика особенностей диффузионного процесса кристаллизации сахарозы / Е.А. Сергеева, H.H. Лебедева, A.A. Славянский // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы свеклосахарного комплекса - ответ на вызовы времени», Курск: МУП «Курская городская типография». - 2013. - С. 133— 135.

Изобретения

25.Патент РФ 2472860, МПК С13 В30/02. Способ получения утфеля первой кристаллизации / Славянский A.A., Лебедева H.H. - № 2011118861/13, заявлен 12.05.2011; опубл. 20.01.2013. Бюл. №2. - 5 с.

26.Патент РФ 2479631, МПК С13 В30/00. Способ получения утфеля первой кристаллизации / Славянский A.A., Лебедева H.H., Макарова С.А. - № 2011141345/13, заявлен 13.10.2011; опубл. 20.04.2013. Бюл. №11. - 6 с.

27.Патент РФ 2479632, МПК С13 ВЗ0/00. Способ получения утфеля первой кристаллизации / Славянский A.A., Лебедева H.H., Егорова М.И. - № 2011152051/13, заявлен 21.12.2011; опубл. 20.04.2013. Бюл. №11.-6 с.

28.Патент РФ 2480527, МПК С13 В30/02. Способ получения затравочной суспензии для уваривания утфеля / Славянский A.A., Семенов Е.В., Карамзин A.B., Лебедева H.H. - № 2011152052/13, заявлен 21.12.2011; опубл. 27.04.2013. Бюл. №12. -4 с.

29.Патент РФ 2497951, МПК С13 В30/00. Способ получения утфеля первой кристаллизации / Славянский A.A., Лебедева H.H., Семенов Е.В. - № 2012135132/13, заявлен 17.08.2012; опубл. 10.11.2013. Бюл. №31. - 6 с.

30.Патент РФ 2497952, МПК С13 В30/00. Способ получения утфеля первой кристаллизации / Славянский A.A., Макарова С.А., Лебедева H.H. - № 2012135133/13, заявлен 17.08.2012; опубл. 10.11.2013. Бюл. №31.-6 с.

Обозначения Н(т) - ступенчатая функция (Хевисайда); къ - постоянная Больцмана, Дж/К; т - масса частицы, кг;

I, - соответственно, прямое и обратное преобразование Лапласа; N - число частиц в единице объема, 1/м3;

А'0 - число частиц в единице объема в начальный момент времени, 1/м ; п(т,0 - счётная плотность распределения, 1/(кг-м3); и = Цп(т)] - изображение по Лапласу функции и, 1/м"; 5 -дельта-функция Дирака, 1 /кг; 9 - температура, К;

динамическая вязкость раствора сахарозы, Па-с; рт-плотность твёрдого, кг/м3;

у - осреднённое по массе значение константы коагуляции.

Отпечатано в типографии ООО "Франтера" Подписано к печати 22.11.201 Зг. Формат 60x84/16. Бумага "Офсетная №1" 80г/м2. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 1,30. Тираж 100. Заказ 655

WWW.FRANTERA.COM

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ имени К.Г. Разумовского»

На правах рукописи

04201452387

ЛЕБЕДЕВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ УВАРИВАНИЯ УТФЕЛЯ ПЕРВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Специальность 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых продуктов, чая, табака

и субтропических культур

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель РСФСР Славянский A.A.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРОЗЫ (Аналитический обзор)......... 13

1.1. Требования к качеству кристаллического белого сахара при оценке его пищевых и сырьевых свойств............................................................ 13

1.2. Характеристика примесей кристаллов сахара и их качественная

оценка.......................................................................................... 19

1.3. Некоторые представления о включении несахаров в кристаллы

сахара........................................................................................... 22

1.4. Физико-химические основы процесса кристаллизации сахарозы........... 26

1.5. Математическое моделирование процесса кристаллизации сахарозы для повышения его эффективности......................................................... 30

1.6. Анализ способов образования центров кристаллизации в производственных условиях............................................................. 36

1.7. Технологические схемы и способы кристаллизации сахара.................. 40

1.8. Оценка эффективности работы продуктового отделения и способов получения товарного сахара............................................................. 43

1.9. Формулирование цели и задач проведения теоретических и

экспериментальных исследований по теме диссертации............................ 47

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО

САХАРА..................................................................... 50

2.1. Структурная схема теоретических и экспериментальных исследований................................................................................. 50

2.2. Методы исследования и их основное содержание............................... 52

