НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

СЛИВА ЮЛІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 664.1.033

РОЗРОБЛЕННЯ СПОСОБУ ОДЕРЖАННЯ ДИФУЗІЙНОГО СОКУ З ВИКОРИСТАННЯМ ЕЛЕКТРОІСКРОВИХ РОЗРЯДІВ

Спеціальність 05.18.05 – Технологія цукристих речовин та продуктів бродіння

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Логвін Володимир Матвійович,

Національний університет харчових технологій,

професор кафедри технології цукристих речовин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Чернявська Людмила Іванівна,

Український науково-дослідний інститут цукрової промисловості, завідувач відділом сировини, контролю і обліку виробництва

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Богданов Єгор Серафимович,

Національний унуверситет харчових технологій,

старший викладач кафедри охорони праці та цивільної оборони

Захист відбудеться “ 27 ” грудня 2007 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 у Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033, Київ -33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ-33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розіслано 23.11.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент М.В. Карпутіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виробництво цукру є важливою галуззю в агропромисловому комплексі України. Ефективність бурякоцукрового виробництва значною мірою залежить від якості буряків та проведення процесу екстрагування сахарози із бурякової стружки, який визначає ефективність всіх наступних технологічних процесів та виробництва в цілому.

Однією із найважливіших стадій екстракції сахарози із буряків є попереднє оброблення стружки. Без такого оброблення практично неможливо вилучити сахарозу із швидкістю та повнотою, які необхідні в промислових умовах. Від того, наскільки ефективно буде проведений цей процес, залежать ступінь вилучення сахарози із бурякової стружки і якість дифузійного соку, а також втрати сахарози від ферментативного розкладання, мікробіологічної діяльності і кислотного гідролізу.

Але в багатьох випадках застосування типової схеми екстракції сахарози не забезпечує отримання дифузійного соку високої якості за нормативних величин втрат сахарози.

На сьогоднішній день у харчових технологіях все більше застосовуються нетрадиційні методи оброблення, які передбачають різні фізичні впливи, зокрема мікрохвильові, електричні постійного та змінного струмів, ультрафіолетових променів та магнітних полів та ін. Одним із методів, який інтенсивно розвивається, є оброблення електроіскровими розрядами, результатом дії яких є електрогідравлічний ефект (ЕГЕ). Він характеризується виникненням широкого спектру фізичних явищ, таких як механічні хвилі, магнітні та електричні поля, ультрафіолетове свічення, надшвидкісні струмені рідини, кавітаційні явища та ін.

Враховуючи різноманітність фізичних впливів, які мають місце внаслідок електрогідравлічного оброблення (ЕГО), використання електроіскрових розрядів є перспективним для бурякоцукрової промисловості.

Виходячи з цього, теоретичне та експериментальне обґрунтування нових способів отримання дифузійного соку, які дозволять інтенсифікувати та провести процес екстракції сахарози більш повно, але при цьому не погіршити якість отриманого дифузійного соку і зменшити втрати сахарози під час екстрагування, є актуальним завданням і має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились відповідно до тематики науково-дослідних робіт НУХТ та згідно з планами Держбюджетних тематик науково-дослідних робіт НУХТ “Розробити технологію отримання білого цукру з використанням нетрадиційних методів очищення соку” (№0101U000453), “Розроблення способів інтенсифікації процесів очищення дифузійного соку у бурякоцукровому виробництві” (№0106U000413).

Автор особисто брав участь у проведенні лабораторних і промислових досліджень, обробленні та аналізі отриманих результатів.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи – на основі теоретичних і експериментальних досліджень зміни фізико-хімічних властивостей бурякової тканини внаслідок дії електроіскрових розрядів на стружку цукрових буряків обґрунтувати та розробити новий спосіб одержання дифузійного соку підвищеної якості.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

· виконати дослідження впливу ЕГО на структурні зміни тканини цукрових буряків;

· провести дослідження механізму досягнення проникності тканини цукрових буряків за умов термічного та електрогідравлічного оброблення;

· дослідити вплив термічного та електрогідравлічного оброблення стружки на проникність сахарози із стружки в екстраент;

· дослідити вплив електрогідравлічного оброблення суміші стружки з екстрагентом на її мікрофлору;

· провести дослідження впливу ЕГО на основні компоненти цукрових буряків та на якість дифузійного і очищеного соків;

· розробити спосіб екстрагування сахарози із бурякової стружки з використанням ЕГО суміші стружки з екстрагентом;

· провести виробничі випробування розробленого способу одержання дифузійного соку з ЕГО суміші стружки з екстрагентом.

Об’єкт дослідження – способи одержання дифузійного соку із бурякової стружки.

Предмет дослідження – електрогідравлічний ефект, бурякова тканина, суміш стружки з екстрагентом, дифузійний сік, соки І та ІІ карбонізації.

