Разработка мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.05, кандидат наук Волков, Николай Валерьевич

• Волков, Николай Валерьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Волков, Николай Валерьевич

Содержание стр.

Введение

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Побочные продукты картофелекрахмального производства

и их утилизация

1.2. Исследования по применению мембран для разделения и концентрирования картофельного сока, а также для очистки соково-

промывных вод картофелекрахмального производства

Выводы

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования

2.2. Физико-химические методы исследования картофельного сока

и продуктов его разделения

2.2.1. Приготовление модельных растворов картофельного сока

2.2.2. Определение содержания сухих веществ исследуемых

растворах

2.2.3. Определение содержания сырого протеина

2.2.4. Экспресс-метод определения коагулируемых белковых веществ

2.2.5. Определение редуцирующих Сахаров исследуемых растворов

2.2.6. Определение рН

2.2.7. Определение общей золы

2.2.8. Определение оптической плотности

2.2.9. Определение осмотического давления

2.2.10. Планирование эксперимента

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Ступень ультрафильтрации

3.1.1. Исследование концентрирования картофельного сока на

мембране ЭРУ-20

3.1.2. Исследование концентрирования картофельного сока на мембране ЭРУ-50

3.1.3. Исследование концентрирования картофельного сока на мембране КУФЭ 67 кДа

3.1.4. Концентрирование картофельного сока на мембране

1Ж)Р(Ж 30 нм

3.2. Выбор типа мембранного элемента

3.3. Выбор мембранного аппарата

3.4. Выбор гидродинамических условий разделения

3.4.1. Выбор температуры

3.5. Оптимизация параметров, влияющих на процесс

ультрафильтрации картофельного сока

3.5.1. Концентрирование картофельного сока на керамической мембране ШОРОЯ 10 нм

3.5.2. Концентрирование картофельного сока на мембране ШОРОЯЗОм

3.5.3. Концентрирование картофельного сока на керамической мембране ШОРОЯ 70 нм

3.5.4. Результаты математической обработки данных, полученных при выполнении многофакторного эксперимента для концентрирования картофельного сока на керамической мембране ПЧОРОЯ с разным номиналом пор

3.6. Ступень нанофильтрации

3.6.1. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием керамических ультрафильтрационных мембран марки КУФЭ 67 кДа и нанофильтрационного рулонного элемента

ЭРН 500 Да

3.6.2. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием керамических ультрафильтрационных мембран марки КУФЭ 67 кДа и ПЧОРОЯ 70 нм на нанофильтрационном рулонном элементе ЭРН 500 Да

3.6.3. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием ультрафильтрационной мембраны ШОРСЖ 30 нм на первой ступени и рулонной полимерной мембраны ЭРН-КП на второй ступени

3.7. Ступень обратного осмоса

3.7.1. Двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием ультрафильтрационной мембраны ГЫОРОК 30 нм на первой ступени и обратноосмотической мембраны ХЬЕ на второй ступени

3.7.2. Двухступенчатое разделение картофельного сока на ультрафильтрационной мембране БЧОРОЯ 30 нм и обратноосмотической мембране марки ЭРО-КНИ производства ЗАО НТЦ «Владипор»

3.7.3. Двухступенчатое разделение картофельного сока на ультрафильтрационной мембране БЧОРОЯ 30 нм и обратноосмотической мембране марки ЭРО производства ЗАО НТЦ «Владипор»

3.8. Регенерация мембранных элементов

4. Разработка технологической схемы утилизации побочных продуктов

картофелекрахмального производства

Выводы

Список литературы

Приложение 1. Аппараты

1.1. Аппарат для трубчатых керамических мембранных элементов

1.2. Аппарат для рулонных полимерных мембранных элементов

Приложение 2.

2.1. Исследование пенообразующей способности картофельного сока, продуктов его мембранного разделения и пеногашения

2.2. Пенообразующая способность исходного раствора, фильтрата

и концентрата

Приложение 4. Технико-экономические расчеты утилизации побочных продуктов картофелекрахмального производства

(мезги и картофельного сока)

Приложение 5. Акты испытаний и проект технических условий

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока»

Введение

Пищевая промышленность является одной из самых развитых промышленностей в Российской Федерации. Интенсивная обработка и большой объем перерабатываемого продукта обуславливают потенциальное воздействие на окружающую среду. В то же время, загрязнение происходит органическими, а не токсичными веществами.

В крахмалопаточной промышленности большое количество воды используется для технологических целей. Высокий уровень потребления воды на предприятиях влечет за собой образование большого объема сточных вод, которые представляют опасность для окружающей среды. На предприятиях сахарной, крахмалопаточной промышленности большая часть сточных вод образуется при гидротранспортировке и мойке сырья. При этом для получения основной продукции сырье используется лишь на 15 30 %, остальная часть - в отходах. Практически все эти отходы являются вторичными сырьевыми ресурсами, поскольку содержат значительные количества ценнейших веществ: витаминов, клетчатки, белка, микроэлементов и др. Однако содержание сухих веществ во вторичных сырьевых ресурсах пищевой промышленности составляет всего 5-40 %, они не стойкие при хранении: быстро закисают, сбраживаются, теряют ценные компоненты и загрязняют окружающую среду.

