Совершенствование технологии первичной обработки хлопковых семян и производство на его основе высококачественного масла

При разработке непрерывного метода нейтрализации хлопкового масла учитывались специфическое поведение госсипола и его производных, а также сущность технологических параметров, которые были разработаны при совершенствовании технологического режима периодической рафинации хлопкового масла. В первую очередь, обязательным осталось охлаждение нейтрализуемого масла до 20...220С. Условия щелочного режима по концентрации раствора щелочи и ее количеству также обуславливается качеством исходного масла и теми требованиями, которые предъявляются к рафинированному продукту [17,35].

При непрерывном методе нейтрализации необходимо быстрое и равномерное распределение водного раствора щелочи в масляной среде и тесное его смешивание с маслом.

Взаимодействие жирных кислот с щелочью протекает мгновенно, в силу чего стало возможным применение интенсивного перемешивания в течение относительно короткого времени, при котором исключается омыление триглицеридов. В качестве одного из аппаратов, обеспечивающих интенсивное перемешивание масла в растворе щелочи, были испытаны эмульгаторы, обеспечивающие образование тонкой и стойкой водно-жировой эмульсии [17]. Сущность такого метода заключается в том, что в результате смешивания масла с раствором щелочи создается система с очень тонкой степенью диспергирования, что позволяет с некоторой условностью называть ее эмульсией, а метод-эмульсионным.

В ряде работ [33,35] было изучено влияние возможных технологических условий на эффективность щелочной обработки различных видов хлопкового масла по эмульсионному методу. Результаты этой работы получили подтверждение в заводской практике. Эмульсионный метод нейтрализации является первой ступенью в разработке непрерывного процесса рафинации хлопкового масла. Его применение, как показывает опыт многих заводов, позволяет совершенствовать условия технологического режима рафинации. Внедрение эмульсионного метода позволило улучшить качество рафинированного масла и повысить производительность оборудования. Различие в содержании и характере красящих и нежировых веществ в хлопковом масле определяет применение при нейтрализации растворов щелочи разной концентрации. Этим различием определяется и количество щелочи, необходимое для получения рафинированных масел стандартной цветности, выход рафинированного масла, а также эффективность непрерывной эмульсионной нейтрализации [35,63-68].

Ряд исследований [69] был посвящен использованию раствора щелочи в процессе влаготепловой обработки и жарения мятки. Основной задачей этих исследований являлось снижение содержания свободных жирных кислот и цветности в получаемом «сыром» масле, а также повышение качества жмыхов и шротов за счет снижения в них содержания госсипола и его производных [12,34].

В Кинг и др. установили, что жарение хлопковой мятки в присутствии щелочных реагентов уменьшило содержание госсипола.

П.Баверс и др. показали, что сырые масла, полученные из мятки, обработанной раствором щелочи, содержали лишь наименьшее количество госсипола, по сравнению с маслами, которые были получены при увлажнении мятки водой (то есть без раствора щелочи), и содержали небольшое количество жирных кислот. С.Понс и др. описали метод промышленного кондиционирования хлопковой мятки в присутствии гидроокиси натрия. Авторы изучали влияние обработки сырого масла бурой и влияние кондиционирования увлажненной мятки под давлением на содержание госсипола в шроте и маслах.

Ведутся работы также по подготовке материала к прямой экстракции путем обработки лепестка различными химическими реагентами.

1.3.1 Анализ и оценка технологий частичной рафинации масла на стадии маслодобывания

В последнее время особое внимание уделяют исследованиям и разработкам в направлении частичной рафинации масла в сырье на стадии влаготепловой обработки мятки и жарения мезги.

Сотрудниками ВНИИЖиров в последние годы разработана технология, предусматривающая обработку подсолнечной мятки перед жарением и прессованием раствором кальцинированной соды и хлористого кальция. Испытание этой технологии в опытно-промышленных условиях при переработке подсолнечных семян с повышенным кислотным числом масла показано снижение кислотного числа сырого масла за счет нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в сырье. Использование этой технологической схемы на стадии маслодобывания (в процессе извлечения масла прессовым способом) дало положительные результаты. Однако, процесс экстракции жмыхов, полученных в процессе «форрафинации», протекал с некоторыми отклонениями от принятых технологических режимов, что отрицательно повлияло на производство. Аналогичные исследования применительно к переработке хлопковых семян и обработкеи мятки растворами кальцинированной соды и хлористого кальция были проведены и другими исследователями.

К.Х.Мажидовым, Н.Ш.Абдуллаевым и др. исследована и разработана технология предварительной рафинации хлопкового масла в маслосодержащем сырье на стадии маслодобывания. Сущность исследованной технологии заключалась в очистке семян от посторонних примесей, обрушивании семени, отделении ядра и шелухи, измельчении ядра с получением хлопковой мятки, влаготепловой обработки мятки, жарении и прессовании маслосодержащего сырья. При этом авторами предложена технология обработки хлопковой мятки раствором кальцинированной соды (Na2CO3) определенной концентрации с целью частичного снижения кислотного числа масла в мятке при переработке низкосортных и высококислотных семян хлопчатника. Результатами исследований установлена возможность снижения кислотного числа масла в мятке на 25...35 % от его первоначального значения в маслосодержащем сырье. Затем, образовавшиеся натриевые соли переведены в кальциевые соли жирных кислот с обработкой мятки раствором хлористого кальция и достигнуто определенное повышение кормовых свойств хлопковой ракушки. Предложенные разработки использованы в условиях маслопрессовых предприятий. Технологические разработки К.Х.Мажидова и др. в этом направлении связаны с существенными недостатками, а именно: большой расход кальцинированной соды; высокие потери масла на стадии частичной и окончательной рафинации масла; низкие качественные показатели рафинированного хлопкового масла.

Учитывая недостатки предлагаемой авторами технологии предложена усовершенствованная технология частичной рафинации масла в мятке с использованием активированных в электромагнитном поле растворов кальцинированной соды (Na2CO3). Однако, эти разработки также не дали необходимых результатов в направлении повышения качества рафинированного масла и снижения потерь в производстве. Необходимо отметить, что авторами не предусмотрена возможность электромагнитной активации раствора хлористого кальция на стадии предварительной обработки хлопковой мятки, которая могла бы дать определенные технологические преимущества.

