НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ГУСЯТИНСЬКА НАТАЛІЯ АЛЬФРЕДІВНА

УДК 664.1.034

НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТА РОЗРОБЛЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ МЕТОДІВ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ВИЛУЧЕННЯ САХАРОЗИ З ЦУКРОВИХ БУРЯКІВ

05.18.05 _Технологія цукристих речовин та продуктів бродіння

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор

Ліпєц Антон Адамович,

Національний університет харчових технологій, професор кафедри технології цукру та полісахаридів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Сидоренко Юрій Ілліч,

Московський державний університет харчових виробництв, завідувач кафедри товарознавства та основ харчових виробництв

доктор технічних наук, професор

Хоменко Микола Дмитрович,

Інститут післядипломної освіти Національного університету харчових технологій, завідувач кафедри виробництва цукру та сахаридів

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Міщук Ромуальд Цезаревич,

ДНУ “Український науково-дослідний інститут цукрової промисловості”, провідний науковий співробітник

Захист відбудеться “ 28 ” _травня_ 2008 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

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

Автореферат розісланий “ ” _______________2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доц. М.В. Карпутіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Пріоритетним завданням бурякоцукрової галузі України є забезпечення ринку цукру для потреб населення та харчової промисловості. У зв’язку зі вступом України до СОТ актуальним є розроблення та впровадження інноваційних технологій, що забезпечували б підвищення техніко-економічних показників бурякоцукрового виробництва, високу якість цукру-піску, в тому числі його відповідність вимогам ДСТУ щодо мікробіологічних показників.

Реалізація цих завдань потребує комплексного вирішення питання забезпечення високої технологічної якості цукрових буряків та підвищення ефективності технології їх перероблення, що ґрунтується на вдосконаленні основних технологічних процесів, розробленні методів та впровадженні прогресивних способів їх інтенсифікації.

Процес екстрагування сахарози з бурякової стружки та якість одержаного дифузійного соку в значній мірі визначають ефективність наступних технологічних стадій виробництва, впливають на вихід та якість цукру, витрати палива та вапна у виробництві. Вагомий внесок у розвиток теоретичних положень та розроблення способів удосконалення процесу екстрагування сахарози з бурякової стружки зробили вітчизняні та зарубіжні вчені – Сілін П.М., Головін П.В., Лисянський В.М., Ліпєц А.А., Даішев М.І., Купчик М.П., Пушанко М.М., Хоменко М.Д., Рева Л.П. та інш.

Наразі у зв’язку з потребою зменшення енергетичних витрат у виробництві цукру з буряків, забезпечення рентабельності виробництва існує необхідність подальшого пошуку нових технологічних і технічних рішень з використанням фізико-хімічних методів інтенсифікації процесу вилучення сахарози з бурякової сировини.

Крім того, виробництво цукру пов’язане зі значними витратами води, яка відповідно до Закону України “Про охорону навколишнього природного середовища” належить до природних ресурсів. Основними шляхами зменшення витрат свіжої води у бурякоцукровому виробництві є впровадження новітніх технологій в основному виробництві та застосування оборотних систем водопостачання.

Отже, вирішення питання підвищення ефективності вилучення сахарози з цукрових буряків з одночасним очищенням дифузійного соку на основі застосування фізико-хімічних методів інтенсифікації процесу, теоретичне обґрунтування та розроблення способів удосконалення технології екстрагування сахарози з метою підвищення виходу цукру з одиниці сировини, зменшення витрат паливних та природних ресурсів є важливою та актуальною в науковому і практичному аспектах проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладено в дисертаційній роботі, виконувались відповідно до держбюджетної тематики науково-дослідних робіт кафедри технології цукристих речовин НУХТ на 2001-2005 рр. та 2006-2010 рр., планів госпрозрахункових робіт НУХТ: „Дослідження та розроблення рекомендацій по використанню препарату „Біодез” в технології бурякоцукрового виробництва” з „Укрзооветпромпостач” (№ 56/04 від 1.10. 2004 р.), „Розробка технологічної документації по використанню дезінфекційного засобу „Жавель-Клейд” в технології цукрового виробництва” (№ 200, 2007 р.), „Розробка технологічної документації по використанню дезінфекційного засобу „Ді-Хлор” в технології цукрового виробництва” (№ 210, 2007 р.).

Автором особисто розроблено програми і методики проведення лабораторних та промислових досліджень, виконано ряд лабораторних та промислових випробувань розроблених способів, проведено математичне оброблення та узагальнення одержаних результатів експериментальних даних.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – на основі комплексних теоретичних та експериментальних досліджень впливу хімічних реагентів, теплового оброблення, механічної дії пресування та подрібнення бурякової сировини на інтенсифікацію процесу вилучення сахарози, покращення технологічної якості дифузійного соку обґрунтувати методи, розробити та удосконалити способи, що сприяють підвищенню виходу цукру та зниженню витрат паливно-енергетичних ресурсів у виробництві.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані такі завдання досліджень:–

за допомогою методів комп’ютерної хімії дослідити механізм взаємодії пектинових речовин з коагулянтом – основним сульфатом алюмінію (ОСА) та флокулянтом – полігексаметиленгуанідину гідрохлоридом (ПГМГХ);–

на основі узагальнення теоретичних положень та результатів проведених експериментальних досліджень розробити методи інтенсифікації технологічного процесу вилучення сахарози з бурякової стружки та одержання дифузійного соку із застосуванням комплексного фізико-хімічного впливу теплового оброблення, коагулянту та флокулянту, а також механічної дії пресування та подрібнення бурякової сировини;

