CC BY
1
УДК 534.83:664.1 DOI 10.24412/2311-6447-2024-4-250-256
Возможности применения ультразвука при экстрагировании сахара
The possibilities of using ultrasound in sugar extraction
Аспирант М.А. Печерица, доцент Е.Г. Степанова, студент И.С. Липай Кубанский государственный технологический университет, кафедра технологического оборудования и систем жизнеобеспечения, тел. (861) 275-22-79 [email protected]
Graduate student M.A. Pecheritsa, аssociate professor E.G. Stepanova, student I.S. Lipai
Kuban state technological university, chair of technological equipment and life support systems,
tel. (861) 275-22-79
Аннотация. Приводятся сведения по применению ультразвука (УЗ) в различных пищевых процессах и механизме его действия. Среди существующих концепций влияния УЗ на обрабатываемые среды авторы приняли версию, согласно которой УЗ-колебания в упругой жидкой среде вызывают циклическое изменение давления - сжатия и декомпрессии с образованием кратковременных кавитацион-ных полостей, схлопывание которых вызывает изменение физических, теплофизических и других свойств жидкости. Многочисленные исследования показали, что применение ультразвука в процессах тепломассообмена интенсифицирует лимитирующую стадию процесса - внутренний массоперенос или внешнюю массоотдачу, что позволяет повышать их эффективность. Представлены результаты исследований влияния ультразвука на ключевой процесс свеклосахарного производства - экстрагирование. Для проведения экспериментов применен излучатель VUT-15 погружного типа. Результаты положены в основу расчетов численных экспериментов по планам 23 и 22. После статистической обработки установлено влияние каждого фактора на чистоту диффузионного сока. Отмечено, что в условиях эксперимента температура процесса и ее взаимодействие с другими независимыми факторами оказывает наименьшее влияние. В дальнейших исследованиях принималось постоянное значение температуры - 60 °С, при которой достигнуто наибольшее значение чистоты диффузионного сока. Во всех опытах с использованием ультразвука наблюдалось существенное увеличение чистоты диффузионного сока. Эффект очистки на диффузии в среднем возрастал на 20 % по сравнению с типовым режимом экстрагирования, принятого в качестве контрольного варианта. Максимальные значения чистоты и эффекта очистки диффузионного сока получены при частоте УЗ 30 кГц, температуре 60 °С и времени процесса 60 мин. УЗ-экстрак-ция сопровождалась интенсивным газовыделением и некоторым нагревом сокостружечной смеси, что, вероятно, вызвано изменением физических и теплофизических свойств экстрагента и диффузионного сока.
Abstract. This article provides information on the use of ultrasound in various food processes and the mechanism of its action. Among the existing concepts of the influence of ultrasonic vibrations on the treated media, the authors adopted a version according to which ultrasonic vibrations in an elastic liquid medium cause a cyclic change in pressure - compression and decompression with the formation of short-term cavita-tion cavities, the collapse of which causes changes in the physical, thermophysical and other properties of the liquid. Numerous studies have shown that the use of ultrasound in heat and mass transfer processes intensifies the limiting stage of the process - internal mass transfer or external mass transfer, which makes it possible to increase their efficiency. This paper presents the results of research on the effect of ultrasound on the key process of sugar beet production - extraction. The results of experimental studies and numerical experiments are presented, which make it possible to establish the dependence of the purity of the diffusion juice on the technological modes of extraction (temperature and duration of the process), as well as the frequency of ultrasonic vibrations. A VUT-15 submersible radiator was used for conducting experiments. The results obtained are the basis for calculations of numerical experiments according to plans 23 and 22. After statistical processing of the obtained data, the influence of each factor on the purity of the diffusion juice was established. It is noted that under experimental conditions, the temperature of the process and its interaction with other independent factors have the least influence. In further studies, a constant temperature value of 60 °C was assumed, at which the highest value of the purity of the diffusion juice was achieved. In all
© М.А. Печерица, Е.Г. Степанова, И.С. Липай, 2024
250
experiments using ultrasound, a significant increase in the purity of the diffusion juice was observed. The effect of purification on diffusion increases on average by 20 % compared to the typical extraction mode adopted as a control option. The maximum values of purity and purification effect of the diffusion juice were obtained at a frequency of 30 kHz, a temperature of 60 °C and a process time of 60 minutes. Ultrasonic extraction is accompanied by intense gas release and some heating of the particle mixture, which is probably caused by a change in the physical and thermophysical properties of the extractant and diffusion juice.