Методи дослідження – мікроскопічний аналіз, ботанічна мікротехніка, кондуктометрія, рідинний електрофорез, калориметричні методи аналізу речовин, традиційні та удосконалені для бурякоцукрового виробництва методи аналізу напівпродуктів, математичне моделювання та статистичний аналіз дослідних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

· встановлено, що ЕГО призводить до структурних змін в клітинах бурякової тканини. Внаслідок оброблення електроіскровими розрядами в кількості 7-10 відбувається плазмоліз клітин, селективне утворення пор та каверн в клітинних стінках, гине цитоплазма, що призводить до збільшення проникності клітин та меншому переходу нецукрів в екстрагент за рахунок затримання зкоагульованих сполук в клітинах;

· на основі теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтовано механізм досягнення проникності тканини цукрових буряків за умов термічного та електрогідравлічного оброблення стружки. Головним чинником, який впливає на проникність мембран клітин внаслідок термічного оброблення є об’ємне розширення рідини, та, як наслідок, збільшення осмотичного тиску в клітині. Всі ці зміни призводять до механічного пошкодження оболонок клітин за рахунок якого в них утворюються пори та каверни різної величини;

· основними чинниками дії на бурякову тканину під час ЕГО є електромагнітні хвилі, ударні хвилі та високошвидкісні струмені рідини, які виникають внаслідок електроімпульсного пробою в оброблюваному середовищі;

· встановлено, що коефіцієнт дифузії сахарози у буряковій стружці за умов її ЕГО та температур екстрагування 60єС і 75єС становить 0,51…0,71Ч10-9 м2/с, а за умов лише термічного оброблення при температурі 75єС величина коефіцієнта дифузії у стружці становить 0,47Ч10-9 м2/с. Отримані величини коефіцієнтів дифузії сахарози у стружці свідчать про інтенсифікацію процесу екстрагування та про можливість проведення екстракції сахарози за нижчих температур при умові ЕГО стружки;

· встановлено, що ЕГО стружки в екстрагенті в режимі напруга 35-40кВ, кількість імпульсів 10-15, дозволяє досягнути інактивації мікроорганізмів до 87%. Бактерії роду Leuconostoc інактивуються повністю;

· розроблено спосіб одержання дифузійного соку з використанням електрогідравлічного оброблення сокостружкової суміші в режимі напруга 30…40кВ, кількість імпульсів 7…10 з частотою їх слідування 2Гц. Спосіб дозволяє за умов температур екстрагування 600С та 750С підвищити чистоту дифузійного соку на 1,2-1,98%. При цьому вміст ВМС відповідно зменшується на 25…46% із них пектинових речовин на 17…28%. Вміст загального азоту зменшується на 24…36% відповідно.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблений спосіб отримання дифузійного соку (деклараційний патент України №22034) дозволяє підвищити ступінь плазмолізу, збільшити ефект очищення дифузійного соку, що забезпечує підвищення чистоти дифузійного соку, зменшити невраховані втрати і втрати сахарози в жомі під час екстрагування та, як наслідок, підвищити вихід цукру-піску. Проведені промислові випробування з використанням електрогідравлічної установки на Борщівському цукровому заводі підтверджують ефективність використання запропонованого способу отримання дифузійного соку в бурякоцукровому виробництві. Очікуваний економічний ефект від впровадження розробленого способу становить 351 100 грн. на рік (у цінах 2006 року).

Розроблений спосіб інактивації мікроорганізмів (деклараційний патент України № 17173) дозволяє зменшити кількість мікроорганізмів, які надходять разом із сировиною в екстрактор, а деякі види мікрофлори інактивувати повністю, що дозволяє зменшити невраховані втрати цукру в під час екстрагування, витрати на хімічні реагенти для дезінфекції та подолання наслідків метаболізму мікроорганізмів.

Розроблено електрогідравлічний спосіб активації водно-вапняної суспензії (деклараційний патент України № 59225 А), який дозволяє підвищити активність вапна і дає можливість утилізувати зв’язане вапно, що міститься у водно-вапняній суспензії.

Розроблений спосіб очищення дифузійного соку (деклараційний патент України № 2993 А) дозволяє підвищити ефект очищення дифузійного соку.

Особистий внесок здобувача полягає у підборі методик, організації та проведенні експериментів, створенні лабораторних установок, обробленні та узагальненні результатів проведених фізико-хімічних досліджень в лабораторних та виробничих умовах, підготуванні та публікації результатів досліджень, а також апробації результатів роботи на українських та міжнародних конференціях.

У співавторстві проведено: розроблення способу підвищення активності вапна у вапняному молоці з використанням електрогідравлічного оброблення – з к.т.н. Вєрченко Л.М. та к.т.н. Василівим В.П., розроблення способу очищення дифузійного соку з використанням активованої водно-вапняної суспензії – з к.т.н. Вєрченко Л.М., к.т.н. Василівим В.П. та к.т.н. Джоган О.І., розроблення способу інактивації мікроорганізмів – з використанням електроіскрових прозрядів – з с.н.с. Мариніним А.І., Антонюк С.І., розроблення способу отримання дифузійного соку з використанням електрогідравлічного оброблення стружки цукрових буряків в екстрагенті – з с.н.с. Мариніним А.І., визначення впливу електроіскрових розрядів на дифузійний сік – з д.т.н. Хомічаком Л.М., дослідження впливу електроіскрових розрядів на структуру клітин та клітинні мембрани тканини буряків – з д.б.н. Поповою А.Ф., визначення кінетичних показників та математичне оброблення – з к.т.н. Верхолою Л.А.

Обговорення, аналіз та узагальнення результатів досліджень проведено з науковим керівником д.т.н. Логвіним В.М.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів (Київ, 2001 – 2004 рр. та 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення України” (Київ, 2003р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт, з них: 5 статей у наукових фахових журналах, 4 деклараційних патенти України, 6 тез конференцій.

Структура та об’єм дисертації. Робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку бібліографічних джерел із 167 найменувань та 5 додатків. Основний зміст роботи викладено на 135 сторінках машинописного тексту, містить 28 рисунків та 15 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначена мета та основні завдання досліджень, наведені наукова новизна та практична цінність роботи.

