Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ
На основе тепломассообменных и оптических исследований доказано, что без использования спирта и при снижении на 40 % технологического энергопотребления можно производить высококачественные сухие растворимые желирующие пектиновые вещества, заменяющие импортные коммерческие пектины при изготовлении ши...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60490 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ / Р.Ш. Вайнберг, Б.Н. Процышин, С.А. Богданов, В.И. Грабошникова // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 1. — С. 71-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859800000327843840 |
|---|---|
| author | Вайнберг, Р.Ш. Процышин, Б.Н. Богданов, С.А. Грабошникова, В.И. |
| author_facet | Вайнберг, Р.Ш. Процышин, Б.Н. Богданов, С.А. Грабошникова, В.И. |
| citation_txt | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ / Р.Ш. Вайнберг, Б.Н. Процышин, С.А. Богданов, В.И. Грабошникова // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 1. — С. 71-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | На основе тепломассообменных и оптических исследований доказано, что без использования спирта и при снижении на 40 % технологического энергопотребления можно производить высококачественные сухие растворимые желирующие пектиновые вещества, заменяющие импортные коммерческие пектины при изготовлении широко распространенных продуктов питания.
На основі тепломасообмінних та оптичних досліджень доведено, що без використання спирту та при зниженні на 40 % технологічного енергоспоживання можна виробляти високоякісні сухі розчинні желюючі пектинові речовини, які замінюють імпортовані комерційні пектини при виготовленні широко розповсюджених продуктів харчування.
Heat- and mass transfer and optical studies have proved the possibility of obtaining the high-grade dry geling soluble pectic substances without use any alcohol and at reduction the 40 % of technological energy consumption. The high quality of these substances makes them possible to change imported commercial pectins used in the production of popular food stuffs.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:12:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 71
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 536.248; 660.012.37; 664.292
Вайнберг Р.Ш., Процышин Б.Н., Богданов С.А., Грабошникова В.И.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ЭНЕРГОЭКОНОМНОЕ БЕССПИРТОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО
БИОПОЛИМЕРОВ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
C – концентрация;
k – константa скорости химических реакций;
m – масса;
N – частота вращения центрифуги;
n – гидромодуль;
рН – показатель кислотности;
Т – температура;
Х – желирующая способность;
V – объем;
W – массосодержание;
λ – степень метоксилирования;
τ – время;
Б – содержание балластных веществ;
П – содержание пектина;
СВ – содержание сухих веществ.
Индексы:
f – жидкая фаза;
max – максимально достигнутая величина;
o – начальные условия;
э – эксперимент;
к – концентрат;
ц – центрифуга.
К числу серьезных проблем, сдерживаю-
щих увеличение производства пектина в услови-
ях неудовлетворенных потребностей мирового
рынка, относится высокий уровень технологи-
ческого энергопотребления из-за необходимости
нагревать, охлаждать, концентрировать, регене-
рировать, испарять, конденсировать большие
объемы полярных водных растворов различного
состава [1,2].
Обсуждение основных резервов уменьше-
ния энергозатрат и снижения себестоимости
производства пектина [2] а также приведенных
в табл. 1 экспертных оценок вклада отдельных
составляющих технологического энергопотреб-
ления в общий энергетический баланс про-
изводства пектиновых веществ из различных
источников сухого и свежего пектинсодержа-
щего сырья показали, что наиболее энергоем-
ким является процесс регенерации осадителя
(спирта), на проведение которого расходуется
более 40 % общего технологического энерго-
потребления, и в зависимости от цен на спирт
и на энергоносители финансовые затраты на
восполнение необратимых потерь спирта со-
ставляют 10…12 % общей себестоимости про-
дукции. Поэтому существенное уменьшение
расхода спирта является одной из наиболее ак-
туальных задач пектинового производства.
Известно [3], что селективное выделение
биополимера пектина основано на способно-
сти растворенного пектина к коагулированию
только путем обработки жидкой фазы и затем
коагуляционного осадка растворами осадите-
ля, чаще всего растворами спиртов различной
На основі тепломасообмінних
та оптичних досліджень доведено,
що без використання спирту та при
зниженні на 40 % технологічного
енергоспоживання можна вироб-
ляти високоякісні сухі розчинні
желюючі пектинові речовини, які
замінюють імпортовані комерційні
пектини при виготовленні широко
розповсюджених продуктів харчу-
вання.
На основе тепломассообменных
и оптических исследований доказа-
но, что без использования спирта и
при снижении на 40 % технологи-
ческого энергопотребления можно
производить высококачественные
сухие растворимые желирующие
пектиновые вещества, заменяющие
импортные коммерческие пектины
при изготовлении широко распро-
страненных продуктов питания.
Heat- and mass transfer and optical
studies have proved the possibility of
obtaining the high-grade dry geling
soluble pectic substances without use
any alcohol and at reduction the 40 %
of technological energy consumption.
