Данное изобретение относится к способу производства сахара (сахарозы) из сахарной свеклы.
Традиционный способ производства свекловичного сахара включает мойку свеклы, измельчение ее в стружку, экстрагирование сока из стружки диффузией, очистку сока известью (дефекацией) и углекислым газом (сатурацией), концентрирование сока многоступенчатым выпариванием, многостадийное уваривание сока в кристаллизаторах, отделение, промывку и сушку сахара.
Экстрагирование сока в традиционном способе проводится в условиях, позволяющих сахару проникать через стенки клеток свеклы. Клеточные стенки пропускают сахара и другие низкомолекулярные соединения, но задерживают высокомолекулярные соединения. Этот процесс селективной диффузии имеет два преимущества. Удерживание высокомолекулярных соединений способствует получению сока высокой чистоты. Это также облегчает фильтрацию, которую затрудняют полисахариды и белки, являющиеся высокомолекулярными соединениями.
Очистка свекловичного сока в традиционном способе основана на обработке известью. Известь выполняет несколько функций в процессе очистки свекловичного сока. Она повышает кислый рН сока до нейтральных значений и осаждает кальциевые соли некоторых органических и неорганических кислот. Осадок адсорбирует другие загрязняющие примеси. Известковый осадок образует пористую массу, которая способствует последующей фильтрации сока.
Однако традиционный диффузионный процесс экстрагирования сока из свеклы имеет и свои недостатки. К недостаткам относится большая длительность процесса, способствующая развитию бактерий и приводящая к потере сахара и образованию нежелательных соединений. Трудно повысить температуру измельченной стружки достаточно быстро для предотвращения роста микроорганизмов. Обычно мезга, остающаяся после диффузии, прессуется, и сок возвращается в диффузор. Значительная часть высокомолекулярных соединений, удерживаемая клеточными стенками в диффузионном процессе, высвобождается при прессовании и смешивается с диффузионным соком. Это частично снижает преимущества селективного диффузионного процесса.
В традиционном процессе известкования (дефекации) используют значительное количество извести, составляющее до 2,5% общей массы перерабатываемой свеклы. На заводах по производству сахара работают печи для получения извести посредством обжига известняка, и для этой цели известняк транспортируется на значительные расстояния. Стоки от процессов дефекации и сатурации, содержащие использованную известь и отделившиеся примеси, утилизируют как отходы производства. Получение извести и утилизация стоков после дефекации сока являются дорогостоящими операциями. Утилизация стоков во многих регионах становится все сложнее и дороже.
Традиционная "тупиковая" фильтрация не позволяет отделить сахарозу от макромолекулярных примесей в свекловичном соке. Из уровня техники известны некоторые способы, в которых для очистки используется мембранная фильтрация, в частности ультрафильтрация без использования дефекации (см, напр., RU 2118664, кл. МКИ C 13 D 3/16, 10.09.1998), но эти способы основаны на обычном технологическом процессе переработки сахарной свеклы, предусматривающем отделение сока при температуре около 70°С, не обеспечивающей высокого выхода продукта.
Таким образом, в настоящее время все еще существует давняя потребность в усовершенствованных способах получения сахара из сахарной свеклы, устраняющих или, по меньшей мере, сводящих к минимуму один или несколько недостатков применяемых в настоящее время способов.
Изобретение предлагает способ производства сахара из сахарной свеклы, предусматривающий получение сока путем мацерации сахарной свеклы или ее кусков или экстракции свекловичной стружки при температуре по меньшей мере 65°С, фильтрацию сока через первую ультрафильтрационную мембрану с первым порогом отсечения по молекулярной массе для получения первого пермеата и первого ретентата, фильтрацию пермеата через вторую ультрафильтрационную мембрану, имеющую второй, более низкий, чем у первой мембраны, порог отсечения по молекулярной массе с получением второго пермеата и второго ретентата, и фильтрацию второго пермеата через нанофильтрационную мембрану с получением нанофильтрационного пермеата и нанофильтрационного ретентата, имеющего более высокую концентрацию сахарозы по сухому веществу, чем исходный сок, и концентрирование этого ретентата до получения сахаросодержащего сиропа.
Мацерацию свеклы или ее кусков обычно проводят в одном или более устройств, таких как мельница или дробилка.
В варианте выполнения свекловичный сок выделяют из свекловичной мацерированной массы путем центрифугирования или вакуум-фильтрации.
Предпочтительно ультрафильтрацию проводят в режиме "кросс-флоу" при температуре по меньшей мере около 80°С с получением пермеата, рН которого составляет около 7,0.
В варианте выполнения нанофильтрационный ретентат очищают электродиализом и очищенный ретентат умягчают путем ионообмена с получением умягченного очищенного сахаросодержащего раствора, из которого удалено по меньшей мере около 65 мас.% несахаров, которые содержались во втором ультрафильтрационном пермеате.
В варианте выполнения первый ультрафильтрационный ретентат подвергают диафильтрации с получением первого диафильтрационного ретентата и первого диафильтрационного пермеата, этот пермеат фильтруют через ультрафильтрационную мембрану, полученный при этом ретентат подвергают диафильтрации с получением второго диафильтрационного ретентата и второго диафильтрационного пермеата, и этот пермеат подвергают нанофильтрации.
Первый и второй ультрафильтрационные ретентаты, нанофильтрационный пермеат и концентрат, полученный при электродиализе нанофильтрационного ретентата, обычно смешивают для получения мелассы.
Первый и второй диафильтрационные ретентаты и нанофильтрационный пермеат также смешивают для получения мелассы.
Температура сока при его фильтрации через первую ультрафильтрационную мембрану может составлять около 60-93°С.
Предпочтительно первая ультрафильтрационная мембрана имеет порог отсечения по молекулярной массе 4000-200000 Дальтон и размер пор не более чем около 0,1 микрона.
Предпочтительно первый ультрафильтрационный пермеат имеет цветность около 3000-10000 международных единиц icu, a второй ультрафильтрационный пермеат имеет цветность не более чем около 4000 icu.
Предпочтительно вторая ультрафильтрационная мембрана имеет порог отсечения по молекулярной массе 500-5000 Дальтон.
Предпочтительно нанофильтрационный пермеат содержит по сухому веществу около 30 мас.% золы, около 30 мас.% инвертного сахара и около 25 мас.% бетаина по сравнению с их содержанием в исходном соке.
В варианте выполнения исходный сок, первый и второй ультрафильтрационный пермеат и нанофильтрационный ретентат обрабатывают реагентом, содержащим серу, в количестве, обеспечивающем его концентрацию по меньшей мере около 100 частей на миллион (ppm).
Предпочтительно в исходный сок перед первой ультрафильтрацией вводят воздух для полимеризации красящих веществ, при этом некоторые из красящих веществ удаляются из сока при этой фильтрации.
Сахарозу обычно кристаллизуют в сиропе, полученном из нанофильтрационного ретентата.
В варианте выполнения очищенный сахаросодержащий раствор выпаривают до получения сиропа и в нем кристаллизуют сахарозу в одну или две стадии.
Оттек, отделенный от кристаллов и содержащий раффинозу, предпочтительно обрабатывают ферментом мелибиазой для удаления по меньшей мере 75 мас.% раффинозы, после чего подают на вторую ультрационную мембрану.
Предпочтительно в способе по изобретению ни известь, ни углекислый газ не контактируют с соком или пермеатом.
Один из конкретных предпочтительных вариантов способа предусматривает следующие стадии: (а) нарезания сахарной свеклы на куски; (b) мацерации разрезанной на куски свеклы; (с) механического отделения сока из мацерированной свеклы; (а) сульфитации экстрагированного сока; (е) доведения значения рН экстрагированного сока по меньшей мере до около 7; (f) мембранной фильтрации сока с получением ретентата и пермеата; (g) диафильтрации ретентата с получением диафильтрата, обогащенного сахаром по сравнению с ретентатом; (h) объединения диафильтрата и пермеата со стадии мембранной фильтрации с получением объединенного сока; (i) концентрирования объединенного сока обратным осмосом с получением концентрированного раствора; и (j) упаривания концентрированного раствора и кристаллизации из него сахарозы.
Этот вариант изобретения имеет много преимуществ по сравнению со традиционным способом, в котором используется диффузия, известкование (дефекация) и сатурация (обработка углекислым газом). Например, данный способ имеет более короткую длительность, что снижает степень микробного разрушения сахарозы. Измельчение мацерированной свеклы уменьшает содержание остающейся в мезге сахарозы до менее чем около 0,5%, тогда как в обычном способе это содержание составляет около 0,75%. Более высокая степень экстракции благодаря мацерации и снижению инверсии сахаров вследствие уменьшения длительности процесса повышает общее количество полученного сахара примерно на 1-2% от общей массы перерабатываемой свеклы.
Данный способ очистки приводит к получению свекловичного сока меньшей окрашенности по сравнению с традиционным способом диффузии и сатурации. Меньшая окрашенность сока позволяет уменьшить промывку конечного кристаллического продукта. Мембранная фильтрация удаляет макромолекулы из свекловичного сока с получением сиропа меньшей вязкости. Сиропы меньшей вязкости быстрее кристаллизуются и легче удаляются с поверхности кристаллической сахарозы. Меньшая окрашенность и низкая вязкость сиропа сокращают рециркуляцию в процессе кристаллизации, приводя к повышению выхода сахара.
Этот способ позволяет устранить печь для обжига извести, добычу извести и все связанное с этим оборудование, процессы, продукты, побочные продукты и отходы. Применение гидроксида натрия для нейтрализации сока примерно на 50% дешевле по сравнению с применением извести. Гидроксид натрия по сравнению с известью более удобен в обращении, чище и менее абразивно действует на оборудование.
Кроме того, данное изобретение приводит к радикальному уменьшению количества отходов, загрязняющих окружающую среду. В традиционном способе на фильтре образуется осадок, включающий материалы, используемые для дефекации, и примеси, удаленные из сока. Этот осадок утилизируют в водоемах или ямах. Предлагаемый способ полностью исключает необходимость утилизации таких побочных продуктов. Инвертные сахара переходят в мелассу, которая является побочным продуктом, подлежащим продаже, и не поступают в отходы. Данное изобретение позволяет также исключить обработку сока углекислым газом, который является основным источником загрязнения атмосферы заводами по производству сахара.
В варианте выполнения изобретения исходный сок, полученный из сахарной свеклы, фильтруют через первую ультрафильтрационную мембрану, имеющую первый порог отсечения по молекулярной массе. На этой стадии ультрафильтрации получают первый ультрафильтрационный пермеат и первый ультрафильтрационный ретентат. Первый ультрафильтрационный пермеат фильтруют через вторую ультрафильтрационную мембрану, имеющую второй порог отсечения по молекулярной массе ниже первого порога отсечения по молекулярной массе. На этой второй стадии ультрафильтрации получают второй ультрафильтрационный пермеат и второй ультрафильтрационный ретентат. Второй ультрафильтрационный пермеат подвергают нанофильтрации через нанофильтрационную мембрану с получением нанофильтрационного пермеата и нанофильтрационного ретентата. Нанофильтрационный ретентат имеет более высокую концентрацию сахарозы по сухому веществу, чем сок, подаваемый на стадию первой ультрафильтрации, и может использоваться в операциях выпаривания и кристаллизации для получения кристаллов белого сахара.