- на основі визначення характеру впливу основних діючих факторів на технологічний процес вилучення сахарози розробити математичну модель та визначити основні технологічні параметри під час екстрагування сахарози із застосуванням хімічних реагентів для обробки живильної води та бурякової стружки;–

на основі експериментальних досліджень мікробіологічних процесів у промислових дифузійних апаратах та встановлення ефективності дії ряду нових антисептичних препаратів щодо контамінуючої мікрофлори сировини, продуктів виробництва і технологічних вод обґрунтувати методи зменшення втрат сахарози під час екстрагування з бурякової стружки та способи їх реалізації;

- на основі експериментальних та теоретичних досліджень обґрунтувати дифузійно-пресову технологію вилучення сахарози з бурякової стружки із застосуванням коагулянту основного сульфату алюмінію та розробити програму розрахунку, що забезпечувала б прогнозування кінцевого виходу цукру для заданих вихідних параметрів технологічної якості буряків та способу екстрагування;–

обґрунтувати теоретичними та експериментальними дослідженнями метод інтенсифікації вилучення сахарози з бурякової сировини за рахунок комплексного фізико-хімічного впливу теплового оброблення, дії коагулянту чи флокулянту та механічного розкриття клітин бурякової тканини; –

провести апробацію розроблених методів та способів інтенсифікації технологічного процесу вилучення сахарози з бурякової стружки та одержання дифузійного соку у виробничих умовах і визначити їх економічну ефективність.

Об’єкт дослідження – технологія вилучення сахарози з цукрових буряків.

Предмет дослідження – технологічні властивості бурякової стружки, дифузійного та очищеного соків, жомопресової води у разі застосування фізико-хімічних методів впливу.

Методи дослідження – типові методики визначення технологічних показників продуктів та спеціальні фізико-хімічні, аналітичні, мікробіологічні методи контролю у бурякоцукровому виробництві, методи комп’ютерної хімії, планування експерименту, математичного моделювання, оптимізації та статистичного оброблення експериментальних даних, виконані з використанням сучасних приладів і комп’ютерних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів. На основні системного підходу до основних принципів інтенсифікації технологічного процесу вилучення сахарози з буряків та одержання дифузійного соку теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено підвищення ефективності вилучення сахарози з цукрових буряків із застосуванням фізико-хімічних методів впливу, що сприяє забезпеченню високих техніко-економічних показників бурякоцукрового виробництва за рахунок зменшення втрат сахарози від розкладання, підвищення виходу цукру та покращення його якості, зменшення витрат палива і вапняку.

Розвинуто теоретичне підґрунтя застосування хімічних реагентів –коагулянту основного сульфату алюмінію і катіонного флокулянту полігексаметилегуанідину гідрохлориду для інтенсифікації процесу екстрагування сахарози з бурякової стружки та покращення технологічної якості дифузійного соку.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що у разі застосування основного сульфату алюмінію та ПГМГХ відбувається більш швидкий плазмоліз клітин бурякової тканини, підвищується коефіцієнт дифузії сахарози на 10...20 %, забезпечується пружність бурякової стружки протягом всього процесу екстрагування завдяки збереженню структури клітинних стінок бурякової тканини.

На основі методів молекулярної механіки вперше обґрунтовано механізм взаємодії пектину з основним сульфатом алюмінію та ПГМГХ: –

встановлено, що внаслідок взаємодії пектинових речовин з аквагідроксокомплексами алюмінію, що утворюються при гідролізі основного сульфату алюмінію, відбувається зміна конформації макромолекул пектину з утворенням глобулярних міцел осаду; –

методом ІЧ-спектроскопії встановлено, що взаємодія макромолекул полімерної сполуки ПГМГХ з молекулами пектину відбувається через групи C=NH2+ з утворенням недисоціюючої полімерної сполуки. За допомогою методів молекулярної механіки обґрунтовано механізм взаємодії пектинових речовин з ПГМГХ, що полягає в утворенні згорнутого ланцюгу комплексу пектин-ПГМГ.

Теоретичними та експериментальними дослідженнями поглиблено відомості щодо закономірностей переходу високомолекулярних сполук, в тому числі пектинових речовин, у дифузійний сік під час екстрагування сахарози залежно від тривалості процесу та рН20 живильної води при застосуванні основного сульфату алюмінію і ПГМГХ для обробки живильної води та бурякової стружки.

Вперше встановлено ефективність дії ряду нових дезінфікуючих засобів щодо контамінуючої мікрофлори сировини, продуктів виробництва та технологічних вод, зокрема мікроміцетів родів – Rhizopus, Mucor, Fusarium, Botrytis, Рenicillium, Aspergillus; бактерій – Bacillus subtilis, B. megatherium, В. stearothermophilus, Leuconostoc mesenteroides, а також бактерій, виділених з коренеплодів цукрових буряків, уражених слизистим бактеріозом.

На основі експериментальних досліджень поглиблено відомості щодо закономірностей перебігу мікробіологічних процесів під час екстрагування сахарози з бурякової стружки та вперше визначено основні параметри застосування дезінфікуючих засобів на основі ПГМГХ та натрієвої солі дихлорізоціанурової кислоти. Встановлено, що оптимальні витрати дезінфікуючих засобів на основі натрієвої солі дихлорізоціанурової кислоти становлять 0,0001...0,0002 % до маси буряків. У разі застосування коагулянту основного сульфату алюмінію для підготовки живильної води у кількості 0,025...0,03 %, або ПГМГХ у кількості 0,001...0,002 % до маси буряків ефект знезараження живильної води становить 85...92 %.