The high quality of these substances
makes them possible to change
imported commercial pectins used in
the production of popular food stuffs.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №172
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Анализ накопленного авторами экспери-
ментального материала свидетельствует о том,
что затраты спирта на проведение собственно
коагуляции пектина составляет ~ 55 % от сум-
марного количества спирта, расходуемого на
весь цикл выделения пектина, который кроме
коагуляции включает расход спирта на проведе-
ние обязательных и независимых от коагуляции
операций промывок и закрепления сырого пек-
тина. Концентрирование экстракта в зависимо-
сти от диапазона изменения содержания сухих
веществ может обеспечить экономию осадителя
на 25…40 % только за счет сокращения его рас-
хода на проведение собственно коагуляции, но
без применения осадителя принципиально не-
возможно выделить пектин из пектинового экс-
тракта.
В то же время без использования спирта
можно организовать выпуск более дешевых
пектинпродуктов – жидких, сухих, раствори-
мых, нерастворимых и пр., которые в ряде слу-
чаев могут заменить дорогостоящий чистый
пектин при изготовлении широкого спектра
распространенных и доступных по цене про-
дуктов питания, однако подробная информа-
ция о технологиях их производства не разгла-
шается и в литературе не приводится [4].
Вполне очевидно только, что наиболее
перспективными и технологически удобными
для последующего использования являются
получаемые из пектинового экстракта сухие
растворимые пектиновые вещества, представ-
ляющие собой физическую смесь, в состав
которой биополимер пектина входит в свобод-
крепости. Эффективность коагуляции и расход осадителя зависят от ряда факторов – темпера-
туры, рН, вязкости, объема жидкой фазы и содержания сухих веществ в её составе, а также от
молекулярной массы и молекулярной структуры биополимера пектина.
№
п/п Технологический этап
Доля технологических
энергозатрат в тепло-
вом балансе, %
Определяющие факторы
1 Экстракция пектина 28…32
• Сырье: сорт, вид, начальная влаж-
ность,
степень очистки, размер частиц.
• Теплотехнологические параметры
экстракции: Т-τ-рН-n.
2 Выделение сырого
пектина 5…7
• Термодинамические условия и
степень концентрирования экстракта.
• Количество промывок коагулята.
• Температура, состав и масса жидкой
фазы.
3 Сушка пектиновых
веществ 8…10
• Начальная и конечная влажность
препаратов.
• Состав жидкой фазы.
• Способ сушки и параметры
сушильного процесса.
4 Регенерация осадителя
– спирта 42…46
• Количество жидкой фазы.
• Начальная и конечная концентрация
осадителя.
Табл. 1. Оценка распределения технологических энергозатрат на реализацию основных
этапов производства пектиновых веществ
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 73
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ном состоянии и не заблокирован другими со-
ставляющими исходного пектинсодержащего
сырья.
По сути пектиновый экстракт представляет
собой полярный водный раствор высокомолеку-
лярных соединений, который имеет ряд особен-
ностей:
• Линейный полимер пектина, в молекуле
которого содержатся полярные группы (карбок-
сильные, аминогруппы и др.), имеет большое
сродство с водой. Поэтому водный раствор пек-
тина является гомогенным, равновесным и тер-
модинамически устойчивым.
• В растворах линейных полимеров отсут-
ствует важный признак истинной коллоидной
системы – существование поверхности раздела
между дисперсной фазой и окружающей ее дис-
персионной средой. Это связано с тем, что моле-
кулы высокомолекулярных соединений большей
частью цепные, нитевидные, т.е. анизодиаме-
тричные. Отношение длины молекулы пектина
к ее поперечному сечению составляет 103…104 ,
и хотя длина молекулы достигает и даже превос-
ходит размеры коллоидных частиц, их попереч-
ное сечение остается в пределах молекулярных
размеров – 0,1 нм [3], откуда следует, что поверх-
ность раздела молекул пектина с дисперсионной
средой стремится к нулю. Цепочные макро-
молекулы полимера пектина гибкие: их звенья
при изгибе создают неплотную упаковку моле-
кул, когда низкомолекулярная жидкость – вода
с растворенными в ней веществами – заполня-
ет свободные пространства между молекулами
пектина и этим вызывает ослабление межмоле-
кулярного взаимодействия пектиновых частиц.
• В то же время экстракты пектина по ряду
свойств выступают как коллоидные системы.
Подобно коллоидным частицам молекулы поли-
мера пектина обладают весьма малой скоростью
диффузии и не способны проникать через по-
лупроницаемые мембраны. Для растворов пек-
тинов так же, как и для других коллоидов, ха-
рактерны замедленное течение всех процессов и
сильное влияние малых добавок других веществ
на их свойства. При испарении избыточной
влаги все минеральные и красящие вещества,
остатки сахаров и др. примеси остаются в обе-
звоженном продукте. Поэтому испарение как
метод выделения чистого пектина непригоден
и может использоваться только при необходи-
мости концентрирования экстракта или при
производстве из экстракта сухих пектинсоде-
ращих препаратов.