В конкретном варианте изобретения исходный сок получают мацерацией сахарной свеклы или ее кусков с получением мацерированного материала, включающего мезгу и сок, и последующим отделением сока от мезги, например, одним или несколькими центрифугированиями, простой фильтрацией или процеживанием. В одном конкретном варианте сахарную свеклу мацерируют сначала пропусканием через молотковую мельницу и, возможно, затем через жерновую мельницу, и в результате свекла превращается в смесь мезги и сока. Предпочтительно в мезге после отделения сока остается не более чем около 5 мас.% сахарозы, более предпочтительно - не более чем около 3%.
После отделения волокнистой мезги от сока и перед первой ультрафильтрацией сока способ может включать еще одну или несколько необязательных стадий удаления из отделенного сока остаточных свекловичных волокон и осадка. Такое удаление может выполняться процеживанием и/или фильтрацией. Предпочтительно процеживанием или фильтрацией удаляется по меньшей мере 90 мас.% всех волокон и осадка с наибольшим размером около 150 мкм или более, более предпочтительно по меньшей мере 90 мас.% всех волокон и осадка с наибольшим размером около 50 мкм или более.
В другом варианте изобретения вместо мацерации сахарную свеклу измельчают в стружку, а исходный сахарозосодержащий сок получают из нее диффузией.
Можно также перед первой ультрафильтрацией ввести в исходный сок воздух для окисления красящих веществ. Такое окисление, усиливая цвет сока, вызывает полимеризацию красящих веществ, что способствует их удалению при последующей ультрафильтрации. (Когда здесь упоминается полимеризация красящих веществ, то подразумевается, что она включает физическую агломерацию и химическую полимеризацию). Другой альтернативой является введение в исходный сок перед первой ультрафильтрацией перекиси водорода, озона или их обоих. Данные вещества также способствуют окислению.
Предпочтительно перед ультрафильтрацией значение рН исходного сока доводят до около 6-8, например, добавлением основания. Это может способствовать снижению инверсии сахаров до минимума.
Первая ультрафильтрационная мембрана предпочтительно имеет порог отсечения по молекулярной массе по меньшей мере около 2000 Дальтон и размер пор не более чем около 0,1 микрон. Более предпочтительно ее порог отсечения по молекулярной массе составляет около 4000-200000 Дальтон. Пермеат первой ультрафильтрации предпочтительно имеет окрашенность около 3000-100000 международных единиц (international color units - icu). (Все значения окрашенности, приведенные в описании, определены по шкале ICUMSA).
Способ по изобретению может осуществляться при различных условиях процесса. Например, температура сока, подаваемого на первую ультрафильтрацию, может составлять около 60-93°С, более предпочтительно около 71-85°С.
Вторая ультрафильтрационная мембрана предпочтительно имеет порог отсечения по молекулярной массе около 500-5000 Дальтон, более предпочтительно около 1000-4000 Дальтон. В одном конкретном варианте способа вторую ультрафильтрацию проводят в две стадии, причем на первой стадии используют ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения по молекулярной массе около 3500-4000 Дальтон, а на второй стадии используют ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения по молекулярной массе менее чем около 3500 Дальтон. Пермеат второй ультрафильтрации предпочтительно имеет окрашенность не более чем около 4000 icu, более предпочтительно не более чем около 2500 icu.
Для снижения до минимума потерь сахарозы в ретентате первой и второй стадий ультрафильтрации предпочтительно включать в способ стадии диафильтрации. Термин "диафильтрация", используемый в данном описании, означает ультрафильтрацию, при которой в подаваемый поток добавляют воду для ускорения прохода сахарозы через мембрану.
В одном таком варианте способа ретентат первой ультрафильтрации подвергают диафильтрации через по меньшей мере первую диафильтрационную/ультрафильтрационную мембрану. При этом получают первый диафильтрационный пермеат диафильтрации и первый диафильтрационный ретентат. Первый диафильтрационный пермеат затем объединяют с первым ультрафильтрационным пермеатом и фильтруют через вторую ультрафильтрационную мембрану.
Аналогично ретентат из второй ультрафильтрации может подвергаться диафильтрованию через по меньшей мере вторую диафильтрационную/ультрафильтрационную мембрану. Эта стадия второй диафильтрации приводит к получению второго диафильтрационного пермеата и второго диафильтрационного ретентата. Второй диафильтрационный пермеат затем объединяют со вторым ультрафильтрационным пермеатом и фильтруют через нанофильтрационную мембрану.
Ретентаты первой и второй ультрафильтраций (или диафильтрации) и нанофильтрационный пермеат могут быть объединены в качестве мелассы. Если требуется, то эта объединенная меласса может быть сконцентрирована путем упаривания.
В дополнение к стадии нанофильтраци можно включать в способ стадии ионообменной и/или электродиализной очистки. Эти три метода очистки могут использоваться в любой последовательности. В одном особенно предпочтительном варианте способа нанофильтрационный ретентат очищают электродиализом, в результате которого получают очищенный сок и электродиализный остаток, и затем этот очищенный сок очищают ионным обменом, в результате чего получают еще более очищенный сок. Предпочтительно ни известняк, ни углекислый газ не контактируют с любым из пермеатов.
Нанофильтрация удаляет золу (включая моно- и двухвалентные катионы), инверт, органические кислоты, азотистые вещества и другие низкомолекулярные вещества, органические или несущие заряд. С помощью нанофильтрации и возможно электродиализа и/или ионного обмена предпочтительно удаляется по меньшей мере около 65 мас.% Са, Angerer, К, Na и ассоциированных с ними неорганических и органических анионов, которые присутствуют в пермеате второй ультрафильтрации. С помощью ионного обмена оставшиеся двухвалентные катионы, такие как кальций и магний, замещаются одновалентными катионами, такими как калий и натрий. Предпочтительно концентрация двухвалентных катионов в нанофильтрационном ретентате меньше концентрации двухвалентных катионов (по сухому веществу) в пермеате второй ультрафильтрации.
Нанофильтрационный пермеат будет содержать значительный процент примесей, присутствовавших в подаваемом соке. Так, во многих примерах нанофильтрационный пермеат будет содержать по меньшей мере около 30 мас.% (по сухому веществу) золы, по меньшей мере около 40% инверта и по меньшей мере около 25% бетаина, присутствовавших в подаваемом соке.
Содержание золы в очищенном соке (то есть после нанофильтрации и электродиализа и/или ионного обмена в любой последовательности) предпочтительно составляет не более чем около 2,5 мас.% по сухому веществу, более предпочтительно не более чем около 2%, наиболее предпочтительно не более чем около 1,0%.
После стадий мембранной фильтрации (и любой из стадий электродиализа и/или ионного обмена) вода может выпариваться из очищенного сока для получения концентрированного сиропа (например, с содержанием 75% сухих веществ). После этого из концентрированного сиропа может кристаллизоваться белый сахар. Благодаря высокой степени очистки от примесей с помощью данного изобретения в концентрированном сиропе можно провести две кристаллизации белого сахара в отличие от одной кристаллизации в традиционных способах переработки свеклы.
После одной или нескольких кристаллизаций белого сахара из концентрированного сиропа будет оставаться оттек. Этот оттек может рециркулироваться на одну из ультрафильтраций. Возможно рециркулируемый оттек может подвергаться дополнительной очистке для снижения содержания в нем раффинозы.
Способ может также предусматривать, включать сульфитацию одного или нескольких процессовых потоков. В частности, по меньшей мере, один поток, выбранный из группы, состоящей из исходного сока, первого ультрафильтрационного пермеата, второго ультрафильтрационного пермеата, нанофильтрационного ретентата и потока, подаваемого в выпарной аппарат, может контактировать с агентом, выбранным из группы, состоящей из диоксида серы, сульфитных солей, бисульфитных солей, метабисульфитных солей, солей дитионистой кислоты и их смесей, подаваемых в количестве, достаточном для обеспечения в потоке концентрации диоксида серы по меньшей мере около 100 частей на миллион (ppm).
Одним особенно предпочтительным вариантом изобретения является способ производства сахара из сахарной свеклы, предусматривающий стадии:
(a) мацерации сахарной свеклы или ее кусков с образованием мезги, включающей сок,
(b) отделения сока от мезги или, в качестве альтернативы стадиям (а) и (b), измельчения сахарной свеклы в стружку и получения из нее исходного сока диффузией,
(c) фильтрации сока через первую ультрафильтрационную мембрану, имеющей порог отсечения по молекулярной массе около 40000-200000 Дальтон, получая при этом первый ультрафильтрационный пермеат, имеющий окрашенность не более чем около 10000 icu, и первый ультрафильтрационный ретентат;
(d) фильтрации первого ультрафильтрационного перемеата через вторую ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения по молекулярной массе около 2000-4000 Дальтон, получая при этом второй ультрафильтрационный пермеат, имеющий окрашенность не более чем около 4000 icu, и второй ультрафильтрационный ретентат;
(e) фильтрации второго ультрафильтрационного пермеата через нанофильтрационную мембрану, получая при этом нанофильтрационный пермеат и нанофильтрационный ретентат, причем концентрация сахарозы в нанофильтрационном ретентате по сухому веществу выше, чем в соке на стадии (b);
(f) очистки нанофильтрационного ретентата с помощью ионного обмена и/или электродиализа, получая при этом очищенный сок, подаваемый в выпарной аппарат;
(g) выпаривания воды из очищенного сока, подаваемого в выпарной аппарат, с получением концентрированного сиропа; и
(h) кристаллизации белого сахара из концентрированного сиропа.
Возможно данный вариант способа может дополнительно включать стадии:
(i) кристаллизации оттека первой кристаллизации с получением белого сахара;
(j) обработки оттека второй кристаллизации хроматографическим разделением или ферментом для удаления раффинозы; и
(k) рециркулирование обработанного оттека обратно в нанофильтрационный поток или в поток, подаваемый в выпарной аппарат.
Еще одним объектом данного изобретения является способ очистки сахарозосодержащего сока, полученного из сахарной свеклы. Этот способ предусматривает стадии: (а) введения достаточного количества воздуха в сок для того, чтобы вызвать полимеризацию красящих веществ; и (b) удаления по меньшей мере некоторых из красящих веществ из сока мембранной фильтрацией по меньшей мере через одну ультрафильтрационную мембрану или нанофильтрационную мембрану.
Различные объекты данного изобретения обладают рядом преимуществ по сравнению с известными способами производства сахара из сахарной свеклы. Например, способ по изобретению устраняет необходимость применения печи для обжига известняка, добычи известняка и всех, связанных с этим устройств, процессов, продуктов, побочных продуктов и отходов. Данное изобретение приводит также к значительному снижению количества отходов, загрязняющих окружающую среду. В обычном способе образуется осадок на фильтре, который включает материалы, используемые для дефекации, и примеси, удаленные из сока. Этот осадок утилизируется в бассейнах или отвалах. Предлагаемый способ полностью исключает обработку диоксида углерода, которая является основным источником загрязнения атмосферы заводами по переработке сахарной свеклы.
Данное изобретение предоставляет эффективный с точки зрения экономических затрат способ снижения содержания золы в свекловичном соке или сиропе, предпочтительно до около 2% или менее (по сухому веществу), более предпочтительно до около 1,5% или менее, наиболее предпочтительно до около 1% или менее. Такое снижение содержания золы является важным, поскольку позволяет дважды кристаллизовать сахарозу из сиропа. В способах переработки свеклы уровня техники содержание золы на уровне 3,5% делало практически невозможным получать более одной кристаллизации сахарозы.