За розробленими вперше математичними моделями, що враховують основні фактори впливу на технологічну якість дифузійного соку, а саме ефект очищення соку та ефект видалення високомолекулярних сполук під час екстрагування, приріст вмісту редукувальних речовин, встановлено оптимальні значення рН20 живильної води і температури процесу екстрагування під час оброблення живильної води основним сульфатом алюмінію у разі перероблення буряків різних термінів зберігання.

На основі експериментальних досліджень та математичного оброблення даних вперше обґрунтовано ефективність застосування антисептику-флокулянту полігексаметиленгуанідину гідрохлориду для обробки бурякової стружки перед екстрагуванням у кількості 0,002…0,004 % до маси буряків.

Науково обґрунтовано та експериментально підтверджено високу ефективність дифузійно-пресового способу із застосуванням ОСА для оброблення жомопресової води з метою інтенсифікації вилучення сахарози з бурякової стружки за рахунок скорочення тривалості процесу на 20…30 %; зменшення відкачки дифузійного соку на 20…25 %; покращення технологічної якості дифузійно-пресового соку. Визначено основні технологічні параметри очищення жомопресової води із застосуванням дефекосатураційного осаду.

На основі узагальнення результатів теоретичних та експериментальних досліджень розроблено метод інтенсифікації вилучення сахарози із застосуванням теплового оброблення та дії коагулянту на бурякову стружку перед пресуванням в технології екстрагування та пресування бурякової стружки у дві стадії.

Науково обґрунтовано та підтверджено експериментальними дослідженнями метод інтенсифікації вилучення сахарози з бурякової сировини за рахунок комплексного фізико-хімічного впливу теплового оброблення, дії коагулянту чи флокулянту та механічного розкриття клітин бурякової тканини. За експериментальними дослідженнями та розробленою математичною моделлю, що описує залежність кількості сахарози, яка екстрагується у прямотоку з екстрагентом, від тривалості процесу та розмірів часточок твердої фази, встановлено основні параметри процесу вилучення сахарози з подрібненої до мезги бурякової сировини.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечено використанням сучасних методів досліджень та засобів вимірювання фізико-хімічних характеристик, статистичних методів опрацювання експериментальних даних, засобів обчислювальної техніки та підтверджується адекватністю результатів, одержаних в лабораторних умовах і під час промислових випробувань розроблених способів удосконалення технології вилучення сахарози з бурякової стружки.

Наукове значення роботи. Одержані нові наукові положення щодо теорії екстрагування сахарози поглиблюють теоретичні основи технології виробництва цукру з буряків та обґрунтовують підвищення ефективності за рахунок зменшення втрат сахарози, зниження питомих витрат палива, підвищення виходу цукру з одиниці сировини.

Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні узагальнення, експериментальні дослідження та аналітичні розрахунки стали науковою основою для удосконалення існуючих і розроблення нових способів інтенсифікації процесу вилучення сахарози з бурякової стружки, що пройшли промислові випробування, а також впроваджені на цукрових заводах України.

На основі експериментальних досліджень розроблено способи екстрагування (деклараційні патенти України № 70735 А, № 8854, патент України № 23547) із застосуванням антисептичних засобів на основі полігексаметиленгуанідину гідрохлориду (препарати „Біодез”, „Полідез”, „Аквадез”), натрієвої солі дихлорізоціанурової кислоти („Жавель-Клейд”, „Ді-Хлор”, „Санітарін”) та визначено періодичність їх введення до дифузійного апарата і оптимальні витрати.

Розроблено та затверджено галузеві інструкції щодо застосування антисептичних засобів „Біодез”, „Жавель-Клейд”, „Ді-Хлор” для дезінфекції сировини, технологічних вод, продуктів та обладнання бурякоцукрового виробництва. Способи дезінфекції апробовано в промислових умовах ряду цукрових заводів України. Застосування вищеназваних дезінфікуючих засобів сприяє зменшенню втрат сахарози від розкладання на 0,05…0,1 %, покращенню технологічних показників дифузійного соку, збільшенню виходу цукру.

Розроблено способи екстрагування сахарози із застосуванням полігексаметиленгуанідину гідрохлориду для обробки живильної води та бурякової стружки (деклараційні патенти України № 8853, № 14757). Дослідно-промисловими випробуваннями розробленого способу екстрагування на Іванопільському цукровому заводі встановлено підвищення чистоти очищеного соку в середньому на 0,8...1,2 од., що сприяє збільшенню виходу цукру на 0,25...0,4 %. Очікуваний економічний ефект від впровадження способу складає 274500 грн.

Проведено промислові випробування дифузійно-пресового способу вилучення сахарози з бурякової стружки та апробовано програму розрахунку оптимального вмісту сахарози у буряковій стружці на виході з дифузійного апарата залежно від технологічних показників буряків, ступеня віджимання жому, способу підготовки жомопресової води. Очікуваний економічний ефект від застосування дифузійно-пресового способу вилучення сахарози із застосуванням основного сульфату алюмінію для підготовки живильної води на Слуцькому цукрорафінадному комбінаті (Бєларусь) становить 164000 дол. США на 100 тис. т. перероблених буряків.

Розроблено спосіб (деклараційні патенти України № 44540 А, № 52378 А) очищення жомопресової води дефекосатураційним осадом.

Розроблено спосіб (деклараційний патент України № 68229 А) та визначено основні технологічні параметри вилучення сахарози з бурякової сировини, подрібненої до мезги. Розроблено спосіб переробки хвостиків та бою цукрових буряків із застосуванням коагулянту для підготовки живильної води (деклараційний патент № 52119 А), що сприяє підвищенню чистоти дифузійного соку на 0,6 од., зменшенню вмісту браку у буряковій стружці та зниженню мікробіологічного забруднення сокостружкової суміші у дифузійному апараті. Очікуваний економічний ефект від впровадження на Набутівському цукровому заводі становить 187 тис. грн. на 70 тис. т. перероблених буряків.

