Ефктивність антиспінювачів у боротьбі з піною у процесі виробництва бурякового цукру

 

(За матеріалами журналу «Цукровий бізнес»», №4 (6), грудень 2018 р.).

Утворення піни у цукровій промисловості є поширеним явищем. Появу піни спричиняють поверхнево-активні речовини: сапонін, вміст якого в цукрових буряках коливається від 0,02 до 0,03% від його маси, а також бетаїн, гумінові кислоти, аміни, аміди, амінокислоти, пектини та інші речовини. Присутність цих сполук знижує поверхневий натяг цукрових розчинів, що викликає піноутворення на всіх стадіях виробництва цукру.

Утворення піни приводить до зменшення вилучення сахарози, ускладнює циркуляцію, сприяє надмірному ущільненню стружки (утворення пробок), що порушує ритмічність роботи та зменшує продуктивність.

Піноутворення погіршує умови дефекосатураційного очищення, фільтрації соків та знецукрення осадів, ускладнює процеси варки та центрифугування утфелів. Це призводить до збільшення кольоровості напівпродуктів, підвищує вихід патоки, погіршує якісні показники цукру та знижує його вихід, що негативно відображається на техніко-економічних показниках виробництва.

На цукровому заводі формування піни відбувається на всіх етапах переробки, починаючи з процесу миття буряків. У даній роботі порівнюються різні речовини, що запобігають піноутворенню, шляхом вивчення їх механізму дії та оптимізації найбільш ефективних доз. Відносна ефективність речовин, що попереджають піноутворення, була визначена як поєднання оптимальної їх концентрації та температури. Доведено, що їх ефективність підвищується разом із концентрацією. Вплив температури полягає в тому, що збільшується необхідність додавання речовин, що попереджають піноутворення, за температури вищої від точки помутніння. Ці речовини класифікувалися за їх гідрофобністю та ефективністю дії при звичайній температурі. При збільшенні гідрофобності підвищується їх ефективність. Чим ефективніший антиспінювач, тим повільніша його адсорбція у контексті повітря/рідина.

Окрім того, досліджувалася кінетична дія адсорбції при високій температурі для антипінних речовин, які швидко адсорбуються при нормальних температурах. Було виявлено, що підвищення температури сприяє адсорбції антиспінювачів. Чим ефективніша антипінна речовина за нормальної температури, тим краща адсорбція.

Піна утворюється майже на всіх етапах переробки буряків, особливо під час екстракції цукрового сиропу. З одного боку, це пов'язано з поверхневими активними молекулами (сапонінами, білками, пептидами тощо), витягнутими з буряка, а також із перемішуванням та перекачуванням сиропу, у результаті якого в сироп потрапляє повітря. З утворенням піни пов'язані різні чинники, такі як закупорка екстрактора, скорочення виходу екстракту, переповнення ємностей, що викликає значні втрати цукру. Використання антипінних речовин є загальним способом запобігання утворенню піни. Ці речовини, як правило, складаються з сополімерів етилену, пропіленоксидів (70%) та мінерального масла (30%). Співвідношення полімерів етилену/пропілену постійно варіюється у залежності від антипінних речовин та їх застосування. У той же час полімер може бути етерифікований з жирними кислотами чи поліолами. У склад цих речовин також можуть входити інші мікроелементи, такі як барвники або емульгатори тощо.

Тобто можна стверджувати, що антипінні речовини, що використовуються на цукрових заводах, мають складні формули, їх склад важко розпізнати в деталях. Незважаючи на відсутність інформації, виробники цукру зобов'язані використовувати комерційні антипінні речовини, дія яких у разі збільшення піноутворення полягає у збільшенні дози або застосуванні нових дорогих речовин, рекомендованих постачальниками. Проте основна тенденція зараз полягає у тому, щоб використовувати менше технологічних допоміжних речовин та, якщо можливо, збільшити використання екологічно чистих компонентів.

Матеріал та метод

Рішення у контролюванні піноутворення

Дифузійний сік, який не містить антипінних речовин, був використаний як зразок для вивчення процесу піноутворення. Сік (16% RDS) був отриманий з цукрових буряків та зберігався при 4 °С після додавання азиду як консерванту.

Приклади антипінних речовин

Зразки комерційних антипінних речовин, використаних у даній роботі, називалися AM1, AM2, AM3, AM4, AM5 та AM6, вони мали такий склад:

  • AM1: оксиди етилену та пропіленового сополімеру, етерифіковані рослинною жирною кислотою, змішаною з мінеральним маслом;
  • АМ2: поліефірполіоли, етерифіковані рослинною жирною кислотою, змішаною з мінеральним маслом;
  • АМ3: окис етилен-пропіленового співполімеру, етерифікований жирною кислотою, змішаною з мінеральним маслом;
  • АМ4: сополімери, етерифіковані рослинною жирною кислотою, змішаною з рослинним та мінеральним маслом;
  • AM5: сополімери етилену та пропіленоксиди, етерифіковані рослинними жирними кислотами, змішаними з мінеральним маслом;
  • AM6: суміш поліалкокси ефіру та мінерального масла.

