Вопросы для самоподготовки

1. От каких факторов зависит расход извести на очистку клеровки сахара-сырца и сахара-аффинада и чему он равен?

2. Цель дефекации при очистке клеровки сахара-сырца.

3. Как влияет рациональный расход извести на качество белого сахара и потери сахарозы в мелассе?

4. Какой эффект очистки на дефекосатурации?

Лабораторная работа № 8 применение сорбентов для обесцвечивания и очистки сахарсодержащих растворов

Цель работы: освоить методы подготовки товарных активных гранулированных углей и ионитов к работе. Определить обесцвечивающую способность активных углей и ионитов, освоить методику получения изотерм адсорбции на активном угле.

Сущность методов

Методы основаны на изменении цветности и чистоты сахарных растворов при обработке их сорбентами в зависимости от вида адсорбента, их массовой доли и рабочей формы ионита.

Теоретические сведения

Красящие вещества продуктов сахарного производства

Красящие вещества сахарного производства подразделяют на пять основных групп: меланины, комплексы фенольных соединений с железом, продукты карамелизации сахарозы, продукты щелочного расщепления редуцирующих веществ (ПЩРРВ) и меланоидины.

Первые две группы красящих веществ формируются особенно интенсивно на первых стадиях сахарного производства: при хранении, подготовке свёклы к переработке, экстракции. Процессы их образования наблюдаются и в последующих операциях производства (очистке и кристаллизации), однако доминирующими реакциями на этих этапах сахарного производства являются реакции, связанные с превращениями сахаров и аминосоединений, обусловливающих образование красящих веществ (остальные группы красящих веществ).

Предполагается, что причиной розовой окраски стружки является ферментативное окисление фенольных соединений, а темно-серой – самоокисление полифенолов. Кроме того, полифенольные соединения образуют с ионами железа сильноокрашенные комплексные соединения, которые в зависимости от рН имеют разные оттенки: в слабокислой среде – желто-зеленый, в нейтральной и слебощелочной – аметистовый.

Таким образом, окраска диффузионного сока обусловлена наличием фенольных соединений: с одной стороны – меланинами, меньшая часть которых растворима, большая – нерастворима, с другой стороны – комплексами полифенолов с железом.

Растворимые меланины и комплексы полифенолов с железом в основном адсорбируются осадком карбоната кальция на I сатурации. Степень адсорбции их зависит от рН сока, поэтому К. Вуков предложил перед фильтрованием сока I сатурации прибавлять к нему Са(ОН)₂, в этом случае большая часть растворимых меланинов удаляется с фильтрационным осадком. К. Вуков указывал, что в некоторых случаях, особенно во время выпаривания, когда наблюдается повышенный коррозионный переход железа в сиропы, происходит потемнение сиропов вследствие дополнительного образования комплексов железа с полифенолами. Выполненные исследования на кафедре органической химии КТИПП Л.Д. Бобровником с сотрудниками убеждают в том, что к источникам образования красящих веществ можно отнести также пектиновые вещества, ненасыщенные безазотистые кислоты, нуклеиновые вещества и их фрагменты, бетаин.

Выполненные в последние годы исследования убеждают в том, что в реальных условиях сахарного производства все образующиеся красящие вещества являются азотсодержащими, т. е. из продуктов сахарного производства невозможно выделить вещества, которые синтезируют в качестве моделей в лаборатории.

Исследования, выполненные по красящим веществам, показывают, что наблюдается существенная разница в начальной стадии превращений моносахаридов в кислой и щелочной средах. В первом случае неизбежна дегидратация гексозы с последующими процессами циклизации, расщепления.

В щелочных условиях, как правило в результате енолизации, расщепляются цепи моносахаридов. Глюкоза в начальный период подвергается щелочному термическому расщеплению, а затем продукты ее расщепления, конденсируясь, участвуют в образовании красящих веществ. Вместе с тем существует мнение, что в реакции меланоидинообразования в жидких продуктах (соках) действительно участвуют фрагменты гексоз, а в густых продуктах развивается сахароаминная реакция непосредственно с участием гексозы и аминокислоты.