Розроблено і випробувано на Линовицькому цукровому заводі спосіб знецукрення бурякової мезги, відділеної від дифузійного соку, який передбачає її промивання живильною водою з коагулянтом у кількості 0,02...0,05 % (деклараційний патент України № 63440 А), що сприяє зменшенню мікробіологічної забрудненості сокостружкової суміші у дифузійному апараті та підвищенню показників якості дифузійного соку.

На основі результатів експериментальних досліджень розроблено спосіб вилучення сахарози із застосуванням екстрагування та пресування бурякової стружки у дві стадії та попереднього термічного оброблення бурякової стружки соком, що містить коагулянт (деклараційний патент України № 45791 А).

Розроблено спосіб підготовки живильної води для екстрагування сахарози з бурякової стружки із застосуванням основного сульфату алюмінію, на який отримано Патент України на винахід № 58320. Дослідно-виробничі випробування розробленого способу на п’яти заводах України засвідчили підвищення ефекту очищення соку під час екстрагування до 22...26 %, збільшення чистоти очищеного соку на 1...1,5 %, зменшення забарвленості очищеного соку на 20…30 %, підвищення загального ефекту очищення на 8...10 %, зменшення втрат сахарози від розкладання на 0,05...0,1 %, що в цілому сприяло підвищенню виходу цукру на 0,3...0,5 % до маси буряків. Економічний ефект від впровадження розробленого способу на цукрових заводах України становить 3,2 млн. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто обґрунтовано теоретичні концепції методів інтенсифікації процесу вилучення сахарози з бурякової сировини, визначено напрями експериментальних досліджень, обрано методики досліджень та розроблено експериментальні установки для промислових випробувань, здійснено оброблення та узагальнення одержаних результатів, безпосередньо організовано і проведено дослідно-промислові випробування, розроблено технологічні інструкції та регламенти, підготовлено і опубліковано результати теоретичних та експериментальних досліджень.

Обговорення та узагальнення результатів досліджень проведено спільно з науковим консультантом д.т.н., проф. Ліпєц А.А. та д.т.н., проф. Купчиком М.П. Комп’ютерне моделювання із застосуванням методів молекулярної механіки виконано у співавторстві з д.х.н., проф. Дегтярьовим Л.С. та к.т.н. Богдановим Є.С. Дослідження ІЧ-спектрів осаду ПГМГ-пектин проведено спільно з професором Національного університету ім. Т.Г. Шевченка д.х.н. Нижником В.В. Розроблення математичних моделей здійснено за участю к.т.н. Мірошника В.О. Ряд досліджень було проведено під час роботи над кафедральною держбюджетною темою та госпдоговірними темами спільно з аспірантами Паламарчук Н.І., Чорною Т.М. та Тетеріною С.М.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (Київ, 2001), науково-практичній конференції «Перспективные направления развития пищевой промышленности» (Одеса, 2003), міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення України” (Київ, 2003), IV-VII міжнародних науково-практичних конференціях „Сахар. Повышение эффективности работы свеклосахарного комплекса» (Москва, 2004-2007), міжнародній науково-практичній конференції „Стан і перспективи розвитку переробної галузі АПК” (Мелітопіль, 2005); міжнародній науково-практичній конференції (Калінінград, 2005); всеукраїнській науково-практичній конференції “Сучасний стан і перспективи розвитку харчової і переробної галузі”, (Луганськ, ЛНАУ, 2006); ІV міжнародній науково-практичній конференції “Наука і соціальні проблеми суспільства: харчування, екологія, демографія” (Харків, ХДУХТ, 2006); міжнародній науково-технічній конференції „Стан і перспективи розвитку сучасних технологій і обладнання переробних і харчових виробництв” (Вінниця, ВДАУ, 2006); всеукраїнській науково-практичній конференції “Нові ресурсо- та енергозберігаючі технології харчових виробництв” (Полтава, ПУСКУ, 2007), науково-практичних конференціях цукровиків України 2004-2007 рр., науково-практичній конференції IV міжнародного Водного Форуму „Аква-Україна 2006” „Екологічні технології 2006” (Київ, 2006).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 64 друковані праці, у тому числі 27 статей у наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України, 17 патентів України на винахід, 20 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, восьми розділів, висновків. Робота викладена на 306 сторінках основного тексту, містить 125 рисунків, 61 таблицю та 44 додатки. Список використаних літературних джерел включає 371 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету та задачі досліджень, охарактеризовано наукову та практичну цінність роботи.

У першому розділі „Аналіз технологічного процесу екстрагування сахарози з бурякової стружки та методів його інтенсифікації” показано, що основними напрямами інтенсифікації процесу вилучення сахарози з бурякової стружки та одержання дифузійного соку є покращення якості бурякової стружки; досягнення швидкого і більш повного плазмолізу клітин бурякової стружки; підвищення пружності та термостійкості бурякової стружки; забезпечення оптимального температурного режиму; покращення гідродинамічного режиму в дифузійному апараті; підвищення ефекту очищення соку під час екстрагування сахарози, пригнічення мікробіологічних процесів; підвищення якості живильної води; застосування удосконалених способів екстрагування сахарози, зокрема за рахунок механічної дії на стружку.

