Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МАССОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ а- ЛАКТОЗЫ (05.18.12)
|
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Физико- химические свойства растворов лактозы
1.1 Плотность растворов а-лактозы
1.2 Вязкость водных растворов а- лактозы
1.3 Растворимость лактозы
1.4 Показатели преломления а- лактозы
1.5 Коэффициенты молекулярной диффузии а-лактозы Глава 2 Кинетика роста и растворения кристаллов а- лактозы
2.1 Обзор некоторых теоретических исследований
в области кристаллизации и растворения
2.2 Кинетика роста кристаллов а- лактозы
2.2.1 Изомерные формы лактозы. Кинетика мутаротации
2.3 Исследование кинетики роста кристаллов а-лактозы
2.3.1 Описание экспериментальной установки и
методики проведения эксперимента
2.3.2 Кинетика роста кристаллов а- лактозы в
кинетической области
>
2.4 Исследование кинетики растворения кристаллов
а- лактозы методом вращающегося диска
2.5 Массоотдача от вращающегося при
ламинарном режиме движения диска
2.5.1 Методика проведения и результаты эксперимента
2.5.2 Определение коэффициентов диффузии
растворов а- лактозы Глава 3 Кинетика массовой кристаллизации а- лактозы в аппаратах непрервного действия с перемешиванием суспензии и отбором смешанного продукта типа CMSMPR
3.1 Некоторые закономерности образования кристаллов
3.2 Кинетика кристаллизации а- лактозы из водных
растворов. Кинетика массовой кристаллизации 66
3.3 Описание экспериментальной установки и методики
проведения эксперимента 71
3.4 Обоснование метода расчета скорости нуклеации
кристаллов а- лактозы 81
3.5 Обработка опытных данных по кинетике зародыше-
образования кристаллов моногидрата лимонной кислоты 87
Глава 4 Математическое моделирование кристаллизации а- лактозы 93
4.1 Математическая модель процесса массовой кристаллизации
в аппарате периодического действия типа MSMPR 93
4.2 Расчет рационального режима кристаллизации а-лактозы 102 Выводы 107 Список использованных источников
Глава 1 Физико- химические свойства растворов лактозы
1.1 Плотность растворов а-лактозы
1.2 Вязкость водных растворов а- лактозы
1.3 Растворимость лактозы
1.4 Показатели преломления а- лактозы
1.5 Коэффициенты молекулярной диффузии а-лактозы Глава 2 Кинетика роста и растворения кристаллов а- лактозы
2.1 Обзор некоторых теоретических исследований
в области кристаллизации и растворения
2.2 Кинетика роста кристаллов а- лактозы
2.2.1 Изомерные формы лактозы. Кинетика мутаротации
2.3 Исследование кинетики роста кристаллов а-лактозы
2.3.1 Описание экспериментальной установки и
методики проведения эксперимента
2.3.2 Кинетика роста кристаллов а- лактозы в
кинетической области
>
2.4 Исследование кинетики растворения кристаллов
а- лактозы методом вращающегося диска
2.5 Массоотдача от вращающегося при
ламинарном режиме движения диска
2.5.1 Методика проведения и результаты эксперимента
2.5.2 Определение коэффициентов диффузии
растворов а- лактозы Глава 3 Кинетика массовой кристаллизации а- лактозы в аппаратах непрервного действия с перемешиванием суспензии и отбором смешанного продукта типа CMSMPR
3.1 Некоторые закономерности образования кристаллов
3.2 Кинетика кристаллизации а- лактозы из водных
растворов. Кинетика массовой кристаллизации 66
3.3 Описание экспериментальной установки и методики
проведения эксперимента 71
3.4 Обоснование метода расчета скорости нуклеации
кристаллов а- лактозы 81
3.5 Обработка опытных данных по кинетике зародыше-
образования кристаллов моногидрата лимонной кислоты 87
Глава 4 Математическое моделирование кристаллизации а- лактозы 93
4.1 Математическая модель процесса массовой кристаллизации
в аппарате периодического действия типа MSMPR 93
4.2 Расчет рационального режима кристаллизации а-лактозы 102 Выводы 107 Список использованных источников
Актуальность темы.
