ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ХЛОПКОВОГО МАСЛА

АННОТАЦИЯ

Цель исследования совершенствование непрерывного процесса переработки хлопкового масла путем обработки силиката натрия концентрацией 2,0% от массы масла в процессе гидратации и использования электрофизически активированной воды для смачивания соапстока в процессе бесфосфолипидной переработки масло. Для получения выхода чистого масла 3,0-3,2% осаждение соапстока увеличивают в два раза. Использование в процессе 20%-ного концентрированного раствора силиката натрия, повышающего температуру масла на 30-35⁰С, приводит к улучшению цвета масла и увеличению выхода продукта.

ABSTRACT

The aim of the study is to improve the continuous process of cotton oil refining by treating sodium silicate with a concentration of 2.0% of the oil weight in the hydration process and using electrophysically activated water to wet the soapstock in the process of phospholipid free oil refining to obtain a pure oil yield of 3.0-3.2%, the precipitation of soapstock increases twofold. The use of 20% concentrated sodium silicate solution in the process, which raises the oil temperature by 30-35⁰ C, leads to an improvement in the oil colour and an increase in the product yield.

Ключевые слова: хлопковое масло, гидратация, фосфолипид, электрофизиология, сопутствующие вещества.

Keywords: cottonseed oil, hydration, phospholipid, electrophysics, related substances.

Введение. Современные методы переработки масел и жиров делятся на физические (отстаивание, центрифугирование, фильтрация), химические (гидратация, щелочное рафинирование) и физико-химические (адсорбционное рафинирование, дезодорация). Выбор метода переработки зависит от состава, количества примесей в масле, их свойств и назначения масла. В большинстве случаев для полной очистки масла используется комбинация нескольких методов.

Физические методы рафинирования используются для первичной очистки масла, а также для отделения нерастворимых частиц в масле, образующихся в процессе переработки. Твердые смеси из масла: отделение частиц мезги, шрота и жмых - осаждение – достигается в механизированных установках для выдержки в держателях фуза, центрифугами непрерывного действия, а также фильтрованием в рамном фильтропрессе [1].

Центрифугирование - эффективный способ отделения примесей и влаги из масла. Центрифугирование подразделяется на сепараторное (используется для отделения воды от масла) и осветлительное (используется для отделения механических примесей). Первичное масло до давления 0,3 МПа заливается в сепаратор в рабочий барабан, где под действием центробежной силы оно разделяется на две части: осадок и масло. Осадок скапливается на внутренних стенках барабана. осадок, который перемещается по нижней поверхности пластины, отделяется, масло перемещается и попадает в центр барабана по верхней поверхности пластин [2].

Очистка масел, содержащих большое количество примесей, осуществляется с помощью центрифуг - желательно использовать центрифуги, работающие в непрерывном режиме. Фильтр широко используется в прессах для удаления осадка из масляного бака. В процессе фильтрации жидкость проходит через отверстия фильтрующего материала, при этом частицы осадка задерживаются в фильтре. Химические методы очистки используются для очистки свободных жирных кислот, фосфолипидов, белков, слизи и некоторых других соединений. Одним из наиболее важных методов химической очистки масел является процесс гидратации [3].

Гидратация (разделение смесей водой) позволяет разделить содержащиеся в масле вещества, прежде всего фосфолипиды, обладающие гидрофильными свойствами. Хотя фосфолипиды являются питательными и биологически ценными соединениями с антиоксидантными свойствами, они легко разлагаются и осаждаются во время хранения масла, что, в свою очередь, ухудшает срок годности и качество масла. Также наличие фосфолипидов в масле затрудняет выполнение ряда технологических операций в процессах переработки. Поэтому их необходимо отделять от масла путем гидролиза. Этот продукт можно использовать как самостоятельный продукт для пищевых целей.