На основі аналізу літературних джерел показано, що застосування хімічних реагентів в технології екстрагування сахарози є ефективним способом покращення технологічних показників дифузійного соку та інтенсифікації процесу.

Розглянуто способи вилучення сахарози із застосуванням механічної дії пресування бурякової стружки та подрібнення до мезги.

На підставі літературного огляду та аналізу проведення процесу вилучення сахарози з бурякової сировини, а також основних факторів, що впливають на технологічну якість одержаного соку, визначено основні напрямки досліджень в даній дисертаційній роботі.

У другому розділі „Об’єкти та методи досліджень” наведено характеристику об’єкта, предмета та методів досліджень, опис лабораторних установок та умов проведення досліджень.

Предметом досліджень були технологічні властивості цукрових буряків, бурякової стружки, дифузійного соку, жомопресової води, соку I та II сатурації у разі застосування фізико-хімічних методів впливу.

В ході досліджень технологічних показників сировини та соків бурякоцукрового виробництва використано як загальноприйняті, так і удосконалені автором спеціальні фізичні та хімічні методи досліджень.

Дослідження мікробіологічних показників стружки, дифузійного соку та різних категорій вод проводили за загальноприйнятими методиками визначення вмісту мікроорганізмів шляхом висівання розведень проб на відповідних поживних середовищах.

Дослідження та фотографування мікроструктури клітин бурякової тканини та осаду пектинових речовин проводили за допомогою універсального біологічного мікроскопу марки „МБУ–15”. Для визначення механізму взаємодії пектинових речовин з ПГМГХ використовували спектрофотометричний метод досліджень із застосуванням приладу UR-20.

Планування експерименту, постановку та розв’язання задачі оптимізації проводили згідно сучасних методів. Статистичне оброблення результатів досліджень виконано з використанням програмного забезпечення Mathcad Professional. Розрахунок просторової моделі хімічних сполук здійснено із застосуванням програми HyperChem Professional.

Третій розділ „Наукове обґрунтування фізико-хімічного методу інтенсифікації процесу екстрагування сахарози з бурякової стружки” присвячений дослідженню та теоретичному обґрунтуванню дії хімічних реагентів на технологічні показники бурякової стружки, зокрема ступінь плазмолізу клітин бурякової тканини, коефіцієнт дифузії сахарози, а також на перехід високомолекулярних сполук, в тому числі пектинових речовин, під час екстрагування сахарози у дифузійний сік. Оскільки пектинові речовини мають від’ємний заряд, то найбільшу ефективність щодо їх осадження слід очікувати від полікатіонітів, зокрема коагулянту основного сульфату алюмінію та полігуанідинів. До останніх належить полігексаметиленгуанідину гідрохлорид.

Встановлено, що застосування основного сульфату алюмінію та ПГМГХ сприяє інтенсифікації процесу екстрагування сахарози з бурякової стружки за рахунок збільшення вмісту плазмолізованих клітин на 8...12 % за період 5...10 хв. теплового оброблення при температурі 70...75 С та підвищенню коефіцієнта дифузії сахарози на 10...20 % порівняно до типового способу підготовки живильної води.

Під час теплового оброблення бурякової тканини спостерігається зміна структури клітинної стінки. Аналіз мікроструктури бурякової тканини після оброблення сульфітованою барометричною водою за температури 70 С протягом 10 хв. підтверджує явище набухання целюлози на першому етапі теплового оброблення, що призводить до розшарування структури клітинної стінки. Зі збільшенням тривалості процесу екстрагування спостерігається подальше набухання целюлози та протопектину клітинної оболонки, що призводить до гідролізу протопектину та зменшення пружності бурякової тканини. У разі застосування для обробки живильної води коагулянту основного сульфату алюмінію, навіть за температури 75 С проведення процесу екстрагування сахарози з бурякової стружки спостерігається утворення каверн у клітинних стінках бурякової тканини протягом всього періоду екстрагування та зберігається структура клітинних стінок бурякової тканини, що забезпечує її пружність.

Введення до живильної води додаткових хімічних сполук, які переводять пектинові речовини буряків в нерозчинний стан, сприяє зменшенню їх переходу у дифузійний сік (рис. 1 а, б).

Рис. 1. Залежність вмісту ВМС, в т. ч. білків та пектинових речовин, у дифузійному соку від витрати ОСА для підготовки живильної води у разі перероблення: а) кондиційних коренеплодів нетривалого зберігання; б) коренеплодів тривалого зберігання.

За результатами досліджень встановлено, що у разі оброблення живильної води основним сульфатом алюмінію у кількості 0,025...0,04 % до маси буряків при переробленні коренеплодів різної кондиційності, вміст

Рис. 2. Залежність вмісту ВМС, в т.ч. пектинових речовин, у дифузійному соку від витрат препарату ПГМГХ: 1 – пектинові речовини; 3 – ВМС (у разі перероблення кондиційних буряків); 2 – пектинові речовини; 4 – ВМС (у разі перероблення буряків тривалого зберігання).

високомолекулярних сполук (ВМС) у дифузійному соку зменшився на 20...30 %, а пектинових речовин – на 30...35 % порівняно до контрольного дифузійного соку. Визначено, що у разі використання коагулянту основного сульфату алюмінію для підготовки живильної води, при збільшенні температурного режиму процесу екстрагування від 70 до 75 єС вміст ВМС в одержаних дифузійних соках збільшується незначно, що є актуальним при локальних перегрівах бурякової стружки у дифузійному апараті.

Встановлено, що введення полімерного катіонного флокулянту ПГМГХ у кількості 0,002...0,006 % до живильної води (рис. 2) сприяє зменшенню вмісту ВМС у.