Экологическое совершенствование производства предполагает экономию потребляемых ресурсов окружающей среды и сокращение массы отходов. Это может достигаться путем внедрения малоотходных технологий, вывода из эксплуатации морально устаревших основных фондов, создание безотходного производства.

Обоснование выбранного направления исследований. За последнее время в ряде зарубежных стран ведется широкое внедрение наиболее экономичных и высокоэффективных способов очистки сточных вод пищевых производств. Широко используется сочетание классических методов очистки (механические, физико-химические, биологические и т.п.) с новыми методами (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ и т.п.). Ознакомление с литературными данными

и проведёнными ранее исследованиями в области разделения картофельного сока позволяет сделать следующие выводы:

- использование мембранных процессов позволяет разделить и сконцентрировать картофельный сок на белковый концентрат и воду;

- использование мембранных процессов позволяет получить экономию энергоресурсов для предприятия;

- использование мембранных процессов позволяет уйти от применения стадии выпаривания и сброса сточных вод с высоким показателем ХПК.

В связи с этим применение мембранных процессов для разделения картофельный сока является актуальным направлением, которое позволяет устранить сброс сточных вод предприятия в окружающую среду и снизить потребление воды на единицу продукции.

Цель исследований

Разработка технологии мембранного разделения и концентрирования картофельного сока, обеспечивающей максимальное использование его СВ, повышение кормовой ценности картофельного корма и возврат до 80% воды в производство.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать разные типы мембранных элементов для проведения процесса ультрафильтрации картофельного сока;

- провести математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока и определить оптимальные показатели факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации;

- исследовать процесс двухступенчатого разделения картофельного сока;

- разработать технологическую схему мембранного разделения картофельного сока;

- провести опытно-промышленные испытания предложенной технологической схемы;

- провести оценку экономической эффективности производства сухого корма, разработать технические условия на сухой корм.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Получены новые данные процесса ультрафильтрации картофельного сока с использованием различных типов ультрафильтрационных мембранных элементов.

Впервые определены оптимальные технологические параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока на современных керамических мембранных элементах.

Получены новые данные процесса концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с использованием рулонных полимерных обратноосмотических мембран.

Установлено, что применение двухступенчатого разделения картофельного сока с использованием мембранной технологии обеспечивает концентрирование до 88 % сухих веществ (СВ) исходного картофельного сока.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

• Разработана мембранная технология двухступенчатого разделения и концентрирования картофельного сока.

• Предложено смешивание концентратов картофельного сока с обезвоженной картофельной мезгой для получения сырого корма с повышенной кормовой ценностью с последующим его высушиванием.

• Проведена апробация технологии в условиях опытного производства ГНУ ВНИИК и на предприятии ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия).

• Разработаны технические условия на «Корм картофельный сухой» №9189-124-00334735.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выбор типа и марки мембраны для стадии ультрафильтрации картофельного сока;

2. Оптимизация и математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока с применением ультрафильтрационных мембран фирмы INOPOR GmbH;

3. Двухступенчатое концентрирование картофельного сока с использованием обратноосмотических мембран.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены: на Международной научно-практической конференции «XVIII International starch convention Cracow-Moscow» (г. Краков, 2010);

5-й Конференции молодых ученых и специалистов РАСХН «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов питания» (г. Москва, 2011); Международной научно-практической конференции «XIX international starch convention Moscow-Krakow» (г. Москва, 2012);

6-ой Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН (г. Видное, 2012); Международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления» (г. Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора научно-технической литературы, описания материалов и методов исследований, результатов исследований и их анализа, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 57 таблиц, 53 рисунка. Список литературы включает 45 наименований, в том числе 10 иностранных источников.

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Побочные продукты картофелекрахмального производства и их утилизация

Пищевая промышленность занимает одно из первых мест среди отраслей народного хозяйства по расходу воды на единицу выпускаемой продукции. Большое количество воды используется для технологических целей, например, для первоначальной очистки сырья, смывания в лотках и желобах, обесцвечивания, пастеризации, очистки технологического оборудования и охлаждения готового продукта.

На предприятиях сахарной, крахмало-паточной, консервной, винодельческой отраслей основной объем сточных вод образуется при гидротранспортировке и мойке сырья. Для сточных вод этих отраслей характерен высокий показатель содержания взвешенных органических веществ. Этот осадок в течение многих лет накапливается в отстойниках и на полях фильтрации, что приводит к переполнению карт полей фильтрации и попаданию сточных вод в открытые водоемы [23].