Следует подчеркнуть, что кальцинированная сода (Na2CO3) в отличие от каустической соды (NaOH) по технологическим и электрофизическим свойствам характеризуется существенными недостатками [29]. В связи с этим использование этого раствора в технологии рафинации растительных масел как на стадии частичной, так и на стадии окончательной рафинации не рекомендовано. С учетом этого, исследования в направлении использования малоконцентрированных растворов каустической соды на стадии частичной рафинации масел в процессе влаготепловой обработки масличной мятки представляет как научный, так и практический интерес. Особенным является интенсификация технологического процесса частичной и окончательной рафинации масла с предварительной электромагнитной (ЭМП) активацией раствора каустической соды.

В последние годы в отечественной практике щелочной рафинации сырого хлопкового масла предложены новые и довольно перспективные способы, связанные с использованием карбамидных растворов [59]. Результаты этих работ позволили повысить выход, улучшить качество и другие свойства рафинированного масла и также обеспечили повышение кормовых достоинств шротов.

Несмотря на эти исследования технология щелочной рафинации сырого хлопкового масла как на стадии маслодобывания, так и на стадии собственной рафинации, тем не менее, требует совершенствования с целью обеспечения эффективности производства, улучшения качества и пищевой ценности рафинированного масла, снижения потерь в производстве, а также сокращения тепловых, энергетических и трудовых затрат.

Резюмируя данную часть обзора, можно сделать следующие выводы:

- в отечественной и зарубежной практике по переработке хлопковых семян созданы схемы рафинации хлопкового масла, обеспечивающие повышение качества получаемого масла;

- несмотря не множество разработанных технологических схем, а также проведенных исследований, остаются актуальными вопросы повышения качества масла и шрота за счет создания и внедрения высокоэффективных технологических процессов, в том числе с использованием совмещенных схем;

- следует подчеркнуть важность совершенствования технологического процесса переработки хлопковых семян на стадии маслодобывания.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для проведения экспериментальных исследований в качестве исходного сырья использованы семена хлопчатника, выращенные в Бухарском вилояте в 2000-2006 годах. Для частичной и окончательной рафинации масла применены водные растворы гидроксида натрия и хлористого кальция. Совершенствование и интенсификация процессов частичной и окончательной нейтрализации осуществлялись путем использования активированных растворов в электромагнитном поле (ЭМП) различной напряженности.

Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и опытно-производственных условиях.

Качество и физико-химическая характеристика исходного сырья, промежуточных и конечных продуктов, а также вспомогательных материалов оценены современными стандартными методами исследования, принятыми в масложировых и жироперерабатывающих отраслях промышленности [7,18-21,27].

Глава 2. Характеристика сырья, техника эксперимента, методы исследования

2.1 Характеристика хлопковых семян и продуктов их переработки

Основным сырьем, использованным нами в лабораторных, опытно-производственных и промышленных исследованиях, служили хлопковые семена различных сортов. Использованные семена характеризовались следующими показателями, %: масличность - 14,5...19,9; влажность- 7,8...14,0; опушенность - 7,6...12,5; засоренность - 1,8...20,4. Среднее кислотное число масла в исследованных образцах хлопковых семян составляло 5,9...14,0 мг КОН/г. В отдельных случаях при проведении опытно-производственных испытаний на АООТ «Бухоро-ёг» исследованию подвергались различные партии нестандартных семян хлопчатника со следующими усредненными показателями качества, %: масличность 14,6...18,2; влажность- 9,8...14,0; опушенность -9,4...12,5; засоренность - 14,7...20,4. Среднее кислотное число масла в семенах, отобранных в партиях масличных семян, в период опытных испытаний составляло 12...14 мг КОН/г. Качественные показатели хлопковых семян и продуктов его переработки, использованных в период проведения экспериментов по совмещенной технологии маслодобывания и рафинации масла в мятке с использованием ЭМ воздействия, приведены в табл.2. и 3.

Для проведения экспериментов по совмещенной технологии маслодобывания и рафинации масла в мятке хлопковые семена обрушивали, затем ядро отделяли от шелухи на сепараторах, измельчали в вальцовых станках. Эти технологические операции осуществляли в соответствующих отделениях цехов и на оборудовании предприятия. Технологические операции первичной переработки семян проводили согласно действующим технологическим регламентам производства хлопкового масла.

Таблица 2

Характеристика качественных показателей семян хлопчатника

№ партии	Сортность семян	Показатели качества
		Влажность, %	Опушенность, %	Засоренность, %	Масличность, %	Кислотное число масла в семенах, мг КОН/г
1 2 3 4	I-II I-II III-IV Нестандартные	7,8 11,0 12,6 14,0	7,6 8,5 10,5 12,5	1,8 2,5 14,7 20,4	19,9 18,2 17,0 14,5	5,9 6,7 8,4 14,0

Таблица 3

Химический состав хлопковых семян

Состав, %	Сортность семян
	I-II	I-II	III-IV	Нестандартные
	в семенах	в ядре	в семенах	в ядре	в семенах	в ядре	в семенах	в ядре
Липиды Белки (Nх6,25) Целлюлоза Зола	21,2 29,0 18,1 2,1	36,0 37,7 1,0 1,9	20,2 28,2 18,9 2,8	34,3 36,6 1,1 2,5	18,1 26,7 19,2 15,1	30,7 34,7 1,2 13,5	14,9 24,3 20,3 21,4	25,3 31,5 1,3 19,2

В качестве щелочного реагента в процессе предварительной обработки хлопковой мятки в пропарочно-увлажнительных шнеках использовали раствор каустической соды. Каустическую (NaOH) соду в сухом состоянии оценивали по следующим показателям, %: основное вещество -99,9; нерастворимые в воде вещества -0,005; тяжелые металлы -0,0005, соответствие требованиям ГОСТа.

Перевод образовавшихся натриевых мыл в кальциевые соли жирных кислот в процессе частичной рафинации масла в мятке производили путем обработки мезги раствором хлористого кальция, соответствующего по качеству также требованиям ГОСТ: содержание, %: основного вещества -96,0; примесей -0,05...0,10; щелочность в пересчете на Ca(OH)2-0,10.

Исследование технологии и окончательной рафинации частично рафинированных в мятке масел с пониженным кислотным числом проводили с использованием гидроксида натрия.