2.2.1. Определение способности сахарных растворов к пенообразованию .... 52

2.2.2. Определение скорости растворения кристаллов сахара...................... 53

2.2.3. Определение продуктов деструкции крахмала в белом сахаре............ 54

2.2.4. Качественный анализ сахара на наличие флокул............................ 56

ч

2.2.5. Определение микроэлементов в белом сахаре............•..................... 56

2.2.6. Определение содержания щелочных металлов............................... 57

2.2.7. Определение нерастворимых примесей........................................ 58

2.2.8. Определение содержания сульфитов........................................... 58

2.2.9. Микробиологические показатели качества сахара........................... 59

2.3. Качество сахара и его соответствие требованиям стандартов............... 60

ГЛАВА 3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ САХАРОЗЫ КАК ПРОЦЕСС

ВЫНУЖДЕННОЙ КОАГУЛЯЦИИ................................. 71

3.1. Моделирование кинетики вынужденной кристаллизации сахарозы при уваривании утфеля I продукта.............................................................. 72

3.2. Сравнительный анализ результатов расчетов кристаллообразования при вынужденной коагуляции частиц сахарозы.......................................... 78

3.3. Особенности эволюции дисперсности сахарозы в процессе кристаллизации в вакуум-аппарате...................................................... 82

3.4. Разработка технологии повышения эффективности уваривания утфеля I

кристаллизации.............................................................................. 89

ГЛАВА 4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ САХАРОЗЫ КАК ПРОЦЕСС

САМОПРОИЗВОЛЬНОЙ КОАГУЛЯЦИИ........................ 94

4.1. Моделирование кинетики уваривания утфеля I кристаллизации............ 96

4.2. Кристаллизация как процесс тепловой коагуляции молекул

сахарозы....................................................................................... 98

4.3. Сравнительный анализ результатов расчетов процесса кристаллообразования при термофлуктуационной коагуляции частиц сахарозы............... 103

4.4. Разработка усовершенствованного способа уваривания утфеля I

кристаллизации............................................................................... 106

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ПОЛУЧЕНИЯ УТФЕЛЯ I КРИСТАЛЛИЗАЦИИ............ 110

5.1. Разработка технологии приготовления затравочных центров кристаллизации............................................................................... 112

5.2. Разработка новых способов уваривания утфеля I кристаллизации......... 114

5.3. Разработка комплексной технологии уваривания утфеля I

кристаллизации..............................................................................................................................................................120

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ......................................130

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................................132

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................................................................149

1. Акты внедрения научных разработок....................................................................................150

2. Патенты и их описание........................................................................................................................156

3. Грамоты и сертификаты......................................................................................................................199

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач сахарного производства является обеспечение требуемого выхода и качества товарного сахара [70, 100].

Более 20% энергетических затрат организма человека восполняется сахаром и сахаристыми продуктами, и именно поэтому сахар является стратегическим продуктом питания.

В расчете на душу населения среднемировое потребление сахара увеличилось на 35%. Вместе с тем имеет место конфликт между производителями сахара и Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) за норму потребления сахара человеком, которая была определена в размере 10% калорийности дневного рациона, то есть 50-60 г в сутки (с учетом всех сахаросодержащих продуктов). В настоящее время потребление сахара превышает норму в 2-3 раза, что может нанести серьезный вред здоровью человека [34, 50, 112].

В целях обеспечения эффективного функционирования свеклосахарного производства, реализации доктрины продовольственной безопасности и надежного обеспечения населения и сахаропотребляющих отраслей промышленности сахаром утверждена отраслевая целевая программа «Развитие свеклосахарного подкомплекса России на 2010-2012 годы» (Приказ Минсельхоза РФ от 23 октября 2009 г. № 501) [35, 68].

Позитивной тенденцией последних лет является рост удельного веса объемов производства сахара, вырабатываемого из сахарной свеклы в общем объеме производства. Для обеспечения душевого потребления в научно-обоснованных нормах при прогнозируемой численности населения России (к 2020 году составит 146,6 млн. человек) потребность в сахаре составит 5,6 млн. тонн.

Стало совершенно очевидным, что необходим кардинальный прорыв по всем направлениям развития свеклосахарного комплекса, что смогло бы вывести

отрасль на качественно новый уровень и обеспечить достижение в среднем по стране к 2020 г. следующих показателей [34]:

- выход сахара

- степень извлечения сахара из свеклы при переработке

- потери сахара в производстве '

- расход удельного топлива к массе свеклы

- расход известнякового камня к массе свеклы

- качество сахара - отвечающее европейским стандартам;

- трудозатраты на переработку 100 т свеклы - не более 3 чел/дней.