Уровень БПК (биологической потребности в кислороде) колеблется от 5,3 тыс. мгОг/л в сахарной промышленности до 1,4 тыс. мг02/л в консервной. Уровень ХПК (химической потребности в кислороде), тыс. мгОг/л, в сахарной промышленности составляет 7,5, в крахмало-паточном производстве - 2,9, в пивоварении - 1,2. Состав сточных вод позволяет использовать их для орошения сельскохозяйственных культур, что решает задачи очистки и повышения плодородия почвы.

За рубежом активно ведут разработки по комплексному использованию сырья и безотходной переработки образующихся вторичных ресурсов в целях получения кормов, кормовых и пищевых добавок. На сегодняшний день можно выделить следующие наиболее распространенные методы по обезвреживанию и повторному использованию отходов производства картофельного крахмала:

1. Корм для животных. Непосредственно после отжимания или сушки, как силосованный корм для животных или добавка используются отходы переработки плодов и овощей, в том числе картофеля (картофельная мезга или картофельный сок) [31].

2. Компостирование - природные микробиологические процессы, в которых разложение органических веществ осуществляется в аэробных условиях (могут использоваться обезвоженный осадок отходов пивоваренных заводов, отходы плодов и овощей, отходы производства желатина).

3. Ферментация. Биомасса (отходы сельскохозяйственных продуктов) используется для производства этанола, картофельные отходы - для производства метана, сахар и крахмал - для производства разлагающихся под действием окружающей среды пластмасс [23].

Одной из наиболее важных проблем картофелекрахмального производства является переработка картофельного сока и мезги, которые содержат большое количество биологически активных веществ и, по сути, являются вторичным сырьем [16, 17].

При переработке картофеля на крахмал по передовой технологической схеме с использованием гидроциклонных установок разной мощности образуется два продукта: крахмальная суспензия с концентрацией сухих веществ (СВ) = 36+40 % и смесь мезги с картофельным соком с СВ = 6,5+7,0 % в количестве 120 т на 100 т перерабатываемого сырья. Эта смесь является побочным продуктом картофелекрахмального производства. Существует много разнообразных технологических схем переработки картофеля на крахмал, например с выделением картофельного сока непосредственно из измельчённого картофеля (кашки) и мезги после промывания её и выделения свободного крахмала.

В таблице 1 приведен примерный баланс СВ картофеля при переработке картофеля по двум схемам с выделением картофельного сока и с использованием гидроциклонной установки [27].

Таблица 1. Примерный баланс сухих веществ картофеля в продуктах и в сточной воде картофелекрахмального производства, %, к массе картофеля

Состав Картофель Полученный крахмал Мезга Картофельный сок Сточная вода

1 2 3 4 5 6

Схема с выделением картофельного сока

Крахмал 16,00 13,60 1,88 0,34 0,18

Клетчатка 1,30 - 1,30 - -

Растворимые углеводы 1,10 - 0,15 0,67 0,28

Минеральные вещества 1,00 0,05 0,25 0,42 0,28

Азотистые вещества 2,00 - 0,24 1,14 0,62

Жиры 0,15 - 0,02 0,10 0,03

Прочие вещества 0,95 0,02 0,36 0,39 0,18

Всего 22,50 13,67 4,20 3,06 1,57

Схема с использованием гидроциклонных установок для разделения кашки на

крахмальную суспензия и смесь мезги с картофельным соком

Крахмал 16,00 14,08 - 1,92 -

Клетчатка 1,30 - - 1,30 -

Растворимые углеводы 1,10 - - 1,10 -

Минеральные вещества 1,00 0,05 - 0,95 -

Азотистые вещества 2,00 - - 2,00 -

Жиры 0,15 - - 0,15 -

Прочие вещества 0,95 0,02 - 0,93 -

Всего 22,50 14,15 - 8,35 -

При переработке картофеля по технологической схеме с выделением картофельного сока при промывании крахмала и картофельной мезги образуются соковые промывные воды, являющиеся сточными водами.

Количество сточных вод зависит от степени разбавления продуктов

о

и колеблется в пределах от 4 до 9 м на 1т перерабатываемого картофеля. При утилизации побочных продуктов образование сточных вод снижается на 80-90 %. При переработке картофеля по схеме с гидроциклонной установкой процессовые сточные воды образуются только от мойки технологического оборудования, лабораторных и хозбытовых нужд. В таблице 2 приведен состав побочных продуктов картофелекрахмального производства в % на сухое вещество [27].

Таблица 2. Состав побочных продуктов картофелекрахмального производства, % на СВ

Состав Мезга Картофельный сок Смесь мезги с картофельным соком

Крахмал 45,0 10,0 23,0

Клетчатка 30,0 - 15,6

Растворимые углеводы 2,0 24,0 13,2

Минеральные вещества 6,0 14,0 11,4

Азотистые вещества 6,0 35,0 24,0

Жиры 0,6 3,0 1,8

Прочие вещества 10,4 14,0 11,0

На картофелекрахмальных заводах, оснащенных центрифугами для выделения картофельного сока и дуговыми ситами для вымывания крахмала из кашки и промывания мезги одним из эффективных способов использования картофельного сока является изготовление сырых кормов. Их готовят смешиванием прессованной мезги (влажностью 80 %) с неразбавленным картофельнбым соком. На заводах, не имеющих прессов, мезгу обезвоживали на центробежно-лопастных ситах до 90 %-ной влажности.

