Технология пищевых производств
Получение диффузионного сока
Диффузией (или экстрагированием) называется процесс; извлечения из сложного по составу вещества одного или не-; скольких компонентов с помощью растворителя (экстрагента),; обладающего избирательной способностью растворять только^ вещество, подлежащее экстрагированию. Движущей силой ди<м| фузии является разность концентраций веществ в соприкасаки щихся растворах, которая перемешает растворенное веществш в сторону меньшей концентрации. щ
Причиной диффузии является беспорядочное непрерывнее движение молекул вещества. ■
Различают несколько видов диффузии: свободная д и Л фузия, когда два раствора (или раствор и растворитель) нет посредственно соприкасаются друг с другом и самопроизволь] но проникают один в другой; осмос — это мембранная диф| фузия, когда растворы разделены полупроницаемо/} перегородкой (мембраной), которая пропускает только чисты^ растворитель: диализ — тоже мембранная диффузия, но р данном случае мембрана пропускает кроме растворителя ещ| и частицы растворенного вещества, но только до определенного размера, а более крупные задерживает. . ■
Основной закон молекулярной диффузии — закон Фнка --- устанавливает следующую связь между количеством экстрагируемого вещества и основными параметрами процесса. Массовое количество растворенного вещества М (в кг), нродиффун - дировавшего сквозь некоторый слой растворителя толщиной 6 (в м), прямо пропорционально разности концентраций на гр%; ницах этого слоя Ас (в кг/м3), времени диффузии т (в с), пла щади сечения слоя (поверхности контакта раствора и раствори теля) F (в м2) и обратно пропорционально толщине слоя 5 (т. е. длине пути диффундирования частиц):
M = DF —т.
6
Величина ~ называется градиентом концентрации, a D— 6
Коэффициентом диффузии (в м2/с) и показывает, какое количество вещества диффундирует через поверхность площадью 1 м2 в единицу времени на расстояние 1 м при разности концентрации, равной единице. Величина D зависит от рода диффундирующего вещества и от температуры процесса. С повышением температуры она увеличивается, так как возрастает скорость движения молекул, а также уменьшается вязкость растворителя, вследствие чего молекулы растворенного вещества легче продвигаются между молекулами растворителя.
Цель диффузионного процесса в сахарном производстве — извлечь из свекловичной стружки максимально возможное количество сахарозы. Для этого прежде всего необходимо нагреть стружку до температуры денатурации протоплазмы свекловичных клеток, которая является полупроницаемой мембраной и пропускает только чистый растворитель (воду). Процесс такой термообработки стружки называется ошпариванием.
В сахарном производстве диффузионный процесс представляет собой сложный комплекс трех видов диффузии: свободной диффузии, осмоса и диализа. В начале происходит диффузия сахара из разорванных при изрезывании свеклы в стружку клеток (свободная диффузия), затем начинается проникновение воды в клеточный сок (осмос) и после нагревания стружки до 60°С (ошпаривания) и денатурации протоплазмы начинается основной процесс извлечения сахара из вакуолей клеток свеклы в диффузионный сок (диализ).
Процесс получения дифф тонного сока имеет ряд естественных ограничений. Отбор сока составляет 115—130%, т. е. из 100 кг стружки извлекают 115—130 кг сока. При большем отборе увеличивается расход воды на обессахаривание стружки и возрастают расходы топлива и электроэнергии на выпаривание лишней воды при сгущении сока.
Увеличение длительности обессахаривания т приводит к более полному переходу из стружки не только сахара, но'и не- сахаров свеклы, в частности пектиновых веществ, увеличивается пептизация нерастворимого протопектина и т. д. Поэтому целесообразно ограничивать длительность экстрагирования и использовать доброкачественную стружку с оптимальной толщиной и с хорошей упругостью, что ускорит извлечение сока. Однако длительность диффундирования в аппаратах непрерывного действия составляет нормативно 70—80 мни. поскольку в
Такие аппараты необходимо загружать болей грубую свекло вичную стружку.
Хотя повышение температуры и способствует увеличению коэффициента диффузии сахарозы, но при температуре выше 75°С происходит быстрое набухание пектиновых веществ и снижение упругости стружки, а при температуре ниже 70°С интенсивно развиваются микроорганизмы, приводящие к порче стружки. Поэтому в активной части диффузионной установк поддерживают температуру 70—75 °С.
В настоящее время в свеклосахарном производстве обесса* харивание стружки производится в непрерывно действующих противоточных диффузионных аппаратах. ;
Стружка свеклы с концентрацией сахара с2 поступает в головную часть аппарата А и движется к концевой его части. При этом сахар из нее переходит в движущийся навстречу растворитель (вода, диффузионный сок). Во всех частях аппарата процесс диффузии идет интенсивно, так как разность концентраций сохраняется. В хвостовой части аппарата в стружке остается очень мало сахара, но диффузия еще продолжается за счет того, что сюда поступает чистая вода с нулевой концентрацией сахара. Из аппарата выходит с одной стороны вода, насыщенная сахаром, — диффузионный сок, а с другой — обессахаренная стружка— жом.
