автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Разработка мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока

На правах рукописи

ВОЛКОВ НИКОЛАЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЬНОГО СОКА

Специальность: 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых продуктов,

чая, табака и субтропических культур

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва-2013

005542994

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов

доктор технических наук Лукин Николай Дмитриевич

Сидоренко Юрий Ильич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Московский

государственный университет пищевых производств, директор Института технологии и производственного менеджмента

Соловьёва Светлана Юрьевна,

кандидат технических наук, ОАО «ГПП Российские крахмалопродукты», заместитель генерального директора по инновациям

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 года в 16— 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, Москва, ул. Талалихина, д.31, ауд. 36

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

Отзывы направлять по адресу: 109004, Москва, ул. Земляной вал, д.73

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Конотоп Н.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. При переработке картофеля на крахмал по современной технологической схеме с использованием гидроциклонных установок образуются два продукта: крахмальная суспензия с концентрацией сухих веществ (СВ) 36-40% и смесь мезги с картофельным соком с СВ=6,5-5-7,0% в количестве 120 т на 100 т перерабатываемого сырья. Эта смесь является побочным продуктом картофелекрахмального производства и требует дальнейшей переработки. При разделении этой смеси на центрифуге получают обезвоженную мезгу с СВ=20% и картофельный сок с СВ=2^4%.

Для сохранения всех полезных веществ картофельного сока перспективными и эффективными являются мембранные процессы разделения, которые отличаются высокой селективностью и протекают при низких температурах.

Цель исследований. Разработка технологии мембранного разделения и концентрирования картофельного сока, обеспечивающей максимальное использование его СВ, повышение кормовой ценности картофельного корма и возврат до 80% воды в производство.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- исследовать разные типы мембранных элементов для проведения процесса ультрафильтрации картофельного сока;

- провести математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока и определить оптимальные показатели факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации;

- исследовать процесс двухступенчатого разделения картофельного сока;

- разработать технологическую схему мембранного разделения картофельного сока;

- провести опытно-промышленные испытания предложенной технологической схемы;

- провести оценку экономической эффективности производства сухого корма, разработать технические условия на сухой корм.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Выбор типа и марки мембраны для стадии ультрафильтрации картофельного сока;

2. Оптимизация и математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока с применением ультрафильтрационных мембран фирмы INOPOR GmbH;

3. Двухступенчатое концентрирование картофельного сока с использованием обратноосмотических мембран.

Научная концепция. Концентрирование картофельного сока основывается на применении мембранной технологии, обеспечивающей

возможность глубокого концентрирования СВ картофельного сока с сохранением его свойств.

Научная новизна работы

Получены новые данные процесса ультрафильтрации картофельного сока с использованием различных типов ультрафильтрационных мембранных элементов.

Впервые определены оптимальные технологические параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока на современных керамических мембранных элементах.

Получены новые данные процесса концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с использованием рулонных полимерных обратноосмотических мембран. Установлено, что селективность обратноосмотических мембран марки XLE и ЭРО составила 96,5 и 98%, соответственно.

Практическая значимость работы. Разработана мембранная технология двухступенчатого разделения картофельного сока. Проведена апробация технологии в условиях опытного производства ГНУ ВНИИК. Предложено смешивание концентратов картофельного сока с обезвоженной картофельной мезгой для получения сырого корма с повышенной кормовой ценностью с последующим его высушиванием. Разработаны технические условия на «Корм картофельный сухой» № 9189-124-00334735.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены на: Международной научно-практической конференции «XVIII International starch convention Cracow-Moscow» (г. Краков, 2010); 5-й Конференции молодых ученых и специалистов РАСХН «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов питания» (г. Москва, 2011); Международной научно-практической конференции «XIX international starch convention Moscow-Krakow» (г. Москва, 2012); 6-ой Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН (г. Видное, 2012); Международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления» (г. Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов исследований и их анализа, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного

текста, содержит 28 таблиц, 30 рисунков. Список литературы включает 45 наименований, в том числе 10 иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Обзор литературы

Литературный обзор состоит из двух частей. Первая часть состоит из описания свойств и особенностей картофельного сока. Вторая часть посвящена обзору литературы, в которой описывается применение различных способов разделения картофельного сока.

2. Объекты и методы исследования

Картофельный сок получали из измельчённого на экспериментальной терочной машине картофеля путем последующего отжима его из картофельной кашки на соковыжималке СВР-01 через капроновое сито №70 по ГОСТ 4403-91. Осадок крахмала с мезгой разбавляли водой и вновь отжимали на соковыжималке для получения соковой воды. Картофельный сок и соковую воду отстаивали для удаления из них крахмала и мелкой мезги. Исходный раствор картофельного сока получали после смешивания картофельного сока и соковой воды, контролируя СВ смеси по автоматическому рефрактометру марки ATR.

В качестве мембран на ступени ультрафильтрации выбраны следующие мембранные элементы: рулонные полимерные мембранные элементы марки ЭРУ-20 и ЭРУ-50 (на основе мембраны УПМ (ультрафильтрационная полисульфонамидная мембрана) производства ЗАО НТЦ «Владипор»; трубчатые керамические мембранные элементы марки КУФЭ 67 кДа производства НПО «Керамикфильтр» и керамические мембранные элементы INOPOR производства INOPOR® GmbH. Для второй ступени разделения выбраны обратноосмотические рулонные мембранные элементы марки XLE производства американской фирмы Filmtec и обратноосмотические рулонные мембранные элементы марки ЭРО-КНИ (на основе мембран фирмы Hydranautisc, ESPA) производства отечественной фирмы ЗАО НТЦ «Владипор».

Исследования проводили на универсальной пилотной лабораторной мембранной установке со сменными мембранными аппаратами, которая представляет собой циркуляционный контур, состоящий из питающей емкости, питающего насоса, циркуляционного насоса, мембранного аппарата, теплообменника, арматуры, манометров, термометра.

Основными показателями эффективности работы систем мембранной фильтрации являются удельная производительность мембраны (G), селективность (R), фактор концентрирования (mv).

