Экспериментальные результаты и оптимизация переработки хлопковой мятки в СВЧ -установке

Experimental results and optimization of cotton bind processing in a microwave installation

Йулчиев А.Б.

26.07.2020 302

№ 7 (76)

14. Технология продовольственных продуктов

Цитировать:

Йулчиев А.Б. Экспериментальные результаты и оптимизация переработки хлопковой мятки в СВЧ -установке // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 7 (76). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9963 (дата обращения: 22.12.2024).

Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В статье изложены результаты промышленных экспериментов СВЧ-обработки хлопковой мятки и анализа полученных продуктов. Определено, что СВЧ-обработка мятки при частоте 2450 МГц и мощности излучения 300 Вт в течение 13–15 мин (опыт) привела к растворению в сыром хлопковом масле почти в 2 раза больше свободного госсипола по сравнению с известной технологией. Это достигается краткосрочным микроволновым излучением мятки, где содержание свободного госсипола сохраняется в значительных количествах за счет микроволновой обработки полярности, поверхностного натяжения и др. ее компонентов.

ABSTRACT

The article presents the results of industrial experiments of microwave processing of cotton peppermint and analysis of the resulting products. It was determined that microwave processing of the mint at a frequency of 2450 MHz and a radiation power of 300 W for 13–15 minutes (experiment) led to the dissolution of almost 2 times more free gossypol in crude cottonseed oil compared to the known technology. This is achieved by short-term microwave radiation of peppermint, where the content of free gosipol is preserved in significant quantities due to microwave processing of polarity, surface tension, etc.) of its components.

Ключевые слова: высокогоссипольное хлопковое масло, СВЧ-излучение, хлопковая мятка, влажность, мощность излучения.

Keywords: high-gossypol cottonseed oil, microwaves, cottonseed kernel, moisture, radiation power.

Известно, что процесс влаготепловой обработки смеси хлопковой мятки с обратным товаром считается одним из основных этапов технологии получения масла и легкоэстрагируемого жмыха. При этом сложная композиция из хлопковой мятки и обратного товара наряду с тепловым нагревом насыщается влагой, которая конденсируется в мезге до требуемых значений. Эти процессы традиционно протекают в шестичанной жаровне более 1 часа при высокой температуре, что приводит к расщеплению и окислению триглицеридов.

Высокотемпературная влаготепловая обработка хлопковой мятки в шестичанных жаровнях приводит к максимальному связыванию свободного госсипола с ее белковой и другой частью, что осуществляется с целью уменьшения его перехода в масло [1; 10; 9].

Основным сырьем для влаготепловой обработки СВЧ-излучением была выбрана хлопковая мятка, полученная из I–II сортов семян хлопчатника по известной технологии [10], основные показатели которой представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Основные физико-химические показатели мятки, полученной из I–II сортов семян хлопчатника

Степень измельчения (проход через 1 мм сито), %	55–60
Содержание влаги и летучих веществ, %	8,5–9,4
Содержание шелухи, %	15,5–16,2
Масличность, %	30,5–33,2
Содержание свободного госсипола, %	0,5–0,52
Содержание протеина, %	31–35

Из табл. 1. видно, что с изменением сортности семян хлопчатника значительно меняются основные физико-химические показатели мятки. Как видно, содержание протеина зависит от содержания шелухи в хлопковой мятке. Этот показатель представлен как необходимый при оценке влияния СВЧ-излучения на содержание белка.

В целях определения точности проведенных опытов и обеспечения адекватности полученных результатов нами использованы параллельные опыты, отсеивание грубых ошибок, проверка однородности дисперсий и дисперсии воспроизводимости эксперимента.

В ходе обработки полученных экспериментальных результатов оценивали среднее квадратичное отклонение, коэффициент сходимости, детерминации и т.п.

В следующих разделах представлены основные параметры и формулы расчета с применением их в работе.

Как указано выше, в целях определения случайных помех и устранения этих погрешностей, а также повышения точности получаемых значений анализов проводили параллельные опыты в одинаковых условиях и количествах. В расчетах каждый опыт повторяли по m = 2–5 раза. Число m принимали одинаковым для всех N точек плана. В результате провели L=N·m опытов в соответствии с матрицей плана, которая предусматривает рандомизацию опытов [8]. Как известно, при наличии неточностей повторные анализы одной и той же точки эксперимента выявляли погрешности результатов. Разброс результатов относительно оценки математического ожидания функции отклика показывал ошибки воспроизводимости опыта.