У першому розділі “Одержання дифузійного соку із бурякової стружки в бурякоцукровому виробництві” розглянуто та проаналізовано основні теоретичні та практичні положення проведення екстрагування за різних способів попереднього оброблення стружки цукрових буряків. Розглянуті особливості будови бурякових клітин, описані зміни їх структури в залежності від способу попереднього оброблення бурякової стружки. Описані та проаналізовані методи дослідження структури бурякової тканини.

Узагальнено сукупність явищ, які виникають під час ЕГО. Описано механізм утворення електроіскрових розрядів та вплив їх на різні середовища.

Розглянуті шляхи проникнення мікроорганізмів у виробництво, описана мікрофлора бурякової стружки та дифузійного соку. Проаналізовані методи боротьби з мікроорганізмами цукрового виробництва. Розглянуто питання впливу імпульсного електрогідравлічного розряду на інактивацію мікроорганізмів.

На основі аналізу літературних даних зроблені наукові висновки, сформульовані конкретні завдання досліджень.

У другому розділі “Об’єкти та методи досліджень” наведено характеристику об’єктів та методів досліджень, опис методів аналізів та умов проведення досліджень.

ЕГО згаданих зразків проводили на лабораторній електрогідравлічній установці, розробленій співробітниками ПНДЛ НУХТ.

Визначення складу і фізико-хімічних властивостей суміші стружки із екстрагентом та соків проводили з використанням широковживаних в цукровій галузі приладів та згідно загальноприйнятих методик.

Визначення впливу різних способів оброблення бурякової тканини проводили мікроскопіюванням зрізів, отриманих з використанням ботанічної мікротехніки. Якісний склад та кількісний вміст мікроорганізмів визначали висівом проби на поживні середовища та підрахунком кількості колоній після інкубування. Визначення якісного складу білків проводили методом рідинного електрофорезу. Вміст Феруму у робочому середовищі визначали колориметрично з використанням о-фенатроліну.

Третій розділ “Дослідження кінетики процесу плазмолізу тканини цукрових буряків за умов використання електрогідравлічного оброблення” присвячений дослідженню впливу ЕГО бурякової стружки на характер структурних змін клітин тканини, її проникність та кінетичні показники.

Для з’ясування впливу електроіскрових розрядів на клітини бурякової тканини стружку змішували з екстрагентом та піддавали ЕГО з напругою 25…40кВ, кількістю імпульсів 5, 7, 10, 12, 15 з частотою їх слідування 2Гц. Після оброблення стружку відділяли від рідини, отримували зрізи та мікроскопіювали після інфільтрації їх метиленовим синім. Встановлено (рис.1), що характер структурних змін клітин тканини залежить від кількості імпульсів. Після оброблення 5-ма імпульсами цитоплазма відділяється від клітинної стінки, починає виділятись ядро.

Після оброблення кількістю розрядів 7-10 в стінках клітин утворюються пори та каверни різної форми та розмірів, ядро виділяється та добре помітне на фоні клітини. Із подальшим збільшенням кількості імпульсів до 12-15 також виділяється ядро, цитоплазма гине, клітинна оболонка зазнає значної деструкції. На її поверхні утворюються значні пошкодження, в деяких місцях вона без чітких контурів.

Одержані результати свідчать про те, що використання ЕГО бурякової стружки в рідині з кількістю імпульсів менше 7 та більше за 10 є неприйнятним. Помітного впливу напруги струму, в використовуваних межах, не виявлено.

Теоретично доведено, що головним фактором, який впливає на проникність мембрани клітини внаслідок термічного оброблення є об’ємне розширення рідини та, як наслідок, збільшення осмотичного тиску в клітині що підтверджується мікроскопіюванням зрізів бурякової тканини, стінки клітинних мембран не встигають реагувати на фізичні зміни, які відбуваються внаслідок швидкої зміни температур з 5…20єС до 75…80єС (рис.2). Це призводить до механічного пошкодження оболонок клітин, за рахунок якого на поверхні плазматичних мембран утворюються пори та каверни різної величини.

Запропоновано теоретичний підхід для пояснення динаміки та особливості виникнення пор в мембранах клітини та збільшення проникності клітинних стінок під час ЕГО бурякової тканини. Факт вибіркового руйнування мембран клітини під час електроіскрового оброблення тканини цукрових буряків не викликає сумніву, що підтверджують отримані мікрофотографії (рис.1). Безпосередніми інструментами дії на рослинну тканину під час ЕГО в рідині є: електромагнітні поля, ударні хвилі і високошвидкісні струмені рідини, які мають кавітаційні ефекти.

Першочергова система мікропор в клітинних стінках утворюється внаслідок електропорації за рахунок дії електромагнітних полів. Ударні хвилі призводять до подальшого відкриття та утворення нових пор та каверн. Велика кількість струменів, які утворюються під час електроіскрового розряду, також впливають на деформацію, утворення пор у рослинній тканині та інтенсивне розшарування клітинних мембран. Цим пояснюється значне потоншення стінок клітин, яке ми спостерігаємо (рис.3).

Нові струмені, викликані подальшою кавітацією, призводять до розклинюючої дії, завершуючи тим самим утворення пор, одночасно інтенсивно перемішуючи оброблюване середовище.

