CC BY
4УДК 664.152.7
doi.org/10.24412/2413-5518-2024-2-30-35
Исследование электрохимической деминерализации свекловичной мелассы
O.K. НИКУЛИНА, канд. техн. наук, доцент, зав. научно-исследовательской лабораторией сахарного производства* (e-mail: [email protected])
O.B. КОЛОСКОВА, канд. техн. наук, доцент, ст. научн. сотр. научно-исследовательской лаборатории сахарного производства*(e-mail: [email protected])
М.Р. ЯКОВЛЕВА, магистр техн. наук, мл. научн. сотр. научно-исследовательской лаборатории сахарного производства* (e-mail: [email protected])
О.В. ДЫМАР, инженер, д-р техн. наук, проф., техн. директор представительства АО «МЕГА» в Республике Беларусь (e-mail: [email protected])
* РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию»
Введение
Научно-исследовательской лабораторией сахарного производства РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию» в рамках государственных научно-технических программ рассматривается возможность применения электромембранных технологий при производстве сахара [1—4]. Работа ведётся как в лабораторных, так и в производственных условиях на базе ОАО «Городейский сахарный комбинат». В последние годы проводятся исследования по электрохимической обработке мелассы.
Цель научно-исследовательской работы — создание усовершенствованной технологии переработки сахарной свёклы, внедрение которой на белорусских сахарных заводах позволит извлечь дополнительное количество сахара и соответственно снизить потери сахарозы в производстве, а также оценка возможности получения новых продуктов с бетаином.
Предполагается, что предварительная обработка мелассы, включающая её деминерализацию, даст возможность разработать технологические приёмы, позволяющие выкристаллизовывать сахарозу классическими способами,
и вместе с тем улучшить её физико-химические свойства.
В данной статье представлены результаты исследований по установлению рациональной степени деминерализации мелассы, а также по влиянию электродиализа на содержание бетаина в мелассе.
Установление рациональной степени деминерализации мелассы
В целях выявления оптимальной степени деминерализации проведены физико-химические
исследования деминерализованной в лабораторных условиях мелассы. Для этого выполнены ряд лабораторных опытов с различной конечной степенью деминерализации и анализ технологического качества полученных после электромембранной обработки полупродуктов с расчётом прогнозных показателей. На основании полученных данных было установлено, что эффект очистки мелассы имеет тесную зависимость от степени деминерализации, а точнее, в два раза меньше её (рис. 1).
Эффект очистки мелассы
415 410 35
Ж
гГ 30
к
I 25
и
оч20 т
Й 15 ф
Эф10
5 0±
♦
y 0 4 7. с + ? 4 < ►
R l 2 0, 9 3
1
»
►
4 ►
0
70
80
10 20 30 40 50 60 Степень деминерализации мелассы, % ♦ Эффект очистки мелассы Рис. 1. Зависимость эффекта очистки мелассы от степени её деминерализации
30 САХАР № 2 • 2024
^¿¡¡Ш^ШЙ] 20 лет интенсивного развития
^i/u/ii/ nt-n т т ги '
www. nt-prom. ru
Получено эмпирическое уравнение регрессии, с помощью которого можно быстро и без помощи анализов оценить степень очистки мелассы на основании имеющегося показателя степени деминерализации.
Также было установлено, что показатель резерва сахара имеет тесную зависимость от степени деминерализации (рис. 2). Получено эмпирическое уравнение регрессии, благодаря которому можно, не прибегая к анализам, оценить дополнительное количество получаемого в результате электромембранной обработки сахара на основании имеющегося показателя степени деминерализации.
По результатам исследований установлено, что при степени деминерализации выше 60 % происходит незначительное улучшение технологических показателей. На рис. 3 видно, что после степени деминерализации 55 % она замедляется и ведение процесса далее нецелесообразно, снижение ме-лассообразующего коэффициента также замедляется, т. е. более экономичным по времени является ведение процесса до степени деминерализации не более 50—60 %.
Оптимальная степень деминерализации мелассы устанавливается также исходя из основных технических требований к мелассе, т. е. её показатель рН должен быть не ниже 6,5, однако оптимальная степень деминерализации будет зависеть от начального уровня рН необработанной мелассы. При проведении в лабораторных условиях экспериментов с разным начальным показателем рН мелассы при степени деминерализации 51,2—55,9 % дилуаты соответствовали данным требованиям.
Таким образом, результаты лабораторных исследований доказывают, что оптимальная степень деминерализации мелассы лежит в интервале 50—60 %, однако при
низком начальном рН обрабатываемой мелассы необходимо заканчивать процесс при рН не ниже 6,5.
