Основне вапнування
Головною задачею основного вапнування (дефекації) є одержання соку з високою термостійкістю, технологічні якості якого повинні мало змінюватись в процесі його згущення на випарній установці. Як відомо, термостійкість залежить в основному від залишкового вмісту РР, який не повинен перевищувати величину 0,025 % до маси очищеного соку, а ступінь розкладу амідів при проведенні основного вапнування складає біля 85 % [9].. Розклад РР тісно пов’язаний в технологічному процесі цукрового виробництва з утворенням забарвлених речовин та органічних кислот, які суттєво погіршують якість готової продукції. В умовах цукрового виробництва розклад РР може відбуватися на всіх стадіях технологічного процесу, але важливо розкласти їх до згущення соку, тобто на основній дефекації (ОД, основне вапнування, ОВ). Це зумовлено ще й тим, що продукти розкладу тоді зможуть частково адсорбуватися на частинках карбонату кальцію під час І карбонізації.
Забарвлені продукти розкладу РР та незабарвлені нецукри адсорбуються лише на 60%. При цьому кількість забарвлених речовин (ЗР), що утворюються при розкладі однакової кількості РР, залежить від механізму проходження лужно-термічного розкладу останніх. Складність цього процесу підтверджується і тим, що наприклад при розкладі глюкози може утворитися більше 100 різноманітних з’єднань.
Й.Вашатко експериментально встановив, що кількість забарвлених речовин, що утворюються при розкладі РР, залежить від лужності та температури. Він доказав, що за однакової температури з підвищенням лужності (вірніше кількості СаО) кількість забарвлених речовин зменшується. Спроба різних авторів пояснити це різною величиною швидкості розкладу РР в залежності від лужності не витримує критики. Якщо б це було зв’язано із швидкістю розкладу РР, то з підвищенням лужності, рН, наприклад шляхом добавлення NаОН, забарвленість повинна би знижуватися, а вона збільшується.
За твердженням І.Бугаєнка різниця у величині забарвлення, що утворюється при розкладі РР за різних лужностях, зв’язано з присутністю частинок нерозчинного гідроксиду кальцію, кількість якого з підвищенням лужності також збільшується. Це підтверджується і тим, що коли рН розчинів доводили до однакової величини за допомогою Са(ОН)2 або NаОН за відсутності в осаді частинок вапна, то розчини РР в процесі нагрівання змінюються ідентично. В той же час за наявності в осаді 3% Са(ОН)2 забарвленість розчинів була майже вдвічі меншою, ніж коли в розчині було 1% Са(ОН)2. Вплив нерозчинних частинок Са(ОН)2, що мають позитивний заряд, на забарвленість розчинів можна пояснити адсорбцією на них проміжних продуктів розпаду РР (негативно заряджених), які в результаті не приймають участі в утворенні барвних сполук.
РР руйнуються і за низької лужності, але продукти такого розкладу дуже погано видаляються адсорбцією на частинках карбонату кальцію, що також свідчить про різноманітну природу барвних сполук при цьому. У зв’язку з цим необхідно остерігатись руйнування РР при високих температурах та низьких лужностях. Тому при холодній ПД утворюється менша кількість барвних сполук, ніж на гарячій.
Розклад РР характеризується константою швидкості розкладу, знаючи яку можна розрахувати необхідну тривалість дефекації. Величина константи швидкості розкладу РР залежить головним чином від температури та величини рН. Для визначення цієї величини рядом авторів запропоновано декілька рівнянь, але розраховані за ними константи відрізняються несуттєво.
Основна кількість РР розкладається на холодному ступені основного вапнування при температурі 50-60°С протягом 15 хв. Для розкладу решти РР за цієї температури потребувалось би досить значний час. Тому використання гарячого ступеня ОВ тривалістю 10 хв. дозволяє досягнути необхідної залишкової кількості РР (не більше 0,025% до м.б.) та підвищити ступінь розкладу амідів. Проте цього часу недостатньо для повного розкладу амідів. Як правило, тривалість “холодного” ОВ 15….20 хв., а гарячого – 10 хв. А в Німеччині тривалість холодного ступеня 5 хв., а гарячого – 20 хв.
