CC BY
124
ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК 664.2:636.087.7
И. А. Хусаинов, З. А. Канарская ПЕРЕРАБОТКА САХАРОНОСНЫХ КУЛЬТУР НА КОРМОВЫЕ ПРОДУКТЫ
Ключевые слова: сахаросодержащее растительное сырье, экстракция, технология сиропов для кормления
животных.
Разработан способ экстракции сахаросодержащего растительного сырья с получением сахаристых продуктов в качестве источников легкоусваиваемых углеводов в кормлении животных. Предложена конструкция аппарата и принципиальная схема технологического процесса.
Key words: sugar-containing plant material, extraction, technology syrup for feeding animals.
Developed a method for the extraction of sugar-containing plant materials to produce sugary foods as sources of digestible carbohydrates in animal nutrition. Designed the apparatus and a schematic diagram of the process.
Простые углеводы (моно- и дисахара) являются самыми доступными источниками энергии в кормах сельскохозяйственных животных. Традиционными источниками сахаров в рационе сельскохозяйственных животных являются сочные корма (свекла, травы, бахчевые) в летний период и консервированные корма (силос, сенаж) в зимний. Однако, в связи с потерями сахаров при хранении кормов, в рационе животных возникает дефицит легкодоступных сахаров, особенно резко это сказывается на дойных коровах.
Наиболее распространенной сахаросодержащей добавкой в корма, компенсирующей дефицит сахаров, является меласса - отход свеклосахарного производства. Меласса представляет собой густую (70 - 75 % СВ) вязкую жидкость с высоким содержанием сахарозы (40 - 45 %) [1]. Кроме сахаров в составе мелассы содержатся различные вещества, поступившие с технологическим процессом сахароварения (соли кальция, соединения серы, карбонаты и др.), из почвы (нитраты, нитриты и пр.), в составе корнеплодов (минералы и т.д.). Таким образом, меласса представляет собой продукт со сложным химическим составом. Гетерогенный минеральный комплекс мелассы обуславливает относительно невысокую усвояемость и ограниченный ввод в рацион животного. Другой существенной проблемой, связанной с применением мелассы является ее практическая недоступность для хозяйств удаленных от сахарных заводов.
Одним из путей решения вопроса обеспечения рациона животных простыми углеводами (сахарами) является производство сахаристых концентратов (сиропов) на базе как традиционных для сахарной промышленности сахароносных культур (сахарная свекла), так и нетрадиционных, таких как сахарное сорго, кукуруза, райграс и других сахаросодержащих культур.
В таблице 1 приведена сравнительная характеристика различных сахаросодержащих культур [2].
Таблица І - Характеристика сахаросодержащих культур
Культура Урожайность, т / га Содержание сока, % Содержание сахаров, %
Сахарная свекла 30 - 40 70 - 75 13 - 19
Сахарное сорго 20-30 (стебли) 80 - 90 10 - 12
Кукуруза (на силос) 50 - 100 75 - 80 12 - 14
Райграс 20 - 40 70 - 75 15 - 20
Анализ этих данных показывает, что нетрадиционные сахароносные культуры являются перспективными видом сырья для производства сахаристых концентратов.
Производство сахаристых сиропов для кормления животных следует отнести к малотоннажным производствам. Так для комплекса с поголовьем в 1000 голов дойного стада при дефиците сахаров 500 грамм на голову в сутки общая потребность за период стойлового содержания составляет 100 тонн. Учитывая, что переработка зеленой массы будет идти «с колес» - т.е. в течение 3 месяцев, то суточная производительность составит примерно 1 тонну сиропа, что эквивалентно переработке 4 - 5 тонн зеленой массы.
В зависимости от ботанических особенностей культуры и мест накопления сахаров в них (корнеплоды, стебли) различают два способа извлечения сахара - экстракционный способ на диффузионных аппаратах и отжим на различных прессах [1, 3, 4]. Диффузионные аппараты работают по принципу противоточной водной экстракции и применяются, главным образом, для переработки свекловичного сырья в виде стружки. Мощности стандартных диффузионных аппаратов составляет от 1 до 10 тыс. тонн/сут. по сырью, что несопоставимо по масштабу с малотоннажным производством сахаристых сиропов для кормления животных.