Удельную производительность мембраны (или среднюю проницаемость)

определяли по формуле: G =—r—, (1)

г - т

где G - производительность мембраны, л/м2'час: V - объем полученного

ультрафильтрата, м3; F - поверхность мембраны, м2; т - время, в течение

которого осуществлялся процесс ультрафильтрации, час.

Селективность R описывается отношением разности концентраций

примеси в исходной воде Сисх и в фильтрате Сфнл к ее концентрации в исходной

С —С С

воде и выражается в процентах: R = —— х 100 = (1 - -—-) х 100, %. (2)

^ Ut jr Uli

Фактор концентрирования (mv) — это отношение объема исходного раствора к объему раствора, находящемуся в установке.

Для определения физико-химических характеристик исходного картофельного сока и продуктов мембранного разделения использованы методы:

- определение массовой доли влаги по ГОСТ 7698-93 ИСО 1666-73;

- определение массовой доли сухого вещества по ГОСТ Р 5200-2003;

- определение pH - ГОСТ Р 5200-2003;

- определение массовой доли золы-ГОСТ 7698-93 ИСО 3593-81;

- определение массовый доли сырого протеина (по Кьельдалю) -ГОСТ 7698-93 ИСО 3188-78;

- определение редуцирующих Сахаров — ГОСТ Р 52060-2003;

Планирование эксперимента и обработку экспериментальных данных проводили с помощью компьютерных программ «Excel» for Windows и «STATISTICA Advanced+QC 9». Для обработки результатов экспериментальных исследований стадии ультрафильтрации картофельного сока был использован метод математического моделирования многофакторного эксперимента при помощи планов Бокса-Бенкина - 3(к~р).

3. Результаты исследований и их анализ

Исследования по мембранному разделению и концентрированию картофельного сока проводили на пилотной установке в опытно-промышленном производстве ГНУ ВНИИ крахмапопродуктов и на ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия).

Автор выражает благодарность руководителям и сотрудникам всех перечисленных подразделений за содействие, оказанное в проведении исследований.

Структурная схема исследований приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема исследований

3.1. Ступень ультрафильтрации

3.1.1. Исследование разделения картофельного сока с исходным содержанием СВ 2% на мембранных элементах УПМ-20 и УПМ-50

При концентрировании 2%-ого картофельного сока через мембрану УПМ-20 и УПМ-50 давление на входе в аппарат составляло 0,35 МПа, на выходе - 0,3 МПа. Площадь мембран - 0,3 м2. Температура картофельного сока поддерживалась в пределах 40°С. На рисунке 2 представлено изменение удельной производительности мембран УПМ-20 и УПМ-50 от фактора концентрирования.

Рисунок 2 - Зависимость удельной производительности мембран УПМ-20 и УПМ-50 от фактора концентрирования картофельного сока с СВ=2%

Следует отметить, что использование мембраны УПМ-50 предпочтительнее, чем мембраны УПМ-20, однако показатель степени концентрирования недостаточен для применения ее в производственных условиях.

В связи с низкой начальной удельной производительностью и резким падением удельной производительности в ходе эксперимента сделан вывод о недостаточной эффективности рулонных полимерных мембранных элементов.

3.1.2. Исследование концентрирования картофельного сока на керамических мембранах марки КУФЭ 67 кДа (30 нм) и ШОРОИ 30 нм

Для испытания отечественной керамического мембранного элемента марки КУФЭ с номиналом пор 67 кДа (30 нм) и керамического мембранного элемента марки П^ОРСЖ 30 нм получали картофельный сок с содержанием сухих веществ 2,6% и 3,08%, соответственно. Установка работала при режиме: давление на входе в аппарат 0,35 МПа, на выходе -0,25 МПа, температура в системе составляла 45°С.

На рисунке 3 представлена зависимость удельной производительности мембраны ГЫОРСЖ 30 нм (70 кДа) и КУФЭ 67 кДа от времени при концентрировании разбавленного картофельного сока.

40 -;---1-,--

о :й до <*и т то

Иршоажютшюсуь исогрнмкмги лия

Рисунок 3 - Зависимость удельной производительности мембраны ШОРОИ 30 нм (70 кДа) и мембраны КУФЭ 67 кДа (30 нм) от времени концентрирования разбавленного картофельного сока

Из рисунка 3 следует, что показатели мембран по производительности имеют различия. Производительность мембраны КУФЭ 67 кДа снижается до 85 л/м2 ч и выходит на плато, а производительность мембраны ШОРОК 30 нм (70 кДа) остается в пределах 170 л/м2-ч.

Исходя из приведенных данных, для дальнейших исследований выбраны трубчатые керамические мембранные элементы фирмы ШОРОК

3.1.3. Исследование оптимизации процесса ультрафильтрации картофельного сока с применением керамических мембран ШОРОК 10 нм, 30 нм, 70 нм

Целью оптимизации процесса являлось определение наиболее подходящего номинала пор селективного слоя керамической мембраны на стадии ультрафильтрации картофельного сока путем проведения многофакторного эксперимента, для чего выбраны мембраны с номиналами пор 10 нм, 30 нм и 70 нм.

По экспериментальным данным для расчета оптимальных параметров составлена матрица некомпозиционного плана второго порядка для четырех факторов. Исследовано влияние на процесс ультрафильтрационного разделения картофельного сока четырех факторов: температуры Т, °С - на уровнях 35, 45 и 55; концентрации исходного продукта с, % — на уровнях 2, 4 и 6; трансмембранного давления Р^,, МПа - на уровнях 0,3, 0,4 и 0,5; диаметра пор <1, нм — на уровнях 10, 30 и 70. За критерии оптимизации выбраны содержание сухих веществ ультрафильтрата СВ, % и удельная производительность по ультрафильтрату в, л/м2'ч.

В таблице 1 представлены результаты опытов по концентрированию картофельного сока с разным содержанием СВ и при разном давлении.