В настоящей работе рассматриваются
тепломассообменные проблемы энергосбе-
регающего бесспиртового получения сухих
пищевых растворимых желирующих пектино-
вых веществ, конкурентоспособных с коммер-
ческими импортными пектинами; приводятся
результаты исследования их взаимодействия с
жидкими средами и оценки эффективности их
производства.
Выбор кислоты для бесспиртового
выпуска пектиновых веществ. Поскольку
имеющиеся в литературе сведения о влиянии
разных кислот на интенсивность извлечения и
качественные показатели пектина ограничены
и противоречивы [5], были поставлены специ-
альные эксперименты, позволившие оценить
влияние вида кислоты на полноту экстраги-
рования и качественные характеристики пек-
тина, извлекаемого из одного и того же сырья
при одинаковых теплотехнологических пара-
метрах процесса.
Относительный выход пектина m/mmax оце-
нивался по отношению массы пектина m,
осаждаемого из экстракта при использовании
конкретного вида кислоты, к максимально до-
стигнутому значению mmax. Выделение пектина
проводилось
по технологии ИТТФ НАНУ [6]. Некоторые
результаты представлены в табл. 2.
Анализ данных, приведенных в табл. 2,
показывает, что наиболее перспективно вво-
дить в состав экстрагента такие кислоты, ко-
торые хорошо растворяются в воде, не вызы-
вают коррозии металлического оборудования
и не приводят к образованию вредных газо-
вых выбросов в окружающую среду. Видно,
что этим требованиям отвечают минеральная
(азотная) и органическая (лимонная) кислоты.
Наблюдаемое увеличение выхода пектина при
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №174
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
использовании азотной кислоты по сравнению
с использованием лимонной кислоты является
прямым следствием законов химической кине-
тики [7], согласно которым при одинаковых тер-
модинамических условиях величина константы
скорости химических реакций k при взаимодей-
ствии более сильной минеральной кислоты (в
данном случае HNO3) с чистым пектином, т.е.
более слабой полигалактуроновой кислотой,
выше, чем k реакции взаимодействия двух сла-
бых органических кислот – лимонной и полига-
лактуроновой.
Именно поэтому для промышленного вы-
пуска пектина чаще всего используется азотная
кислота, позволяющая более экономными сред-
ствами достичь наибольшего выхода пектина
наилучшего качества и высокой степени чи-
стоты; и в то же время для обеспечения требуе-
мой производительности нужно переработать
в 1,7 раз меньше сырья и затратить в ~ 15 раз
меньше азотной кислоты чем более дорогой ли-
монной.
Рис.1. Взаимосвязь между массовой
концентрацией кислоты Сm и рН
ее раствора в дистиллированной воде:
□ – раствор лимонной кислоты;
○ – раствор азотной кислоты;
◊ – раствор сильной органической
кислоты (НОУ-ХАУ ИТТФ).
КИСЛОТА Тип
кислоты
Относительный вы-
ход пектина m/mmax, %
Желирующая
способность,
Х, ºТ-Б
Примечания
СОЛЯНАЯ минеральная 100 288
Интенсивная
загазованность
помещения, наиболее
высокая коррозионная
активность
СЕРНАЯ -"- 94,7 265 Высокая коррозионная
активность
СЕРНИСТАЯ -"- 77,9 258 Высокая коррозионная
активность
АЗОТНАЯ -"- 99,6 272
Инертна по отношению
к металлическому
оборудованию
ЛИМОННАЯ органическая 59,6 268
Инертна по отношению
к металлическому
оборудованию
Табл. 2. Влияние вида кислоты на полноту извлечения и желирующую способность
пектина (сырье, рН, Т, τ, n-idem)
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 75
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Видно, что зависимость рН(Сm) для водно-
го раствора выбранной органической кислоты
весьма близка к кривой рН(Сm) для раствора
азотной кислоты. Результаты определения со-
держания пектина в экстракте в зависимости от
вида кислоты показали, что для обеспечения тре-
буемого рН экстрагента при переработке одного
и того же количества одинакового сырья расход
выбранной органической кислоты на 15…20 %
меньше, чем расход азотной кислоты и ~ в 3,75
раза меньше, чем расход лимонной кислоты, из
чего явно следует, что замена лимонной кисло-
ты на предлагаемую органическую приводит к
снижению себестоимости сухих растворимых
пектинпродуктов.
Результаты изучения теплотехнологичес-
ких процессов бесспиртового получения рас-
творимых пектиновых веществ. Извлечение
термолабильных полимеров пектиновых ве-
ществ (ПВ) из пектинсодержащего сырья – это
сложный комплекс одновременно протекающих
взаимосвязанных химических и тепломассо-
обменных процессов [1]. Бесспиртовое произ-
водство сухих растворимых ПВ представляет
последовательность теплотехнологических
процессов гидролизэкстракции пектина, кон-
центрирования отфильтрованного экстракта и
его сушки.
