Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Производство сахара является энергоёмким и весьма не экологичным в силу традиционно сложившейся технологии.

На 1 т перерабатываемой свёклы расходуется:

– около 4,5–7,8 % известкового камня;

– около 0,45–0,55 % высококачественного угля или кокса для его обжига и производства СаО;

– вспомогательных материалов (в соответствии с общеотраслевыми нормами расхода или рекомендуемыми производителями).

В качестве вспомогательных материалов при производстве сахара используются:

Антисептики: – формалин – 150 кг/1000 т свеклы;

– хлорная известь – 150 кг/1000 т свеклы;

– гипохлорид натрия – 200 кг/1000 т свеклы;

– Волсепт Д – 10–20 г/1 т свеклы;

– Нобак, Ардон (антибиотики), антиформин ДМТ(на основе формалина) и другие.

Пеногасители: – Breox FCC 93 – 20–30 г/1 т свеклы (20–30 кг/1000 т свеклы).

– Лапрол ПС-1 – 20 г/1 т свеклы (20 кг/1000 т свеклы);

– Антиспумин TZ – 15 г/1 т свеклы (20 кг/1000 т свеклы);

– Жир – 25 кг/1000 т свеклы;

– Соапсток – 10 кг/1000 т свеклы и другие.

Флокулянты: – ПАА – 12 кг/1000 т свеклы;

– NaOH (для активации ПАА) – 2,4 кг/1000 т свеклы;

– Praestol 2540 – 3–5 г/1 т свеклы (3–5 кг/1000 т свеклы) и другие.

Антинакипины: Полистабиль VZK – 20–30 г/1 т свеклы (20–30 кг/1000 т свеклы);

– Kebo-DS – 20–30 г/1 т свеклы (20–30 кг/1000 т свеклы);

– Антипрекс – 20–30 г/1 т свеклы (20–30 кг/1000 т свеклы) и другие.

Если ориентироваться на всю отрасль сахарного производства России с учетом задачи роста производства сахара до 4,8 млн. т или около 32–40 млн. т свеклы, становится очевидным масштаб ресурсного потребления в этом производстве.

Сегодня эффективность работы сахарного завода определяется энергосбережением и экологической безопасностью производства при высоком коэффициенте извлечения сахара из сырья, а также качеством и себестоимостью готовой продукции.

Применяемая технология очистки диффузионного сока, основанная на обработке его известью и углекислым газом [1], до сих пор является самой эффективной и экономически рациональной [5, 6, 7]. Физико-химические особенности известкового молока, сатурационных осадков, поликомпонентности производственных сахарсодержащих растворов не дают эффект очистки диффузионного сока выше 35 % при теоретически возможной величине 40–45 %.

Традиционная технология очистки диффузионного сока – это компромисс между высоким качеством получаемых соков и их фильтрационно-седиментационными свойствами, который особенно проявляется при переработке свеклы низкого технологического достоинства.

В России и за рубежом ведутся исследования технологии получения сахаров без применения извести [9], а также способа повышения качества диффузионного сока за счет использования коагулянтов и химических реагентов, применяемых для очистки питьевой воды [2, 8].

Возможность управления химизмом взаимодействий в системе «сахар-несахар-известь» может изменить и современный подход к процессу получения сахара из сахарной свеклы.

Для решения такой задачи можно использовать принцип динамической самоорганизации в неравновесных условиях нековалентно связанных темплатов, которые представляют собой элементорганические молекулы, взаимодействующие с полигидроксокомплексами матрицы посредством водородных, электростатических и ван-дер-ваальсовых сил [10].

Матрицей может быть поверхность свекловичной стружки и поверхность ультрадисперсных частиц карбоната кальция. Динамическая самоорганизация предоставляет почти безграничные возможности для создания новых наноструктур на границе раздела фаз «диффузионный сок – поверхность стружки» и, как следствие, обеспечивает возможность дальнейшего совершенствования всей технологии сахарного производства.

В процессе исследований был получен короткоживущий высокомолекулярный кремнийорганический реагент (ВМКФ) [3, 4].

где m = 1–9;

Радикалы: R1 = (CH2)nPol, где n = 2-4;

R2 = R3 = Н;CH3;C2H5;C3H5;C3H7;C4H9;

R4 = R5 = CH3;C2H5;C3H5;C3H7;C4H9;C6H5;OH;ОМ;

M = Na; K; Cs;

R6 = (CH2)k, O; где k = 1–4;

R7 = R4; [NR1R2R3]O;

Pol = Органический полимер из ряда поливиниламинов, полиаллиламинов, поли-N-виниламидов, полидиметилдиаллиламмоний галогенидов, полиакрилатов, полиметилакрилатов, а также сополимеры и блоксополимеры из мономеров, соответствующих вышеперечисленным полимерам.

В результате стал возможным направленный синтез сверхвысокомолекулярных соединений, содержащих в своем составе полифункциональные группы, а также создание принципиально новых рецептур на их основе. Впервые использован бинарный подход, при котором конечная короткоживущая рецептура создается непосредственно перед применением за счет смешения компонентов и разбавления их водой (рис. 1). Принципиально новым является не только состав, но и способ применения и воздействия на технологические потоки в сахарном производстве.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для получения и дозирования ВМКФ

Компонент А (Комплексный реагент 1) представляет собой негорючую жидкость желтоватого цвета с плотностью 1,02–1,06 г/см3 и водородным показателем (pH) 3,5–5,5. Компонент А является комплексным полифлокулянтом состоящим из композиции водорастворимых элементорганических полимеров разветвленной структуры и содержащий в своем составе группы, способные к ионному обмену и взаимодействию по координационному механизму. Кроме того, в состав компонента А входят алюмо-железо-кремнийорганические соединения в виде водного раствора.

