способ очистки растворов, содержащих сахарозу

Формула изобретения

1. Способ очистки растворов, содержащих сахарозу, предусматривающий фильтрацию растворов сахарозы через катиониты и/или аниониты с получением сахарных сиропов пищевых кондиций, отличающийся тем, что для фильтрации растворов, содержащих сахарозу, используют макросетчатые катиониты и/или аниониты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что макросетчатые аниониты получают путем сополимеризации азотсодержащего винилового акрилового мономера с бифункциональным сшивающим агентом в среде сольватирующего растворителя в присутствии радикального инициатора при нагревании, при этом в качестве азотсодержащего винилового акрилового мономера используют N-диметиламиноэтилметакрилат, в качестве сшивающего агента - этиленгликольдиметакрилат, при их концентрации в реакционной смеси 30-47% и при их молярном соотношении 1:0,5-1, а сополимеризацию ведут в среде водного диметилформамида с концентрацией последнего 85-95%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии сахарного производства.

Известен способ очистки растворов сахара-сырца с помощью коагулянтов - сульфатов железа и алюминия (Ермолаева Г.А., Крыгина А.И. Очистка тростникового сахара-сырца коагулянтами и получение из него жидкого сахара. Сахарная промышленность, 1982, №8, с.34-36). Однако этот способ связан с введением в раствор избытка ионов металлов, необходимостью связывания их и выведения продуктов коагуляции в осадок, многочисленными операциями фильтрации и невозможностью реализации процесса в непрерывном динамическом режиме.

Известен способ очистки сахара-сырца путем известково-углекислотной очистки его растворов и кристаллизации (Сапронов А.Р., Сапронова Л.А. Технология сахара. М.,1993, с.191-195).

Известен способ производства жидкого сахара из мелассы путем известково-углекислотной очистки 30-40% растворов мелассы с последующим доведением концентрации сухих веществ до 65-75% посредством растворения в растворе мелассы желтого сахара (авторское свидетельство СССР №1678840, публикация 1991 г.).

Основными недостатками этих способов являются: потеря сахара на стадии дефекосатурации, необходимость обработки сахарных растворов известковым молоком с последующей сатурацией, наличие большого количества сточных вод и шламов известняка.

Известны способы очистки мелассы, основанные на хроматографическом разделении ее компонентов при пропускании разбавленной мелассы через стиролдивинилбензольный сульфокатионит в Са⁺⁺ -форме (патент РФ №2039831, публикация 1995 г.; патент РФ №2170261, публикация 2001 г.; патент РФ №2048847, публикация 1995 г.) или комбинации хроматографических и ионообменных методов и известково-углекислотной очистки (патент РФ №2016637, публикация 1994 г.).

Недостатками этих способов являются большое водо- и энергопотребление, малая производительность процессов и образование значительных объемов сточных вод.

Близким к заявляемому изобретению является способ очистки сахаросодержащих растворов на ионитах.

Например, известен способ обесцвечивания сиропов сахарорафинадного производства на макропористом стиролдивинилбензольном анионите АВ-17-2П, согласно которому предварительно отфильтрованный сироп (клеровка свекловичного сахара-песка) с содержанием сухих веществ 60-65% пропускают через слой анионита высотой 1,5-1,8 м, диаметром 1,5-2,0 м под статическим давлением с удельной нагрузкой 2 м³/м³ ч при t=80°С, цветность исходного сиропа составляет 1,3-8,0 усл. ед. Подачу сиропа прекращают при снижении эффекта обесцвечивания до 30-40%. Регенерацию анионита проводят солещелочным раствором, содержащим 10% хлористого натрия и 0,2-0,7% гидроокиси натрия (при температуре 60°С) из расчета 4 м³/м ³ анионита (“Обесцвечивание и умягчение продуктов сахарного производства ионитами”, ЦНИИ информации и технико-экономических исследований пищевой промышленности, М., 1984 г., серия 23, вып.14, с.9-16).

Недостатками известного способа являются: неполная регенерируемость анионита, необходимость нагрева и использования концентрированных солещелочных растворов, большой расход воды и химических реагентов для регенерации анионита.