Кроме того, данное изобретение может позволить исключить необходимость обессахаривания полученной мелассы. Стадии эффективной мембранной фильтрации в первую очередь исключают возможность поступления избыточных количеств сахарозы в потоки мелассы.
Данное изобретение также предоставляет экономичный и воспроизводимый способ удаления красящих веществ из свекловичного сока. Он также снижает образование нежелательных кристаллических форм вследствие присутствия избыточных количеств раффинозы.
На сопровождающих иллюстрациях:
Фиг.1 - схема способа получения сахарозы из сахарной свеклы по изобретению, включающего мацерацию свеклы,
Фиг.2 - схема другого варианта способа по изобретению с массовым балансом,
Фиг.3 и 4 - схемы способов, в которых сахарная свекла подвергается мацерации,
Фиг.5 и 6 - схемы способов по вариантам изобретения, в котором свекла измельчается в стружку.
Данное изобретение предлагает усовершенствованный способ получения сахарозы из сахарной свеклы. Один из вариантов изобретения показан на Фиг.1.
Свекла, получаемая с поля, содержится в хранилище 10. Обычно в этом способе используют свежую сахарную свеклу, но может использоваться и замороженная свекла. Свекла из хранилища 10 потоком воды подается в обычный аппарат 12 для мойки свеклы, в котором с поверхности свеклы удаляется грязь. Мытая свекла после мойки поступает на конвейер 14, где вода удаляется. Промывная вода 18 и транспортерно-моечная вода, удаляемая из аппарата 12, поступает в резервуры 20 для обработки сточных вод.
Мытая свекла 21 транспортером 22 подается в аппарат измельчения 24, такой как молотковая дробилка или свеклорезка, где свекла измельчается на куски, например, средней толщиной около 1 дюйма (2-3 см). Куски 26 свеклы из свеклорезки (или, альтернативно, целой свеклы 21) подают в устройство 28 для мацерирования. Это устройство может включать, например, одну или несколько молотковых дробилок (предпочтительно с фиксированными лопастями), в которых имеется множество вращающихся лопастей, установленных на горизонтальном валу и проталкивающих свекловичную массу через разгрузочное сито. Другое мацерирующее устройство может включать одну или несколько жерновых мельниц, в которых в качестве основных истирающих средств служат жернова. Жернова предпочтительно имеют канавки, способствующие мацерации измельчаемого материала, причем жернова могут быть расположены горизонтально или вертикально. Жерновые мельницы в настоящее время являются предпочтительными по сравнению с молотковыми мельницами, хотя можно последовательно использовать мельницы обоих типов (например, молотковую мельницу, а затем жерновую мельницу дискового типа). Предпочтительно для облегчения выгрузки мацерированной свеклы и/или для регулирования температуры оборудования в мацерирующее устройство 28 подают сок 38 или воду 34. Мацерированную свеклу 30 подают в аппарат 32 для вакуумного отделения сока. Этот аппарат может содержать горизонтальную движущуюся пористую ленту, к которой прикладывают пониженное давление (вакуум) со стороны дна. Мацерированную свеклу подают в виде ровного слоя на один (загрузочный) конец 33 ленты. Чистую воду 34 подают на противоположный (разгрузочный) конец 35 ленты. Таким образом, мацерированная свекла и вода в аппарате 32 движутся в противотоке. Сок 36 повторно подается на ленту, предпочтительно в нескольких местах. Данный способ вакуумного отделения сока приводит к получению мезги 68 с низким содержанием сахара и отделенного сока 38 с высоким содержанием сахара. Вакуумное отделение сока проводят при температуре, предпочтительно повышенной до около 80°С для предотвращения роста микроорганизмов и улучшения отделения сока.
Для отделения сока 38 от мезги 68 может использоваться центробежный сепаратор или несколько таких сепараторов. Центробежный сепаратор может состоять из вертикального или горизонтального вращающегося перфорированного барабана, в который вводят мацерированную свеклу и в котором твердую фазу (мезгу) 68 и жидкую фазу (сок) 38 разделяют с помощью центробежной силы, направленной перпендикулярно перфорированной поверхности. В мацерированную свекловичную массу в процессе центрифугирования вводят разбавленный сок 36 для снижения до минимума содержания сахара в мезге 68.
Мезга 68, выходящая из экстрактора 32, имеет очень низкое содержание сахара, но высокое содержание воды. Мезгу отжимают в шнековом прессе для отделения от нее разбавленного сока 72, который содержит около 1% растворенных сухих веществ и около 99% воды. Растворенные сухие вещества содержат около 5% сахарозы и 50% несахаров. Разбавленный сок 72 нагревают до температуры около 80°С в нагревателе 74 и затем возвращают в аппарат 32 в потоке 36. Жом 76 используют в качестве корма для животных с дополнительной сушкой или без нее.
Экстрагированный сок 38 подают в емкость 41 и, возможно, подвергают сульфитации посредством добавления диоксида серы или сульфитных или бисульфитных солей 40, например газообразного диоксида серы или водного раствора бисульфита аммония с концентрацией около 65%. Предпочтительно остаточное содержание диоксида серы в соке после сульфитации составляет по меньшей мере 100 ppm (частей на миллион). Сульфитация может осуществляться при получении свекловичной стружки, мацерации, экстрагировании сока или в других точках процесса, либо в качестве альтернативы, либо дополнительно к стадии сульфитации в данном варианте. Сульфитация предотвращает окрашивание, которое в противном случае усилится при последующей мембранной фильтрации и упаривании. Могут использоваться также другие антиоксиданты.
После этого в резервуаре 43 нейтрализации сок нейтрализуется добавлением водного гидроксида натрия 42 предпочтительно до уровня рН по меньшей мере около 7. Такое регулирование рН помогает предотвратить инверсию сахаров, которая происходит при повышенных температурах. Для регулирования рН могут использоваться и другие химические вещества, например жидкий гидроксид калия или гранулированный карбонат натрия.
Сок, полученный из мацерированной свеклы посредством противоточной вакуумной фильтрации, содержит около 0,2% суспендированных твердых веществ, около 14% растворенных сухих веществ и около 84% воды. Растворенные сухие вещества включают около 85% сахарозы и 15% несахаров. Предпочтительно температура сока составляет по меньшей мере около 65°С, а его рН составляет по меньшей мере 7.
Затем сок может пропускаться через нагреватель 44 для повышения его температуры до около 80°С.
После этого нагретый сок может подвергаться мембранной фильтрации 46, предпочтительно фильтрации в режиме "кросс-флоу", для удаления из него высокомолекулярных соединений. Ультрафильтрация приводит к получению ультрафильтрата (т.е. осветленного сока) 48, который содержит около 12% растворенных сухих веществ и около 88% воды. Эти сухие вещества включают около 90% сахарозы и 10% несахаров. Температура ультрафильтрата 48 предпочтительно составляет около 80°С, а его рН составляет по меньшей мере около 7.
Упомянутый ультрафильтрат имеет чистоту около 90%, что эквивалентно чистоте очищенного сока, полученного традиционным способом переработки сахарной свеклы. Однако имеются важные отличия между несахарами в этих двух продуктах. Очищенный ультрафильтрацией сок (ультрафильтрат) может содержать больше инвертного сахара и/или меньше соединений с большой молекулярной массой по сравнению с соком, очищенным традиционным способом.
Инвертные сахара в соке, очищенном ультрафильтрацией, будут переходить, главным образом, в мелассу без существенного снижения выхода сахарозы. Это является преимуществом по сравнению с традиционным известкованием (дефекацией), при котором продукты реакции извести и инвертного сахара уходят в сточные воды. Меньшее содержание соединений с большой молекулярной массой приводит к получению сока меньшей вязкости, который более удобен для варки сахара.
Ультрафильтрация приводит к уменьшенному окрашиванию сока. Экстрагированный сок 38 обычно имеет окрашенность свыше 100000 icu по шкале ICUMSA. Ультрафильтрат 48 обычно имеет окрашенность менее 2000 icu по той же шкале. Это эквивалентно или меньше окрашенности очищенного сока, полученного традиционным способом. Меньшая окрашенность в сочетании с меньшей вязкостью позволяют повысить эффективность варки сахара. В результате обеспечивается лучшее обессахаривание, более эффективная варка и снижение потерь сахара с мелассой.
В данном изобретении могут использоваться мембраны различных конфигураций, включая, например, спиральные мембраны, мембраны из полых волокон и трубчатые мембраны. Мембраны, пригодные для такого метода отделения, должны обладать двумя уникальными характеристиками. Они должны иметь высокую проницаемость для воды и сахарозы, но низкую проницаемость для красящих веществ и других макромолекулярных соединений. Плотные ультрафильтрационные мембраны с порогом отсечения по молекулярной массе в интервале приблизительно от 1000 до 10000 Дальтон и неплотные нанофильтрационные мембраны с задержкой NaCl около 10% хорошо подходят для такого применения. Мембраны с отрицательным поверхностным зарядом являются предпочтительными, поскольку большинство соединений, которые должны задерживаться, являются отрицательно заряженными.
Ретентат 50 ультрафильтрационного процесса содержит главным образом суспендированные и растворенные примеси. Он также содержит значительное количество сахарозы. Для выделения по меньшей мере части этой сахарозы ретентат подвергают диафильтрации через систему мембран 52 с добавлением воды 54. При диафильтрации извлекается большая часть сахара, оставшегося в ультрафильтрационном ретентате. Диафильтрат 56 содержит около 3% растворенных сухих веществ и около 97% воды. Указанное сухое вещество в диафильтрате включает около 88% сахарозы и 12% несахаров. Предпочтительно температура диафильтрата составляет около 80°С, а его рН выше 7. Ретентат 58 диафильтрационного процесса содержит около 5% суспендированных твердых веществ, 3% растворенного сухого вещества и около 87% воды. Его концентрируют выпариванием и используют в корме для скота; при этом он может быть смешан с прессованным жомом.
Ультрафильтрат 48 и диафильтрат 56 объединяют с образованием объединенного продукта 60. Этот продукт (называемый также очищенным соком) содержит около 11% растворенных сухих веществ и около 89% воды. Эти сухие вещества включают около 90% сахарозы и 10% несахаров.
Система мембран 62 с обратным осмосом может использоваться для предварительной концентрации очищенного сока. Это еще один мембранный процесс в режиме "кросс-флоу", который является менее энергоемким и более экономичным для предварительного концентрирования разбавленных растворов сахарозы, чем традиционные технологии. Продукт 64, выходящий из системы мембран 62 с обратным осмосом, содержит около 20% растворенных сухих веществ и около 80% воды. Эти сухие вещества включают около 90% сахарозы и 10% несахаров.
Пермеат 66 обратного осмоса является водой высокого качества. Часть этой воды 34 используют в противоточной вакуумной фильтрации в аппарате 32, а остальную воду - для других целей, например, в воде 54 для процесса диафильтрации 52.
После этого температуру предварительно концентрированного раствора сахарозы (продукта 64) повышают в нагревателе 80 и затем оставшуюся воду удаляют в выпарном аппарате 82. Сахарозу кристаллизуют как в обычных процессах.
