автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование двухстадийного способа получения сока из сахарной свеклы на основе прессования и экстракции

На правах рукописи

ТОРОПЦЕВ Василий Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХСТАДИЙНОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ СОКА ИЗ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ НА ОСНОВЕ ПРЕССОВАНИЯ И ЭКСТРАКЦИИ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 !',ЛМ ¿и'|3

005060857

Воронеж -2013

005060857

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»)

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Кретов Иван Тихонович

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Голыбин Вячеслав Алексеевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»), заведующий кафедрой

кандидат технических наук Ряховский Юрий Викторович

(ООО «Юго-ВостокТехНаладка»), директор

Ведущая организация — Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свеклы и сахара имени А.Л. Мазлумова Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИСС Россельхозакадемии)

Защита состоится «25» июня 2013 г. в Ю00 на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации ЬйрБ://уак2.ed.gov.ru и ВГУИТ Иир://-тулу.vsuet.ru «25» мая 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 профессор

Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сахарная промышленность является важной экономической отраслью в России, так как сахар имеет большое экономическое значение и как продукт питания, и как сырье для промышленности. В настоящее время в сахарном производстве одной из главных задач является разработка инновационных технологий и оборудования для снижения энергоемкости основных процессов обессахари-вания свекловичной стружки и последующей обработки сока.

Существует тенденция к экстенсивному наращиванию производительности сахарных заводов, что приводит, как правило, к общему снижению энерго- и ресурсоэффективности всего технологического процесса, а также к существенному увеличению затрат на обслуживание и эксплуатацию оборудования.

В связи с этим, одним из ключевых моментов эффективного развития сахарной отрасли является создание новой интенсивной технологии и оборудования для прессового получения сока из сахарной свеклы, а также для дальнейшей очистки сока.

Осуществление предлагаемых приоритетов развития сахарного производства позволит поднять научно-технический уровень в промышленности, повысить экономическую эффективность производства, улучшить экологию среды и снизить закупки сахара по импорту.

Значительный вклад в развитие теории получения диффузионного сока внесли П.М. Силин, В.В. Спичак, И.Ф. Бугаенко, A.A. Славянский, А.Р. Сапронов и др.

Применяемый в настоящее время диффузионный способ экстрагирования сахара из стружки в слабокислой среде имеет ряд недостатков и возможности повышения эффективности данного способа практически исчерпаны. В связи с этим предлагались различные решения этой проблемы: с применением осадительной центрифуги как отдельно, так и в комбинации с ленточным прессом, а также комбинации ленточный пресс — диффузионный аппарат, однако в этих случаях не было достигнуто более высокого извлечения сахара и это также не дало положительных результатов.

Поэтому в настоящее время необходимо применение усовершенствованной комплексной двухстадийной технологии, способствующей интенсификации процесса извлечения сока из сахарной свеклы.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре Машин и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы «Адаптация пищевых машинных технологий к тепло- и массообменным процессам на основе диагностики техники и технологий пищевых производств» (№ государственной регистрации 01201253880 Код ГРНТИ: 65.13.19.).

Тематика, задачи работы и направление исследований соответствуют приоритетам развития науки и техники в сахарной отрасли АПК, разработанным учеными и специалистами научно-исследовательских институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Российской академии сельскохозяйственных наук и согласованным с Министерством сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации и Министерством науки и технологий Российской Федерации.

Цель диссертационной работы — исследование и интенсификация массообменных процессов при получении свекловичного сока и разработка рациональных способов и методов его осуществления.

В соответствии с целью работы можно сформулировать задачи исследования:

— анализ современного состояния технологии и техники для извлечения сока из свеклы двухстадийным прессово-диффузионным методом;

— разработка эффективных способов и методов проведения массообменных процессов получения сока из сахарной свеклы, а также оборудования для их осуществления;

— создание экспериментальной установки и получение на ней экспериментальных показателей данных процессов;

— получение теоретических и статистических моделей процессов получения свекловичного сока;

— разработка на уровне изобретений и полезных моделей оборудования для осуществления данных процессов;

— промышленная апробация результатов исследований.

Научная новизна. На основе комплексного анализа и проведенных

исследований получены основные кинетические закономерности прессования свекловичной стружки с учетом предварительной обработки ультразвуком, и экстракции при различных варьируемых параметрах.

Предложено математическое описание процесса экстракции жома сахарной свеклы с применением ультразвукового воздействия на процесс.

Практическая значимость работы. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований показана эффективность и целесообразность применения двухстадийного способа с применением прессования и экстракции для обеспечения процесса извлечения сока из сахарной свеклы.

Разработаны линия получения сока из сахарной свеклы двухста-дийным способом и ее аппаратурное оформление, обеспечивающие высокоэффективное осуществление процесса.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных отчетных конференциях ВГТА (2009-2011 гг.), на II Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике пищевых производств» (2010 г.), на Международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» («ЭПАХПП-2011») (2011 г.).

Результаты работы также демонстрировались на межрегиональных форумах и выставках: VII межрегиональный экономический форум (2010 г.), III Воронежский агропромышленный форум (2011 г.), V Воронежский промышленный форум (2012 г.), по итогам которых работа награждена дипломами.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, получено 2 патента РФ, 1 инновационный патент РК, и 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 165 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 87 рисунков. Список литературы включает 114 наименований. Приложение к диссертации представлено на 18 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы и перспективности применения двухстадийного способа получения сока в свеклосахарном производстве.

В первой главе проведен анализ современного состояния технологий получения свекловичного сока и обзор оборудования для его осуществления. Рассмотрены строение, состав и свойства исследуемого продукта. Изложены подходы при математическом моделировании процессов прессования и экстракции сахарной свеклы. Разработана схема теоретических и экспериментальных исследований.

Во второй главе описаны экспериментальные исследования процесса прессования сахарной свеклы и процесса экстракции прессового жмыха с применением ультразвуковой интенсификации, методика их проведения и устройство экспериментальной установки, а также выполнена оценка качества свекловичного сока, полученного прессованием.

Для проведения исследований процесса прессования сахарной свеклы использовалась экспериментальная установка, изображенная на рис. 1.

Рис. 1 — Экспериментальная установка для исследования процесса прессования: 1 - цилиндр;2 -днище; 3 - шток; 4 - гидроцилиндр; 5 - насос гидравлический; 6 — манометр; 7 - рама

Предварительно измельченная свекла помещалась в цилиндр 1 на перфорированное днище 2. Нагрузка на поршень, движущийся внутри цилиндра 1, осуществлялась при помощи штока 3 гидроцилиндра 4 , приводимого в движение ручным гидравлическим насосом 5. В каждом опыте изменялось прилагаемое к поршню давление, что фиксировалось по манометру 6, которым снабжена экспериментальная установка.