Во всех случаях концентрация и избыток растворов каустической соды выбирали в зависимости от исходного показания кислотного числа масла. Концентрация раствора хлористого кальция во всех случаях была постоянной (15 %), которая была установлена многочисленными экспериментальными опытами.

Щелочные растворы и растворы хлористого кальция активировались в электромагнитном поле. Электромагнитная активация проводилась с использованием стандартного аппарата АМО-25 УХЛ4, используемого для активации водных раствором в пищевом производстве. Использованный электромагнитный аппарат, установленный на линии активации растворов, обеспечивает напряжение магнитного поля в пределах (0,4...2,8) 10-4 А/м.

Регулирование напряжения магнитного поля в аппарате осуществлялось выпрямителем типа ВСА-5К путем изменения значения употребляемого прибором рабочего тока.

2.2 Техника эксперимента, лабораторные и заводские установки для частичной и окончательной рафинации масла

Лабораторные эксперименты по предварительной обработке хлопковой мятки растворами разбавленной каустической соды и хлористого кальция проводили в специальной металлической емкости (рис.1), внутренняя сторона которой покрыта коррозионностойким слоем, оборудованной электрическим нагревом и металлической мешалкой с регулируемым числом оборотов. Подача реагентов в мятку осуществлялась самотеком из соответствующих мерных емкостей.

Для активации растворов в электромагнитном поле использована лабораторная установка.

Испытание технологии частичной рафинации масла в мятке (форрафинация) проводили на установке, приведенной на рис.2 в опытных условиях АООТ «Бухоро ё?» с использованием одной жаровой установки и двух прессовых агрегатов.

Принципиальная технологическая схема (рис.2) частичной рафинации масла в мятке активированными в ЭМП растворами NaOH и CaCI2 в опытно-производственных условиях заключалось в том, что хлопковая мятка в пропарочно увлажнительном шнеке (6) обрабатывалась предварительно активированным в ЭМП раствором разбавленной каустической соды, подогретым до 80...850С. Концентрация раствора щелочи и ее избыток устанавливались (см.табл.3.19 п.20 и 21) в зависимости от кислотности масла в сырье. Концентрация использованного раствора хлористого кальция была постоянной - 15 %. Таким образом обработанная хлопковая мятка затем поступала в первой чан жаровни (11), где она дополнительно обрабатывалась предварительно активированным в ЭМП и подогретым до 80...850С 15 %-ным раствором хлористого кальция. Дальнейшие процессы влаготепловой обработки, жарения и прессования мезги соответствовали действующей технологии на заводе.

Для осуществления технологии частичной рафинации масла в мятке в опытно-производственных условиях и его практической реализации в условиях прессового цеха предприятия (рис.3) в пропарочно-увлажнительный шнек (11) подавали предварительно активированный в ЭМП и нагретый до 80...850С раствор каустической соды концентрацией 9...10 % /в количестве, необходимом для повышения влажности мятки до 11,5..17,5 % [9]/, с помощью форсунки-распылителя (12) из емкости (20) для раствора каустической соды.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Лабораторная установка для частичной рафинации масла в сырье и окончательной рафинации частично-рафинированного масла

1. Емкость для сырья 7. Электронагреватель

2. Электродвигатель 8. Штатив

3. Ёмкость для раствора NaOH 9. Водяная баня

4. Ёмкость для раствора CaCl2 10. Электромагнитный аппарат

5. Термометр 11. Выпрямитель тока

6. Электролатор



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Принципиальная технологическая схема опытной экспе-риментальной установки («Бухоро ёг») частичной рафинации масла в сырье с активированными в ЭМП растворами NaOH и CaCl2.

1. Емкость для раствора NaOH

2. Насос

3. Ёмкость для раствора CaCl2

4. Мешалки с электродвигателями

5. Электродвигатель

6. Пропарочно-увлажнительный

7. Форсунки-распылители

8. Расходомер-ротаметр

9. Напорный бачок для NaOH

10. Напорный бачок для CaCl2

11. Жаровня

12. Форпрессовые агрегаты

13. Электромагнитный аппарат

14. Выпрямитель тока шнек

15. Электролатор

Подачу раствора каустической соды осуществляли насосом (19) через расходомер или ротаметр (16а), которым и контролировали необходимое количество активированного раствора соды для частичной нейтрализации свободных жирных кислот масла в сырье. Активацию раствора щелочи проводили с помощью электромагнитного аппарата (22).

Обработанная раствором каустической соды мятка поступала в первый чан жаровни (14). В этом же чане (или же в некоторых случаях во 2-ом чане) жаровни мятку обрабатывали предварительно активированным в ЭМП и подогретым (80...850С) раствором хлористого кальция заранее установленной концентрации 15 %. Раствор хлористого кальция подавали из емкости (18) насосом (17) через расходомер (16) и электромагнитный аппарат (21). Таким путем в пропарочно-увлажнительном шнеке осуществлен процесс частичной нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в мятке раствором каустической соды. В первом и в последующих чанах жаровни, куда подавали раствор хлористого кальция, образовавшиеся натриевые соли жирных кислот переводили кальциевые соли, и на этом заканчивался процесс подготовки мезги к форпрессованию.

Для окончательной рафинации частично рафинированного масла принципиальная схема (рис.4) эксплуатации электромагнитного аппарата заключается в следующем: раствор щелочи с определенной концентрацией из емкости (1) поступает через регулирующий вентиль самотеком в емкость электромагнитного аппарата (3), предназначенного для электромагнитной обработки растворов. Поэтому этот реактор в аппарате расположен внутри соленоида, предназначенного для создания электромагнитного поля.



Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Технологическая схема активации щелочи и окончательной рафинации частично рафинированного хлопкового масла

1. Емкость для раствора NaOH; 2. Нейтрализатор; 3. Электромагнитный аппарат; 4. Выпрямитель тока; 5. Электролатр; 5а. Патрубок; 6. Редуктор; 7. Мешалка; 8. Охладители; 9. Емкость для рафинированного масла; 10. Емкость для соапстока; 11. Охладитель-подогреватель.

Напряжение электромагнитного поля в соленоиде регулируется изменением сопротивления электрического тока в цепи. Для этого в электрической схеме электромагнитного аппарата установлен выпрямитель напряжения (4) типа ВСА 5К.