Оборудование, используемое в процессе по Фиг.1, является традиционным и хорошо известным специалистам в данной области техники, это оборудование для мойки свеклы, шнековые диффузионные аппараты и выпарные аппараты. Свеклорезка 24 и мацерирующее устройство 28 являются коммерчески доступными от таких поставщиков, как Н.Putsch GmbH&Company (Hagen, Германия), Maguin Company (Chrames, Франция), Dacota Machine Inc. (West Fargo, Северная Дакота) и The Fitzpatric Company (Elmhurst, Иллинойс). Подходящий ленточный аппарат для вакуумного экстрагирования сока доступен от EIMCO Company (Salt Lake City, Юта) и Dorr-Oliver (Milford, Коннектикут). Центробежные сепараторы доступны от фирмы Western States Machine Company (Hamilton, Огайо) и Silver-Weibull (Hasslehom, Швеция). Подходящие системы мембранной фильтрации доступны от таких поставщиков, как CeraMem Corp. (Walthham, Массачусетс), Koch Membrane Systems, Inc. (Wilmington, Массачусетс) и Osmonics, Inc. (Minnetonka, Миннесота).
В приведенной ниже таблице 1 представлены характеристики некоторых промежуточных продуктов по Фиг.1, а именно содержание сухого вещества в массовых процентах по рефрактометру (RDS), чистота (содержание сахарозы в процентах от общей массы твердых веществ), рН и температура.
Возможно множество вариантов способа. Подходящие модификации включают обратный осмос перед ультрафильтрацией, сульфитацию после ультрафильтрации и стерилизацию мацерированной свеклы химическими или физическими средствами. Другой альтернативой является отдельная обработка сока 72 вместо его возврата в процесс противоточной вакуумной фильтрации. Также можно включить обработку некоторым количеством извести или диоксида углерода. Однако в данном случае предпочтительно осуществлять способ без извести или углекислого газа.
Для дополнительной очистки в данном способе можно использовать хроматографическое разделение. Для хроматографического разделения требуется предварительная обработка сока и смягчение сока. Поскольку сок прошел мембранную фильтрацию и известь к нему не добавлялась, он прекрасно подходит для хроматографического разделения.
Дополнительное мембранное разделение в предложенном способе могло бы позволить отделить сахарозу от других компонентов свекловичного сока, таких как инвертные сахара или олигосахариды.
Можно снижать или исключать применение химических веществ для регулирования рН и сульфитации при использовании свеклы отличного качества. Можно также проводить различные отдельные операции при технологических параметрах, несколько отличных от вышеуказанных вариантов или в приведенных ниже примерах.
Установлено, что обессахаривание мацерированной свеклы может достигать 99,8% на шестой стадии, если на каждой из шести стадии использовать свежую воду. Установлено также, что ультрафильтрацией сока можно получить 99,8%-ный выход сахара при шестистадийном процессе. Однако такой выход может оказаться слишком высоким для промышленного способа, поскольку он предусматривает применение чрезмерных количеств воды для разбавления, которая в конечном счете должна удаляться после отделения сахара.
Массовый баланс способа по изобретению получали при переработке 1000 свекол, содержащих 78% воды и 17% растворимых сухих веществ, с получением сахарозы 89%-ной чистоты и выхода сахара около 99,56% в обеих операциях экстрагирования и диа-фильтрации. На Фиг.2 представлена схема этого варианта способа с массовым балансом. Данные получены экспериментально с использованием известных принципов. "ЭС" ("EJ") означает отделенный (экстрагированный) сок, "УФП" ("UFP") означает ульт-рафильтрационный пермеат, "УФР" ("UFR") означает ультрафильтрационный ретентат, "ДФП" ("DFP") означает диафильтрационный пермеат, "ДФР" ("DFR") означает диафильтрационный ретентат, "СП" ("МР") относится к смешанному пермеату и "ТРН" ("NSDS") относится к растворенным сухим веществам, не являющимся сахарами ("несахарам").
На Фиг.2 свеклу смачивают соком из экстрактора второй стадии. Мацерированную свеклу подают в экстрактор на первую стадию экстрагирования, а сок с этой стадии подают в ультрафильтрационную систему. Жом с первой стадии проходит через несколько стадий экстрагирования до тех пор, пока почти весь сахар (99,5%) не будет экстрагирован. Свежую воду вводят на последней стадии экстрагирования. Полученный сок подвергают ультрафильтрации для отделения 90% сока в виде ультрафильтрата. Ретентат подвергают диафильтрации с объемом свежей воды, превышающим его объем в пять раз. Общий выход сахара в процессе ультрафильтрации и диафильтрации составляет около 99,5% от его количества в сырье.
Могут осуществляться некоторые модификации способа, показанного на Фиг.2. Влажный жом (мезга) может прессоваться для снижения содержания влаги до около 80% и жомопрессовая вода может использоваться для замещения части свежей воды, используемой в экстрагировании. Диафильтрат с последующих стадий также может использоваться для замещения некоторого количества свежей воды в процессе экстракции. Такие модификации снизили бы нагрузку на последующие операции, такие как сушка или транспортировка жома и обратный осмос или выпаривание сока. Однако такие модификации снизили бы эффективность процесса экстрагирования и потребовали бы большего количества стадий.
Хотя способ по изобретению может работать периодически, он особенно подходит для непрерывной работы.
Другой вариант изобретения представлен на Фиг.3. Свекла, убранная с поля, содержится в хранилище 110. В способе обычно используют свежую свеклу, но может использоваться и мороженая свекла. Свекла из хранилища с потоком воды подается в обычную свекломойку, в которой с поверхности свеклы удаляется грязь.
Мытую свеклу с помощью транспортера подают в мацерирующее устройство. Мацерирующее устройство может включать, например, одну или несколько молотковых мельниц 112 и одну или несколько жерновых мельниц 114. В подходящих молотковых мельницах может использоваться несколько лопастей, вращаемых на вертикальном валу и проталкивающих свекловичную массу через сито на выходе. В другом подходящем типе молотковых мельниц используются фиксированные лопасти. Другое подходящее мацерирующее устройство включает одну или несколько жерновых мельниц, в которых в качестве первичного истирающего средства использованы дисковые жернова. Дисковые жернова предпочтительно имеют канавки, способствующие мацерации измельчаемого материала, причем жернова могут быть расположены горизонтально или вертикально. Можно последовательно установить мельницы обоих типов (например, молотковая мельница, а затем жерновая мельница) или только молотковую мельницу.
Мацерированная свекла, выходящая из молотковой мельницы 112, может пропускаться через жерновую мельницу 114, в которой свекла дополнительно мацерируется. Мацерированный продукт, выходящий из мельницы, включает мезгу (то есть волокнистый материал свеклы) и сок, содержащий сахарозу и другие вещества. Побочный сок 116 и 118 может отбираться на выходе из мельницы 112 и мельницы 114 и рециркулироваться в поток, подаваемый в эти устройства. Это увеличивает поток жидкости, проходящей через молотковую и жерновую мельницы 112 и 114, и способствует перемещению твердой части свеклы.
Свекольная масса, выходящая из последней мельницы 114, проходит через сепаратор 120 для отделения сока от волокнистой мезги. Сепаратор 120 может представлять собой центрифугу, фильтр или сито (например, ротационное сито, вибрационное сито или DSM-сито фирмы Dorr-Oliver) или представлять собой комбинацию двух или более таких сит. В варианте способа, представленном на Фиг.3, сепаратор представляет собой центрифугу 120, в которой образуются мезга 122 и сок 124. Мезга проходит через ряд сит 126 и 128 с противотоком водной жидкости, способствующей удалению из мезги остаточной сахарозы. Они могут быть ротационными, вибрационными или DSM-ситами. Встречный поток получают путем введения воды 130 в центрифугу 134 с другого конца ряда сит. Мезгу 132, выходящую из последнего сита 128, затем подают в центрифугу 134, где ее разделяют на жом 136 с низким содержанием воды и отделенный сок 138, причем последний направляют в противотоке к мезге через ряд сит 128 и 126. В центрифуге 134 происходит отделение сока от мезги. Жидкость 119 может отводиться от одного сита, обычно первого, и подаваться в поток сока перед центрифугой 120. Возможно в потоки сока и мезги может вводиться противопенное средство для снижения пенообразования.
Жом 136 содержит некоторое количество остаточной воды и сахарозы, удаляемые в прессе 140. Жомопрессовую воду 142 из пресса 140 рециркулируют на одно из сит 128. Жмых 144, остающийся после прессования, может использоваться в качества корма для животных.
В поток сока 124, выходящий из центрифуги 120, может вводиться воздух 146. Это будет способствовать окислению красящих веществ в соке (например, повышающих окрашивание с 8000 до 16000 icu), которое способствует полимеризации красящих веществ и, таким образом, способствует их удалению при последующей ультрафильтрации. Вместо воздуха или вместе с ним можно также вводить раствор перекиси водорода 148. Перекись водорода также способствует окислению и полимеризации красящих веществ. Альтернативно, вместо перекиси водорода может вводиться озон. В данной точке процесса температуру сока повышают с помощью нагревателя 149, предпочтительно до температуры в интервале 60-93°С, более предпочтительно в пределах 71-85°С.
Этот сок может предварительно подвергаться фильтрованию перед первой ультрафильтрацией, чтобы еще больше снизить содержание волокон. Предварительная фильтрация может осуществляться, например, с помощью вращающегося или вибрационного сита 150. Предпочтительно размер ячеек фильтра или сита 150 составляет примерно 30-100 микрон, и такое сито или фильтр удаляет большую часть (по весу) волокна и осадка, оставшихся в соке.
При желании рН нагретого и отфильтрованного сока 152 может регулироваться посредством введения водного раствора 154, например гидроксида натрия, гидроксида кальция или карбоната калия. Такое регулирование рН способствует предотвращению инверсии сахаров, происходящей при повышенных температурах. Для регулирования рН могут использоваться и другие химические вещества, такие как раствор гидроксида калия или гранулированный карбонат натрия или калия. Предпочтительно рН сока после этой стадии составляет примерно 6,0-8,0, более предпочтительно 6,5-7,5.
Сок после регулирования рН подают на ультрафильтрацию 156, где он контактирует с первой ультрафильтрационной мембраной 158. Эта первая ультрафильтрационная мембрана предпочтительно является трубчатой или спиралевидной и предпочтительно имеет порог отсечения по молекулярной массе по меньшей мере около 2000 Дальтон и размер пор не более чем около 0,1 микрон, и более предпочтительно имеет порог отсечения по молекулярной массе около 4000-500000 Дальтон, наиболее предпочтительно около 10000-200000 Дальтон.
Стадия ультрафильтрации приводит к получению ультрафильтрационного пермеата 160 и первого ультрафильтрационного ретентата 162. В данном варианте способа первый ультрафильтрационный ретентат 162 затем подают на первую диафильтрационную мембрану 164 (диафильтр) с добавлением воды 166. Эта диафильтрационная мембрана может иметь такой же размер пор и такой же порог отсечения по молекулярному весу, что и первая ультрафильтрационная мембрана 158. Первая диафильтрация на мембране 164 приводит к получению первого диафильтрационного пермеата 168 и первого диафильтрационного ретентата 170 (первый поток мелассы). Диафильтрация снижает до минимума потерю сахарозы с мелассой (то есть концентрация сахарозы по сухому веществу в ретентате 170 ниже, чем в потоке 162). Понятно, что может быть несколько стадий ультрафильтрации 158 и/или диафильтрации 164.
Пермеат первой ультрафильтрации 160 обычно будет иметь окрашенность около 3000-10000 icu (международных единиц окрашенности). Пермеат первой ультрафильтрации 160 и пермеат первой диафильтрации 168 объединяют с образованием смеси 172, подаваемой на вторую ультрафильтрационную мембрану 174.