дифузійному соку на 10...30 % при переробленні буряків різних термінів зберігання

За допомогою мікроструктурних досліджень визначено вплив ОСА та ПГМГХ на пектинові речовини цукрових буряків (рис. 3-5). Під час екстрагування сахарози з бурякової стружки відбувається гідролітичне розкладання протопектину, що призводить до часткової деструкції основного ланцюгу полімеру та зменшення його молекулярної маси. При осадженні пектинових речовин контрольного дифузійного соку у вигляді солей кальцію утворюється желеподібний осад (рис. 3). Внаслідок взаємодії пектинових речовин з аквагідроксокомплексами алюмінію, що утворилися при гідролізі основного сульфату алюмінію, спостерігається утворення міцел осаду пектинових речовин (рис. 4). Аналіз мікрофотографії (рис. 5 а) свідчить, що пектинові речовини, зв’язані з аквагідроксокомплексами алюмінію, при взаємодії з катіоном кальцію утворюють конгломерати осаду більш щільної структури, що сприяє їх швидкому осадженню.

Рис. 3. Мікроструктура осаду пектинових речовин при термостатуванні модельного розчину протягом 90 хв. за t = 72 °С (з H2SO4) при їх осадженні іоном кальцію.

а

Рис. 4. Мікроструктура пектинових речовин при термостатуванні модельного розчину протягом 90 хв. за t = 72 °С (з основним сульфатом алюмінію) при осадженні спиртом.

б

Рис. 5. Мікроструктура кальцієвого осаду пектинових речовин після термостатування модельного розчину, обробленого: а) основним сульфатом алюмінію; б) ПГМГХ протягом 90 хв. за t = 72 °С, рН20 = 6,0.

При введенні полімерного катіонного флокулянту ПГМГХ (рис. 5 б) до розчину пектину внаслідок їх взаємодії утворюються міцели агрегатованого осаду розгалуженої структури з більш крупними часточками. Сік, який містить крупні, щільні частинки осаду, утворює добре проникний фільтраційний шар та швидко відстоюється, що і спостерігається при обробленні модельних розчинів пектинових речовин розчином ПГМГХ.

З метою визначення механізму взаємодії полімерної сполуки полігексаметиленгуанідину з макромолекулами бурякового пектину проведено дослідження методом ІЧ-спектроскопії за допомогою приладу UR-20 в інтервалі частот від 500 до 4000 см-1. Макромолекули ПГМГХ містять іоногенні групи C=NH2+Cl-, що здатні до аніонного обміну та утворення полімер-полімерних зв’язків при взаємодії з макромолекулами пектинових речовин.

Співставлення спектрів осаду пектин-ПГМГ та полімеру ПГМГХ (рис. 6) показує, що смуга 1653 см-1, яка відповідає валентним коливанням групи С=N–, присутня у спектрі пектин-ПГМГ. Змінюється смуга поглинання деформаційних коливань 1500 см-1 спектру пектин-ПГМГ порівняно до спектру пектину, що свідчить про наявність групи =NH2+. Таким чином, проведені дослідження підтверджують зв’язування пектину з макромолекулами ПГМГХ через групи C=NH2+ з утворенням недисоціюючої полімерної сполуки.

Рис. 6. ІЧ-спектрограма пектин-ПГМГ, ПГМГХ.

За допомогою методів молекулярної механіки (із застосуванням комп’ютерної програми HyperChem Professional) проведено моделювання механізму взаємодії пектинових речовин з ОСА та ПГМГХ.

Коагуляційні властивості основного сульфату алюмінію зумовлені його здатністю при гідролізі утворювати полімерні аквагідроксокомплекси алюмінію. На основі оптимізації молекулярно-механічної моделі системи макромолекул пектину та аквагідроксокомплексів алюмінію (із зарядом +4) встановлено зміну конформації з утворенням глобул макромолекул пектину.

При введенні до системи макромолекул пектину полікатіону ПГМГ (рис. 7) відбувається їх взаємодія з утворенням розпушених „зшитих” макроклубків, що підтверджується одержаними мікрофотографіями (рис. 5 б).

Молекулярно-механічне моделювання показало, що іони кальцію за рахунок більшої рухливості витісняють катіонні залишки ПГМГХ, внаслідок чого в полімерній макромолекулі ПГМГХ залишаються вільні катіонні групи, які взаємодіють з різними макромолекулами пектинових речовин, утворюючи між ними „містки”. При цьому зв’язування макромолекул пектинових речовин в осаді відбувається через полімерні макромолекули ПГМГХ.

Рис. 7. Просторова будова комплексу пектин – ПГМГ – кальцій.

Отже, при введенні солей алюмінію, зокрема основного сульфату алюмінію, у живильну воду відбувається складна коагуляція та гетерокоагуляція високомолекулярних сполук клітинного соку буряків, зумовлена в більшому ступені нейтралізаційним механізмом. При введенні полімерних сполук, а саме ПГМГХ, до дисперсних систем макромолекули полікатіонного типу можуть адсорбуватися різними своїми частинами одночасно на декількох часточках дисперсної фази, утворюючи між ними “містки”, завдяки чому утворюється осад, що добре фільтрується та відстоюється.

Таким чином, на основі експериментальних досліджень науково обґрунтовано ефективність фізико-хімічного методу інтенсифікації процесу екстрагування сахарози з бурякової стружки за рахунок застосування коагулянту основного сульфату алюмінію та катіонного флокулянту ПГМГХ, що сприяє підвищенню коефіцієнта дифузії сахарози з клітин бурякової тканини та зменшенню вмісту високомолекулярних нецукрів, в тому числі пектинових речовин, у дифузійному соку.

