Одним из важнейших параметров, определяющих полноту извлечения сахарозы из свеклы в процессе экстрагирования и качество получаемого экстракта — диффузионного сока, является коэффициент молекулярной диффузии (массопроводности), характеризующий способность свекловичной ткани проводить диффундирующую сквозь нее сахарозу.
На эффективность процесса экстрагирования сахарозы из свеклы особенно существенное влияние оказывают структура и состояние свекловичной ткани, температура и длительность ее воздействия, характер взаимодействия фаз, соотношение расхода масс экстрагента и стружки (откачка), условия массоотдачи от поверхности частиц экстрагенту, которые в свою очередь зависят от формы и размеров стружки, ее упругости и конструктивных особенностей аппарата.
Структура и состояние свекловичной ткани оказывают влияние на диффузию из нее сахарозы лишь до тех пор, пока ткань не будет денатурирована.
Свекловичный корень состоит главным образом из паренхимной ткани (до 75%), клетки которой содержат практически весь сахарный раствор. Схема растительной клетки показана на рис. 1. В нативном виде клетки непроницаемы для сахарозы, так как мешают естественные барьеры: клеточная оболочка, липопротеидная мембрана, прилегающая к оболочке клетки, цитоплазма, мембраны, окружающие многочисленные структурные части, включенные в цитоплазму, и др.
Рис. 1. :
1— клеточная оболочка; 2 — цитоплазма; 3 —ядро; 4—вакуоли; 5 — межклетник; 6 — органеллы; 7 — плазмодесма
Основное сопротивление проникновению вещества в клетку и извлечению сахарозы создают мембраны, окружающие цитоплазму и включенные
в нее органеллы. Из-за наличия этих барьеров скорость диффузии веществ в живой растительной ткани на несколько порядков ниже, чем в чистых жидкостях.
Мембраны и цитоплазма состоят из белков. Диффузионное сопротивление моно- и полимолекулярных мембран играет существенную роль только до тех пор, пока не денатурированы белки. После этого основным барьером на пути переноса вещества в растительной ткани остается оболочка клетки.
Структурную основу оболочек растительных клеток, определяющую прочность, упругость и эластичность растительной ткани, составляет целлюлоза, или клетчатка, инкрустированная пектинами, низкомолекулярными фракциями целлюлозы и другими высшими полисахаридами.
Целлюлоза представляет собой природный полимер с линейными жесткими макромолекулами, отличающимися большой длиной цепей с молекулярной массой до нескольких миллионов и значительной энергией взаимодействия между цепями. Отдельные макромолекулы целлюлозы, расположенные более или менее параллельно, ассоциируются в длинные пучки, получившие название пачек. Пачки могут состоять из сотен макромолекул. Размер пачек 5*10-9—6*10-9 м. Они создают более крупные структурные образования — фибриллы, сохраняясь при этом как отдельные элементы. Фибриллы, в свою очередь, формируются в еще более крупные надструктуры. Диаметр микрофибрилл 2*10-8—3*10-8 м.
В соответствии с двумя видами структур — пачечной и фибриллярной— в волокнах целлюлозы имеются два вида пор: узкие, отличающиеся гомокапиллярностью, с промежутками между пачками макромолекул диаметром 1*10-9 м, и более крупные, отличающиеся гетерокапиллярностью межфибриллярные промежутки диаметром 1*10-8 м. Поры, или капилляры, свободно сообщаются друг с другом, образуя непрерывный ряд переходов. Через эти поры сообщаются протоплазмы соседних клеток. Таких пор в клеточной стенке может быть до 22 000, их поперечный размер 2*10-10—3*10-10 м.
Кроме субмикроскопического строения на проницаемость клеточной оболочки значительное влияние оказывают гидрофильность коллоидов, входящих в состав стенок клеток, и дегидратирующее действие растворов, диффундирующих через клеточные мембраны. Повышение температуры и концентрации сахарных растворов способствует более сильному обезвоживанию гидрофильных коллоидов. А извлечение из оболочек клеток ряда гидрофильных веществ: пектинов, низкомолекулярных фракций целлюлозы, пентозанов, ведет к падению гидрофильности всей системы и понижению проницаемости клеточной стенки.
Определенная степень денатурации белков протоплазмы достигается уже при изрезывании свеклы на стружку. При этом необратимо разрушается 5—10% клеток, что позволяет извлечь до 40 % сахарозы, вымывая ее водой температурой 20 °С. Такое количество извлекаемой сахарозы свидетельствует о том, что кроме механически поврежденных клеток с разорванной плазматической оболочкой
появляются клетки, протоплазма которых денатурирована в результате распространения механического действия на соседние клетки.
Режим тепловой обработки свекловичной стружки оказывает большое влияние на процесс экстрагирования из нее сахарозы. Степень денатурации протоплазмы зависит от температуры и продолжительности теплового воздействия, вида экстрагента, концентрации сахарозы и др.