Другим близким к заявляемому способу очистки сахаросодержащих растворов является известный способ умягчения сока (или оттеков) сахарного производства катионитами, например КУ-2-8, согласно которому сок с содержанием сухих веществ 10-13% пропускают через катионит в Nа⁺-форме, объемом 7 м³, с производительностью 105 м³/час. Степень умягчения сока составляет в среднем 82%. Регенерацию осуществляют 10%-ным раствором хлористого натрия, подаваемым в течение 1 часа с расходом 20 м³/час (там же, стр. 18-25). Недостатком этого способа является неполная регенерируемость катионита от красящих веществ сока, приводящая к его постепенному “отравлению”, и большой расход хлорида натрия.

Наиболее близким к заявляемому объекту является способ умягчения сахарных растворов с одновременным их обесцвечиванием, включающий последовательное пропускание их через сильнокислотный катионит в Н⁺- форме и анионит в ОН^--форме (Ионообменные методы очистки веществ, изд-во Воронежского университета, Воронеж, 1984 г., стр.236-251). В качестве катионита по этому способу используют гелевый сульфокатионит КУ-2-8, в качестве анионита - полифункциональный гелевый АВ-16ГС или, предпочтительно, макропористый сильноосновный анионит АВ-17-2П.

Недостатками известного способа являются:

- быстрое “отравление” ионитов вследствие необратимой сорбции красящих и балластных веществ, сопутствующих сахарозе в исходном растворе; при использовании для десорбции красящих и балластных веществ традиционных химических реагентов - растворов минеральных кислот (серной или соляной), щелочи, (едкого натра) и концентрированных солевых растворов десорбция не превышает 50-70%. Так, анионит АВ-17-2П регенерируется солесодержащим щелочным раствором (6% NaCl + 0,2% NaOH) при t=60°C на 50-70%. При этом имеет место падение величины сорбции красящих и балластных веществ. Применение для повышения эффективности регенерации органических растворителей (спирта) или агентов (перекиси водорода, перхлората натрия), окисляющих необратимо сорбированные вещества, приводит к разрушению структуры ионитов, а также требует проведения дорогостоящих противопожарных мероприятий и полной утилизации окисляющих агентов из технологических стоков;

- вследствие “отравления” ионитов уменьшается сорбционная емкость сорбентов и иониты полностью заменяются в течение 1-2-х лет;

- при использовании известного изобретения невозможно полностью удалить из сильно пигментированных растворов сахарозы красящие компоненты и получить бесцветный сироп, что ограничивает сферу использования сиропа в пищевой промышленности и в розничной продаже потребителю.

Таким образом, используемые для осветления и очистки растворов сахарозы иониты обладают существенным недостатком - “отравлением” органическими красящими и балластными веществами в процессе осветления и очистки сахаросодержащих растворов и, кроме того, применение этих сорбентов без дополнительных технологических операций не приводит к полной депигментации сахарных сиропов.

Наши исследования показали, что для полного обесцвечивания растворов, содержащих сахарозу, и исключения “отравления” ионитов следует использовать иониты, синтезируемые сополимеризацией моновинильных соединений, содержащих ионогенные группы, с длинноцепными бифункциональными сшивающими агентами (так называемые макросетчатые иониты). В процессе синтеза макросетчатых ионитов формируется равномерная по плотности матрица, доступная для диффузии крупных органических ионов, ответственных за пигментацию сахарных растворов. В то же время в матрице практически отсутствуют “плотные” участки, куда способны диффундировать только “небольшие” ионы, которые в процессе десорбции “запираются” в матрице ионита, что приводит к “затуханию” регенерации и “отравлению” ионита. Поэтому на макросетчатых ионитах 100%-я сорбция и десорбция красящих и балластных веществ, содержащихся в сахарном растворе, проходит без видимых затруднений. В то же время наличие у гелевых и макропористых сорбентов в матрице “плотных” участков исключает полную десорбцию окрашенных и балластных веществ в процессе регенерации, а отсутствие крупных пор у гелевых сорбентов не позволяет на этих ионитах полностью обесцветить сахарные растворы из-за “проскока” при сорбции больших органических ионов, ответственных за пигментацию.

Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии очистки и повышение качества растворов, содержащих сахарозу, с получением сахарного сиропа пищевых кондиций.