Ключевые слова: ультразвук, тепломассоперенос, экстрагирование, свекловичная стружка, диффузионный сок, эксперимент
Keywords: Ultrasound, heat and mass transfer, extraction, beet chips, diffusion juice, experiment
Одним из ведущих процессов макромолекулярной механохимии, используемых во многих отраслях промышленности и медицине, является ультразвук. При УЗ-воз-действии в жидких средах создаются колебания с частотой волны от 16-20 Гц до 108 кГц [1-3]. В пищевой промышленности звуковые и ультразвуковые колебания применяются в целях интенсификации механической и физико-химической очистки, диспергирования, эмульгирования, селективного экстрагирования и многих других технологических процессов. Механизм влияния УЗ на технологические процессы длительное время изучается многими учеными. По одной из концепций при воздействии УЗ-волнами высокой интенсивности на жидкие среды с различной частотой происходит знакопеременное изменение циклов давления (сжатия и декомпрессии) с образованием кавитационных полостей, схлопывание которых приводит к изменению структурно-механических, теплофизических, оптических и других свойств жидкости [4].
Закон распространения плоской волны описывается волновым уравнением в дифференциальном виде [5]:
££ = с2.£2£ (1) dt2 ' ду2'
где х - расстояние от источника УЗ-колебаний, м; t - время распространения волн, с; с - скорость звука в упругой среде, м/с; y - координата распространения УЗ-волн, м.
Используя волновое уравнение (1), можно рассчитать скорость и ускорение распространения звука в различной среде в целях определения переменного давления, вызываемого УЗ-волной:
.У) (2)
о
где р - плотность среды, кг/м3; ш - круговая частота колебаний системы, выраженная числом полных колебаний в течение 2 п единиц времени; А - амплитуда, м.
Р = р ■ ш ■ с ■ А ■ cos ш ■ (t--),
Частота колебаний связана с круговой частотой величины периода колебаний Т
(3)
„ 1 т 2П
В процессе УЗ-воздействия на систему «твердое тело (растительная ткань) -жидкость» модифицируются адсорбционные и десорбционные свойства обрабатываемых сред, влияющие на скорость течения процессов растворения и осаждения, испарения и конденсации. При воздействии на растительную ткань с помощью ультразвука создаются микротрещины, приводящие к расщеплению органических веществ, интенсификации внутреннего массопереноса в процессах осветления, ферментиро-вания и брожения. Значительный интерес представляет изучение влияния УЗ на процессы тепломассопереноса.
Известно, что сложные массо- и тепломассообменные процессы протекают в 3 стадии:
- перенос взаимодействующих реагирующих частиц к поверхности раздела фаз - внутренний массо- и/или тепломассоперенос;
- основной процесс или гетерогенная реакция;
- отвод взаимодействующих реагирующих частиц во внешнюю среду - массо-и/или теплоотдача.
Суммарная скорость неоднородного процесса определяется скоростью лимитирующей стадии. Как показывают многочисленные исследования, с помощью наложения УЗ-колебаний на основной технологический процесс можно ускорить более медленную стадию тепломассопереноса и за счет этого управлять течением процесса в направлении повышения его эффективности.
Интересные результаты получены в области экстрагирования сахара И. Гилюсом. В исследовании экспериментально подтверждена интенсификация процесса УЗ-экстрагирования при температуре 50 °С и продолжительности 45 мин. При этом выход сахара по сравнению с контрольным опытом увеличивается на 30 %, а сухих веществ - на 78 %, что свидетельствует об увеличении чистоты диффузионного сока более чем на треть.
