Wpływ rodzaju środka klarującego miazgę na wyniki obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie

Transkrypt

1 Techologia cukru Wpływ rodzaju środka klarującego miazgę na wyniki obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie The type of brei clarifying agent and its impact on the results of calculations of predicted sugar content in molasses Dr inż. Bożena Wnuk Politechnika Łódzka, Zakład Cukrownictwa Rodzaj środka klarującego miazgę (siarczan glinu i zasadowy octan ołowiu jak również warunki dygestii miazgi (zimna i gorąca dygestia miały wpływ na wyniki obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie (standardowych strat cukru w melasie. Przewidywane zawartości cukru w melasie, obliczane na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu, były zawsze większe i różniły się istotnie (test Wilcoxona od przewidywanej zawartości cukru w melasie, obliczanej na podstawie analizy roztworów po gorącej i zimnej dygestii miazgi klarowanej zasadowym. Różnice wynosiły od 0,1 do 1,38% nb. The type of brei clarifying agent (aluminum sulfate or basic lead acetate as well as digestion conditions of the brei (cold or hot digestion influenced the results of the calculations of a predicted sugar content in molasses (standard sugar loses in molasses. The predicted sugar content in molasses calculated on the basis of solutions analysis after cold digestion of the brei clarified by means of aluminum sulfate was considerably higher and significantly different (Wilcoxon s test than the predicted sugar content in molasses calculated on the basis of the solutions analysis after cold and hot digestion of the brei clarified by means of basic lead acetate. The difference varied from 0,1 up to 1,38 percent per beet. Zawartość cukru w melasie zależy w głównej mierze od jakości buraków, tj. jakości fizycznej korzeni oraz od składu chemicznego buraków, głównie od składników melasotwórczych, ale również od przebiegu procesu technologicznego, szczególnie od procesu ekstrakcji, oczyszczania i krystalizacji [9]. Od początku dwudziestego wieku prowadzono badania, które miały na celu opracowanie korelacji pomiędzy przewidywaną zawartością cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie a składem chemicznym buraków [3]. Opracowano wiele tzw. wzorów melasowych [3, 4, 6]. Jednakże dopiero w 1995 r., na podstawie badań prowadzonych na dużą skalę przez Instytut w Brunszwiku [1], opracowano nową formułę, przedstawiającą zależność przewidywanej zawartości cukru w melasie (standardowych strat cukru w melasie Ck m od zawartości składników melasotwórczych takich jak sód i potas oraz od zawartości azotu α-aminokwasowego w burakach: Ck m = 0,12 (K+Na + 0,24 N α + 0,48 [% nb.] gdzie: Na zawartość sodu w burakach, mval/100 g, K zawartość potasu w burakach, mval/100 g, N α zawartość azotu α-aminokwasowego w burakach, mmol/100 g. Oznaczenia tych składników wykonuje się w roztworach po dygestii miazgi buraczanej klarowanej solami ołowiu. Ze względu na konieczność wyeliminowania soli ołowiu z analityki cukrowniczej, jako toksycznych dla środowiska naturalnego i człowieka, od dawna poszukuje się alternatywnych środków klarujących, obojętnych dla środowiska lub znacznie mniej szkodliwych. Jednym z nich są sole glinu, które jeszcze do niedawna były uważane za obojętne dla środowiska naturalnego i człowieka. Jednakże badania naukowe coraz częściej udowadniają związek kumulacji glinu w organizmach z chorobą Alzheimera i Parkinsona [5]. Niestety sole glinu mają znacznie gorsze właściwości klarujące niż sole ołowiu. Ponadto roztwory po dygestii miazgi klarowanej solami glinu dłużej się sączą i mają znacznie wyższe zabarwienie, niż dygeraty miazgi klarowanej solami ołowiu [13]. Jednakże Międzynarodowa Komisja Ujednolicania Cukrowniczych Metod Analitycznych ICUMSA do oznaczania zawartości cukru w burakach zaleca stosowanie metody zimnej dygesti z użyciem siarczanu glinu, jako metody oficjalnej i równorzędnej do niej metody zimnej dygestii 318 Gazeta Cukrownicza 10/2008