Были проведены исследования влияния давления прессования на выход получаемого свекловичного сока и его чистоту и получены графики, позволяющие судить о характере процесса, представленные на рис. 2-3.

Выход сока при этом составлял не более 60 %, а чистота сока (75...80 %) оказалась ниже чистоты диффузионного сока, получаемого на производстве, из-за высокого содержания пектиновых и белковых веществ.

80 %

О 0.2 ОА 0.6 0.8 Па-1061.0

Рис. 2 — Зависимость выхода сока от давления прессования

О 0.2 ОАр 0.6 0.8 Па 10" Ю Рис. 3 - Зависимость чистоты свеклович-

ного сока от давления прессования

В связи с этим были сделан вывод, что данный способ нуждается в предварительной подготовке стружки к прессованию с целью повышения чистоты сока и увеличения его выхода.

В качестве направлений интенсификации предварительной подготовки стружки были выбраны ошпаривание и ферментативная обработка.

Проведенные опыты показали, что ошпаривание позволяет повысить выход сока и его чистоту (рис. 4 - 5). 6

Рис. 4 — Зависимость выхода сока от давления прессования при предварительном ошпаривании стружки при температуре 60 °С в течение 20 мин

Рис. 5 - Зависимость чистоты свекловичного сока от давления прессования при предварительном ошпаривании стружки при температуре 60 °С в течение 20 мин

Как видно из графиков, максимальный выход сока увеличивается до 70%, а максимальная чистота его - до 84.. .87 %.

При дополнительной обработке стружки ферментами «Виско-Стар» выход сока увеличивается до 80 %, а чистота - до 88...89 % (рис. 6-7). При этом разработан режим ферментативной обработки: продолжительность ошпаривания - 20 мин, температура ошпаривания — 60 °С, массовая доля фермента - 5 %.

Рис. 7 - Зависимость чистоты свекловичного сока от давления прессования

Рис. 6 - Зависимость выхода сока от давления прессования

В результате проведенных экспериментов было установлено, что применение ферментов позволяет получить сок с максимальной чистотой 89 %, и количество его при отжатии составляет 85 %.

Одновременно с этим ферментативная обработка снижает вязкость сока на 20...30 %.

Для проведения экспериментальных исследований процесса экстракции свекловичной стружки после отжатия из нее сока, использовалась лабораторная установка, представленная на рис. 8.

Свекловичная стружка загружалась внутрь цилиндрического фильтрующего элемента 8. Накопительная емкость 14 заполнялась экстраген-том который по трубопроводу 18 подавался помощью насоса 19 через коническое днище 9 внутрь фильтрующего элемента 8 экстрактора 1, где происходил процесс обогащения экстрагента целевым компонентом из измельченного продукта экстракцией с последующим удалением его через боковую сетчатую поверхность 13.

1 - корпус экстрактора; 2 - блок управления; 3 — таймер; 4 — секундомер; 5 - съемная крышка; 6,7- штуцера для ввода и вывода экстрагента; 8 - цилиндрический фильтрующий элемент; 9 - коническое днище; 10 - трубопровод; 11 - ультразвуковой излучатель; 12 - генератор ультразвуковых колебаний: 13 - перфорированная боковая поверхность; 14 - накопительная емкость для экстрагента; 15 - нагревательный элемент; 16.18 — трубопроводы; 17 -расходомер; 19 - насос; 20 - манометр; 21 - кран для отбора проб; 22 - рама

Распределение продукта в фильтрующем элементе 8 и активизация процесса экстракции достигалась ультразвуковыми колебаниями излучателя 11. Экстракт, прошедший через перфорированную боковую поверхность фильтрующего элемента во внутреннюю кольцевую полость меж-

ду корпусом экстрактора 1 и фильтрующим элементом 8 обогащенный целевым компонентом экстракт вытесняется из нее в, где с помощью определяется его расход. После возвращения экстракта, обогащенного целевым компонентом, по трубопроводу 16 в накопительную емкость 14 его цикл рециркуляции повторяется до достижения заданного содержания целевого компонента в экстрагенте. Отбор проб через заданные промежутки времени производился через кран 21. Давление в нагнетательном трубопроводе контролировалось манометром 20.

В ходе экспериментов изменялся объемный расход экстрагента, значения которого фиксировались по показаниям расходомера 17. Изменялась также частота ультразвуковых колебаний, создаваемых ультразвуковым излучателем 11, питающимся от генератора 12. Нагревательным элементом 15 с автоматической регуляцией задавалась различная температура экстрагента, циркулирующего в системе. Варьировалась также и степень загрузки цилиндрического фильтрующего элемента 8 экстрактора 1.

Результаты экспериментальных исследований нашли свое отражение в полученных графических зависимостях, представленных на рис. 9.

а б

Рис. 9 - Зависимость извлечения экстрактивных веществ из отпрессованного жмыха сахарной свеклы: а - от времени экстрагирования: без использования ультразвука (1) и с использованием ультразвука (2): б - при различной температуре экстракции: 1 - 60°С: 2-70 °С: 3 - 80 °С

В третьей главе проведена оптимизация процесса двухстадийного получения сока из сахарной свеклы.

Для оценки влияния выходных параметров процесса было выполнено математическое планирование эксперимента, позволяющее варьировать факторы, оказывающие влияние на процесс.

В качестве входных факторов, оказывающих наибольшее влияние на процесс, были выбраны следующие: Х1 — давление прессования свекловичной стружки, МПа; Х2 — температура предварительной обработки стружки, °С; Х3 — температура проведения процесса экстракции свекловичной стружки после прессования, °С; Х4 — частота ультразвуковых колебаний излучателя в экстракторе, кГц.

В качестве критериев оценки эффективности процесса двухста-дийного получения сока из сахарной свеклы были выбраны: У/ — удельные энергозатраты, кВт ч / кг; У2 — выход свекловичного сока после его двухстадийного извлечения по отношению к массе свеклы, поступающей на производство, кг / кг.

У, = 1,395 + 0,055Х/ +0,113Х2 +0,026Х3 +0,048Х, + + 0,019Х22 + +0,022Хз +0,02*/ - 0,04Х, Х2 - 0,019ЛГ> Х3 + (1) + 0,052Х; Х4 + 0,079X2 Хз - 0,039X2 Х4 - 0,018Х5 X,.