Але, керуючись лише структурними змінами в клітинах, не можна судити про вплив ЕГО на ступінь проникності, тому були проведені дослідження зміни електричних параметрів бурякової тканини в залежності від режиму оброблення електроіскровими розрядами. Визначення полягали в наступному: зразки буряків, розміром 20Ч20Ч5мм, піддавали обробленню електроіскровими розрядами в рідині у кількості 5, 7, 10, 12, 15 з напругою 25-40кВ. Після оброблення та відділення зразків проводили визначення питомого опору тканини буряків. Оцінку впливу ЕГО стружки цукрових буряків на проникність тканини було зроблено за зміною питомого опору.

Ступінь плазмолізу (рис.4.) визначався за формулою:

, (1)

де: с0 – початковий питомий опір рослинної тканини, ОмЧсм; сt – питомий опір тканини, визначений в деякий момент часу, ОмЧсм; сд–питомий опір плазмолізованої тканини, ОмЧсм.

Встановлено, що використання ЕГО дозволяє збільшити проникність тканини та досягти ступеня плазмолізу в межах 53-98% в залежності від кількості імпульсів під час електроіскрового оброблення зразків тканини буряків.

Визначено (рис.5), що у всіх випадках спостерігається зміна коефіцієнта дифузії в залежності від тривалості екстрагування та способу попереднього оброблення стружки буряків перед екстрагуванням. Коефіцієнт дифузії під час екстрагування сахарози при температурі 75єС із стружки, обробленої електроіскровими розрядами з напругою 35кВ та кількістю імпульсів 7…10, становив 0,71…0,69Ч10-9 м2/с. Під час екстрагування із стружки, яка зазнала ЕГО в тих же режимах, при температурі 60єС значення коефіцієнта дифузії було в межах 0,51Ч10-9 м2/с. Значення коефіцієнта дифузії сахарози із свіжої необробленої стружки під час екстрагування за класичною схемою за температури 75єС становив 0,47Ч10-9 м2/с. Отримані результати обчислень коефіцієнтів дифузії свідчать про доцільність використання ЕГО стружки цукрових буряків в екстрагенті для інтенсифікації процесу та зниження температури екстрагування.

В розділі 4 “Визначення впливу електрогідравлічного оброблення на мікрофлору стружки цукрових буряків” наведені результати досліджень впливу ЕГО на загальний вміст мікроорганізмів та на вміст бактерій роду Leuconostoc.

Підтверджено, що використання ЕГО суміші стружки з екстрагентом в режимі напруга 35-40кВ з кількістю імпульсів 10-15 дозволяє досягти дезінфекції мікрофлори до 87%, що призведе до зменшення втрат цукру від мікробіологічного розкладання (рис.6). Після ЕГО в усіх випадках спостерігався не типовий ріст та зміна зовнішнього виду колоній і ідентифікувати їх можна було лише мікроскопіюванням. Під час мікроскопіювання спостерігалися значні морфологічні зміни, аж до повної дезінтеграції мікробних клітин.

Виявлено, що ЕГО стружки цукрових буряків у рідині в режимі напруга 35-40кВ з кількістю імпульсів 10-15 призводить до повної інактивації бактерій роду Leuconostoc. Враховуючи інтенсивну зараженість даним мікроорганізмом буряків та високу ціну на фермент декстраназа, який використовують для подолання наслідків життєдіяльності бактерій, виявлений стерилізуючий ефект є дуже актуальним.

В розділі 5 “Дослідження впливу електрогідравлічного оброблення на технологічні показники та основні параметри процесу отримання дифузійного соку із цукрових буряків” висвітлюються результати досліджень

впливу ЕГО стружки в екстрагенті на якісні показники дифузійного соку та соку ІІ карбонізації. Для отримання експериментальних даних одержували дифузійний сік із стружки, обробленої електроіскровими розрядами за напруги 25-40кВ та за кількості імпульсів 5, 7, 10, 12, 15 і частоти їх слідування 2Гц.

Встановлено (рис.7), що чистота дифузійного соку залежить від режиму ЕГО стружки в екстрагенті. Зі збільшенням кількості імпульсів до 12 спостерігається зниження чистоти дифузійного соку. Це явище пояснюється збільшенням ступеня проникності за рахунок деструкції клітин, навіть до їх повної дезінтеграції. Це в свою чергу призводить до більш повного переходу в екстрагент не тільки сахарози, а і нецукрів клітинного соку і структурних елементів клітини, тим самим погіршуючи чистоту дифузійного соку.

Визначено, що найбільш ефективний режим оброблення є кількість імпульсів 7-10 за напруги 30-40кВ.

Досліджено вплив температури екстрагування на якість отриманого дифузійного соку із стружки, обробленої у визначеному режимі з напругою 35кВ і кількістю імпульсів 7-10.

Дослідження були проведені з температурою екстрагування 50, 60, 70, 750С. Виявлено (рис.8), що найкращі якісні показники дифузійного соку отримані під час екстрагування сахарози за температури 600С.

Встановлено (табл.1), що одержання дифузійного соку за умов екстрагування 600С та 750С, з використанням ЕГО стружки цукрових буряків в екстрагенті, дозволяє зменшити вміст ВМС на 25…46%, загального азоту на 24…36%, пектинових речовин на 17…18%, підвищити чистоту дифузійного соку на 1,2…1,98%.