Таблица I - Концентрирование картофельного сока с содержанием 2, 4, 6 % СВ на керамической мембране ШОРОЙ. 10 нм (20 кДа) при разном трансмембранном давлении и Т-45"С__

Наименование показателей Трансмембранное давление, МПа

0,3 | 0,4 0,5

Картофельный сок с СВ=2%

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 1,41 1,35 1,26

Содержание СВ в концентрате, % 2,27 2,23 2,33

Селективность мембраны, % 29,5 32,5 37,0

Удельная производительность при ш4=2, л/м^ч 45 65 83

Картофельный сок с СВ=4%

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 2,55 2,49 2,47

Содержание СВ в концентрате, % 4,37 4,13 4,30

Селективность мембраны, % 36,2 37,7 38,2

Удельная производительность при гпу=2, л/м2'Ч 64 106 136

Картофельный сок с СВ=6%

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 2,89 3,45 3,56

Содержание СВ в концентрате, % 5,30 6,03 6,92

Селективность мембраны, % 51,8 42,5 40,7

Удельная производительность при т,=2, л/м^'ч 54 112 92

В таблице 2 представлены результаты концентрирования картофельного сока с разным содержанием СВ при разном трансмембранном давлении.

Таблица 2 - Концентрирование картофельного сока с содержанием 2,4, 6% СВ на керамической мембране ШОРОЯ ЗОнм (70 кДа) при разном трансмембранном давлении и Т=45°С__

Наименование показателей Трансмембранное давление, МПа

0,3 0,4 0,5

1 2 3 4

Картофельный сок с СВ=2%

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 1,45 1,45 1,23

Содержание СВ в концентрате, % 2,00 2,51 2,25

Селективность мембраны, % 27,5 27,5 38,5

Удельная производительность при шу=2, л/м2-ч 68 108 120

Картофельный сок с СВ=4%

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 2,89 2,81 2,65

Содержание СВ в концентрате, % 4,66 4,73 5,33

Селективность мембраны, % 27,7 29,7 33,7

Удельная производительность при шу=2, л/м^'ч 82 104 125

Картофельный сок с СВ=6%

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 3,64 3,39 2,94

Содержание СВ в концентрате, % 6,42 6,07 6,06

Селективность мембраны, % 39,3 43,5 51,0

Удельная производительность при шу=2, л/мАч 42 75 75

Исследования по разделению картофельного сока на керамической мембране ШОРОК 70 нм в основном проведены при содержании СВ картофельного сока 2 и 4%.

При разделении на мембране картофельного сока с СВ = 6% начальная удельная производительность картофельного сока не превышала 40 л/м2'ч и продолжала снижаться с выходом на режим разделения. В связи с этим опыты с концентрацией СВ=6% на керамической мембране с номиналом пор 70 нм не доведены до фактора концентрирования 2.

В таблице 3 представлены результаты разделения картофельного сока с СВ =2 и 4% на мембране ГКОРОК 70 нм.

Таблица 3 — Концентрирование картофельного сока с содержанием 2,4% СВ на керамической мембране INOPOR 70 нм (150 кДа) при разном трансмембранном давлении и Т=45°С__

Наименование показателей Трансмембранное давление, МПа

0,3 0,4 0,5

Картофельный сок с СВ=2%

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 1,38 1,23 -

Содержание СВ в концентрате, % 2,24 2,25 -

Селективность мембраны, % 31,0 38,5 -

Удельная производительность при т1=2, л/м2-ч 99 109 -

Картофельный сок с СВ=4%

Содержание СВ в общем фильтрате СВ, % 2,33 2,23 2,18

Содержание СВ в концентрате, % 4,64 4,52 4,34

Селективность мембраны, % 41,7 44,2 45,5

Удельная производительность при ту=2, л/м2-ч 29 91 54

Установлено, что с увеличением температуры удельная производительность ультрафильтрационных мембран 1МОРОК 10 нм, 30 нм, 70 нм при всех значениях концентрации исходного картофельного сока

возрастает; с увеличением давления при концентрировании картофельного сока с разным содержанием СВ удельная производительность мембран также возрастает.

3.1.4. Результаты математической обработки данных, полученных при выполнении многофакторного эксперимента по концентрированию картофельного сока на керамических мембранах марки ШОРОИ

Данные исследований, приведенные в разделе 3.1.3.1, обработаны по некомпозиционному плану второго порядка 31к"р) (план Бокса-Бенкина).

При обработке экспериментальных данных получены уравнения для расчета удельной производительности мембраны по фильтрату, которые имеют следующий вид:

<7 = -358.85 + 0.0207 • Г1 + 54.13 • с - 4.89 • с2 +122.05 Р-12.924 ■ Р2 + + 2.841 - с?-0.0204-с?2-0.0247-7"-£/ — 0.744 е е/. (3)

Уравнение (3) имеет коэффициент корреляции г>0,977.

Формула расчетных значений концентраций сухих веществ фильтрата имеет следующий вид:

СВ«я„ = -0.36 +1.052 - с - 0.0544 • с2 + 0.0221 ■ - 0.00016 ■ -— 0.002 \9-Т ■ Р — 0.00394 с-с1. (4)

При математической обработке полученных экспериментальных данных с использованием уравнений (3) и (4) возможно построение ряда графических зависимостей для описания процесса ультрафильтрации картофельного сока и определения параметров, при которых наиболее эффективен процесс ультрафильтрации.

Из графической зависимости (рисунок 4) следует, что увеличение давления не обеспечивает постоянного роста удельной производительности. Расчетным путем определено, что оптимальным для проведения процесса ультрафильтрации является давление 0,47 МПа.

ЛГ Ч __,->

...............р.цпа

0.3 " 0,35 »4 0.15 '¿5 D.SS о!б

Рисунок 4 - Зависимость удельной производительности G от давления Р при различной концентрации исходного раствора с, температура фильтрации Т=45°С, диаметре пор мембраны d=30 им: 1 - с = 2%; 2 - с = 4%; 3 - с = 6%

На рисунке 5 приведены зависимости удельной производительности керамической мембраны ШОРСЖ 30 нм от температуры процесса ультрафильтрации при различной концентрации исходного продукта и постоянном давлении 0.47 МПа. На рисунке 6 показаны зависимости концентрации пермеата, полученного на керамической мембране Н^ОРОЯ 30 нм. от температуры процесса ультрафильтрации при различном давлении и концентрации исходного продукта 3,5% СВ.

