Химимя и химические технологии / Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

к.т.н. Матиящук А.М. ,

Національний університет біоресурсів та природокористування України, Україна

Матиящук О.В.

Національний університет харчових технологій, Україна

застосування нетрадиційних методів інтенсифікації процесів очищення дифузійного соку цукрового виробництва

Удосконалення технології вапяно-вуглекислотного очищення дифузійного соку цукрового виробництва неможливе без інтенсифікації процесів основних стадій виробництва. Традиційні способи інтенсифікації процесів попереднього і основного вапнування дифузійного соку шляхом керування температурою середовища на цих стадіях та його лужністю за певними часовим залежностям в цілому не забезпечують значного підвищення ефекту очищення соку. Ефективність більшості відомих способів очищення обмежена вибірковою дією іона кальцію щодо взаємодії із речовинами колоїдної дисперсності (РКД) дифузійного соку.

Аналізуючи умови протікання процесів на стадії попереднього вапнування, виявлено, що лімітуючим чинником є швидкість доставляння хімічних реагентів в зону їх взаємодії із нецукрами, які в більшості представлені речовинами колоїдної дисперсності (РКД) дифузійного соку. Хімічні реакції взаємодії іонів Са²⁺ із РКД соку відбувається в рідкій фазі, де нецукри і сахароза знаходяться в розчинному стані. Тому в багатьох випадках загальна швидкість масообмінних процесів, які мають місце на стадії попереднього вапнування визначаються дифузійною областю взаємодіючих компонентів.

Враховуючи досвід застосування ефектів кавітації у різних галузях промисловості було запропоновано оброблення дифузійного соку у гідродинамічному кавітаційному пристрої [1], на відміну від оброблення соку основного вапнування. Дослідженнями в умовах Кагарлицького цукрового заводу із застосуванням ефектів ГД кавітації встановлено зменшення вмісту сухих речовин (СР) соку, які пояснюються коагуляцією РКД соку. Визначено ефективний режим роботи ГД кавітаційного пристрою при стадії кавітації l від 2,3 до 2,5, при якому зменшення СР соку складає до 0,5 %. В результаті дослідження впливу ефектів ГД кавітації виявлено покращання технологічних показників соків: збільшується швидкість седиментації соку попереднього вапнування на 20 %, зменшується об`єм саду на 17,2 %, підвищується чистота очищеного соку другої сатурації на 1,5 % у порівнянні із типовим способом очищення соку. Із аналізу результатів такого оброблення за стадії кавітації 2,3 – 2,5 за математичною моделлю створення поля кавітаційних бульбашок [4] було виявлено, що за зазначеної стадії кавітації під час колапсу кавітаційних бульбашок виділяється найбільша кількість енергії, яка передається частинкам РКД при контактуванні їх в потоці соку із бульбашками.

Для теоретичного обґрунтування одного із можливих механізмів процесу коагуляції нецукрів під впливом кавітаційних ефектів авторами [5] пропонується схема моделі, в основу якої покладена взаємодія кавітаційної бульбашки з частинками РКД.

Відомо, що в початковий момент часу кавітаційна бульбашка має лінзоподібну форму. При цьому з однієї сторони поверхні бульбашки формується заряд одного знаку, з іншого – протилежного. Виникнення і розвиток кавітації супроводжується електричними процесами в кавітаційній бульбашці. Згідно теорії Я.И.Френкеля, кавітаційна бульбашка в момент свого виникнення має поверхню лінзоподібної форми, протилежні стінки якої мають різні заряди. Внаслідок взаємодії цих зарядів з молекулами оточуючої бульбашку води, на її поверхні утворюється подвійний електричний шар. В свою чергу частинки РКД мають на своїй поверхні подвійний електричний шар з від’ємним зарядом.

Якщо передбачити, що внаслідок контакту частинок РКД і кавітаційних бульбашок зарядженими поверхнями із протилежними знаками в потоці дифузійного соку відбувається зниження їх заряду. При цьому руйнується сольватна оболонка частинок РКД, зменшується ступінь гідратації подвійного електрикного шару і відбувається об’єднання частинок. Отже, ударно-хвильова дія, яка виникає під час колапсу бульбашок, інтенсифікує процес коагуляції РКД.

Поряд із способами використання ГД кавітації для очищення соку розроблений спосіб [3] оброблення дифузійного соку парою, шляхом її вдування в потік дифузійного соку, що можна розглядати як спосіб створення кавітації, оскільки в результаті пропускання струменя пари через сопло в потоці рідини утворюється факел пари по аналогії із створенням штучних каверн за ГД кавітації. Бульбашка пари, яка відривається від факелу, сплеснеться внаслідок конденсації пари за рахунок різниці температур обох фаз. При різкому зменшенні об’єму бульбашки на внутрішній її поверхні під час колапсу відбувається концентрація кінетичної енергії мас рідини, що зштовхуються, в дуже незначному об’ємі рідини. Внаслідок цього відбуваються явища, які притаманні акустичній і ГД кавітації. Тому явище розривання суцільності рідкої фази шляхом вдування пари з утворенням парових бульбашок і їх колапсом внаслідок різниці температур між фазами можна назвати пароконденсаційною (ПК) кавітацією.

З метою виявлення впливу ефектів ПК кавітації на ефективність очищення дифузійного соку в лабораторних умовах було проведено серію досліджень за наступною методикою.