В качестве пектинсодержащего исходного
материала могут быть использованы образую-
щиеся после отжима сока выжимки местного
растительного сырья (тыквы, яблок), либо наи-
более обогащенное пектином привозное сухое
сырье, например, цитрусовые выжимки, из ко-
торых производится свыше 80 % общего коли-
чества выпускаемого в мире пектина [3]; при
проведении настоящего исследования исполь-
зовались высушенные цитрусовые выжимки
(Аргентина).
Экспериментальные исследования экс-
тракции пектина с применением предложен-
ной сильной органической кислоты и по-
следующего концентрирования экстракта
проводились на экспериментальной установке,
подробно описанной в [8]; сушка жидкой фазы
осуществлялась на распылительной сушиль-
ной установке ИТТФ НАНУ, в ряде случаев
часть жидкой фазы высушивалась в виде плен-
ки, наносимой на непроницаемую подложку.
В опытах регистрировались теплотехно-
логические параметры экстракции (Т, τ, рН, n)
и содержание сухих веществ в жидкой фазе в
начале и конце процесса; определялись содер-
жание пектина в экстракте и сухом раствори-
мом продукте; по стандартным методикам [9]
измерялись его качественные характеристики
– Х, λ, Пч , Б и др.
Опыты проводились при следующих зна-
чениях параметров экстракции: продолжи-
тельность τ = 2 ч; диапазон изменения темпера-
туры Т = 353…363 К; гидромодуля n = 13…30;
начального значения рНо – 1,45…1,6. После
завершения процесса конечная величина рН
экстракта достигала значения 1,72…2,14,
содержание сухих веществ в экстракте
СВэ = 1,9…2,8, в концентрате СВ = 5…10 %.
Качественные характеристики пектина в
составе сухого растворимого пектинпродукта,
полученного с применением сильной органи-
ческой кислоты, сравнивались с аналогичны-
Однако, при бесспиртовом выпуске сухих
пищевых пектиновых веществ использование
любой минеральной кислоты (в т.ч. и HNO3,) не-
допустимо, а применение лимонной кислоты,
как показано выше, дорого и малоэффективно.
Поэтому нужно выбрать более сильную, чем
лимонная, органическую кислоту, в структуре
которой отсутствуют соединения, запрещенные
отечественными и международными требова-
ниями [4].
С этой целью при одной и той же темпера-
туре была изучена взаимосвязь между массовой
концентрацией различных кислот Сm и достигае-
мыми при таких Сm значениями рН водных рас-
творов этих кислот. Кривые рН(Сm) для раство-
ров в дистиллированной воде азотной, лимонной
и предлагаемой нами более сильной по сравне-
нию с лимонной органической кислоты приве-
дены на рис. 1; тип предложенной кислоты со-
ставляет НОУ-ХАУ ИТТФ НАНУ; существенно,
что её цена в 5,4 раза ниже, чем цена лимонной
кислоты.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №176
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ми характеристиками, достигаемыми при ис-
пользовании азотной кислоты.
Обработка и анализ полученных данных
показали, что использование сильной органи-
ческой кислоты позволяет производить сухой
растворимый пектиновый препарат, в составе
которого содержится пектин более высокого ка-
чества, чем при применении азотной кислоты
(табл. 3), в нем находится в 1,6 раза меньше бал-
ластных веществ и имеет место более благопри-
ятное сочетание показателей Х и λ, т.е. он лучше
желирует при меньшем значении величины λ
( ср. стр. 2 и 3 со стр. 1 табл. 3).
При использовании сильной органи-
ческой кислоты глубокое концентрирова-
ние экстракта до СВк = 10 % практически не
сказывается на качестве пектина в составе раство-
римого пектинпродукта, разница между значени-
ями показателей качества пектина при СВк = 5 % и
СВк = 10 % не превышает 1 %, что находится
в пределах точности измерений (ср. стр. 2 и 3
табл. 3).
При максимально достигнутой в конце
экстракции величине СВ = 2,8 % содержание
осажденного пектина составило 62,5 %. По-
скольку доля полигалактуроновой кислоты (чи-
стого пектина) в осажденном пектине равна
Пч = 81,2…81,3 % (табл. 3), истинный вклад
пектиновой компоненты в состав сухого
растворимого пектинпродукта составляет
50,75…50,80 %, т.е. для получения стандарт-
ного желе крепостью Хст = 150 ºТ-Б требуется
≈ в 1,3…1,4 раза больше пектинпродукта по
сравнению с пектином.
Анализ также показал, что концентрация
кислоты в абсолютно сухом пектинпродукте
не превышает 77,8 ρρm, в 1 % – растворе –
27,8 ρρm.
Сравнение полученных данных относи-
тельно содержания пектина в растворимом
пектин-продукте и его качественных показа-
телей с характеристиками коммерческих им-
портных пектинов показало [10], что доля пек-
тина в новом растворимом пектинпродукте в
большинстве случаев выше, чем в импортных
пектинах; содержание балластных веществ в
пектине, входящем в состав растворимого про-
дукта, в 3,8…7,5 раз меньше, чем в импортных
пектинах и для получения растворимого пек-
тинпродукта не используются искусственно
завышающие желирующую способность бу-
ферные добавки.