4.8.1. Витрата вапна. Для ефективного проведення процесу ОВ витрата вапна на цьому ступені не повинна бути нижче 0,9…1,0 % СаО до м.б., оскільки при такій витраті величина рН20 соку досягає значення 12,2, необхідного для успішного протікання реакції розкладу. Оптимальна економічно доцільна витрата вапна на очищення, як відомо, залежить від якості дифузійного соку, а точніше від кількості нецукрів в цьому, і приймається 80…110 % СаО до маси нецукрів.
Однією з головних умов успішного проведення основної дефекації є підтримування постійного вмісту СаО в дефекованому соку (відхилення не повинно перевищувати ±0,1 % СаО, та рівномірний розподіл вапна у соку, що досягається встановленням статичних чи динамічних змішувачів вапняного молока з соком попередньої дефекації до холодного дефекатора (Рис.3):
Рис. 3. Динамічний змішувальний пристрій: 1 – вал; 2 – диски; 3 – корпус; 4 – привод;
5 – лопатки; 6 – отвори на дисках
Останнє дозволяє також правильно організувати процес відбору проб дефекованого соку на визначення вмісту в ньому вапна, тому що за цих умов різниця в часі від моменту подачі вапна до аналізу вмісту його в соку складає не більше 1 хвилини, а за типовими способом – не менше 10 хвилин ( а при холодно-гарячій схемі не менше 25 хвилин).Проведення “теплої” дефекації при температурі вище 55 0С зумовлює до зниження швидкості фільтрування соку І сатурації, але температуру дефекації можна регулювати в основному лише кількістю повертань на ПД.
Одним із способів інтенсифікації процесу основної дефекації є аерація. Встановлено, що в присутності кисню повітря процес розпаду РР йде до утворення оксикислот, а не з’єднань з карбонільними групами, які є складовими при утворенні барвних сполук. Звичайний спосіб аерації, враховуючи витрату 1м3 повітря на 1 м3 соку, досить складний через необхідність встановлення дорого і потужного компресора та сильне пініння соку при цьому. Тому нами розроблені і запатентовані два способи проведення такого процесу із застосуванням ефекту ежекції чи розрідження.
Аміди в порівнянні із РР більш стійкі до розкладу. Встановлено, що на ПД розкладається до 18 % їх, на основній дефекації – до 45 %, на І та ІІ сатураціях – до 13 %, на ВУ – 12 %, тобто основна кількість розкладається на основній дефекації. Враховуючи, що за останні роки використання азотних добрив збільшилося, питання розкладу амідів стає досить актуальним. Тому кафедра ТЦ НУХТ зараз активно працює над способом проведення дефекації з одночасною деамонізацією, що дозволить не тільки покращити якість очищеного соку, але й отримати аміачні конденсати з набагато нижчим вмістом аміаку [10] .
При встановленні параметрів окремих ступенів вапняно-вуглекислотного очищення слід враховувати, що із збільшенням температури і тривалості ростуть і втрати цукрози від лужно – термічного її розкладу ( так звані невраховані втрати). Вважається, що за 1 хвилину на ПД розкладається 7 мг цукрози на 1 кг цукру, на основній дефекації – 14 мг/кг, на сатурації і фільтрації – 5 мг/кг.
ОВ – єдина ступінь в процесі очищення соку, котра негативно впливає на якісні та фільтраційні показники карбонізованих соків. Встановлено, що фільтраційна здатність соків та сиропу залежать від тривалості комбінованого ОВ. При цьому тривалість холодного ступеню за однакової тривалості гарячого майже не впливає на фільтрацію, але суттєво впливає на забарвленість сиропу, і навпаки, скорочення тривалості гарячого ступеню менше 10 хв. фільтрація покращується, але забарвленість сиропу знижується. Пояснюється це тим, що розклад РР спричиняє різке погіршення фільтрації внаслідок утворення суміші полімерних з’єднань. Так розклад 0,25% РР зумовлює до зниження Fk на 30%, 0,5% РР – на 70%, а 1,0% - на 200%! Для зниження температури ОВ необхідно повертати на ПВ мінімальну кількість гарячих продуктів.
Варто пам’ятати, що тепла ступінь ОВ потрібна для максимального розчинення вапна у соку (не менше 5…7 хв.), а в основному її потрібно розглядати як буферну систему для стабілізації подачі соку на наступні етапи очищення. Гаряча ж ступінь повинна здійснюватися в апаратах з можливістю плавного регулювання тривалості процесу в залежності від якості сировини та від необхідності забезпечення фільтраційної здатності соку І карбонізації.