Рисунок 5 - Зависимость удельной производительности от температуры проведения процесса ультрафильтрации на керамической мембране ШОРОЯ ё=30 нм при различной концентрации картофельного сока и давлении 0,47 МПа: I - с = 2%; 2 - с = 4%; 3 - с = 6%

Рисунок б - Зависимость концентрации СВ пермеата от температуры проведения процесса ультрафильтрации на керамической мембране ШОРОЯ с1=30 нм при различном давлении и концентрации исходного продукта 3,5% СВ: 1 - 0,3 МПа; 2 - 0,4 МПа; 3 - 0,5 МПа

На рисунке 7 приведено значение диаметра пор мембраны, при которых достигается максимальная удельная производительность в зависимости от содержания сухих веществ в исходном продукте — 24 нм, а также значение максимальной удельной производительности при данном номинале пор -121 л/м2-ч.

я

5 2

ксмцвктрация исходного продукта —

Рисунок 7 - Зависимость максимальной удельной производительности от концентрации сухих веществ в исходном растворе и диаметра пор мембраны при содержании СВ в пермеате <3,5%

На рисунке 8 приведена зависимость содержания СВ в фильтрате от номинала пор ультрафильтрационной керамической мембраны ПРОРОК и исходного содержания сухих веществ в продукте.

Рисунок 8 - Зависимость содержания СВ фильтрата от диаметра пор мембран ГМОРОК и концентрации СВ исходного картофельного сока

В результате проведенных исследований по оптимизации процесса ультрафильтрации картофельного сока на трубчатых керамических мембранах фирмы ГЫОРОЯ получены уравнения (3) и (4), позволяющие определять с высокой степенью точности (г>0,977) удельную производительность и содержание СВ в фильтрате при ультрафильтрации картофельного сока в зависимости от влияющих факторов, а также определены параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока: трубчатая керамическая мембрана с номиналом пор <1=30 нм, трансмембранное давление Р„=0,47 МПа, температура Т=45°С, концентрация СВ картофельного сока 3,7%.

3.2. Двухступенчатое концентрирование ультрафильтрата картофельного сока с применением обратноосмотических мембран

На первой ступени, ультрафильтрации, картофельный сок освобождается от взвешенных веществ. На второй ступени достигается максимальное концентрирование растворенных веществ ультрафильтрата.

3.2.1. Двухступенчатое разделение картофельного сока на ультрафильтрационной мембране ШОРСЖ 30 нм (70 кДа) и обратноосмотической мембране марки ХЬЕ

Концентрирование картофельного сока с СВ=3,8% проводилось на керамической ультрафильтрационной мембране ШОРСЖ 30 нм при трансмембранном давлении Рта=0,47 МПа и температуре Т=45°С.

Зависимость удельной производительности керамической мембраны ШОРОЯ 30 нм от фактора концентрирования представлена на рисунке 9.

120 ПО

Рисунок 9 - Зависимость удельной производительности керамической мембраны 1ЫОРОЯ 30 нм от фактора концентрирования при разделении картофельного сока с СВ=3,8%

Полученный на первой ступени ультрафильтрат картофельного сока с СВ=2,87% подавали на ступень обратного осмоса с рулонным обратноосмотическим мембранным элементом ХЬЕ производства фирмы РПт№с.

На рисунке 10 представлена зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ХЬЕ от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с СВ = 2,87 % при Р=1,8 МПа.

фактор ковцеитрировгнвя. ш,

Рисунок 10 - Зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ХЬЕ от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока

В таблице 4 представлены результаты двухступенчатого концентрирования картофельного сока на мембранах ГЫОРСЖ 30 нм (67 кДа) и показатели разделения его ультрафильтрата на второй ступени обратноосмотической мембраны ХЬЕ.

Таблица 4 - Результаты двухстадийного концентрирования картофельного сока

Наименование показателей ШОРОЯ ЗОнм П1п*ес ХЬЕ

Площадь фильтрации, м"1 0,0176 1,2

Объём исходного продукта, л 34 21,7

Содержание СВ в исходном продукте, % 3,8 2,87

Давление Рвх/Рвьа, МПа 0,52/0,42 1,83/1,78

Температура, °С 45 40

Объём фильтрата, л 27 16,6

Содержание СВ в фильтрате, % 2,87 0,10

Селективность мембран, % 24,5 96,5

Объём концентрата, л 7,0 5,0

Содержание СВ в концентрате, % 5,40 7,27

В процессе эксперимента также определено осмотическое давление ультрафильтрата картофельного сока на осмотической мембране ХЬЕ.

Для определения осмотического давления ультрафильтрата картофельного сока построены графические зависимости удельной производительности ультрафильтрата картофельного сока от давления при разных концентрациях СВ, которые представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Зависимости удельной производительности обратноосмотической мембраны ХЬЕ при разделении ультрафильтрата картофельного сока при разных концентрациях СВ от давления

При проведении аппроксимации графиков до пересечения с осью абсцисс получены значения осмотического давления, при которых удельная производительность обратноосмотической мембраны равна нулю. Данные представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Зависимость осмотического давления (П) ультрафильтрата картофельного сока от концентрации СВ для обратноосмотической мембраны марки ХЬЕ

СВ, % 2,87 3,77 5,16

П, МПа 0,47 0,66 0,98

На основании проведенного исследования построена графическая зависимость (рисунок 12} необходимой величины давления для разделения ультрафильтрата картофельного сока при более высоких концентрациях СВ.

>

/

>

/ г*

О 2 I 6 8 И 12 14 16 18 -С 22 24 Содержите сухи веществ. Ч

Рисунок 12 — Зависимость осмотического давления обратноосмотической мембраны ХЬЕ от концентрации СВ в ультрафильтрате картофельного сока

Физико-химические характеристики исходного картофельного сока и продуктов ультрафильтрационного и обратноосмотического разделения приведены в таблице 6.