В таблице 3 представлен примерный выход сырых кормов для завода, перерабатывающего 100 т картофеля в сутки [27].

Таблица 3. Примерный выход сырых кормов при переработке 100 т картофеля в сутки

Вид корма Вариант I Вариант II

Содержание сухих веществ Количество Содержание сухих веществ Количество

% т т % т т

Мезга 20,0 3,49 17,45 10 3,49 34,90

Картофельный сок 6,0 3,92 53,70 6,0 3,92 53,70

Сырой корм 9,4 6,71 71,20 7,0 6,71 88,60

Сырой корм подлежит немедленной реализации, т.к. является скоропортящимся продуктом.

Картофельный сок содержит до 22 аминокислот, в том числе такие ценные, как лизин, метионин, валин, фенилаланин, аспарагиновая

и глутаминовая кислоты, цистеин, триптофан, серии, гистидин и глицин. Во ВНИИ крахмалопродуктов на автоматическом жидкостном аминокислотном анализаторе НД-1200Е определен количественный состав некоторых свободных аминокислот в картофельном соке (таблица 4) [27]. Таблица 4. Состав аминокислот в картофельном соке

Содержание свободных аминокислот Содержание,

(Ых6,25) в картофельном соке г/кг СВ

Лизин 31,9

Метионин 1,53

Треонин 5,63

Валин 12,69

Изолейцин 10,19

Лейцин 9,49

Фенилаланин 9,6

Гистидин 16,01

Аргинин 8,9

Аспарагиновая кислота 82,7

Серин 3,29

Глутаминовая кислота 41,71

Пролин 11,72

Глицин 3,43

Алании 8,57

Всего 257,36

В картофельном соке содержатся лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие органические кислоты, витамины Вь В2, а также ферменты амилаза, фосфатаза, тирозиназа и др.

Питательная ценность белковых веществ картофельного сока составляет около 81 % питательности куриного яйца. Установлено, что пищевая ценность выделенного картофельного белка такая же, как пищевая ценность белка цельной пшеницы, гречихи и овсянки и значительно превосходит пищевую ценность белка ржи, пшена и кукурузы. Минеральный состав картофельного сока включает: железо, фосфор, серу, хлор, кальций, калий, а также микроэлементы: медь, бром, марганец, кобальт. Около 74 % зольных элементов находится в растворимом состоянии.

л

В 1 м неразбавленного картофельного сока содержится 3,5-5 кг калия, 0,6-0,9 кг фосфора, 0,2-0,3 кг магния.

Картофельный сок может быть использован для удобрительных поливов с/х полей. Агромелиоративный потенциал картофельного сока представлен в таблице 5.

Таблица 5. Агромелиоративный потенциал картофельного сока при разных нормах удобрительного полива

Удобрительная норма, м /га кг/га, вносимые в почву с картофельным соком Общий агромелиоративный потенциал, кг/га

взвешенные вещества органические соединения N2 К Р Са

100 30 250 200 100 45 15 640

300 90 750 600 300 135 45 1920

500 150 1250 1000 500 225 75 3200

Рекомендуемая норма полива для зерновых культур меньше 300 м /га,

о

для кукурузы, подсолнечника и многолетних трав - до 500 м /га. Удобрительные поливы рекомендуется осуществлять в осенне-зимний период (до появления большого снежного покрова). Поливы можно проводить по пашне и по стерне, а также по пласту многолетних трав. Опыт использования удобрительных поливов накоплен в Швеции, а также в Финляндии.

При необходимости смесь разделяют на центрифугах типа ОПИ на мезгу и картофельный сок. Мезга реализуется на корм скоту, а картофельный сок вывозится на поля для удобрительных поливов.

Смесь мезги с картофельным соком может быть использована на корм скоту в сыром или запаренном виде. В смесь переходят все некрахмалистые вещества, содержащиеся в картофеле: азотистые, минеральные, сахара, клетчатка, витамины, органические кислоты и др., а также связанный крахмал в мезге, остающийся в неразорванных клетках.

Суточная норма скармливания смеси в сыром виде: дойным коровам по 20 + 25 кг; молодняку крупного рогатого скота от 6-ти месяцев до 1 года по 7 + 12 кг; старше 1 года по 20 + 25 кг. Суточная норма скармливания

в запаренном виде соответственно по 20 + 25 кг, 10 15 кг и 20 25 кг. Свиньям смесь скармливают только в запаренном виде по 6 8 кг в сутки.

