甘蔗糖厂澄清基本原理(1): 混合汁的组成和性质

2021-07-19 21:42
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一、混合汁的组成

混合汁压榨榨机榨出的蔗汁混合面成)的成分由于甘蔗的品种、土壤、气候、耕作情况和地区的不同而有差别。我国南方地区甘蔗糖厂的混合汁的组分如下:

水分    80~85%

蔗糖    9~18%

还原糖   0.3~3.0%

有机非糖分 0.5~1.0%

无机非糖分 0.3~0.5%

关于非糖分的进一步分析,目前我国还没有完整的分析数据。甘蔗的蔗汁组成已在之前的文章简单介绍,读者不妨比较一下。

二、混合汁的胶体性质

存在于混合汁中的糖分和某些非糖分,就它们的分散程度来看,可以说,都是以溶解状态而存在的。而另一部分非糖则带有一些胶体的性质。所谓的混合汁,实质上应当是一种既含有溶液又有胶体分散的复杂体系。在澄清过程中,除使一部分非糖沉淀析出外,还必须先将胶体破坏,才能使澄清过程顺利进行,从这个意义来说,澄清的中心问题也是一个胶体化学的问题。因此,在讨论澄清的各种工艺问题之前,必须对混合汁的胶体化学性质有基本的了解。

(一)胶体的一般性质

按照胶体化学的概念,分散粒子的大小在1至100毫微米之间者(1~100毫微米),都属于胶体分散体系,分散粒子更小则为溶液(离子或分子分散体系)。在混合汁中,各种非糖分及夹杂物,都是以大小不同的粒子的形式分散而存在的,其中如泥砂、蔗糠、蔗蜡等夹杂物,其粒子大小约为50~0.1微米,均属粗分散体系的悬浮体,容易过滤除去。部分有机非糖,如蛋白质、果胶、单宁、聚戊糖、色素及部分类脂,它们的粒子都在1~100毫微米之间,都属于胶体分散体系。同时,因为它们都有不同程度的水化作用,所以又都是亲水胶体;至于无机非糖中的二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等,在混合汁中相应地生成的硅酸胶、氢氧化铅、氢氧化铁则均属于憎水胶体。

各种胶体所具有的基本性质如下:

1.高度分散性

如前所述,胶体的粒子直径介于1~100毫微米之间,所以它的分散程度是很高的。这是胶体分散系的一个最基本的性质。胶体的其它性质也都与这种高分散性有关。例如极高的分散性使得胶体体系具有一定的动力稳定性和扩散能力。

2.不均匀性(又称多相性)

虽然胶体体系有着极高的分散性,但其粒子的大小还是大大地超过它周围的介质分子,胶粒和介质之间存在着界面,所以,它和悬浮体一样,也是多相性的。这种多相性可以在超显微镜或电子显微镜中观察到。

3.聚结不稳定性

高度分散的胶体体系,具有很大的总表面积,由此,其表面自由能也就很大。按照热力学的观点,它是热力学上的一种不稳定体系。胶体粒子都有自发聚积合并,以使体系能量降低的趋势。胶体粒子容易互相聚积,形成大粒子的沉淀,从而失去胶体的稳定性。

(二)蔗汁胶体的稳定因素

如前所述,胶体粒子有自发合并成大粒子而聚沉的趋势,结果使胶体遭受破坏然而,蔗汁胶体实际上处于稳定状态。而且可以长时间保存。其原因便是胶体的带电和溶剂化。

在同一胶体分散系中,粒子都带有符号相同的电荷,并在其周围形成一个水化的扩散双电层,前者使粒子之间产生一定的电斥力,后者则使反离子(它是与胶粒表面离子带相反电荷的离子,或称异电离子)具有一层水化膜,这两者都能阻止胶体粒子在相互碰撞时不致互相结合。从而使胶体保持某种程度的稳定性。