Перед второй ультрафильтрацией в указанную смесь 172 может вводиться сульфитационный раствор 176. Этот раствор может включать, например, диоксид серы или сульфитные, бисульфитные метабисульфитные или соли дитионистой кислоты, например бисульфит аммония или бисульфит натрия (например, с концентрацией около 35-66%). Предпочтительно остаточное содержание диоксида серы в соке после сульфитации составляет по меньшей мере 100 ppm (частей на миллион). Сульфитация может осуществляться в одном или нескольких местах данного процесса, например, при получении свекловичной стружки или при мацерации свеклы, в соке после его отделения от мезги, подаваемом на первую или вторую ультрафильтрацию или нанофильтрацию или в потоке, подаваемом в выпарной аппарат. Наиболее предпочтительно проводят сульфитацию потока, подаваемого на вторую ультрафильтрацию. Эта сульфитация будет предотвращать усиление окрашивания, которое иначе происходит во время операций мембранной фильтрации и выпаривания. Могут использоваться и другие антиоксиданты, а также противопенные средства.
Вторая ультрафильтрационная мембрана 174 предпочтительно имеет порог отсечения по молекулярной массе около 500-5000, более предпочтительно около 2000-4000 Дальтон. Вторая ультрафильтрация приводит к получению второго ультрафильтрационного пермеата 178 и второго ультрафильтрационного ретентата 180. Ретентат 180 затем смешивают с оттеком 234 утфеля второй кристаллизации и пропускают через вторую ультрафильтрационную/диафильтрационную мембрану 182 с добавлением воды 184. Мембрана, используемая для второй диафильтрации, может иметь меньший размер пор и меньший порог отсечения по молекулярному весу, чем вторая ультрафильтрационная мембрана 174. Она служит для удаления раффинозы, поэтому предпочтительна мембрана с размером пор в интервале 500-1000 Дальтон. Данная стадия приводит к получению второго диафильтрационного пермеата 188, который смешивают со вторым диафильтрационным пермеатом 178 и подают на нанофильтр 190, и второго диафильтрационного ретентата 186 (называемого также вторым потоком мелассы). Может быть несколько стадий мембранной фильтрации на второй ультрафильтрации 174 и/или второй диафильтрации 182. Пермеат 178 со второй ультрафильтрации предпочтительно будет иметь окрашенность в интервале 1500-3500 или менее.
В варианте выполнения второй диафильтрационный пермеат 188 и/или первый диафильтрационный пермеат 168 могут рециркулироваться в водные потоки, подаваемые на диафильтрацию.
Альтернативно или дополнительно к ультрафильтрации/диафильтрации ретентат может подвергаться очистке хроматографическим разделением в разделительной системе с псевдоожиженным слоем. Это показано на Фиг.4. Такое хроматографическое разделительное устройство 236 предпочтительно представляет собой многостадийную установку, включающую от трех до двенадцати стадий, более предпочтительно десять стадий. Предпочтительно эта установка выдает три фракции продуктов, одна из которых представляет собой главным образом сахарозу (поток 237), вторая представляет собой главным образом раффинозу и золу, а третья представляет собой главным образом органическое вещество, в том числе органические кислоты. Последние два потока, не содержащие сахарозы, могут смешиваться вместе с получением смеси 186 (называемой также вторым потоком мелассы). Смола, используемая в установке, предпочтительно представляет собой сильнокислую катионную смолу. Сахарозосодержащий поток 237 смешивают с потоком, подаваемым в разделительную установку. В другом варианте его можно подавать на вход устройства для электродиализа 192 или ионного обмена 194 в зависимости от желаемой степени очистки сока.
Второй ультрафильтрационный пермеат 178 затем очищают нанофильтрацией и, возможно, ионным обменом и/или электродиализом в любой последовательности. В варианте, представленном на Фиг.3, сок 178, прошедший ультрафильтрацию, сначала подвергают нанофильтрации 190, затем электродиализу 192 и после этого смягчению ионным обменом 194. Хотя последовательность этих трех операций может меняться, обычно электродиализ предпочтительно проводить после нанофильтрации.
Поток, подаваемый на нанофильтрационную мембрану, обычно включает около 84% сахарозы, 3-6% золы и около 0,5-4,0% инвертного сахара (все проценты по сухому веществу). Нанофильтрационная мембрана 190 разделяет подаваемый поток на нанофильтрационный пермеат 196 (называемый также третьим потоком мелассы) и нанофильтрационный ретентат 191, который будет содержать большую часть сахарозы, полученной из свеклы. Нанофильтрационный пермеат предпочтительно содержит по меньшей мере около 30-60 мас.% золы (главным образом Na, К и Cl), по меньшей мере 30-50 мас.% инверта (глюкозы и фруктозы) и по меньшей мере 25-50 мас.% бетаина, присутствующего в потоке 178, подаваемом на нанофильтрацию. Нанофильтрация будет несколько снижать окрашенность ретентата по сравнению с подаваемым потоком. Обычно нанофильтрационный пермеат будет содержать 20% сахарозы, 25% золы, 20% инверта, 8% бетаина и 25% других органических веществ (по сухому веществу). Предпочтительно нанофильтрационный ретентат 191 будет включать по меньшей мере около 89-91 мас.% (по сухому веществу) сахарозы и будет иметь концентрацию около 15-28 градусов Брикса. Хотя нанофильтрация может эффективно удалять калий, она не удаляет значительный процент лимонной, оксалиловой и малеиновой кислот, которые присутствуют в растворе.
Нанофильтрационный ретентат 191 затем подвергают дополнительной очистке электродиализом 192, который дополнительно удаляет золу и различные органические кислоты и другие примеси, включая те, которые вызывают нежелательное окрашивание. Электродиализ обеспечивает хорошее удаление оксалиловой и малеиновой кислот, причем общее удаление золы обычно превышает 40%. Отделенные примеси 198, выходящие из устройства для электродиализа, объединяют с потоками мелассы 170, 186 и 196 с образованием объединенного потока мелассы 200.
Хотя с помощью электродиализа можно достичь хорошего удаления калия, обычно он не удаляет большое количество магния, который присутствует в растворе. Поэтому очищенный сок 193, выходящий из аппарата для электродиализа (который обычно содержит около 92-94% сахарозы по сухому веществу), затем предпочтительно смягчают в установке ионного обмена 194, которая содержит по меньшей мере одну ионнообменную смолу. Предпочтительной является катионно-обменная смола на основе геля или макропористой матрицы, сшитой на 4-10%. Примерами таких смол являются смолы (фирмы Rohm & Haas) Amberlite IR 120 или Purolite C100. Они могут использоваться в натриевой или калиевой форме. Главная цель этой стадии заключается в удалении двухвалентных катионов, таких как Са и Mg и замещении их одновалентными катионами, такими как К и Na. На стадии такого ионного обмена предпочтительно удаляется по меньшей мере около 95 мас.% присутствующих Са и Mg.
Из ионообменника очищенный сок 202, который предпочтительно включает более чем около 92% сахарозы (по сухому веществу), подают в один или несколько выпарных аппаратов 204, в которых образуется концентрированный сироп 206 (содержащий около 75% сухого вещества) путем удаления значительного количества воды. Возможно в выпарной аппарат вводят сульфитационный поток 205. Предпочтительно рН сиропа будет составлять около 6,5-7,5, температура в процессе упаривания будет около 160-180°F (71-82°C).
Концентрированный сироп 206 затем подают в первый кристаллизатор 208, в котором выпаривают воду и получают утфель 210 первой кристаллизации. Утфель 210 обрабатывают в центрифуге 212, промывают распыляемой водой для удаления любой остаточной жидкости, и получают белый сахаром 214 с содержанием сахарозы около 99,95%. Оттек 216, получаемый после первой кристаллизации и центрифугирования (содержащий обычно около 84-88% сахарозы по сухому веществу), подают во второй кристаллизатор 218, в котором получают утфель второй кристаллизации 220. Этот утфель подают в центрифугу 220 для получения белого сахара 224. В известных способах переработки сахарной свеклы утфель второй кристаллизации растворяли и возвращали в исходный поток, поскольку он не обладал достаточной чистотой для продажи в качестве белого сахара. Данное изобретение позволяет обеспечить две кристаллизации с получением белого сахара достаточно высокой чистоты благодаря лучшей очистке. В предпочтительном варианте кристаллическая сахароза (214 и 224) будет содержать менее чем около 0,015 мас.% золы, еще предпочтительнее менее чем около 0,01% золы, и окрашенность менее 135 icu.
Оттек 234, оставшийся после второй кристаллизации и содержащий обычно около 80% сахарозы (по сухому веществу), может рециркулироваться, например, на вторую ультрафильтрацию/диафильтрацию 182. Поток рециркулируемого оттека можно пропускать через установку очистки для удаления раффинозы. Такая очистка может проводиться хроматографическим отделением раффинозы (см. Фиг.4) (также оставшейся в оттеке, разбавленном до около 60 градусов Брикса) или альтернативно, ферментацией раффинозы 228 (см. Фиг.3). Предпочтительно, если такая очистка 228 включена в способ, концентрация раффинозы в оттеке снижается до значения не более 1,0% по сухому веществу. Ферментом, используемым для гидролиза раффинозы, является α-галактозидаза (мелибиаза), превращающая раффинозу в сахарозу и галактозу. Очистка может проводиться периодическим образом в емкости с мешалкой при температуре 50°С.
Способ по изобретению может включать множество стадий ультрафильтрации, нанофильтрации, диафильтрации, ионного обмена и/или электродиализа. Например, первая ультрафильтрация, показанная на Фиг.3, может осуществляться в две или несколько стадий ультрафильтрации, а не единственной мембраной. Специалисту в данной области будет понятно, что возможно множество других модификаций варианта, показанного на этой фигуре. Ясно также, что способ может осуществляться при различных температурах и других условиях.
Дополнительные варианты данного изобретения представлены на Фиг.5 и 6. Свекла, доставленная с поля, содержится в хранилище 110. В данных вариантах обычно используют свежую свеклу, но может использоваться и замороженная свекла. Свекла из хранилища с потоком воды подается в обычный аппарат для мойки свеклы, в котором с поверхности свеклы удаляется грязь. Мытая свекла может подвергаться измельчению в стружку, например, толщиной примерно четверть дюйма (0,6 см) в свеклорезке 112.
Свекловичная стружка транспортером подается в диффузионную установку 114. Экстрагирование сока в традиционном способе осуществляют путем создания условий, при которых сахар проходит через стенки клеток свеклы. Клеточные стенки позволяют сахарам и другим низкомолекулярным соединениям проходить через них, но задерживают высокомолекулярные соединения. Этот процесс селективной диффузии имеет два преимущества. Задерживание высокомолекулярных соединений способствует получению высокочистого сока. Это также облегчает фильтрование, затрудняемое наличием полисахаридов и белков, которые являются высокомолекулярными соединениями. Мезга, оставшаяся после диффузии, поступает в пресс 126, где из нее отжимается дополнительное количество сока, который может рециркулироваться в диффузионную установку 114. Жом 122, остающийся после диффузии, имеет высокое содержание волокнистых веществ и может использоваться в качестве корма для животных.
В остальном способы, представленные на Фиг.5 и 6, совпадают со способами, описанными на Фиг.3 и 4, соответственно.