На предприятиях, вырабатывающих картофелепродукты, образуются твердые отходы в виде некондиционного картофеля, отходы после инспекции очищенного и резаного картофеля. Эти отходы необходимо перерабатывать на крахмал, для чего существуют линии, включающие специальное оборудование, в том числе и гидроциклонные установки.

Кроме того в воде, ополаскивающей резаный картофель, накапливается свободный крахмал, который выделяют из этой воды на центрифугах с получением крахмальной суспензии, содержащей 14 -М5 % СВ.

При поступлении на гидроциклонную установку измельченных твердых отходов картофеля и крахмальной суспензии получается смесь мезги с картофельным соком, содержащая от 4,5 до 5,5 + 6,0 % СВ. При разделении такой смеси на центрифуге ОГШ СВ картофельного сока колеблются от 2 до 3 % СВ и требует концентрирования при его утилизации [1].

Известны разные способы утилизации побочных продуктов картофелекрахмального производства:

• получение углеводно-белкового гидролизата (УБГ) и сухого белкового корма. При этом способе предусматривается: разваривание смеси мезги с картофельным соком; разжижение осахаренной смеси; высушивание надситового продукта с получением сухого белкового корма и уваривание подситового продукта с получением УБГ;

• получение сухого белкового корма и жидких кормов. По этой технологической схеме производят термическую обработку сока, подавая его под давлением 0,3 МПа в трубопровод, по которому сок поступает в сборник для отстаивания и поддержания рН = 4,5 за счет добавления серной кислоты. Под действием температуры (85 90 °С) и серной кислоты происходит коагуляция белка. Скоагулированный белок выделяют с помощью центрифуги, затем высушивают на двухвальцовой сушилке. Картофельный сок, освобожденный от белка, смешивается с мезгой, рН смеси доводится

до 7 и смесь выводится на откормочные пункты. Сухой белковый концентрат используют в комбикормовой промышленности [7];

• получение сгущенного картофельного белка и уваренного картофельного фильтрата. По этому способу предусматривается очистка картофельного сока от мезги и крахмала, коагуляция белков в коагуляторе с паровой рубашкой. Давление более 0,35 МПа, температура продукта поддерживается на уровне 85 + 90 °С;

• известен способ электрохимической коагуляции картофельного белка.

Наибольшие скорости реакции окисления достигаются в области кислых

реагентов при рН = 3,0, что обеспечивается использованием

комбинированных окислителей (Оэ, Н2Ог, ультрафиолетовое облучение,

причем преимущественное окисление происходит у поверхности анода,

а также с использованием озона как наиболее активного окислителя или

диспергированного воздуха). В таблице 6 представлены показатели

электрохимической обработки сточных вод методом электрокоагуляции [9].

Таблица 6. Характерные показатели электрохимической обработки сточной воды

№ Исходные сточные воды Очищенные сточные воды

ХПК, мг02/л рН ХПК, мгОг/л рН после анодной зоны рН после коррекции

1 5431 6,5 700 3,9 6,2

2 5200 6,2 580 3,0 6,2

3 5000 6,8 600 3,6 6,4

4 5150 6,5 620 3,0 6,3

Электрохимическое окисление не даёт полного снижения ХПК до нормы, однако позволяет отделить основное количество белковых веществ [21, 22].

Картофельный белок выделяют на дуговом сите с капроновой сеткой № 43+64. Полученный белок либо высушивается и в сухом виде используется в комбикормовой промышленности, либо в сыром виде отгружается потребителю.

Фильтрат (подситовой продукт) направляется на выпарную станцию, где уваривается до 30 % или до 50 % в случае использования в микробиологической промышленности [15].

Дефицит белка в питании людей вызывает необходимость поиска различных источников сырья для получения белковых изолятов, пригодных для пищевых производств. Целесообразность производства пищевых добавок из картофельного сока обуславливается тем, что картофельный белок (туберин - в изоэлектрической точке рН = 4,45; денатурация - при Т > 60 °С) по аминокислотному составу и усвояемости превосходит все растительные и животные белки, уступая только яичному. Кроме того, он обладает высокой водопоглотительной и эмульгирующей способностью. Поэтому в ряде стран выпускается сухой картофельный белок в качестве хлебопекарного улучшителя, а также пищевого белкового концентрата и изолята. Наличие в картофельном белке белков-ингибиторов протеиназ позволяет создавать пищевые БАДы для снижения аппетита и веса, а также препараты для защиты сельхозкультур от болезней [17].

Для сохранения всех белковых и полезных веществ в картофельном соке следует рассмотреть возможность применения процессов мембранного разделения. Эти методы отличаются своей селективностью по рассматриваемому веществу и протекают при низких температурах.

1.2. Исследования по применению мембран для разделения и концентрирования картофельного сока, а также для очистки соково-промывных вод картофелекрахмального производства

В общем виде процесс мембранного разделения можно представить как фильтрацию через молекулярные сита. При под действием давления в растворах происходит перераспределение веществ. Растворитель, как более низкомолекулярное соединение, проходит через мембрану, а растворенное вещество или часть веществ задерживается. Однако механизм мембранной фильтрации через полупроницаемую мембрану окончательно не изучен [8,33].