Объемы получаемой молочной сыворотки достигают 90 % и более от перерабатываемого на белково- жировые концентраты молока. По данным Международной молочной федерации из 120 млн т сыворотки, получаемой в мире, до 50% сливается со сточными водами в канализацию, что приводит к безвозвратной потере 2000 тыс. т лактозы, а также устойчивому загрязнению биосферы.
Например, в 1996-1997 гг. в Воронежской области было получено 114 тыс. т молочной сыворотки, из которых использовано всего лишь 59 тыс. т, т.е. около 52%.
Молочный сахар относится к высокорентабельным продуктам, но его производство отличается энергоемкостью. Поэтому совершенствованием технологии и техники процесса массовой кристаллизации лактозы, снижением ее потерь можно повысить экономическую эффективность производства.
Так же необходимость в комплексной и безотходной переработке молочного сырья возникает в связи с сокращением сырьевой базы молочной промышленности.
Благодаря своим уникальным свойствам лактоза находит применение в самых разнообразных отраслях промышленности, начиная традиционными и кончая довольно экзотичными. Львиная доля всего молочного сахара при¬меняется в молочноконсервной промышленности в качестве затравки для кристаллизации лактозы при производстве молочных консервов с сахаром. Считается, что особенно гидролизованная лактоза хорошо усваивается детским организмом, поэтому молочный сахар- незаменимый компонент молочных смесей для детского питания. Способность лактозы образовывать крупные пространственные пористые структуры используется в производстве быстрорастворимого сухого молока, где молочный сахар выступает в роли агломерирующего компонента.Низкая, по сравнению со свекловичным саха¬ром, сладость (5- 6 раз) обуславливает применение молочного сахара при по¬
лучении многих пищевых продуктов, при этом улучшается их вкус, аромат и консистенция. В кондитерских изделиях лактоза так же улучшает консистенцию, а так же продлевает срок хранения продуктов, благодаря своим антиок- сидантным свойствам. Высокоочищенная (фармакопейная) лактоза применяется в фармацевтической промышленности, опять же благодаря уникальной реакционной инертности и гидрофобным свойствам. Наконец, молочный сахар применяют в кинопромышленности для имитации снега в декорациях.
Процесс кристаллизации лактозы используется не только при производстве молочного сахара, но и в ряде других технологических схем производства молочных продуктов. При производстве молочного сахара, сывороточные сиропы упаривают, а затем кристаллизуют охлаждением для выделения твердой фазы. В случае необходимости (производство рафинированной лактозы) проводят перекристаллизацию сиропов. В том или ином виде процесс кристаллизации присутствует и при производстве молочного сахара не¬традиционными способами. Одним из определяющих факторов качества молочных консервов является размер кристаллов лактозы, которые, естественно появляются в процессе кристаллизации. То же самое можно сказать о качестве мороженого. При производстве сухого молока и сухой молочной сыворотки так же используется процесс кристаллизации.
Неправильно рассчитанные параметры кристаллизации при производстве перечисленных продуктов приводят к характерным порокам качества и увеличению себестоимости продукта. Так, например, при нерациональных режимах охлаждения в кристаллизаторах- охладителях (получение молочно¬го сахара- сырца, пищевого молочного сахара, рафинированной лактозы) размер кристаллов лактозы становится неоптимальным (либо слишком крупные, либо слишком мелкие кристаллы), что приводит, в конечном счете, к потерям сырья из- за низкого выхода продукта в первом случае или из- за потерей при промывке кристаллов- во тором. При получении молочного сахара распылительной сушкой неполная предварительная кристаллизация приводит к такому пороку качества продукта как слеживаемость при хранении. То
же можно сказать и обо всех сухих молочных продуктах где применяется предварительная кристаллизация молочного сахара. Молочные консервы с сахаром, мороженое могут приобретать песчанистую консистенцию из- за слишком крупных кристаллов лактозы. Крупные кристаллы образуются либо из- за внесения слишком крупной затравки в продукт, либо из-за слишком медленных темпов охлаждения.
Лактоза (молочный сахар) составляет почти 50 % сухих веществ молока. Поэтому очевидна необходимость в усовершенствовании и рационализации технологических процессов ее производства. Из-за неоднородности кристаллов и их небольшого размера потери молочного сахара при промывке и центрифугировании составляют до 20-30 %.