В опытных условиях окончательная рафинация частично рафинированного масла проводилась в нейтрализаторе (2) периодического действия, снабженном необходимыми патрубками, мешалкой и системой охлаждения. Условия и технологические режимы устанавливались пробной рафинацией в лабораторных условиях в зависимости (см. главу 4) от исходных показателей частично рафинированного хлопкового масла. После завершения окончательной рафинации слив рафинированного масла и соапстока осуществляли самотеком в соответствующие емкости (9 и 10). Перед дальнейшей обработкой рафинированное масло и соапсток подвергали качественному и физико-химическому анализу.

Как уже отмечалось в литературном обзоре, одним из интенсифицирующих технологический процесс отделения свободных жирных кислот из маслосодержащего сырья факторов является применение электрофизических методов обработки водных растворов щелочей, в частности использование электромагнитных полей различной напряженности. Исходя из этого необходимо оценить электромагнитное поле и характеристику используемого электромагнитного аппарата АМО-25 УХЛ-4.

2.3 Электромагнитная техника и ее использование

В лабораторных опытах и опытных установках на заводе в качестве интенсифицирующего фактора частичной и окончательной рафинации масла мы использовали аппарат, выпускаемый в России Чебоксарским заводом «Энергозапчасть».

Этот аппарат одновременно может использоваться в качестве очистки жидкостей от некоторых видов примесей.

2.3.1 Общая характеристика электромагнитного поля и единица измерения напряженности

Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции - В (рис.5). В системе «СИ» он численно равен пределу отношения силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с электрическим током, к произведению тока и длины элемента проводника, если длина этого элемента стремится к нулю, а элемент так расположен в поле, что этот предел имеет наибольшее значение:

(2.1)

В Гауссовой системе единиц:

(2.2)

где С -электродинамическая постоянная, равная отношению единиц заряда в системе СГСМ и СГСЭ и совпадающая со скоростью света в вакууме (С 31010 см/с).

Необходимо отметить, что изменение напряжения электрического тока в системе подчиняется закону Ома:

(2.3)

где: J -сила тока, Ампер;

U - напряжение, Вольт;

R - сопротивление, Ом.

и следовательно в этом случае напряженность магнитного поля определяется по формуле:

(2.4)

где: H - напряженность ЭМП;

- постоянная величина;

J - сила тока, Ампер;

R- сопротивление, Ом;

U - напряженность тока, Вольт;

r - радиус проводника.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5. Силовая характеристика магнитного поля:

J - вектор интенсивности;

dB - вектор магнитной индукции;

dl - длина проводника.

Учитывая стандартные значения напряженности магнитного поля в использованном электромагнитном аппарате в пределах (0,4...2,8) 10-5 А/м в наших исследованиях изменение напряженности магнитного поля в указанных пределах осуществлялось выпрямителем в соответствующих значениях сопротивления тока в электрической цепи.

Силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током, называют силой Ампера. Элементарная сила Ампера dF, действующая на малый элемент dL длины проводника, по которому идет электрический ток J, равна:

dF = J [dL B] (в СИ) (2.3)

(в Гауссовой системе) (2.4)

где dL - вектор, численно равный длине L элемента проводника, направленный в ту сторону, что и вектор j плотности тока в этом элементе проводника.

Данное выше соотношение (2.3 и 2.4) называют законом Ампера.

В отличие от электростатистических сил, которые являются центральными, сила Ампера, как и другие силы электромагнитного взаимодействия, не являются центральной. Она направлена перпендикулярно к линии индукции магнитного поля.

Если проводники с током или движущиеся заряженные тела (конвекционные токи) находятся не в вакууме, а в каком-либо веществе (магнетике), то это вещество намагничивается, и магнитная индукция результирующего поля равна:

B = Bo + Bвнутр (2.5)

где Bo - магнитная индукция внешнего (намагничиваемого) поля, создаваемого токами проводимости и конвекционными токами (макроскопическим токами);

Bвнутр - магнитная индукция поля токами в веществе.

В тех случаях, когда однородный и изотропный магнетик полностью заполняет все пространство, где имеется магнитное поле или часть его таким образом, что линии индукции намагничивающего поля не пересекают поверхность магнетика, то в магнетике:

B = Bo (2.6)

где - относительная магнитная проницаемость магнетика, показывающая во сколько раз при заданном распределении макроскопических токов магнитная индукция в рассматриваемой точке поля в данном веществе, заполняющем все поле, больше чем в вакууме.

Напряженностью магнитного поля называют векторную физическую величину - Н, характеризующую магнитное поле и определяемую следующем образом:.

(в СИ) (2.7)

H = B - 4 J (в Гауссовой системе) (2.8)

где J - вектор интенсивности намагничивания среды в рассматриваемой точке поля. В частности, для магнитного поля в вакууме:

(в СИ) (2.9)

H = B (в Гауссовой системе) (2.10)

Если среда изотропна, то

(в СИ) (2.11)

(в Гауссовой системе) (2.12)

где - скалярная величина, так что векторы H и B полинеарны, то есть однозначны.

Если выполнены условия (B = Bo + Bвнутр), то есть, в частности для магнитного поля в однородном изотропном магнетике, заполняющем весь объем поля, напряженность H не зависит от и совпадает с напряженностью в рассматриваемой точке для магнитного поля, создаваемого той же системой макроскопических токов:

(2.13)

где dH - может быть найдено из закона Био-Савара-Лапласа для напряженности магнитного поля:

(в СИ) (2.14)

(в Гауссовой системе) (2.15)

где dJ - вектор элемента проводника (рис.4), числено равный dL и проведенный в направлении тока; r - радиус-вектор, проведенный из этого элемента проводника в рассматриваемую точку поля, r=[r]; c31010см/с - электродинамическая постоянная; o=410-7 в,с/А/т = 410-7 гн/м -магнитная постоянная.

Исходя из вышеприведенной формулы (2.14 и 2.15) единица измерения напряженности магнитного поля выражается в Амперметрах.

