Международная Академия Системных Исследований

На правах рукописи

Хаддад Джордж Мишель

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ

РАФИНИРОВАННОГО ГУММИАРАБИКА

Специальность 05.17.08

Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук , профессор

академик МАСИ

Дорохов Игорь Николаевич

Научный консультант

доктор технических наук ,профессор

Булатов Михаил Анатольевич

Москва

2009

Оглавление

стр. Введение 4

1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования. 7

1.1. Подготовка сырья и получение водных композиций Гумми- 7

арабика.

1.2 Получение рафинированного Гуммиарабика. 10

2. Генезис пищевой добавки Гуммиарабика. 16

2.1 Состав, структура Гуммиарабика. 17

2.2 Экспериментальное изучение физико-химических свойств 20

растворов Гуммиарабика.

2.2.3 Растворимость. 20

2.2.4 Вязкость водных растворов. 21

2.2.5 Водородный показатель. 24

2.2.6 Чувствительность к нагреванию. 24

2.2.7 Совместимость с другими ингредиентами. 27

2.3 Экспериментальное изучение эмульгирующих и стабили- 28

зирующих свойств водных растворов Гуммиарабика.

2.3.1 Объекты и методы исследования. 28

2.3.2 Изучение влияния времени гомогенизации на устойчивость 30

получаемых эмульсий.

2.4 Сертификат безопасности 34

3. Исследование процесса образования слоя осадка Гумми- 39

арабика.

3.1 Особенности образования твердых осадков на стенках 39

горизонтальных каналов.

3.2 Закономерности роста твердых осадков. 44

3.2.1 Рост осадка на однородной поверхности. 44

3.2.2 Кинетическая модель образования первичного слоя. 44

3.3 Разработка математической модели процесса осаждения 49

частиц.

3.3.1 Существующие модельные представления о механизме 50

осаждения твердых частиц из турбулентного потока.

3.3.2 Постановка задачи исследования. 55

3.3.3 Решение задачи о нахождении скорости движения частицы 63

из ядра потока к стенке канала.

3.4 Экспериментальное исследование процесса осаждения частиц 66

Гуммиарабика и обсуждение полученных результатов.

3.5 Исследование морфологической структуры и дисперсного 67

состава инкапсулированных частиц.

4. Исследование влияния внешнего акустического поля на про- 72

цесс образования осадков в сушильной камере.

4.1 Предотвращение образования осадков. 72

4.2 Влияние внешнего акустического поля на гидродинамические

и массообменные процессы. 74

4.3 Экспериментальные исследования и обсуждение результатов. 78

5. Определение параметров образования осадка и уточнение 81

алгоритма расчета процесса сушки.

Выводы и основные результаты работы. 85

Список использованной литературы. 87

Условные обозначения. 95

Приложения. 96

ВВЕДЕНИЕ

Фабрика по рафинированию пищевых смол в Бейсон Бридж, Сомерсет ,Великобритания является крупнейшим в мире предприятием по очистке и рафинированию Гуммиарабика и других пищевых смол. Сырье проходит несколько этапов очистки : растворение в воде ,ультрафильтрацию и распылительную сушку. В производственном комплексе компании «Агрисейлс» ЛТД реализованы процессы согласно требованиям к производству, отвечающему стандартам ISO 9001: 2000 и GMP. На предприятии имеются две лаборатории ,оснащенные новейшим оборудованием для тестирования пищевых смол. Компания «Агрисейлс» ЛТД постоянно оказывает технологическую поддержку и дает консультации по использованию продуктов компании в различных отраслях пищевой и фармацевтической промышленности. Фабрика имеет прекрасно оборудованный склад для хранения до 1000 тонн пищевых смол . В связи с новыми технологическими требованиями, предъявляемыми европейскими и американскими пищевыми и фармацевтическими предприятиями , около года назад на предприятии установлено оборудование для производства агломерированного гуммиарабика ,который способен растворяться в воде в течение 30 секунд. Этот высокотехнологичный продукт применяется при производстве напитков и в кондитерской промышленности.

Гуммиарабик является одним из хорошо известных природных соединений, которое используют как пищевую добавку. Очищенный от механических примесей Гуммиарабик в производственных условиях подвергают дополнительной очистке путем растворения в воде, ультрафильтрации и пастеризации, а затем высушивают методом распылительной сушки. Полученный рафинированный продукт удовлетворяет требованиям санитарно-эпидемиологического надзора.

Рафинированный Гуммиарабик применяют как превосходный инкапсулирующий материал для производства сухих ароматических добавок путем распылительной сушки. Это обусловлено его хорошими эмульгирующими свойствами, низкой вязкостью, тонким ароматом и способностью защищать ароматические добавки от окисления как в технологическом процессе, так и при их дальнейшем хранении.