Во время гидратации масло обрабатывается водой в смесителе эжекторного типа, который обеспечивает интенсивное перемешивание масла и воды. Смесь масла и воды (для подсолнечного масла при температуре 45-600с) направляется в коагулятор, где образуется осадок и отделяется от дна аппарата. Коагулятор состоит из 5 мешалок, частота перемешивания составляет 13 л/мин. Время выдержки масла в коагуляторе составляет 0,5 часа. Смесь масла и воды проходит через коагулятор и выходит из аппарата в масляном состоянии, содержащем фрагменты фосфолипидов. Разделение масляных и фосфолипидных фрагментов проводят в осадителе непрерывного действия.[1,4]

Осадок, собранный со дна осадителя, непрерывно подается в пленочную сушилку. Нагар равномерно распределяется с помощью лопастей ротора, расположенных на внутренней поверхности аппарата. Частота вращения ротора 800 об/мин, остаточное давление в аппарате 5,0-8,0 кПа. Температура нанесения 60-700С, время высыхания 2 мин. В этих условиях влажность гидратированного осадка снижается с 35 до 2%. Высушенный фосфатидный концентрат направляют на фасовку в металлические банки.[5]

Гидратированное масло направляют в сушильно-деаэрационный аппарат на обезвоживание. Влага испаряется, засохшие капли масла падают на контактную поверхность, и масло далее высыхает тонким слоем. Начальная влажность масла 0,2%, конечная 0,05%, температура 85-900С, остаточное давление в аппарате 2,7-5,3 кПа.

Щелочная рафинация – это процесс переработки масла щелочью. Нейтрализация свободных жирных кислот, реакция протекает с образованием нерастворимых в масле солей (мыл) R – СОН + NaOH - RCOONa + H₂O.

В конце процесса выпадает осадок, частично поглощающий различные примеси, красители, белки и слизь. Такой осадок, образующийся после щелочного рафинирования, называется соапстоком.[6]

В процессе щелочной очистки нейтральное масло частично становится мыльным, что, в свою очередь, уменьшает выход очищенного масла.

Скорость процесса рафинирования, эффективность образования мыла (осадка), его структура и степень пропускания нейтрального масла зависят от кислотного числа масла, природы и количества примесей, концентрации щелочи, температуры и условий процесса щелочной рафинации.[7]

Гидратированное масло поступает в нижнюю часть непрерывно работающего нейтрализатора, который заполнен раствором щелочи. Здесь с помощью перфорированного маслораспределителя масло в виде капли диаметром 2 мм распределяется в растворе щелочи и постепенно всплывает на ее поверхность, поскольку плотность масла меньше плотности водного раствора щелочи. Благодаря хорошему распределению жира в щелочном растворе нейтрализуются только свободные жирные кислоты масла.[8]

Из нейтрализатора мыльно-щелочная смесь непрерывно поступает в мыловарный цех.

Нейтрализатор заполняется водным раствором щелочи концентрацией 8-15 г/л. Для большинства масел температура масла и раствора составляет 68-750°С. [9]

Адсорбционная очистка (отбеливание масла). После щелочной очистки цвет масла уменьшается, поскольку обработка щелочью, а также частичная сорбция пигментов мылом снижают цвет масла. С другой стороны, жирорастворимые пигменты, такие как каротиноиды и хлорофиллы, сохраняются в значительной степени даже после нейтрализации масла.[1,10]

Бентонитовая глина, активированная кислотной обработкой, используется в процессе отбеливания жиров. Основным компонентом бентонитовой почвы является алюмосиликат, который содержит гидроксид и щелочные почвенные металлы (3-10%).[11]

Активированный грунт вводят в масло в количестве 0,3-2,0% от массы масла. Активированный уголь используется для меньшего отбеливания масла (либо отдельно, либо в смеси с почвой). Одновременно с отбеливанием в масле идут и негативные процессы - изомеризация жирных кислот и снижение стабильности отбеленных жиров при хранении. Процесс отбеливания масла состоит из получения суспензии масла и отбеливающего грунта (1/4 масла, полученного при отбеливании, используется для образования суспензии).[12]

Основная часть жира (3/4 от общего количества) поступает в первичный отбеливатель, где масло, попадающее на нижнюю часть вращающегося диска (п-274 вр/мин), распыляется и после смешивания с суспензией он переходит на верхний диск устройства. Масло и суспензия в виде распыленной тонкой пленки стекают на дно аппарата, где интенсивно перемешиваются. Устройство работает под вакуумом.[13]

Окончательный процесс отбеливания проводится на втором аппарате, где суспензия и масляная смесь распыляются с помощью пульверизатора. Смесь масла и суспензии проходит процесс фильтрации. Процесс нагревается сухим паром, остаточное давление составляет 3,4 кПа. Окончательный процесс отбеливания займет 30 минут. Жир в осадке (полученное после фильтрации) отделяется путем обработки осадка паром.[14]

Дезодорация жиров используется для очистки жиров от веществ, придающих им неповторимый вкус и аромат: ненасыщенных углеводородов, низкомолекулярных кислот, альдегидов, кетонов, натуральных эфирных масел и т.д., эти соединения частично удаляются из масла на ранних стадиях процесса рафинирования.