Для переработки трав и стеблей традиционно используют прессующее оборудование. Прессование как способ извлечения сахара из растительной массы также имеет существенные недостатки. С точки зрения эффективности извлечения сахаров, прессование является практически безальтернативным способом переработки сахарного тростника, т. к. в извлекаемом из него соке основным компонентом является сахароза. При отжиме же других сахаросодержащих культур в состав сока переходят не только сахара, но также белковые вещества, крахмал, различные полисахариды, азотистые соединения, минеральные вещества и др. Все эти компоненты требуют определенных затрат на их обработку. Так, крахмал необходимо гидролизовать амилолитическими ферментами; белок и другие азотистые соединения необходимо осаждать или извлекать другими способами, поскольку даже незначительное их количество приводит к большим потерям сахаров в реакции меланоидинообразования в процессе концентрирования [1, 2]. Некрахмалистые полисахариды существенно влияют на усвоение сахаров и реологические свойства сахарных сиропов [5, 6]. Следует отметить, что прессованием извлекается около 80 % сока из сырья. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что технология получения сахаристых сиропов с максимальным содержанием сахаров, основанная на способе механического обессахаривания, является далеко не оптимальной. Таким образом, разработка эффективного способа извлечения сахаров из растительной массы является первостепенной в создании малотоннажной технологии производства сахарных сиропов для кормовых целей.
Поскольку переработка растительной массы является сезонной (при условии работы «с колес»), то соответственно к продукту предъявляются требования сохранности качества при длительном сроке хранения. С этой целью продукт целесообразно концентрировать в первую очередь для исключения потерь микробиологического характера. Возможны два вида конечного продукта - сироп и сухой продукт (гранулы или порошок). Концентрация сахарных сиропов для пищевой промышленности составляет 55 - 60 % СВ [7]. Для получения такой концентрации продукт необходимо очищать от несахаров, присутствие которых приводит к потере сахаров и ухудшению реологических свойств готового продукта, в частности, к повышению вязкости готового продукта.
Целью настоящей работы является разработка эффективной технологии переработки сахаросодержащего сырья с получением сахаросодержащих концентратов для кормления сельскохозяйственных животных.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. разработка эффективного способа экстракции сахаров из растительной массы;
2. разработка технологической линии производства готового продукта.
Экстракция сахаров является диффузионным процессом, действующей силой которого
является градиент концентраций сахаров в перерабатываемой растительной массе и
экстрагенте (вода) [8, 9]. Простые сахара (сахароза, редуцирующие вещества) обладают большой растворимостью в воде и имеют очень высокий коэффициент диффузии в водной среде, интенсифицирующейся при повышении температуры. Коэффициент диффузии пропорционален молекулярной массе, соответственно, вещества с большей молекулярной массой, чем у сахаров будут медленнее диффундировать из растительной клетки в экстрагент. Это свойство является основой теории сахарного производства. Согласно этой теории, при высокой разности концентраций сахаров, как в объеме перерабатываемой массы, так и на границе с растительной клеткой, возникает высокая действующая сила процесса экстракции. Максимальная разность концентраций возможна при условии идеального противоточного движения масс.
В теории массообмена существует два идеальных режима движения потоков в непрерывных процессах: режим идеального вытеснения и режим идеального смешения. [9]. Режим идеального вытеснения реализуется при поршневом потоке, когда предполагается, что частицы в каждом сечении потока движутся параллельно друг другу с одинаковой скоростью подобно поршню, при этом в направлении движения потока перемешивание полностью отсутствует, а в направлении, перпендикулярном движению, происходит идеальное перемешивание. Обеспечивается полное и мгновенное смешивание поступающих частиц с частицами, находящимися в аппарате. В аппаратах идеального вытеснения время пребывания всех частиц смеси одинаково и равно времени прохождения ее через рабочий объем аппарата [10]. Следовательно, в режиме идеального вытеснения можно достичь максимальной разности концентраций.