Пробу соку обробили в лабораторному ПК кавітаційному пристрої шляхом вдування водяної пари через барботер. При цьому різниця температури соків до і після оброблення становила 5 °С. В подальшому в кожну пробу додавали 5 % згущеної суспензії соку другої сатурації та вапняне молоко в кількості, яка необхідна для доведення соку попереднього вапнування до рН₂₀ 11,2. Потім сік нагрівали на водяній бані до температури 65-70 °С і за відомою методикою [2] у кожній із проб визначали швидкість седиментації, об’єм осаду соку попереднього вапнування і фільтраційний коефіцієнт, а також проводили мікрофотографування осаду за допомогою мікроскопу МБІ –15, що дало збільшення об’єктів у 740 разів. На рис.1. наведено якісні показники соку попереднього вапнування проб дифузійного соку, обробленого в кавітаційному пристрої і необробленого, із якого видно, що кращі якісні характеристики соку попереднього вапнування того соку, що оброблявся в пароконденсаційному кавітаційному пристрої.

Рис. 1. Характеристики cедиментаційно-фільтраційних властивостей соку попереднього вапнування із обробленням (а) та без оброблення (б) дифузійного соку в ПК каітаційному пристрої

На рис.2 у вигляді діаграми наведено, отриманий під час мікрофотографування, розподіл частинок осаду за розмірами. Підвищення вмісту частинок осаду з більшими розмірами (3,0…4,5 мкм) в соку попереднього вапнування свідчить, що кавітаційне оброблення дифузійного соку інтенсифікує процеси коагуляції, седиментації та фільтрування на подальших стадіях очищення соку. Це можна пояснити тим, що під час оброблення дифузійного соку в ПК кавітаційному пристрої відбувається максимальне стиснення сольватної оболонки частинок РКД, що призводить до утворення рівномірної структури осаду соку на стадії попереднього вапнування. За цих умов агрегати частинок РКД, які утворюються внаслідок коагуляції, мають меншу кількість прошарків, де може бути вода, а тому осад, що утворюється на попередній вапнування, має мало стислу структуру. Таким чином, припущення, що при кавітаційному обробленні дифузійного соку відбуваються структурні перетворення РКД, вірне.

Рис.2. Порівняльні характеристики розподілу частинок осаду соку попередньої дефекації за розмірами без оброблення (а) та з обробленням (б) дифузійного соку в ПК каітаційному пристрої

Внаслідок оброблення дифузійного соку парою, а саме внаслідок колапсу парових бульбашок, відбувається часткова безреагентна коагуляція РКД та трансформація асоційованих і комплексних сполук нецукрів. Під час подачі в зону оброблення згущеної суспензії осаду соку другої сатурації проходить часткова адсорбція продуктів трансформації на частинках СаСО₃ і утворення білково-пектинового комплексу з Са²⁺. В таких умовах формується щільна просторова структура первинних частинок в агрегатах осаду, про що свідчить зменшення об’єму осаду і величини F_k та частинок осаду скоагульованих РКД (із результатів мікрофотографії осаду) у порівнянні із типовим способом очищення соку.

Результати лабораторних та промислових показали, що використання ГД та ПК кавітаційного оброблення дифузійного соку інтенсифікує процес коагуляції РКД соку на попередній вапнування, адсорбції нецукрів на першій і другій сатурації, про що свідчить збільшення чистоти очищеного соку другої сатурації та покращання седиментаційно-фільтраційних властивостей соків попереднього вапнування і першої сатурації.

Переведення РКД під дією кавітаційних ефектів в нерозчинний стан без введення хімічного реагенту може слугувати передумовою скороченню його витрат на виробництво цукру, а одночасне застосування кавітаційних ефектів і дії хімічного реагенту покращує седиментаційно–фільтраційні властивості соків на наступних стадіях очищення. Оброблення дифузійного соку одночасно із хімічним реагентом сприяє отриманю осад соку попереднього вапнування з добрими седиментаційно-фільтраційними властивостями, що дає змогу відокремлювати осад до стадії основного вапнування соку і тим самим уникнути пептизації частинок РКД в умовах високої температури і лужності.

Використання нетрадиційних для цукрової промисловості фізико-хімічних ефектів ГД і ПК кавітації та ІЕ іскрового розряду дає можливість створення нових ефективних способів очищення дифузійного соку з одночасним зменшенням витрат хімічних реагентів.

Література:

1. Гідродинамічна кавітація як один із методів інтенсифікації попередньої дефекації /Матиящук А.М., Немирович П.М., Хомічак Л.М., Малежик І.Ф., Жеплінська М.М., Пушанко М.М. // Наукові праці, К.: УДУХТ. – 1998.- №4,Ч.1. –С.44-45.

2. Инструкция по химико-техническому контролю и учету сахарного производства.– К.: 1983. – 476 с.

3. Інтенсифікація очищення дифузійного соку з використанням відкритої пари /Хомічак Л.М., Матиящук А.М., Бобрівник Л.Д., Немирович П.М. //Експерс-новини: наука, техніка, виробництво. – 1997. – №21-22, с. 4-5.

4. Математична модель створення поля кавітаційних бульбашок у гідродинамічному кавітаційному пристрої / Матиящук А.М., Немирович П.М. Хомічак Л.М. Федоткін І.М. // Харчова промисловість.- 2000.- № 45, С.34-39.

5. Схема моделі взаємодії кавітаційних бульбашок і частинок речовин колоїдної дисперсності. / Матиящук А.М., Хомічак Л.М., Немирович П.М., Матиящук О.В., Жеплінська М.М.// Наукові праці, К.: УДУХТ. – 2001.- №10,Ч.2. – С.128