Химический состав Гуммиарабика весьма гетерогенен и он относится к классу гликопротеинов, то есть биополимеров, молекула которых содержит фрагменты как полисахаридной, так и белковой природы. Учитывая сложную структуру и состав Гуммиарабика, нельзя считать окончательно установленной взаимосвязь между характеристиками структуры, функциональными свойствами и параметрами процессов гомогенизации водных растворов Гуммиарабика и сушки.

В производственных условиях на фабрике Бейсон-Бридж (Сомерсет, Великобритания) получают эмульсии на основе водных растворов Гуммиарабика, из которых методом распылительной сушки получают продукты - рафинированный Гуммиарабик, а также инкапсулированные Гуммиарабиком пищевые ингредиенты.

В настоящее время отсутствуют надежные рекомендации по продолжительности процесса гомогенизации. Проведенные автором исследования структурно-динамических характеристик эмульсий показали, что термодинамическая устойчивость, кинетическая стабильность и дисперсный состав получаемых эмульсий, при прочих равных условиях, зависит от времени гомогенизации.

На фабрике Бейсон-Бридж используется распылительная сушилка «Niro Dryer» (Дания, фирма «Ангидро») непрерывного действия, которая получила широкое распространение для сушки термолабильных растворов экстрактов растительных продуктов, фармацевтических препаратов и т.д. Сушильная камера имеет плоское дно. Такие сушилки более компактны и доступны для обслуживания.

Установлено, что частицы, инкапсулированные Гуммиарабиком, имеют несферическую форму, что может быть объяснено «усадкой» жидких капель при сушке. Нарушение целостности мембранной структуры приводит к потере ее антиоксидантных свойств. В настоящее время отсутствуют надежные количественные зависимости , позволяющие определять допускаемое время пребывания частиц в зоне распыла в сушильной камере при сохранении целостности мембранной структуры инкапсулянта.

Одним из основных недостатков таких установок является образование отложений продукта, главным образом, в донной части камеры. Из-за регулярных остановов на очистку относительные потери в пересчете на сухой продукт могут составлять до 20 % и более.

Для определения оптимального времени безостановочной работы и выбора способа предотвращения образования осадка необходимо прогнозирование скорости накопления осадка и изменения его прочностных свойств.

В настоящей работе проведен анализ существующих теоретических моделей процесса турбулентного осаждения аэрозолей в плоских каналах и получено аналитические решения уравнений для расчета массовой скорости осаждения твердых частиц из воздушного потока.

Проанализированы приемы интенсификации совмещенных тепломассообменнных процессов и конструктивные решения для снижения скорости роста осадка Гуммиарабика в сушильной камере.

Разработан механический способ удаления осадка с использованием акустических колебаний , который более эффективен, чем применяемый в настоящее время на фабрике Бейсон-Бридж метод промывки сушильной камеры. Усовершенствована автоматизированная система управления процессом распылительной сушки.

1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования.

1.1.Подготовка сырья и получение водных композиций Гуммиарабика

Исходное сырье (смола акации Сенегал и Сейял) предварительно просеивают и отделяют крупнокусковой ГА (Гуммиарабик) Original Lump Gum (HPS), с размером фракции 20-25 мм (рис.1).

Оставшуюся твердую фракцию выгружают на транспортерную магнитную ленту и проводят ручную сепарацию. В результате получают механически очищенные от твердых примесей (песка, пыли, металлических включений и т.д.), фракции Gum Talha (сырье для рафинированных продуктов Spray GMH, MGH) и Gum Kordofan (Lump Cleaned – сырье для рафинированных продуктов Spray R) с размерами фракции 1 - до 13 мм, фракции 2 - от 13 до 25 мм, а также фракцию мелких темных частиц Dark Gum( Приложения П.1-П.2).

Из механически очищенного ГА (фракция Gum Kordofan) получают также порошкообразный продукт Agrigum Powder 1 AS, 3 AS с размером частиц до ~ 130 мкм. Дробление осуществляют в механической дробилке Alpine Contraplex Mill, Model 250CW, 304.

Основные стадии получения рафинированного Гуммиарабика приведены на рис.2.

Принципиальная схема подготовки водных растворов ГА приведена на рис.3.

Кусковой ГА растворяют в емкости 1 (Silverson mixer) при Т = 45-50 ºC до полной его гидратации. О степени гидратации Гуммиарабика судят по величине pH раствора. Концентрацию растворенного Гуммиарабика стремятся поддерживать на уровне 25-30 мас. %. Затем приготовленный раствор с объемным расходом 450 л/час направляют на механическую очистку от твердых взвешенных частиц. На стадии грубой механической очистки раствора используют вибро- и два турбосита (Russel Finex turbo sieves), а на стадии тонкой очистки – центрифуги (два центробежных сепаратора – Alfa Laval MAPX 204 и нутч-фильтр GAF Filter 03).