В соответствии с концепцией развития свеклосахарного комплекса в Российской Федерации (2008-2020 гг.) [35] прогнозируемый объем производства сахара из сахарной свеклы к 2015 г. должен быть доведен до 4,6 млн. т., к 2020 г. -он-еоетавит-4т7-млнгтга"к"2030~570"млн. т. При выполнении этих условий Россия уже к 2015 г. сможет обеспечить свою продовольственную независимость по сахару.

Основная продукция свеклосахарного комплекса - сахар, не только используется в ежедневном рационе питания россиянина, но также является сырьем для кондитерской, хлебопекарной, консервной, молочной и др. отраслей промышленности, в целом на промышленную переработку идет 43% производимого в России сахара [22, 32, 101].

В настоящее время потребность населения и перерабатывающей промышленности России в сахаре за счет собственного производства удовлетворяется на 55-57% [34], что обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии сахарного производства [1, 40].

Одним из направлений решения задач, поставленных целевой программой, является повышение эффективности определяющих процессов сахарного производства, из которых особое внимание заслуживает кристаллизация сахарозы, особенно на стадии уваривания утфеля I кристаллизации [4, 27, 100].

Большой вклад в развитие процессов кристаллизации сахарозы внесли отечественные ученые: И.Г. Бажал [2], И.С. Гулый [19], A.B. Зубченко [26],

15%;

83-85%;

0,5-0,7%;

3,8-4,0%;

4,0-4,2%;

И.Н. Каганов [31], Ю.Д. Кот [37], В.Д. Попов [67], П.М. Силин [84], А.Р.Сапронов [70], Е.В. Семенов [72], А.А. Славянский [100], В.И. Тужилкин [111], Е.М. Хамский [115], В.О. Штангеев [122] и др.

В настоящее время предлагается много инновационных разработок, направленных на совершенствование типовой технологии уваривания утфеля I кристаллизации [28, 104, 124], рассчитанной в основном на среднее качество сырья, к которым можно, например, отнести эффективные способы с применением кристаллической основы, увариванием утфеля с повышенным содержанием сухих веществ, с использование затравочных паст, поверхностно-активных веществ, химических реагентов для улучшения технологии производства товарного сахара и т.д. [10, 27, 70].

Несмотря на многочисленные разработки в области промышленной кристаллизации сахарозы, возможности создания новых инновационных технологий в этом направлении, их внедрения и повышения за счет этого выхода и качества кристаллического сахара еще далеко не исчерпаны.

Совершенствование технологии получения утфеля I кристаллизации на основе инновационных решений в области существующих теоретических представлений о кристаллизации сахарозы и новых технических решений ее проведения является перспективным как для повышения выхода, так и получения высококачественного товарного сахара [87, 124]. Особого внимания при этом заслуживают теоретические и практические аспекты образования центров кристаллизации сахарозы, от которых в значительной мере зависит не только эффективность ее проведения, но и обеспечение необходимого выхода и качества кристаллического сахара [95, 97, 98]. Между процессами образования центров кристаллизации и роста кристаллов сахара существует глубокое различие [31, 45]. Тем не менее, образование центров кристаллизации сахарозы в значительной мере предопределяет характер и особенности роста ее кристаллов в пересыщенных растворах. Поэтому знание условий, при которых возникает требуемое количество центров кристаллизации, имеет большое не только теоретическое, но и практическое решение, так как с этим связаны количество и габитус кристаллов

сахара [105, 124]. При этом важно не только уметь воздействовать на появление новых центров кристаллизации сахарозы, но и использовать эти знания для создания новых инновационных технологий и способов уваривания утфеля первого продукта в сахарном производстве.

Поэтому данная работа является вполне актуальной.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилось проведение комплексных исследований, направленных на совершенствование процесса формирования центров кристаллизации сахарозы и технологии ее проведения в промышленных условиях, разработку соответствующих инновационных способов и их применение на I ступени кристаллизации, обеспечивающих более высокую эффективность данного процесса.