Модель идеального вытеснения используется в химической технологии при описании аппаратов, работающих по принципу вытеснения, например, трубчатых аппаратов с большим отношением длины к диаметру. Одним из способов интенсификации технологических процессов в колонных аппаратах является ввод дополнительной энергии в виде пульсаций [11, 12]
Предложено инновационное решение по способу экстракции и конструкции экстрактора, который [13, 14] представляет собой полый трубчатый двухколонный аппарат с большим отношением длины к диаметру. Твердая фаза движется вдоль аппарата сплошным плотным слоем, жидкая фаза - экстрагент поступает в ламинарном режиме навстречу твердой фазе. В аппарате отсутствуют транспортирующие устройства и механизмы. Движение твердой фазы осуществляется гидропневматическим воздействием: импульс сжатого воздуха создает колебания жидкости, находящейся в аппарате, энергия которой преобразуется в работу по перемещению твердой массы от узла загрузки сырья к узлу выгрузки обессахаренной массы (жома). Перемещение твердой массы происходит дискретно в заданном режиме пульсаций. Такое воздействие интенсифицирует процесс противоточной экстракции путем создания локальных турбулентных потоков жидкости на границе твердая частица-жидкость. Как известно [4], вокруг частички экстрагируемого материала образуется слой, затрудняющий экстракцию целевого компонента из сырья. Локальные турбулентные потоки утончают слой, увеличивая градиент концентраций как движущую силу процесса экстракции.
Для проведения испытаний изготовлена опытная установка объемом 120 л. Для создания пневматического импульса использовался сжатый воздух давлением 3 атм., проходящий через пульсатор, представляющий собой автоматически управляемую систему клапанов. Расход сжатого воздуха в пределах 80 - 100 л/мин, перепад давления для создания импульса происходит с 3 до 2 атм. В качестве сырья использовалась свекловичная стружка, поскольку испытания проводились в промышленных условиях на базе сахарного завода.
Условия эксперимента: производительность по свекловичной стружке 50 кг/час. Время прохождения стружки через аппарат (длительность процесса экстракции) 15 -20 минут. Стружка предварительно ошпаривалась для денатурации клеточной стенки при 80 - 82°С в течение 2 - 3 минут.
Показатели промышленной свекловичной стружки (нормальный сок): содержание сухих веществ 21,4 %, содержание сахара 15,9 %, доброкачественность 74,3 %, рН 5,8. Фактор
стружки: % брака 8,2, длина 100 г стружки 7,6 м. Питающая вода (экстрагент) артезианская, температура 12°С, рН 7,5
Варьируемыми параметрами являлись: температура 12 - 60°С, отбор сока
(гидромодуль) 85 - 130 %.
Исследовалось влияние гидромодуля процесса на доброкачественность сока. Полученные данные представлены на рис. 1.
Рис. 1- Зависимость доброкачественности сока от гидромодуля: 1-й вариант: отбор 100 %; 2-й вариант: отбор 85 %; 3-й вариант: отбор 130 %
Исследовалось влияние температуры процесса экстракции на доброкачественность сока. Полученные данные представлены на рис. 2.
Рис. 2 - Зависимость доброкачественности от температуры экстракции: 4-й вариант: отбор 100 %, температура 28 °С;5-й вариант: отбор 100 %, температура 40 °С;6-й вариант: отбор 100 %, температура 60 °С
Из представленных выше данных, можно сделать вывод, что варьируя параметрами процесса экстракции, можно управлять качеством извлекаемого сока. Это важно, поскольку в процессе хранения растительной массы происходит изменение ее качественного состава вследствие различных биохимических процессов в растительной клетке. В частности, при хранении происходит инверсия сахарозы, повышается содержание растворимых высокомолекулярных соединений, образующихся в результате ферментативного гидролиза гемицеллюлоз клеточной стенки собственными ферментами клетки, а также в результате жизнедеятельности посторонней микрофлоры.
При низкой доброкачественности сырья важнейшим параметром, позволяющим повысить качество сока, является гидромодуль. Так с повышением отбора сока до 130 % значительно улучшается доброкачественность сока (3-й вариант). Это объясняется высокой скоростью диффузии сахарозы из клетки в экстрагент. Интересные результаты наблюдаются при снижении отбора до 85 %. В этом случае, после достижения относительно высокой доброкачественности, показатели сока начинают ухудшаться. При 100 % отборе показатели сока изменяются достаточно стабильно. Таким образом, варьируя данным параметром, можно добиться высокой доброкачественности диффузионного сока, при этом важно соблюдать оптимальный баланс между содержанием сухих веществ и несахаров в диффузионном соке. Низкое содержание СВ потребует повышенных затрат на концентрирование сока. Высокое содержание несахаров увеличивает затраты на стадии очистки сока.