Цель работы - исследование влияния УЗ на чистоту диффузионного сока при изменении температуры и длительности экстрагирования, а также частоты УЗ-колебаний. Для проведения экспериментальных исследований использовался погружной излучатель VUT-15 с рабочей частотой до 35 кГц, оснащенный фазовой автоматической подстройкой частоты, амплитудной модуляцией до 90 % и таймером до 90 мин. Образцы свекловичной стружки экстрагировали при температурах 40-70 °С, продолжительности 30-60 мин и гидромодуле 1,2. Опытные образцы стружки с экстрагентом (водой с рНго 6,0), нагретой до требуемой температуры) помещали в ванну излучателя и производили озвучивание с частотой 10-30 кГц в течение установленного времени. По окончании процесса экстрагирования диффузионный сок отделяли и по стандартной методике определяли его чистоту. Контрольные образцы стружки экстрагировали при равных условиях температуры, времени и гидромодуле без УЗ-воздействия. Чистота клеточного сока - 83,46 % и рНго 6,12. При проведении экспериментов применяли рандомизацию опытов, а также трижды дублировали условия их проведения. Обработку результатов измерений производили с применением MS Excel статистическими методами [9] и с использованием регрессионного анализа. Для установления зависимости чистоты диффузионного сока (Чдс, %) от независимых факторов температуры (1кр, °С), времени (т, мин) и частоты УЗ (f, кГц) по плану 23 проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ). Матрица планирования и результаты исследований приведены в табл. 1-2.
Таблица 1
Матрица планирования ПФЭ_
Показатели Кодовые значения факторов Z1, Z2, Z3 Натуральные значения факторов Зависимость кодированной переменной от натуральной
t, °С Г, мин f, кГц Z1 Z2 Z3
Верхний уровень + 1 70 60 30 Х1-55 Х2-37,5_ 2,5 =0,4-^2-15,0 Х3-20__ 10 0,1-^3-2,0
Основной уровень 0 55 37,5 20
Нижний уровень - 1 40 15 10 15 0,067-Х: -3,667
Интервалы варьирования - 15 2,5 10
Статистическая обработка данных позволила оценить влияние каждого фактора на значение целевой функции. Значимость коэффициентов регрессии проверена с помощью ^критерия Стьюдента при уровне значимости 0,05. Дисперсии воспроизводимости рассчитаны в центре планирования. Проверка адекватности уравнения регрессии проведена по ^критерию Фишера. Установлено, что расчетная величина значения критерия Фишера меньше его табличного значения, следовательно,
полученное уравнение адекватно. Проведена оптимизация полученной модели. Максимальное значение чистоты диффузионного сока достигается при режимах ультразвуковой экстракции с частотой волны 28,5 кГц и температуре процесса 58,7 °С.
Статистическая обработка результатов ПФЭ по плану 23 показала воспроизводимость опытов и позволила получить регрессионные уравнения в кодированных (2) и натуральных (3) переменных:
у = 0,00565 - 0,00158^22 - 0,00865^з2 + 2,08761-22 -гз, (2)
У = 62,61 - 1,70X2 - 3,1X3 + 0,09X2 Х3. (3)
Анализ уравнений показал, что влияние фактора 21 (температура процесса) и его взаимодействие с 2 другими факторами в условиях проведенного эксперимента являются менее значимыми. В дальнейших исследованиях принималось фиксированное значение температуры - 60 °С, при которой достигнута наиболее высокая чистота диффузионного сока. Как следует из табл. 2, для всех проведенных опытов наблюдается увеличение чистоты диффузионного сока, полученного с использованием УЗ. Эффект очистки на диффузии в среднем повышается на 20 %, причем наиболее высокое значение чистоты и эффекта очистки получено при частоте УЗ 30 кГц, температуре 60 °С и продолжительности процесса 60 мин. Зависимость уравнения (2) изображена на рис. 1.