Схема этого процесса следующая:
Стружка Жом
\ S
С 2 С С і у"
Диффузион - Вода иый сок (сі=0)
Обычно при диффузии из 100 кг стружки получают бол. 100 кг сока. Величину, показывающую количество диффузио ного сока, полученного из J00 кг свеклы, называют отбором сока. В головной части аппарата разницу концентрации Дс увеличивают путем снижения концентрации диффузионного сока за счет повышения отбора сока. В результате такой противоточной экстракции можно извлечь максимум сахара из стружки.
Для осуществления диффузии сахара из свеклы используют диффузионные полностью автоматизированные аппараты непрерывного действия, которые позволяют снизить потери сахара в стружке до 0,25—0,3% к массе свеклы. В СССР работают различные диффузионные аппараты непрерывного действия: горизонтальные, ротационные, вертикальные колонные (одноколонные, многоколонные), наклонные двухшнековые. Наиболее распространены одноколонные аппараты типа КДА и наклонные аппараты С-17.
ІІ
Одноколонный диффузионный аппарат типа КДА состоит из горизонтального ошпаривателя и вертикального колонного диффузионного аппарата. Установки этого типа имеют несколько модификаций, отличающихся одна от другой производительностью и некоторыми конструктивными особенностями. Принцип работы аппарата КДА-25-59 с ошпаривателем 0-25-59 следующий. Свекловичная стружка подается в загрузочную шахту ошпаривателя и смешивается с горячим диффузионным соком. Внутри горизонтального цилиндрического корпуса ошпаривателя имеется полый трубовал, вращающийся с частотой 1,25— 3,75 мин"1. На нем закреплены транспортирующие и перемешивающие лопасти. Через ситовые поверхности сок отбирается для подогрева и вновь возвращается в ошпариватель. Сокостружеч - ная смесь температурой 74°С' из ошпаривателя подается в нижнюю часть вертикального колонного диффузора высотой 15,37 м и диаметром 5 м. Сверху в диффузор подается смесь свежей и жомопрессовой (отделенной при прессовании жома) воды с температурой 72°С и рН 5,8—6,4. Внутри диффузора расположен пустотелый вал с лопастями диаметром 2 м. вращающийся с частотой 0,6—1 мин^1. Изменение частоты вращения этого вала позволяет регулировать производительность аппарата. Подогретая стружка из ошпаривателя с помощью насоса подается в пространство между цилиндрической стенкой аппарата и пустотелым валом и перемещается снизу вверх с помощью лопастей, образующих прерывистую винтовую поверхность. Между лопастями установлены неподвижные контрлопасти, что препятствует вращению массы стружки вокруг оси цилиндра.
Обессахаренная стружка (жом) выводится из верхней части аппарата и подается в жомовый пресс, в котором с помощью отжимных шнеков отделяется жомопрессовая вода. Как было сказано ранее, эта вода частично возвращается на диффузию.
Диффузионный сок выводится из колонны в ошпариватель через сита, расположенные на нижнем конце полого вала. Отбор сока ведется из ошпаривателя и составляет до 130% к массе свеклы. Оптимальная длина стружки (число Силина) для этого аппарата— 10,5—12,5.
Вертикальные одноколонные диффузионные установки полностью автоматизированы, ими управляет один оператор, они надежны в эксплуатации, компактны, позволяют получать сок с малыми потерями сахара. Недостатком одноколонных аппаратов является наличие ошпаривателя, занимающего дополнительную площадь, чрезмерное измельчение стружки, что не позволяет использовать тонкую свекловичную стружку, и отсутствие возможности промежуточного подогревания сока в диффузоре.
В сахарной промышленности используются несколько типов наклонных двухшнековых диффузионных аппаратов (С-17,^ А1-ПДС-25, А1-ПДС-30, АІ-Г1ДС-60) и зарубежные типа Dds. !
Корпус этих аппаратов устанавливают на специальных опорах с наклоном 8—11°. Свекловичная стружка загружается sj аппарат через специальный бункер, перемещается по нему спи-1 зу вверх с помощью двух параллельных лопастных валов, вращающихся в противоположные стороны. Жом удаляют из верхней части аппарата с помощью специальных шнеков. Вода подается в концевую часть аппарата и перемещается навстречу стружке, насыщается сахаром и удаляется из нижней части аппарата в виде диффузионного сока через ситовое отверстие. Масса сокостружечной смеси подогревается в аппарате с помощью паровых камер, установленных по всей длине в нижней части корпуса. Производительность аппарата А1-ПДС в зависимости от марки составляет 2500, 3000 и 6000 г свеклы в сутки. Аппарат типа С-17 имеет некоторые конструктивные особенности, его производительность 1500 г свеклы в сутки.
К достоинствам наклонных двухшнековых аппаратов относится их малая металлоемкость (в расчете на 100 т перерабатываемой свеклы в сутки), компактность,, относительно небольшой расход пара на подогревание стружки, полная автоматизация. К недостаткам таких аппаратов следует отнести чувствительность к качеству стружки, сильное перемешивание и измельчение стружки, смешивание соков разных концентраций.