№
п/п Вид кислоты
Показатели качества пектина
Степень
меток-
силиро-
вания,
λ, %
Желирую-
щая спо-
собность,
Х, º Т-Б
Содержание
балластных
веществ, Б, %
Содержание
полигалак-
туроновой
кислоты, Пч,
%
Содержание
полигалак-
туроновой
кислоты П,
%
1 Азотная 64,2 280 8,5 80,1 73,3
2
Сильная органическая,
содержание сухих
веществ в концентрате
СВк= 5 %
60,4 290 5,3 81,3 77,0
3 То же, СВк = 10 % 60,2 287 5,3 81,2 76,9
Табл. 3. Влияние вида кислоты на качественные показатели пектина в растворимом
пектинпродукте (Т, τ, рН, n, тип сырья – idem)
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 77
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Табл. 4. Примеры влияния условий отделения экстракта от отработанного сырья
на качество пектина в составе растворимого пектинпродукта
Условия отделения
экстракта
Качественные показатели пектина
Желирующая способность, Х, º Т-Б Степень метоксилирования, λ, %
Декантирование,
N = 0 (контрольный
образец)
280 60,3
Обработка в поле
центробежных сил,
τц = 5 мин,
Nц = 3000 об/ мин
280 60,6
То же,
Nц = 6000 об/ мин 284 60,5
Рис. 2. Зависимость массосодержания филь-
трового остатка Wf % от частоты вращения
Nц и продолжительности работы центрифу-
ги: 1 – τц = 1 мин, 2 – τц = 3 мин, 3 – τц = 5 мин.
Количество отделяемого пектинового экс-
тракта и качество сухого растворимого пек-
тинпродукта зависят от степени отжима вы-
соковлажного отработанного сырья и чистоты
отфильтрованного экстракта.
Одним из перспективных методов увеличе-
ния степени отжима является центрифугирова-
ние, в связи с чем было проведено исследова-
ние взаимосвязи между условиями отделения
пектинового экстракта от отработанного пек-
тинсодержащего сырья в поле центробежных
сил, содержанием и качественными характери-
стиками пектина, входящего в состав пектин-
продукта.
Во всех тестах пектин экстрагировался из
сухого цитрусового сырья при одинаковых па-
раметрах процесса, варьировались только ча-
стота вращения центрифуги Nц = 3000…6000 об/
мин и длительность обработки смеси экстракт
– отработанное сырье в поле центробежных сил
(τц = 1…5 мин.) В каждом опыте определялись
масса и массосодержание отработанного сы-
рья (фильтрового остатка), содержание пекти-
на в экстракте, его желирующая способность
Х и степень метоксилирования λ, которые
сравнивались с аналогичными показателями
контрольного образца пектина, осажденного
из спокойно продекантированного экстракта.
Подробно методика исследования приведена в
[11].
Установлено, что отделение экстракта от
отработанного сырья в поле центробежных
сил не приводит к деструкции и изменению ка-
чественных показателей биополимера пектина
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №178
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
по сравнению с показателями контрольного об-
разца (табл. 4).
Уменьшение массосодержания жидкой
фазы в фильтровом остатке Wf с ростом частоты
вращения Nц и при удлинении продолжительно-
сти отжима τц (рис. 2) обеспечивает увеличение
выхода пектинпродукта и экономию расходов
сырья, энергии, реагентов, например, конкретно
в рассмотренном случае достигнуто увеличение
доли пектина в составе СВ на 12…15 %.
Кинетика структурообразования и вза-
имодействия с жидкостью растворимого
пектинпродукта. С целью изучения кинети-
ки структурообразования нового растворимого
пектинпродукта и его поведения при взаимодей-
ствии с жидкостью были проведены оптические
исследования (визуальные наблюдения и микро-
фотографирование) ряда опытных образцов ма-
териала, полученного без использования спирта,
основанные на использовании методов световой
микроскопии и применении приёмов, исключа-
ющих введение каких-либо физико-химических
воздействий на объект наблюдений. В одних
случаях образцы изучались в естественном (не-
тронутом) состоянии, в других случаях для это-
го выделялись отдельные участки (фрагменты).
Для получения объемных представлений об
элементах структуры использовался стереоско-
пический микроскоп МБС–9; для визуализации
изучаемых объектов и проведения измерений
использовались микроскоп Биолам – 70 с микро-
фотонасадкой МФН – 12 в сочетании с цифро-
вой техникой и световой микроскоп МБИ – 5, в
котором была создана гибкая оптическая схема,
позволившая выделять оптимальные участки
объекта для оценки достоверной информации
о его структурных особенностях и проведения
сравнительного анализа данных информации,
полученных при различных условиях.
Объектами исследования служили два об-
разца сухих растворимых желирующих пектин-
продуктов, содержание СВ в жидкой фазе посту-
павшей на сушку составляло, соответственно,
5 % и 10 %.