В соответствие с поставленной целью определены основные задачи исследования:

*1* проанализировать и дать оценку качества кристаллического белого сахара отечественных сахарных заводов;

* разработать математическую модель процесса вынужденной коагуляции сахарозы;

на основе математического моделирования уточнить характер самопроизвольного образования центров вынужденной кристаллизации сахарозы в процессе уваривания утфеля в вакуум-аппарате;

* изучить теоретические и практические аспекты повышения эффективности кристаллизации сахарозы при уваривании утфеля I продукта в вакуум-аппарате;

* разработать, научно обосновать и защитить патентами РФ новые способы уваривания утфеля I кристаллизации;

* разработать, провести производственную проверку и предложить промышленности комплексную технологию получения кристаллического белого сахара на основе новых способов уваривания утфеля I кристаллизации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ и оценка качества кристаллического белого сахара отечественных заводов;

2. Математическое моделирование кристаллизации сахарозы как вынужденной коагуляции в вакуум-аппарате на стадии получения товарного сахара;

3. Новые способы уваривания утфеля I кристаллизации и анализ их влияния на выход и качество сахара;

4. Комплексная высокоэффективная технология уваривания утфеля I кристаллизации.

Научная концепция. В основу решения проблемы повышения выхода и качества белого сахара положен научный подход, основанный на математическом моделировании процесса вынужденной кристаллизации сахарозы в вакуум-аппарате, подборе новых технологических решений ее практической реализации, способов и на их основе разработки эффективной комплексной технологии уваривания утфеля I продукта.

Научная новизна работы состоит в развитии существующих теоретических и практических представлений о формировании центров вынужденной кристаллизации сахарозы и их роста в утфельной массе в процессе уваривания, анализе основных факторов, влияющих на этот процесс, и на основе проведенных исследований раскрытие и научное обоснование технологических условий, обеспечивающих повышение эффективности технологии уваривания утфеля I кристаллизации.

Разработана математическая модель процесса вынужденной кристаллизации сахарозы, на основе которой исследовано гомогенное термофлуктуационное коагулирование молекул сахарозы и характер протекания зародышеобразования в пересыщенных сахарных растворах.

Для условий самопроизвольного коагулирования частиц сахарозы изучена зависимость периода кристаллообразования от физико-механических и геометрических параметров данного процесса, проанализировано время его

осуществления в вакуум-аппарате. Получены соответствующие математические зависимости, определяющие характер протекания вынужденной кристаллизации сахарозы с учетом определяющих этот процесс технологических параметров.

Исследована самопроизвольная инициация центров кристаллизации сахарозы применительно к условиям уваривания утфеля I продукта в вакуум-аппарате. Проанализированы особенности спонтанного образования центров кристаллизации и с позиций термодинамики обоснован вынужденный характер движения кристаллов сахарозы размером 5-10"7 м и более. Выявлен и научно обоснован замедленный режим кристаллообразования сахарозы в интервале размеров ее частиц 10"6—10"5 м и более, а также эволюция дисперсного состава сахара в вакуум-аппарате.

Уточнены и научно обоснованы диапазоны технологических и технических параметров проведения процесса кристаллизации сахарозы в промышленных условиях.

Сформулированы основные положения, обеспечивающие эффективность комплексной технологии уваривания утфеля I кристаллизации, что позволяет обеспечить требуемый выход и необходимое качество кристаллического белого сахара.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Выполнены исследования по оценке качества вырабатываемого отечественными сахарными заводами сахара с позиций его пищевой и сырьевой значимости. Определены технологические мероприятия по усовершенствованию технологии кристаллизации сахарозы, повышению выхода и качества сахара.

Разработана математическая модель и на ее основе уточнен характер процесса вынужденной кристаллизации сахарозы в вакуум-аппарате. Предложены математические зависимости для уточнения основных режимных параметров процесса кристаллизации сахарозы.

Разработаны и испытаны на ОАО «Мелеузовский сахарный завод» способы получения утфеля первой кристаллизации (Патент РФ № 2472860, С 13 В 30/02 от

20.01.13; Патент РФ № 2497952, С 13 В 30/00 от 10.11.13), на ОАО «Чишминский сахарный завод» способ получения затравочной суспензии для уваривания утфеля (Патент РФ № 2480527, С 13 В 30/02 от 27.04.13), позволяющие повысить выход и качество сахара.

Предложена комплексная технология получения утфеля I кристаллизации, обеспечивающая эффективную кристаллизацию сахарозы в производственных условиях на основе комбинирования способов по патентам РФ (Патент РФ № 2479631, С13 В 30/00 от 20.04.13; Патент РФ № 2497951, С 13 В 30/00 от 10.11.13; Патент РФ № 2472860, С 13 В 30/02 от 20.01.13; Патент РФ № 2497952, С 13 В 30/00 от 10.11.13).

Применение данной технологии позволяет увеличить производительность продуктового отделения завода на 25-30%, снизив при этом потери сахара на 0,05-0,07% к мас