2 z zasadowym [7]. Rodzaj środka klarującego miazgę (sole glinu i sole ołowiu nie ma istotnego wpływu na polarymetryczne oznaczenia zawartości sacharozy [7, 10] oraz fotometryczne oznaczenia potasu i sodu [11, 12]. Natomiast ma istotny wpływ na oznaczenia azotu α-aminokwasowego [13]. Z tego powodu podjęto badania, mające na celu określenie, czy rodzaj środka klarującego miazgę buraczaną i warunki dygestii będą również miały wpływ na wyniki obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie (standardowych strat cukru w melasie. Metodyka badań Metodyka badań (tabela 1 polegała na zanalizowaniu miazgi z dwóch partii buraków po 30 prób, a następnie obliczeniu przewidywanej zawartości cukru w melasie (standardowych strat cukru w melasie [1]. Buraki przekrajano na dwie części: górną i dolną tak, aby masy tych części były zbliżone. Następnie przygotowywano miazgę z poszczególnych części buraka i po dokładnym wymieszaniu uzyskiwano próby miazgi, które różniły się między sobą składem chemicznym. Miazgę z I partii buraków poddawano zimnej dygestii z siarczanem glinu oraz równolegle gorącej dygestii z zasadowym [2]. Natomiast próby miazgi z II partii buraków poddawano zimnej dygestii, stosując do klarowania siarczan glinu i równolegle zasadowy octan ołowiu, a więc metodami przyjętymi przez ICUMSA za oficjalne i równorzędne [7]. W otrzymanych dygeratach miazgi wykonywano oznaczenia cukru metodą polarymetryczną, oznaczenia potasu i sodu metodą fotometrii płomieniowej oraz oznaczenie azotu α-aminokwasowego metodą Kubadinowa i Wieningera [2]. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono przewidywaną zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie Ck m, stosując równanie opracowane przez Instytut w Brunszwiku [1]: Ck m = 0,12 (K+Na + 0,24 N α + 0,48 [% nb.]. Tabela 1. Metodyka badań miazgi z siarczanem glinu I partia buraków gorąca dygestia miazgi z zasadowym Analiza dygeratu miazgi z siarczanem glinu II partia buraków miazgi z zasadowym Ck Z(Al Ck G(Pb Ck Z(Al Ck Z(Pb Na Z(Al Na G(Pb Na Z(Al Na Z(Pb K Z(Al K G(Pb K Z(Al K Z(Pb (N α Z(Al (N α G(Pb (N α Z(Al (N α Z(Pb Obliczenia Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie Z(Al G(Pb Z(Al Z(Pb Ck oznaczenie zawartości cukru, Na oznaczenie zawartości sodu, K oznaczenie zawartości potasu, (N α oznaczenie zawartości azotu α-aminokwasowego, Z(Al przewidywana zawartość cukru w melasie oznaczana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu, G(Pb przewidywana zawartość cukru w melasie oznaczana na podstawie analizy roztworów po gorącej dygestii miazgi klarowanej zasadowym octanem ołowiu, Z(Pb przewidywana zawartość cukru w melasie oznaczana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej zasadowym octanem ołowiu. Pb(G Al(Z Przewidywana zawartość cukru w melasie % nb. 0,50 Rys. 1. Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie, określana na podstawie analizy roztworów po gorącej dygestii miazgi klarowanej zasadowym Pb(G i po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu Al(Z Gazeta Cukrownicza 10/

3 Omówienie wyników Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie, obliczana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu i porównawczo po gorącej dygestii miazgi klarowanej zasadowym I partia buraków. Na podstawie analizy roztworów po gorącej dygestii miazgi klarowanej zasadowym octanem ołowiu oznaczono następujące składniki buraków: zawartość cukru w próbach miazgi wynosiła od 11,2 do 22,7% (średnio 18,47%, zawartość potasu od 3,12 do 7,26 mval/100 g (średnio 4,81 mval/100 g, zawartość sodu od 0,11 do 0,69 mval/100 g (średnio 0,32 mval/100 g, zawartość azotu α-aminokwasowego od 0,5 do 4,3 mmol/100 g (średnio 2,06 mmol/100 g. Natomiast analiza tych samych prób miazgi po zimnej dygestii z siarczanem glinu wykazała: zawartość cukru od 11,2 do 22,9% (średnio 