В отличие от традиционной технологии получения хлопкового масла, СВЧ-обработка мятки проводится под воздействием многих факторов (мощность СВЧ-обработки, время излучения, частота, объемный нагрев, высокое внутреннее давление, увеличенная поровая структура и др.).

Следовательно, разработка эффективной технологии получения высокогоссипольного хлопкового масла с использованием СВЧ-обработки мятки требует оптимизации ее технологических режимов.

На рис 1. представлена блок схема технологии гидротермической обработки хлопковой мятки с использованием СВЧ-излучения.

Рисунок 1. Блок-схема процесса получения высокогоссипольного хлопкового масла с использованием СВЧ-обработки мятки

Для оптимизации технологических параметров процесса получения высокогоссипольного хлопкового масла с использованием СВЧ-обработки мятки наиболее эффективным считается метод экстремального планирования эксперимента [13]. Преимущество получаемых математических моделей заключается в том, что с их помощью можно рассчитать оптимальные технологические режимы процесса получения высокогоссипольного хлопкового масла с использованием СВЧ-обработки мятки. Эти модели допускают экстраполяцию полученных результатов на промышленные аппараты, так как мы пытаемся поддерживать режимы, близкие к промышленным. Кроме того, сложность механизма процесса получения высокогоссипольного хлопкового масла с использованием СВЧ-обработки мятки отдает предпочтение математическим моделям, полученным обработкой статистических данных.

Для поиска оптимальных параметров процесса получения высокогоссипольного хлопкового масла с использованием СВЧ-обработки мятки нами использована методика экстремального планирования эксперимента по полному факторному эксперименту (ПФЭ) по плану N-2³ [8].

В качестве переменных факторов выбраны: Х₁ – мощность СВЧ-излучения, Вт; Х₂– влажность хлопковой мятки, %; Х₃– время обработки хлопковой мятки с использованием СВЧ-излучения, мин. При этом критерием оптимизации (Y) выбрана влажность мятки на выходе, %.

Таблица 2.

Уровни и интервалы варьирования переменных факторов Х₁÷Х₃

Переменные факторы	Основной уровень	Интервал варьирования	Нижний уровень, (–)	Верхний уровень, (+)
Х₁, Вт	200	100	100	300
Х₂, %	12	3	9	15
Х₃, мин	15	5	10	20

В табл. 2 представлены интервалы варьирования и уровни переменных факторов Х₁÷Х₃. Опыты проводили в экспериментальной установке, где для жарения использовали хлопковую мятку влажностью 9 % и кислотным числом масла в ней 2,7 мг КОН/г. Эксперименты по получению высокогоссипольного хлопкового масла с использованием СВЧ-обработки мятки проводили согласно рандомизированной матрице по двум параллельным пробам, представленным в табл. 3.

Значения суммы дисперсий и критерий Кохрена [13] для уравнения Y₁ представлены в табл. 4.

В лабораторных условиях нами установлено влияние содержания влаги на повышение температуры хлопковой мятки, обрабатываемой СВЧ-излучением. Эксперименты показали, что с увеличением влажности материала и мощности излучения сокращается время обработки хлопковой мятки. При этом изменение кислотного, перекисного чисел и цветности масла в мезге оказалось ниже, чем в промышленном способе получения хлопкового масла. Также за счет применения более «мягких» режимов влаготепловой обработки содержание свободного госсипола в получаемом масле оказалось намного выше, чем в контроле [17; 16; 3].

Таблица 3.

Порядок реализации опытов и результатов наблюдений Y₁– влажность хлопковой мятки с использованием СВЧ-излучения

Таблица 4.

Полученные данные экспериментальных показателей

Исходя из результатов лабораторных исследований, нами разработана технология получения высокогоссипольного масла, которая описана в § 4.2. В целях определения технологической и экономической эффективности разработанной технологии проведены опытно-производственные исследования с применением созданной полупромышленной установки в предприятиях ООО «Golden oil Best». Для сравнения показателей применяли нижеследующие 3 способа получения высокогоссипольного масла.

1. Контроль 1. Способ, по которому в настоящее время работает ООО «Sasc oil division», которое является единственным предприятием, получающим высокогоссипольное масло для нужд ИБОХ АН РУз. Технология предусматривает холодное прессование ядра хлопковых семян, без его вальцевания и влаготепловой обработки [14].

2. Контроль 2. В качестве более близкого аналога принимали способ ВНИИЖа, который рекомендован для получения высокогоссипольного масла в производственных условиях (метод максимального растворения госсипола в форпрессовом масле). Технологическими параметрами при этом являются: начальная влажность – 7–9 %, конечная влажность – 6,5–7,5 %, температура – 75–80 °С, лузжистость мятки – 15–17 %. Жарение проводили в 4 чанах. Материал измельчали грубо (проход через 1 мм сито составлял 25–30 %) [12; 4].