В данном изобретении могут использоваться мембраны различных конфигураций, включая, например, спиральные мембраны, мембраны из полых волокон и трубчатые мембраны. Эти мембраны могут изготавливаться из различных материалов, включая полимеры, керамические вещества, углерод и спеченную нержавеющую сталь. Мембраны, имеющие отрицательный поверхностный заряд, являются предпочтительными, поскольку большинство соединений, подлежащих отделению, являются отрицательно заряженными.
Оборудование, используемое в способе, является традиционным и хорошо известно специалисту в данной области техники, например оборудование для мойки свеклы и выпарные аппараты. Мацерирующее устройство свеклы коммерчески доступно от таких поставщиков, как Верех Reitz (Santa Rosa, Калифорния), Andriz Sprout Bauer (Philadelphia, Пенсильвания) и The Fitzpatrick Company (Elmhurst, Иллинойс). Аппарат для диффузионной экстракции свеклы коммерчески доступен от таких поставщиков, как ВМА (Braunschweig, Германия) и Silver Engineering (Colorado Springs, Колорадо). Центробежный экстрактор доступен от Dorr Oliver (Milford, Коннектикут), Western States Machine Company (Hamilton, Огайо) и Silver-Weibull (Hasselehom, Швеция). Подходящие системы мембранной фильтрации доступны от таких поставщиков, как Koch Membrane Systems, Inc. (Wilmington, Массачусетс), Osmonics, Inc. (Minnetonka, Миннесота), PCI (Великобритания) и SCT (Франция). Подходящее оборудование и смолы для ионного обмена доступны от Prosep (Roscoe, Иллинойс), IWT (Rockfors, Иллинойс), Purolite (Philadelphia, Пенсильвания) и Dow Chemical (Midland, Мичиган). Подходящее оборудование для электродиализа доступно от Eurodia (Paris, Франция) и Ameridia (Somerset, Нью Джерси). Подходящее оборудование для хроматографического разделения доступно от Prosep (Roscoe, Иллинойс) и Applexion (Paris, Франция). Подходящие ферменты для обработки раффинозы доступно от Novo (Дания) или Hokkaido Sugar Co. (Япония).
Можно включать в способ обработку некоторым количеством извести или углекислого газа. Однако в настоящее время предпочтительный вариант способа не предусматривает контактирования исходного сока или любого из пермеатов с известью или диоксидом углерода. Известь или диоксид углерода могут добавляться в качестве оснований.
ПРИМЕР 1. Осветление извлеченного сока
Мацерированную свекловичную стружку смешивали с водой и подвергали прессованию в тканевых мешках для получения сока. Полученный сок обрабатывали гидроксидом натрия, нагревали и использовали в ряде экспериментов по ультрафильтрации. В эксперименте использовали две различные спиральные мембраны, мембрану Hydranautics model NTR7410 и мембрану Koch model HFK131. При этом были получены удовлетворительные скорости потока, более высокие, чем в аналогичных экспериментах с обычным диффузионным свекловичным соком.
Ультрафильтрация извлеченного сока. Параметры и потоки эксперимента
Наблюдали значительное снижение содержания сухих веществ и очень значительное повышение чистоты сахарозы после прохождения через мембрану. Обе мембраны удаляли свыше 99% окрашенности. Повышение чистоты сахарозы и удаление окрашенности в этих опытах гораздо выше, чем в аналогичных экспериментах с обычным диффузионным свекловичным соком.
Ультрафильтрация извлеченного сока. Характеристики разделения
ОПЫТ 2
Эксперимент по мацерации свеклы проводили с использованием жерновой мельницы Бауера. Этот аппарат снабжен двумя жерновами диаметром 12 дюймов (30 см) с регулируемым зазором, причем один жернов является стационарным, а другой приводится в движение мотором мощностью 60 л.с. (45 кВт). В эксперименте использовали примерно 20 кг свеклы. Свеклу измельчали на куски размером 3/4 дюйма (1,9 см), пригодные для шнекового питателя.
Все куски свеклы пропускали через измельчитель в один проход. Для продавливания материала через измельчитель использовали воду, что привело к разбавлению сока. Часть мацерированного продукта прессовали в лопастном прессе типа при избыточном давлении 20 фунтов на кв.дюйм (138 кПа) в течение примерно 15 минут. Другую часть продукта высушивали на проволочном сите.
Мезгу, полученную после первого прохода, пропускали через измельчитель еще раз. При втором проходе между дисками устанавливали зазор величиной около 10 мил (0,25 мм). Мацерированную мезгу отжимали в лопастном прессе при избыточном давлении 20 фунтов на кв.дюйм (138 кПа) в течение примерно 15 минут.
(Низкое содержание сухих веществ в жоме второго прессования обусловлено его большей толщиной)
Содержание сухих веществ в высушенном под вакуумом жоме второго прохода составило 22%. Когда его промывали избытком воды, а затем сушили под вакуумом, то содержание сухих веществ составило только 15%. Это указывает на то, что 2/3 сухих веществ жома являются растворимыми и могут легко вымываться. Содержание сахара в промытом жоме составляло около 0,5%.
Жом второго прохода плохо фильтровался при вакуумной фильтрации на фильтровальной бумаге. Однако на сите 0,5 мм слой жома толщиной 25 мм имел скорость фильтрации около 5000 gfd (галлонов, проходящих через кв.фут площади мембраны за один день).
Эти исследования дали следующие результаты:
1. Дисковый измельчитель измельчает свеклу с низким потреблением энергии (около 3 кВт·час/тонна).
2. Мезга обеспечивает хорошие характеристики вакуумной фильтрации (около 5000 gfd - галлонов, проходящих через кв.фут мембраны в день или 8500 LMH - литров через кв.метр мембраны за один час) при толщине слоя 25 мм).
3. В слое на вакуум-фильтре (после промывки) остается незначительное количество остаточного сахара (около 0,5%).
4. Фильтрованный остаток может подвергаться прессованию с получением побочного продукта - сухой мезги (около 30%).
5. Извлеченный сок имеет удовлетворительные характеристики ультрафильтрации (25 gfd (43 LHM)).
6. Ультрафильтрация хорошо удаляет красящие вещества в извлеченном соке (99%).
7. Ультрафильтрат извлеченного сока имеет хорошие характеристики варки сахара.
ПРИМЕР 3.
Примерно 3000 фунтов (1361 кг) свеклы мацерировали в молотковой мельнице с фиксированными лопастями в течение примерно 30 минут, получив около 400 галлонов (1514 л) сока. Мацерацию проводили в две стадии. Первая стадия предусматривала проход через две мельницы и два диффузионных аппарата, а вторая стадия предусматривала проход через одну мельницу и два диффузионных аппарата. Избыточная вода, добавлявшаяся в молотковую мельницу для облегчения выгрузки мацерированной свеклы, разбавляла сок до примерно 4%-ного содержания сухого вещества. Сок отфильтровывали через вибрационное сито #200 меш. На сите не оставалось видимого остатка.
Сок нагревали примерно до 77°С и подвергали ультрафильтрации через ультрафильтрационный спиральный мембранный модуль Koch HFK 131 с распределителем 80 мил. Избыточное давление на входе и выходе поддерживали на уровне 60 и 40 фунтов на кв.дюйм (414-276 кПа). В таблице 6 представлены полученные результаты.
Ультрафильтрация извлеченного сока, параметры и потоки эксперимента, характеристики разделения
ПРИМЕР 4
Провели ряд экспериментов по отделению сока с использованием центрифуги в качестве устройства для отделения сока. Мацерированную мезгу получали, пропуская свеклу через молотковую мельницу Rietz Disintegrate. Центрифуга представляла собой барабанную центрифугу American Machinery and Metals с барабаном диаметром 18 дюймов (46 см) и глубиной 10 дюймов (25 см), который приводился в движение электрическим мотором мощностью 2 л.с. (2 кВт) со скоростью 1700 об. в минуту. Внутри барабана использовали вкладыш, изготовленный из фильтровальной ткани, для задержки отфильтрованного остатка.
Около 20 л мацерированной мезги обрабатывали в центрифуге в течение примерно двух минут и собирали отделенный сок. Отфильтрованный осадок повторно смешивали с равным объемом воды и снова центрифугировали. Эту процедуру повторяли шесть раз. Образцы отделенного сока и отфильтрованного остатка собирали в конце каждого прогона. Результаты одного опыта представлены в таблице 7.
Результаты показывают, что содержание сахарозы в соке и мезге снижалось наполовину на каждой стадии. Это ожидалось, поскольку остаток смешивали с равным объемом воды на каждой стадии. Содержание сахара в мезге после шести стадий составило 0,03%. Это означает, что экстракция сахара из свеклы составила 99,8%.
Результаты экспериментов по отделению сока
ПРИМЕР 5
Проводили короткий эксперимент с ультрафильтратом/диафильтратом полученного сока для оценки возможности предварительного концентрирования с использованием обратного осмоса. В эксперименте использовали спиральную мембрану обратного осмоса модели ESPA, опыт проводили при избыточном давлении 800 фунтов на кв.дюйм (5516 кПа) при температуре около 38°С. Характеристики потока и разделения, полученные в данном эксперименте, представлены в таблице 8.
Обратный осмос экстрагированного сока. Характеристики потока и разделения
ПРИМЕР 6а
Измельченную свеклу (стружку) подавали в молотковую дробилку Rietz Disintegrator со скоростью 420 кг/час, а из нее - в измельчитель Andriz Spout-Bauer для получения хорошо мацерированной мезги. Полученное волокно и сок направляли в первую центрифугу (Mercone от Dorr-Oliver), снабженную коническим ситом 150 микрон. В системе поддерживали температуру 65-70°С. Сок, выходивший из первой центрифуги, имел 13-14%-ное содержание сухих веществ (RDS).
Мезгу из первой центрифуги подавали в противоточную систему с ситами с размером ячеек 50 микрон, а затем во вторую центрифугу (Mercone), снабженную ситом с размером ячеек 250 микрон. В этой второй центрифуге от мезги отделялся сок с получением остаточного свекловичного волокна, содержавшего 5,7% сахара и 88% воды. Сок из второй центрифуги возвращали, направляя его в противотоке через систему сит в первую центрифугу со скоростью 3-5 галлон/мин (11-19 л/мин). В сок добавляли примерно 250 ppm (м.д. - миллионных долей) противопенного масла (КАВО 580) из расчета на вес свеклы, тогда как на вторую центрифугу подавали теплую воду со скоростью 1 галлон/мин (4 л/мин). Сок нагревали до 70°С, рН регулировали добавлением раствора гидроксида натрия на стадии мацерации, и рН конечного сока регулировался по мере необходимомти. Сок, полученный из мацерированной свеклы: RDS (содержание сухого вещества по рефрактометру) 13,2, рН 6,4 (при комнатной температуре), удельная чистота (Пол/Брикс) 82,6; содержание зольных веществ 3,9%; окрашенность 29900 icu. Сок содержал 0,6% волокна.
ПРИМЕР 6b
Сок из примера 6а при температуре около 70°С подавали на первую ультрафильтрацию. Ее проводили в мембранном модуле с трубчатыми элементами PCI длиной 12 футов (3,7 м), с порогом отсечения по молекулярной массе 200 килоДальтон, и площадью поверхности 2,7 м2. Избыточное давление на входе 689 кПа, на выходе - 434 кПа, а объемная скорость потока через сито составила 537 л/мин. Объемная скорость потока пермеата составила 2,6 л/мин (соответствуют 60 л/кв.м в час). Пермеат: 11,0 RDS; рН 6,5, удельная чистота 83,3; окрашенность 470 icu; содержание золы 4,9%. Ретентат: 11,1 RDS; удельная чистота 74,4; содержание золы 5,1%; окрашенность 60800 icu. Аналогичную мембрану последовательно использовали для диафильтрации ретентата с добавлением 1,0 л/мин воды и 1,9 л/мин пермеата при 8 RDS.
