Исследование закономерностей и совершенствование технологии катионирования крахмала в водной суспензии

• Автор: Винокуров, Андрей Юрьевич
• Шифр специальности: 05.18.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 168 с. : ил.

Содержание

Введение

Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Нативный крахмал: строение, свойства, цели и способы

модифицирования

1.2 Понятие катионного крахмала и его применение

1.3 Основные подходы к организации катионирования крахмала

1.4 Влияние способа катионирования на структуру и свойства крахмалов

Глава 2 Объекты и методы исследований

2.1 Объекты исследования
2.2 Методы исследования
2.2.1 Определение степени замещения
2.2.2 Определение степени гидролиза алкилирующего реагента
2.2.3 Определение сорбции щелочи крахмалами
2.2.4 Определение набухания гранул крахмала в суспензии
2.2.5 Рентгенофазовый анализ нативных и катионных крахмалов
2.2.6 Микроструктурные исследованиякрахмала
2.2.7 Исследование реологических свойств крахмальных клейстеров
2.2.8 Определение температуры клейстеризации крахмалов
Глава 3 Результаты исследований и их анализ
3.1 Закономерности основных процессов, протекающих при катионировании крахмала
3.2 Функциональные зависимости степени замещения, достигаемой при катионировании, от основных параметров производства
3.3 Влияние ингибиторов клейстеризации - неорганических солей (на примере хлорида и сульфата натрия) на процессы, протекающие при образовании катионного крахмала

3.4 Предложения по совершенствованию технологии производства КтК с целью снижения технологических потерь, а также повышения ее экологической безопасности
3.5 Влияние параметров технологии на особенности структуры и некоторые функциональные свойства катионных крахмалов
3.6 Апробация усовершенствованной технологии катионирования в условиях
промышленного производства
Основные результаты и общие выводы по работе
Перечень принятых сокращений и условных обозначений
Список использованной литературы
Список иллюстративного материала
Приложение А Акт производственных испытаний
Приложение Б Патент РФ на изобретение №2430
Приложение В Патент РФ на изобретение №2466
Приложение Г Грамота победителя Второго молодежного регионального конкурса инновационных проектов «Молодежь и наука 21 века»

Введение
Импортозамещение является одной из важнейших задач, стоящих перед отечественным производством. Общий дефицит крахмалов в РФ оценивается на уровне 200 тыс. т. [1]. На фоне постоянного роста отечественного производства нативных крахмалов (в 2011 году по отношению к 2008 году - на 49,4%) [2] значительна зависимость внутреннего российского рынка от зарубежных поставок модифицированных крахмалов (только по официальным данным Федеральной таможенной службы РФ, прирост импорта в 2012 году по отношению к 2011 году составил 18,6%) [3]. Причем около 40% общего импорта приходится на высокотехнологичные простые и сложные эфиры [4], в частности катионные крахмалы (КтК), находящие широкое применение в целлюлозно-бумажной промышленности, в том числе при производстве упаковочного материала для пищевых продуктов.
Изменение сложившейся ситуации предусмотрено в ряде программ (например, в отраслевой целевой программе «Производство и переработка зерна кукурузы в РФ на 2013-2015 гг.» [1]), а также в Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ до 2020 года [2], базирующейся на рациональном природопользовании, энергосбережении, комплексной переработке сельскохозяйственного сырья и снижении техногенной нагрузки на окружающую среду. Важным инструментом решения последней задачи является внедрение принципов рационального водопользования с максимальным возвратом воды в производство. Особое внимание уделяется вопросам совершенствования технологических процессов с увеличением эффективности выработки целевого продукта и сокращением потерь сырья. В соответствии с указанной стратегией объем производства сухих крахмалов к 2020 году должен достигнуть 320 тыс. т., а сумма инвестиций в отрасль - 25,6 млрд. руб. [2]. Таким образом, разработка и совершенствование технологий глубокой переработки растительного сырья, в том числе производства КтК, является актуальной задачей.

при влажности 28-29% [100], что на 50% ниже, чем при обычном нагревании суспензии [136].
Эффективность образования КтК, а также его свойства определяются большим числом факторов: температурой, скоростью вращения и конфигурацией шнеков, расходом и концентрацией крахмала и реагентов, типом применяемого пластификатора [51]. Показано преимущество использования двухшнековых экструдеров [52, 125]. Повышение расхода крахмала с 2,7 кг/ч до 5,4 кг/ч ведет к снижению величины СЗ на 25% с 0,0308 до 0,0231 [51]. Известно, что увеличение скорости вращения шнеков обусловливает одновременно как уменьшение времени экспозиции крахмала в экструдере, так и рост температуры за счет вязкой диссипации. Так, при переходе частоты вращения от 150 до 400 оборотов в минуту наблюдается увеличение температуры на 13°С и снижение времени экспозиции на 16 с (при общей длительности не более 1,5-3 мин). При этом значение СЗ увеличивается на 26,2% [51, 94]. С дальнейшим ростом температуры эффективность реакции проходит через максимум и затем - уменьшается [52]. Чрезвычайную важность при осуществлении экструзионного метода приобретает выбор места введения реагентов. Так, при введении растворов ХГПТМАХ и щелочи до зоны плавления достигаемая СЗ составляет 0,038, в то время как при введении после зоны плавления - лишь 0,0239 (эффективность 77,0 и 59,8% соответственно) [51]. Это объясняется уменьшением в среднем на 30 с времени осуществления реакции.
Стоит отметить, что указываемые в рассматриваемых работах величины эффективности модифицирования (80-95%) получены после дополнительного (20-24 часа) выдерживания крахмала и реагентов [136].
Скорость реакции в экструзионном методе лимитируется процессами диффузии реагентов, что связано с высокой вязкостью расплава крахмала. Это подтверждается сравнительно небольшими значениями экспериментально определенной энергии активации - 11,3 кДж/моль для ХГПТМАХ и 10,2 кДж/моль для ЭПТМАХ [122]. Таким образом, необходимость интенсивного