Метод контролю ефективності антипінних речовин

Піноутворення при температурі навколишнього середовища

Дослідження піноутворення при температурі навколишнього середовища (22 ± 2 °С) з/без застосування антипінної речовини проводилися за допомогою апарату пінного сканування (IT Concept). Піна була отримана шляхом розсіювання азоту в піноутворюючому розчині. Постійний потік азоту (15 мл/хв) подавався через склокерамічне дно резервуару (L = 30 см; d = 3 см), що містив 15 мл сиропу. Резервуар освітлювався лампою денного світла з одного боку, щосекунди робилися знімки піни з неосвітленого боку резервуару та були проаналізовані за допомогою комп'ютера, який визначав зміни об’єму піни під дією часу.

Піноутворення при високих температурах

Проводилися дослідження ефективності трьох антипінних речовин (AM4, AM5, AM6) при 70 °С, які виявилися найменш ефективними при нормальних температурах. Зразок АМ6 також було проаналізовано при 85 °С. Вимірювальний прилад, що використовується при високій температурі, називався Jet Scan (IT Concept), піноутворення було отримано у терморегулювальному скляному резервуарі (L = 50 см; d = 10 см). Пінний розчин подавався у резервуар по спіралі на високій швидкості (3,5 м/с). Резервуар освітлювався, знімки робилися кожну секунду та оброблялися програмним забезпеченням, щоб визначити зміни обсягів піни під дією часу.

Відносна ефективність антипінних розчинів

Відносна ефективність (ВE) антипінних розчинів виражається у відсотках від піни, інгібованої додаванням певної концентрації антипінної речовини та розраховується наступним чином:

RE = (Vmax,Jp – Vmax,Jaf) / Vmax,Jp

де Vmax,Jp — максимальний об'єм піни, отриманий у сиропі без додавання антипінних засобів;

Vmax,Jaf — максимальний об'єм піни, отриманий у сиропі з додаванням антипінних засобів у заданій концентрації в тих же температурних умовах та піноутворенні.

Метод контролю властивостей антипінних речовин

Точка помутніння

Точка помутніння антипінних речовин — це температура, при якій розчинність повністю змінюється. При значенні нижче точки помутніння, речовини є водорозчинними, а вище цієї температури вони стають нерозчинними. На молекулярному рівні ця зміна розчинності обумовлена дегідратацією полярних голівок. Такий розрив зв'язків малої енергії між водою і полярними групами призводить до утворення міцел. Гідрофобні взаємодії відбуваються між поверхневими активними молекулами, вода виводиться, а продукт залишається нерозчинним. Формування міцел відповідає мінімально вільній енергії системи. Точка помутніння сополімерів, що відповідають формулі різних антипінних речовин, визначалась вимірюванням абсорбції при 420 нм при температурі від 20 до 90 °С. Проводилися вимірювання розчинів, що містили 1 мл сополімеру та 99 мл двічі перекачаної води. Швидкість підвищення температури склала 2 К/хв.

Обговорення результатів

Ефективність антипінних засобів як функція концентрації

Відносна ефективність при температурі навколишнього середовища

Визначалася відносна ефективність всіх шести зразків антипінних речовин при температурі навколишнього середовища у діапазоні концентрацій від 0 до 100 мл/л з метою вирахування оптимальної концентрації. Результати вимірювань, представлені на Рис. 3, показують різницю в ефективності, оскільки концентрація антипінних речовин змінюється. Наприклад, доза 10 мл/л AM1 дозволяє погасити 99% піни, тоді як за допомогою такої ж концентрації AM6 можна погасити лише 20% піни. На Рис. 3 також показано, що для певної концентрації, яка є специфічною для кожного антипінного матеріалу, немає необхідності збільшувати дозу антипінної речовини, оскільки не виявлено жодної додаткової ефективності (інгібування піни).