До настоящего времени количественные закономерности процесса кристаллизации из растворов изучены недостаточно полно.
Молочный сахар получают в охладительных кристаллизаторах периодического действия. Режимы охлаждения а- лактозы зачастую подбираются опытным путем и не учитывают колебаний концентраций поступающих на кристаллизацию упаренных растворов. В связи с этим корректировка режима кристаллизации а- лактозы имеет существенный практический интерес.
В литературе имеется ограниченное число работ по кинетике роста и растворения кристаллов а- лактозы, а именно фундаментальные труды Ван Кревелда и Михаэлса [170, 171, 221, 222], Хадсона [143- 145], Херрингтона [139- 141], Розанова [56], Зайковского [21], Коваленко [19]. В указанных ра¬ботах рост кристаллов изучался в недостаточно определенных гидродинамических условиях либо в ограниченном интервале температур. Вопросам нуклеации лактозы посвящено лишь два исследования [51, 131]. Результаты экспериментальных исследований по кинетике роста и растворения кристаллов а- лактозы противоречивы и не охватывают полностью интервалы темпера¬тур и концентраций, встречающихся в промышленных кристаллизаторах.
Из современных исследователей описываемой проблемы необходимо выделить А.Г Храмцова [79, 80], А.Г Шестова и К.К. Полянского [51 ], которые внесли значительный вклад в развитие представлений о росте и нуклеации кристаллов лактозы.
Целью работы является определение рациональных режимов промышленной периодической кристаллизации а- лактозы. В связи с этим задачи исследования были сформулированы следующим образом:
1) получить математическое описание процесса массовой кристаллизации а- лактозы в аппаратах периодического действия
2) экспериментально определить параметры, характеризующие скорость роста и нуклеации кристаллов а- лактозы
Научная новизна выполненного исследования изложена в следующих положениях:
1) Уточнены зависимости для расчета коэффициента диффузии а- лактозы в ее водных растворах в широком интервале температур и концентраций на основании проведенного экспериментального исследования
2) Получено соотношение для расчета скорости роста кристаллов моногидрата а-лактозы в кинетической области, по результатам экспериментального исследования кинетики роста кристаллов а-лактозы методом вращающегося при ламинарном режиме движения диска.
Объемы получаемой молочной сыворотки достигают 90 % и более от перерабатываемого на белково- жировые концентраты молока. По данным Международной молочной федерации из 120 млн т сыворотки, получаемой в мире, до 50% сливается со сточными водами в канализацию, что приводит к безвозвратной потере 2000 тыс. т лактозы, а также устойчивому загрязнению биосферы.
Например, в 1996-1997 гг. в Воронежской области было получено 114 тыс. т молочной сыворотки, из которых использовано всего лишь 59 тыс. т, т.е. около 52%.
Молочный сахар относится к высокорентабельным продуктам, но его производство отличается энергоемкостью. Поэтому совершенствованием технологии и техники процесса массовой кристаллизации лактозы, снижением ее потерь можно повысить экономическую эффективность производства.
Так же необходимость в комплексной и безотходной переработке молочного сырья возникает в связи с сокращением сырьевой базы молочной промышленности.
Благодаря своим уникальным свойствам лактоза находит применение в самых разнообразных отраслях промышленности, начиная традиционными и кончая довольно экзотичными. Львиная доля всего молочного сахара при¬меняется в молочноконсервной промышленности в качестве затравки для кристаллизации лактозы при производстве молочных консервов с сахаром. Считается, что особенно гидролизованная лактоза хорошо усваивается детским организмом, поэтому молочный сахар- незаменимый компонент молочных смесей для детского питания. Способность лактозы образовывать крупные пространственные пористые структуры используется в производстве быстрорастворимого сухого молока, где молочный сахар выступает в роли агломерирующего компонента.Низкая, по сравнению со свекловичным саха¬ром, сладость (5- 6 раз) обуславливает применение молочного сахара при по¬
лучении многих пищевых продуктов, при этом улучшается их вкус, аромат и консистенция. В кондитерских изделиях лактоза так же улучшает консистенцию, а так же продлевает срок хранения продуктов, благодаря своим антиок- сидантным свойствам. Высокоочищенная (фармакопейная) лактоза применяется в фармацевтической промышленности, опять же благодаря уникальной реакционной инертности и гидрофобным свойствам. Наконец, молочный сахар применяют в кинопромышленности для имитации снега в декорациях.
