Основные области применения и технический анализ фильтрующих добавок на основе диатомита в сахарной промышленности

1. Характеристики фильтрующих добавок на основе диатомита и их значение в осветлении сахарных растворов

Фильтрующие добавки на основе диатомита, представляющие собой пористый фильтрующий материал, изготовленный из природных ископаемых диатомовых водорослей путем тонкой обработки, играют незаменимую роль в современной сахарной промышленности. Этот фильтрующий материал обладает уникальными физико-химическими свойствами, включая пористость до 80–90%, удельную поверхность 20–50 м²/г, а также превосходную термостойкость и химическую стабильность, что делает его особенно подходящим для эффективного осветления сахарных растворов. В процессе производства сахара фильтрующие добавки на основе диатомита в основном используются для осветления и обесцвечивания сахарного сиропа, что позволяет эффективно удалять взвешенные частицы, коллоиды, пигменты и некоторые несахара, значительно улучшая чистоту и органолептические свойства белого сахара.

По сравнению с традиционными методами осветления (такими как карбонизация и сульфитный метод), система фильтрации с использованием фильтрующих добавок на основе диатомита позволяет достичь более высокой эффективности фильтрации (обычно 30–50%) и меньших потерь сахара (их можно контролировать на уровне менее 0,5%). Комиссия по Кодексу Алиментариус (CAC) включила пищевые фильтрующие добавки на основе диатомита в список безопасных добавок для обработки пищевых продуктов, что обеспечивает нормативную базу для использования диатомита в сахарной промышленности. В реальном производстве сахара диатомитовые фильтрующие добавки обычно используются в виде предфильтрующих и основных фильтрующих слоёв, а эффект осветления сахарного раствора обеспечивается за счёт комплексного механизма механического просеивания, глубокой фильтрации и адсорбции.

2. Практика применения фильтрующих добавок на основе диатомита при производстве сахара из сахарного тростника

В производстве сахара из сахарного тростника диатомитовые фильтрующие добавки используются в основном в двух ключевых процессах: предварительном осветлении смешанного сока и тонкой фильтрации осветлённого сока. На первом этапе предварительно обработанный смешанный сок (pH 7,0–7,5, температура 60–70 °C) фильтруется с добавлением диатомита, который эффективно удаляет около 90% взвешенных частиц и 60–80% коллоидных веществ. На этом этапе обычно используются среднедисперсные диатомитовые фильтрующие материалы с проницаемостью 1,5–3,0 Дарси для формирования слоя намыва толщиной 2–3 мм, а скорость фильтрации поддерживается на уровне 15–25 м³/м²·ч.

На втором этапе тонкой фильтрации диатомитовые фильтрующие материалы обеспечивают более тонкую очистку. На этом этапе для удаления мелких частиц размером 1–5 мкм в основном используются тонкодисперсные диатомитовые фильтрующие материалы с проницаемостью 0,5–1,5 Дарси, что позволяет снизить мутность прозрачного сока до уровня ниже 5 NTU. Исследования показали, что оптимизация гранулометрического состава фильтрующих добавок на основе диатомита (соотношение грубой, средней и тонкой фракций составляет примерно 3:5:2) позволяет увеличить продолжительность цикла фильтрации на 30–40% при одновременном снижении количества фильтрующих добавок на 30%. Особого внимания заслуживает тот факт, что фильтрующие добавки на основе диатомита практически не адсорбируются на молекулах сахарозы, а потери сахара можно контролировать в диапазоне 0,3–0,7%, что значительно ниже 1,2–1,8% при традиционном процессе осветления.

На современных заводах по производству тростникового сахара системы фильтрации на основе диатомита обычно используются в сочетании с мембранной фильтрацией или ионообменной технологией для формирования полной технологической цепочки очистки сахарного сока. Практика показала, что такой комбинированный процесс позволяет снизить цветность белого сахара до уровня ниже 60 МЕ, а содержание золы – до уровня ниже 0,03%, что значительно повышает качество продукта.