ПРИМЕР 6с
Пермеат первой ультрафильтрационной системы подавали при около 70°С на вторую ультрафильтрационную систему, которая включала две спиральные мембраны Osmonics GN диаметром 4 дюйма (10 см), с порогом отсечения по молекулярной массе 3500 Дальтон и с площадью поверхности 12 кв.м. Среднее избыточное давление на входе составляло в среднем 448 кПа, на выходе - 345 кПа. Средняя объемная скорость потока пермеата составила 1,4 л/мин, что соответствует расходу (на единицу площади) 7 л/кв.м в час. Пермеат: 8,6 RDS; рН 7,0; удельная чистота 83,3; содержание золы 4,9% (5,4% сульфатированной золы). Ретентат: 14,2 RDS; удельная чистота 83,3; содержание золы 5%; окрашенность 13800 icu.
ПРИМЕР 6d
Пермеат со второй ультрафильтрационной мембраны пропускали через катионообменную смолу (Purolite C155S) в натриевой форме. Объемная скорость потока составила 2,4 л/мин, и его пропускали через 90 л смолы со скоростью 1,6 объема слоя/час при 70°С. Продукт: 7,1 RDS, pH 6,4, удельная чистота 83,5, окрашенность 1505 icu, содержание золы 5,6% (5,2% сульфатированной золы). Потоки на входе и на выходе имели следующий ионный состав:
ПРИМЕР 6е
Продукт после прохождения через смолу обрабатывают трехстадийной нанофильтрацией через мембраны Desal 5DL. Общая площадь поверхности мембран составляла 18 кв.метров, избыточное давление на входе - 450 фунтов/кв.дюймов (3013 кПа), температура 65°С. Объемная скорость вводимого потока составила 2,6 л/мин, объемная скорость ретентата - 1,0 л/мин. Диафильтрационную воду вводили между стадиями с объемной скоростью 0,3 л/мин.
Ретентат (продукт): 25,4 RDS; удельная чистота 88,3; окрашенность 1154 icu; содержание золы 2,9%. Пермеат: 1,8 RDS; удельная чистота 12,0; окрашенность 2083; содержание золы 20%.
Потоки в соответствии с ВЭЖХ имеют следующий состав (в % по сухому веществу):
ПРИМЕР 6f
Поток продукта из нанофильтрации выпаривали с получением сиропа с 70,7 градусов Брикса. В поток, подаваемый в выпарной аппарат, вводили около 1 мл/мин раствора бисульфита аммония (БСА). БСА использовали в виде 65%-ного исходного раствора, разбавленного 1:1. Выпарной аппарат представлял собой однопроходный пластинчатый теплообменник фирмы AVP, который работал при избыточном давлении 55 кПа абс., температура сиропа составляла около 85°С. Объемная скорость исходного потока составила 1 л/мин при 25,4 градусов Брикса.
Жидкость, полученную в выпарном аппарате, кристаллизовали под вакуумом с получением белого сахара с окрашенностью 10,2 icu и содержание золы 0,009%. Кристаллизацию проводили периодическим способом в кристаллизаторе, емкостью 50 л. Кристаллизатор представлял собой пилотную установку, изготовленную Pigmat of Genas (Франция). Давление кристаллизации составляло 20 мм рт.ст. (68 кПа абс.), температура кристаллизации 70-75°С и длительность - 2 часа. Продукт, полученный в результате кристаллизации, обрабатывали на центрифуге с барабаном диаметром 2 фута с использованием перфорированного барабана. Сироп (отделенный центрифугированием) имел удельную чистоту 81,8% и окрашенность 2988 icu.
ПРИМЕР 7 (альтернативная ионообменная обработка)
Вторая стадия ультрафильтрации была аналогична описанной выше в примере 6с, но включала две спиральные мембраны Osmonics GN (MWCO, 3500 Дальтон) и две спиральных мембранных Osmonics GM (MWCO, 3000 Дальтон) диаметром 4 дюйма (10 см), которые использовались для обработки сока, поступившего с первой стадии ультрафильтрации. Этот сок первоначально получают из мацерированной свеклы, как описано выше. Модули работали при средних избыточных давлениях на входе 160 и 250 фунтов на кв.дюйм (1103 и 1724 кПа) соответственно и производили свыше 2,5 л/мин пермеата (рН 6,6, 9 RDS и 1890 icu). Пермеат обрабатывали катионообменной смолой (Purolite PCR) в калиевой форме при 70°С, при 0,9 объемах слоя/час. Продукт: рН 7,0; 8,9 RDS; удельная чистота 85,1; окрашенность 1959 icu. Составы потоков на входе и на выходе (% по сухому веществу):
ПРИМЕР 8 (электродиализ)
Продукт после обработки ионообменной смолой в калиевой форме по примеру 7 обрабатывали нанофильтрацией (по методике примера 6е, описанной выше). Продукт (ретентат): 23 RDS, чистота 89,5% (ВЭЖХ); сульфатированная зола 4,5%, окрашенность 1800 icu. Продукт обрабатывали электродиализом в блоке, включающем 40 катионоанионных мембранных пар; каждая пара имела площадь поверхности мембраны 0,1 м2. Использовали мембраны от Tokuyama Corp. of Japan: анионная мембрана AE506sb, катионная мембрана CMXsb. Блок работал при 45-55°С, при напряжении 18-30 Вольт и силе тока 2-3 Ампер. Анолитная и католитная системы содержали разбавленную сульфаминовую кислоту (проводимость 20 mS/см), которая циркулировала через блок со скоростью 3 г/мин (11 л/мин). Поток, подлежащий обработке, циркулировал со скоростью 8-10 г/мин (30-38 л/мин) и проходил через всю систему с объемной скоростью 1 л/мин. Концентратный поток представлял собой 0,5% раствор хлорида натрия. Продукт после электродиализа: чистота 94,4% (ВЭЖХ), сульфатированная зола 2,2% (вычислено из катионного состава, как показано ниже, где ионный состав подаваемого потока и продукта выражен в % ионов по сухому веществу).
Продукт этого эксперимента выпаривали и кристаллизовали с получением белого сахара, как в примере 6f. Продукт после выпаривания (в присутствии бисульфита аммония в количестве, достаточном для получения остаточной концентрации SO2 280 ppm) имел 70 RDS и окрашенность 1700 icu. Кристаллизация под вакуумом привела к получению белого сахара с окрашенностью 17 icu и содержанием золы веществ 0,007%. Сироп (отделенный центрифугированием): удельная чистота 84%, окрашенность 4560 icu.
ПРИМЕР 9
Сок из системы мацерации свеклы, описанной в примере 6а, фильтровали через спиральную ультрафильтрационную мембрану. Предварительно сок отфильтровали через мешок из фильтровальной ткани с ячейками 200 мкм для удаления любых волокон, которые прошли через центробежное сито. Использовали спиральную мембрану 4 дюйма (10 см) Osmonics JY с площадью поверхности 4,89 кв.м, имеющую порог отсечения по молекулярной массе от 100000 Дальтон. Температура сока составляла 60°С, избыточное давление на входе и на выходе составило 50 фунтов на кв.дюйм и 30 фунтов на кв. дюйм (345 и 207 кПа) соответственно. Объемная скорость подачи составляла 3,6 л в мин, объемные скорости пермеата и ретентата равны 1,8 л в мин, а содержание RDS составило 13 и 14,2 соответственно, с получением скорости подачи на единицу площади 22,5 л/кв.м в час при концентрировании в два раза. Окрашенность исходного потока была равна 1232 icu, а окрашенность пермеата - 6475 icu. Этот сок подвергали дальнейшей переработке для получения белого сахара с использованием стадий 6с, 6d, 6e и 6f.
ПРИМЕР 10
Смесь оттеков утфелей кристаллизации сахара и ретентата из второй ультрафильтрации упаривали до содержания сухих веществ (RDS) 60% и пропускали с объемной скоростью 0,9 л/час через систему разделения с псевдоожиженным слоем, содержавшую 5,8 л смолы, распределенной в 10 ячейках. Вода вводилась с объемной скоростью 4 литра в час, и система работала при температуре 70°С. Из системы собирали три фракции, содержавшие соответственно большую часть органических веществ; большую часть сахарозы и большую часть раффинозы с другими органическими веществами. Обычные свойства каждой из этих фракций представлены в таблицах ниже. (Термин "органические вещества" относится к веществам, вычисленным по разности от результатов анализа).
Полученная фракция сахарозы может иметь чистоту 96% и соответствует 92,5% выходу введенной сахарозы.
ПРИМЕР 11
450 г утфеля первой кристаллизации белого сахара (примерно 75 RDS; 2,3% раффинозы по сухому веществу) разбавляли водой до 30 RDS. Уровень рН доводили до 5,0 добавлением разбавленной серной кислоты, а температуру раствора доводили до 50°С. К раствору добавляли 2,5×107 пеллетированного фермента α-галоктозидазы (12,2 г) и раствор перемешивали при 50°С в течение 2 часов. Полученный сок содержал 0,7% раффинозы по сухому веществу.
ПРИМЕР 12
Утфель первой кристаллизации белого сахара (окрашенность под в вакуумом с получением белого сахара второй кристаллизации с окрашенностью 20 icu и содержанием золы 0,001%. Кристаллизацию проводили периодическим способом в кристаллизаторе емкостью 50 литров. Кристаллизатор представляет собой пилотную установку, изготовленную Pignat of Genas (Франция). Давление в кристаллизаторе составило 20 дюймов рт.ст. (абс.) и температура 70-75°С, кристаллизация протекала в течение примерно 2 часов. Продукт, полученный после кристаллизации, центрифугировали в барабанной центрифуге с перфорированным барабаном размером 2 фута (0,6 м). Сироп (полученный в результате центрифугирования) имел удельную чистоту 81,1% и окрашенность 4155 icu.
ПРИМЕР 13а
Свекловичный сок из промышленной диффузионной установки, имеющий окрашенность около 4200 icu, подавали на первую центрифугу с ситом 150 микрон для удаления остаточных волокон и нагревали до 70°С. Продукт интенсивно аэрировали, пропускали через сито (50 микрон) и рН доводили до 8,0 гидроксидом натрия. Полученный сок: RDS 17,5; удельная чистота 85,12; окрашенность 16400, содержание золы 5,3. Содержание волокон 0,09%.
Полученный сок подавали при 73°С на первую ультрафильтрацию в мембранный модуль Osmonics PW со спиральной мембраной диаметром 4 дюйма (10 см), с порогом отсечения по молекулярной массе 10-15000 Дальтон и площадью поверхности 4,3 м2. Среднее избыточное давление на входе составляло 66 фунтов на кв.дюйм (455 кПа), среднее избыточное давление на выходе - 45 фунтов на кв.дюйм (310 кПа) и объемная скорость потока - 193 л/мин. Объемная скорость потока пермеата составила 1,9 л/мин, что соответствует расходу на единицу площади 26 л/кв.м. в час. Пермеат имел RDS 15,5; содержание сахарозы от общего содержания сухих веществ ("удельную чистоту") 83,4; окрашенность 6697 icu и содержание золы 5,3%. Ретентат имел 12,5 RDS и удельную чистоту 83,4. Диафильтрация ретентата с использованием трубчатой мембраны PCI, с порогом отсечения по молекулярной массе 20000 Дальтон, привела к получению дополнительного пермеата при объемной скорости 1,6 л/мин с 7 RDS. Пермеаты смешивали.