У2 = 57,276 + 2,29 IX/ +1,29Х2 +1,04Х3 + 0,458Х, + + 1,024Х/ + 0,149Х/+1,399Х/+1,025Х/2-0,438Х/Х2- (2)

- 0,312Х,Хз-0,438Х/Х/ + 0,063Х2Х.,-0,562Х2Х,-0,435Х,Х,.

В результате проведенных вычислений были получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс, получены поверхности отклика и кривые равных значений, на основе которых были определены рациональные режимные параметры процесса X/ = 0,27...0,33 МПа; Х2 = 60...65 °С;Хз = 68...72 °С;Х4 = 21 ...23 кГц.

В четвертой главе разработана математическая модель процесса двухстадийного процесса извлечения свекловичного сока прессованием с последующим удалением остаточного сока в полученном жоме путем экстракции с применением ультразвукового воздействия.

Для моделирования процесса отжима из свекловичной стружки с различными способами подготовки, обеспечивающими вскрытие клеточной структуры свекловичной стружки использовалось аналитическое решение в виде:

дг ' л

( \ с ^

X 1-Е П — \ (-1 г1 • ег/с 2-я —1 —— Н + ег/с 2-И-1 + — Н

2- Е7 1 \ Я2 , 2- к \нг )

Для численного решения данной модели использовались результаты исследований компрессионных и фильтрационных свойств свекловичной стружки с различной подготовкой.

Полученные результаты решения модели прессования в виде содержания свекловичного сока в прессовом жоме являются исходными данными для моделирования процесса экстракции.

А так как получаемый после прессования свекловичный жом имеет плотную структуру с заблокированным свекловичным соком, то в математической модели экстракции учитывалось ультразвуковое воздействие на продукт с целью разрушения структуры спрессованного материала.

Использование ультразвука позволяет значительно сократить время экстракции, увеличить выход и снизить себестоимость экстрагируемого вещества. Резкое увеличение скорости экстракции объясняется изменением диффузионного сопротивления пограничного слоя.

В ультразвуковом поле наряду с крупномасштабными аккустиче-скими течениями у границы раздела фаз возникают мелкомасштабные вихревые потоки, характеризующиеся значительными градиентами скоростей, диссипацией энергии и локальным нагревом жидкости. Кроме того, ультразвуковое поле значительно ускоряет процесс пропитки растительного сырья экстрагентом.

Одним из важнейших факторов, определяющих время экстракции сахара из свекловичного жома, является скорость диффузии молекул сахарозы в микропорах жома, заполненных водой.

Выполним диффузионного из микропоры

оценку времени извлечения сахара сахарной свеклы

Рис. 10 — К модели диффузионного извлечения сахара из микропоры: а - схема микропоры мякоти сахарной свеклы; б — распределение безразмерной концентрации в микропоре свеклы.

(рис. 10).

Полагаем, что в начальный момент времени поле концентрации сахарозы в растворе, заполняющем пору, однородно. Начальная концентрация сахарозы С0. Концентрация сахарозы в выходном сечении при г = I (рис. 10), равна Сж.

В процессе нестационарной диффузии поле концентрации в -» со, с —» с ж..

микропоре перестраивается и при г

Уравнение нестационарной диффузии сахарозы имеет вид

дс _ д2с

дт

= я

м

&2

(4)

Начальные и граничные условия соответственно имеют вид:

c(0,z) = c0

С{Т'1) = СЖ

8с dz

(6)

= 0. (7)

г=0

Введем безразмерные переменные:

с — С С~С Г) .т

с=-— г=-— м

С0~Сж ■ С0~Сж ■ 12

5 ?

В безразмерных переменных уравнения (4).. .(7) будут иметь вид:

дс д2с

(8)

дт dz2 ' c(0,z) = l, (9)

c(r,l) = 0, (10)

дс д2с

дт dz2 '

Аналитическое решение этой задачи имеет вид:

(П)

ос 2

С = X—sin (//„)• cos (/Í„z ) • exp [-fi] ■ г), (12)

л=1 /"л

где jun =(2и-1) —, н = 1, 2, 3... — корни характеристического уравнения.

Средняя безразмерная концентрация сахарозы в капилляре:

/

ccp=\cdz. (13)

о

С учетом выражения (21) из (22) следует:

со ^

= 2-ехр(-Я2-г). (14)

п=\ [2п-\) л

При г > 0,3 наступает регулярный режим, при котором в выражении (23) можно ограничиться только первым слагаемым ряда. Остальные слагаемые пренебрежимо малы.

-Ф ~ —схр к

к _

---г

4

Задаваясь конечной средней безразмерной концентрацией Сср к найти время процесса т.

4

-1п

л

(16)

Задаваясь Сср ^=0,05, получим Тк =1,13, или в размерной форме:

г и 1,13

/2

а

(17)

л/

На рис. 10, (б) представлены распределения безразмерной концентрации в микропоре свеклы.

При воздействии ультразвука элемент жидкости, находящейся в микропоре, подвергается деформации.

Обозначим через А амплитуду колебаний открытой части микропоры (при г=Г). Координата внешней границы столба жидкости в микропоре определится соотношением:

2 = / + (18)

где со = 1к/.

Скорость жидкости в сечении I под воздействием ультразвука будет равна:

ёг

V = •

V = -Абзып Средняя скорость жидкости:

ср

Т

Г/ 2

г | иЖ,

(19)

(20)

(21)

1п

где т = _

со

со 2к

к/(О

| Ааы п(ш)-с!(

(22)

После интегрирования получим:

v = •

Асо

71

(23)

или

^=~2А/ (24)

Скорость движения жидкости под воздействием ультразвука в произвольном сечении г по модулю будет равна:

V =2А/~ 7 /

(25)

Движение жидкости приводит к существенному увеличению эффективного коэффициента диффузии за счет турбулентных пульсаций. Приближенно влияние скорости жидкости на эффективный коэффициент диффузии можно оценить выражением:

£> = А

я2у;

48Д,

(26)

Полагая О0 = Ом ,из (26) получим:

Д = Д

1 (2ААС\ 2 (2)

^48 1 ) и,

Обозначим

П,

_1_ 48

Д

л/ у

Формула (27) будет иметь вид:

о = в

м

1 + П,

(27)

(28)

(29)

Безразмерный комплекс По учитывает влияние турбулентных пульсаций, обусловленных движением жидкости, на эффективный коэффициент диффузии. При параметрах А = (0,1... 1)-10"6 м, Я = (1... 10)-10"6 м,/= (2...5)-10"4 Гц, £)А/ = 0,5-10" м2/с его величина лежит в пределах от 1 до 10000.