2.3.2 Характеристика щелочных растворов и их электрофизические свойства

В химических реакциях нейтрализации используют различные виды щелочных растворов [29]. При нейтрализации свободных жирных кислот сырых масел и жиров в основном применяют концентрированные растворы каустической (NaOН) и кальцинированной (Na2СО3) соды. Раствор кальцинированной соды рекомендуется использовать при нейтрализации низкокислотных (не более 3,0 мг КОН/г) масел и жиров. Необходимо отметить, что в основном при щелочной нейтрализации масел и жиров применяют раствор каустической соды.

Кальцинированная сода Na2CO3 . Na2CO310H2O - кристаллическая сода (декагидрат карбоната натрия, содержит 63 % кристаллизационной воды), состоит из белых кристаллов с температурой плавления 853оС [29]. Кристаллогидрат на воздухе теряет часть кристаллизационной воды, а при 32оС расплавляется. Растворим в воде, водный раствор имеет щелочную реакцию вследствие гидролиза соли:

Na2CO3 + Н2О 2NaOH + H2CO3

Кальцинированная сода в основном используется для производства стекла, мыла и синтетических моющих средств, эмалей, ультрамарина.

Каустическая сода (NaOH). Едкий натр - белые, гигроскопичные, агрессивные кристаллы; выпускается в виде гранул, палочек, пластинок или чешуек. Температура плавления 322оС, температура кипения 1390оС [29]. Гидроксид натрия поглощает диоксид углерода из воздуха. Гидроксид натрия хорошо растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, раствор имеет сильнощелочную реакцию.

Каустическая сода используется для получения различных натриевых солей: нитрата, нитрита, сульфита, фосфатов, гипохлорита или белильного щелока, силикатов или растворимого стекла, фторида, хромата, органических солей и др. Применяется при производстве мыла, моющих средств, смачивателей и эмульгаторов,красителей и др. Входит в состав электролитов, предназначенных для воронения (чернения), обезжиривания, проведения некоторых электролитических процессов.

2.4 Методы исследования сырья и продуктов частичной и окончательной рафинации масла

Отбор проб сырья, промежуточных продуктов его переработки и готовой продукции проводили в соответствии с действующими требованиями [7,18-21].

Семена, промежуточные продукты его переработки, частично и окончательно рафинированные масла анализировали методами, принятыми в масложировом производстве [7,21].

2.4.1 Анализ сырья

В хлопковых семенах определяли влажность, засоренность, опушенность, масличность и кислотное число масла. На основе этих показателей устанавливали сортность использованных семян.

В хлопковой мятке определяли влажность и масличность.

Определение массовой доли влаги в объектах (семена и мятка) проводили весовым методом [5,7,28] с отнесением количества натурной влажности к массе сухого вещества материала.

Засоренность и опушенность хлопковых семян определяли согласно методике, описанной в «Руководстве» [7].

Определение масличности семян и мятки проводили в аппарате Сокслета [18-20]. В качестве растворителя для экстракции применяли петролейный эфир.

Кислотное число масла в семенах определяли по действующей методике [21].

2.4.2 Анализ качества черного масла

В сыром масле, полученном обработкой хлопковой мятки растворами каустической соды и хлористого кальция в лабораторных и опытно-производственных условиях, определяли кислотное число, цветность, содержание фосфатидов и госсипола.

Определение кислотного числа сырого масла проводили методом, используемом в промышленной практике [7,21].

Цветность профильтрованного сырого масла определяли с помощью цветомера Ловибонда [21] в 1,0 см. слое.

Содержание фосфатидов определяли с применением молибденовокислого аммония и сухого сжигания пробы [7,21].

Содержание свободного госсипола в «сыром» хлопковом масле определяли анилиновым методом [7]. Сущность этого метода заключалась в реакции взаимодействия госсипола с анилином с образованием в масле и в некоторых органических растворителях дианилингоссипола.

Содержание госсипола в процентах (Х) вычисляли ют по формуле:

(2.23)

где P1 - вес осадка дианилингоссипола, г;

0,775 - коэффициент, характеризующий соотношение между госсиполом и дианилгоссиполом;

P - навеска масла, г.

Содержание госсипола в сыром хлопковом масле определяли колориметрическим методом [7,18-20], основанном на способности госсипола и некоторых его производных давать при нагревании их масляных растворов в присутствии фосфатидов стабильные по интенсивности окраски продукты. Для этих целей использовали фотоэлектроколориметр.

2.4.3 Анализ качества жмыхов и шротов

Качество жмыхов и шротов, полученных в лабораторных и опытно-производных условиях, оценивали по влажности, содержанию свободного госсипола, содержанию протеина, масличности, а также натриевых и кальциевых солей жирных кислот.

Влажность жмыхов и шротов определяли в пробах материала высушиванием до постоянной массы [7,18-21].

Определение масличности проводили в аппарате Сокслета [20].

В качестве растворителя для экстракции жмыхов и шротов применяли петролейный эфир.

Определение содержания протеина в жмыхах и шротах проводили макрометодом Кьельдаля [7].

Содержание общего азота в процентах (Х) при исходной влажности материала вычисляли по формуле:

(2.24)

где: y1 - количество 0,1 н раствора щелочи, израсходованное на титрование 50 мл 0,1 н раствора серной кислоты в контрольном опыте, мл;

y2 - количество 0,1 н раствора щелочи, израсходованное на титрование серной кислоты в опыте с навеской анализируемого вещества, мл;

0,0014 - количество азота, эквивалентное 1 мл точно 0,1 н раствора серной кислоты, г;

K - поправка к титру 0,1 н раствора КОН или NaОН;

P - навеска материала, г.

Содержание сырого протеина в исследуемом материале в процентах (Х) вычисляли по формуле:

X1 = X 6,25 (2.25)

где X - содержание общего азота в % в исследуемом материале, найденное по предыдущей формуле;

6,25 - коэффициент пересчета на сырой протеин.

Определение массовой доли госсипола в хлопковых жмыхах и шротах осуществляли фотометрическим методом [7,18-21].

Массовую долю свободного госсипола в процентах рассчитывали по формуле:

(2.26)

где C - массовая концентрация госсипола в растворе, найденная по градуировочному графику, г/л;

y1 - объем раствора в хлороформе, мл;

m - масса шрота, г;

y2 - объем аликвотной части, мл;

y3 - объем раствора, приготовленного для определения оптической плотности, мл.

Расчет производили до третьего знака после запятой с последующим округлением результата до второго знака. За результат анализа принимали среднее арифметическое значение двух параллельных определений.