Существует несколько гипотез, объясняющих механизм фильтрации через полупроницаемую мембрану. Наиболее известными являются следующие:

1. Гипотеза ультрафильтрации

2. Гипотеза молекулярной диффузии

3. Гипотеза активной диффузии

4. Гипотеза молекулярной адсорбции

5. Гипотеза капиллярно-фильтрационная для водных растворов электролитов.

Все перечисленные модели механизма полупроницаемости имеют ряд недостатков, и ни одна из них не является всеобъемлющей.

Наиболее полное объяснение дает капиллярно-фильтрационная модель полу проницаемости, которая заключается в следующем. В растворе ионы гидратированны. Различают первичную и вторичную гидратации, т.е. первый и второй слой молекул воды (или другого растворителя) располагаются вокруг иона. Первичная гидратация имеет более прочные связи между молекулами воды и ионом, вплоть до образования донорно-акцепторной связи. Вторичная оболочка образует только электростатическое взаимодействие с первично гидратированным ионом.

При относительно низкой концентрации размер вторичной гидратной оболочки составляет 1,5 2,0 нм. Это соизмеримо с диаметром пор полупроницаемых мембран. Электростатическое взаимодействие не является единственной гидратацией, иногда химическое взаимодействие является преобладающим.

Технологическая характеристика современных полупроницаемых мембран включает следующие основные свойства [30]:

- селективность;

- удельная производительность;

- размер пор.

Селективность - количество вещества, удерживаемого мембраной, выраженное в процентах:

С-, .....

1 2 х 100

С,

где: Я — селективность, %; Сь С2 — концентрация вещества в исходном продукте и пермеате, соответственно, мг/л. Для характеристики мембраны обычно селективность выражают по №С1.

Удельная производительность выражается количеством фильтрата, прошедшего через единицу поверхности в единицу времени:

г_ V

•у

где: в - производительность мембраны, л/м -час; V - объем

-у

полученного ультрафильтрата, м ; Б - поверхность мембраны, м ; т - время, в течение которого осуществлялся процесс ультрафильтрации, час.

За размер пор принимается средний диаметр пор мембраны, выраженный в нм (1 нм = 10"9м) или в мкм (1мкм = 10"6м).

Селективность и удельная производительность мембран зависят от многих факторов: материала и физико-химической структуры мембраны, концентрации исходной смеси „ и её температуры, давления и гидродинамических условий в системе и т.д.

Для изготовления мембран используют главным образом следующие материалы:

- ацетатцеллюлозу и другие эфиры целлюлозы;

- поливинилхлорид;

- целлюлоза;

- поликарбонаты;

- ароматические полимеры;

- стекловолокно;

- керамика.

Для элекртодиализа готовят катионные и анионные мембраны. К полупроницаемым мембранам предъявляются следующие требования:

- высокая селективность;

- высокая удельная производительность;

- устойчивость к действию среды разделяемой системы и её компонентов;

- микробиологическая стойкость;

- устойчивость характеристик в процессе эксплуатации;

- достаточная механическая прочность, отвечающая условиям перевозки, монтажа, хранения;

- низкая стоимость.

Мембранные процессы фильтрации и, в частности, микрофильтрация (МФ) и ультрафильтрация (УФ) являются сепарационными процессами, которые протекают под давлением с использованием пористых полимерных или неорганических материалов. Эти процессы за последние 30 лет нашли широкое применение в различных отраслях промышленности для очистки или концентрирования жидких сред. Процессы фильтрации обычно классифицируются в соответствии с размером частиц, задерживаемых или пропускаемых фильтром. Можно выделить два главных класса процессов: обычная фильтрация частиц и мембранный процесс фильтрации. Обычная фильтрация частиц используется при выделении взвешенных частиц размером больше чем 10 мкм, в то время как мембранная фильтрация отделяет частицы, размер которых меньше, чем 10 микрон. Между обычной фильтрацией и мембранной фильтрацией имеется несколько существенных различий [10, 11, 12]:

Заключение диссертации по теме «Технология сахара и сахаристых продуктов», Волков, Николай Валерьевич

Выводы

1. Проведена оптимизация и разработана математическая модель оптимизации факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации картофельного сока. На основании математической модели определены оптимальные параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока: трубчатая керамическая мембрана с номиналом пор 30 нм; трансмембранное давление Р^м = 0,47 МПа; температура Т = 45 °С; концентрация исходного картофельного сока 3,5 % СВ.

2. Для ультрафильтрационного разделения картофельного сока рекомендуются к использованию 19-ти канальные керамические ультрафильтрационные мембранные элементы марки ЕЧОРСЖ и отечественного производства КУФЭ 30 нм.