18,69%, zawartość potasu od 3,18 do 7,14 mval/100 g (średnio 4,85 mval/100 g, zawartość sodu od 0,11 do 0,74 mval/100 g (średnio 0,37 mval/100 g, zawartość azotu α-aminokwasowego od 1,7 do 8,4 mmol/100 g (średnio 4,62 mmol/100 g. Wyniki oznaczeń analitycznych miazgi posłużyły do obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie [1] (standardowych strat cukru w melasie Ck m (rys. 1. Przewidywana zawartość cukru w melasie, określana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu Z(Al wynosiła od 1,44 do 3,02% nb. i była zawsze większa niż przewidywana zawartość cukru w melasie, określana na podstawie analizy roztworów po gorącej dygestii miazgi klarowanej zasadowym G(Pb (od 1,11 do 2,27% nb.. Różnice wynosiły od 0,12 do 1,38% nb. (rys. 2, tab. 2. Tabela 2. Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie obliczana na podstawie analizy dygeratów miazgi klarowanej zasadowym lub siarczanem glinu I partia buraków z siarczanem glinu i gorąca dygestia z zasadowym II partia buraków z siarczanem glinu i zimna dygestia z zasadowym Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie [% nb.] Z(Al z siarczanem glinu G(Pb gorąca dygestia z zasadowym wartości wartości min. maks. min. maks. 1,44 3,02 1,11 2,27 różnica Z(Al G(Pb 0,12 1,38 Z(Al z siarczanem glinu Z(Pb z zasadowym 1,16 3,16 1,02 2,74 różnica Z(Al Z(Pb 0,1 0,55 Na rysunku 3 przedstawiono przewidywaną zawartość cukru w melasie, obliczaną na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu w zależności od przewidywanej zawartości cukru w melasie, obliczanej na podstawie analizy roztworów po gorącej dygestii miazgi klarowanej zasadowym. W przypadku tej zależności uzyskano korelację liniową z równaniem prostej regresji y = 1,4117x, ale z niskim współczynnikiem korelacji R, nieco ponad 0,6. Jednakże wartość tego współczynnika jest większa, niż wartość krytyczna współczynnika korelacji [8] r 0 = 0,3494 (n=30, α=0,05, co daje podstawy do stwierdzenia, że te zmienne jednak są skorelowane. Wartość współczynnika kierunkowego w równaniu prostej regresji powyżej jedności pozwala na wyciągniecie wniosku, że statystycznie 1,60 1,40 1,20 Z(Al _ ( Ck m G(Pb % nb. 0,80 0,60 0,40 0,20 Rys. 2. Różnice pomiędzy przewidywaną zawartością cukru w melasie, obliczaną na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu Z(Al i po gorącej dygestii z zasadowym G(Pb 320 Gazeta Cukrownicza 10/2008

4 Z(Al, % nb. y = 1,4117x R = 0,6006 1,20 1,40 1,60 1,80 2,20 2,40 Rys. 3. Przewidywana zawartość cukru w melasie Z(Al ( miazgi z siarczanem glinu w zależności od przewidywanej zawartości cukru w melasie G(Pb (gorąca dygestia z zasadowym większe wartości obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie otrzymywano na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu, niż na podstawie analizy roztworów po gorącej dygestii miazgi zasadowym. Ponadto analiza statystyczna wyników za pomocą testu Wilcoxona [8] wykazała, że rozkłady uzyskanych wyników przewidywanej zawartości cukru w melasie, obliczanej na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu i po gorącej dygestii miazgi z zasadowym nie są zgodne. Stąd wniosek, że przewidywane zawartości cukru w melasie obliczane na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi, klarowanej siarczanem glinu, różnią się w istotny sposób (są zawsze większe od przewidywanych zawartości cukru w melasie określanych na podstawie analizy roztworów po gorącej dygestii miazgi, klarowanej zasadowym. Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie, obliczana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu i porównawczo po zimnej dygestii miazgi klarowanej zasadowym II partia buraków. Na podstawie analizy roztworów G(Pb, % nb. po zimnej dygestii miazgi klarowanej zasadowym oznaczono następujące składniki buraków: zawartość cukru w próbach miazgi wynosiła od 17,01 do 22,63% (średnio 20,86%, zawartość potasu od 2,24 do 4,68 mval/100 g (średnio 3,34 mval/100 g, zawartość sodu od 0,1 do mval/100 g (średnio 0,45 mval/100 g, zawartość azotu α-aminokwasowego od 0,68 do 7,37 mmol/100 g (średnio 2,54 mmol/100 g. Natomiast analiza tych samych prób miazgi po zimnej dygestii z siarczanem glinu wykazała: zawartość cukru od 16,94 do 22,72% (średnio 20,97%, zawartość potasu od 2,28 do 4,56 mval/100 g (średnio 3,40 mval/100 g, zawartość sodu od 0,14 do 1,47 mval/100 g (średnio 0,48 mval/100 g, zawartość azotu α-aminokwasowego od 1,60 do 9,30 mmol/100 g (średnio 3,53 mmol/100 g. Pb(Z Al(Z Przewidywana zawartość cukru w melasie, % nb. 0,50 Rys. 4. Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie, określana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej zasadowym Pb(Z i po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu Al(Z Gazeta Cukrownicza 10/

5 0,60 0,50 0,40 Z(Al ( Ck m Z(Pb % nb. 0,30 0,20 0,10 Rys. 5. Różnice pomiędzy przewidywaną zawartością cukru w melasie, określaną na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu Z(Al i po zimnej dygestii z zasadowym Z(Pb Przewidywana zawartość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie, określana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu Z(Al wynosiła od 1,16 do 3,16% nb. (rys. 4, i była zawsze większa, niż przewidywana zawartość cukru w melasie, określana na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej zasadowym octanem ołowiu Z(Pb (od 1,02 do 2,74% nb.. Różnice wynosiły od 0,1 do 0,55% nb. (rys. 5, tab. 2. Na rysunku 6 przedstawiono przewidywaną zawartość cukru w melasie, obliczaną na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu w zależności od przewidywanej zawartości cukru w melasie, obliczanej na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej zasadowym. Otrzymano liniową korelację tej zależności, której równanie prostej regresji jest następujące: y = 1,1572x. Współczynnik korelacji liniowej R wynosi 0,9758, co świadczy o silnej korelacji po- między tymi zmiennymi. Wartość współczynnika kierunkowego w równaniu prostej regresji powyżej jedności pozwala na wyciągniecie wniosku, że statystycznie większe wartości obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie otrzymywano na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi z siarczanem glinu, niż na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi z zasadowym. Z(Al,% nb. Ponadto analiza statystyczna wyników za pomocą testu Wilcoxona [8] wykazała, że rozkłady uzyskanych wyników przewidywanej zawartości cukru w melasie nie są zgodne. Stąd wniosek, że przewidywane zawartości cukru w melasie obliczane na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi, klarowanej siarczanem glinu, różnią się w istotny sposób (są zawsze większe od przewidywanej zawartości cukru w melasie, określanej na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi, klarowanej zasadowym. Wnioski 1. Na podstawie wykonanych badań można stwierdzić, że rodzaj środka klarującego miazgę (siarczan glinu i zasadowy octan oło- y = 1,1572x R = 0,9758 1,20 1,40 1,60 1,80 2,20 2,40 2,60 2,80 Z(Pb, % nb. Rys. 6. Przewidywana zawartość cukru w melasie Z(Al ( miazgi z siarczanem glinu w zależności od przewidywanej zawartości cukru w melasie Z(Pb ( z zasadowym 322 Gazeta Cukrownicza 10/2008

6 wiu oraz warunki dygestii miazgi (zimna i gorąca dygestia miały wpływ na wyniki obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie (standardowych strat cukru w melasie. 