Математическое моделирование процессов производства винной кислоты из отходов виноделия методами ионообмена

Отечественная пищевая промышленность в последние годы работает в условиях конкуренции с зарубежными компаниями. Однако, подавляющее большинство пищевых продуктов, производимых у нас в стране, а также поставляемых из-за рубежа не содержат полного набора компонентов, необходимого для полноценного питания. Это вызвано расширяющимся применением в пищевой промышленности искусственных заменителей натуральных продуктов в виде различных пищевых добавок. В частности, в кондитерской промышленности, а также в производстве различных напитков и соков в основном используется только лимонная кислота, в то время, как для сбалансированного питания необходимо сочетание различных кислот, например, лимонной, винной и аскорбиновой. Такой минимальный набор кислот делает конечный продукт полноценнее как по вкусовым качествам, так и по его полезности. Производство лимонной кислоты практически удовлетворяет спрос, в то время как производство винной кислоты отсутствует. Вместе с тем в винодельческих районах России, в основном в Краснодарском крае, имеется достаточная сырьевая база для производства 50−100 т/год пищевой кристаллической винной кислоты.

Получение винной кислоты возможно двумя способами: синтезом и извлечением из природного растительного сырья. Однако, синтетическая винная кислота не обладает многими свойствами естественной винной кислоты, поэтому пищевую винную кислоту получают только из природного растительного сырья.

Значительное количество виннокислотных соединений, преимущественно в виде плохо растворимого битартрата калия, содержится в отходах виноделия, в основном в дрожжевой и коньячной барде. Известно несколько способов получения естественной винной кислоты из отходов виноделия. Во всех этих способах предусматривается получение на первой стадии кальциевой соли винной кислоты, называемой виннокислой известью (ВКИ), а затем переработка ВКИ на специализированных заводах для получения пищевой винной кислоты.

Основными недостатками этой технологии являются:

— применение ядовитых химикатов для очистки растворов винной кислоты от катионов металлов;

— необходимость проведения технологического процесса в освинцованном оборудовании из-за высокой коррозионной активности применяемой серной кислоты;

— длительность и трудоемкость технологического процесса;

— наличие экологически вредных сточных вод;

По этим причинам, а также в связи с ограниченными возможностями инвестиций на организацию производства винной кислоты, целесообразно строительство заводов малой и средней мощности, с возможностью получения винной кислоты непосредственно на винодельческом предприятии. Однако, использование прежней технологии получения винной кислоты нецелесообразно. Наиболее перспективным направлением в производстве винной кислоты из отходов виноделия является применение ионообменной технологии. Виннокислая известь, полученная методом ионообмена, лишена загрязнений, в виде соединений железа, алюминия, меди, мышьяка и свинца, красящих веществ и нерастворимых механических примесей. Наиболее целесообразным и экономически оправданным является способ получения винной кислоты непосредственно из отходов виноделия, минуя стадию производства виннокислой извести. В частности сорбция винной кислоты из дрожжевой барды винодельческих заводов или из растворов винного камня.

Преимуществом подобного производства является возможность получения чистой винной кислоты или продуктов содержащих винную кислоту, как тосиропов или концентратов, непосредственно на перерабатывающем предприятии с применением более экономичной и совершенной технологии по сравнению с применяемой до недавнего времени.

Актуальность: Потребность промышленности в винной кислоте, наличие значительных ресурсов и отсутствие специализированных заводов по получению винной кислоты в Российской Федерации, а также невозможность полноценной замены винной кислоты, полученной из естественного природного сырья, на синтетическую делают, актуальной проблему извлечения винной кислоты из продуктов переработки винограда.

В связи с ограниченными возможностями инвестиций в промышленность, целесообразно строительство предприятий малой и средней мощности для получения чистой винной кислоты или продуктов содержащих винную кислоту, как-то сиропов или концентратов, непосредственно на перерабатывающем предприятии. Несоответствие существующего способа производства кристаллической винной кислоты экологическим нормам делает актуальным организацию в России собственного производства винной кислоты из отходов виноделия на новом уровне, с использованием целевого ионообмена.

Разработке и внедрению в производство такой технологии препятствует слабая изученность процесса сорбции, отсутствие экспериментальных данных по сорбции винной кислоты из реальных, промышленных растворов (дрожжевой барды), отличительной особенностью которых является низкая концентрация винной кислоты и наличие кроме механических загрязнений, примесей солевых и кислотных ионов. В связи с этим, является актуальным проведение экспериментальных исследований по изучению процессов сорбции винной кислоты из промышленных растворов, загрязненных различными примесями, а также разработка комплексного математического описания технологической схемы сорбции винной кислоты. Требуемые для разработки математической модели кинетические и равновесные зависимости для системы дрожжевая барда — анионит отсутствуют. В связи с этим возникает необходимость экспериментального определения недостающих физико-химических и кинетических параметров системы и разработки надежных методов анализа.