Перед дезодорацией масло проходит процессы щелочной очистки и отбеливания, нагревается до температуры 600 С и направляется на деаэрацию, где создается вакуум и нагревается до 130-1800 С, образуя пленку на змеевиках. После деаэрации масло нагревается до 150-160⁰ С и направляется в дезодаратор [16]. Внутри верхней цилиндрической части дезодоратора установлены 38 вертикальных пластин (2) из нержавеющей стали, по которым стекает тонкая пленка масла, распыляемого из верхней части аппарата. Внешний обогрев дезодоратора осуществляется через змеевики и паровую рубашку (4). Жирная пленка, стекающая по вертикальным пластинам, нагревается паром, нагнетаемым паровыми форсунками, установленными в нижней части дезодоратора [17].

Продолжительность дезодорации масла – 25 минут. Остаточное давление в дезодораторе 50 Па, давление водяного пара 3-4 МПа [18].

Таким образом, при подаче водяного пара, нагретого в глубоком вакууме, при высокой температуре и барбаторным способом, из масла отделяются соединения, придающие вкус и запах, – происходит процесс дезодорации масла. Чтобы предотвратить окисление жира, со дна дезодоратора подается 20%-ный раствор лимонной кислоты. Когда дезодоратор останавливается (для аварийного или планового ремонта), вся система заполняется инертным газом. Дезодарированное масло охлаждается и выдерживается под вакуумом в атмосфере инертного газа [19].

Рафинированные и дезодорированные растительные масла считаются пригодными для использования в торговых сетях, предприятиях общественного питания и потребления населением.

Обзор литературы. Процесс рафинирования (очистки) растительных масел предполагает выделение из масла сопутствующих веществ, механических присадок и других веществ, которые не рекомендуется содержать в масле.

Ильясов А.Т. и др. разработали метод предварительной очистки моноэтаноламином с целью повышения выхода и качества очищенного масла[20]. По этому методу в мазут добавляют моноэтаноламин в количестве 0,5-1,0%, и кислотное число масла снижается в 3,2 раза.

Белобородов В.В. и Дементий В.А. установили, что при рафинировании масел в качестве щелочного агента можно использовать 0,25-3,0% щелочной целлюлозы по сравнению с масляной массой. В этом методе перед рафинированием масло вымачивают путем добавления 1,0-1,1% от массы масла из 4,5-5,0% концентрированного водного раствора хлорида натрия. Установлено, что этим способом достигается более полное высвобождение мыла, содержащего рафинированное масло [21].

Таран А.А. и другие [22] создали технологию использования газообразного аммиака в присутствии 3-5%-ного концентрированного раствора сульфата натрия, получаемого на 4-40% по сравнению с масляной массой при рафинировании сырых масел и регенерации использованных. Этот способ приводит к повышению качества получаемого продукта, свободных жирных кислот и окисленных продуктов за счет большего выведения. Кроме того, уменьшаются потери масла и повышается стойкость к окислению.

Койфман разработал способ рафинирования, который включает обработку растительных масел 5-30%-ным раствором углекислот, полученным в количестве 3-20% по отношению к массе масла. Рафинированное масло является основой для повышения качества за счет снижения его выхода и мыльности глицеридов [23].

Шигемми Сузуки и другие разработали метод очистки путем ультрафильтрационного переноса мицелл, полученных экстракцией органическими растворителями[24]. Ультрафильтр состоит из мембран неорганических микроорганизмов, состоящих из пор размером от 30 до 100°A.

Был разработан способ, который включает обработку паром и последующее поджаривание растительных масел с высоким содержанием кислот при давлении 0,7-5,0 Мбайт при температуре 120-250⁰C в течение 60 мин. В результате обработки может быть получено обесцвеченное масло[25].