Таблиця 1

Вплив способу попереднього оброблення бурякової стружки та температури екстрагування на якісні показники одержаних напівпродуктів

Показники | Спосіб отримання дифузійного соку

Без оброблення | U=35кВ, n=10, Т=60єС | U=35кВ, n=10, Т=75єС

Дифузійний сік:

Редукувальні речовини,

% до маси СР

ВМС, % до маси СР

Загальний азот,

% до маси СР

Амідоаміачний азот, % до маси СР

Пектинові речовини,

% до маси СР

Чистота, %

Ефект очищення, % |

1,165

4,924

0,74

0,052

1,98

87,82

13,3 |

1,047

2,062

0,47

0,040

1,55

89,8

29,52 |

1,157

2,673

0,56

0,050

1,65

89,2

22,88

Сік ІІ карбонізації:

Чистота, %

Забарвленість,

од. опт. густ.

Солі кальцію,

% до маси СР

Ефект очищення, % |

90,57

207

0,162

35,4 |

91,63

155

0,159

43,32 |

91,06

172

0,157

38,0

Це пояснюється дією електроіскрових розрядів на структурні елементи клітин бурякової тканини та забезпечення вибіркової проникності клітинних мембран для різних груп нецукрів і коагуляції білкових речовин в клітинах та в екстрагенті, в порівнянні із дифузійним соком, отриманим традиційним способом, без оброблення, за температури екстрагування 75єС.

Кількісний перехід амідоаміачного азоту та редукувальних речовин не залежить від способу оброблення, а залежить від температури оброблення та якості буряків.

Ефект очищення під час екстрагування сахарози із стружки, обробленої електроіскровими розрядами у визначеному режимі, збільшується на 14…16% та загальний на 3…9%.

В соках ІІ карбонізації, які отримані із дифузійного соку, одержаного з використанням ЕГО та очищеного активованою водно-вапняною суспензією з активністю 95%, спостерігається менша на 18…23% забарвленість в залежності від температури екстрагування, порівняно із цими ж продуктами, отриманими із дифузійного соку, одержаного традиційно. Це пояснюється, на наш погляд, зменшенням переходу азотовмісних сполук в дифузійний сік за рахунок дії ЕГО та впливом температури екстрагування на перехід цих речовин в екстрагент.

Шостий розділ “Розроблення способу одержання дифузійного соку з використанням електрогідравлічного оброблення бурякової стружки в екстрагенті. Результати виробничих випробувань.” присвячений розробленню, експериментальній перевірці, промисловому випробуванню і аналізу ефективності запропонованих наукових та технічних рішень.

З метою забезпечення надійної та безпечної роботи електрогідравлічної установки (ЕГУ) з одночасним безперервним транспортуванням суміші стружка-екстрагент через неї нами було розроблено установку для оброблення суміші стружки з екстрагентом, використовуючи розрядні пристрої, розроблені співробітниками ПНДЛ НУХТ спільно з фахівцями Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України (м. Миколаїв).

ЕГУ має вигляд циліндричного металевого корпусу, в який вмонтовано чотири групи високовольтних розрядних пристроїв. Пристрої рівномірно розташовані у внутрішньому просторі корпусу з використанням гумових ущільнювачів, які забезпечують герметичність камери. За допомогою двох фланців, що закріплені на корпусі, установка монтується в розріз існуючого трубопроводу.

На основі запропонованого способу отримання дифузійного соку та його апаратурного оформлення розроблена апаратурно-технологічна схема екстракційного відділення, яка передбачає ЕГО сокостружкової суміші після ошпарювача за умов напруги 30-40кВ та кількості імпульсів 7…10 (рис.9).

Згідно схеми цукровий буряк із мийного відділення надходить в бункер 1, з якого розподіляється в бурякорізки 2. Отримана бурякова стружка транспортується стрічковим конвеєром 3 через автоматичні стрічкові ваги 4, встановлені на ньому, в теплообмінну частину ошпарювача 5, де нагрівається екстрагентом. Дифузійний сік відбирається через торцеве сито ошпарювача та надходить в пісковловлювач 6 та потім у мезгоуловлювач 7, де звільняється від мезги і направляється на очищення вапном. У мішалку ошпарювача 5 надходить екстрагент із колони екстрактора, який попередньо проходить через теплообмінник 8.

З ошпарювача сокостружкова суміш перекачується насосом через ЕГУ 9, де зазнає дії електроіскрових розрядів у визначеному режимі. Далі оброблена сокостружкова суміш через розподільник стружки 10 надходить у колонний дифузійний апарат 11.

Рис. 9. Апаратурно-технологічна схема екстракційного відділення цукрового заводу з використанням ЕГУ для проведення електроіскрового оброблення

сокостружкової суміші: 1 – приймальний бункер; 2 – бурякорізки; 3 – стрічковий конвеєр; 4 – автоматичні стрічкові ваги; 5 – ошпарювач; 6 – піскоуловлювач; 7 – мезгоуловлювач; 8 – теплообмінник; 9 – електрогідравлічна установка; 10 – розподільник сокостружки; 11 – колонний дифузійний апарат; 12 – піскоуловлювач.

Розроблений спосіб одержання дифузійного соку з використанням електроіскрових розрядів був апробований, шляхом випробування промислової установки, встановленої у екстракційному відділенні ТОВ“Борщів-цукор”. Показники роботи екстракційного відділення з використанням ЕГУ представлені в табл.2.

В результаті проведених аналізів дифузійного соку, який було отримано із використанням ЕГО сокостружкової суміші у виробничих умовах з раціональним режимом оброблення (напруга 35кВ, кількість розрядів 7,10) чистота дифузійного соку збільшилась в середньому на 1%, зменшились втрати сахарози в жомі на 0,1% до маси буряків, підвищився ефект очищення під час екстрагування на 7%.