Дифференциальное уравнение массопереноса с учетом (29) имеет вид:

дг2 '

дт " или в безразмерном виде:

1 + П,

и,

(30)

дт ^ ' "" ~ ' &2 ' Численные интегрированные уравнения (31) при краевых условиях (5)...(7) выполним с использованием явной схемы на сетке с постоянным

шагом по Т \\ 2 (рис. 11).

Дискретные аналоги производных имеют вид.

ас см.-си (32)

дт

Дг

(33)

Рис. 11 - Дискретная сетка

С , — С '+!,/ _М

д2с = си+1-2си+скн с£2 (Д2)2

С учетом (32), (33) запишем дис-

кретный аналог уравнения (31):

1.\-2с.,+с,! I

Дг

Отсюда следует

Дг(1 + П0-^)

—

(Д^)2

(д*)

(34)

(35)

(36)

Формула (44) позволяет вычислить значение концентрации см . на последующем слое по времени (г+1), если известны их три значения на предшествующем слое по времени: сл /+1, сГ ;, Ц у_,.

Условие устойчивости вычислительного процесса по данному выражению имеет вид:

Аг(1 + 1У1-,2;) ^

у

Принимая во внимание, что а < 2. . < 1 вместо (37), сать более простое условие сходимости:

Аг(1 + П£)<_1_ 2 '

Программа, реализующая предлагаемую модель процесса ультразвуковой экстракции составлена в среде МаШсасЫб.

можно запи-

(38)

Рис.13 - Распределение безразмерной концентрации сахарозы по длине канала при Т =0.2. 1- Пр =0; 2-Лл=1

О 0.2 0.4 06 0.8

Рис.12 — Распределение безразмерной концентрации сахарозы по длине микропоры. ¡- Г =0,02, 2- Т =0,4, 2-Т =1.13.

Рис.14 - Распределение безразмерной концентрации сахарозы по длине канала при Г =0.2. 1- Яд =0; 2-Яд =10

Рис.15 - Распределение безразмерной концентрации сахарозы по длине канала при Т =0.2. 1-Яд=0; 2- Яд =100

Рис.16 - Распределение безразмерной концентрации сахарозы по длине канала при Г =0.05. 1-Яд =0; 2- Яй =1000

рС

Рис.17 - График зависимости безразмерного времени процесса Т от Пр

На рис. 12-16 представлены графики зависимости безразмерной концентрации с от г для различных значений комплекса Пв.

Из этих рисунков следует, что увеличение параметра Пв процесс диффузии протекает гораздо интенсивнее.

На рис. 17 представлена зависимость времени процесса экстракции от величины комплекса /70.

Из рисунка следует, что при благоприятном соотношении параметров время ультразвуковой экстракции на два порядка меньше времени обычной экстракции.

Таким образом, внедрение ультразвуковой экстракции в сахарное производство позволяет существенно повысить производительность технологического оборудования и экономическую эффективность оборудования в целом.

В пятой главе дано описание разработанного двухстадийного способа получения сока из сахарной свеклы (рис. 18), а также технических решений, реализующих данный способ: пресса для извлечения сока из сахарной свеклы (рис. 19), экстрактора для жома сахарной свеклы с ультразвуковым воздействием на продукт (рис. 20), экстракционной установки для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред (рис. 21 - 22), мембранного аппарата для очистки получаемого свекловичного сока (рис. 23).

Двухстадийный способ получения сока из сахарной свеклы с применением прессования и экстракции, в отличие от классического диффузионного способа. Достоинствами предложенного способа (рис. 18) являются:

— значительное сокращение расхода воды на диффузию благодаря предварительному отжатию сока;

— существенная экономия теплоэнергетических ресурсов, затрачиваемых на удаление воды из раствора в процессе выпаривания;

— создании малогабаритного оборудования.

Аппарат ико-термической обработки

Ни

Пароконтактный ^ подогреватель

Сборник

1 8

12

Сборник чистого сока

13

Сборник чистого' сока

Мембранный фильтр

Пароконтактный Сборник подогреватель ДиФФуз«-ч онного

15

16

Свекловичный сок на производство

Рис. 18 - Схема линии получения сока из сахарной свеклы двухстадийным способом с применением прессования и экстракции

На рис. 19 представлена конструкция пресса для отжима сока из сахарной свеклы. Фильтрующие элементы своими торцами закреплены с одной стороны на днище прессующей камеры 1, а с другой стороны - на

днище поршня 2. Благодаря своей эластичности, элементы при рабочем ходе скручиваются, тем самым способствуя отжиму жидкости из них. Жесткость фильтрующих элементов обеспечивается пружинами.

Предложенная конструкция пресса позволяет повысить производительность аппарата и интенсифицировать процесс отжима и фильтрации раствора за счет дополнительных усилий, возникающих вследствие скручивания фильтрующего элемен-

Рис.

19 - Конструкция пресса для отжима измельченной сахарной свеклы: а - прессующая камера; б - фильтрующий элемент; в - фильтрующий элемент в разрезе: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - перфорированное та, а также сократить энергоза-днище; 4 - крышка днища: 5 - крышка цилин- траты И ПОВЫСИТЬ ЭКОНОМИЧе-дра; 6 - фильтрующий элемент скую эффективность процессов

прессования и фильтрации.

19

и 22 Л 21

15

16 1 23

[ 20

.1 2£ I Г Ж.

Экстрактор (рис. 20) предназначен для проведения процессов экстракции, а также для предварительной подготовки свекловичного сырья к отжиму сока в двухстадийной схеме.

Наличие осевого насоса в сочетании с гидродинамическими ультразвуковыми излучателями, установленными с внешней стороны фильтрующего элемента благодаря воздействию ультразвуковых колебаний не дает образовываться плотному слою продукта, поэтому процесс фильтрации не снижается при обеспечении высокого расхода жидкости насосом, что позволяет не менять направления движения технологической жидкости в обратную сторону.

Преимуществами экстракционных установок для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред (рис. 21 — 22) является то, что данная конструкция позволяет:

- расширить функциональные возможности моделирования технологических процессов экстракции целевых компонентов из пищевых сред, идентичных в промышленности;

- осуществлять качественное выделение целевого компонента из измельченного продукта в активном гидродинамическом режиме и последующее отделение фильтрованием от твердых частиц продукта экстраген-та, обогащенного целевым компонентом фильтрованием отделение от твердых частиц продукта экстрагента, обеспечить всестороннее исследование процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред.