Известно, что температура является важнейшим параметром интенсификации технологических (химических) процессов. Однако, как показывают результаты экспериментов, интенсификация процесса с помощью пульсаций позволяет получать высокий выход сока с хорошими показателями доброкачественности даже при низких значениях температур (варианты 4 - 6).
Таким образом, разработанный способ переработки сахаристого сырья обладает следующими преимуществами: высокой производительностью при небольших габаритных размерах, высокой чистотой получаемого сока, высокой сохранностью исходного сырья, что имеет большое значение для дальнейшей переработки с получением других ценных продуктов (пектина, пищевых волокон и др.), возможностью круглогодичной работы, простотой обслуживания.
Для обеспечения сохранности качественных показателей в течение длительного времени, предлагаем получение продукта с содержанием сухих веществ 50 - 60 % [7]. Такое содержание сухих веществ создает высокое осмотическое давление, которое препятствует развитию бактерий и потери потребительских свойств. Для получения такого продукта необходима комплексная технология, включающая обработку сока и его концентрирование (или сушку).
Как известно [1, 3, 4], в состав диффузионного сока помимо сахаров входит также несахара. Состав несахаров диффузионного сока представлен следующими основными видами: минеральные вещества, органические безазотистые вещества (преимущественно органические кислоты) азотистые соединения и биополимеры, так называемые вещества коллоидной дисперсности (ВКД). При высоком содержании сухих веществ (у сиропа) значительно изменяются реологические свойства продукта, что существенно усложняет транспортирование (перекачивание) и дозирование продукта. Большое значение на изменение вязкости продукта оказывают различные примеси (соли, аминокислоты, некоторые олигосахара), поступающие в сок в процессе экстракции. Традиционные способы очистки известкованием, применяемые на сахарных заводах неприемлемы для малотоннажных производств в силу большой их метало- и энергоемкости. Альтернативу им могут составить способы, основанные на электрофизических свойствах несахаров, входящих в состав сока. Как известно, молекулы большинства представленных веществ обладают зарядом и активны в поле электрических сил [15].
Одним из достаточно хорошо изученных способов обработки диффузионного сока является электродиализ с использованием ионитовых мембран различного типа. В процессе электродиализной обработки в первую очередь происходит интенсивная деминерализация сока. Из него удаляются катионы калия, натрия, кальция, магния. Среднее положение по интенсивности занимают анионы безазотистых органических кислот, затем красящие вещества и коллоиды. Эффект очистки может превышать 50 %, при этом зольные элементы удаляются до 95 %, безазотистые органические кислоты и общий азот до 85 и 35 % соответственно [16, 17]. Сок, очищенный таким способом может достаточно легко
концентрироваться.
Для концентрирования продукта эффективно поэтапное термическое концентрирование с непрерывным сепарированием парожидкостной смеси под вакуумом. Для этого можно применять пластинчатые теплообменники и паросепараторы, которые нашли широкое применение в пищевой промышленности. При этом наиболее важными преимуществами таких аппаратов является высокая сохранность качественного состава продукта и эффективность теплообмена, благодаря высокому коэффициенту теплопередачи материала пластин.
На рис. 3 представлена принципиальная технологическая схема производства
сахарного сиропа из растительной массы.
Рис. 3 - Принципиальная технологическая схема производства сахарного сиропа из растительной массы
Описание технологической схемы
Растительная масса с технологического бункера или с места хранения поступает на мойку, где происходит отделение посторонних примесей. Порция сырья определенная дозатором поступает на измельчение. Далее масса поступает на экстракцию, где происходит извлечение сахаров способом противоточной экстракции, интенсифицируемой пульсационным воздействием.
Экстракт (диффузионный сок) поступает на электродиализ с целью отделения несахаров. В седиментаторе отделяются коагулированные в процессе диализа частицы. Очищенный сок концентрируется в вакуум-выпарном аппарате в щадящем для сахаров режиме. Полученный сироп перекачивается в сборники для хранения.
