Физические методы очистки жидких пищевых продуктов

 

Известны физические и физико-химические методы очистки.

К физической очистке относится очистка свекловичного сока от пульпы – мелких кусочков свекловичной стружки. Обычно эта очистка производится путем фильтрации в специальных фильтрах-ловушках. К этим методам относится так называемое рафинирование крахмала, заключающееся в выделении из крахмального молока механических примесей – мезги. Рафинирование производится на плоских сотрясательных ситах, представляющих собой каркас с натянутой на нем мелкой ситовой тканью. Сито имеет обычно уклон около 25 мм на 1 м и совершает 400-600 продольных колебаний в минуту с амплитудой 7-10 мм.

При производстве растительных масел после шнековых прессов в масле содержится большое количество твердых суспензированных частиц, которые отделяются на вибрационных ситах. Сито состоит из металлической коробки, разделенной по длине на две камеры. В коробке установлено плетеное сито с размером отверстий 0,25х0,25 мм. Сито с изменяющимся углом наклона приводится в колебательное движение от индивидуального привода с частотой вращения вала около 2700 об/мин.

Масло поступает на вибрационное сито с температурой 60-70⁰С и, проходя через отверстия сит, направляется в сборники, а мезга удаляется на повторную переработку. Осадок обычно представляет смесь фосфатидов, слизей и белковых веществ.

К физическим способам очистки пищевых суспензий относятся также отстаивание, фильтрация и разделение при помощи центробежных сил.

Отстаивание (осаждение). Осаждение под действием собственного веса твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде, называют отстаиванием. Сущность отстаивания заключается в том, что неоднородная система, находящаяся в аппарате в состоянии покоя или движущаяся с малой скоростью, разделяется в нем на составные части под действием веса. Осаждение частиц происходит по законам падения тел в среде, которая оказывает сопротивление их движению.

Скорость осаждения взвешенных частиц зависит от их плотности, степени дисперсности и физических свойств жидкости, в которой они осаждаются. В начальный момент частицы падают ускоренно, но через некоторый промежуток времени, когда сопротивление жидкой фазы уравновесит действие веса, они приобретают постоянную скорость осаждения w _ос.

Согласно закону Стокса постоянная скорость осаждения (в м/с) может быть определена для ламинарной области по уравнению.

 

w _ос=d²g(r_т - r)/18m (1)

 

где d – приведенный диаметр частиц, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

r_т – плотность твердой частицы, кг/м³;

r - плотность среды, кг/м³;

m - динамическая вязкость среды, Па×с

 

Максимальный размер частиц, осаждение которых подчиняется закону Стокса, находят, подставив уравнение (1) вместо скорости осаждения ее выражение через критерий (число) Рейнольдса

w _ос=mRe/dr

 

Приняв Re=2, т.е. предельное значение Re для ламинарной области, получим

Формулы (1) и (2) справедливы для условий, когда частицы имеют шарообразную форму и область ламинарного осаждения соответствует Re<2. Для переходной области, где 2<Re<500 и Re>150000, применяются другие соотношения.

Обычно осаждение взвешенных частиц, находящихся в суспензии, осуществляется в отстойниках периодического и непрерывного действия. В большинстве случаев применяются многоярусные отстойники непрерывного действия с отводом осветленной жидкой фазы и уплотненного осадка из каждой секции.

При расчете отстойников определяются их производительность по осветленной жидкости и необходимая площадь поверхности осаждения

Производительность отстойника (в м³/с)

V_осв=Fh/t

 

где F –площадь поверхности осаждения, м²;

h - слой осветленной жидкости, м;

t - время разделения суспензии на осветленный слой жидкости и слой осадка, с

 

Так как t=h/ w _ос, то

 

V_осв=F w _ос (3)

 

Из уравнения (3) видно, что производительность отстойника не зависит от его высоты, она зависит только от скорости и площади поверхности осаждения. Поэтому при необходимости высокой производительности отстойников, требующих больших площадей поверхности осаждения, их делают многоярусными.

Недостатком осаждения в отстойниках является их большие объемы и значительное время осаждения. Отстойники малоэффективны при осаждении мелких частиц, имеющих размеры d_э<5 мкм, или когда их плотность близка к плотности среды. Значительно увеличивается эффективность процесса разделения суспензий с применением центробежных сил.

После действия центробежных сил создается вращательным движением потока разделяемой жидкости при тангенциальном ее подводе в гидроциклоны или при направлении разделяемого потока во вращающийся корпус осадительных центрифуг.

Для определения эффективности осаждения в центробежных аппаратах необходимо сравнить величину центробежной силы с силой тяжести, действующей на частицу.

При вращательном движении суспензии в центробежных устройствах на частицу действует центробежная сила (в Н)

G_ц=mw²R

где m - масса частицы, кг;

w – угловая скорость вращения частицы, с^-1;

R – радиус вращения частицы, м

 

Сила тяжести без учета подъемных сил составит

G_Т=mg

Сравнивая эти два уравнения, получим

 

G_ц= G_Т w²R/g

Т.е. центробежная сила больше сил тяжести в w²R/g раз.