Рис. 20 — Экстрактор для жома сахарной свеклы с ультразвуковым воздействием на продукт: 1 - цилиндрический сосуд ; 2 - крышка; 3 - рубашка; 4 - осевой насос; 5 - неподвижный цилиндр; 6 - перфорированный цилиндр; 7 - шток; 8 - сплошной цилиндр; 9 - жалюзи; 10, 11, 12. 13, 14. 15, 16. 17 —патрубки; 18 — ультразвуковой излучатель; 19- многослойный пьезоэлектрический излучатель; 20 - трансформатор скорости: 21 - концентратор механических колебаний; 22 -пьезокерамический элемент; 23 - кольцо: 24 -токоподводящие пластины; 25 - шпилька

ния целевых компонентов: 1 — экстрактор; 2 - блок управления: 3 - тахометр; 4 - таймер; 5 - секундомер; 6 - съемная крышка: 7,8- штуцера для ввода и вывода экстрагента; 9 - фильтрующий элемент; 10-днище; 11 - трубопровод: 12 —мешалка; 13-привод; 14-боковая поверхность; 15 - накопительную емкость; 16 - нагревательный элемент; 17. 19 - трубопроводы; 18 -расходомер; 20 — насос; 21 — манометр; 22 — кран для отбора проб; 23 - рама

I - экстрактор: 2 - блок управления; 3 - таймер; 4 - секундомер; 5 - крышка; 6. 7 -штуцеры для ввода и вывода экстрагента; 8 - фильтрующий элемент; 9 - днище: 10 -трубопровод; 11 - ультразвуковой излучатель; 12 - генератор ультразвуковых колебаний; 13 - боковая поверхность фильтрующего элемента; 14 — накопительная емкость для экстрагента; 15 - нагревательный элемент; 16. 18 - трубопроводы; 17 - расходомер; 19 - насос; 20 - манометр; 21 — кран; 22 - раме; 23 - пьезоэлектрический излучатель: 24 — трансформатор скорости; 25 - концентратор механических колебаний; 26 - пьезоке-рамические элементы; 27 — токоподводящие пластины; 28 - кольцо; 29 - шпилька.

а

Рис. 23 - Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами: а - общий вид. б - фрагмент крепления кремниевых вставок, в - схема образования вибрации в уплотнительном элементе; 1,2 — фланцы; 3 - шпильки; 4 -гайки; 5 - пакет мембранных элементов; 6 - цилиндрическая обечайка; 7 - уплотнительные прокладки: 8 -мембраны: 9 - подложки из мелкопористого материала; 10 - дренажный материал; 11 -кольца из тонкого жесткого материала; 12 - кремниевые вставки; 13 - металлические пластины; 14-резина; 15, 16-штуцера нижнего и верхнего фланца; 17-отводные патрубки; 18 - электрический провод;

В мембранном аппарате с плоскими фильтрующими элементами (рис. 23) для снижения концентрационной поляризации кремниевые вставки 12, запаянные между двумя металлическими пластинами 13 в резину 14, под действием электрического тока заданной частоты, например 24 кГц, подводимого от генератора с помощью проводов 18, периодически изменяют свои геометрические размеры, т.е. наблюдается действие обратного пьезоэффекта. Образующиеся колебания передаются на мембраны, что приводит к разрушению поляризационного слоя. Данный аппарата позволяет повысить производительность аппарата и интенсификация процесса фильтрации путем динамической регенерации мембран в процессе разделения за счет снижения уровня концентрационной поляризации в результате вибровоздействия на мембрану.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведен анализ существующей технологии получения диффузионного сока в сахарном производстве и используемого оборудования, позволивший сформировать теоретические предпосылки к разработке нового интенсивного способа извлечения сока из сахарной свеклы.

2. Полученные кинетические зависимости параметров двухстадийного извлечения сока из сахарной свеклы позволили выявить закономерности осуществления процессов прессования и экстракции.

3. В результате проведенных экспериментальных исследований определены рациональные параметры проведения процессов, составляющих основу двухстадийного способа получения свекловичного сока: давление прессования 0,3 МПа, температура предварительной обработки стружки 60 °С, температура экстракции 70 °С.

4. Проведены исследования влияния тепловой обработки стружки на выход и количество сока. При ошпаривании стружки при температуре 60 °С в течение 20 мин выход сока при прессовании достигает 70 % к массе свеклы, а его чистота — 87%

5. Предварительная обработка свекловичной ферментным препаратом «Виско-Стар» позволила повысить выход сока до 85% с чистотой 89 %. При этом вязкость сока снижается на 20.. .30 %.

6. Разработана математическая модель, описывающая процесс двухстадийного извлечения свекловичного сока, учитывающая специфику проведения процесса экстракции стружки после отжатия при наложении ультразвукового поля.

7. Разработан высокоэффективный двухстадийный способ получения сока из сахарной свеклы и предложены технические решения, позволяющие осуществить его реализацию.

8. Проведенные испытания предложенного способа показали возможность и перспективы его внедрения в производственный процесс. Экономический эффект для завода мощностью 6000 т/сутки по перерабатываемой свекле при продолжительности работы 100 дней составляет 85 млн. р.

Условные обозначения

и — относительное давление, Н- высота слоя, м' Т— период колебаний, с; Бм- коэффициент молекулярной диффузии, м /с; £>0 - коэффициент нормальной диффузии, м~/с; Я - радиус микропоры, м; со- круговая частота колебаний; f— частота колебаний, Гц; А — амплитуда колебаний открытой части микропоры, м; с - средняя безразмерная концентрация; т - время процесса, с; С0 - начальная концентрация сахарозы, %;

Сж - концентрация сахарозы в выходном сечении, %, Пп - безразмерный комплекс.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кретов, И. Т. Разработка способа извлечения сока из сахарной свеклы методом прессования [Текст] / И.Т. Кретов, В.В. Торопцев // Вестник ВГТА.- 2011,- №1,- С. 78 - 81.

2. Кретов, И. Т. Разработка ультразвукового мембранного аппарата для разделения жидких пищевых сред [Текст] / И.Т. Кретов, С.В. Шахов, А.И. Потапов, Е.С. Попов. В.В. Торопцев, Д.С. Попов // Хранение и переработка сельхозсырья. -2012. -№3. С. 23 - 24.

3. Торопцев, В. В. Разработка мембранного аппарата с плоскими фильтрующими элементами [Текст] / В. В. Торопцев, Е. А. Слюсаренко, С. В. Шахов, А. В. Логинов// Успехи современного естествознания. -2012,- №6,- С. 143 - 144. (http://www.rae.ru/use/?section=content&op= з1ю\у_а111с1е&агис1е_1с1=9999726).