вакуум-выпарка
отстоиник технической воды
сборник
сиропа
Выводы
Разработан эффективный по критериям доброкачественности сока и длительности процесса экстракции способ переработки растительной массы с получением сахаристых сиропов для кормовых целей.
Предложена конструкция аппарата непрерывного действия для противоточной экстракции, интенсифицирующий процесс экстракции с помощью пульсационного воздействия.
Предложена принципиальная схема переработки сахаросодержащего растительного сырья в сахаристые продукты (сиропы).
Литература
1. Бугаенко, И.Ф. Основы сахарного производства / И.Ф. Бугаенко.- М.: Международная сахарная компания, 2002. - 355 с.
2. Баранов, В.Д. Мир культурных растений. Справочник / В.Д. Баранов, Г.В.Устименко. - М.: Мысль, 1994. - 381 с.
3. Сапронов, А.Р. Технология сахара-песка и сахара-рафинада / А.Р.Сапронов, Л.А.Сапронова. - М.: Колос, 1996. - 363 с.
4. Силин, П.М. Технология сахара / П.М.Силин.- М.: Пищевая промышленность, 1967.- 625 с.
5. Бажал, И.Г. Реологические свойства многокомпонентного раствора сахароза - несахаристые вещества / И.Г. Бажал и др. / Украинский химический журнал, 1978, 5 с.
6. Захаров, К.П. Влияние полисахаридов на очистку диффузионного сока / К.П.Захаров, Р.Г. Жижина, В.З. Семененко, Н.И. Жиринов. - М.: ЦНИИТЭИпищепром, 1983 вып.19.- 25 с.
7. Бренман, С.А. Производство и использование жидкого сахара / С.А. Бренман, В.Л. Марьянчик, Н.С.Иволга, В.С.Ковальчук.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 48 с.
8. Даишев, М.И. Теоретические основы технологии сахара. Часть 1. Технология получения диффузионного сока / М.И. Даишев.- Краснодар, 1997.- 70 с.
9. Горбатюк, В. И. Процессы и аппараты пищевых производств / В.И. Горбатюк.- М.: «Колос», 1999.335 с.
10. Кулиев, А.М. Технология и моделирование процессов подготовки природного газа/ А.М.Кулиев, Г.З.Алекперов, В.Г.Тагиев. - М.: Недра, 1978. - 232 с.
11. Карпачева, С.М. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов / С.М. Карпачева, Е.И.Захаров.- М.: Атомиздат, 1980.- 256 с.
12. Карпачева, С.М. Основы теории и расчета горизонтальных пульсационных аппаратов и пульсаторов / С.М. Карпачева, Л.С. Рагинский, В.М. Муратов.- М.: Атомиздат, 1981.- 190 с.
13. Пат. 2324741С2 Российская Федерация, МПК51 С13Б1/10 (2006.01). Аппарат непрерывного действия для получения диффузионного сока из свекловичной стружки / И.А. Хусаинов, В.Н. Шекуров, Ф.Ф. Аухадеев .- № 2006109941/13; заявл. 17.03.06; опубл. 20.05.08, Бюл. № 14.- 2 с.
14. Пат. 2342436С2 Российская Федерация, МПК51 С13Б1/08 (2006.01). Способ получения
диффузионного сока из свекловичной стружки / И.А. Хусаинов, В.Н. Шекуров, Ф.Ф. Аухадеев .- № 2006109942/13; заявл. 17.03.06; опубл. 27.12.08, Бюл. № 36.- 2 с.
15. Джабраилов, А.Д. Некоторые электрофизические характеристики диффузионного сока сахарного производства / А.Д.Джабраилов, А.М. Гаврилов, А.А. Славянский // Хранение и переработка сельхозсырья.- 1997.- № 4.- С. 17 - 19.
16. Бобровник, Л.Д. Электромембранные процессы в пищевой промышленности / Л.Д. Бобровник, П.П. Загородний. - Киев: Выща школа, 1989.- 230с.
17. Хусаинов, И.А. Разработка способа сушки кормового продукта пребиотического действия / И.А. Хусаинов, А.В. Канарский, З.А. Канарская, М.А. Поливанов // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, № 9. - С. 252 - 257.
© И. А. Хусаинов - асс. каф. пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, [email protected]; З. А. Канарская - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected].
