Отечественная пищевая промышленность (сахарные, масложировые, крахмалопаточные и другие предприятия) в последнее десятилетие ХХ века ежегодно потребляла около 7800 т активных углей. Ниже отражены особенности использования этих адсорбентов в пищевых производствах, являющихся наиболее крупными их потребителями.
Производство сахара
Одни из старейших потребителей активных углей – производители сахара. В СССР было 30 сахарорафинадных заводов, потреблявших около 3100 т в год этих адсорбентов. Веществами, которые оказывают наиболее сильное воздействие на цвет сахара, являются азотные соединения – меланоидины (особенно их коллоидные частицы с молекулярной массой от 8 до 15 тыс. а.е.м.), образующиеся при контакте сахара с аминосоединениями. Углеадсорбционную очистку (обесцвечивание) технологических потоков в производстве сахара используют на двух стадиях процесса: для обработки сырьевых растворов с использованием ПАУ и на завершающем рафинировании сахарных сиропов с использованием ГАУ. Начиная с 60-х гг. прошлого века многие сахарорафинадные заводы перешли на процессы обесцвечивания сиропов зернёным углём, обладающим большим сроком службы, чем порошковый уголь. Удовлетворительную степень обесцвечивания сиропов в таких технологиях обеспечивают при времени контакта с углём 3-4 ч и температуре около 80 °С. Применяют гранулированные активные угли марки АГ-З, однако лучшие результаты достигают применением активного угля АГС-4, содержащего 1 мас. % магнезитового порошка (АГС-4 должен иметь слабощелочную реакцию с рН 8,5, адсорбционную активность по мелассе более 70 % и прочность при истирании не менее 65 %). Для ПАУ марок ОУ-А и УАФ, используемых для обработки сырьевых растворов, также необходимы слабощелочная реакция водной вытяжки, активность по мелассе 75-80 % и содержание водорастворимой золы не более 0,7-0,9 мас. % .
Производство масел и жиров
При рафинировании пищевых масел и жиров осуществляют операции нейтрализации свободных жирных кислот, осветления и дезодорации (упразднения запаха) этих продуктов. При дезодорации используют активированные водяным паром тонкопористые ПАУ марки ОУ-А в смеси с отбеливающими землями (содержание угля в таких смесях составляет 10-20 %). Для уменьшения потерь при омылении предпочтительны нейтральные или кислые активные угли. Иногда уголь предварительно смачивают водой, так как при этом он лучше поглощает примеси. Контакт твёрдой и жидкой фаз реализуют при их перемешивании в течение около 30 мин и температурах до 100 °С (при обработке чувствительных к кислороду масел такие операции осуществляют в вакууме). По завершении обработки фазы разделяют фильтрованием. Содержащееся в оставшемся после фильтрования кеке масло удаляют путём испарения или экстрагирования растворителем. Зернёные активные угли в операции дезодорации используют в исключительных случаях (например, при дезодорации таллового масла).
Наиболее важные требования к ПАУ в масложировой промышленности сводятся к низкому содержанию в них золы (< 8 мас. %) и высокой адсорбционной способности по метиленовому голубому (210-225 мг/г).
Очень много заводов после распада СССР осталось в странах Средней Азии, где производят очистку активными углями растительных (хлопкового и касторового) масел.
Производство крахмала и патоки
Эта подотрасль пищевой промышленности потребляла в указанный выше период времени (с 60-х гг. прошлого века до начала 90-х гг.) около 4000 т активных углей в год.
При осахаривании крахмала образуются смеси глюкозы, мальтозы и высокомолекулярных полисахаридов. В зависимости от степени разложения крахмала получают крахмальную патоку с содержанием 60 % глюкозы или крахмальный сахар с содержанием 70 % глюкозы. Гидролиз крахмала проводят разбавленной (чаще всего соляной) кислотой под давлением и при высокой температуре. Известны также способы разложения крахмала энзимами. Общее для всех процессов ─ получение окрашенных в коричневый цвет реакционных растворов, которые перед использованием необходимо осветлять, так как патоку и сахар потребляют преимущественно в пищевой промышленности для приготовления кондитерских изделий и ликёров. Обработкой активными углями из растворов удаляют пигменты и протеины. Кроме того, активный уголь оказывает ещё и стабилизирующее действие, так как фиксирует содержащийся в гидролизате 5-гидроксиметилфурфурол, который имеет лишь слабую светло-жёлтую окраску, но обладает способностью образовывать сильноокрашенные продукты. Используют порошковый древесный активный уголь марки ОУ-Б (с величиной рН водной вытяжки 4-6), а также ПАУ марок УАФ, УАМ, КАД-молотый.