4. Кретов, И. Т. Целесообразность извлечения сока из сахарной свеклы прессовым способом [Текст] / И. Т. Кретов, В. В. Торопцев // Материалы международной научно-технической конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» («ЭПАХПП-2011»).—Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж: ВГТА, 2011.-Ч. 2.-С. 10.

5. Кретов, И. Т. Разработка двухстадийного способа получения сока из сахарной свеклы [Текст] / И. Т. Кретов, В. В. Торопцев // Материалы ХЬУШ отчетной научной конференции за 2009 год: в 3 ч,- Воронеж, гос. технол. акад., Воронеж, 2010.-Ч. 2-С. 57.

6. Кретов, И. Т. Прессовый способ извлечения сока из сахарной свеклы [Текст] / И. Т. Кретов, В. В. Торопцев // Материалы ХЫХ отчетной научной конференции за 2010 год: в 3 ч. - Воронеж, гос. технол. акад., Воронеж, 2011. - С. 78 - 79.

7. Кретов, И. Т. Двухстадийный способ получения сока из сахарной свеклы [Текст] / И. Т. Кретов, В. В. Торопцев // Материалы II Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике пищевых производств».- Воронеж, гос. технол. акад., Воронеж, 2010,-С. 459-460.

8. Торопцев, В.В. Инновационное развитие прессового способа извлечения сока из сахарной свеклы // Материалы международной науч. -тех. конф. «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям: В 3 ч. 4.1» Воронеж гос. ун-т инж. технол., Воронеж, 2012.-С. 150-151.

€

9.Пат. № 83426 РФ, МПК ВОШ 11/00. Экстракционная установка для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред [Текст] / Л. А. Мирошниченко, С. В. Шахов,

A.Г.Небольсин, В. В. Торопцев, М.Н.Бирюкова. - №2008147287/22, Заявл. 01.12.2008; Опубл. 10.06.2009; Бюл. № 16.

10. Инновац. пат. РК № 25263. Массообменная ультразвуковая установка для лабораторных исследований [Текст] / С. Алтайулы, А. Д. Спанбаев, С. В. Шахов, А. С. Алтаева. -2011/0463.1, Заявл. 29.04.2011.

11. Пат. № 2462298 РФ, МПК ВОЮ 65/08, ВОЮ 63/08, ВОЮ 69/06 Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами [Текст] / И. Т. Кретов, С. В. Шахов, А. В. Логинов, А. И. Потапов, Е. С. Попов,

B. В. Торопцев, О. Г. Березнев, Д. С. Попов, А. А. Марков. № 2011102728/05, Заявл. 25.01.2011; Опубл. 27.09.2012; Бюл. № 27.

12. Свидетельство № 2010613148 РФ. Обработка результатов моделирования процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме [Текст] / И. Т. Кретов, С. В. Шахов, А. С. Шахов, А. И. Потапов, Е. С. Попов, Д. С. Попов, В. В. Торопцев, А. А. Марков-№2010611282; Заявлено 16.03.2010; Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 13.05.2010.

13. Свидетельство № 2011615352 РФ. Обработка результатов моделирования процесса мембранного разделения суспензии в трубчатом канале с пористыми стенками [Текст] / И. Т. Кретов, С. В. Шахов,

A. С. Шахов, А. И. Потапов, Е. С. Попов, Д. С. Попов, Е. А. Пожидаева,

B. В. Торопцев. -№2010611282; Заявлено 13.05.2010; Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.07.2011.

Подписано в печать 24.05.2013. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 112.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, г. Воронеж, пр. Революции, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ»

На правах рукописи

04201360463

ТОРОПЦЕВ ВАСИЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХСТАДИЙНОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ СОКА ИЗ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ НА ОСНОВЕ ПРЕССОВАНИЯ И ЭКСТРАКЦИИ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кретов Иван Тихонович

Воронеж-2013

Основные условные обозначения

Ра - давление, Па;

эксп тт

р - экспериментальное значение давления, Па;

Риод — модельное значение давления, Па;

t - температура, °С;

т - время проведения процесса, с;

СХ- сахаристость, %;

СВ - содержание сухих веществ, %;

Ч— чистота свекловичного сока, %;

Л

V - объем свекловичного сока, см ;

Рп - давление прессования, Па;

Тп - температура предварительной обработки, °С;

Тэ - температура на стадии экстракции, °С;

У] - удельные энергозатраты на кг получаемого сока, (кВт-ч)/кг;

у>2 - выход свекловичного сока, кг/(кг);

В - канонический коэффициент;

Я - неопределенный множитель Лагранжа;

максимальный или минимальный канонический коэффициент; Ькк - коэффициент регрессии при к-ом квадратичном члене; Со - начальная концентрация сахарозы; Сж - концентрация сахарозы в выходном сечении; £>а/ - коэффициент молекулярной диффузии сахарозы в воде; ^р,К ~ конечная средняя безразмерная концентрация;

17 - относительное давление; Н- высота слоя, м; Т- период колебаний, с;

Им - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; О0 - коэффициент нормальной диффузии, м2/с; Я - радиус микропоры, м; о— круговая частота колебаний; /- частота колебаний, Гц;

А - амплитуда колебаний открытой части микропоры, м; с - средняя безразмерная концентрация;

тК - время процесса, с;

Со - начальная концентрация сахарозы, %;

Сж - концентрация сахарозы в выходном сечении, %,

Пв — безразмерный комплекс.