Таблица 6 — Физико-химические характеристики образцов разделения картофельного сока, полученных на мембранах ШОРОК 30 нм и ХЬЕ_

Наименование СВ,% Содержание, % на СВ Оптическая плотность при 400 нм

Сырого протеина (N><6,25) РВ Зола

Исходный картофельный сок, рН=4,9 3,80 43,07 20,80 22,6 -

Ультрафильтрат 2,87 39,90 22,4 23,90 0,550

Ультраконцентрат 5,40 56,37 12,20 26,75 -

ОО-фильтрат 0,10 12.30 0,50 0 0,085

ОО-концентрат 7,27 51,20 11,87 10,80 -

Таким образом, двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием керамической мембраны ГЫОРСЖ 30 нм и последующим разделением ультрафильтрата но обратноосмотической мембране ХЬЕ позволяет получить конечный фильтрат с СВ не более 0,1%.

3.2.2. Двухступенчатое разделение картофельного сока на ультрафильтрационном мембранном элементе [РЮРОЯ 30 нм (70 кДа) и обратноосмотическом мембранном элементе ЭРО-КНИ

Концентрирование картофельного сока с СВ=3,5% проводилось на керамической ультрафильтрационной мембране КУФЭ 30 нм (67 кДа) при трансмембранном давлении РтрМ=0,47 МПа и температуре Т=45°С.

Зависимость удельной производительности керамической мембраны МОРСЖ 30 нм (67 кДа) от фактора концентрирования представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Зависимость удельной производительности керамической мембраны ШОР(Ж 30 нм (67 кДа) от фактора концентрирования при разделении картофельного сока с СВ=3,5%

Полученный фильтрат с СВ=2,56% концентрировали на лабораторной мембранной установке, оснащенной низконапорной обратноосмотической мембраной ЭРО-КНИ.

На рисунке 14 представлена зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с СВ = 2,56% при Ртрм=1,0 МПа и Т=40°С.

Фактор ковпеятрнрованяя. га

Рисунок 14 - Зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока

В таблице 7 приведены основные результаты разделения исходного раствора картофельного сока на керамической ультрафильтрационной мембране

ГЫОРСЖ 30 нм (67 кДа) и показатели разделения ультрафильтрата картофельного сока на второй ступени обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ.

Таблица 7-Результаты двухстадийного концентрирования картофельного сока

Наименование показателей ШОРОЯ 30 нм ЭРО-КНИ

Площадь фильтрации, м2 0,1 1,2

Объём исходного продукта, л 31 24,0

Содержание СВ в исходном продукте, % 3,5 2,56

Давление Рвх/РВых, МПа 0,52/0,42 1,03/0,98

Температура, °С 45 40

Объём фильтрата, л 24,6 13,3

Содержание СВ в фильтрате, % 2,56 0,05

Селективность мембран, % 26,86 98,0

Объём концентрата, л 6,4 11,0

Содержание СВ в концентрате, % 5,3 4,61

По аналогии с мембраной ХЬЕ определено осмотическое давление ультрафильтрата картофельного сока для осмотической мембраны ЭРО-КНИ.

На основании проведенного исследования получена зависимость, позволяющая определить величину давления для разделения ультрафильтрата картофельного сока при более высоких концентрациях СВ в концентрате (рисунок 15).

10 15 20 25 Содержание сухш веществ, %

Рисунок 15 - Зависимость осмотического давления обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ от концентрации СВ в ультрафильтрате картофельного сока

Физико-химические характеристики исходного картофельного сока и продуктов после ультрафильтрации на мембране ШОРОЯ 30 нм и обратного осмоса на мембране ЭРО-КНИ приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Физико-химические характеристики образцов разделения

картофельного сока, полученных на мембранах ШОРОЯ 30 нм и ЭРО-КНИ

Наименование СВ,% Содержание, % на С В Оптическая плотность при 400 нм

Сырого протеина (N><6,25) РВ Зола

Исходный картофельный сок, рН=4,9 3,50 41,72 18,84 21,20 -

Ультрафильтрат 2,56 40,84 19,90 23,60 0,795

Ультраконцентрат 5,30 49,86 9,73 24,78 -

ОО-фильтрат 0,05 10,58 0,6 0 0,014

ОО-концентрат 4,61 40,20 12,0 8,86 -

Таким образом, двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием керамической мембраны ПРОРОК 30 нм (67 кДа) и последующим разделением ультрафильтрата на обратноосмотической мембране ЭРО-КНИ позволяет получить конечный фильтрат с СВ не более 0,05%.

3.2.3 Разделение ультра фильтрата картофельного сока на обратноосмотическом мембранном элементе высокого давления марки ЭРО

Исследования по концентрированию ультрафильтрата картофельного сока при давлении 0,5 МПа, проведенные на опытно-промышленном производстве ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов, подтвердили ранее проведенные исследования. Физико-химические анализы обратноосмотического концентрата картофельного сока показали содержание сухих веществ на уровне 22%.

На рисунке 16 представлена зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с СВ = 2,8% при Ртрм=5,0 МПа и Т=40°С.

Рисунок 16 — Зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока

Физико-химические характеристики исходного картофельного сока и продуктов после ультрафильтрации на мембране ШОРСЖ 30 нм и обратного осмоса на мембране ЭРО приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Физико-химические характеристики образцов разделения картофельного сока, полученных на мембранах ШОРОИ. ЗОнм и ЭРО-КНИ_

Наименование СВ,% Содержание, % на СВ Оптическая плотность при 400 нм

Сырого протеина (N><6,25) РВ Зола

Исходный картофельный сок, рН=4,9 3,50 39,60 19,70 12,84 -

Ультрафильтрат 2,80 36,00 21,60 20,42 0,620

Ультраконцентрат 10,96 49,39 13,90 21,33 -

ОО-фильтрат 0,05 11,00 0,4 1,0 0,015

ОО-концентрат 22,00 41,68 10,8 21,77 -

4. Разработка аппаратурно-технологической схемы мембранной технологии двухступенчатого концентрирования картофельного сока

На основании проведенных исследований по разработке технологии двухступенчатого концентрирования картофельного сока предложена аппаратурно-технологическая схема (рисунок 17). Аппаратурно технологическая схема включает следующие операции: разделение смеси мезги с картофельным соком на центрифуге; отстаивание картофельного сока; контрольное удаление мезги; ультрафильтрация картофельного сока; стадия обратного осмоса; смешивание концентратов картофельного сока и мезги; сушка картофельного корма.