3. Особые требования к применению фильтрующих добавок на основе диатомита при производстве свекловичного сахара

Процесс производства свекловичного сахара предъявляет особые требования к фильтрующим добавкам на основе диатомита, которые отличаются от требований к производству тростникового сахара. Поскольку свекольный сок содержит больше коллоидных веществ (таких как пектин, белок) и пигментных компонентов, необходимо выбирать фильтрующие добавки на основе диатомита с более высокой адсорбционной способностью. Как правило, фильтрующие добавки на основе диатомита, прошедшие специальную кальцинацию (800–1000 °C), лучше подходят для фильтрации свекловичного сока. Такие продукты имеют более развитую мезопористую структуру (2–50 нм) и умеренную поверхностную активность, а также лучше удаляют специфические для свеклы примеси, такие как сапонины и оксалаты.

После процесса насыщения свекловичного сахара фильтрующие добавки на основе диатомита используются для фильтрации насыщенного сока, при этом рабочая температура обычно поддерживается на уровне 80–85 °C. В условиях высоких температур обычные фильтрующие материалы подвержены структурным изменениям, в то время как высококачественные фильтрующие материалы на основе диатомита сохраняют стабильную эффективность фильтрации. Данные показывают, что при оптимальных условиях процесса фильтрующие материалы на основе диатомита могут повысить чистоту свекольного сока на 0,5–1,0 AP, достичь степени обесцвечивания 40–60% и контролировать сопротивление фильтрации в диапазоне 2–4 бар.

В связи с высокой вязкостью свекольного сока современные сахарные заводы разработали технологию «динамического предварительного покрытия», которая предполагает периодические импульсы на этапе предварительного покрытия фильтрующих материалов на основе диатомита для формирования более равномерной структуры фильтрующего слоя. Этот метод позволяет увеличить скорость фильтрации свекольного сока на 20–30% и одновременно уменьшить количество диатомита на 15–20%. Кроме того, некоторые передовые сахарные заводы используют технологию смешивания фильтрующих материалов на основе диатомита с небольшим количеством активированного угля для достижения двойного эффекта осветления и обесцвечивания за одну стадию фильтрации.

4. Инновационное применение диатомитовых фильтрующих материалов в производстве рафинированного сахара

В производстве рафинированного сахара применение диатомитовых фильтрующих материалов стало более совершенным и профессиональным. Глубокая очистка сиропа является ключевым звеном в производстве рафинированного сахара. На этом этапе обычно используется многоступенчатая система диатомитовой фильтрации для постепенного повышения точности фильтрации. На первом этапе используется диатомитовый фильтрующий материал с проницаемостью 2,0–3,5 Дарси для удаления крупных частиц; на втором этапе — диатомитовый фильтрующий материал средней и тонкой очистки с проницаемостью 0,8–1,5 Дарси; на третьем этапе — ультратонкий диатомитовый фильтрующий материал с проницаемостью 0,3–0,8 Дарси для финишной тонкой фильтрации. Этот процесс градиентной фильтрации позволяет снизить мутность сиропа до уровня ниже 1 NTU, создавая идеальные условия для последующих процессов кристаллизации.

Температура использования диатомитовых фильтрующих добавок в производстве рафинированного сахара обычно высокая (75–85 °C), поэтому необходимо выбирать продукты с особенно высокой термостойкостью. Диатомитовые фильтрующие добавки, прокаленные при высоких температурах (>1000 °C), хорошо зарекомендовали себя в этой области, с потерями при прокаливании менее 0,5% и не выделяют растворимых примесей при длительном использовании в условиях высоких температур. Практика показала, что рациональный выбор такого типа высокостабильных диатомитовых фильтрующих добавок позволяет снизить зольность рафинированного сахара до уровня ниже 0,01%, что соответствует стандартным требованиям к белому сахару фармацевтического класса.

В последние годы в сахарной промышленности начали пытаться сочетать диатомитовые фильтрующие добавки с мембранной технологией. В этом смешанном процессе диатомитовые фильтрующие добавки используются в качестве предмембранной предварительной обработки для эффективного удаления коллоидов и высокомолекулярных веществ, которые могут вызвать загрязнение мембраны, что увеличивает срок службы мембраны в 3–5 раз. В то же время, возобновляемые свойства самих фильтрующих материалов на основе диатомита также соответствуют стремлению сахарной промышленности к устойчивому производству. Некоторые сахарные заводы достигли уровня переработки и повторного использования более 80% отходов диатомита.