Табл. 1. Відносна ефективність (ВЕ) антипінних речовин АМ4, АМ5 та АМ6 при різних температурах та концентраціях
Антипінна речовина Концентрація (мл/л) ВЕ при 22 ± 2 °C (%) ВЕ при 70 ± 2 °C* (%) ВЕ при 85 ± 2 °C (%)
АМ4 10 42.32 ± 2 68 ± 2 -
50 80.12 ± 1 82.25 ± 1 -
100 81.06 ± 1 84 ± 1 -
АМ5 10 32.18 ± 2 56.2 ± 2 -
50 60.21 ± 1.5 70.15 ± 1 -
100 65.26 ± 3 76.32 ± 1 -
АМ6 10 17.01 ± 3 43.1 ± 2 55.81 ± 2
50 38.31 ± 2 55.8 ± 1.5 75.64 ± 1
100 48.61 ± 2 60 ± 2 79.74 ± 1.5

Відносна ефективність при високих температурах

Три антипінні речовини (AM4, AM5, AM6), виявлені відносно менш ефективними при нормальних температурах, були досліджені при 70 °С у трьох концентраціях: 10, 50 та 100 мл/л. Як показано у Табл. 1, підвищення температури від 22 до 70 °С помітно покращує ефективність зразків АМ4 та АМ5.

Тому концентрація 10 мл/л показала покращення на рівні 25,68% та 24%, відповідно, для зразків AM4 та AM5. У випадках 50 і 100 мл/л підвищення ефективності є менш помітним (2,13% для AM4 і 9,94% для AM5).

Для АМ6 підвищення ефективності має важливе значення, оскільки температура збільшується з 22 до 70 °С. Проте, значення, отримані при температурі 70 °С, є незадовільними, порівняно з антипінними речовинами AM4 і AM5. Тому AM6 необхідно було збільшити температуру до 85 °C.

Ефективність антипінних речовин, як функція концентрації після численних циклів піноутворення

За результатами проведених досліджень, показаних на Рис. 5, було визначено, що за відсутності антипінних речовин об'єм піни збільшується після кожного циклу піноутворення. На Рис. 5 можна помітити, що в першому циклі піноутворення підвищена концентрація антипінних речовин поступово збільшує свою ефективність (зменшує обсяги піни).

Проте, у другому та третьому циклах максимальний об'єм піни, отриманий при 50 мл/л АМ6 при 70 °С, є більшим, ніж об’єм піни, отриманий у першому циклі при 10 мл/л. При підвищенні температури до 85 °С це явище не спостерігалося.

Табл. 2. Середній кут контакту досліджуваних антипінних речовин
Антипінні речовини Середній кут контакту (°)
АМ1 46.7 ± 1
АМ2 49.2 ± 0.5
АМ3 59.6 ± 0.5
АМ4 60.3 ± 0.3
АМ5 65.9 ± 0.2
АМ6 66.6 ± 0.4
Гідрофобність та ефективність антипінних речовин

Оскільки антипінні речовини ефективніші, коли утворюють міцели, температура їхньої точки помутніння та ефективність залежать від їх хімічного складу. Порівняння гідрофобності антипінної речовини та ефективності інгібування піни показує, що чим більша гідрофобність речовини, тим вища відносна ефективність.

Адсорбція антипінних речовин при високих температурах

Кінетику адсорбції антиспалювальних речовин (АМ4, АМ5 та АМ6), які менш ефективні при температурі навколишнього середовища, досліджували при 70 °С, а також сироп, що не містив антипінних речовин. Результати проведених дослідів, отриманих при 22 °С, показано на Рис. 5. Можна спостерігати, що для сиропу, що не містить антипінних речовин, поверхневий натяг зменшується швидше при 70 °С. Ймовірно, це пов'язано з впливом температури на дифузію поверхнево-активних молекул, а також на енергію активації адсорбції, яка зменшується при підвищенні температури. Більше того, за відсутності антипінної речовини різниця поверхневого натягу між значеннями, отриманими при цих температурних показниках, набагато вища. Ця особливість також інтерпретується як аргумент на користь захоплення поверхнево-активних молекул дифузійного соку антипінними речовинами, які діють як інгібітори піни. У випадку зразків, що містять антипінні речовини, слід зазначити, що чим більша її ефективність, тим більша різниця між значеннями, отриманими при температурі 70 і 22 ° С. Антипінні речовини містяться у вигляді міцел при 70 °С, а їх поведінка у контексті повітря/рідина характеризується як розповсюдження, а не адсорбція.

Висновки

З експериментальної роботи, представленої у даній статті, можна зробити висновки, що:

  • Ефективність антипінних матеріалів, крім їх складу, в основному залежить від двох параметрів, концентрація яких показує порогове значення та температуру, яка повинна досягти точки помутніння.
  • Залежно від їх локалізації в системі піноутворення, антипінні засоби діють відповідно до двох різних і взаємодоповнюючих механізмів:

I) У розчині: антипінні засоби діють, запобігаючи утворенню піни. Це досягається затримкою адсорбції поверхнево-активних молекул у контексті повітря/рідина. Чим вища гідрофобність антипінної речовини, тим кращий антипінний ефект.

II) У піні: антиспінювачі проявляють антипінний ефект, поширюючись на плівку утвореної піни. Оскільки збільшується гідрофобність антиспінювача, полегшується гасіння піни.


1831