С использованием данных таблицы 2 выполнен расчет полного 2-факторного эксперимента по определению чистоты диффузионного сока в зависимости от частоты УЗ (/, кГц) и времени экстрагирования °С). План эксперимента принят из табл. 1 при температуре 60 °С. После статистической обработки результатов опытов получены уравнения регрессии в кодированных переменных (4), натуральных переменных (5), а также графическая зависимость вида у = у (22, 23) (рис. 2):
у =0,0025 - 0,00408-222 + 0,00284^32 + 0,004486-22 -23, (4)
У = 0,42 - 2,0-10-5Х22 - 4,5-103Х2 - 1,0-10-4Х + 3,5-10-4Х Х3. (5)
Таблица 2
Чистота диффузионных соков (Час, %) и эффект очистки на диффузии (Эоч, %) при различных параметрах температуры, времени экстрагирования и частоте УЗК
Номер образца Параметры экстрагирования 10 кГц 20 кГц 30 кГц
Темпе-рату-ра, °С Время, мин Чдс, % Эоч, % Чдс, % Эоч, % Чдс, % Эоч, %
1 40 15 85,35 11,43 86,27 16,99 86,30 17,17
2 30 85,83 14,33 86, 70 19,59 86,98 21,28
3 45 86,05 15,66 87,15 22,31 87,51 24,49
4 60 86,23 16,75 87,36 23,58 87,88 26,72
5 50 15 85,45 12,03 86,58 18,86 86,74 19,83
6 30 86,62 19,11 87,27 23,04 87,45 24,12
7 45 87,53 24,61 87,68 25,51 87,68 25,51
8 60 87,65 25,33 88,25 28,96 88,87 32,71
9 60 15 86,34 17,41 86,76 19,95 87,28 23,10
10 30 87,56 24,79 87,68 25,51 88,58 30,96
11 45 87,93 27,03 89,14 34,34 89,18 34,58
12 60 88,22 28,78 89,40 35,91 89,44 36,15
13 70 15 86,77 20,01 86,86 20,56 87,04 21,64
14 30 87,84 26,48 87,77 26,06 87,92 27,00
15 45 88,18 28,54 88,23 28,84 88,36 29,63
16 60 88,29 29,20 88,48 30,35 88,52 30,59
17* 70 60 84,94 5,68
* Контрольный образец
Рис. 1. Зависимость чистоты диффузионного сока от частоты УЗ (/, кГц) и температуры экстрагирования (Ь, °С) у = у (21; 22)
Рис. 2. Зависимости чистоты диффузионного сока от времени экстрагирования (г:, мин) и частоты УЗ (/, кГц) у = у (22; 23)
Анализируя полученные зависимости, можно заключить, что при сравнении факторов времени экстрагирования и частоты УЗ максимальное влияние оказывает время экстрагирования, причем интенсивность УЗ-воздействия в большей степени проявляется в первые 30 мин экстрагирования. В начальном периоде УЗ способствует разрушению клеточных стенок, после чего наступает период активного экстрагирования, что подтверждается данными табл. 2. В ходе проведения экспериментов наблюдались интенсивное выделение растворенных в экстрагенте газов и нагрев сокостружечной смеси на 3-5 °С в течение первых 10-15 мин протекания процесса. Достигнутые технологические эффекты в процессе экстрагирования с применением УЗ схожи с использованием электрохимической активации, полученными в работе
[10]. Вероятно, разделение и десорбция растворенных газов из экстрагента и диффузионного сока приводит к изменению плотности, вязкости и поверхностного натяжения, что интенсифицирует их экстрагирующую способность.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность экстрагирования сахара с использованием ультразвука и определили направление совершенствования процесса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хмелев, В^. Ультразвук. Aппараты и технологии: монография I В^. Хмелев, A^. Шалунов, С.С. Хмелев, ^H. Цыганок. - Бийск, 2G15. - б88 с. -Текст: непосредственный.
2. Черемных, М.М. К вопросу об использовании ультразвука в пищевой промышленности I М.М. Черемных, ЛА. Донскова. - Текст: непосредственный ^ Hауч-ные труды вольного экономического общества России. - 2012. Т. 166. -С. 255-260.
3. Капустин, С.В. Применение ультразвуковой кавитации в пищевой промышленности I С.В. Капустин, O.H. Красуля. - Текст: непосредственный II Interactive science. - 2016. - № 2. - С. 1G1-102.
4. Елапов, A.A. Применение ультразвука в экстракции биологически активных соединений из растительного сырья, применяемого или перспективного для применения в медицине (обзор) У A.A. Елапов, H.H. Кузнецов, A.^ Марахова. -Текст: непосредственный ^ Разработка и регистрация лекарственных средств. -2021. Т. 1G. - № 4. - С. 9б-116.
5. Ультразвук в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: монография У В.В. Клубович, М.М Кулак, Б.Б. Хина. - Минск, 2006. -279 с. - Текст: непосредственный.