Процесс кристаллизации лактозы используется не только при производстве молочного сахара, но и в ряде других технологических схем производства молочных продуктов. При производстве молочного сахара, сывороточные сиропы упаривают, а затем кристаллизуют охлаждением для выделения твердой фазы. В случае необходимости (производство рафинированной лактозы) проводят перекристаллизацию сиропов. В том или ином виде процесс кристаллизации присутствует и при производстве молочного сахара не¬традиционными способами. Одним из определяющих факторов качества молочных консервов является размер кристаллов лактозы, которые, естественно появляются в процессе кристаллизации. То же самое можно сказать о качестве мороженого. При производстве сухого молока и сухой молочной сыворотки так же используется процесс кристаллизации.
Неправильно рассчитанные параметры кристаллизации при производстве перечисленных продуктов приводят к характерным порокам качества и увеличению себестоимости продукта. Так, например, при нерациональных режимах охлаждения в кристаллизаторах- охладителях (получение молочно¬го сахара- сырца, пищевого молочного сахара, рафинированной лактозы) размер кристаллов лактозы становится неоптимальным (либо слишком крупные, либо слишком мелкие кристаллы), что приводит, в конечном счете, к потерям сырья из- за низкого выхода продукта в первом случае или из- за потерей при промывке кристаллов- во тором. При получении молочного сахара распылительной сушкой неполная предварительная кристаллизация приводит к такому пороку качества продукта как слеживаемость при хранении. То
же можно сказать и обо всех сухих молочных продуктах где применяется предварительная кристаллизация молочного сахара. Молочные консервы с сахаром, мороженое могут приобретать песчанистую консистенцию из- за слишком крупных кристаллов лактозы. Крупные кристаллы образуются либо из- за внесения слишком крупной затравки в продукт, либо из-за слишком медленных темпов охлаждения.
Лактоза (молочный сахар) составляет почти 50 % сухих веществ молока. Поэтому очевидна необходимость в усовершенствовании и рационализации технологических процессов ее производства. Из-за неоднородности кристаллов и их небольшого размера потери молочного сахара при промывке и центрифугировании составляют до 20-30 %.
До настоящего времени количественные закономерности процесса кристаллизации из растворов изучены недостаточно полно.
Молочный сахар получают в охладительных кристаллизаторах периодического действия. Режимы охлаждения а- лактозы зачастую подбираются опытным путем и не учитывают колебаний концентраций поступающих на кристаллизацию упаренных растворов. В связи с этим корректировка режима кристаллизации а- лактозы имеет существенный практический интерес.
В литературе имеется ограниченное число работ по кинетике роста и растворения кристаллов а- лактозы, а именно фундаментальные труды Ван Кревелда и Михаэлса [170, 171, 221, 222], Хадсона [143- 145], Херрингтона [139- 141], Розанова [56], Зайковского [21], Коваленко [19]. В указанных ра¬ботах рост кристаллов изучался в недостаточно определенных гидродинамических условиях либо в ограниченном интервале температур. Вопросам нуклеации лактозы посвящено лишь два исследования [51, 131]. Результаты экспериментальных исследований по кинетике роста и растворения кристаллов а- лактозы противоречивы и не охватывают полностью интервалы темпера¬тур и концентраций, встречающихся в промышленных кристаллизаторах.
Из современных исследователей описываемой проблемы необходимо выделить А.Г Храмцова [79, 80], А.Г Шестова и К.К. Полянского [51 ], которые внесли значительный вклад в развитие представлений о росте и нуклеации кристаллов лактозы.
Целью работы является определение рациональных режимов промышленной периодической кристаллизации а- лактозы. В связи с этим задачи исследования были сформулированы следующим образом:
1) получить математическое описание процесса массовой кристаллизации а- лактозы в аппаратах периодического действия
2) экспериментально определить параметры, характеризующие скорость роста и нуклеации кристаллов а- лактозы
Научная новизна выполненного исследования изложена в следующих положениях:
1) Уточнены зависимости для расчета коэффициента диффузии а- лактозы в ее водных растворах в широком интервале температур и концентраций на основании проведенного экспериментального исследования
2) Получено соотношение для расчета скорости роста кристаллов моногидрата а-лактозы в кинетической области, по результатам экспериментального исследования кинетики роста кристаллов а-лактозы методом вращающегося при ламинарном режиме движения диска.