По предлагаемому способу раствор, содержащий сахарозу, пропускают через макросетчатый катионит в OH⁺-форме и/или макросетчатый анионит в OH^- -форме, солевой или смешанной форме до достижения заданной цветности или полного обесцвечивания раствора с последующей регенерацией ионитов 0,8-2,0% раствором щелочи и 2-4% раствором минеральной кислоты.

Макросетчатые аниониты могут быть получены путем сополимеризации азотсодержащего винилового акрилового мономера с бифункциональным сшивающим агентом в среде сольватирующего растворителя в присутствии радикального инициатора при нагревании, при этом в качестве азотсодержащего винилового акрилового мономера используют N-диметиламиноэтилметакрилат, в качестве сшивающего агента - этиленгликольдиметакрилат, при их концентрации в реакционной смеси 30-47% и при их молярном соотношении 1:0,5-1, а сополимеризацию ведут в среде водного диметилформамида с концентрацией последнего 85-95%.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в следующем:

- реализация способа позволяет без коррекции технологии при варьировании только объемной “нагрузкой” сахаросодержащего раствора на иониты целенаправленно получать бесцветный или “желтый” растворы жидкого сахара пищевых кондиций;

- применение макросетчатых катионита и/или анионита при осветлении и очистке растворов, содержащих сахарозу, исключает “отравление” ионитов красящими и балластными веществами и позволяет проводить 100%-ю регенерацию ионитов разбавленными растворами щелочи и кислоты при комнатной температуре;

- полная регенерация ионитов повышает стабильность и надежность технологического процесса и обеспечивает высокое качество целевого продукта;

- значительно упрощается технологическая процедура подготовки растворов для регенерации ионитов и утилизации сточных вод из-за отсутствия концентрированных солевых растворов (в частности 10%-ного раствора NaCl);

- имеет место уменьшение в 1,5-2,0 раза расхода химических реагентов за счет применения разбавленных растворов щелочи и кислоты;

- продолжительность использования макросетчатых ионитов при очистке сахаросодержащих растворов составляет не менее 5-7 лет; частичная замена ионитов проводится непосредственно в ионообменной колонне в случае уноса или механического разрушения зерен сорбентов в процессе эксплуатации.

Примеры осуществления предлагаемого способа

Пример 1

620 мл раствора сахара-сырца, содержащего 65% сухих веществ, фильтруют через слой фильтр-перлита и полученный фильтрат с цветностью 28 усл.ед. пропускают при t=60°C со скоростью 20 мл/час через колонку объемом 20 мл с макросетчатым анионитом в Сl^--форме. Получают 605 мл раствора сахара с цветностью 2,7 усл.ед. Далее колонку промывают 20 мл дистиллированной воды для отмывки от исходного сахаросодержащего раствора и затем регенерируют при комнатной температуре 2%-ным раствором NaOH с последующей отмывкой избытка щелочи до рН 8 дистиллированной водой и переводом ионита в Сl^--форму 80 мл 1,6%-ного раствора соляной кислоты. Расход щелочи на регенерацию колонки составил 1,6 г, расход концентрированной соляной кислоты - 1,28 г.

Пример 2

Раствор сахара-сырца с содержанием сухих веществ 65%, цветностью 28 усл.ед., отфильтрованный через фильтр-перлит, пропускают через колонку объемом 20 мл с макросетчатым анионитом в смешанной ОН^--SO^-2₄ -фopмe со скоростью 20 мл/час при t=60°C. Получают 605 мл раствора сахара с цветностью 2,6 усл.ед. Последующую промывку и регенерацию осуществляют, как в примере 1, но используя 0,8%-ный раствор NaOH. В смешанную форму макросетчатый анионит переводят пропусканием через слой сорбента 30 мл 2,3%-ного раствора серной кислоты. Расход 0,8%-ной щелочи на регенерацию составил 1,3 г, расход концентрированной серной кислоты 3,6 г.