Л.Д. Бобровник и В.Н. Руденко показали, что если в процессе щелочного расщепления гексозы в реакционной среде присутствует аминокислота, то безазотистые красящие вещеста ПЩРРВ образоваться не могут, также как и невозможно образование чистых карамелей в реальных продуктах сахарного производства.

Применение сорбентов для очистки сахарсодержащих растворов

Производственные соки и сиропы свеклосахарного, сахарорафинадного и тростниковосахарного производств представляют собой многокомпонентные системы. Все несахара, присутствующие в продуктах сахарного производства, можно условно разделить на хорошо и плохо диссоциируемые. Первые можно назвать ионогенными (полярными), а вторые – неионогенными (неполярными) несахарами. Неионогенные несахара предпочтительно удалять методом адсорбции на сильно разветвленной поверхности, а ионогенные – путем ионообмена. Не обладающие способностью к диссоциации несахара, все же удаляются при ионообмене, поэтому их можно назвать псевдоионогенными несахарами. Таким образом, неионогенные несахара можно удалить при помощи углеродсодержащих адсорбентов, ионогенные – при помощи анионо- и катионообменников, а псевдоионогенные – как углеродистыми, так и ионообменными адсорбентами.

Адсорбция – процесс поглощения растворимых несахаров (адсорбтива) поверхностью твердого поглотителя (адсорбента).

Адсорбционный процесс характеризуется тремя стадиями: внешней и внутренней диффузией адсорбтива и непосредственно адсорбцией. Стадия внешней диффузии заключается в том, что красящие вещества диффундируют от основной массы растворённого вещества к наружной поверхности адсорбента. В стадии внутренней диффузии красящие вещества диффундируют внутри пор адсорбента. На третьей стадии осуществляется адсорбция, при которой красящие вещества притягиваются к поверхности пор под влиянием межмолекулярного взаимодействия. Стадии внешней и внутренней диффузии вещества – определяющие в скорости процесса адсорбции.

Красящие вещества сахарного производства представлены в основном солями слабых кислот и сильных оснований, поэтому в кислой среде они плохо растворяются и значительно легче поглощаются адсорбентами при низких значениях рН по сравнению со щелочными средами, где растворимость их выше, а адсорбция хуже.

Графическую зависимость адсорбции от равновесной концентрации адсорбтива при постоянной температуре называют изотермой адсорбции. Эта важнейшая характеристика процесса адсорбции описывается уравнением Фрейндлиха:

A = bC^1/M, (13)

где А – масса вещества, адсорбированного единицей массы адсорбента; b и 1/M – константы адсорбции, характерные для данного процесса, их значения находят по экспериментальным данным; С – равновесная концентрация вещества, установившаяся после адсорбции.

Графическое изображение изотермы адсорбции красящих веществ из сахарсодержащего раствора приведено на рис. 3. На оси абсцисс отложена равновесная концентрация вещества С, на оси ординат – значение А.

Если прологарифмировать уравнение (13), то получим уравнение:

lgA = lgb + (1/M)lgC. (14)

По значениям А и С определенным экспериментально при обесцвечивании сиропа активным углем, строят график (рис. 4) и определяют значения b и 1/M. На ординате прямой отсекается отрезок lgb, а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс дает величину 1/M.

При небольших концентрациях масса адсорбированного вещества пропорциональна его концентрации в растворе, что выражается начальной частью изотермы адсорбции. В концентрированных растворах, когда поверхностный слой адсорбента насыщается адсорбированным веществом (конец изотермы адсорбции), наступает предел адсорбции и дальнейшее увеличение его концентрации в поверхностном слое становится невозможным. Поэтому начало и конец изотермы адсорбции близки к прямой линии и уравнение (13) не всегда применимо. При средних концентрациях вещества в растворе изотерма адсорбции подчиняется уравнению (13) более точно.

Рис. 3. Изотерма адсорбции красящих веществ

Рис. 4. Изотерма адсорбции красящих веществ в логарифмических координатах