Анализ производственных показателей работы цеха деминерализации ОАО «Городейский сахарный комбинат» за сезон переработки сахарной свёклы урожая 2022 г. показал, что в условиях реального
производства степень деминерализации, как и длительность обработки, зависит от режима и эффективности работы эксплуатируемой станции деминерализации.
Было определено, что в условиях производства на применяемом оборудовании:
— деминерализация выше 55 % недостижима при обработке кон-
Резерв сахара
20 30 40 50 Степень деминерализации, % ♦ Резерв сахара
Рис. 2. Зависимость количества дополнительно получаемого сахара от степени деминерализации мелассы
Ж
а4 а
I
I
л
а: <и
с ф
а
80 70 60 50 40 30 20 10 О
- - ■
✓
/ /
/
/ /
/
* * /
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
20 40 60 80 100 120 140 160 180
г©
Щ
г
<и
а »
а
■8-§
>э а
I &
о о
и
0
1
Время, мин
--Степень деминерализации
- Мелассообразующий коэффициент
Рис. 3. Изменение степени деминерализации и мелассообразующего коэффициента в процессе электромембранной обработки
№ 2 • 2024 САХАР
31
20 лет интенсивного- развития
т
иятм т-ргот. ги
центрированного раствора независимо от длительности обработки;
— деминерализация 50—55 % достижима при обработке раствора не менее 240 минут, однако временной интервал может превышать 600 минут в зависимости от настройки режима;
— технически в нормальном режиме работы установки при обработке мелассы в течение 2—3 часов (120—180 минут) достигается степень деминерализации 33—45 %. Однако начиная с ноября эффективность работы установки снижается, очевидно, из-за ухудшения технологического качества сырья.
Также на основании анализа производственных показателей работы цеха деминерализации ОАО «Городейский сахарный комбинат» за сезон переработки сахарной свёклы урожая 2022 г. было установлено, что технически при нормальном режиме работы установки на сырье нормального качества можно дополнительно получать 5,0—6,5 % (среднее 5,75 %) сахара к массе обрабатываемого продукта, или 350—455 кг с одной обрабатываемой партии. При этом определено, что достижимым показателем является 7,8 % дополнительного сахара к массе продукта.
Производственные испытания
деминерализации свекловичной
мелассы
В октябре 2023 г. в производственных условиях ОАО «Горо-дейский сахарный комбинат» были отобраны пробы дилуата в процессе деминерализации мелассы и разбавленного оттёка ут-феля II кристаллизации. В ноябре того же года проведены производственные испытания процесса деминерализации на свекловичной мелассе и разбавленном оттёке утфеля II кристаллизации. Исследовано изменение физико-
химического состава в процессе деминерализации, на основании полученных данных произведён расчёт мелассообразующего коэффициента, резерва сахара.
Было установлено, что ведение процесса до конечной удельной электропроводимости ниже 13 мСм/см для мелассы из сырья ухудшенного технологического качества (хранившегося сырья) нецелесообразно и приводит к ухудшению качественных показателей дилуата. В этом случае длительность обработки должна составлять не более 180—200 минут, а степень деминерализации достигается на уровне 24,8—29,2 %.
При обработке свежеубранного сырья продолжительностью 150 минут достигается степень деминерализации мелассы 36,7 %, а конечная удельная электропроводимость составляет 11 мСм/см.
С точки зрения возможности использования оттёка утфеля II кристаллизации как продукта с близкими мелассе свойствами, но демонстрирующего меньшую длительность обработки, сравнивали эффективность процесса деминерализации на двух этих продуктах в одинаковых условиях: на одном сырье (в одни сутки) с одинаковым конечным параметром (удельная электропроводимость или длительность процесса).
В производственных испытаниях на свежеубранном сырье (октябрь 2023 г.) сравнение параметров обработки проводили при конечной удельной электропроводимости обоих полупродуктов 11 мСм/см в соответствии с рекомендуемым оптимальным техно -логическим режимом и с учётом длительности обработки мелассы не более 150 минут, а также при установившейся длительности обработки оттёка 90±2 минуты.
В производственных испытаниях на хранившемся сырье (ноябрь 2023 г.) сравнение параметров
обработки проводили исходя из установившейся на тот момент средней длительности обработки — 200 минут при конечной удельной электропроводности оттёка 10±1 мСм/см.
Сравнительный анализ результатов обработок двух полупродуктов приведён в таблице.