Пример 3

Отфильтрованный, как в примере 1, раствор сахара-сырца объемом 730 мл и цветностью 28 усл.ед., содержащего 65% сухих веществ, пропускают через соединенные последовательно колонки соответственно с 20 мл макросетчатого катионита в H⁺ -форме и 20 мл макросетчатого анионита в OH^--форме со скоростью 20 мл/час при t=60°С. Получают 720 мл сиропа с цветностью 2,4 усл.ед. Далее, оставшийся на колонках сахарный сироп вымывают 20 мл дистиллированной воды и сорбенты регенерируют при комнатной температуре, пропуская через последовательно соединенные колонки 160 мл 1,6%-ного раствора NaOH и через колонку с катионитом 100 мл 2,3%-ного раствора серной кислоты. Анионит и катионит отмывают от избытка NaOH и Н₂SO₄ дистиллированной водой соответственно до рН 8 и рН 3. Расход NaOH на регенерацию составил 2,6 г, расход концентрированной серной кислоты 5,4 г.

Пример 4

Отфильтрованный, как в примере 1, раствор сахара-сырца, содержащего 65% сухих веществ, объемом 730 мл и цветностью 28 усл.ед. пропускают через колонку, заполненную смесью 20 мл макросетчатого катионита в Nа⁺-форме и 20 мл макросетчатого анионита в Сl^--форме со скоростью 20 мл/час при t=60°C. Получают 720 мл сиропа с цветностью 2,6 усл.ед. Регенерацию ионитов проводят при 40°С, пропуская через колонку 80 мл солещелочного раствора, содержащего 3% хлористого натрия и 0,3% едкого натра. Расход NaCl на регенерацию составил 2,4 г, расход NaOH - 0,24 г.

Пример 5

1,65 литра раствора сахара-сырца, содержащего 32% сухих веществ, подвергают ультрафильтрации с номинальной отсекаемой молекулярной массой 50 тыс. дальтон при 50°С. Ультрафильтрат пропускают через последовательно соединенные колонки соответственно с макросетчатым катионитом в Н⁺-форме и макросетчатым анионитом в OH^--форме объемом по 50 мл каждого сорбента со скоростью 150 мл/час при комнатной температуре. Полученные 1,6 л раствора сахара упаривают под вакуумом при температуре 65-75°С до содержания сухих веществ 67%. Получают 870 мл сахарного сиропа светло-желтого цвета с цветностью 2,2 усл.ед. Регенерацию ионитов проводят, пропуская через две последовательно соединенные колонки дистиллированную воду, затем 400 мл 2%-го раствора NaOH, затем дистиллированную воду до рН 8, затем через колонку с катионитом 200 мл 2,3%-го раствора H₂SO₄. Расход щелочи на регенерацию составил 8 г, расход концентрированной серной кислоты - 5,8 г.

Пример 6

440 мл раствора сахара-сырца с содержанием сухих веществ 32%, прошедшего ультрафильтрацию, как в примере 5, пропускают через колонки с макросетчатыми катионитом и анионитом, как в примере 5, со скоростью 25 мл/час. Получают 400 мл бесцветного раствора, который упаривают под вакуумом при 55-65°С до концентрации сахарозы 70%. Готовый продукт представляет из себя бесцветный сироп. Регенерация ионитов и расход химических реагентов аналогичны примеру 5.

Пример 7

1,25 литра раствора сахара-сырца, содержащего 32% сухих веществ, прошедшего ультрафильтрацию, как в примере 5, пропускают через колонки с катионитом КУ-2-20 объемом 10 мл в Н⁺-форме, макросетчатым катионитом в Н^--форме и макросетчатым анионитом в ОН^--форме объемом по 50 мл со скоростью 25 мл/час при комнатной температуре. Полученный бесцветный сахарный раствор объемом 1,2 л упаривают под вакуумом при 55-65°С до СВ=70% с получением бесцветного сахарного сиропа.

Пример 8

400 мл разведенной в 2 раза и деминерализованной мелассы пропускают через колонки с макросетчатым катионитом в H⁺-форме и макросетчатым анионитом в ОН^--форме при комнатной температуре. Полученный желтый раствор упаривают под вакуумом до концентрации сухих веществ 70%. Получают сироп цветностью 4 усл.ед., не имеющий постороннего вкуса и запаха. Регенерацию макросетчатых ионитов проводят, как в примере 5.

Все приведенные примеры осуществлены на макросетчатых катионитах и анионитах. После 140 циклов регенерации иониты по своим емкостным характеристикам и внешнему виду (цвету и размеру зерна) не претерпели каких-либо изменений.