У четвертому розділі „Розроблення способів дезінфекції для зменшення втрат сахарози внаслідок метаболізму мікроорганізмів” проведено аналіз та викладено узагальнені результати експериментальних досліджень щодо мікробіологічних процесів та накопичення продуктів метаболізму мікроорганізмів у дифузійному соку у разі застосування різних антисептиків.

На основі мікробіологічних досліджень дифузійного соку в промислових дифузійних апаратах визначено, що вміст кислотоутворювальних мікроорганізмів змінюється в межах 40...80 % по відношенню до загального вмісту бактерій, тому аналіз розвитку мікробіологічних процесів тільки за показником вмісту кислот, в тому числі молочної, не є достатнім. Встановлено середні показники вмісту молочної кислоти та нітритів у дифузійному соку під час перероблення буряків різної технологічної якості. Визначено, що перебіг мікробіологічних процесів та розкладання сахарози в значному ступені залежить від кількості мікроорганізмів, внесених у середовище сокостружкової суміші. Тобто при переробленні буряків, частково уражених кагатною гниллю, інтенсивність розкладання сахарози вища у 1,5-2,5 рази порівняно до перероблення кондиційних коренеплодів.

Визначено ефективність дії біоцидних препаратів на основі ПГМГ – „Біодез”, „Гембар”, „Полідез”, „Аквадез” та натрієвої солі дихлорізоціанурової кислоти (табл. 1-2) – „Жавель-Клейд”, „Ді-Хлор”, „Санітарін” щодо мезофільних та термофільних бактерій (Bacillus subtilis, B. megatherium, В. stearothermophilus, Leuconostoc mesenteroides,), мікроміцетів (родів Rhizopus, Mucor, Fusarium, Botrytis, Aspergillus, Penicillium), а також контамінуючої мікрофлори сировини, живильної води та дифузійного соку.

Встановлено, що дезінфекційні засоби на основі активного хлору мають високий фунгіцидний та фунгістатичний ефект, що дозволяє рекомендувати їх для оброблення цукрових буряків перед закладанням у кагати. Витрати робочого розчину з концентрацією 0,04...0,06 % становлять 3...3,5 дм3 на 1 т буряків (витрати засобу на 100 тис. т. буряків – 120...200 кг). Встановлено, що досліджувані препарати на основі натрієвої солі дихлорізоціанурової кислоти є високоефективними щодо бактеріальної мікрофлори буряків та живильної води, тому застосування їх на ділянках підготовки живильної води, ополіскування коренеплодів цукрових буряків, дезінфекції сокостружкової суміші у дифузійному апараті пригнічує життєдіяльність мікроорганізмів при витратах засобу 0,0001...0,0002 % до маси буряків.

Особливі труднощі виникають у разі розвитку у дифузійному соку слизоутворювальних бактерій, зокрема роду Leuconostoс. Особливістю слизоутворювальних бактерій є створення слизової капсули навколо клітин, що дозволяє їм витримувати високу температуру та захищає від дії хімічних реагентів. За результатами експериментальних досліджень (табл. 3) встановлено високу ефективність засобів на основі активного хлору щодо слизоутворювальних мікроорганізмів виду Leuc. mesenteroides.

Таблиця 1

Ступінь чутливості мікроміцетів до дезінфікуючих засобів

Засіб | Витрати (за масою діючої речовини), г

0,0002 | 0,0005 | 0,0008 | 0,001

Діаметр зони дії антимікробного засобу при t=25 °С, мм

Вид Botrytis cinerea

„Жавель-Клейд” | 8 | 22 | 36 | відсутній ріст

„Санітарін” | 10 | 24 | 38 | відсутній ріст

„Біодез” | 4 | 12 | 18 | 24

Вид Rhizopus nigricans

„Жавель-Клейд” | 24 | 32 | 38 | відсутній ріст

„Санітарін” | 27 | 36 | відсутній ріст

„Біодез” | суцільн. ріст | 12 | 19 | 25

Вид Fuzarium culmоrum

„Жавель-Клейд” | 37 | відсутній ріст

„Санітарін” | 39 | відсутній ріст

„Біодез” | не визн. | 10 | 18 | 26

Вид Aspergillus niger

„Жавель-Клейд” | суцільн. ріст | 5 | 8 | 12

„Санітарін” | 4 | 13 | 17 | 20

„Біодез” | суцільн. ріст | 4 | 8

Таблиця 2

Ступінь чутливості бактерій до дезінфікуючих засобів

Засіб | Діаметр зони дії антимікробного засобу, мм

Витрати (за масою діючої речовини), г

0,001 | 0,002 | 0,004 | 0,006

Мезофільні спороутворювальні бактерії Bacillus subtilis, B. meghaterium

„Жавель-Клейд” | 32 | відсутній ріст

„Ді-Хлор” | 29 | 30 | відсутній ріст

„Санітарін” | 33 | відсутній ріст

ОСА | 12 | 20 | 24 | 27

„Біодез” | 18 | 26 | 30 | 34

„Аквадез” | 16 | 25 | 31 | відсутній ріст

Формалін | 10 | 14 | 20 | 24

термофільні бактерії

„Жавель-Клейд” | 30 | відсутній ріст

„Ді-Хлор” | 28 | 32 | відсутній ріст

„Санітарін” | 31 | відсутній ріст

ОСА | 12 | 18 | 21 | 25

„Біодез” | 14 | 24 | 28 | відсутній ріст

„Аквадез” | 17 | 26 | 30

Формалін | 11 | 16 | 22 | 25

Таблиця 3

Ступінь чутливості слизоутворювальних бактерій Leuconostoс mesenteroides до дезінфікуючих засобів