Из данных таблицы можно сделать следующие выводы:
— в случае переработки свеже-убранного сырья деминерализация мелассы до конечной удельной проводимости 11 мСм/см по длительности в 2,7 раза превышает деминерализацию оттёка. При этом снижение проводимости дилуата в процессе обработки мелассы в 2,9 раза выше, чем при обработке оттёка, степень деминерализации раствора в 2,4 раза выше, резерв сахара — в 7,3 раза. Чистота мелассы повысилась на 5 процентных пунктов против 0,3 при обработке оттёка;
— при одинаковой длительности обработки двух полупродуктов на свежеубранном сырье (90 минут) деминерализация мелассы выше на 7,6 % при большем снижении удельной электропроводимости (в 1,7 раза), а расчётный резерв сахара выше в 2,6 раза. Повышение чистоты мелассы после обработки составило 4 процентных пункта против 0,9 после обработки оттёка;
— в случае ухудшения технологического качества сырья длительность обработки обоих полупродуктов увеличивается до 200 минут, при этом такие характеристики обработки, как конечная удельная электропроводимость и снижение проводимости дилуата, а также степень деминерализации сохраняются на том же уровне, что и для свежеубранного сырья;
— при переработке сырья ухудшенного качества электрохимическая обработка позволяет повысить чистоту мелассы и расчётный резерв сахара в 2,14 и в 2,22 раза
32 САХАР № 2 • 2024
^¿¡¡Ш^ШЙ] 20 лет интенсивного развития
www.nt-prom.ru
больше, чем при переработке све-жеубранного сырья; повысить указанные показатели оттёка в 2,03 и 1,44 раза соответственно. Увеличение эффекта обработки очевидно связано с худшими начальными показателями технологического качества полупродуктов.
Влияние электромембранной обработки на содержание бетаина в мелассе
Долгое время бетаин применялся в небольших количествах: главным образом в фармакопее и химической промышленности (для производства ПАВ, антисептиков, растворителей, красителей).
Сегодня бетаин нашёл широкое применение в различных сферах народного хозяйства. Он широко используется в медицине как метаболическое и гепатопротектор-ное средство, в сельском хозяйстве для обогащения и балансирования рационов сельскохозяйственных животных, в косметологии как увлажнитель и осмопротектор, применяется как биологически активная добавка для спортсменов, всё чаще и чаще сырьё, содержащее бетаин, используют для обогащения продуктов питания. Положи-
тельное влияние бетаина на здоровье человека и животных связано с его осмопротекторными свойствами и способностью быть донором метильных групп. В литературных источниках приводятся результаты исследований, которые подтверждают способность бетаина снижать негативное влияние алкоголя на здоровье печени [5—8].
Рынок бетаина и его производных в США (кокамидопропил бетаин, бетаин моногидрат, бетаин безводный, бетаин гидрохлорид и др.) в 2022 г. достиг 3,89 трлн долл. США. Эксперты предсказывают его рост к 2030 г. до 4,47 трлн долл. США, т. е. совокупный среднегодовой темп роста составит 4,87 % [9].
Бетаин можно получать из сырья, полупродуктов или отходов сахарного производства. При производстве сахара в процессе экстракции сахарозы около 95 % бетаина из свёклы в неизменном виде переходит в диффузионный сок. Бетаин не удаляется в процессе сокоочистки, практически не вступает в химические реакции с другими соединениями и в неизменном виде переходит в мелассу. Таким образом, меласса по своей
сути является концентратом природного свекловичного бетаина.
В России на трёх свеклосахарных заводах реализована технология обессахаривания мелассы методом фрактальной хроматографии с имитацией движущегося слоя ионообменной смолы. Инженерные решения установок обес-сахаривания мелассы могут иметь различные варианты и модификации, но обеспечивают получение следующих продуктов: бетаинной фракции, экстракта, рафината. Бетаинная фракция (бетаиновая меласса) — это густая тёмноокра-шенная сиропообразная жидкость с содержанием сухих веществ 62—64 %, сахарозы до 5 %, бетаина 52—58 %. Экстракт — обогащён-ный сахарозой концентрированный раствор с содержанием сухих веществ 65—68 % и чистотой около 93—95 %. Он направляется в технологическую линию производства сахара и может быть переработан по разным схемам. Рафинат — побочный продукт селективного разделения мелассы, из которого удалена сахароза. Он представляет собой тёмноокрашенный раствор и содержит сухих веществ 65— 70 %, сахарозы 9—15 %, нативные
Сравнение результатов испытаний двух полупродуктов
Исследуемый полупродукт Длительность, мин/конечная удельная электропроводимость, мСм/см Изменение показателя
Удельная электропроводимость, мСм/см Демине-рализа-ция, % Зола кондуктоме- трическая, % к массе продукта Чистота, % Мелассо-образующий коэффициент (т) Резерв сахара, % к массе продукта
Производственные испытания 05.10.2023 при конечной удельной электропроводимости 11 мСм/см
Оттёк утфеля II кристаллизации 55 мин. 2,22 15,4 0,5 0,33 0,05 0,4
Меласса 150 мин. 6,35 36,7 1,7 5,02 0,10 2,9
Производственные испытания 05.10.2023 при длительности процесса деминерализации 90 минут
Оттёк утфеля II кристаллизации 10,43 мСм/см 2,85 20,2 0,7 0,87 0,08 0,9
Меласса 12,50 мСм/см 4,81 27,8 1,3 3,99 0,07 2,3
Производственные испытания 15.11.2023 при длительности процесса деминерализации 200 минут
Оттёк утфеля II кристаллизации 10,10 мСм/см 2,57 20,3 0,5 1,77 0,13 1,3
Меласса 12,92 мСм/см 4,70 26,7 1,0 8,55 0,04 5,1
несахара мелассы и продукты их превращений [10].
