ПРОГРЕСИВНІ МЕТОДИ У ТЕХНОЛОГІЇ ВИМОРОЖУВАННЯ СОНЯЧНОГО ОЛІЇ
Ф.Ф. ГОЛОДКИЙ, д-р техн. наук, проф. НТУ "ХПІ"; Є.А. ЛИТВИНЕНКО, к.т.н. НТУ "ХПІ"; Г.В. САДОВНИЧИЙ, генеральний директор ТОВ ІК «ПТ «Соняшник» Т.Г. ШКАЛЯР, головний технолог ТОВ ІК «ПТ «Соняшник»
УДК 665.36
Вступ. Фізико-хімічні, електрофізичні та електромагнітні характеристики рослинних олій і багато в чому визначають їх технологічні властивості. При вилученні воску та воскоподібних речовин з олії найбільш перспективним напрямком є використання електричного або електромагнітного полів. У зв'язку з цим актуальним є дослідження електрофізичних та електромагнітних властивостей олій та воскових речовин, а також їх поведінка при електромагнітних та інших методах впливу на систему олійно-супутні речовини.
Одним із таких нових підходів, що розвиваються з початку 60-х років, є використання електрофізичних методів впливу на органічні речовини та матеріали. Природна сутність електромагнітного поля дозволяє створити цілий ряд електрофізичних способів і методів та технічних пристроїв на їх основі.
Необхідність застосування електромагнітного поля при вилученні воскових речовин з соняшникової олії. Традиційними шляхами вирішення проблеми удосконалення процесу рафінації є застосування нових конструкційних, технологічних та технічних рішень, розробка нових типів обладнання та застосування нових реагентів тощо . Це потребує великих капітальних вкладень та значного часу.
При цьому значного підвищення ефективності виробництва та якості одержуваних продуктів, у тому числі і на діючих установках, можна досягти шляхом застосування нетрадиційних способів впливу на сировину, що рафінується. У цьому плані все більшезастосування знаходять методи, що реалізуються на основі різних фізичних принципів, а саме електричних та магнітних. Однак, існує ряд недоліків: недосконалість існуючих апаратів, неможливість їх повсюдного застосування, відносна їх складність та висока вартість. Тому перспективним напрямом досліджень є використання електромагнітних методів впливу в технології переробки рослинних олій та жирів.
Технологія видалення воску та воскоподібних речовин з соняшникової олії - технологія «виморожування», характеризується значною тривалістю процесу кристалізації воску, низькою швидкістю фільтрації, що пов'язано з високою в'язкістю соняшникової олії при низькотемпературній фільтрації, необхідністю використання допоміжних матеріалів, труднощами очищення фільтруючої перегородки , великими енерговитратами, недостатнім ступенем виведення воскоподібних речовин і утворенням значної кількості олійних відходів.
У зв'язку з цим розробка нових методів технології видалення воскових речовин з масел, а саме удосконалення технологічних стадій кристалізації і фільтрації суспензії є актуальним завданням.
В [1] було розглянуто удосконалення технологічної стадії фільтрації суспензії з використанням волокнистих фільтруючих матеріалів на основі полісульфону, коли фільтрація йде за принципом прилипання негативно заряджених частинок до позитивно заряджених волокон фільтру. При цьому волокнисті фільтр-матеріали на основі полісульфону мають стабільний заряд, отриманий в процесі їх виробництва (електроформування). Питання у тому, щоб восковим речовинам надавати негативний заряд.
Віски за рахунок наявності в середині ланцюга ефірної групимають полярність, яка у звичайних умовах виражена слабо. Проте за їх внесенні у зовнішнє електромагнітне полі вони намагнічуються, тобто. набувають необхідного для фільтрації заряду.
Тому при вилученні воскоподібних речовин з олії найбільш перспективним напрямом є використання електричного або електромагнітного полів [2 – 6], яке створює такі умови, за яких воскові частинки можуть поляризуватися більшою мірою, ніж інші домішки [2, 4].
При охолодженні олії воскові речовини з розчиненого стану переходять у проміжний мезоморфний, при якому знижуються їх ліпофільні властивості, що збільшує його полярність.
Молекулярні сили, що забезпечують впорядковану структуру рідкого кристала, малі. Тому рідкі кристали легко змінюють структуру під дією різних зовнішніх факторів (температури, тиску, випромінювання, електричних та магнітних полів тощо), що призводить до зміни їх оптичних, електричних та інших властивостей. Ця залежність, своєю чергою, відкриває багаті можливості розробки нових методів їх видалення.
Звідси випливає, що застосування електромагнітних методів може відкрити для олійно-жирової промисловості нові перспективи, пов'язані зі специфічною дією електромагнітного поля на жири та жирові системи [7, 8].
Дослідження впливу електромагнітного поля на вилучення воску та воскоподібних речовин з соняшникової олії. Для визначення дії електромагнітного поля використовуємо рафіновану невиморожену соняшникову олію з відомою кількістю воскових речовин у ньому. З метою повного розчинення воску пробу соняшникової олії з внесеним воском нагрівали до температури 90 – 105 °С та витримували при цій температурі до повного розчиненнявоску в олії. Потім пробу соняшникової олії охолоджували. Віск та воскові з'єднання виділявся у вигляді «сітки».
Вимірювання електрофізичних характеристик суспензії проводили при температурі 18 ºС згідно з методикою, наведеною в [9, 10].
Для визначення впливу електромагнітного поля на суспензію воскових речовин у маслі та на проведення технологічних операцій її обробляли в електромагнітному полі в спеціальному лабораторному апараті.
Результати досліджень електрофізичних характеристик суспензії та впливу електромагнітного поля на неї представлені на рис. 1 та 2.