Компонент Б (Комплексный реагент 2) применяется только совместно с компонентом А и представляет собой негорючую жидкость от бесцветного до слабо-желтого цвета с плотностью 1,13–1,19 г/см3 и водородным показателем (pH) не более 1. Компонент Б является нейтрализатором и представляет собой водный раствор полифосфорных кислот и других неорганических кислых соединений, предназначенный для коррекции водородного показателя при углекислотной очистке и дезинфекции оборудования.

Сахарсодержащие растворы могут быть очищены в одну или несколько стадий, включающих обработку их ВМКФ при перемешивании и последующем отделении образовавшегося осадка в присутствии щелочных агентов таких как: гидроксиды натрия и кальция, или без них, при следующих значениях R4 = R5 = CH3; C2H5; C3H5; C3H7; C4H9; C6H5; OH; ОМ, m = 1–9. Значение R6 зависит от pH среды. Для pH < 7 R6 = O, для других значений водородного показателя R6 = (CH2)k.

ВМКФ, содержащий в качестве одного из радикалов соединение комплексной природы четвертичную аммониевую соль, обеспечивает синергизм межмолекулярных взаимодействий дисперсных и коллоидных частиц, снижение величины градиента потенциала электрических зарядов, обеспечивает разрушение структурно-механических барьеров и сцепление с поверхностью частиц, одновременно сохраняя связь с другими высокомолекулярными молекулами. Функциональные группы, содержащиеся в обрамлении полимерной цепи, обеспечивают растворимость ВМКФ в различных средах, образование прочных связей не только с поверхностью дисперсной фазы, но и с другими макромолекулами.

ВМКФ способствует формированию на поверхности свекловичной стружки активного фильтрующего наноразмерного слоя, препятствующего экстрагированию в раствор несахаров. Молекулярная структура этого слоя обеспечивает захват несахаров по координационному механизму, что в сочетании со стерическим фактором обеспечивает их надежную фиксацию в течение времени, необходимого для превращения части несахаров в форму, надежно закрепленную на носителе (свекловичной стружке) или в форму, легко удаляемую на стадии дефекосатурации. Новая химическая композиция представляет собой сложный по химическому составу композиционный материал, оказывающий комбинированное воздействие на очищаемую среду и включающий в себя свойства флокулянтов, коагулянтов, катализаторов, антисептиков, стабилизаторов. Такой единый комплекс позволяет в рамках одного технологического узла эффективно решать принципиально разные задачи на всех стадиях сокоочистки, начиная с экстракции и заканчивая станцией фильтрации (отстойниками и фильтрами).

Система свойств ВМКФ, как флокулянт – катализатор обеспечивает управление размером частиц и активностью их поверхности. Управляемый процесс образования наноразмерных частиц обеспечивает не только образование колоссальной площади поверхности частиц, но и их высочайшую активность. Присутствие такого реагента препятствует эффекту десорбции при высокой щелочности соков и снижает пенение, улучшает процесс фильтрации, что важно при использовании в производстве отстойников любых модификаций. Кроме того, передозировка этого компонента не приводит к обратному процессу – разрушению образовавшегося осадка (дефлокуляции).

Его применение позволяет отказаться полностью или сократить количество используемых как традиционных, так и новых видов антисептиков и пеногасителей. По своим коагулирующим и флокулирующим свойствам новый реагент качественно превосходит имеющиеся на рынке флокулянты и коагулянты.

На рис. 2 показана динамика очистки полупродуктов в сахарном производстве в течении суток по типовой схеме очистки сахарных соков и с применением ВМКФ.

Рис. 2. Динамика изменения чистоты полупродуктов, очищенных по типовой схеме и с применением элементоорганического реагента:1 – свекловичный сок; 2 – диффузионный сок (тип.схема); 3 – очищенный сок (тип. схема);4 – диффузионный сок (с прим. ВМКФ), 5 – очищенный

Применение ВМКФ при норме 100–150 г/т свёклы для очистки сахаросодержащих растворов позволит получить:

– увеличение эффекта очистки на стадии экстракции сахарозы до 20–25 % против 9–12 % по существующей технологии (за рубежом – 14–16 %) (таблица);

– увеличение общего эффекта очистки до 42–50 % против 34–38 % по существующей технологии (за рубежом – 36–40 %) (таблица);

– снижение расхода извести на основной дефекации на 25–40 % (или на 0,8–2,0 % к массе свеклы);

– снижение расхода условного топлива до 200 т на каждые 100000 т перерабатываемой свеклы;

– стабилизацию технологического режима, что обеспечит получение соответствующего качества готовой продукции в экстремальных условиях при снижении чистоты свекловичного сока ниже 80 % при его бактериальном заражении;

– увеличение выхода сахара не менее чем на 0,15 % к массе перерабатываемого сырья;

– увеличение времени работы фильтров и снижение кратность смены фильтрующих материалов;

– сокращение отходов производства и выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.

К настоящему времени разработана технология получения 2-х исходных базовых компонентов (А и Б) – полифлокулянта и нейтрализатора, а также технология получения конечных рецептур на компактной установке, обеспечивающей непосредственное их применение по стадиям технологического потока сахарного завода.

Очистка свекловичного сока с применением ВМКФ в сравнении с типовым способом

Новая технология очистки не требует существенного аппаратурного изменения технологических схем и капитальных затрат.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному контракту № 16.522.12.2021.