Определение массовой доли солей (натриевых и кальциевых) жирных кислот в жмыхах осуществляли согласно «Руководству» по методам исследования [7,18-21].

Для определения массовой доли солей жирных кислот в жмыхах предварительно получали экстракты мыл из исследуемого образца.

Получение экстрактов мыл [6,7] осуществляли обработкой жмыхов экстракционным бензином до полного извлечения содержащихся в них масла и солей жирных кислот. Затем полученную мисцеллу подвергали лабораторной дистилляции до полного удаления растворителя. Отделение масла от солей жирных кислот осуществляли путем низкотемпературного фракционирования. Экстракты солей жирных кислот в дальнейшем были подвергнуты анализу.

К полученному экстракту натриевых мыл приливали 50 мл горячей (80...900С) дистиллированной воды, 2...3 капли раствора метилового красного и титровали 0,1 н раствором серной кислоты до появления розовой окраски нижнего (водного) слоя.

К экстракту кальциевых мыл добавляли 100 мл горячего (70...800С) нейтрализованного изопропанола. Смесь оттитровывали 0,1 н раствором соляной кислоты до перехода окраски раствора от синей (сине-зеленый) к желтой.

Массовую долю мыла в процентах в исследуемом материале (олеата Na или Ca) рассчитывали по формуле:

; (2.27)

где y - объем 0,1 н раствора соответствующей кислоты, идущей на титрование экстракта, мл;

K - поправка к титру 0,1 н растворов кислот;

m - навеска пробы, г;

3,04 - коэффициент пересчета на олеат Na;

3,01 - коэффициент пересчета на олеат Ca;

f=1,07 - коэффициент, учитывающий несоответствие перехода окраски бромфенолового синего значению рН эквивалентной точки титрования кальциевых мыл в смеси бензинизопропана.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Принципиальная схема лабораторной установки для окончательной рафинации частично рафинированного в сырье масла

1. Емкость для рафинации; 2. Электродвигатель; 3.Мерник для активированного в ЭМП раствора каустической соды; 4.Мешалка; 5.Термометр; 6.Автотрансформатор; 7.Подогреватель; 8.Штатив.

За окончательный результат принимали среднее арифметическое из двух параллельных определений. Допустимое расхождение между параллельными определениями не превышало 15 % от среднего значения данных.

Для исследования рафинируемости частично рафинированных хлопковых масел с пониженным кислотным числом проводили их окончательную щелочную рафинацию. Исследования проводили в лабораторных условиях в пробном нейтрализаторе (рис.6).

Рафинацию частично рафинированных прессовых масел, полученных в опытно-производственных условиях, проводили в заводских нейтрализаторах периодического действия эмульсионным способом.

Опытно-производственные испытания проводили (рис.4) в периодических нейтрализаторах вместимостью 11 тн.

2.4.4 Анализ качества рафинированного масла

Качество окончательно рафинированного масла, полученного путем его частичной рафинации в мятке в процессе влаготепловой обработки, оценивали по кислотному числу и цветности.

Определение кислотного числа рафинированных светлых масел проводили согласно методике, описанной в «Руководстве» [7,18-21].

Цветность профильтрованного рафинированного масла оценивали с помощью цветомера Ловибонда [21] в 13,5 см. слое.

Глава 3. Исследование и разработка технологии частичной рафинации масла в сырье активированными в эмп растворами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.10. Технологические стадии переработки хлопковых семян и частичной рафинации масла в сырье активированными в ЭМП растворами NaOH и CaCI2

Нами впервые предложена и разработана усовершенствованная технология частичной рафинации масла с использованием активированных в ЭМП растворов каустической соды и хлористого кальция при влаготепловой обработке мятки, жарении и прессовании мезги. Основные технологические операции указанной технологии приведены на рис. 10.

Разработка и исследование усовершенствованной технологии предварительной переработки хлопковых семян путем частичной рафинации масла в мятке воздействием активированным в ЭМП раствором каустической соды позволили изучить основные изменения, происходящие в химическом составе и качестве промежуточных и конечных продуктов. Результаты исследования позволили установить механизмы химических превращений и кинетические изменения в ходе осуществления технологических процессов.

3.1 Установление основных химических превращений

Необходимо отметить, что технологический процесс частичной рафинации масла в мятке с использованием активированных в ЭМП растворов состоит из двух основных этапов:

а) нейтрализация свободных жирных кислот в мятке раствором каустической соды:

RCOOH + NaOH RCOONa + H20

б) перевод образовавшихся натриевых солей жирных кислот (натриевых мыл) в кальцевые с помощью раствора хлористого кальция:

2RCOONa + CaCI2 [RCOO]2Ca + 2NaCI

Для осуществления экспериментов в лабораторных и опытно-производственных условиях необходимое количество каустической соды рассчитывалось (в пересчете на олеиновую кислоту) по формуле [21]:

Атеор = 0,0095 М К; (3.1)

Апрак = 0,0095 М К К; (3.2)

где А - расход каустической соды, кг;

М - масличность мятки, %;

К - коэффициент, учитывающий подбор раствора щелочи с учетом исходного кислотного числа масла в мятке. Этот коэффициент определяется опытным путем и составляет:

- для мятки из семян с кислотным числом масла более 5 мг КОН/г в пределах 5,0...7,0;

- для мятки из семян с кислотным числом масла до 5 мг КОН/г в пределах 2,5...3,0;

К - желательное снижение кислотного числа вырабатываемого масла, мг КОН/г.

Коэффициент (К) вводится для того, чтобы учесть то количество каустической соды, которое расходуется на взаимодействие с другими веществами, например, с госсиполом, фосфатидами и др.

Для перевода образовавшихся натриевых солей жирных кислот в кальциевые соли необходимое количество раствора хлористого кальция определялось по формуле [18-21]:

(3.3)

В период проведения экспериментов проводили регулярный контроль за температурой, влажностью мятки, кислотным числом масла в мятке и вырабатываемого форпрессового масла.

3.2 Изучение основных химических и качественных изменений при частичной рафинации масла в мятке активированными в ЭМП растворами

Исследовали влияние концентрации раствора каустической соды в процессе влаготепловой обработки мятки высококислотных семян хлопчатника на изменение содержания основных химически составляющих компонентов получаемого сырого прессового масла. С этой целью исследования проводили с партиями хлопковых семян, имеющими средние кислотные числа масла в семенах в пределах 6,0-14 мг КОН/г.