6. Степанова, Е.Г. Применение электротехнологии в производстве сахара из свеклы I Е.Г. Степанова. - Текст: непосредственный ^ Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2007. - № 1 (29б). - С. б1-62.
7. Стремин, A.A. Использование ультразвука для ускорения экстракции в пищевой промышленности У A.A. Стремин, Б.^ Федоренко. -Текст: непосредственный ^ Международный научный журнал «Вестник науки». -2023. - № 5 (б2). - С. 725-729.
8. Грачев, H.A. Технические аспекты разработки оборудования при перевооружении сахарных заводов I H.A. Грачев, A^. Зубко, Е.Х^. Мунассар [и др.]. - Текст: непосредственный ^ Hаучные труды Северо-Кавказского федерального научного центра садоводства, виноградарства, виноделия. - 2020. - Т. 29. -
C. 2б-32.
9. Chevalier, D. Freezing and ice crystals formed in a cylindrical food model: part II. Comparison between freezing at atmospheric pressure and pressureshift freezing I
D. Chevalier, A. Le Bail, M. Ghoul II J. of Food Eng. - 2000. - 46. - № 4. - рр. 287-293.
10. Корнеева, О.С. Перспективные методы интенсификации процесса экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки I О.С. Корнеева, С.Ф. Яковлева, H.A. Матвиенко [и др.]. - Текст: непосредственный II Вестник ВГУИТ. - 2023. -Т. 85. - № 1. - С. 149-155. D0I:10.20914I2310-1202- 2023-1-149-155.
REFERENCES
1. Khmelev, V.N. Ultrasound. Devices and technologies: monograph I V.N. Khmelev, A.V. Shalunov, S.S. Khmelev, S.N. Tsyganok. - Biysk, 2015. - 688 p. -Text: direct.
2. Cheremnykh, M.M. On the use of ultrasound in the food industry / M.M. Cher-emnykh, L.A. Donskova. - Text: direct // Scientific works of the Free Economic Society of Russia. - 2012. Vol. 166. - P. 255-260.
3. Kapustin, S.V. Application of ultrasonic cavitation in the food industry / S.V. Kapustin, O.N. Krasulya. - Text: direct // Interactive science. - 2016. - No. 2. -P. 101-102.
4. Elapov, A. A. Application of ultrasound in the extraction of biologically active compounds from plant materials used or promising for use in medicine (review) / A.A. Elapov, N.N. Kuznetsov, A.I. Marakhova. - Text: direct // Development and registration of drugs. - 2021. Vol. 10. - No. 4. - P. 96-116.
5. Ultrasound in the processes of self-propagating high-temperature synthesis: monograph / V.V. Klubovich, M.M. Kulak, B.B. Khina. - Minsk, 2006. - 279 p. -Text: direct.
6. Stepanova, E. G. Application of electrotechnology in the production of sugar from beets / E.G. Stepanova. - Text: direct // News of higher educational institutions. Food technology. - 2007. - No. 1 (296). - P. 61-62.
7. Stremin, A.A. Using ultrasound to accelerate extraction in the food industry / A.A. Stremin, B.N. Fedorenko. - Text: direct // International scientific journal "Bulletin of Science". - 2023. - No. 5 (62). - P. 725-729.
8. Grachev, N.A. Technical aspects of equipment development for the re-equipment of sugar factories / N.A. Grachev, A.V. Zubko, E.H.A. Munassar [et al.]. - Text: direct // Scientific works of the North Caucasian Federal Scientific Center for Horticulture, Viticulture, and Winemaking. - 2020. - Vol. 29. - P. 26-32.
9. Chevalier, D. Freezing and ice crystals formed in a cylindrical food model: part II. Comparison between freezing at atmospheric pressure and pressureshift freezing / D. Chevalier, A. Le Bail, M. Ghoul // J. of Food Eng. - 2000. - 46. - No. 4. - pp. 287-293.
10. Korneeva, O.S. Promising methods for intensifying the process of sucrose extraction from sugar beet chips / O.S. Korneeva, S.F. Yakovleva, N.A. Matvienko [et al.]. -Text: direct // VSUET Bulletin. - 2023. - Vol. 85. - No. 1. - P. 149-155. DOI:10.20914/2310-1202-2023-1-149-155.