Содержание

Основные условные обозначения....................................................2

Введение.....................................................................................5

Глава 1. Современное состояние технологии и техники получения

сока из сахарной свеклы...................................................7

1.1 Характеристика сахарной свеклы как объекта исследования.....................8

1.1.1 Строение корнеплода сахарной свеклы.....................................9

1.1.2 Химический состав.............................................................10

1.2 Обзор существующих технологий получения сока из сахарной свеклы... 14

1.2.1 Диффузионный способ получения свекловичного сока

и оборудование для его осуществления..................................14

1.2.2 Прессовый способ получения сока из растительного

сырья и оборудование для его осуществления.............................31

1.3 Теоретические основы математического моделирования процесса отжатия жидкости из растительных материалов................................38

1.4 Основные выводы и постановка задач исследования..........................42

Глава 2. Экспериментальные исследования двухстадийного способа

получения свекловичного сока.......................................................43

2.1 Исследование процесса извлечения сока из сахарной свеклы

прессованием...................................................................................................44

2.1.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения исследований процесса прессования сахарной свеклы...............44

2.1.2 Исследование кинетических и компрессионных закономерностей извлечения сока из сахарной свеклы при прессовании................46

2.1.3 Оценка качественных показателей прессового и диффузионного сока, полученных в производственных условиях........................55

2.1.4 Интенсификация процесса извлечения свекловичного сока

путем предварительной подготовки стружки...........................60

2.1.4.1 Исследование влияния предварительной обработки стружки ошпариванием с применением гипса

на качественные показатели свекловичного сока..............60

2.1.4.2 Исследование влияния ферментативной обработки

стружки на качественные показатели свекловичного сока..68

3

2.2 Исследование процесса извлечения сока из сахарной свеклы

экстракцией............................................................................80

2.2.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов.................................................80

2.2.2 Исследование кинетических закономерностей извлечения сахарозы из прессованной свекловичной стружки экстракцией.....84

Глава 3. Оптимизация процесса получения свекловичного сока

двухстадийным способом..................................................91

3.1 Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов.....................................................................91

3.2 Анализ регрессионных моделей ....................................94

3.3 Многофакторный статистический анализ двухстадийного способа получения сока из сахарной свеклы........................95

Глава 4. Математическое моделирование процесса экстракции сахарозы из отпрессованной свекловичной стружки при наложении

ультразвукового поля.....................................................111

Глава 5. Техническая реализация научных исследований процесса осуществление двухстадийного способа получения сока из сахарной свеклы.......................................................125

5.1 Разработка линии получения сока из сахарной свеклы двухстадийным способом с применением прессования

и экстракции..............................................................124

5.2 Пресс для получения сока из сахарной свеклы....................126

5.3 Ультразвуковой массообменный аппарат...........................129

5.4 Экстракционная установка для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред......136

5.5 Массообменная ультразвуковая установка для лабораторных исследований..........................................143

5.6 Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами...............................................................149

Основные выводы и результаты...................................................154

Список использованных источников.............................................155

Приложения..............................................................................166

Введение

Сахарная промышленность является важной экономической отраслью, так как сахар имеет большое экономическое значение и как продукт питания, и как сырье для промышленности [3, 9, 12, 67, 82, 91].

Сахару (сахарозе) принадлежит важное место в структуре питания населения РФ. При потреблении примерно 35 кг сахара на душу населения в год для РФ с численностью 150 млн. человек требуется около 5,7 млн. т. сахара в год. По расчетам экспертов, для обеспечении этим продуктом населения и промышленности РФ необходимо ежегодно поставлять в розничную торговлю и промышленную переработку около 7,5 млн. т. его.

Собственное производство сахара из сахарной свеклы в РФ в последние годы составляет около 1,5 млн. т. Недостающее же его количество закупается за рубежом. Для решения проблемы увеличения производства сахара в России и сокращения объема его импорта важно определить стратегию дальнейшего развития и найти путь ее реализации.

В настоящее время в сахарном производстве одной из главных задач является разработка инновационных технологий и оборудования для снижения энергоемкости основных процессов обессахаривания свекловичной стружки и последующей обработки сока. Существует тенденция к экстенсивному наращиванию производительности сахарных заводов, что приводит, как правило, к общему снижению энерго- и ресурсоэффективности всего технологического процесса, а также к существенному увеличению затрат на обслуживание и эксплуатацию оборудования.

Применяемый в настоящее время диффузионный способ экстрагирования сахара из стружки в слабокислой среде имеет ряд недостатков и возможности повышения эффективности данного способа практически исчерпаны. В связи с этим предлагались различные решения этой проблемы: с применением осадительной центрифуги как отдельно, так и в комбинации с ленточным прессом, а также комбинации ленточный пресс -

диффузионный аппарат, однако в этих случаях не было достигнуто более высокого извлечения сахара и это также не дало положительных результатов.

Поэтому в настоящее время необходимо применение усовершенствованной комплексной двухстадийной технологии, способствующей интенсификации процесса извлечения сока из сахарной свеклы.

Осуществление предлагаемых приоритетов развития сахарного производства позволит поднять научно-технический уровень в промышленности, повысить экономическую эффективность производства, улучшить экологию среды и снизить закупки сахара по импорту.

В связи с этим, целью данной работы являлось исследование и интенсификация массообменных процессов при получении свекловичного сока и разработка рациональных способов и методов их осуществления.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре Машин и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы «Адаптация пищевых машинных технологий к тепло- и массообменным процессам на основе диагностики техники и технологий пищевых производств» (№ государственной регистрации 01201253880 Код ГРНТИ: 65.13.19.).

Тематика, задачи работы и направление исследований соответствуют приоритетам развития науки и техники в сахарной отрасли АПК, разработанным учеными и специалистами научно-исследовательских институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Российской академии сельскохозяйственных наук и согласованным с Министерством сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации и Министерством науки и технологий Российской Федерации.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И

ТЕХНИКИ ПОЛУЧЕНИЯ СОКА ИЗ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ

В настоящее время в мире насчитывается 1613 тростниковосахарных, 890 свеклосахарных и 139 рафинадных заводов [4].

Сахарная отрасль играет важную роль в экономике России [72]. В настоящее время в сахарной промышленности РФ имеется 93 сахарных завода общей мощностью 276 тыс. тонн переработки свеклы в сутки, расположенные в 23 свеклосеющих регионах, которые за производственный сезон способны выработать свыше 3 млн. тонн сахара-песка из свеклы. Кроме того, в межсезонный период на сахарных заводах может быть выработано примерно такое же количество сахара из импортного сахара-сырца [1]. Структура производства и потребления сахара в РФ по данным института конъюнктуры аграрного рынка по состоянию на 2013 г. приведена на рис. 1.1. [107].

Структура товарного предложения российсюй сахарной индустрии в 2012 г.

Структура потребления сахара в РФ в 2013 г.

Инсмуционал

ьное потребление

Непродоеольст венное потребление

Неидентифицир овано

8

8

Источник: www.ikar.fu/sjgar

Рис. 1.1 - Структура производства и потребления сахара в РФ

Преимуществом сахарной свеклы перед сахарным тростником является более короткий вегетационный период и ее важная роль в структуре земледелия с точки зрения проведения севооборота. Частая смена культур в области возделывания сахарной свеклы в сравнении с выращиванием сахарного тростника на одном месте в течение ряда лет в меньшей степени связано с опасностью расширения вредителей, болезней и меньшим истощением почвы. Получение семян и формирование массива выращиваемой культуры у сахарной свеклы гораздо проще, чем при размножении сахарного тростника черенками. Преимуществом сахарной свеклы является и возможность ее хранения в течение значительно более длительного времени в сравнении с убранным сахарным тростником, который может храниться до 48 часов, поскольку затем происходит резкое ухудшение качества его сока [12].