(Чнч'1. мели с

Рисунок 17 - Апларатурно-технологическая схема разделения и концентрирования картофельного сока и получения сухого корма

1 — сборник смеси мезги и картофельного сока; 2 — центрифуга; 3 - сборник картофельного сока; 4 - винтовой конвейер; 5 — сборники картофельного сока; 6 — цикпон;7 - плунжерный насос; 8 - дуговое сито; 9 - сборник картофельного сока; 10 - теплообменник; 11 - УФ-модуль; 12 - сборник УФ-фильтрата; 13 — ОО-модуль; 14 - сборник сырого картофельного корма; 15 — сушилка универсальная; 16 — вентилятор-пеногаситель; 17 - центробежный насос; 18 — вентиль

Проведены опытно-промышленные испытания мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока на ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия). При проведении испытаний достигнута концентрация СВ в обратноосмотическом фильтрате 22 % при рабочем давлении 5,0 МПа.

По данным опытно-промышленных испытаний произведён расчёт экономической эффективности от внедрения мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока для завода производительностью 100 т картофеля в сутки, который показал рентабельность производства на уровне 40% при сроке окупаемости капитальных затрат 2,5 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для ультрафильтрационного разделения картофельного сока рекомендуются к использованию керамические ультрафильтрационные мембранные элементы марки МОРОЯ.

2. Проведена оптимизация и разработана математическая модель оптимизации факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации картофельного сока. На основании математической модели определены параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока: трубчатая керамическая мембрана фирмы ГМОРСЖ с номиналом пор 30 нм; трансмембранное давление Р.,рМ=0,47 МПа; температура Т=45°С; концентрация исходного картофельного сока с СВ=3,5%.

3. Установлено, что на второй ступени разделения картофельного сока могут бьпъ рекомендованы полимерные обратноосмотические мембранные элементы ЭРО фирмы ЗАО НТЦ «Владипор». Отмечено, что процесс двухступенчатого разделения и концентрирования картофельного сока позволяет получить ОО-концентрат с 22% СВ, что обеспечивает концентрирование до 88% СВ исходного картофельного сока.

4. Разработана технологическая схема мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока с использованием концентратов для получения сырого корма с последующей сушкой.

5. Проведены опытно-промышленные испытания предложенной технологической схемы на предприятии ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия). При проведении испытаний достигнута концентрация СВ в обратноосмотическом фильтрате до 22 % при рабочем давлении 5,0 МПа.

6. Разработаны технические условия на картофельный корм и проведен расчет экономической эффективности от внедрения мембранной технологии для завода производительностью 100 т картофеля в сутки, который показал рентабельность производства на уровне 40% при сроке окупаемости капитальных затрат 2,5 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Волков, Н.В. Применение мембранной технологии для очистки и концентрирования картофельного сока / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун //Достижения науки и техники АПК. — 2011. -№11. — С. 79-80.

2. Волков, Н.В. Оптимизация процесса фильтрации картофельного сока с применением керамических мембран / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун // Достижения науки и техники АПК. - 2012. — №11.- С. 70-72.

Материалы конференций и другие издания

3. Зябрев, А.Ф. Технология разделения отработанной СОЖ с использованием мембранной фильтрации для металлургического завода / А.Ф. Зябрев, А.Б. Лимитовский, Н.В.Волков // Всероссийская научная конференция «Мембраны-2007».- Москва. - 2007. - С. 216.

4. Volkov, N.V. Application of membrane technology for separation and purification of starch and starch containing hydrolysates / N.V. Volkov, N.D. Lukin, V.L. Kudryashov // Международная научно-практическая конференция «XVIII international starch convention - Cracow - Moscow» - 2010 - P 45.

5. Волков, H.B. Изучение процесса мембранной очистки сточных вод, образующихся при переработке твердых и жидких отходов картофеля на крахмал в производстве картофелепродуктов / Н.В. Волков // Материалы 5-й Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания». - Москва. - 2011. - С. 79-83.

6. Волков, Н.В. Применение мембранной технологии для очистки и концентрирования картофельного сока / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун // Материалы международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты».-Краснодар.- 2012. - С. 99-102.

7. Волков, Н.В. Очистка картофельного сока с применением керамических мембран «INOPOR» / Н.В. Волков // Материалы 6-ой Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. - Видное. - 2012. - С. 56-60.

8. Лукин, Н.Д., Разделение картофельного сока на ультрафильтрационных мембранах 1NOPOR с разным номиналом пор / Н.Д. Лукин, Н.В. Волков, Л.В. Кривцун, Е.А. Ладыгина // Труды международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления» - Москва. - 2013. - С. 178-186.

9. Volkov, N.V. Application of membrane technology for purification and concentration of potato juice / N.V. Volkov, N.D. Lukin, L.V. Krivtsun, E.A. Ladygina // Международная научно-практическая конференция «XIX international starch convention - Moscow-Cracow». - 2012. - P. 72.

10. Лукин, Н.Д. Двухступенчатое концентрирование картофельного сока с использованием мембран / Н.Д. Лукин, Н.В. Волков, Л.В. Кривцун, Е.А. Ладыгина // Труды международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления». -Москва.-2013.-С. 206-209.

Заказ № 2063/13 . Формат 60x90/16. Усл. печ. 1,75 л. Бумага офсетная. Тираж 100 шт. Отпечатано в типографии ООО «Аналитик» г. Москва, Ленинградское шоссе, д. 18. Тел. 617-09-24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

КРАХМАЛОПРОДУКТОВ

На правах рукописи

Волков Николай Валерьевич

Разработка мембранной технологии разделения и концентрирования

картофельного сока

Специальность 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых продуктов, чая,

табака и субтропических культур

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. Лукин Н.Д.

Москва-2013

Содержание стр.