Підтверджено вплив ЕГО на інактивацію мікрофлори оброблюваного середовища, за рахунок чого зменшуються невраховані втрати сахарози від життєдіяльності мікроорганізмів на 0,06% та зменшується приріст вмісту молочної кислоти в середньому на 71%. І, як наслідок всього вище перерахованого, має місце підвищення ефекту загального очищення на 6…8%.

Таблиця 2

Показники роботи екстракційного відділення Борщівського цукрового заводу в залежності від способу екстрагування

Режим оброблення | Цукристість,

% | Відкачка,

% | Дифузійний сік | Невраховані втрати сахарози,

% до маси буряків | Втрати сахарози в жомі,

% до маси буряків | Ефект очищення під час екстр., % |

Ефект очищення, загальний., %

Сухі речовини,

% до маси соку | Сахароза,

% до маси соку | Чистота,

% | Приріст молочної кислоти ,

% до маси буряків

Без оброблення | 15,1 | 131 | 13,05 | 11,09 | 86,34 | 0,042 | 0,085 | 0,61 | 10,09 | 31,41

U=35кВ,

n=5 | 14,75 | 131 | 13,13 | 11,41 | 86,87 | 0,030 | 0,060 | 0,56 | 10,35 | 36,07

U=35кВ,

n=7 | 15,0 | 132 | 13,58 | 11,8 | 87,01 | 0,012 | 0,025 | 0,51 | 15,24 | 38,45

U=35кВ,

n=10 | 15,0 | 133 | 13,65 | 11,93 | 87,61 | 0,013 | 0,024 | 0,50 | 18,99 | 39,72

U=35кВ,

n=15 | 15,1 | 131 | 13,75 | 11,91 | 86,55 | 0,008 | 0,016 | 0,48 | 14,93 | 38,07

Випробування в умовах виробництва дозволило практично встановити доцільність застосування способу отримання дифузійного соку з ЕГО сокостружкової суміші в установці з метою підвищення якості отриманого дифузійного соку.

Промислові дослідження підтверджують дані, які були одержані в лабораторних умовах.

Річний економічний ефект від впровадження для цукрового заводу, потужністю 3 т/д складе 351 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Основні підсумки проведених досліджень полягають в наступному:

1. Досліджено вплив електрогідравлічного оброблення (ЕГО) стружки цукрових буряків на характер змін структурних елементів клітин в залежності від режиму оброблення. Встановлено, що для ефективного оброблення бурякової тканини кількість електроіскрових розрядів менше ніж 7 та більше ніж 10 є неприйнятною.

2. Показано, що одним із головних чинників, які впливають на проникність мембран клітини під час теплового оброблення стружки є об’ємне розширення рідини, та , як наслідок, збільшення осмотичного тиску в клітині. Такі фізичні зміни призводять до механічного пошкодження оболонок клітин з утворенням пор та каверн різної величини.

3. Пояснено механізм та особливості виникнення пор в мембранах клітинних стінок під час ЕГО рослинної тканини. Основні чинники дії на бурякову тканину під час оброблення її електроіскровими розрядами – електромагнітні поля, ударні хвилі, високошвидкісні струмені рідини.

4. Встановлено, що використання ЕГО тканини цукрових буряків дозволяє збільшити проникність до 53-98%, що підтверджується зміною електрофізичних параметрів бурякової тканини.

5. Визначені величини коефіцієнтів дифузії сахарози у буряковій стружці, за умов її ЕГО та температур екстрагування 60єС і 75єС відповідно становлять 0,51…0,71Ч10-9 м2/с, а за умов лише термічного оброблення (75єС) – 0,47Ч10-9 м2/с. Отримані результати свідчать про інтенсифікацію процесу екстрагування сахарози із стружки, при умові її ЕГО, та про можливість при цьому проведення екстракції сахарози за нижчих температур без збільшення тривалості технологічного процесу.

6. Досліджено вплив електроіскрових розрядів на мікрофлору суміші стружки з екстрагентом. Установлено, що ЕГО у режимі: напруга струму 35-40кВ та кількість імпульсів 10-15, дозволяє досягнути інактивації наявних мікроорганізмів до 87%, що в свою чергу приводить до зменшення втрат сахарози від мікробіологічного розкладання та зменшення витрат на дезінфікуючі засоби.

7. Виявлено, що ЕГО стружки цукрових буряків у рідині в режимі напруга 35-40кВ з кількістю імпульсів 10-15 призводить до повної інактивації бактерій роду Leuconostoc. Враховуючи сучасну інтенсивну зараженість даним мікроорганізмом буряків та високу ціну на фермент декстраназа, який використовують для подолання наслідків життєдіяльності бактерій, виявлений стерилізуючий ефект є дуже актуальним.

8. Досліджено вплив ЕГО стружки на складові частини бурякової тканини та перехід їх в екстрагент під час екстрагування за температури 750С. Встановлено, що вміст ВМС, пектинових речовин та загального азоту в дифузійному соку, отриманому з використанням ЕГО стружки був меншим відповідно на 25%, 17% та 24% порівняно з дифузійним соком, одержаним традиційним способом. Чистота дифузійного соку збільшується на 1,2%.

Під час екстрагування з температурою 600С чистота дифузійного соку збільшується на 1,98%, а вміст ВМС, пектинових речовин та загального азоту зменшується відповідно на 46%, 28% та 36%.

9. Проведено порівняльне дослідження отримання дифузійного соку з використанням ЕГО стружки з екстрагентом в різних режимах та з різною температурою екстрагування. Встановлено, що дифузійний сік найвищої якості було отримано за умов ЕГО суміші стружки з екстрагентом в наступних режимах: напруга 30-40кВ, кількість імпульсів 7-10 та температура екстрагування 600С.