Засіб | Діаметр зони дії антимікробного засобу, мм

Витрати (за масою діючої речовини), г

0,001 | 0,002 | 0,004 | 0,006

„Жавель-Клейд” | 29 | 34 | відсутній ріст

„Ді-Хлор” | 27 | 30 | 32 | відсутній ріст

„Санітарін” | 30 | 36 | відсутній ріст

ОСА | 10 | 15 | 20 | 24

„Біодез” | 16 | 24 | 28 | 31

Формалін | 9 | 12 | 16 | 18

Встановлено, що ефект знезараження дифузійного соку при застосуванні препаратів на основі натрієвої солі дихлорізоціанурової кислоти становить 80...95 % по групі мезофільних спороутворювальних мікроорганізмів та 75...90 % по групі слизоутворювальних мікроорганізмів при витратах 0,0001...0,0005 % до маси буряків. Визначено, що вищу ефективність знезараження мають препарати „Жавель-Клейд” та „Санітарін”. Порівняльні дослідження дезінфекційних засобів показали, що ефект знезараження дифузійного соку 86...90 % досягається при витратах препаратів на основі: натрієвої солі дихлорізоціанурової кислоти – 0,0002...0,0003 % до маси буряків; ПГМГХ – 0,001...0,0025 % до маси буряків.

Експериментальними дослідженнями визначено ефективність застосування коагулянту основного сульфату алюмінію у кількості 0,01...0,05 % до маси буряків для очищення транспортерно-мийної води (деклараційний патент № 46485 А), що забезпечує досягнення ефекту її знезараження за групою мезофільних мікроорганізмів 75...85 %. Встановлено, що використання коагулянтів для підготовки живильної води, зокрема основного сульфату алюмінію, у кількості 0,03 % до маси буряків, сприяє зменшенню мікробіологічної забрудненості дифузійного соку в 7…8 разів.

На основі експериментальних досліджень розроблено способи та затверджено галузеві технологічні інструкції на застосування дезінфікуючих засобів „Біодез”, „Жавель-Клейд”, „Ді-хлор” в цукровій промисловості. Розроблено методику визначення ефективності дії антисептиків та оптимальної концентрації їх введення на основі приросту вмісту продуктів розкладання сахарози при термостатуванні проб дифузійного соку, до яких вводиться антисептик. Уточнено методику розрахунку втрат сахарози від розкладання внаслідок метаболізму мікроорганізмів на основі приросту вмісту молочної кислоти та редукувальних речовин у дифузійному соку відносно клітинного соку буряків.

У виробничі сезони 2005-2007 рр. проведено випробування ефективності застосування антисептиків „Біодез” (20 %-ний р-н ПГМГХ) та „Жавель-Клейд” для дезінфекції живильної води та сокостружкової суміші. Промисловими дослідженнями на Іванопільському цукровому заводі у 2005 р. встановлено, що застосування дезінфікуючого засобу „Біодез” у кількості 0,004-0,01 % до маси буряків є ефективним щодо пригнічення розвитку мікробіологічних процесів у дифузійному апараті.

На ряді цукрових заводів України проведено виробничі випробування застосування дезінфікуючого засобу „Жавель-Клейд” (рис. 8-9). У сезон 2007 року засіб „Жавель-Клейд” використовували більше 30 цукрових заводів. Аналіз технологічних показників дифузійного соку при застосуванні „Жавель-Клейду” у кількості 0,0001 % до маси буряків (1кг на 1000 т буряків) протягом 7 год. свідчить про незначний вміст мікроорганізмів, оскільки приріст молочної кислоти (рис. 8) відносно клітинного соку буряків не перевищував 2...3 мг/100 см3, що відповідає втратам сахарози від розкладання 0,05...0,07 % до маси буряків.

Рис. 8. Вміст молочної кислоти у дифузійному соку протягом 7 год. роботи дифузійної установки (внесення дезінфектантів: 0 - формалін; 2, 4, 6 – „Жавель-Клейд”)

Рис. 9. Вміст нітритів у дифузійному соку протягом 7 год. роботи дифузійної установки (внесення дезінфектантів: 0 - формалін; 2, 4, 6 – „Жавель-Клейд”)

Аналіз вмісту нітритів у дифузійному соку (рис. 9) свідчить, про їх значне накопичення у разі застосування формаліну. При застосуванні дезінфекційного засобу „Жавель-Клейд” приросту вмісту нітритів у дифузійному соку відносно бурякового соку практично не спостерігалося.

Таким чином, за експериментальними дослідженнями обґрунтовано та розроблено способи застосування ряду хімічних сполук нового покоління для дезінфекції коренеплодів цукрових буряків, сокостружкової суміші у дифузійному апараті, очищення живильної та транспортерно-мийної води, що сприяють покращенню якості дифузійного та очищеного соків, збільшенню виходу та покращенню якості цукру.

У п’ятому розділі „Удосконалення технології екстрагування сахарози із застосуванням хімічних реагентів” наведено обґрунтування оптимальних технологічних параметрів та розроблення способів екстрагування сахарози із застосуванням основного сульфату алюмінію та ПГМГХ для підготовки живильної води та обробки бурякової стружки.

Експериментально визначено, що оптимальний технологічний режим процесу екстрагування сахарози залежить від селекції та якості буряків, що переробляються. Встановлено, що у разі перероблення кондиційних буряків української селекції найвищі показники ефекту очищення соку під час екстрагування сахарози з бурякової стружки у разі застосування живильної води, обробленої ОСА,