Величину Ф= w²R/g называют фактором разделения. Чем больше фактор разделения, тем выше разделительная способность центробежных устройств.

 

Для стационара описать более подробно отстойники (отстойные цинтрифуги, гидравлические отстойники, циклоны, гидроциклоны и т.д. со схемами)

Фильтрование. Фильтрованием называют процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают ее жидкую фазу (фильтрат). Этот процесс разделения суспензий называют фильтрованием с образованием осадка. В некоторых случаях твердые частицы проникают в поры фильтровальных перегородок и задерживаются в них, не образуя осадка, Такое фильтрование называется фильтрованием с закупориванием пор. Обычно в пищевой промышленности применяют фильтрование через слой осадка.

На практике среди частиц твердой фазы, содержащихся в суспензии, всегда найдутся такие, размер которых позволяет им проникнуть в любые поры фильтрующей перегородки. Поэтому тип процесса фильтрования определяется, прежде всего, количеством твердой фазы, содержащейся в исходной смеси. Если концентрация твердой фазы ничтожна (например, в производстве вин, пива и других напитков), слой осадка практически не образуется, частицы задерживаются в толщине фильтровального картона.

Для организации процесса фильтрования через слой концентрация суспензии должна быть достаточной для образования слоя. Поэтому производственной технологией предусматривается введение в раствор значительного количества (1% к массе фильтруемой суспензии) мелкодисперсной фазы (диатомит, перлит, целлюлозу, асбест, активный уголь и др.), с тем, чтобы образовать слой из этих частиц на фильтрующей перегородке. В дальнейшем фильтрование идет через этот слой, частицы задерживаются внутри него или на его поверхности. Толщина такого слоя будет увеличиваться, и его сопротивление будет также возрастать. Это приведет к необходимости удаления или уменьшения толщины слоя для поддержания приемлемой скорости фильтрования.

Движущей силой процесса является разность давлений по одну и другую сторону фильтрующей перегородки. Эта разность может быть получена за счет силы тяжести – силы гидростатического давления, что с успехом используется в лаборатории для фильтрования в простой воронке. В промышленных аппаратах сила тяжести существенного влияния на результат процесса не оказывает и поэтому учитываться не будет. Разности давлений можно добиться за счет создания избыточного давления на стороне неоднородной смеси или за счет создания вакуума со стороны, где собирается газ или жидкость – фильтрат.

Получаемые при фильтровании осадки делят на сжимаемые, частицы которых с повышением давления деформируются, а размер пор капилляров уменьшается, и несжимаемые, размер и форма частиц которых не меняется с увеличением давления при фильтровании.

Так как в процессе фильтрования в большинстве случаев Dр=const, а сопротивление слоя осадка с течением времени изменяется, то скорость фильтрации [в м³/(м²с)]

w =dV/Fdt

где V – количество фильтрата, м³;

F – площадь поверхности фильтрации, м²;

t - продолжительность фильтрования, с.

Скорость фильтрации прямо пропорциональна перепаду давлений и обратно пропорциональна общему сопротивлению слоя осадка R_ос и фильтрующей перегородки R_ф, следовательно,

 

dV/Fdt=Dр/(R_ос+ R_ф) (4)

Если в уравнение (4) ввести удельную производительность фильтрата dv=dV/F (в м³/м²), сопротивление осадка с учетом вязкости жидкой фазы суспензии m (в Па с) представить как произведение удельного сопротивления r (в 1/м²) на толщину слоя осадка, находящегося в 1 м³ фильтруемой суспензии, то уравнение (4) представится в следующей форме:

dt=(rmxv/Dр+ R_ф/Dр)dv

x- толщина осадка, м.

 

Интегрируя это выражение в пределах от 0 до t и от 0 до v, найдем продолжительность фильтрации (в с)

 

t=rmxv²/2Dр + R_фv/Dр=bv² + R_фv/Dр, (5)

где b= rmx/2D

Удельный объем фильтрата (в м³/м²), прошедший через единицу площади поверхности фильтрующей перегородки за время t, определяется из уравнения (5)

 

В промышленности для разделения суспензий применяют фильтры периодического действия: рамные фильтр-прессы, патронные фильтры, листовые фильтры – и фильтры непрерывного действия: барабанные вакуум-фильтры и дисковые.

Весьма перспективным способом разделения пищевых растворов является процесс разделения под давлением через полупроницаемую перегородку (мембрану) – обратный осмос, или ультрафильтрация.

Ультрафильтрация предназначена для разделения низкоосмотических растворов и позволяет задерживать сравнительно крупные молекулы с молекулярной массой выше 500 при низком давлении 0,05-1,0 МПа. (См. лекции на листах – обратный осмос).

Особый интерес этот способ представляет для опреснения морской воды, разделения сахарных растворов, фруктовых соков, очистки продуктов микробиологических производств, сточных вод и т.п.