10. Розроблено спосіб одержання дифузійного соку із бурякової стружки з електрогідравлічним обробленням сокостружкової суміші.

Проведено виробничі випробування розробленого способу на ВАТ “Борщів-цукор”.

В результаті електрогідравлічного оброблення сокостружкової суміші чистота одержаного дифузійного соку збільшилась на 1%, зменшились втрати сахарози в жомі на 0,1% до маси буряків, невраховані втрати сахарози від життєдіяльності мікроорганізмів на 0,06% до маси буряків, підвищився ефект очищення під час екстрагування на 7%, та ефект загального очищення на 6…8%.

Розрахунковий річний економічний ефект від використання розробленого способу одержання дифузійного соку для цукрового заводу потужністю 3000т/добу склав 351 грн.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дослідження впливу електроіскрових розрядів на властивості соків цукрового виробництва / В.П. Василів, І.С. Гулий, А.І. Українець, Л.М. Хомічак, Ю.О. Дашковський, В.В. Олішевський, Ю.В. Слива // Харч. пром-сть. – 2001. – №1(46). – С. 41 – 43.

Особистий внесок: приймала участь у проведенні досліджень, обробці експериментальних даних, підготуванні статті до публікації.

2. Слива Ю.В., Хомічак Л.М., Українець А.І., Вєрченко Л.М., Василів В.П., Маринін А.І. Інтенсифікація процесу дифузії цукрози з бурякової стружки за допомогою електрогідравлічного ефекту // Наук. праці НУХТ. – 2004 – № 15 – С.62-63.

Особистий внесок: організувала та провела експериментальні дослідження, аналіз отриманих результатів та підготувала матеріал до публікації.

3. Слива Ю.В., Хомічак Л.М., Логвiн В.М., Дашковський Ю.О., МаринінА.І. Вплив електрогідравлічного ефекту на мікрофлору дифузійного соку // Цукор України. – 2005. – № 4. – С.20-22.

Особистий внесок: приймала участь у проведенні експериментальних досліджень, провела аналіз отриманих результатів та оформила статтю.

4. Дашковський Ю.О., Маринін А.І., Слива Ю.В. Вплив електрогідравлічного ефекту на мікрофлору сокостружкової суміші // Наук. праці ВДАУ.–2006. – №1.– С.229–235.

Особистий внесок: провела підбір та теоретичний аналіз літературних джерел, приймала участь у експериментальних дослідженнях, підготувала матеріал до публікації та оформила статтю.

5. Слива Ю.В., Хомичак Л.М., Логвин В.М., Дашковский Ю.А., Маринин А.И. Обеззараживание сокостружечной смеси электрогидравлическими разрядами // Сахар. – 2007. – № 4. – С.19-22.

Особистий внесок: приймала участь у проведені досліджень, аналізі та обробці отриманих даних та оформила статтю.

6. Деклараційний патент на винахід 59225 А України, МПК7 С13D3/02. Спосіб активації водно-вапняної суспензії / А.І. Українець, Л.М. Хомічак, Л.М.Вєрченко, В.П. Василів, А.І. Маринін, О.І. Джоган, Ю.В. Слива – №20021210232; Заявл. 18.12.2002; Опубл. 15.08.2003, Бюл. №8.

Особистий внесок: приймала участь в проведенні експериментальних досліджень, узагальненні їх результатів, підготовці матеріалів та написанні заявки на патент України.

7. Деклараційний патент на корисну модель 2993 України МПК7 С13D3/02. Спосіб очищення дифузійного соку / А.І. Українець, Л.М. Хомічак, Л.М. Вєрченко, В.П. Василів, Ю.В. Слива, А.І. Маринін, Т.С. Гусарук – №2004032061; Заявл. 19.03.2004; Опубл. 15.09.2004; Бюл. №9.

Особистий внесок: приймала участь в проведенні експериментальних досліджень, узагальненні їх результатів, підготовці матеріалів та написанні заявки на патент України.

8. Деклараційний патент на корисну модель 17173 України МПК7 С13D3/00. Спосіб інактивації мікроорганізмів / Ю.В. Слива, А.І. Маринін, В.М.Логвін, Ю.О. Дашковський, С.І. Антонюк – № u200603036; Заявл.21.03.2006; Опубл. 15.09.2006; Бюл. №9.

Особистий внесок: провела патентний пошук, приймала участь в проведенні експериментальних досліджень, узагальненні їх результатів, підготовці матеріалів та написанні заявки на патент України.

9. Деклараційний патент на корисну модель 20034 України МПК7 С13D3/02. Спосіб отримання дифузійного соку / Ю.В. Слива, А.І. Маринін, В.М.Логвін, Ю.О. Дашковський, В.П. Василів – № u200612077; Заявл.16.11.2006; Опубл.10.04.2007; Бюл. № 4.

Особистий внесок: провела патентний пошук, приймала участь в проведенні експериментальних досліджень, узагальненні їх результатів, підготовці матеріалів та написанні заявки на патент України.

10. Дослідження впливу електроіскрових розрядів на очищення дифузійного соку / Ю.В.Слива, Ю.І. Герасименко, В.П. Василів, Л.М. Хомічак, А.І. Українець // Програма і матеріали 67-ї Наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. – К.: УДУХТ. – 2001. – С.10.

Особистий внесок: провела дослідження, приймала участь в обробці експериментальних даних та написанні тез доповіді.