Цель настоящей работы заключается в разработке математической модели технологической схемы производства винной кислоты из реальных, промышленных растворов, имеющих низкую концентрацию винной кислоты и загрязненных примесями (дрожжевой барды) — разработка рекомендаций по структуре технологической схемы сорбции винной кислоты и определение оптимального режима ее работы. Для этого необходимо исследовать равновесие в системе дрожжевая барда — анионит, кинетику процесса сорбции для реальных промышленных растворов и разработать модель многостадийного процесса сорбции-десорбции.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— Изучение равновесия в системе дрожжевая барда — анионит АН-31 в хлор — форме;

— Разработка методики определения обменной емкости ионита и константы равновесия химической реакции по экспериментальным данным;

— Исследование влияния содержания соляной кислоты в сорбируемом растворе на эффективность процесса сорбции винной кислоты;

— Исследование кинетики сорбции и десорбции винной кислоты из промышленных растворов;

— Разработка математической модели для описания кинетики процесса сорбции винной кислоты из промышленных растворов;

— Идентификация разработанной модели по собственным экспериментальным данным кинетики сорбции и определение коэффициентов диффузии;

— Разработка модели многостадийного процесса сорбции-десорбции и проведение численного эксперимента с целью подбора оптимальной структуры технологической схемы;

— Исследование возможности очистки десорбированного раствора винной кислоты от катионов железа при пропускании его через катионит марки КУ-2−8чс в ОН форме;

— Проведение экспериментальных исследований возможности получения кристаллической винной кислоты из десорбированного, очищенного раствора;

— Исследование перспективы получения винной кислоты из растворов тартрата натрия методом электродиализа.

Научная новизна диссертационной работы:

— Получено уравнение равновесия для системы дрожжевая бардаанионит в хлор — форме, учитывающее влияние 4-х компонентов, вступающих в химическую реакцию;

— Разработана методика расчета константы равновесия химической реакции сорбции винной кислоты и полной обменной емкости ионита для промышленных растворов при различных условиях постановки эксперимента;

— Подтверждена гипотеза квазихимической природы становления равновесия и одновалентный механизм ионообмена;

— Разработана математическая модель кинетики процесса сорбции винной кислоты анионитом АН-31 из промышленных растворов, учитывающая влияние системы 4-х компонентов, вступающих в химическую реакцию;

— Разработана математическая модель технологической схемы получения винной кислоты, предусматривающая многостадийный процесс сорбции — десорбции винной кислоты ионитом из промышленных растворов;

Практическая значимость диссертационной работы:

— Получены данные по равновесному содержанию винной кислоты в системе дрожжевая барда — анионит в хлор — форме для реальных растворов (дрожжевой барды);

— Найдены коэффициенты диффузии для промышленных растворов;

— Разработана технологическая схема для проведения многостадийного процесса сорбции — десорбции винной кислоты и на основе численного эксперимента определено оптимальное количество аппаратов в схеме, объем ионита в аппарате и время выдержки аппарата в каждой позиции;

— Получены данные по сорбции катионов железа с целью повышенной очистки десорбированной винной кислоты;

— Доказана возможность получения пищевой кристаллической винной кислоты из дрожжевой барды методами ионообмена;

— Получены данные о влиянии содержания соляной кислоты в растворе на процесс сорбции винной кислоты анионитом;

— Установлена принципиальная возможность получения винной кислоты из раствора тартрата натрия методом электродиализа, подобран токовый режим протекания процесса, обеспечивающий степень обессоливания раствора 90−95%;

— Разработаны рекомендации по внедрению в производство технологической схемы получения винной кислоты, предусматривающая многостадийный процесс сорбции винной кислоты ионитом из промышленных растворов с последующей ее десорбцией раствором соляной кислоты;

— Разработанная технологическая схема получения винной кислоты из промышленных растворов принята к внедрению ЗАО «ПРОНАКС» .

ВЫВОДЫ.

1. Развиты теоретические основы ионного обмена применительно к процессу сорбции винной кислоты неподвижным слоем анионита из промышленных растворов.

2. Проведены исследования равновесия в системе дрожжевая бардаанионит в хлор — форме для реальных растворов (дрожжевой барды).

3. Разработана методика определения обменной емкости ионита и константы равновесия химической реакции для промышленных растворов.

4. Установлено значительное влияние содержания соляной кислоты в сорбируемом растворе на эффективность процесса сорбции.

5. По результатам экспериментальных исследований кинетики сорбции и десорбции винной кислоты установлено влияние направления пропускания раствора и типа используемого реагента для десорбции на эффективность протекания процесса.

6. Установлена принципиальная возможность получения винной кислоты из раствора тартрата натрия методом электродиализа, подобран токовый режим протекания процесса, обеспечивающий степень обессоливания раствора 90−95%.

7. Исследована возможность получения сиропообразного полуфабриката винной кислоты и перспектива его применения в пищевой промышленности.

8. Получена очищенная кристаллическая винная кислота, соответствующая Российскому стандарту на пищевую винную кислоту.

9. Разработана математическая модель, описывающая кинетику процесса сорбции ионитом.

10. Выполнена идентификация разработанной модели по собственным экспериментальным данным сорбции винной кислоты из промышленных растворов анионитом марки АН-31 в хлор — форме. Определены коэффициенты диффузии при сорбции винной кислоты из промышленных растворов.

11. Разработана технологическая схема для проведения многостадийного процесса сорбции — десорбции винной кислоты и на основе численного эксперимента определено оптимальное количество аппаратов в схеме, объем ионита в аппарате и время выдержки аппарата в каждой позиции.

12. Даны рекомендации по внедрению в производство технологической схемы получения винной кислоты и получено свидетельство о целесообразности внедрения в производства данного оборудования.