Рис.3. Схема подготовки водных растворов гуммиарабика (ГА):

I – стадия растворения ГА; II - стадия грубой механической очистки;

III - стадия тонкой механической очистки; IV - стадия пастеризации;

V - стадия приготовления водных эмульсий.

1 – емкость для приготовления водного раствора ГА; 2 – насосы;

3 – вибросита; 4 - турбосита; 5 – центрифуга; 6 – нутч-фильтр;

7 – промежуточная емкость; 8 – пластинчатый теплообменник; 9 – емкость; 10 – гомогенизатор.

После тонкой очистки размер оставшихся взвешенных частиц не превышает 50 мкм. а их концентрация – менее 1 мас. %. Очищенный раствор Гуммиарабика собирают в промежуточной емкости 7 (Bulk Storage Tank) объемом 2.3 м³. Из емкости 7 раствор направляют на пастеризацию, которую проводят при температуре 90-110 ºC в пластинчатом теплообменнике 8. Пастеризованный раствор собирают в емкости 9. На стадии V организован циркуляционный контур, включающий насос высокого давления, гомогенизатор 10.

В настоящее время отсутствуют надежные рекомендации по продолжительности процесса гомогенизации. Предварительно проведенные автором исследования структурно-динамических характеристик эмульсий показали, что термодинамическая устойчивость, кинетическая стабильность и дисперсный состав получаемых эмульсий, при прочих равных условиях, зависит от времени гомогенизации .

1.2 Получение рафинированного Гуммиарабика

Приготовленные водные композиции направляют на распылительную сушку (рис.4). В производстве используется распылительная сушилка «Niro Dryer» (Дания, фирма «Ангидро») непрерывного действия, которая получила широкое распространение для сушки термолабильных растворов экстрактов растительных продуктов, фармацевтических препаратов и т.д. Распылительная сушилка с верхней подачей Гуммиарабика представляет собой круглую металлическую емкость (поз.5), установленную на фундаменте. Сушильная камера имеет плоское дно. Такие сушилки более компактны и доступны для обслуживания. Воздухораспределитель, расположенный в верхней части сушильной камеры 5, обеспечивает равномерное распределение воздуха по объему сушильной камеры, в которой тепло- и массообмен между распыленными каплями и сушильным агентом осуществляется в параллельном потоке (прямоток).

В качестве сушильного агента используют воздух, который предварительно осушают, подогревают до температур 140-210 ºC в огневом подогревателе (Oilfired Wanson mod.5000 B, 6155 кВт) и с объемным расходом до 60 м³/ч подают в камеру 5 через каналы, расположенные на боковой поверхности корпуса.

Рис.4. Распылительная сушилка:

I – стадия сушки; II – транспортная система; III – насосная станция.

1 – шумопоглощающий воздуховод; 2 – распыливающее устройство;

3 – воздушный поток на стадию физико-химической очистки;

4 – вытяжной вентилятор; 5 – сушильная камера; 6 – циклоны; 7 – воздушные фильтры; 8 – линия возврата мелкодисперсного (некондиционного) материала; 9 – линия пневмотранспорта продукционного материала;

10 – механические сита; 11 - насос высокого давления; 12 - система охлаждения насосов; 13 - система подготовки и подачи промывного раствора; 14 – буферная емкость; 15 – линия подачи исходного раствора.

Перед пуском распылительной сушилки проверяют исправность оборудования, запорной арматуры, системы подачи исходного раствора Гуммиарабика, устройств автоматики и КИПа, транспортных и просеивающих устройств. При подготовке систем подачи исходного раствора Гуммиарабика через нее прокачивают предварительно некоторое количество воды. Затем включают вентилятор (поз.4 рис.4) на линии отходящих газов, электроприводы сит, элеватора и транспортеров (рис.5 и 6).