11. Дослідження змін технологічних характеристик дифузійного соку під дією електроіскрових розрядів / Ю.В Слива., В.П. Василів, Л.М. Хомічак, А.І.Українець. // Програма і матеріали Міжнародної наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ. – 2002. – С.7.

Особистий внесок: провела дослідження, приймала участь в обробці експериментальних даних та написанні тез доповіді.

12. Вплив електроіскрових розрядів на якісні показники вапняного молока для очищення дифузійних соків цукрового виробництва / Ю.В.Слива, А.І.Українець, Л.М. Хомічак, Л.М. Вєрченко // Програма і матеріали 69-ї Наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ. – 2003. – С.10.

Особистий внесок: приймала участь плануванні та проведенні експериментальних досліджень, проаналізувала їх результати та оформила тези доповіді.

13. Інтенсифікація процесу дифузії цукрози з бурякової стружки за допомогою електрогідравлічного ефекту / Ю.В Слива, Л.М. Хомічак, А.І.Українець, Л.М. Вєрченко, В.П. Василів, А.І. Маринін // Міжнародна науково-технічна конференція “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення України”. – К.: НУХТ. – 2003. – С.47.

Особистий внесок: провела дослідження, приймала участь в обробці експериментальних даних та написанні тез доповіді.

14. Вплив електроіскрових розрядів на стружку цукрових буряків для поліпшення процесу дифузії цукрози у цукробуряковому виробництві/ Ю.В.Слива, А.І.Українець, Л.М. Хомічак, Л.М.Вєрченко, В.М. Логвин //Програма і матеріали 70-ї Наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ. – 2004. – С.5.

Особистий внесок: провела дослідження, проаналізувала експериментальні дані та написала тези доповіді.

15. Вплив електрогідравлічного ефекту на мікрофлору сокостружкової суміші / Ю.В. Слива, Л.М. Хомічак, В.М. Логвін, А.І. Маринін, С.І. Антонюк// Програма і матеріали 72-ї Наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ. – 2006. – С.5.

Особистий внесок: провела дослідження, приймала участь в обробці експериментальних даних та написанні тез доповіді.

АНОТАЦІЯ

Слива Ю.В. Розроблення способу одержання дифузійного соку з використанням електроіскрових розрядів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.05 – Технологія цукристих речовин та продуктів бродіння. – Національний університет харчових технологій, Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженням інтенсифікації екстрагування, зменшенню втрат сахарози та підвищенню якості напівпродуктів цукрового виробництва.

Науково обґрунтовано та розроблено спосіб отримання дифузійного соку з використанням електрогідравлічного оброблення суміші стружки з екстрагентом, який дозволяє інтенсифікувати процес екстрагування сахарози із бурякової стружки, знизити втрати сахарози та покращити якісні показники дифузійного соку.

Досліджено вплив електрогідравлічного оброблення на бурякову стружку в екстрагенті, визначено характер структурних змін елементів клітини та встановлено режим електрогідравлічного оброблення. Пояснено та теоретично обґрунтовано динаміку та особливості збільшення проникності оболонок клітин в результаті різного впливу температури та електроіскрових розрядів.

Доведено вплив електрогідравлічного оброблення стружки в екстрагенті на мікрофлору та розроблено спосіб інактивації мікроорганізмів, який дозволяє зменшити мікробіологічну інфікованість бурякової стружки та зменшити втрати сахарози внаслідок мікробіологічної життєдіяльності.

Ключові слова: бурякова тканина, клітинна оболонка, плазмоліз, суміш стружки з екстрагентом, електрогідравлічне оброблення, екстрагування, дифузійний сік.

АННОТАЦИЯ

Слива Ю.В. Разработка способа получения диффузионного сока с использованием электроискровых разрядов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.05. – Ттехнология сахаристых веществ и продуктов брожения. – Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2007.

Диссертация посвящена исследованиям интенсификации процесса экстрагирования, снижению потерь сахарозы и повышению качества полупродуктов сахарного производства. В диссертации представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований повышения эффективности процесса извлечения сахарозы с свекловичного сырья путем использования электрогидравлической обработки (ЭГО).

Научно обосновано и разработано способ получения диффузионного сока с использованием электрогидравлической обработки смеси стружки с экстрагентом, который позволяет интенсифицировать процесс экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки, снизить потери сахарозы и повысить качественные показатели диффузионного сока.

Исследовано влияние электрогидравлической обработки на свекловичную стружку в экстрагенте, установлен характер структурных изменений элементов клеток и определен режим эффективной обработки электроискровыми разрядами в количестве 7-10 с частотой их следования 2 Гц при напряжении тока30-40 кВ.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено динамику и особенности увеличения проницаемости оболочек клеток в результате различных влияний: температуры, замораживания и электрогидравлической обработки. Показано, что определяющим фактором влияния на проницаемость свекловичной ткани в результате теплового воздействия является объемное расширение жидкости и, как следствие, увеличение осмотического давления в клетке. В свою очередь, эти физические изменения приводят к механическому повреждению оболочек клеток с образованием пор и каверн разных размеров.

Непосредственным инструментов воздействия на растительную ткань во время ЭГО в жидкости являются электромагнитные поля, ударные волны и сверхскоростные струи жидкости, которые инициируют кавитационные эффекты.

Установлено, что использование ЭГО свекловичной ткани позволяет увеличить ее проницаемость до 53-98%, подтверждением чего является изменение электрофизических параметров ткани. Коэффициенты диффузии сахарозы в стружке сахарной свеклы при