Введение........................................................................................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................10

1.1. Побочные продукты картофелекрахмального производства

и их утилизация................................................................................................................................................10

1.2. Исследования по применению мембран для разделения и концентрирования картофельного сока, а также для очистки соково-

промывных вод картофелекрахмального производства..............................................18

Выводы........................................................................................................................................................................35

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................36

2.1. Объекты исследования......................................................................................................................36

2.2. Физико-химические методы исследования картофельного сока

и продуктов его разделения..................................................................................................................37

2.2.1. Приготовление модельных растворов картофельного сока......................37

2.2.2. Определение содержания сухих веществ исследуемых

растворах......................................................................................................................................................................................................................38

2.2.3. Определение содержания сырого протеина......................................................40

2.2.4. Экспресс-метод определения коагулируемых белковых веществ......................................................................................................................................................................42

2.2.5. Определение редуцирующих Сахаров исследуемых растворов............42

2.2.6. Определение рН..............................................................................................................................44

2.2.7. Определение общей золы........................................................................................................45

2.2.8. Определение оптической плотности........................................................................46

2.2.9. Определение осмотического давления..........................................................................46

2.2.10. Планирование эксперимента....................................................................................................47

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ........................................................................................48

3.1. Ступень ультрафильтрации......................................................................................................................48

3.1.1. Исследование концентрирования картофельного сока на

мембране ЭРУ-20..........................................................................................................................................................................................49

3.1.2. Исследование концентрирования картофельного сока на мембране ЭРУ-50...................................................................... 52

3.1.3. Исследование концентрирования картофельного сока на мембране КУФЭ 67 кДа.................................................................................. 55

3.1.4. Концентрирование картофельного сока на мембране

1Ж)Р(Ж 30 нм.......................................................................... 58

3.2. Выбор типа мембранного элемента............................................ 62

3.3. Выбор мембранного аппарата................................................................ 63

3.4. Выбор гидродинамических условий разделения........................ 64

3.4.1. Выбор температуры.......................................................... 67

3.5. Оптимизация параметров, влияющих на процесс

ультрафильтрации картофельного сока.......................................... 67

3.5.1. Концентрирование картофельного сока на керамической мембране ШОРОЯ 10 нм............................................................ 69

3.5.2. Концентрирование картофельного сока на мембране ШОРОЯЗОм........................................................................... 75

3.5.3. Концентрирование картофельного сока на керамической мембране ШОРОЯ 70 нм............................................................ 83

3.5.4. Результаты математической обработки данных, полученных при выполнении многофакторного эксперимента для концентрирования картофельного сока на керамической мембране ПЧОРОЯ с разным номиналом пор......................................................................... 88

3.6. Ступень нанофильтрации...................................................... 94

3.6.1. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием керамических ультрафильтрационных мембран марки КУФЭ 67 кДа и нанофильтрационного рулонного элемента

ЭРН 500 Да............................................................................ 94

3.6.2. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием керамических ультрафильтрационных мембран марки КУФЭ 67 кДа и ПЧОРОЯ 70 нм на нанофильтрационном рулонном элементе ЭРН 500 Да................................................................. 97

3.6.3. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием ультрафильтрационной мембраны ШОРСЖ 30 нм на первой ступени и рулонной полимерной мембраны ЭРН-КП на второй ступени................................................................................... 101

3.7. Ступень обратного осмоса................................................... 110

3.7.1. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием ультрафильтрационной мембраны ГЫОРОК 30 нм на первой ступени и обратноосмотической мембраны ХЬЕ на второй ступени................................................................................... 110

3.7.2. Двухступенчатое разделение картофельного сока на ультрафильтрационной мембране БЧОРОЯ 30 нм и обратноосмотической мембране марки ЭРО-КНИ производства ЗАО НТЦ «Владипор»....................................................................... 116

3.7.3. Двухступенчатое разделение картофельного сока на ультрафильтрационной мембране БЧОРОЯ 30 нм и обратноосмотической мембране марки ЭРО производства ЗАО НТЦ «Владипор».............................................................................. 124

3.8. Регенерация мембранных элементов........................................ 125

4. Разработка технологической схемы утилизации побочных продуктов

картофелекрахмального производства............................................. 126

Выводы................................................................................... 129

Список литературы.................................................................... 130

Приложение 1. Аппараты........................................................... 135

1.1. Аппарат для трубчатых керамических мембранных элементов...... 135

1.2. Аппарат для рулонных полимерных мембранных элементов........ 136

Приложение 2.

2.1. Исследование пенообразующей способности картофельного сока, продуктов его мембранного разделения и пеногашения....................... 137

2.2. Пенообразующая способность исходного раствора, фильтрата

и концентрата........................................................................... 137

Приложение 4. Технико-экономические расчеты утилизации побочных продуктов картофелекрахмального производства

(мезги и картофельного сока)........................................................ 146

Приложение 5. Акты испытаний и проект технических условий.......... 161

Введение

Пищевая промышленность является одной из самых развитых промышленностей в Российской Федерации. Интенсивная обработка и большой объем перерабатываемого продукта обуславливают потенциальное воздействие на окружающую среду. В то же время, загрязнение происходит органическими, а не токсичными веществами.

В крахмалопаточной промышленности большое количество воды используется для технологических целей. Высокий уровень потребления воды на предприятиях влечет за собой образование большого объема сточных вод, которые представляют опасность для окружающей среды. На предприятиях сахарной, крахмалопаточной промышленности большая часть сточных вод образуется при гидротранспортировке и мойке сырья. При этом для получения основной продукции сырье используется лишь на 15 30 %, остальная часть - в отходах. Практически все эти отходы являются вторичными сырьевыми ресурсами, поскольку содержат значительные количества ценнейших веществ: витаминов, клетчатки, белка, микроэлементов и др. Однако содержание сухих веществ во вторичных сырьевых ресурсах пищевой промышленности составляет всего 5-40 %, они не стойкие при хранении: быстро закисают, сбраживаются, теряют ценные компоненты и загрязняют окружающую среду.

Экологическое совершенствование производства предполагает экономию потребляемых ресурсов окружающей среды и сокращение массы отходов. Это может достигаться путем внедрения малоотходных технологий, вывода из эксплуатации морально устаревших основных фондов, создание безотходного производства.