ПРИМЕР 13b
Объединенные пермеаты из первой ультрафильтрационной системы подавали при 65°С во вторую ультрафильтрационную систему с мембранными модулями, содержавшими две спиральные мембраны Osmonocs GK и две спиральные мембраны Osmonics GE диаметром 4 дюйма (10 см). Эти мембраны имели порог отсечения по молекулярной массе 2000 Дальтон и 1000 Дальтон соответственно. Система работала при среднем избыточном давлении на входе 250 фунтов на кв.дюйм (1724 кПа) и объемной скорости пермеата 2,2 л/мин (пермеат: 13,5 RDS; удельная чистота 85,0; содержание золы 6,5%; окрашенность 3297 icu). Ретентат: 21,4 RDS; удельная чистота 83,8. Общая площадь поверхности мембран составляла 24 кв.метра, средняя объемная скорость потока на единицу площади - 5,5 л/кв.м в час.
ПРИМЕР 13с
Пермеат из второй ультрафильтрационной мембранной системы обрабатывали двухстадийной нанофильтрацией с мембранами Desal DS5 диаметром 4 дюйма (10 см). Общая площадь поверхности мембран составляла 12 квадратных метров, избыточное давление на входе - 450 фунтов на кв.дюйм (3103 кПа), температура - 150°F (66°С). Скорость подачи исходного потока составляла 0,75 г в мин (2,5 л/мин) и скорость истечения ретентата - 0,3 г в мин (1 л/мин). Диафильтрационную воду вводили на второй стадии со скоростью 2,75 г в час. Ретентат (продукт): 24,9 RDS; удельная чистота 90,6 (90,5% по данными ВЭЖХ); окрашенность 2802 icu; содержание золы 4,2%. Пермеат: 5,2 RDS; удельная чистота 38,3.
ПРИМЕР 13d
Нанофильтрационный ретентат из примера 13с обрабатывали электродиализом в блоке, содержавшем 40 анионокатионных мембранных пар, с площадью мембранной поверхности каждой пары 0,1 м2. Блок работал при 45-55°С, напряжении 18-30 Вольт и силе тока 2-3 Ампер. Анионные и катионные системы содержали разбавленную сульфаминовую кислоту (проводимость 20 mS/см), которая циркулировала через блок со скоростью 3 галлона в минуту (11 л/мин). Поток, подлежащий обработке, циркулировал со скоростью 8 галлонов в минуту (30 л/мин), оборудование работало периодическим образом. Блок работал при 40-50°С, напряжении 12-23 Вольт и силе тока 3 Ампера. Исходный поток и продукт имели следующий ионный состав:
Чистота продукта 92,5% (ВЭЖХ).
ПРИМЕР 13е
Продукт со стадии электродиализа (после добавления примерно 900 ppm SO2 в виде раствора бисульфита аммония) выпаривали с получением сиропа 69 градусов Брикса (окрашенность 3-60 icu). Выпарной аппарат представлял собой установку с одной AVP-пластиной и рамой и работал при избыточном давлении 8 фунтов на кв.дюйм (55 кПа абс.), температура сиропа составляла около 85°С. Объемная скорость подачи исходного потока в выпарной аппарат составляла 1 л/мин при 24 градусов Брикса.
Выпаренный сироп кристаллизовали под вакуумом с получением белого сахара с окрашенностью 17,3 icu и содержанием золы 0,007%. Кристаллизацию проводили периодическим образом в кристаллизаторе емкостью 50 литров. Кристаллизатор представлял собой пилотную установку, изготовленную Pignat of Genas (Франция). Давление кристаллизации составляло 20 мм рт.ст. абс. (68 кПа абс.), температура кристаллизации 70-75°С, кристаллизация протекала в течение 2 часов. Продукт, полученный в результате кристаллизации, центрифугировали в барабанной центрифуге с барабаном диаметром 2 фута (0,6 м), используя перфорированный барабан.
Сироп, полученный после центрифугирования, имел удельную чистоту 80,3% и окрашенность 5380 icu.
ПРИМЕР 13f
Сироп, полученный способами, описанными в примере 13е, дополнительно кристаллизовали в кристаллизаторе Пигната (Pignat) при 20 мм рт.ст. абс. (68 кПа) и температуре 70-75°С в течение 3 часов. Полученный утфель центрифугировали в барабанной центрифуге с барабаном диаметром 2 фута (0,6 м) и в результате получали сахар второй кристаллизации с окрашенностью 40 icu и содержанием золы 0,019%.
ПРИМЕР 14 а
В 55 галлонах (208 л) свежего диффузионного сока при 16,5 градусов Брикса и окрашенности 3850 icu значение рН довели до 8 добавлением раствора гидроксида натрия. Добавили 2,2 л 3% (об./об.) перекиси водорода (0,03% из расчета на сок или 0,19% по сухому веществу). Сок нагревали до 80°С и выдерживали при этой температуре в течение 60 минут, при этом окрашенность возрастала до 14000 icu. Ультрафильтрация через трубчатую мембрану PCI с порогом отсечения по молекулярной массе 4000 Дальтон, при избыточном давлении 300 фунтов на кв.дюйм (2068 кПа) привела к получению пермеата с окрашенностью 2100 icu и ретентата с окрашенностью 50000 icu.
Пермеат выпаривали и кристаллизовали в вакууме на оборудовании и в условиях, аналогичных описанным в примере 13е. Окрашенность, полученная в процессе этого выпаривания, привела к получению продукта с окрашенностью 4450 icu. После центрифугирования и промывки получали кристаллы с окрашенностью 46 icu. В дополнительном эксперименте в кристаллизуемый сироп добавляли 200 ppm SO2 с получением кристаллов с окрашенностью 34 icu из продукта с окрашенностью 3950 icu.
ПРИМЕР 14b
Повторяли методику примера 14 а, но на окисление подавали свекловичный сок диффузионной экстракции, нагретый и аэрированный в соответствии с методикой, описанной в примере 13а. Окрашенность исходного потока составила 12123 icu. Обработка перекисью водорода увеличила ее до 14473 icu, и ультрафильтрация привела к получению пермеата с окрашенностью 2707 icu.
ПРИМЕР 15
Смесь оттеков от кристаллизации белого сахара и ретентат от второй ультрафильтрации упаривали до 60 RDS и пропускали с объемной скоростью 1,0 л/час через систему разделения в псевдоожиженном слое 5,8 л смолы, распределенной между 10 ячейками. Воду вводили с объемной скоростью 4 литра в час, и система работала при температуре 70°С. Из системы собирали три фракции, содержащие соответственно большую часть органических веществ, большую часть сахарозы и большую часть раффинозы плюс другие органические вещества. Обычные свойства каждой из этих фракций приведены в таблице 15 ниже. (Термин "органические вещества" относится к веществам, вычисленным по разности от результатов анализа).
Получаемая сахароза обычно имела чистоту 96,5% и соответствовала 90,5% выходу введенной сахарозы.
ПРИМЕР 16
500 граммов оттека первой кристаллизации белого сахара (примерно 75 RDS; содержание раффинозы 2,6% по сухому веществу) разбавляли водой до 30 RDS. Значение рН доводили до 5,0 добавлением разбавленной серной кислоты, раствор нагревали до 50°С. Добавляли 2,5×107 единиц гранулированного фермента альфа-галактозидазы (12,2 граммов) и раствор перемешивали при 50°С в течение 2 часов. Полученный сок анализировали и установили, что содержание раффинозы составило 0,9% по сухому веществу.
ПРИМЕР 17
Сироп из кристаллизации белого сахара (окрашенность 4094 icu при удельной чистоте 80,8%) кристаллизовали под вакуумом с получением белого сахара второй кристаллизации с окрашенностью 28 icu и содержанием золы 0,024%. Кристаллизацию проводили периодическим образом в кристаллизаторе емкостью 50 л. Кристаллизатор представлял собой пилотную установку, изготовленную Pignat of Genas (Франция). Давление кристаллизации составляло 20 мм рт.ст. абс. (68 кПа абс.), температура кристаллизации находилась в интервале 70-75°С, кристаллизация протекала в течение 2 часов. Продукт, полученный в результате кристаллизации, центрифугировали в фильтрующей центрифуге с перфорированным барабаном диаметром 0,6 м. Оттек, полученный после центрифугирования, имел удельную чистоту 77,4% и окрашенность 5807 icu.
Приведенное описание конкретных вариантов данного изобретения не следует рассматривать как полый перечень всех возможных вариантов изобретения. Специалисту в данной области будет понятно, что возможные модификации описанных здесь конкретных вариантов входят в объем формулы изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПРОДУКТ НА ОСНОВЕ МОЛОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2607382C2 |
| ПРОДУКТ С БЕЛКОМ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2010 |
|
RU2575610C2 |
| НИЗКОЛАКТОЗНЫЙ И БЕЗЛАКТОЗНЫЙ МОЛОЧНЫЙ ПРОДУКТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2009 |
|
RU2550274C2 |
| Способ (варианты) и модульная система для производства молочного продукта | 2014 |
|
RU2692612C2 |
| МОЛОЧНЫЙ ПРОДУКТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2011 |
|
RU2585236C2 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СУХИХ МОЛОЧНЫХ СМЕСЕЙ | 2014 |
|
RU2709173C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛОЧНОГО ПРОДУКТА | 2012 |
|
RU2627183C2 |
| СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПИЩЕВОГО КОРИЧНЕВОГО САХАРА ИЗ РАСТВОРА СВЕКЛОВИЧНОГО САХАРА | 2006 |
|
RU2421524C2 |
| МОДИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА МОЛОКА | 2016 |
|
RU2719786C2 |
| СЫР И ЕГО ПОЛУЧЕНИЕ | 2012 |
|
RU2585213C2 |
Изобретение относится к сахарной промышленности. Способ предусматривает получение сока путем мацерации сахарной свеклы или ее кусков или экстракции свекловичной стружки при температуре по меньшей мере 65°С. Полученный сок подвергают ультрафильтрации в две ступени через мембраны, имеющие различный порог отсечения по молекулярной массе. Пермеат со второй ступени ультрафильтрации подвергают нанофильтрации через нанофильтрационную мембрану с получением пермеата и ретентата, имеющего более высокую концентрацию сахарозы по сухому веществу, чем исходный сок. Этот ретентат концентрируют до получения сахаросодержащего сиропа. Изобретение обеспечивает высокий выход продукта. 17 з.п. ф-лы, 15 табл., 6 ил.
| СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СИРОПА ИЗ САХАРОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ | 1997 |
|
RU2118664C1 |
| Установка для непрерывного выпаривания влаги и нагрева до рабочей температуры черных вяжущих материалов | 1959 |
|
SU126512A1 |
| US 4432806, 21.02.1984 | |||
| Загрузочное устройство | 1977 |
|
SU655507A1 |
| US 5759283, 02.06.1998 | |||
| Способ очистки сахаросодержащего раствора | 1972 |
|
SU482496A1 |
| Способ получения сока из сахарной свеклы | 1988 |
|
SU1669984A1 |