1. На основе приведенного аналитического обзора литературных данных по физико- химическим свойствам водных растворов а-лактозы сделан вы¬вод о необходимости уточнения коэффициентов молекулярной диффузии ос- лактозы и показателя преломления водных растворов.
2. Используя результаты экспериментальных данных по показателям преломления водных растворов а-лактозы получено расчетное соотношение, связывающее концентрацию гидрата а- лактозы и показатель преломления.
3. Получено соотношение для расчета скорости роста кристаллов моногидрата а— лактозы в кинетической области по экспериментальным исследованиям кинетики роста кристаллов а— лактозы методом вращающегося при ламинарном режиме движения диска.
4. С помощью метода вращающегося при ламинарном режиме движения диска установлен диффузионный характер процесса растворения кристаллов а-лактозы. Обосновано существенное влияние массового потока и переменных физических свойств раствора на плотность диффузионного потока.
5. Получена зависимость для расчета коэффициентов молекулярной диффузии насыщенных водных растворов моногидрата а- лактозы по экспериментальным данным по растворению кристаллов, полученных методом вращающегося при ламинарном режиме движения диска.
6. Выведено соотношение для расчета скорости роста кристаллов в условиях внешнедиффузионного ограничения при больших относительных скоростях системы раствор- твердая фаза.
7. Сделано предположение о механизме вторичного зародышеобразования кристаллов моногидрата а- лактозы на основе экспериментального исследования кинетики зародышеобразования моногидрата а- лактозы.
8. Усовершенствован метод расчета скорости зародышеобразования кристаллов в аппаратах непрерывного действия с перемешиванием суспензии
и отбором смешанного продукта с учетом предельных скоростей роста и концентрации кристаллов в суспензии. Получено соотношение для расчета скорости нуклеации моногидрата а— лактозы.
9. Проведено математическое моделирование процесса массовой кристаллизации а-лактозы. Используя полученную математическую модель рассчитан рациональный режим кристаллизации моногидрата а- лактозы, адекватность которого апробирована в производственных условиях.
2. Используя результаты экспериментальных данных по показателям преломления водных растворов а-лактозы получено расчетное соотношение, связывающее концентрацию гидрата а- лактозы и показатель преломления.
3. Получено соотношение для расчета скорости роста кристаллов моногидрата а— лактозы в кинетической области по экспериментальным исследованиям кинетики роста кристаллов а— лактозы методом вращающегося при ламинарном режиме движения диска.
4. С помощью метода вращающегося при ламинарном режиме движения диска установлен диффузионный характер процесса растворения кристаллов а-лактозы. Обосновано существенное влияние массового потока и переменных физических свойств раствора на плотность диффузионного потока.
5. Получена зависимость для расчета коэффициентов молекулярной диффузии насыщенных водных растворов моногидрата а- лактозы по экспериментальным данным по растворению кристаллов, полученных методом вращающегося при ламинарном режиме движения диска.
6. Выведено соотношение для расчета скорости роста кристаллов в условиях внешнедиффузионного ограничения при больших относительных скоростях системы раствор- твердая фаза.
7. Сделано предположение о механизме вторичного зародышеобразования кристаллов моногидрата а- лактозы на основе экспериментального исследования кинетики зародышеобразования моногидрата а- лактозы.
8. Усовершенствован метод расчета скорости зародышеобразования кристаллов в аппаратах непрерывного действия с перемешиванием суспензии
и отбором смешанного продукта с учетом предельных скоростей роста и концентрации кристаллов в суспензии. Получено соотношение для расчета скорости нуклеации моногидрата а— лактозы.
9. Проведено математическое моделирование процесса массовой кристаллизации а-лактозы. Используя полученную математическую модель рассчитан рациональный режим кристаллизации моногидрата а- лактозы, адекватность которого апробирована в производственных условиях.