В исследованиях использован активированный в ЭМП напряженностью 1,6 А/м раствор каустической соды. Выбор такого значения напряженности не был случайным, так как во многих литературных источниках такое значение напряженности ЭМП поля позволило максимально интенсифицировать технологические процессы в пищевом производстве.

Частичную рафинацию масла в мятке осуществляли в опытно-производственных условиях АООТ «Бухоро ё?» на примере одного прессового агрегата путем обработки хлопковой мятки в пропарочно-увлажнительном шнеке раствором каустической соды, подогретым до 80...85оС. Затем образовавшиеся натриевые мыла переводились в кальциевые соли путем подачи в мятку 15 %-ного раствора активированного в ЭМП хлористого кальция в первый чан жаровни в производственных условиях.

Раствор каустической соды подавался до повышения влажности мятки на 3,0...3,5 % от его первоначальной величины 9,6 %.

Изучено влияние концентрации каустической соды на снижение кислотного числа масла в мятке в процессе его частичной рафинации. Исследовали партии хлопковых семян со средним кислотным числом масла в них 4, 6, 8, 10, 12 и 14 мг КОН/г. Исследования проводили в условиях, когда количество раствора каустической соды во всех случаях было постоянным, а концентрация соды в растворе разной. Результаты исследования по снижению кислотного числа масла в мятке в процессе частичной рафинации приведены на рис. 11.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Концентрация раствора NaOH

Рис.11. Влияние концентрации каустической соды на снижение кислотного числа масла в мятке в процессе частичной рафинации.

Исходное кислотное число масла в семенах:

1. К.ч. = 4 мг КОН/г

2. К.ч. = 6 мг КОН/г

3. К.ч. = 10 мг КОН/г

4. К.ч. = 12 мг КОН/г

5. К.ч. = 14 мг КОН/г

Как видно из данных, приведенных на рис. 11, с повышением концентрации каустической соды происходит снижение кислотного числа масла в мятке. Интенсивное снижение кислотного числа наблюдалось до концентрации раствора каустической соды в пределах 5...15 %.

Исследованиями установлено, что с увеличением концентрации вводимой каустической соды более 15 % наблюдалось явление снижения кислотного числа до минимального уровня с образованием мыла, которое переходило в прессовое масло, за счет чего ухудшалось качество последнего. Поэтому для соблюдения соответствующих технологических режимов в дальнейших исследованиях и испытаниях процесса частичной рафинации масла концентрация каустической соды не превышала 15 %.

Напряженность ЭМП

Рис.12. Зависимость снижения кислотного числа частично рафинированного масла от напряженности ЭМП.

Наибольшее снижение кислотного масла в частично рафинированном масле в различных образцах исходного сырья с различным кислотным числом масла наблюдается при концентрации раствора каустической соды 10 %. В связи с этим исследовали влияние напряженности ЭМП на снижение кислотного числа в частично рафинированном масле. Исследования проводили с использованием хлопковых семян с кислотным числом масла в сырье 10,0 мг КОН/г. Результаты исследований приведены на рис. 12.

Как видно из данных рис.12 наиболее интенсивное снижение кислотного числа в частично рафинированном масле наблюдается при обработке каустической соды (концентрация 10 %) при напряженности ЭМП поля, равной 1,6 А/м, что согласуется с литературными данными. Учитывая это, дальнейшие исследования по активации щелочного раствора проводили при напряжении ЭМП 1,6 А/м.

Аналогичные исследования были проведены с целью получения сравнительных данных по частичной рафинации масла в сырье без и с использованием способа ЭМП обработки щелочного раствора. Исследовали два образца сырья с различными исходными кислотными числами в мятке. Результаты исследования приведены в табл.4.

Таблица 4

Сравнительные результаты снижения кислотного числа в частично рафинированном масле в сырье*

Напряженность ЭМП, А/м	Кислотное число масла, мг КОН/г
	Образец 1	Образец 2
	без обработки в ЭМП	с обработкой в ЭМП	без обработки в ЭМП	с обработкой в ЭМП
0	4,4	4,4	9,2	9,2
0,4	4,0	3,7	6,6	6,3
0,8	3,8	3,4	6,2	5,8
1,2	3,5	3,0	5,7	5,1
1,6	3,0	2,4	4,8	4,2
2,0	2,8	2,2	4,6	3,9
2,4	2,7	2,2	4,4	3,8

*Исходное кислотное число масла в исследованных образцах мятки:

1- 4,4 мг КОН/г; 2 - 9,2 мг КОН/г

Как видно из данных табл.3.1, в обоих случаях наблюдается снижение кислотного числа в частично рафинированном масле. Однако использование ЭМ обработки раствора соды ускоряет процесс и увеличивает степень снижения кислотного числа в сырье. Наилучшие положительные результаты получены при напряженности ЭМП 1,6 А/м. Необходимо, отметить, что в сырье с высоким кислотным числом масла наблюдается снижение кислотного числа в частично рафинированном масле почти в два раза. Это важно для промышленной организации технологии частичной рафинации масла в мятке в условиях прессовых заводов.

На процесс снижения кислотного числа в частично рафинированном масле одновременно с концентрацией каустической соды определенное влияние оказывает температура её нагрева. Поэтому мы изучили влияние температуры (60...950С) активированного раствора каустической соды при концентрации 10 % на снижение кислотного числа частично рафинированных масел из хлопковых семян с исходным кислотным числом масла в сырье 8...12 мг КОН/г. Исследования проводили в лабораторных и опытно-производственных условиях.

Выбор указанного предела температуры (60...950С) связан с тем, что при низких температурах раствора соды (менее 600С) реакция будет протекать менее интенсивно, что приводит к незначительному снижению кислотного числа частично рафинированного в сырье масла. Повышение температуры раствора соды до 950С ускоряло процесс денатурации белковых веществ в мятке, что нежелательно для кормового жмыха.

Полученные данные по влиянию температуры на снижение кислотного числа масла в сырье приведены в табл.5.