1.1. Характеристика сахарной свеклы как объекта исследования

Сахарная свеют (Beta vulgaris) - двухлетнее растение семейства маревых (рис. 1.2). Возделывается для получения сахара и для нужд животноводства [12].

Рис. 1.2 - Сахарная свекла Сахарная свекла - высокопродуктивная сельскохозяйственная культура, являющаяся сырьем для промышленного производства сахара и других продуктов.

Продуктивность сахарной свеклы как сырья для производства сахара зависит не только от урожайности сахарной свеклы, но и от технологического ее качества.

Технологическое качество сахарной свеклы определяется комплексом показателей и свойств, включающих сахаристость, содержание несахаров, морфологические и физические свойства и влияющих на технологический процесс и выход сахара.

Важнейшими показателями технологического качества сахарной свеклы, влияющими на выход сахара, являются сахаристость и содержание Сахаров.

Несахара влияют не только на технологический процесс, но и на выход сахара. Это связано с тем, что в процессе сахарного производства часть несахаров не удаляется в процессе очистки и переходит в оттек (мелассу), из которого кристаллизацией экономически нецелесообразно извлекать сахар [15].

Качество сахарной свеклы зависит от многих факторов: места выращивания, сорта, применяемых агротехнических мероприятий, удобрений, уборки и хранения [12, 40].

1.1.1 Строение корнеплода сахарной свеклы

В первый год жизни свекла, развиваясь из семени, образует мощную розетку прикорневых листьев, утолщенный корень (корнеплод), богатый сахаром и другими питательными веществами, и широко разветвленную корневую систему (рис. 1.3). Во втором году при высадке корня в почву образуются цветоносные побеги, несущие листья и цветы, из которых впоследствии развиваются семена. Семенные клубочки - соплодия обычно содержат от 2 до 6 отдельных семян. В клубочке односемянной свеклы имеется толькок одно крупное семя (плод), дающее при прорастании один росток [67, 82].

Корнеплод сахарной свеклы имеет коническую форму, закрепляет растение в почве, получает питательные вещества и влагу из нее и участвует в гормональном регулировании роста. Он состоит из головки, шейки, собственно корня и хвостика.

аг-ео

И-90 91-92

¡3-94

95-98 37-38 99-99,)

Рис. 1.3- Схема распределения сахарозы в корне сахарной свеклы (в относительных величинах)

Для промышленной переработки отбирают здоровые, упругие, не подвяленные корнеплоды, которые имеют высокую сахаристость и спелость, низкую загрязненность. Ветвистость, дуплистость, бугристость, скрученность, многоголовчатость уменьшают урожайность и сахаристость свеклы.

Спелость сахарной свеклы бывает ботаническая (на втором году развития), биологическая (при естественном отмирании листьев) и техническая (достижение наибольшей сахаристости).

1.1.2 Химический состав

Примерный химический состав корнеплодов сахарной свеклы, выращенной на неполивных землях с малым использованием минеральных удобрений и дополнительной доочисткой их после выкапывания, приведен на рис. 1.4

Вода - 73 кг

Клеточный сок - 93 кг

Сахароза -17,5 кг Растворимые несахара - 2,5 кг

I

Азотистые органические вещества (1,2 кг): белок - 0,7 бетаин - 0,2 аминокислоты - 0,2 амиды и соли аммония - 0,1

I

Безазотистые органические вещества (0,8 кг): инвертированный сахар - 0,12 органические кислоты - 0,50 пектиновые вещества - 0,10 сапонин -0,05 жир - 0,03

I

Минеральные вещества (0,5 кг): К20 - 0,20 СаО - 0,07 N3,0-0,04 МЙО - 0,07 Р,0, - 0,07 БО, - 0,02 Прочие - 0,03

Мякоть (7 кг): целлюлоза -1,0 гемицеллюлозы -1,3 пектиновые вещества - 2,4 белок - 0,1 сапонин - 0,1 зола - 0,1 связанная вода - 2,0

Рис. 1.4 - Примерный химический состав сахарной свеклы

К началу уборки свеклы масса листьев составляет 35...50% к массе корнеплодов. Ботва свеклы содержит до 85% сухих веществ. В 45 кг ботвы имеется 3...4 кг легкоусвояемого сырого протеина и 28...30 кг других усвояемых питательных веществ. Масса корнеплода составляет 350...460 г и больше. Состав корнеплодов и листьев свеклы приведен в таблице 1.1 [67].

Таблица 1.1- Состав корнеплодов и листьев свеклы

Компоненты На 100 г натурального продукта, г На 100 г сухого вещества, г

корень листья корень листья

Сухие вещества 23,6 13,85 100 100

Сахароза 16,5 69,91

Сырой протеин 1,05 2.41 4,45 17.4

Сырой жир 0,12 0,19 0,51 1,37

Сырая клетчатка 1,16 0,78 4,91 5,63

Безазотистые экстрактивные вещества (кроме сахарозы) 2,92 6,88 12,37 49,67

Зола 0,75 2,75 3,18 19,85

Содержание сухих веществ в корнеплоде сахарной свеклы составляет 20...25%, сахарозы - 14... 18, органических растворимых несахаров - 2,2, нерастворимых - до 5%. По данным ВНИИСП, химический состав отдельных частей свекловичного корнеплода удовлетворительного технологического качества показан в таблице 1.2 [67].

Таблица 1.2 - Химический состав корнеплодов сахарной свеклы

Части корнеплода Содержание компонентов, % к массе свеклы

Сахароза Общие несахара Редуцирующие вещества Азот растворимый Зола углекислая

Корень без верхушки 17,6 6,8 0,05 0,12 0,73

Верхушка головки с черешками листьев 2,2 19,4 1,21 0,26 3,92

Хвостик 14,7 11,13 0,31 0,11 1,52

Отжатый сок имел при этом доброкачественность: из корня без верхушки - 88,9%, из верхушки головки - 36,3 и хвостика - 80,5%.

В свекле пониженного качества (цветушной и др.) масса головки увеличивается от 8... 10 до 20...22%, уменьшается содержание сахарозы на 2...4%, увеличивается содержание редуцирующих веществ, небелкового азота, золы. О