Обоснование выбранного направления исследований. За последнее время в ряде зарубежных стран ведется широкое внедрение наиболее экономичных и высокоэффективных способов очистки сточных вод пищевых производств. Широко используется сочетание классических методов очистки (механические, физико-химические, биологические и т.п.) с новыми методами (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ и т.п.). Ознакомление с литературными данными

и проведёнными ранее исследованиями в области разделения картофельного сока позволяет сделать следующие выводы:

- использование мембранных процессов позволяет разделить и сконцентрировать картофельный сок на белковый концентрат и воду;

- использование мембранных процессов позволяет получить экономию энергоресурсов для предприятия;

- использование мембранных процессов позволяет уйти от применения стадии выпаривания и сброса сточных вод с высоким показателем ХПК.

В связи с этим применение мембранных процессов для разделения картофельный сока является актуальным направлением, которое позволяет устранить сброс сточных вод предприятия в окружающую среду и снизить потребление воды на единицу продукции.

Цель исследований

Разработка технологии мембранного разделения и концентрирования картофельного сока, обеспечивающей максимальное использование его СВ, повышение кормовой ценности картофельного корма и возврат до 80% воды в производство.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать разные типы мембранных элементов для проведения процесса ультрафильтрации картофельного сока;

- провести математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока и определить оптимальные показатели факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации;

- исследовать процесс двухступенчатого разделения картофельного сока;

- разработать технологическую схему мембранного разделения картофельного сока;

- провести опытно-промышленные испытания предложенной технологической схемы;

- провести оценку экономической эффективности производства сухого корма, разработать технические условия на сухой корм.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Получены новые данные процесса ультрафильтрации картофельного сока с использованием различных типов ультрафильтрационных мембранных элементов.

Впервые определены оптимальные технологические параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока на современных керамических мембранных элементах.

Получены новые данные процесса концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с использованием рулонных полимерных обратноосмотических мембран.

Установлено, что применение двухступенчатого разделения картофельного сока с использованием мембранной технологии обеспечивает концентрирование до 88 % сухих веществ (СВ) исходного картофельного сока.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

• Разработана мембранная технология двухступенчатого разделения и концентрирования картофельного сока.

• Предложено смешивание концентратов картофельного сока с обезвоженной картофельной мезгой для получения сырого корма с повышенной кормовой ценностью с последующим его высушиванием.

• Проведена апробация технологии в условиях опытного производства ГНУ ВНИИК и на предприятии ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия).

• Разработаны технические условия на «Корм картофельный сухой» №9189-124-00334735.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выбор типа и марки мембраны для стадии ультрафильтрации картофельного сока;

2. Оптимизация и математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока с применением ультрафильтрационных мембран фирмы INOPOR GmbH;

3. Двухступенчатое концентрирование картофельного сока с использованием обратноосмотических мембран.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены: на Международной научно-практической конференции «XVIII International starch convention Cracow-Moscow» (г. Краков, 2010);

5-й Конференции молодых ученых и специалистов РАСХН «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов питания» (г. Москва, 2011); Международной научно-практической конференции «XIX international starch convention Moscow-Krakow» (г. Москва, 2012);

6-ой Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН (г. Видное, 2012); Международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления» (г. Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора научно-технической литературы, описания материалов и методов исследований, результатов исследований и их анализа, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 57 таблиц, 53 рисунка. Список литературы включает 45 наименований, в том числе 10 иностранных источников.

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Побочные продукты картофелекрахмального производства и их утилизация

Пищевая промышленность занимает одно из первых мест среди отраслей народного хозяйства по расходу воды на единицу выпускаемой продукции. Большое количество воды используется для технологических целей, например, для первоначальной очистки сырья, смывания в лотках и желобах, обесцвечивания, пастеризации, очистки технологического оборудования и охлаждения готового продукта.

На предприятиях сахарной, крахмало-паточной, консервной, винодельческой отраслей основной объем сточных вод образуется при гидротранспортировке и мойке сырья. Для сточных вод этих отраслей характерен высокий показатель содержания взвешенных органических веществ. Этот осадок в течение многих лет накапливается в отстойниках и на полях фильтрации, что приводит к переполнению карт полей фильтрации и попаданию сточных вод в открытые водоемы [23].

Уровень БПК (биологической потребности в кислороде) колеблется от 5,3 тыс. мгОг/л в сахарной промышленности до 1,4 тыс. мг02/л в консервной. Уровень ХПК (химической потребности в кислороде), тыс. мгОг/л, в сахарной промышленности составляет 7,5, в крахмало-паточном производстве - 2,9, в пивоварении - 1,2. Состав сточных вод позволяет использовать их для орошения сельскохозяйственных культур, что решает задачи очистки и повышения плодородия почвы.

За рубежом активно ведут разработки по комплексному использованию сырья и безотходной переработки образующихся вторичных ресурсов в целях получения кормов, кормовых и пищевых добавок. На сегодняшний день можно выделить следующие наиболее распространенные методы по обезвреживанию и повторному использованию отходов производства картофельного крахмала:

1. Корм для животных. Непосредственно после отжимания или сушки, как силосованный корм для животных или добавка используются отходы переработки плодов и овощей, в том числе картофеля (картофельная мезга или картофельный сок) [31].

2. Компостирование - природные микробиологические процессы, в которых разложение органических веществ осуществляется в аэробных условиях (могут использоваться обезвоженный осадок отходов пивоваренных заводов, отходы плодов и овощей, отходы производства желатина).

3. Ферментация. Биомасса (отходы сельскохозяйственных продуктов) используется для производства этанола, картофельные отходы - для производства метана, сахар и крахмал - для производства разлагающихся под действием окружающей среды пластмасс [23].

Одной из наиболее важных проблем картофелекрахмального производства является переработка картофельного сока и мезги, которые содержат большое количество биологически активных веществ и, по сути, являются вторичным сырьем [16, 17].

При переработке картофеля на крахмал по передовой технологической схеме с использованием гидроциклонных установок разной мощности образуется два продукта: крахмальная суспензия с концентрацией сухих веществ (СВ) = 36+40 % и смесь мезги с картофельным соком с СВ = 6,5+7,0 % в количестве 120 т на 100 т перерабатываемого сырья. Эта смесь является побочным продуктом картофелекрахмального производства. Существует много разнообразных техноло