В качестве иммерсионной жидкости был
выбран глицерин с коэффициентом преломле-
ния, равным 1,4; поведение высушенных об-
разцов пектинпродукта при взаимодействии с
жидкими средами изучалось в дистиллирован-
ной воде, окрашенной метиленовым синим, и с
растворами этанола в глицерине.
Визуальные наблюдения, анализ накоплен-
ных микрофотографий и литературы [12-15],
показали:
• Высушенный пектинпродукт пред-
ставляет собой мелкодисперсный порош-
кообразный препарат телесного цвета,
состоящий из круглых частиц, оттенок окра-
ски и размер которых зависят от началь-
ного содержания сухих веществ в экстрак-
те, поступающем на сушку. При росте СВо
с 5 % до 10 % цвет продукта становился
белее темным и увеличивался размер частиц, но
во всем диапазоне СВо максимальный диаметр
единичной частицы не превысил 25 мкм.
• Поверхность единичной частицы вы-
глядит бугристой, шероховатой, при больших
увеличениях на микрофотографиях были за-
метны трещины, появление которых можно
объяснить усадкой биополимеров пектиновых
веществ при переходе материала за время суш-
ки от коллоидного к капиллярно-пористому
состоянию [1].
• Анализ микрофотографий, полученных
при использовании 40 % – раствора спирта в
глицерине в качестве иммерсионной жидко-
сти, позволил выявить у частиц наличие обо-
лочки, внутри которой находится в виде от-
дельных агрегатов неструктурированная масса
материала, и зафиксировать, что в течение
1…15 мин. происходят последователь-
но набухание частицы, разрыв её обо-
лочки, распад внутреннего содер-
жимого на наночастицы размером
250…500 нм и в завершение – полное рас-
творение всей массы частиц в смеси спирт-
глицерин [15].
• При изучении микрофотографий, полу-
ченных с применением в качестве контрасти-
рующего реагента водного раствора метилено-
вого синего отчетливо зафиксированы четыре
зоны, которые представляют собой: сухой по-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 79
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Рис. 3. Визуализация кинетики
взаимодействия высушенного
пектинпродукта с водным раствором
метиленового синего. Описание четырех
зон наблюдений – в тексте.
ющего пектинпродукта имеет ряд конкурент-
ных преимуществ, главные из которых это:
• его использование взамен дорогостоя-
щего коммерческого пектина в производстве
широкораспространенных продуктов питания
и напитков функционального назначения, в т.ч.
радиопротекторного и детоксикационного дей-
ствия, низкокалорийных, диетических и пр.;
• повышение энергоэффективности тех-
нологического цикла и снижение себестои-
мости продукции за счет полного отказа от
применения спирта и от необходимости про-
ведения его энергозатратной регенерации с ис-
пользованием дорогостоящих ректификацион-
ных установок (табл. 1);
• упрощение и ускорение технологиче-
ского цикла, двухкратное увеличение выхода
желирующего пектинпродукта по сравнению с
выходом коммерческого пектина;
• сокращение капитальных затрат, произ-
водственных площадей, единиц оборудования
и количества обслуживающего персонала;
• экологическая безопасность, исключе-
ние вредных выбросов в окружающую среду.
Результаты проведенных экономических
расчетов в прединвестиционной фазе по оцен-
рошкообразный продукт (І зона); начало раство-
рения, появление слабого окрашивания (ІІ зона);
концентрированный водный раствор метилено-
вого синего (III зона) и раствор, окрашенный в
интенсивный фиолетовый цвет (IV зона). Все
четыре зоны наблюдений отчетливо видны на
рис. 3.
Поскольку известно [12], что под действи-
ем метиленового синего именно раствор пек-
тина окрашивается в фиолетовый цвет, можно
сделать вывод, что IV зона по сути представля-
ет собой растворенный пектин. Равномерность
распределения наночастиц материала по всему
объему водного раствора метиленового синего,
отсутствие в растворе каких либо инородных
включений и структурных образований, а также
его интенсивная окраска в фиолетовый цвет сви-
детельствуют о полной растворимости и чисто-
те полученного пектинпродукта и указывают на
высокое содержании пектина в его составе, что
согласуется с результатами независимых пря-
мых измерений качественных показателей пре-
парата и определения содержания пектина в его
составе (табл. 3) и дает основание рассматри-
вать новый пектинпродукт как эквивалентный
заменитель коммерческого пектина.
После отделения от жидкой фазы из от-
работанного сырья можно изготавливать
сухой пищевой нерастворимый пектино-
вый порошок [6] и использовать его при вы-
пуске низкокалорийных диетических хле-
бобулочных и кондитерских изделий [16].
В крайнем случае, проэкстрагирован-
ное сырье можно утилизировать при вы-
работке тепловой энергии на собственные
нужды пектинового предприятия, теплота сго-
рания сухого отработанного сырья составляет
13,9…14,2 МДж/кг, вредных газообразных вы-
бросов по данным испытаний, проведенных в
НТУ «КПИ», г. Киев, Украина нет.