Таблица 5

Влияние температуры активированного раствора каустической соды на снижение кислотного числа частично рафинированного масла

№ п/п	Температура раствора соды, 0С	Кислотное число масла в сырье, мг КОН/г
		8,0	12,0
		К.ч. частично рафинированного масла	Разность, Д К.ч.	К.ч. частично рафинированного масла	Разность, Д К.ч.
1	60	6,6	1,4	10,0	2,0
2	65	5,2	2,8	9,1	2,9
3	70	4,7	3,3	8,0	4,0
4	75	4,0	4,0	7,2	4,8
5	80	3,6	4,4	6,7	5,3
6	85	3,2	4,8	6,5	5,5
7	90	3,0	5,0	5,4	6,6
8	95	2,9	5,1	5,0	7,0

Как видно из данных табл.3.2., повышение температуры раствора каустической соды 70-900С положительно влияет на снижение кислотного числа масла в мятке, но отрицательно влияет на качество жмыха (см.далее).

Серия исследований проводилась с целью изучения влияния концентрации активированного раствора соды на снижение кислотного числа масла в мятке при переработке различных партий хлопковых семян, отличающихся по основным показателям (среднее кислотное число масла в сырье колебалось в пределах 6,0-14,0 мг КОН/г).

Результаты приведены на рис. 13. Концентрация растворов колебалось в пределах 5,0-15,0 %.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что воздействие на сырье в процессе влаготепловой обработки раствора активированной каустической соды приводит к снижению кислотного числа масла в мятке. Наиболее интенсивное снижение кислотного числа масла в сырье наблюдается при переработке семян с высокими исходным и кислотными числами масла. Так, например, снижение кислотного числа масла в сырье при обработке ее активированным раствором каустической соды с концентрацией в пределах 5...15% наблюдается от 4,6 до 6,7 мг КОН/г. При переработке хлопковых семян со средним исходным кислотным числом масла 6 мг КОН/г снижение кислотного числа не превышает от 2,7 до 3,1 мг КОН/г от первоначального значения этого показателя.

Изучено влияние длительности контакта раствора каустической соды (концентрация 10 %, температура 250С) с мяткой на снижение кислотного числа масла. Исследования проводились в лабораторных условиях путем перемешивания мятки с раствором активированной каустической соды в течение 2, 4, 6,....16 мин с последующей обработкой сырья активированным раствором хлористого кальция. Данные приведены в табл.6.

Таблица 6

Влияние продолжительности контакта раствора каустической соды с сырьем на снижение кислотного числа масла

№ п/п	Длительность контакта, мин	Кислотное число масла в сырье, мг КОН/г
		8,0	12,0
		К.ч. частично рафинированного масла	Разность, Д К.ч.	К.ч. частично рафинированного масла	Разность, Д К.ч.
1	2	7,7	0,3	11,0	1,0
2	4	7,0	1,0	10,0	2,0
3	6	6,5	1,5	9,1	2,9
4	8	6,0	2,0	8,0	4,0
5	10	4,5	3,5	7,1	4,9
6	12	4,0	4,0	6,2	5,8
7	14	3,4	4,6	5,8	6,2
8	16	3,1	4,9	5,6	6,4



Рис. 13. Влияние концентрации раствора каустической соды на снижение кислотного числа частично рафинированного масла в сырье.

Концентрация NaOH: 1 - 5%; 2 - 10%; 3 - 15%;

Как видно из данных табл.6, длительность контакта раствора с сырьем также является существенным технологическим фактором, влияющим на снижение кислотного числа масла в мятке. При контакте 2...4 мин практически не происходит интенсивного снижения кислотного числа, наиболее высокий уровень снижения кислотного числа наблюдается при длительности контакта 12 мин, дальнейшее увеличение времени контакта незначительно снижает кислотное число. Поэтому дальнейшие исследования проводились при взаимодействии свободных жирных кислот сырья с раствором каустической соды в течение не более 12 мин.

Наряду со снижением кислотного числа масла в мятке при обработке ее активированным раствором соды различной концентрации наблюдается и снижение количества свободного госсипола в частично рафинированном масле (рис.14 и табл.7.).

Данные табл. 7. свидетельствуют о том, что с повышением концентрации наблюдается снижение содержания нативного госсипола в сыром масле до его полного исчезновения при концентрации щелочи 9 % (с обработкой в ЭМП) и 15 % (без обработки в ЭМП).

Таблица 7

Изменение содержания свободного госсипола в частично рафинированном масле в сырье в зависимости от концентрации раствора соды

Концентрация раствора соды, %	Содержание свободного госсипола, %
	без обработки	с обработкой в ЭМП Н=1,6 А/м
0 (контроль)	0,370	0,370
3	0,210	0,113
6	0,090	0,047
9	0,037	0
12	0,009	-
15	0

Как видно из кривых, приведенных на рис. 14, при обработке мятки семян хлопчатника с высоким кислотным числом масла в сырье, обработанным активированным раствором каустической соды, происходит снижение содержания свободного госсипола в сыром прессовом масле. Наиболее высокое его снижение наблюдается до концентрации каустической соды 10 %, дальнейшее увеличение концентрации соды практически не влияет на снижение содержания свободного госсипола в сыром масле при переработке партий хлопковых семян со средним кислотным числом масла в сырье, равным 12 и 14 мг КОН/г.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили факт о том, что свободный госсипол, находящийся в составе сырого хлопкового масла, реагирует с каустической содой, образуя при этом госсиполат натрия.



Рис.14. Снижение количества свободного госсипола в частично рафинированном масле с активированным раствором щелочи.

1. К.ч. = 12,0 мг/ КОН/г

2. К.ч. = 14 мг/КОН/г

Изучение влияния концентрации (5-15 %) раствора каустической соды на снижение содержания фосфатидов в сыром масле проводилось при переработке семян со средним кислотным числом сырого масла в сырье, равным 12 и 14 мг КОН/г. Изменения содержания фосфатидов в сыром прессовом масле в процессе частичной рафинации масла в сырье в зависимости от концентрации раствора каустической соды представлены на рис. 15 и табл.8.

Из приведенных на рис.15 данных видно, что максимальное выведение госсипола происходит при концентрации раствора каустической соды, равной 10 %.

Влияние напряженности (0,4…2,4 А/м) ЭМП на изменение содержания фосфатидов в сыром прессовом масле в процессе частичной его рафинации в сырье представлено в табл.8.

Таблица 8

...