Для щелочной очистки растительных масел в промышленности используются следующие методы: нейтрализация масла в периодически работающих нейтрализаторах и погружение мыльного сырья; комбинированный метод, который включает быстрое взаимодействие масла (мицелла) и щелочи, осуществляемое в реакторах-турбулизаторах, и непрерывное отделение нейтрализованного масла от мыльного сырья; интенсивный смешивание щелочи и масла в реактор-турбулизаторе, В масложировой промышленности республики обычно используется комбинированный метод, в то время как на некоторых предприятиях применяется эмульсионная очистка.

Результаты. В процессе непрерывной переработки важное значение имеет процесс извлечения фосфатидов из масла. При рафинировании подсолнечного, соевого и других светлых масел был полностью освоен процесс гидратации, а выделение фосфолипидов в виде отдельного продукта было осуществлено путем обработки ортофосфорной кислотой. Но, поскольку присутствие госсипола в хлопковом масле приводит к потемнению цвета масла при воздействии реагентов кислотной природы и последующая щелочная очистка неэффективна, процесс гидратации не применяется. Вторая сторона проблемы заключается в том, что области применения выделенного фосфатидного концентрата не были определены.

В результате фосфатиды в хлопковом масле осаждаются соапстоком при щелочной рафинации, что, несмотря на увеличение общей жирности соапстока, приводит к получению при дальнейшей переработке некачественных сырых и малоперегнанных жирных кислот. На сегодняшний день количество жирных кислот, перегнанных из хлопкового соапстока, не превышает 50-60%.

С нашей стороны сделан вывод, что в качестве решения проблемы разделение фосфатидов в процессе непрерывной переработки - совершенствование процесса гидратации и разработка технологии эффективного разделения фосфатидов является приоритетным направлением.

В результате обзора литературы и, в частности, анализа результатов проведенных работ по совершенствованию процесса, изучению процесса рафинации и сопутствующих веществ в хлопковом масле, также был изучен характер реакции фосфатидов с различными реагентами и установлено, что использование силиката натрия может быть эффективным в процессе. На это влияют следующие факторы:

• силикат натрия оказывает избирательное действие, поскольку он более слабый по сравнению с щелочами натрия и калия;
• силикат натрия не влияет на омыление нейтральных масел;
• при реакции с госсиполом вместо темноокрашенных производных образуется госсиполат натрия, обладающий водорастворимыми свойствами и отделяющийся от масла;
• силикат натрия обладает способностью хорошо связывать красящие вещества и влиять на их удаление из масла;
• за счет образования в процессе соединений высокой плотности легко и полностью отделяется в сепараторах;
• силикат натрия способен нейтрализовать и осаждать основную часть свободных жирных кислот в результате взаимодействия со свободными жирными кислотами.

Эксперименты были проведены в лабораторных условиях, чтобы определить, в какой степени наши предположения верны.

Таблица 1.

Физико-химические показатели нерафинированных масел, используемых в лабораторных экспериментах

В ходе экспериментов были очищены прессовые и экстракционные масла с показателями, указанными в таблице 1.

В контрольных опытах по промышленной методике их обрабатывали 10% раствором ортофосфорной кислоты в непрерывном потоке и отделяли осадок на центрифуге.

В тестовых экспериментах масло обрабатывали гидромодульным раствором силиката натрия 1:5.

При проведении процесса гидратации 10% раствором фосфорной кислоты из расчета 2,0% по отношению к массе масла наблюдалось, что фосфатиды, содержащиеся в прессовом и экстракционном маслах, эффективно разлагались, а количество остатка снизились до 0,28 и 0,32% соответственно. Также замечено, что кислотное число масла снижается до 2,10 мг КОН/г в прессовом масле и 2,40 мг КОН/г в экстракционном масле. Содержание свободного госсипола снизилось с исходных 0,39% до 0,12% в прессовом масле и с 0,31% до 0,11% в экстракционном масле. Но цвет масла в прессовом масле составляет от 46 до 52 красных единиц. увеличилось до, было замечено, что цвет экстракционного масла увеличился с 53 до 59. Это означает, что в среде фосфорной кислоты наряду с разложением фосфатидов в процессе образуются темноокрашенные фосфорные соединения госсипола.