蔗汁胶体的带电现象可以通过电泳实验来观察。方法是将蔗汁置于电泳仪中,通电时便可看到其中的胶体粒子向电极一端移动

胶粒的电荷来源于胶体粒子表面的吸附作用和表面分子的电离。例如表面吸附作用使蔗汁中的Fe(OH)3胶粒带正电荷。原来Fe(OH)3是由FeCl3局部水解时形成的:

FeCl3+3H2O=Fe(OH)3+3HCI

由于水解不完全,蔗汁中还存在Fe+++和Cl-离子,所以Fe(OH)з胶核选择吸附了Fe+++离子,使胶粒带正电荷,其反离子则是CI-离子。

胶体所带的电荷是按照双电层结构来分布的。如硅酸胶的双电层结构SiO2作为胶核,吸附SiO32-离子(称为电位离子)因而带有负电,这就是双电层的内层,在胶核周围分布着电性相反而电荷相等的H+离子(即反离子),此即双电层的外层。由于外层的反离子具有一定的扩散能力,同时,它又受着胶核表面双电层对它的电吸引力,所以此反离子便形成一种扩散的分布状态,靠近胶核固体表面分布比较稠密,离胶核表面越远越稀疏。

实验证明,带双电层的胶团没有电场时呈电中性,而有电场存在时,则双电层发生分裂,胶核和固定层一道趋于某一电极,而可动层的反离子则向另一电极移动。亦即分裂发生在固定层与可动层之间,此两层之间的电位差称为电动电位,或称“ζ”电位。因此,电动电位就是电位离子与固定层中反离子二者的数量差与可动层中全部反离子之间的电位差。可动层中的反离子数目比固定层中的反离子数目越大,则“ζ”电位也就越大,反之就越小。

从胶体的双电层结构可知,当胶体形成双电层的结构后,就会稳定,同时由于反离子的扩散态分布,使整个胶团水化。扩散分布的反离子层愈厚,水化膜就越厚,“ζ”电位也就越大,胶体就随之而越趋稳定。当“ζ”电位等于零时,胶体即呈等电状态。此时,可动层消失,水化膜最薄,胶粒也最易于聚沉。因此,双电层离子的水化是胶体稳定的主要因素,同时又由于同种胶粒带有相同的电荷阻止它们相互结合,从而保证了胶粒的稳定性。双电层的破坏就是水化膜的消失和胶体稳定性的降低,也就是说,胶体有可能因聚结而遭到破坏。

实际上,在到达等电状态之前的某一点,胶体便以明显的速度开始凝聚,这时候的“ζ”电位称为临界电位。经实验测定,多数胶体的临界电位值大都在25~30毫伏之间。当“”电位大于临界电位时,胶体实际上是稳定的。

(三)电解质对胶体聚沉的作用

蔗汁中胶体体系的存在或形成,对制糖过程都是不利的。胶体的存在能使糖浆、废蜜的

粘度增大,从而阻碍结晶、分蜜,增加糖分损失,同时还能使晶粒的色值加深,影响产品质量。当然也能阻碍沉降过滤的顺利进行。为此,在澄清糖汁时,应最大限度地把胶体除去。降低胶体的分散程度,并最后导致胶体沉隆,这一现象称为胶体的聚沉。从前述的胶体稳定性可知,只要消除胶体保持稳定的各项条件,便可达到胶体聚沉或破坏胶体的目的。

引起胶体聚沉的方法很多,如添加电解质、改变温度或浓度等。其中最有效的方法是加入电解质,如糖厂中的加灰,通入SO2和CO2等均属于这一类。

电解质所起的作用主要是去电荷和消去水化,就是使胶体的“ζ”电位降低,水化膜变薄,结果便导致胶粒的聚沉。

电解质中的正负离子都能进入到胶团的固定层。若胶粒与电解质离子带有相反的电荷,则电解质离子能与胶粒的电位离子结合成为既不溶解也不离解的沉淀物,这时双电层便遭到彻底破坏。例如,在蔗汁中加入电解质氢氧化钙Ca(OH)2,则钙离子就能跟带负电荷的硅胶酸粒中的负离子SiO3-结合形成难溶的沉淀 CaSiO3:

[(SiO2)·SiO3-+2H+]+Ca(OH)2=[SiO2]m·CaSiO3↓+2H20

m-胶核中SO2的分子数,是一个比较大的数。

如果加入的电解质量过多,则可以越过等电点而使胶体重新带电,形成新的双电层,此时已凝聚的胶体又因重新溶解而回到介质中,这种现象称为“胶溶”。显然,这是制糖过程中应当尽量避免的。

电解质离子也可以跟可动层的同性离子进行当量交换。例如,加入一个钙离子(Ca2+)可以交换出两个钠离子(Na+),结果,双电层变薄了,胶体稳定性也随之下降。反之若用钠离子来交换钙离子,则能使双电层变厚,胶体的稳定性反而增加。实验证明,同性离子的价数越高,双电层内层对它的静电引力就越强,就越容易引起交换吸附,也越容易将可动层的价数较低的离子替换出来,结果它聚沉溶胶的能力就越强。同时,电解质异性离子也可以进入固定层起中和作用,减少一部分电量,从而也使胶体的不稳定性有所增大。

另外,若加入的电解质离子与可动层中的反离子带有同一电荷时,则可能引起一种压缩双电层的作用,将可动层中的反离子迁入固定层,结果也使双电层变薄,电量减少,从而使胶体失去稳定性。例如,蔗汁中带负电的硅酸胶,当加入钙离子(Ca2+)后,Ca2+将硅酸胶团可动层的反离子(H+)排斥到胶粒的固定层,使可动层不断变薄,直到“ζ”电位等于零,此时,水化的可动层消失,胶粒的电荷被中和,此硅酸胶即呈现出不稳定性,最后因聚沉而失去胶体的特性。

增大胶体的浓度也能促使胶体聚沉,其原因主要是密集的胶团互相碰撞(布朗运动)的

次数增多,亦即聚集成大粒子的机会增多,结果便加速了胶体的聚沉。例如,以后要论述的

中间汁亚硫酸法或中间汁碳酸法,先将混合汁浓缩到一定的锤度再作其他的澄清处理,就已

经把提高浓度的作用考虑在内。

至于温度,它主要是对亲水性有机胶体有较大的影响,因为这种胶体的稳定主要依靠水化膜,而温度提高则有消除水化的作用。温度对憎水的无机胶体一般影响很小,有时甚至温度达到沸点,此类胶体仍可保持稳定。

(四)蔗汁胶体的等电点

所谓等电点,就是当胶体粒子的“ζ”电位等于零时(即胶体处于等电状态时)的介质pH值。在澄清过程中,我们经常利用胶体的等电点先使蔗汁胶体发生聚沉而后除去。因为,当胶体处于等电点时,双电层即行消失,胶体便因失去稳定性而凝聚。在制糖术语中,蔗汁胶体的等电点又叫作凝聚点。

各种不同的胶体,都各有它自己的等电点,蔗汁是一种成分复杂的胶体分散系,其中某些胶体成分的等电点如表6-1所示。

6-1 蔗汁中某些胶体的等电点

胶体种类

蛋白质

蜡质、多缩戊糖

Al(OH)3,Fe(OH),

H2SiO,,H,PO

Mg(OH):

等电点(pH)值

5.5-~6.5

7-8

8-9

8-9

10-11

一般蔗汁的pH=5以上时,胶体凝聚就有增多的倾向,制糖工作者通过多年的实践证明蔗汁中的胶体有两个共同的最适凝聚点,即pH=7和pH=11,前者是蔗汁胶体本身的等电点,后者是蔗汁胶体在有蔗糖、石灰存在下特有的另一最适凝聚点。因此,重要的是当蔗汁加入电解质后,要控制适当pH值,才能达到胶体聚沉的目的。这就是甘蔗制糖各种澄清工艺所依据的两个基本点。