Эффективность бесспиртового производ-
ства растворимого желирующего пектинпро-
дукта. По сравнению с производством коммер-
ческого пектина по традиционной технологии
разработанная инновационная технология бес-
спиртового производства растворимого желиру-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №180
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ке усредненной себестоимости беспиртового
производства сухих пектинпродуктов и срока
окупаемости предприятия показали, что даже
при вдвое меньших оптовых ценах на раствори-
мый желирующий пектинпродукт по сравнению
с ценами на импортный коммерческий пектин,
разработка окупается за 2…2,5 г., а его выпуск
позволит полностью отказаться от многомилли-
онных затрат валютных средств на приобрете-
ние импортного коммерческого пищевого пек-
тина.
Сравнение эффективности производства
различных видов пектиновых веществ показало,
что без использования спирта растворимые пек-
тинпродукты наиболее целесообразно и выгодно
производить из сухого сырья после завершения
сезона безотходной переработки свежих выжи-
мок на особо чистые, но более дорогие пектин и
пектиновый порошок, предназначенные для ис-
пользования в здравоохранении [10,16].
Основные технологические решения, при-
ёмы и параметры бесспиртового энергосбе-
регающего производства сухих растворимых
желирующих пектиновых веществ составляют
НОУ-ХАУ ИТТФ НАНУ.
Выводы
Доказано, что без использования дорого-
стоящего спирта можно изготавливать сухие
желирующие пектиновые вещества, в составе
которых содержится в виде физической смеси
более 50 % высококачественного свободного
биополимера пектина.
По сравнению с традиционным производ-
ством пектина бесспиртовой выпуск сухих рас-
творимых пектиновых веществ позволяет со-
кратить более чем на 40 % технологическое
энергопотребление, увеличить в 1,5…1,6 раз
выпуск готовой продукции, упростить техно-
логический процесс, уменьшить число единиц
оборудования и отказаться от использования
импортных коммерческих пектинов при изго-
товлении широкораспространенных продуктов
питания, на приобретение которых в Украине
ежегодно затрачивается порядка 7 млн. USD.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вайнберг Р.Ш., Процышин Б.Н., Богда-
нов С.А., Гордиенко П.В., Буцкий Н.Д. Теплофи-
зические проблемы и практические результаты
повышения энергоэффективности извлечения
и термообработки высокомолекулярных био-
полимеров // Пром. теплотехника. – 2007, Т. 29,
№ 7.– С. 201-205.
2. Vainberg R.Sh., Bogdanov S.A., Butsky N.D.
The prospects for energy saving in the production
of pectin and pectin containing compositions //
Ind. Heat Eng. – 2000. – V 22, № 1.– P.5-9.
3. Донченко Л.Б., Карпович Н.С., Симхович
Е.Г. Производство пектина – Кишинев, 1994. –
182 с.
4. Виробництво та використання пектинів
у харчовій промисловості //За редакцією Гуло-
го І.С., Купчика М.П. – Харків: видав. Шуст,
2001, 120 с.
5. Шелухина Н.П., Абаева Р.Ш., Аймуха-
медова Г.Б. Пектин и параметры его получе-
ния. – Фрунзе: Илим, 1987. – 108 с.
6. Спосіб комплексної переробки відходів
виробництва фруктових соків. Богданов С.А.,
Буцький М.Д., Вайнберг Р.Ш., Гордієнко
П.В., Долінський А.А., Процишин Б.М. // Па-
тент України на корисну модель № 27898 від
26.11.2007 р.
7. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс хими-
ческой кинетики. – М.: Высшая школа, 1962. –
414 с.
8. Вайнберг Р.Ш., Богданов С.А., Буцкий
Н.Д. Интенсификация экстракции термола-
бильных органических полимеров в жидкий
электролит // Промышленная теплотехника. –
1997.– Т.15, № 2-3.– С.47-50.
9. Пектин. Технические условия. ГОСТ
28186-91.
10. Процышин Б.Н., Вайнберг Р.Ш., Бог-
данов С.А. Оптимизация тепломассообменных
условий получения биополимеров пектина
лечебно-оздоровительного назначения // Про-
мышленная теплотехника, – 2009. – Т.31, № 6.–
С.85-94.
11. Vainberg R.Sh., Bogdanov S.A., Butsky
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 81
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 629.7.536.27+662.987
Исламова С.И., Шамсутдинов Э.В.
Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра РАН
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СТАДИИ ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ
КРУПНОТОННАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛЕНА
Представлено розроблений
узагальнений алгоритм розв’язан-
ня задачі по підвищенню ефек-
тивності використання енергії
на промисловому підприємстві
нафтохімічного комплексу. В рам-
ках даного алгоритму проведена
оцінка енергетичної ефективності
теплотехнологічної схеми стадії
газорозділення виробництва ети-
лену, розроблена система утиліза-
ції низькопотенційних ВЕР, ви-
брано та обґрунтовано спосіб
інтенсифікації теплообміну для
теплообмінних апаратів схеми.
