Обратный осмос

Обратный осмос - это осмос наоборот. Объяснить суть осмоса можно с помощью следующего примера: разделим сосуд на две половинки стенкой. В нижней части оставим отверстие, которое закроем мембраной. Эта мембрана имеет настолько мелкие поры, что может пропускать только чистую воду. Такие мелкопористые мембраны, которые пропускают только молекулы определенного размера, называются полупроницаемыми.

Наполним сосуд до половины водой. Высота воды по обе стороны мембраны будет одинакова (рис. 4.101).

Теперь добавим в левую часть сосуда соль и размешаем ее. Молекулы соли стремятся раствориться в как можно большем количестве воды. Так как молекулы соли слишком велики, чтобы проникнуть сквозь мембрану, то чистая вода будет втягиваться через мембрану на их сторону так долго, пока концентрация растворенного вещества не выровняется по обе стороны мембраны. Гидростатическое давление более высокого столба жидкости, наступающее в состоянии равновесия, называется осмотическим давлением (то есть давлением равновесия). Осмотическое давление - это давление, необходимое для поддержания равновесия между молекулами воды, которые проникают сквозь полупроницаемую мембрану в солевой раствор, и молекулами воды, которые покидают солевой раствор из-за избыточного гидростатического давления.

Осмос - это известное физическое явление. Все процессы в живой природе, в том числе и в дрожжевых клетках, регулируются осмотически.

Теперь приложим давление к левой стороне нашего сосуда, и будем передавливать чистую воду сквозь мембрану на правую сторону, против осмотического давления (с). Этот процесс называется осмосом наоборот или обратным осмосом.

 

Принцип понижения концентрации спирта с помощью обратного осмоса

При удалении спирта с помощью обратного осмоса пиво (рис. 4.102, 1) порциями или непрерывно прокачивается сквозь разделительный модуль.

Вода и спирт проходят сквозь мембрану, против естественного осмотического давления (2). Напротив, все крупные молекулы - молекулы вкусовых и ароматических веществ - остаются в пиве. Поскольку вода непрерывно уходит, необходимо постоянно добавлять новую воду (3), которая должна быть обессоленной и деаэрированной. Благодаря добавлению воды содержание спирта неизменно уменьшается. Поскольку создание избыточного давления посредством насоса приводит к увеличению температуры жидкости, установка должна иметь охлаждение, чтобы температура пива не превысила 15°С.

В этом способе мембрана расположена тангенциально к направлению потока. Мембранная поверхность постоянно промывается благодаря возникающим касательным усилиям. Такое фильтрование называется таигенциально-поточным фильтрованием (Cross-Flow-Filtration).

Ушедшая сквозь мембрану водно-спиртовая смесь называется пермеатом (5). Концентрация спирта в ней достигает 1,5-1,8%. Низкое содержание спирта не оправдывает его концентрирование, поэтому пермеат применяют, например, для выщелачивания пивной дробины.

Установка обратного осмоса

Установка обратного осмоса (рис. 4.103) состоит из напорного танка (1), в котором хранится подлежащее обработке пиво.

С помощью насоса (2) давление увеличивают до 40 бар, а с помощью циркуляционного насоса (3) добиваются высокой скорости омывания, что препятствует забиванию мембран. Клапан (7) гарантирует постоянное давление.

Модули (4) - это наиболее крупногабаритная, самая важная и вместе с тем наиболее дорогостоящая часть установки. Чаще всего мембраны изготавливаются из ацетилцеллюлозы. Удельная производительность мембран достигает 50-80 л на м² в час, и соответственно этому мембранная поверхность должна быть достаточно большой, что, к сожалению, заметно отражается на увеличении стоимости установки. Агрегат из 18 разделительных модулей может производить безалкогольного пива около 25 гл в час.

Масса, потерянная с водно-спиртовым раствором (пермеат), заменяется на специально подготовленную воду (5), так как иначе в пиве повысилось бы содержание экстрактивных веществ. Циркуляция продолжается до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень снижения содержания спирта.

Специальная подготовка воды включает в себя ее обессоливание и полную деаэрацию на дополнительной установке. Деаэрация необходима, чтобы не привнести в пиво столь нежелательный кислород. В качестве рабочего газа для заполнения и опорожнения танка хранения обессоленной и деаэрированной водой должен применяться только диоксид углерода, так как иначе кислород будет диффундировать в воду, а с ней и в пиво.

Важнейшей операцией для нормального функционирования модуля является чистка мембран. Для сохранения заданной производительности с поверхности мембран должны быть удалены все отложения. Способ мойки и моющие средства зависят от типа мембран. Неправильная обработка приводит к изменению размера пор и тем самым к разрушению дорогостоящих мембран.