В Республике Беларусь перспектива строительства завода (цеха) по получению бетаина из мелассы пока ещё оценивается с точки зрения экономической оправданности. Однако наличие в ОАО «Го-родейский сахарный комбинат» оборудования для электродиализа определяет целесообразность исследования влияния электромембранной обработки на содержание бетаина в мелассе.
Л.Д. Бобровник и П.П. Загород-ний установили, что в реальных условиях деминерализации свекловичной мелассы при помощи электродиализа бетаин переносится в концентрат незначительно и доля его в составе несахара очищенного продукта возрастает более чем в два раза. В связи с этим так называемая «электродиализная меласса» представляет собой хорошее сырьё для получения бетаина [11]. Данное утверждение проверяли в лабораторных условиях. Для определения бетаина использовали разработанную нашей лабораторией методику [12].
Первые результаты определения бетаина в мелассе показали, что содержание бетаина к массе несахаров раствора увеличивается в процессе электрохимической очистки практически вдвое (с 19,1 до 39,5 %), но начинает снижаться к концу процесса (рис. 4). Однако необходимо больше исследований для конкретных выводов. Максимальное содержание бетаина в деминерализованной мелассе было установлено при степени деминерализации в интервале 50—60 %.
В октябре 2023 г. в ОАО «Го-родейский сахарный комбинат» были отобраны образцы свекловичной мелассы и оттёка утфеля II кристаллизации в процессе их деминерализации. В образцах определяли содержание бетаина.
Результаты исследований показали, что в производственных условиях при степени деминерализации мелассы 37 % содержание бетаина к массе несахаров раствора увеличилось почти в 1,4 раза, или на 37,5 % к начальному содержанию (с 12,8 до 17,6 %). При деминерализации оттёка утфеля II кристаллизации до 20 % содер-
20 30 40 50 60 Степень деминерализации, %
--Чистота мелассы
' Содержание бетаина
Рис. 4. Изменение содержания бетаина и чистоты мелассы в процессе её деминерализации электродиализом
жание бетаина к массе несахаров раствора увеличилось также в 1,4 раза, или на 42 % к начальному содержанию (с 11,4 до 16,2 %).
Таким образом, исследования подтверждают, что электромембранная деминерализация способствует повышению содержания бетаина в деминерализованных растворах.
Заключение
Результаты лабораторных исследований доказывают, что оптимальная степень деминерализации мелассы лежит в интервале 50—60 %, однако анализ производственных показателей работы цеха деминерализации ОАО «Го-родейский сахарный комбинат» показал, что в условиях реального производства степень деминерализации, как и длительность обработки, зависит от режима и эффективности работы эксплуатируемой станции деминерализации.
На основании анализа производственных показателей установлено, что технически в нормальном режиме работы установки на сырье нормального качества можно дополнительно получать 5,0— 6,5 % сахара к массе обрабатываемого продукта, или 350—455 кг с одной обрабатываемой партии. Определено, что достижимым показателем является 7,8 % дополнительного сахара к массе продукта.
По результатам производственных испытаний выявлено, что ведение процесса до конечной удельной электропроводимости ниже 13 мСм/см для мелассы из сырья ухудшенного технологического качества (хранившегося сырья) нецелесообразно и приводит к ухудшению качественных показателей дилуата. При переработке свежеубранного сырья конечная удельная электропроводимость составляла 11 мСм/см.