Основные требования к этим ПАУ в крахмалопаточных производствах − это адсорбционная способность по мелассе более 100 % и содержание водорастворимой золы и Fe3+ менее 1,0 и 0,2 мас. % соответственно. Основные крахмалопаточные производства находятся в Центральной России. Крахмалопаточный завод средней производительности потребляет 150-200 т ПАУ в год.
С конца 1990-х гг. в отрасли начат переход на осветление растворов зернёными активными углями типа АГ-3 и углями, полученными из скорлупы кокосовых орехов, так как эти сорбенты можно реактивировать и использовать повторно.
Производство пищевых кислот
При получении лимонной кислоты из карбогидратов (например, раствора мелассы) сбраживанием последнего плесневым грибком (Aspergillus uiger) получают сырой продукт в виде раствора соли кальция, имеющий тёмно-коричневую окраску и содержащий побочные продукты с неприятным сильным запахом. Обработка такого раствора порошковым углём с сильным обесцвечивающим действием позволяет получать высококачественную лимонную кислоту для производства пищевых продуктов и безалкогольных напитков. В определённых условиях возможна организация непрерывного процесса обесцвечивания и очистки раствора лимонной кислоты с использованием зернёных углей. При получении молочной кислоты из гексозы, мелассы и других крахмалсодержащих продуктов её выделяют из реакционной смеси также в виде соли кальция. Затем сильно загрязнённый лактат кальция либо перекристаллизовывают из воды с добавлением порошкового угля, либо очищают таким же способом молочную кислоту, выделяемую кислотной обработкой лактата кальция. Таким же образом очищают и виннокаменную кислоту.
Используемые в этих производствах ПАУ представлены марками ОУ-А и ОУ-В с активностью по метиленовому голубому не менее 200 мг/г.
Пищевые продукты из природного сырья
Активные угли используют для очистки природных органических соединений значительно чаще, чем неорганических. Во многих случаях производства органических соединений из природного сырья обработка активным углём является обязательной стадией технологического процесса, но иногда этот адсорбент используют лишь периодически для устранения отклонений в технологии того или иного процесса. В качестве примеров охарактеризуем углеадсорбционную очистку лишь ряда продуктов (глицерина, нитроглицерина, желатина, пектина, кофеина).
Глицерин выделяется как побочный продукт разложения жиров в производстве мыла. Несмотря на все усовершенствования техники перегонки, такой глицерин приходится обрабатывать активным углём перед перегонкой и особенно готового продукта после перегонки. Чаще всего с этой целью применяют ПАУ, особенно в тех случаях, когда требуется высокая степень очистки данного продукта, ориентированного для использования в производствах пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и косметических средств.
Для получения нитроглицерина также используют очень чистое сырье. Поэтому к чистоте активных углей, предназначенных для очистки глицерина, предъявляются высокие требования. Они касаются, в частности, содержания в этих углях зольных элементов, так как глицерин может растворять неорганические соли. Кроме того, такие активные угли не должны оказывать окисляющего действия на глицерин, т.е. содержать по возможности минимальные количества поверхностных кислородных соединений. В связи с увеличением выпуска глицерина для производства жидкого мыла вместо ранее использовавшихся жиров расширилось использование активного угля на завершающей стадии этой технологии. Получаемый щелочной обработкой естественного костяного сырья желатин должен быть тщательно очищен перед использованием в производствах пищевых продуктов, фотографических средств и фармацевтических препаратов. Для этого применяют в основном крупнопористые осветляющие активные угли в порошкообразной форме и в меньшей степени тонкопористые дезодорирующие активные угли, чаще всего используя их в виде суспензии в 8 %-м водном растворе желатина. Иногда для обеспечения нужного результата осуществляют многократную очистку.
Пектин получают экстрагированием из фруктовых и свекловичных отходов соляной кислотой и используют преимущественно в пищевой промышленности. Обработка его солянокислой вытяжки ПАУ позволяет получить продукт необходимой чистоты. Расход активного угля для очистки пектина составляет в большинстве случаев около 1 % от массы обрабатываемой вытяжки. Как и при получении желатина, фильтрование результирующей углеадсорбционную обработку суспензии затруднено из-за большой вязкости жидкой фазы.
Кофеин, получаемый экстрагированием кофейных зёрен хлористым метилом, необходимо очищать от примесей перед использованием в фармацевтической промышленности и в производстве безалкогольных напитков. Очистку обычно обеспечивают ПАУ с относительно низким содержанием ионов железа, поскольку кофеин может образовывать окрашенные комплексы с Fе3+. Кофеин, получаемый экстракцией жидкой углекислотой, также подвергают подобной очистке.