Представлен разработанный
обобщенный алгоритм решения за-
дачи по повышению эффективности
энергоиспользования на промыш-
ленном предприятии нефтехимиче-
ского комплекса. В рамках данного
алгоритма проведена оценка эффек-
тивности энергоиспользования те-
плотехнологической схемы стадии
газоразделения производства этиле-
на, разработана система утилизации
низкопотенциальных ВЭР, выбран и
обоснован способ интенсификации
теплообмена для теплообменных
аппаратов схемы.
In work developed generalized
problem algorithm to increase of
effectiveness of energy usage of
petrochemical plant is presented.
In the limit of this algorithm the
effectiveness of energy usage of
thermo-technological gas separation
scheme in manufacture ethylene is
estimated, system the low-potential
secondary energy resources utilization
is developed, a way of intensification
heat exchange for heat exchangers is
selected and substantiated.
b – ширина треугольного интенсификатора;
d – внутренний диаметр трубы;
h – высота интенсификатора;
Nu – число Нуссельта;
Re – число Рейнольдса;
s – шаг накатки;
α – коэффициент теплоотдачи;
η – теплогидродинамическая эффективность;
ξ – гидравлическое сопротивление;
АСУТП – автоматизированная система
управления технологическими процессами;
ВЭР – вторичные энергоресурсы;
ГВС – горячее водоснабжение;
N.D and Atamanyuk M.P. On the efficiency of
centrifugal phase separation method in pectin
production // 13 th Intern. Congr. CHISA-98. Praha.
– 1998. – prepr. 0803.
12. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии.
Поверхностные явления и дисперсные системы.
– М.: Химия, 1989. – 463 с.
13. Борбат А.М., Горбань И.С. и др. Опти-
ческие измерения. – Киев: Техніка, – 1967. –
419 с.
14. Джапаридзе Л.И. Практикум по ми-
кроскопической химии растений. – М. изд.
«Советская наука», 1953. – 168 с.
15. Серенсон И, Кемпбел Т. Препаратив-
ные методы химии полимеров. – М: Химия,
пер. с англ., 1963. – 264 с.
16. Качалай Д.П., Любенко А.А., Вайнберг
Р.Ш. и др. Методические указания по исполь-
зованию в лечебно-профилактических целях
пектина и пектиносодержащих продуктов №
5049-89. – Киев, Урожай, 1990. – 15 с.
Получено 15.12.2009 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60490 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:12:13Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Вайнберг, Р.Ш. Процышин, Б.Н. Богданов, С.А. Грабошникова, В.И. 2014-04-15T18:31:29Z 2014-04-15T18:31:29Z 2010 Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ / Р.Ш. Вайнберг, Б.Н. Процышин, С.А. Богданов, В.И. Грабошникова // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 1. — С. 71-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60490 536.248; 660.012.37; 664.292 На основе тепломассообменных и оптических исследований доказано, что без использования спирта и при снижении на 40 % технологического энергопотребления можно производить высококачественные сухие растворимые желирующие пектиновые вещества, заменяющие импортные коммерческие пектины при изготовлении широко распространенных продуктов питания. На основі тепломасообмінних та оптичних досліджень доведено, що без використання спирту та при зниженні на 40 % технологічного енергоспоживання можна виробляти високоякісні сухі розчинні желюючі пектинові речовини, які замінюють імпортовані комерційні пектини при виготовленні широко розповсюджених продуктів харчування. Heat- and mass transfer and optical studies have proved the possibility of obtaining the high-grade dry geling soluble pectic substances without use any alcohol and at reduction the 40 % of technological energy consumption. The high quality of these substances makes them possible to change imported commercial pectins used in the production of popular food stuffs. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Энергосбережение Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ Energy saving alcohol – free production of pectic substances Article published earlier |
| spellingShingle | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ Вайнберг, Р.Ш. Процышин, Б.Н. Богданов, С.А. Грабошникова, В.И. Энергосбережение |
| title | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ |
| title_alt | Energy saving alcohol – free production of pectic substances |
| title_full | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ |
| title_fullStr | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ |
| title_full_unstemmed | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ |
| title_short | Энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ |
| title_sort | энергоэкономное бесспиртовое производство биополимеров пектиновых веществ |
| topic | Энергосбережение |
| topic_facet | Энергосбережение |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60490 |
| work_keys_str_mv | AT vainbergrš énergoékonomnoebesspirtovoeproizvodstvobiopolimerovpektinovyhveŝestv AT procyšinbn énergoékonomnoebesspirtovoeproizvodstvobiopolimerovpektinovyhveŝestv AT bogdanovsa énergoékonomnoebesspirtovoeproizvodstvobiopolimerovpektinovyhveŝestv AT grabošnikovavi énergoékonomnoebesspirtovoeproizvodstvobiopolimerovpektinovyhveŝestv AT vainbergrš energysavingalcoholfreeproductionofpecticsubstances AT procyšinbn energysavingalcoholfreeproductionofpecticsubstances AT bogdanovsa energysavingalcoholfreeproductionofpecticsubstances AT grabošnikovavi energysavingalcoholfreeproductionofpecticsubstances |