3. Опыт. С использованием СВЧ-обработки хлопковой мятки. В опытах рушанку измельчали до 55–60 % прохода через 1 мм сито. Полученную мятку смешивали с шелухой в необходимом количестве и увлажняли в пропарочно-увлажнительном шнеке до 15 % с нагреванием до 65 °С. Затем материал обработали в СВЧ-установке в течение 13–15 мин (частота излучения – 2450 МГц и мощность излучения – 300 Вт). Из полученной мезги с влажностью 7–8 % и температурой 75–80 °С получили масло прессованием [5; 6; 4; 15; 7].

В сравнении с контролем 2, где технология переработки служила прототипом нашего способа, в СВЧ-обработанных образцах содержание протеина в жмыхе выше на 1,1 %, а растворимая часть белков выше на 3,9 %, что еще раз подтверждает мнение других исследователей о том, что СВЧ-излучение материалов благоприятно действуют на растворимую часть белков в материале [9, 10, 11]. Нами исследованы физико-химические показатели полученных масел. Результаты приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Физико-химические показатели сырых масел, полученных разными способами

Наименование показателей	Показатели сырого хлопкового масла, полученного:
Наименование показателей	прессованием ядра (контроль 1)	прессованием мятки (контроль 2)	прессованием СВЧ-излученной мезги (опыт)
Цветность по Ловибон ду в 1 см слоя кюветы при пост. 35 желтых: кр. ед. син. ед	44–46 1–2	51–54 2–3	45–47 2–3
Кислотное число, мг КОН/г	2,5–2,7	4,5–4,8	2,9–3,2
Влага и летучие вещества, %	0,51–0,53	0,65–0,82	0,45–0,47
Механические примеси, %	0,4–0,5	0,5–0,7	0,3–0,4
Содержание госсипола, %, в том числе свободного, %	1,52–1,56 1,06–1,18	1,51–1,54 0,90–0,98	1,65–1,82 1,61–1,68
Содержание фосфатидов, %	1,24–1,35	0,96–1,05	1,66–1,78

Как видно из табл. 5, цветность масла, полученного по предлагаемой технологии, почти одинакова с контролем 1 и лучше на 6–7 кр. ед. в сравнении с контролем 2.

Кислотное число полученных образцов составляет 2,9–3,2 (опыт) мг КОН/г против 2,5–2,7 в контроле 1 и 4,5–4,8 мг КОН/г в контроле 2.

Для прессования хлопковой мезги нами использован маслопресс с глубоким отжимом ТD-95 производительностью 50–60 кг/час при переработке семян хлопчатника (производство КНР).

Низкая масличность опытной партии показывает более сильные разрушения клеток в обрабатываемом материале при СВЧ-обработке. Масличность СВЧ-обработанного образца (опыт) при одинаковых условиях прессования на 4,1 % ниже, чем в прототипе (контроль 2).

Таблица 6.

Баланс получаемых продуктов переработки семян хлопчатника по известной и предлагаемой технологиям

№	Наименование показателей	Ед. изм.	Известная технология	Предлагемая технология
1	Шрот	%	44,1–44,8	44,1–44,8
2	Шелуха	%	30,9–31,7	30,86–31,7
3	Линт	%	3,21–3,32	2,97–3,02
4	Пух	%	1,65–1,82	1,21–1,37
5	Минеральные и органические примеси	%	2,01–2,07	2,01–2,07
6	Нерафинированное масло:	%	18,65–19,02	18,85–19,03
	– рафинированное масло	%	15,50–16,12	15,80–16,15
	– свободные жирные кислоты	%	0,35–0,42	0,18–0,25
	– фосфатиды	%	1,15–1,21	1,17–1,23
	– госсипол	%	1,52–1,56	1,61–1,68
	– триацилглицериды	%	0,05–0,07	0,01–0,03
	– механические примеси	%	0,05–0,7	0,03–0,05

Результаты показывают, что содержание свободного госсипола во всех экспериментах намного выше, чем допускают требования стандартов (до 0,03 %) и составляют 0,21; 0,14 и 0,19 % соответственно способу обработки. Это объясняется тем, что при контроле 1 нет факторов, снижающих растворение свободного госсипола в масле. Что касается контроля 2, снижение содержания свободного госсипола в жмыхе связано с увеличением лузжистости перерабатываемого сырья в целях улучшения дренажных свойств материала. Несмотря на одинаковое содержание лузжистости, в опытных образцах жмыха содержание госсипола больше на 0,05 %, что объясняется действием СВЧ-лучей на материал, т.е. значительно большим вскрытием клеточной структуры и разрывом глобул.