При гидратации масла 20% раствором силиката натрия (гидромодуль 1:5) при расходе 2,0% по отношению к массе масла кислотное число снижается до 1,97 мг КОН/г в прессовом масле - до 1,99 мг. КОН/г в экстракционном масле указывает на то, что силикат натрия не только связывает фосфатиды, но и активно взаимодействует со свободными жирными кислотами. В опытах наблюдалось, что содержание фосфатидов в прессовом масле снизилось до 0,26%, а в экстракционном масле - до 0,31%, содержание свободного госсипола снизилось до 0,11% в прессовом масле и 0,12% в экстракционном масле. Цвет масла составляет 41 красную ед. в прессовом масле и 48 красных ед. в экстракционном масле. Уменьшение фосфатидов в процессе приводит к выпадению фосфатидов в осадок за счет связывания с силикатом натрия и уменьшения их количества в масле.

Как видно из результатов экспериментов, силикат натрия оказывает более эффективное действие, чем ортофосфорная кислота, при гидратации хлопкового масла. Основная причина этого заключается в том, что силикат натрия, в отличие от ортофосфорной кислоты, оказывающей разрушающее действие на структуру фосфолипидов, вызывает осаждение, связывая фосфолипиды. В результате цвет гидратированного масла улучшается.

В наших дальнейших исследованиях было изучено влияние растворов обоих указанных выше реагентов в различных концентрациях на выход продукта, цвет масла и кислотное число в процессе гидратации.

Как видно из рисунка 1, при расходе ортофосфорной кислоты 2,0% цвет масла ухудшается по мере увеличения концентрации раствора. Такая ситуация наблюдается по одному и тому же закону в прессовых и экстракционных маслах. Например, при увеличении концентрации ортофосфорной кислоты, используемой при гидратации прессовых и экстракционных масел, с 0 до 25% цвет масла изменялся до невидимого уровня.

Рисунок 1. Влияние различных концентраций реагентов на цвет масла при гидратации

Воздействие того же количества раствора силиката натрия концентрацией от 0 до 25% привело к снижению цвета масла с 52 красных единиц в прессовом масле до 41 красной единицы и с 59 до 48 красных единиц в экстракционном масле.

Вывод. Технология на основе 10%ного раствора ортофосфорной кислоты, рекомендованная ВНИИЖ для промышленного применения, не нашла своего места в промышленности из-за ряда недостатков. Хотя для сохранения цвета масла и снижения активности госсипола рекомендуется строго контролировать температуру реакционной смеси и реагентов и поддерживать ее при низкой температуре, в климатических условиях нашей страны проведение процесс гидратации при температуре 10-15⁰С, то есть охладить масло до этой температуры.

Использование в процессе 20%ного концентрированного раствора силиката натрия, повышающего температуру масла на 30-35⁰С, приводит к улучшению цвета масла, увеличению выхода продукта.

Важность воды в процессе рафинирования высока, и присутствие ионов кальция и магния в нейтрализующем масле или воде, используемой для поливки мыльного сырья, изменяет полярность частиц мыльного сырья, образуя в процессе соли с определенной долей кальция и магния, что приводит к потере гидрофильного слоя между маслом и мыльным сырьем, удушение мыльного сырья и оставление частиц мыльного сырья во взвешенном состоянии. С другой стороны, электрофизически активированная вода не содержит этих ионов. Напротив, активированная вода ускоряет реакцию мыльного шрота, обеспечивая однородность мыльного шрота. 

Таким образом, было установлено, что использование электрофизически активированной воды в процессе рафинирования хлопкового масла вместо воды, подаваемой в процесс формования мыльного сырья, наряду с улучшением окраски масла до 2-3 единиц красного цвета, приводит к увеличению выхода продукта на 2,8-3,0%.