З даних на рис. 1 і 2 видно, що зі збільшенням концентрації воскоподібних речовин в маслі, а також після обробки суспензії в електромагнітному полі, зростає діелектрична проникність та знижується електропровідність, що свідчить про збільшення здатності воску та воскоподібних речовин до поляризації в процесі їхньої кристалізації.
Мал. 2. Вплив електромагнітного поля на величину електропровідності суспензії
Після припинення дії електромагнітного поля на систему "олійно-воскові речовини" спостерігається релаксація її характеристик. Час релаксації встановлюємо по суспензії воскових сполук соняшниковій олії концентрацією 0,05% мас. (500 мг/кг) (рис. 3 та 4).
Релаксація електрофізичних характеристик воскових речовин пов'язана з тим, що після припинення впливу електромагнітного поля на систему полярність воскоподібних речовин знижується, при цьому спостерігається зменшення діелектричної проникності, а як наслідок збільшення електропровідності практично до вихідних значень.
Мал. 3. Релаксація електрофізичних характеристик суспензії (діелектричної проникності)
Мал. 4. Релаксація електрофізичних характеристик суспензії (електропровідності)
На рис. 5 показана ефективність осідання частинок воску та воскових речовин, коли під дією електромагнітного поля відбувається поліпшення утворення агломератів воскоподібних речовин, збільшується швидкість осідання частинок і, як наслідок, підвищується ефективність осідання.
Мал. 5. Ефективність осідання воскових частинок
Вплив електромагнітного поля на протікання фізико-хімічних процесів у рідкій фазі останнім часом викликає підвищений інтерес вчених, проводиться багато досліджень щодо використання електромагнітної обробки сировини та матеріалів для зміни їх хімічних показників та перебігу технологічних процесів. Дослідження такого впливу на процес кристалізації олії показало позитивний результат.
Процес кристалізації воскових речовин у олії під впливом електромагнітного поля вивчений за допомогою фотометричного методу. Випробування проводили на приладі колориметр концентраційний фотоелектричний КФК-2, дозволяє проводити вимірювання оптичної щільності при довжині хвилі λ = 440 нм. Дослідження проводили у кюветі 10мм.
За результатами випробувань встановлено, що найкращий час обробки в електромагнітному полі суспензії становить 2 секунди при напруженості електромагнітного поля 1,9 10 5 А/м і магнітної індукції 0,25 Тл.
Оптимальна температура обробки суспензії становить 45 – 40 ºС, що підтверджує дані про сумарну полярність воскових сполук залежно від температури, що свідчить про те, що в цьому інтервалі температур воску тавоскоподібні речовини знаходяться в проміжному або мезоморфному стані, що збільшує їхню здатність до поляризації (дані показані на рис. 6).
Мал. 6 – Кристалізація воскових речовин після обробки суспензії в електромагнітному полі при температурі 40 – 45 °С
1 – без попередньої обробки суспензії;
2 - з попередньою обробкою ЕМП індукцією В = 0,1 Тл;
3 - з попередньою обробкою ЕМП індукцією В = 0,15 Тл;
4 - з попередньою обробкою ЕМП індукцією В = 0,2 Тл;
5 - з попередньою обробкою ЕМП індукцією В = 0,25 Тл.
Оскільки зміни діелектричної проникності та електропровідності суспензії соняшникової олії при кристалізації восків та воскоподібних речовин свідчить про придбання кристалами електричних зарядів, то встановлено можливість використання електромагнітних полів у технології виморожування соняшникової олії, а саме для підвищення ефективності процесу кристалізації суспензії (рис. 7 та 8).
Мал. 7 – Поляризація воскових сполук у процесі їх кристалізації (за діелектричною проникністю)
Мал. 8 – Поляризація воскових сполук у процесі їхньої кристалізації (за електропровідністю)
За наявності на робочій поверхні волокнистих фільтруючих матеріалів на основі полісульфону електричних зарядів доведено їхню здатність разом з електромагнітною обробкою сировини впливати на ефективність фільтрування суспензії воскоподібних речовин у соняшниковій олії.
Показано позитивний вплив використання попередньої обробки суспензії в електромагнітному полі перед фільтруванням.
На рис. 9 представлений порівняльний графік швидкості фільтрації соняшникової олії через волокнистийфільтр. З рис.9 видно, що швидкість фільтрування суспензії, що пройшла електромагнітну обробку вище ніж без неї, що збільшує здатність фільтрувати волокнистих фільтрів і дає можливість їх ефективного використання. Це пов'язано в основному зі зміною властивостей кристалічної структури воску та воскоподібних речовин в електромагнітному полі, які в результаті набувають електростатичного заряду, що спрощує процес фільтрування за рахунок електрокінетичної взаємодії та процесу адсорбції.
Мал. 9 –Швидкість фільтрації суспензії
1 – без електромагнітної обробки суспензії;
2 - суспензія оброблена в електромагнітному полі індукцією 0,1 Тл;
3 - суспензія оброблена в електромагнітному полі індукцією 0,15 Тл;
4 - суспензія оброблена в електромагнітному полі індукцією 0,2 Тл;
5 - суспензія оброблена в електромагнітному полі індукцією 0,25 Тл.
Оскільки разом з восковими речовинами виводяться інші супутні речовини, то визначено ефективність використання обробки суспензії в електромагнітному полі поліпшення показників якості профільтрованого масла, результати досліджень представлені у таблиці 1.
Таблиця 1. Показники соняшникової олії після фільтрації
Соняшникова олія до фільтрації
Олія, профільтрована через волокнисті фільтруючі матеріали без електромагнітної обробки
Олія, профільтрована через волокнисті фільтруючі матеріали з попередньою електромагнітною обробкою суспензії.