5. Критерии выбора и стратегии оптимизации процесса для фильтрующих материалов на основе диатомита

Научный выбор фильтрующих материалов на основе диатомита имеет решающее значение для качества и эффективности производства сахара. Техники сахарных заводов должны учитывать следующие ключевые параметры: во-первых, точность фильтрации фильтрующих материалов на основе диатомита, обычно выражаемая проницаемостью (0,1–10 Дарси) и размером частиц, задерживаемых фильтрующими материалами (0,5–50 мкм); во-вторых, химическую совместимость, включая стабильность pH (высококачественные продукты должны быть стабильны в диапазоне pH 4–11), содержание растворимых ионов (особенно ионов металлов, таких как железо и алюминий) и т. д.; наконец, гигиенические показатели должны соответствовать стандартам использования пищевых добавок различных стран.

С точки зрения оптимизации процесса, современные сахарные заводы обычно применяют следующие стратегии для повышения эффективности диатомитовых фильтрующих материалов: во-первых, оптимизируют процесс предварительного нанесения, контролируют толщину предварительного слоя на уровне 2–3 мм и используют 0,8–1,2 кг/м² диатомита на площадь фильтрации; во-вторых, реализуют динамическое добавление на основной стадии фильтрации и автоматически регулируют скорость добавления диатомитовых фильтрующих материалов в соответствии с изменением мутности сахарного сиропа (обычно 0,5–1,5 г/л сахарного сиропа); в-третьих, разрабатывают технологию регенерации отработанного диатомита путем кислотно-щелочной промывки и высокотемпературной обработки, что позволяет повторно использовать 60–70% диатомитовых фильтрующих материалов 2–3 раза.

Регулирование температуры является ключевым рабочим параметром, влияющим на эффективность диатомитовых фильтрующих материалов. Температура фильтрации сока сахарного тростника должна поддерживаться на уровне 60–70 °C, свекольного сока – на уровне 80–85 °C, а рафинированного сиропа – на уровне 75–85 °C. В этих температурных диапазонах вязкость сахарного сока умеренная, пористая структура диатомитовых фильтрующих материалов стабильна, и достигается максимальная эффективность фильтрации. Исследования показали, что скорость фильтрации может быть увеличена на 15–25% при повышении температуры на каждые 10 °C, однако необходимо решить проблему конверсии сахара и повышения цветности, вызванную высокой температурой.

6. Тенденции развития технологий и пути устойчивого развития

Технология диатомитовых фильтрующих материалов для производства сахара развивается в сторону высокой производительности, интеллектуальности и экологичности. Новый композитный диатомитовый фильтрующий материал обеспечивает наилучший баланс между точностью фильтрации и производительностью благодаря точному контролю соотношения сырья и процесса прокалки. Некоторые инновационные продукты также содержат функциональные компоненты (например, специфические оксиды), которые придают диатомитовым фильтрующим добавкам способность селективно адсорбировать определенные несахара, например, удалять фенольные пигменты и ионы железа, образующиеся при производстве сахара.

С точки зрения устойчивого развития, отрасль производства диатомитовых фильтрующих добавок сталкивается с двумя важными инновациями: одна из них — разработка низкоэнергетических производственных процессов для снижения углеродного следа добычи и переработки диатомита; другая — создание системы полной переработки отходов диатомита. Современные исследования показывают, что отработанные диатомитовые фильтрующие добавки могут использоваться в качестве почвоулучшителей (богатых кремнием) или добавок в строительные материалы после надлежащей обработки для достижения каскадного использования ресурсов. Эти инновации делают диатомитовые фильтрующие добавки примером экологически чистых решений для фильтрации в сахарной промышленности.

В будущем, с развитием интеллектуальных производственных технологий, системы фильтрации на основе диатомитовых фильтрующих добавок обеспечат более точный контроль процесса и более эффективное управление эксплуатацией. Применение интеллектуальных датчиков и алгоритмов искусственного интеллекта позволит оптимизировать и корректировать такие параметры, как количество добавляемого диатомита, давление фильтрации и температуру, в режиме реального времени, что позволит дополнительно повысить качество и эффективность производства сахара. Можно прогнозировать, что фильтрующие добавки на основе диатомита продолжат занимать лидирующие позиции в процессе осветления в сахарной промышленности и вносить постоянный вклад в повышение качества сахара во всем мире.