Также установлено, что электромембранная деминерализация
34 САХАР № 2 • 2024
^¿¡¡Ш^ШЙ] 20 лет интенсивного развития
www.. пг-ргот. ги
способствует повышению содержания бетаина в деминерализованных растворах.
Благодарности
Авторы выражают благодарность руководству и сотрудникам ОАО «Городейский сахарный комбинат» в лице генерального директора Г.М. Соловья, главного инженера И.Н. Скачко и главного технолога Ю.А. Хмелинко, а также сотрудникам цеха переработки мелассы за содействие в работе.
Исследования проводились в рамках гранта Президента Республики Беларусь в сфере науки на 2024 г.
Список литературы
1. Эффективные технологии производства свекловичного сахара / О.К. Никулина [и др.]. — Минск : ИВЦ Минфина, 2023. — 304 с.
2. Усовершенствовать технологию получения белого сахара с использованием электродиализа для деминерализации полупродуктов сахарного производства: отчёт о НИОТР (заключ.) / Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по продовольствию; рук. О.К. Никулина. — Минск, 2021. — 254 с. — № ГР 20193042.
3. Усовершенствовать технологию переработки сахарной свёклы с целью увеличения выхода сахара и оценки возможности получения новых пищевых продуктов: отчёт о НИОТР (промежуточный) / Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по продовольствию; рук. О.К. Никулина. — Минск, 2023. — 93 с. - № ГР 20221596.
4. Исследование способов обработки полупродуктов и побочного продукта сахарного произ-
водства с целью получения дополнительных веществ (аминокислот и их производных) : отчёт о НИР (промежуточный) / Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по продовольствию; рук. О.В. Ко-лоскова. — Минск, 2023. — 62 с. — № ГР 20230364.
5. Bqk, P. [etc.] Free amino acids, betaine, nitrate and nitrite in the sugar beet processing — a literature review // International Sugar Journal — 117 (1403). - P. 790-797. Режим доступа: https://www.researchgate. net/publication/286359801_Free_ amino_acids_betaine_nitrate_and_ nitrite_in_the_sugar_beet_process-ing_-_a_literature_review (дата обращения: 5.12.2022).
6. Craig, S.A.S. Betaine in human nutrition // The American Journal of Clinical Nutrition. - 2004. - Vol. 80 (3). - P. 539-549.
7. Бетаин в спортивном питании / С.В. Штерман, М.Ю. Сидоренко, В.С. Штерман, Ю.И. Сидоренко // Пищевая промышленность. - 2022. - № 8. - С. 21-24. DOI 10.52653/PPI.2022.8.8.004. -EDN UKCCRS.
8. Beneficial Effects of Betaine: A Comprehensive Review / M.K. Arumugam, M.C. Paal,
T.M. [et al.] // Biology (Basel). -
2021. - May 22; 10 (6):456. doi: 10.3390/biology10060456. PMID: 34067313; PMCID: PMC8224793.
9. Анализ размера и доли рынка бетаина — тенденции роста и прогнозы (2022—2030 гг.) Режим доступа: https://www. mordorintelligence.com/ru/ industry-reports/betaine-market (дата обращения: 11.10.2023).
10. Егорова, М.И. Продукты диверсификации в свеклосахарной промышленности России / М.И. Егорова, Л.Н. Пузанова // Сахар. — 2022. — № 10. URL: https:// cyberleninka.ru/article/n/produkty-diversifikatsii-v-sveklosaharnoy-promyshlennosti-rossii (дата обращения: 10.03.2023).
11. Бобровник, Л.Д. Электромембранные процессы в пищевой промышленности / Л.Д. Бобровник, П.П. Загородний. — Киев : Вища школа, 1989. — 272 с.
12. Методика определения содержания бетаина в полупродуктах сахарного производства: утв. РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию» 29.11.2022. — Минск,
2022. — 7 с.
Аннотация. Представлены результаты исследований по установлению рациональной степени деминерализации мелассы, а также по влиянию электродиализа на содержание бетаина в мелассе. Приведены данные производственных испытаний процесса деминерализации мелассы при помощи электродиализа.
Ключевые слова: электродиализ, электромембранные технологии, деминерализация, свекловичная меласса, мелассообразующий коэффициент, обессахаривание мелассы,бетаин.
Summary. The article presents the results of research on the establishment of the rational degree of demineralization of molasses. ТЬю effect of electrodialysis on the betaine content in molasses and the data of industrial tests of the molasses demineralization process by electrodialysis are presented.
Keywords: electrodialysis, electromembrane technologies, demineralization, beet molasses, molasses-forming coefficient, molasses desugarization, betaine.