3. Установлено, что на второй ступени разделения картофельного сока могут быть рекомендованы полимерные обратноосмотические мембранные элементы ЭРО фирмы ЗАО НТЦ «Владипор». Отмечено, что процесс двухступенчатого разделения и концентрирования картофельного сока позволяет получить О.О.-концентрат с 22 % СВ, что обеспечивает концентрирование до 88 % СВ исходного картофельного сока.

4. Разработана технологическая схема мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока с использованием концентратов для получения сырого корма с последующей сушкой.

5. Проведены опытно-промышленные испытания предложенной технологической схемы на предприятии ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия). При проведении испытаний достигнута концентрация СВ в обратноосмотическом концентрате до 22 % при рабочем давлении 5,0 МПа.

6. Разработаны технические условия на картофельный корм сухой и проведен расчет экономической эффективности от внедрения мембранной технологии для завода производительностью 100 т картофеля в сутки, который показал рентабельность производства на уровне 40 % при сроке окупаемости капитальных затрат 2,5 года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Волков, Николай Валерьевич, 2013 год

Список литературы

1. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов - Москва -Пищепромиздат - 2001

2. Альперн В. Д. / Мембранная технология в пищевой промышленности Альперн В. Д., Григорьева Т. А., Ерышев В. Б., Хиленко Н. А. // Применение мембран в пищевой промышленности: Обзор. Владимир. 1998, с. 1-143.

3. Брык М.Т. Мембранная технология в пищевой промышленности / Брык М. Т., Голубев В. Н., Чагаровский А.П. // Издательство: Урожай - 1991 - С. 224

4. Вечер A.C., Масный М.Н.. Определение содержания белка (экспресс-метод) физиология и биохимия культурных растений. Т.6, вып. 2-1974.

5. Вознесенский В. А. Статистический методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Финансы и статистика, 1981. -263 с.

6. Гулюк Н.Г., Облезова Т.П., Артюшенко А.И., Изучение возможности применения ультрафильтрации для очистки продуктов крахмалопаточного производства // Отчет ВНИИК № 3782. - 1976. - 83с.

7. Дамберг Б.Э., Данилевич А.Ф., Рейнхолде Дз.В., Рожукалнс Д.Я. Комплексное использование картофельного сока // Корма из отходов АПК. Техника и технология. Запорожье. - 1988. - С. 93-94.

8. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы разделения жидких смесей. -Москва - Химия, 1975

9. Заяц Е.М., Ющенко И.Б. Технология электрокоагуляции белка картофельного сока // Материалы международной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в АПК» - Минск. - 1997. - С. 163 - 164.

Ю.Зябрев А.Ф. Применение мембранных процессов при переработке молочных продуктов. Мембранные системы БИОКОН // Переработка молока. - 2001 -№ 12-С. 8-9.

П.Зябрев А.Ф. Мембранные системы «БИОКОН». Применение мембранных процессов при переработке молочного сырья // Переработка молока. - 2002. -№1 - С. 10-12.

12.3ябрев А.Ф. Применение мембранных процессов при переработке молочных продуктов. Мембранные системы БИОКОН // Переработка молока . - 2001 -№ 12 - С. 8-9

13.3ябрев А.Ф., Кравцова Т. А. Производство творога с применением ультрафильтрации // Переработка молока. - 2008. - №10. - С. 46 - 47

14.3ябрев А.Ф. Микрофильтрация молока - искусство или технология? // Переработка молока. - 2008. - №3. - С. 14-15

15.Клинцаре A.A., Упите Д.Я., Лумпане В.А., Использование отходов картофеле-крахмального производства для получения протеиновых кормовых продуктов // Корма из отходов АПК. Техника и технология. Запорожье. - 1988. - С. 94-95.

16.Кудряшов B.JI. Использование мембранных процессов при переработки растительного сырья // Пищевая промышленность. -2013. -№9 -с. 14

17.Кудряшов B.JL, Лукин Н.Д., Унифицированно-гибкие сквозные аграрно-пищевые технологии производства кормовых и пищевых добавок из вторичного сырья картофелекрахмальных заводов и зеленого сока трав // Труды международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления». -Москва.-2013.-С. 151-158.

18.Лазарев С.И. Очистка сточных вод крахмало-паточных производств баромембранными методами // Известия вузов. Пищевая технология - 1997. -№2-3.-С. 78-80

19.Лазарев С.И. Ультрофильтрационное разделение растворов крахмалопаточных производств // Известия вузов. Пищевая технология -2000-№ 1-С. 91-93

20.Лукин Н.Д. Технологический контроль картофелекрахмального производства / Лукин Н.Д., Кривцун Л.В., Костенко В.Г., Дягтерев В.А. // Методическое пособие - Москва - 2008 - 72 с.