Также в опыте содержание свободного госсипола состовляло 1,61–1,68 %. Этот показатель достигал в контроле 1 1,06–1,18 %, а в контроле 2 – 0,90–0,98 %. СВЧ-обработка мятки при частоте 2450 МГц и мощности излучения 300 Вт в течение 13–15 мин (опыт) привела к растворению в сыром хлопковом масле почти в 2 раза больше свободного госсипола по сравнению с известной технологией (контроль 2). Это достигается краткосрочным микроволновым излучением мятки, где содержание свободного госсипола сохраняется в значительных количествах за счет микроволновой обработки полярности, поверхностного натяжения и др. ее компонентов.

Список литературы:

Быкова С.Ф., Ключкин В.В., Ем И.А. Влияние СВЧ-обработки на внутриклеточные изменения ядра семян хлопчатника с высокими потребительскими качествами. – Краснодар, 2003. – С. 19–21.
Быкова С.Ф., Ключкин В.В., Ем И.А. Влияние СВЧ-обработки на внутриклеточные изменения ядра семян хлопчатника. – Л. : ВНИИЖ. – 232 с.
Йўлчиев А.Б. Влияние СВЧ-обработки хлопковой мятки на показатели прессового масла и жмыха // Масложировая промышленность. – 2015. – № 3. – С. 13–17.
Йўлчиев А.Б. Об экономической эффективности внедрения технологии получения высокогоссипольного прессового хлопкового масла СВЧ-излучением // Приволжский научный вестник. – 2015. – № 7. – С. 35–38.
Йўлчиев А.Б. Ўта Юқори Частотали нурларнинг пахта чигити янчилмасига таъсирини ўрганиш. «Умидли кимёгарлар-2010» ТКТИ илмий-техникавий анжуманининг мақолалари тўплами. – Тошкент, 2010. – Т. 2. – Б. 44–45.
Йўлчиев А.Б., Абдурахимов С.А., Серкаев К.П. Изменение перекисного числа хлопкового масла, полученного из мезги, обработанного СВЧ-излучением // Ишлаб чикаришни модернизация килиш, техник ва технологик кайта жихозлаш, инновациялар, иктисодий самарали усуллар ва ноанъанавий ечимлар» илмий анжумани маколалар тўплами. – Фаргона, 2010. – Б. 149–151.
Йўлчиев А.Б., Серкаев К.П., Еркариев А.Ж. Исследование температурных режимов получения высокогоссипольного масла // Региональная Центрально-Азиатская международная конференция «Химическая технология – ХТ 12». – М. – Ташкент, 2012. – С. 74–76.
Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической промышленности. – М. : Химия, 1971. – 333 с.
Ключкин В.В., Быкова С.Ф. Основные характеристики пористой системы ядра и семенной оболочки семян масличных культур // Рук. деп. в АгроНИИЭТИПП. – 1991.
Ключкин В.В., Быкова С.Ф., Ксандопуло Л.Н. Микроструктура масличных семян // Масложировая промышленность. – 1987. – № 2. – С. 12–14.
Кузьмин Н.М., Дементьев А.В., Кубракова И.В. СВЧ-излучение как фактор интенсификации и концентрирования // Журнал аналитической химии. – 1990. – Т. 45. – № 1. – С. 46–50.
Маркман А.Л., Ржехин В.П. Госсипол и его производные. – М. : Пищевая промышленность, 1965. – 244 с.
Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. – М. : Наука, 1965. – 234 с.
ООО «Сasc oil division». Производственный технологический регламент для получения высокогоссипольного нерафинированного хлопкового масла на линии мощностью 10,8 т/сут. семян методом прямого двукратного прессования. – Ташкент : ТХТИ, 2011.
Электромагнитная деструктуризация поляризуемых компонентов рафинируемой хлопковой мисцеллы / А.А. Абдурахимов, Й.Қ. Қодиров, Қ.П. Серкаев, А.Б. Йўлчиев // Ўзбекистон кимё журнали. – 2013. – № 2. – С. 55–58.
Yulchiev A.В., Abdurakhimov S.А., Serkaev Q.Р. Operator models of technology for poduccing cottonseed oil with high content of gossypol using // European applied sciences. – 2015. – № 3. – P. 77–79.
Yulchiev A.В., Abdurakhimov S.А., Serkaev Q.Р. The change of gossypol composition during the moisture heat processing of cottonseed cake by different methods // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – 2015. – № 1–2. – P. 118-121.