2. Wartości przewidywanej zawartości cukru w melasie (standardowych strat cukru w melasie, obliczanej na podstawie analizy roztworów po zimnej dygestii miazgi klarowanej siarczanem glinu, były istotnie większe, niż wartości przewidywanej zawartości cukru w melasie, obliczanej na podstawie analizy roztworów po zimnej lub gorącej dygestii miazgi klarowanej zasadowym. Różnice te wynosiły od 0,1 do 1,38 % nb. 3. Uzyskano następujące zależności korelacyjne w przypadku przewidywanej zawartości cukru w melasie, określanej na podstawie analizy roztworów po dygestii: zimnej z siarczanem glinu i gorącej z zasadowym korelacja liniowa Z(Al = 1,4117. G(Pb, współczynnik korelacji R = 0,6006, zimnej z siarczanem glinu i zimnej z zasadowym korelacja liniowa Z(Al = 1,1572. Z(Pb, współczynnik korelacji R = 0, Siarczan glinu, pomimo istotnego wpływu na wyniki obliczeń przewidywanej zawartości cukru w melasie, powinien być stosowany do klarowania miazgi zamiast toksycznych soli ołowiu, ze względu na konieczność ochrony środowiska. Spis literatury [1] BUCHHOLZ K. i in.: Neubewertung des technischen Wertes von Zuckerrüben. Zuckerindustrie 1995, 120, 113, ref. Inf. STC 9/934/95, s. 6. [2] BUTWIŁOWICZ A.: Metody analityczne kontroli produkcji w cukrowniach. IPC Warszawa, 1997, [3] BUTWIŁOWICZ A., WALERIAŃCZYK E.: Jakość surowca w przemyśle cukrowniczym. Materiały z seminarium Jakość surowca w przemyśle cukrowniczym Krynica Morska. STC Warszawa 1995, [4] DOBRZYCKI J.: Chemiczne podstawy technologii cukru. WNT Warszawa, 1984, [5] GASIŃSKA E.: Związki kompleksowe glinu (III i ich charakterystyka. Zesz. Nauk. PŁ, Technol. i Chemia Spoż. 1996, nr 55, 113. [6] MALEC J.: Kierunki podnoszenia produktywności buraków cukrowych. Materiały z seminarium Jakość surowca w przemyśle cukrowniczym Krynica Morska. STC Warszawa 1995, [7] Międzynarodowa Komisja Ujednolicania Cukrowniczych Metod Analitycznych, ICUMSA: Zbiór przepisów analitycznych. STC Warszawa 1997, [8] SZYDŁOWSKI H.: Teoria pomiarów. PWN Warszawa, 1981, , [9] WALERIAŃCZYK E.: Problematyka strat produkcyjnych cukru. Gazeta Cukrownicza 2000, 108, 142. [10] WNUK B.: Polaryzacja buraków określana na podstawie analizy dygeratów miazgi klarowanej siarczanem glinu lub zasadowym. Gazeta Cukrownicza 2004, 112, 255. [11] WNUK B.: Składniki melasotwórcze w burakach oznaczane na podstawie analizy dygeratów miazgi klarowanej siarczanem glinu i porównawczo zasadowym. Gazeta Cukrownicza 2007, 115, 389. [12] WNUK B. Vplyv čiriaceho činidla a spôsobu digescie na výsledky stanovenia draslika a sodika v cukrovej repe. Listy Cukrovar. a Rep. 2007, 123, 98. [13] WNUK B.: Wpływ warunków dygestii i środka klarującego na oznaczenie zawartości azotu α-aminokwasowego w burakach. Gazeta Cukrownicza 2006, 114, 299. Wydanie publikacji zostało dofinansowane przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Z czasopism obcych Włókna w soku wytłaczanym nieuwzględnione w teorii pracy młynów B. St. C. Moor Pomiary zawartości włókien w wytłoczonym soku w różnych instalacjach do ekstrakcji trzciny cukrowej wykazały, że zazwyczaj 5 do 10% włókien wprowadzanych do młyna wypływa wraz z wytłoczonym sokiem. Do czynników wpływających na tę znacząco wahającą się ilość zalicza się jakość i przygotowanie trzciny cukrowej, system młynów (liczba walców, stosowanie noży Messchaert itd., rozmieszczenie i ustawienie zgarniaczy z walców oraz płytowych łapaczy zanieczyszczeń jak również stopień imbibicji. Wpływ zawartości włókien przedstawiono w rachunku modelowym określonego ciągu zainstalowanych młynów. W większości takich ciągów, drugi w kolejności młyn musi przepuścić zazwyczaj 15 do 30% więcej włókien niż młyn pierwszy takiego ciągu. Przy specjalnym układzie, tzw. cush-cush, ilość ta może wzrosnąć do 70%. Taka dodatkowa ilość wpływa na wydajność młynów i przebieg ekstrakcji. W przeciwieństwie do powszechnego przypuszczenia, do młyna wchodzi 5 15% więcej włókien niż wychodzi. Ta większa porcja włókien jest nieświadomie uwzględniana w empirycznych współczynnikach stosowanych w formułach do nastawiania młynów. Wyliczenia inżynierów cukrownictwa niezbędne przy regulacji wydajności wielkością docisku i resorpcji zawierają więc błąd, młyny funkcjonują jednak dzięki systematyczności błędu. Słowa kluczowe: podstawy teoretyczne pracy młynów, wydajność młynów, włókna, nastawianie młyna, cush-cush Sugar Industry/Zuckerindustrie 133 (2008, nr 6, Dokończenie na IV str. okł. Gazeta Cukrownicza 10/