Для установления зависимости эффективности экстрагирования от режимов предварительной тепловой обработки свекловичной стружки проводили опыты в интервале температур от 50 до 85 °С и продолжительности от 15 с до 60 мин. В качестве жидкости для тепловой обработки использовали воду, диффузионный и нормальный сок свеклы.
Эффективность экстрагирования оценивали по коэффициенту диффузии.
Полученные в опытах зависимости изменения коэффициента диффузии от температуры и продолжительности ее воздействия объясняются физико-химическими изменениями, происходящими в клетках свекловичной ткани в результате теплового воздействия и последующего контакта сахарного раствора с полупроницаемыми оболочками клеток. Эти и другие факторы могут по-разному влиять на проницаемость клеток и приводить, таким образом, к разным суммарным эффектам. Так, повышение температуры до 75 °С усиливает денатурацию протоплазмы, а контакт сахарного раствора с полупроницаемыми оболочками клеток приводит к сжатию ткани свеклы и дополнительному механическому извлечению сахара («эффект квазидиффузии» ). Однако одновременно с денатурацией белков происходит растворение гидрофильных составляющих клеточной оболочки, причем тем в большей степени, чем выше температура, что ухудшает проницаемость ткани и, как следствие, приводит к снижению коэффициента диффузии.
Сахароза, содержащаяся в клетках свекловичной ткани, тормозит денатурацию белков.
Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что первая стадия процесса экстрагирования сахарозы из свеклы должна сопровождаться наиболее энергичным подводом теплоты, с тем чтобы для здоровой свеклы при температуре 75 °С достичь максимальной проницаемости свекловичной ткани. После такой тепловой обработки, продолжающейся не более 10 мин, температура должна быть снижена до 65—68 °С.
Данные, полученные в опытах с различными экстрагентами, показали, что применение воды в качестве жидкой фазы для тепловой обработки свекловичной стружки не позволяет достичь оптимальной степени денатурации клеток свекловичной ткани, приводит к местным перегревам стружки, что затрудняет последующую фильтрацию сока в диффузионном аппарате, вызывает повышенный расход топлива из-за разбавления сока; изменение проницаемости свекловичной ткани по времени теплового воздействия на стружку, нагреваемую в диффузионном соке и в нормальном соке свеклы, практически одинаково.
Было выявлено также 3 диапазона температур, в которых характер изменения проницаемости клеток свекловичной ткани в зависимости от продолжительности тепловой обработки имеет свои особенности. В диапазоне температур 50—60°С тепловое воздействие не сказывается на изменении проницаемости клеток свекловичной ткани. В диапазоне температур 60—75 °С коэффициент диффузии
возрастает в течение 10—15 мин теплового воздействия, а затем несколько уменьшается. При температуре тепловой обработки свыше 75 "С максимальное значение коэффициента диффузии достигается уже через 2—3 мин, оставаясь некоторое время на этом относительно постоянном уровне, и затем резко падает.
Размер и форма частиц свекловичной стружки должны быть такими, чтобы диффузионный сок мог свободно фильтроваться сквозь слой стружки, контактируя со всей поверхностью каждой частицы. От размера и формы частиц зависит коэффициент массоотдачи.
В связи с тем, что частицы сырья снижают в процессе экстрагирования, особенно при температурном воздействии, свою упругость, условия омывания частиц жидкостью резко ухудшаются, так как при этом уменьшается активная поверхность частиц, участвующая в процессе. Это ухудшение гидродинамической обстановки можно предотвратить только правильным выбором определяющего размера частиц и конструкции транспортного органа, который должен способствовать разрыхлению, а не слеживанию слоя частиц.
Способ относительного движения фаз, который иногда просто называют видом процесса, играет важную роль в эффективности процесса: скорости протекания экстрагирования и глубине извлечения целевого компонента. К важнейшим таким способам относятся противоток (рис. 2), прямоток, замкнутый периодический, идеального смешения.
Характер изменения средних концентраций в твердом теле и жидкости в замкнутом периодическом процессе аналогичен прямоточному, но может рассматриваться исключительно по времени.
Кроме перечисленных выше элементарных процессов могут осуществляться и сложные (комбинированные), которые представляют собой разнообразное сочетание элементарных процессов, например прямоток на каждой ступени экстракции и переход по принципу противотока от ступени к ступени.
Рис. 2. Концентрационные кривые противоточного процесса
Соотношение расхода масс экстрагента и твердых частиц (свекловичной стружки) оказывает существенное влияние на скорость и эффективность процесса экстрагирования, т. е. на полноту извлечения целевого компонента. Увеличение массы экстрагента по отношению к массе твердых частиц способствует увеличению движущей силы процесса, так как концентрация целевого компонента в экстрагенте на всем протяжении диффузионного процесса повышается незначительно. С другой стороны, чем больше экстрагента вводится в диффузионный процесс, тем меньшей получается концентрация сахарозы в экстрагенте, что затрудняет и удорожает выделение целевого продукта в чистом виде. Поэтому вопрос о выборе величины соотношения расхода масс q в процессе экстрагирования должен решаться как оптимизационная задача.