Список литературы:

1. Сергеев А.Г. Рафинация хлопкового масла. –М.: Пищепромиздат, 1959.
2. Миронова А.Н., Морозова Т.Б. Труды. Всес. науч. иссл. инст. жиров. Вып. 25, - Л., ВНИИЖ, 1965, - С. 238-250.
3. А.с. 806750, СССР, МКИ С11В 1/10. Способ рафинации светлых растительных масел. /Арутюнян Н.С., Меламуд Н.Л., Тарабаричева Л.А., Корнена Е.П. и др. –Опубл. Б.И. –1981. № 7.
4. Ильясов А.Т. Совершенствование технологии переработки хлопковых семян и рафинации масла. Диссерт. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. Ташкент, 1996, - С. 350.
5. Bloemente F. Raffinage des huilis rap distillation cobinles. /Rev. Frans. corps. gtas. – 1960. -№ 5 – Р. 255-261.
6. Патент, СССР, 1174467 МКИ С11В3/04 1/10. Способ рафинации растительных масел. /Белобородов В.В., Гладкая В.Ф. –Опубл. Б.И 1980 №8
7. А.с. 0116408, СССР, МКИ С11В3/06. Способ очистки масел борогидридами щелочных металлов. /Арутюнян Н.С., Корнена Е.П. и др.     -Опубл. Б.И. 1981, №5. 
8. А.с. 859431, СССР, МКИ С11В 1/10. Способ рафинации сырых и регенерации отработанных растительных масел. /Таран А.А., Месицский В.В., Бурцев В.А. –Опубл. Б.И. –1981. №32.
9. А.с. 1039958, СССР, МКИ С11В 1/10. Способ рафинации масел. /Койфман Т.Ш., Бродянский Л.И., Ступин В.Н. –Опубл. Б.И. –1983. №33.
10. Сирадзе М.Г., Белова А.Б., Гольдберг О.Г. Рафинация хлопкового масла. // Пищевая промышленность. –1990. №3. – С. 49-51.
11. Дементий В.А., Гладкая В.Ф., Садовничий Г.В., Сидорова Н.В. Малоотходная рафинация растительных масел. //Пищевая промышленность. – 1991. №2. – С. 37
12. Пат. № 4754613, США. МКИ С11В 1/10. Способ физической дезодорации и рафинирования масел и жиров. – Опубл. Б.И., 1988. № 7.
13. Jong F.V.K. Physical refining edible. //Fats and Oils Process. –1990. – Р. 124-135.
14. Bhattacharyya D.K., Chakraborty A.R., Sengupta R. Enzimatic deacidification of vegetable oils. //Pett. Wiss. Technol. № 1. – Р. 27-30.
15. Pаtent USA, 5532163, Process refining of fats and oils. Tokashi J.L., Jagi D.R. (JP). //Journal Amer. oil. chem. Soc. –1988. -№ 4. – Р. 512.
16. Pаtent USA, 5166376, Process refining of vegetable oils. Shigemmi Suzuki (JP). // Journal Amer. oil. chem. Soc. –1992. –v. 98. -№ 3. – Р. 571.
17. European patent EP1013753 A1. Process refining of vegetable oils. Keshaab Lal Gangulli (GL). //Journal Amer. oil. chem. Soc. –2000. –v. 74. -№9. – Р. 785.
18. Moulton K.I. Continous ultrasonic degumming of crude Soybeen oil. //Journal Amer. oil. chem. Soc. –1988. –v. 65. -№ 4. – Р. 512.
19. Hash A.M., Frawkel E.H., Kwolek W.F. Degumming Soybean oil from frech and damaged feature will surfasce active compel. //Journal Amer. Oil chem. soc. –1984. –№. 5. – Р. 900-907.
20. А.с. 1127896, СССР. МКИ С11В 3/00. Способ рафинации подсолнечного масла. /Бурнашев В.Р., Рафальсон А.Б., Волотовская С.Н. и др. –Опубл. Б.И. – 1983. № 4.
21. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. –М: Химия. 1976. – С. 512.
22. Dubinin M.M. Chemistry a Physics of Carbon N.J. Mariel Dekker, 1966. –v. 2. – Р. 51-120.
23. Колышкин Д.А., Михайлова К.К. Активированные угли. –Л.: Химия, 1972. – 57 с.
24. Тарасевич Ю.И. Дисс. на соис. уч. степ. док. наук. –Киев: институт коллоидной химии и химии воды АН УССР, 1972. –311 с.
25. Патент № 860944. Reving of Spent earth from edible oil refining. /Kech Sin Lian. – Опубл. Б.И. 21.10.87.