21 .Мгебришвили Т.В.; Цераиди М.Ф.; Панков Ю.Н.; Хайлыиер К. Разработка экологически приемлемого способа очистки сточных вод картофелекрахмальных заводов // Труды Кубанского государственного технологического университета, - 1999; Т.5,вып.1. - С. 213-216

22.Митрохин Г.В., Орешкина М.В. Перспективный способ коагуляции белка картофельного сока [Электрохимический коагулятор для получения углеводного белкового гидролизата, сухого белкового концентрата] // Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и сотрудников Рязан. гос. с-х. акад., - 1997. Т. 2. - С 76 - 78

23.Михайлов A.B., Мироненко В.Ф. Негативное воздействие отходов пищевой промышленности на окружающую среду // Девятая научно-практическая конференция с международным участием. Сборник статей и докладов -Барнаул - 2006 - С. 239 - 244.

24.Мулдер М. Введение в мембранную технологию. - Москва: Мир, 1999. -513с.

25.0блезова Т.П. Исследования по мембранной очистке соково-промывных вод картофелекрахмального производства / Облезова Т.П., Кривцун Л.В., Артюшенко А.И. // ЦНИИ ТЭИ Пищепром, серия 5, крахмалопаточная промышленнось, вып. 4, С. - 34-38

26.Петрунина, А.Д. Мембранные методы в пищевой промышленности / А.Д. Петрунина. - Москва : АгроНИИТЭИПП, 1993. - 20 с.

27.Романенко В.Н., Филиппова Н.И. Комплексное использование сырья в крахмалопаточном производстве. М., Агропромиздат.-1985

28.Сатаев М.И. Интенсификация гидродинамических характеристик и массопереноса при ультрафильтрации с целью снижения концентрационной поляризации // Вестник евразийского университета. -2004, №3. - С. 186-193.

29.Скржипек И., Скржипек М. Решение качеств молока с помощью микрофильтрации // Молочная промышленность.- 2002.-№ 2.-С. 53 - 54.

30.Теоретические основы пищевых технологий. Книга 2. Под редакцией академика РАСХН В.А.Панфилова - М.-«Колос» - 2009. с. 667-673

31.Томмэ М.Ф. Корма СССР. Состав и питательность // - Москва - 1964

32.Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. / В.В. Федоров. -М.: Наука, 1971.

33.Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. М.: Химия, 1981.-С. 464.

34.Cancino В. Corn starch waste water treatment with membrane technologies: pilot test / Cancino В., Rossier F., Orellana C. // Desalination - 2006 - V. 200 № 1-3. P. 750-751.

35.Darnoko, D. Saccharification of cassava starch in an ultrafiltration reactor / Darnoko, D., Cheryan, M., & Artz, W. E. // Enzyme and Microbial Technology -1989 №11 - P. 154-159.

36.Evzen Sârka Possibilities for the use of membrane processes for the pre-treatment

V

of wastewater from the production of dried potato purée. / Evzen Sârka, Vladimir Pour, Anezka Veselâ, Zdenëk Bubnik // J. Desalination - №249 - 2009 P. - 135138

37.Gaouar, O. 1997 Enzymatic hydrolysis of cassava starch into maltose syrup in a continuous membrane reactor / Gaouar, O., Aymard, C., Zakhia, N., & Rios, G. M. // Journal of Chemical Technology and Biotechnology, - 1997 №69 -P. 367-375.

38.Harmen J. Zwijneberg Native protein recovery from potato fruit juice by ultrafiltration / Harmen J. Zwijneberg, Antoine J.B. Kempeman, Marcel E. Boerrigter, Martin Lotz, Jan F. Dijksterhuis, Poul Emil Poulsen, Geert-Henk Koops // Desalination - №144 - 2002 P. - 331-334

39.Kedziora P. An attempt to application of continuous recycle membrane reactor for hydrolysis of oxidised derivatives of potato starch / Kedziora P. Le Thanh J.,

Lewandowicz G., Prochaska K. // Journal of Membrane Science - №282 - 2006 -P. 14-20

40.Paolucci-Jeanjean, D. The effect of enzyme concentration and space time on the performance of a continuous recycle membrane reactor for one-step starch hydrolysis / Paolucci-Jeanjean, D., Belleville, M. P., Rios, G. M., & Zakhia, N.// Biochemical Engineering Journal, №5, - 2000 - P. 17-22

41.Reimann W. Influence of organic matter from waste water on the permeability of membranes // Desalination 109 -1997 - P. 51-55

42.Reimann W. Ultrafiltration of agricultural waste waters with organic and inorganic membranes / Reimann W. Yeo I.// Desalination -109 -1997 - P.263-267

43.Ruffer H. Experiences with a re-verse osmosis pilot plant for the concentration of potato fruit water in the potato starch industry / Ruffer H., Kremser U., Seekamp M. // Starch /Stärke - 1997 -P. 49

44.Slominska L. Studies on enzymatic continuous production of cyclodextrins in an ultrafiltration membrane bioreactor / Slominska L., Szostek A., Grzeskowiak A., // Carbohyd. Polym. №50 - 2002 - P. - 423-428

45 .http://agrosbornik.ru/drygoe/373-2011-10-27-17-34-44.html