Предварительно подогретый воздух подают в камеру для ее прогрева. При этом температура отходящих газов должна быть не выше 90 ºC. Затем включают насос высокого давления (поз.11 рис.4) и поддерживают заданный режим сушки. Давление разрежения измеряют тягонапорометром мембранным и манометром с дифтрансформаторным датчиком в комплекте со вторичным прибором типа Thyrocont Vacuum Controllers (1000 – 1 mbar). Расход воздуха определяют с помощью индукционного расходомера Industrial Thermal Mass Flow Meter. Разрежение в камере регулируют с помощью шиберной заслонки, установленной на трубопроводе отходящего воздуха перед вентилятором. Диаметр сушильной камеры – 3.5 м, высота – 7 м. В верхней части камеры 5 с помощью механических форсунок 2 (Atomizer) распыливают водный раствор под давлением 10 МПа с получением практически монодисперсного (узкофракционного) состава капель раствора Гуммиарабика. Капли жидкости, попадая в поток горячего воздуха, со всех сторон омываются теплоносителем, в течение короткого промежутка времени теряют влагу и с потоком воздуха выводятся из нижней части камеры (поз.9, рис.4). Готовый продукт отделяют от воздуха в блоке улавливания II, в состав которого входят циклоны и механические сита (рис.5). Продукт в виде порошка со средним размером частиц поступает на стадию упаковки (рис. 6).

Автором установлено, что частицы, инкапсулированные Гуммиарабиком, имеют несферическую форму, что может быть объяснено «усадкой» жидких капель при сушке. Нарушение целостности мембранной структуры приводит к потере ее антиоксидантных свойств. В настоящее время отсутствуют количественные зависимости , позволяющие определять допускаемое время пребывания частиц в зоне распыла в сушильной камере при сохранении целостности мембранной структуры инкапсулянта[4,34,35].

Из циклона 6 отработанный воздух с помощью вентилятора 4, установленного в верхней части камеры 5 направляют в систему очистки, включающей биофильтр и скруббер (рис.4). В процессе работы периодически определяют унос продукта с отходящими газами. Пределы изменения начальной концентрация раствора, распыливаемого в сушильной камере - от 30 до 60 мас. % (асв); производительность установки достигала 2 т/ч при относительной влажности продукта не более 10 мас. %. В результате распылительной сушки получают однородный кристаллический продукт, удовлетворяющий требованиям санитарно-эпидемиологического надзора к пищевым добавкам (Приложение П.3).Одним из основных недостатков таких установок является образование отложений продукта, главным образом, в донной части камеры. Промывку камеры осуществляют периодически через каждые 5 дней непрерывной работы установки. В качестве промывных растворов используют воду из системы оборотного водоохлаждения и раствор щелочи (концентрация 1-2 мас. %). Для дезинфекции транспортных линий используют раствор гипохлорита натрия (концентрация 0.01-0.02 мас. %). Из-за регулярных остановов на очистку относительные потери в пересчете на сухой продукт могут составлять до 20 % и более. Для определения оптимального времени безостановочной работы и выбора способа предотвращения образования осадка необходимо прогнозирование скорости накопления осадка и его прочностных свойств[9].

Рис.5. Механические сита:

1 – порошкообразный продукт (неклассифицированный); 2 – питающий шнек; 3 – набор сит; 4 – кондиционный материал на затаривание; 5 – линия выгрузки некондиционного материала, возвращаемого в сушильную камеру.

Рис.6. Блок улавливания (II) и узел затаривания продукта (IV):

1 – линия пневмотранспорта продукционного материала (вход); 2 – циклоны; 3 – задвижка; 4 – линия возврата мелкодисперсного (некондиционного) материала в сушильную камеру; 5 – механические сита; 6 – линия выгрузки некондиционного материала; 7 – передвижной бункер; 8 – лопастной затвор; 9 – вентилятор; 10 – воздушный фильтр;

11 - линия пневмотранспорта кондиционного материала; 12 – линия возврата воздуха; 13 – накопительная емкость;

14 – линия подачи промывного раствора; 15 – вибратор; 16 – поворотная заслонка; 17 – металлодетектор; 18 – датчик уровня насыпного слоя; 19 – узел затаривания продукта.

Цели и задачи исследования.

Цель настоящей работы заключалась в определении оптимальных условий получения водных эмульсий на основе Гуммиарабика и параметров для управления ростом слоя осадка при воздействии акустических колебаний на начальную стадию образования осадков в сушильной камере. В ходе выполнения работы решались следующие задачи:

- определение физико-химических свойств водных растворов Гуммиарабика и структурно-динамических характеристик эмульсий для разработки технологии гомогенизации растворов и инкапсулирования пищевых продуктов методом распылительной сушки, а также анализ морфологической структуры и дисперсионного состава частиц , инкапсулированных Гуммиарабиком ;

- изучение кинетики дегидратации и оценка прочностных показателей пленок Гуммиарабика;

- разработка математической модели процесса образования слоя осадка Гуммиарабика;

- определение параметров образования осадка и уточнение алгоритма расчета процесса сушки при использовании звуковых колебаний, а также определение оптимальных условий сушки при минимальных энергозатратах на удаление осадка.