Проведение процесса обратного осмоса

Пиво прокачивается через систему модулей, которые, как правило, объединены в группы по шесть единиц. На выходе пиво, содержание спирта в котором несколько повысилось, проходит через редуцирующий клапан и возвращается в исходный танк. Редуцирующий клапан понижает давление с 40 бар до исходного. Вода на этой стадии еще не добавляется. В процессе удаления спирта различают три стадии:

· стадия концентрирования;

· стадия диафильтрации;

· стадия восполнения.

Стадия концентрирования

При прохождении пива через модули образуется около 2,2 л пермеата на гл пива. При этом содержание спирта и экстрактивных веществ возрастает (рис. 4.104).

При содержании в определенной концентрации некоторые экстрактивные вещества пива, прежде всего ß-глюканы, уменьшают проницаемость мембран, что ограничивает производительность установки на стадии концентрирования пива.

Стадия диафильтрации

На данной стадии в концентрированное пиво взамен ушедшего пермеата добавляется полностью обессоленная вода до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое содержание спирта.

Стадия восполнения

Концентрированное пиво разбавляется водой До первоначального объема, при этом содержание спирта падает ниже 0,5%. Одновременно пиво насыщают СО₂, поскольку из-за обратного осмоса и добавления воды в пиве почти не остается диоксида углерода.

Диализ

При диализе используются мембраны в виде полых волокон с очень малой толщиной стенок. Полые волокна имеют диаметр, равный долям миллиметра (50-200 мкм), и обладают микропорами. В одном модуле расположено много тысяч таких связанных друг с другом в пучок и уплотненных с двух сторон тончайших мембран. Пиво равномерно продавливается сквозь них, в то время как диализат (или вода) обтекает полые волокна в обратном направлении. Через микропоры мембран происходит массообменн (толщина стенок от 10 до 25 мкм).

Принцип диализа

При диализе все растворенные вещества, находящиеся по обе стороны мембраны, пытаются достигнуть равновесного состояния по отношению друг к другу. Это означает, что спирт из пива будет переходить в диализат до тех пор, пока с обеих сторон не будет достигнута одинаковая концентрация спирта. Если этанол из диализата удаляют, спирт будет диффундировать с одной стороны мембраны на другую до бесконечности, пытаясь восстановить равновесие. При проведении процесса в противотоке (рис. 4.105) спирт исчезает из пива очень быстро.

Рассмотрим рисунок 4.105. Обрабатываемое пиво течет справа налево. В этой точке в диализате содержится мало спирта, поэтому спирт перемещается сквозь мембрану из пива в диализат, чтобы выровнять концентрацию. Чем дальше пиво течет «налево», тем меньше в нем остается спирта, поскольку движущийся навстречу диализат содержит еще меньше спирта - при входе «слева» его в нем вообще нет. К концу пути почти все молекулы спирта из пива перейдут в диализат, который в противотоке омывает мембрану.

Теперь пиво почти не содержит спирта, который перешел в диализат и из которого этанол должен удаляться для дальнейшего использования. Спирт выделяется из диализата путем непрерывной дистилляции под вакуумом (вакуумная дистилляция = низкие температуры дистилляции).

По сравнению с обратным осмосом данный способ требует значительно больших затрат, однако пиво подвергается более щадящей обработке, поскольку удаление спирта происходит при низкой температуре. При диализе пиво нагревается всего лишь с 1 до 6° С. Пиво подается в систему под низким избыточным давлением - около 0,5 бар, которого, однако, достаточно, чтобы произошел массообмен.

Проведение диализа

«Сердцем» установки для проведения диализа (рис 4.106) являются мембранные модули (12).

Мембранные модули чаще всего представляют из себя модули в виде полых волокон, сквозь микропористые мембраны которых в противотоке происходит массообмен (диффузия). Пиво после выхода из модуля охлаждается на пластинчатом теплообменнике (6) до 1°С и возвращается в напорный танк.

Диализат освобождается от спирта на ректификационной колонне (3), и через теплообменник (5) с помощью насоса (4) вновь поступает в модуль.

Высказывание о том, что сквозь мембраны диффундирует только спирт, конечно, очень условно. В действительности пиво теряет при диализе большое количество легколетучих побочных продуктов брожения и СО₂. Это связано с тем, что при обработке диализата отгоняется спирт, а с ним и значительная часть других летучих веществ, в особенности эфиров и высших спиртов. Эти вещества перемещаются при диализе из пива в диализат и навсегда теряются из пива. Снижение содержания некоторых эфиров может достигать 65%. С другой стороны, конечно, и из диализата вещества могут переносится в пиво, это относится, например, к солям воды, которые при ректификации концентрируются в диализате и при диализе обогащают собой пиво (натрий, кальций, нитраты).

Все это свидетельствует о том, какое большое значение имеет непрерывное регулирование состава диализата и как сложно протекают процессы обмена. И во всех других способах удаления спирта никогда не происходит исчезновение одного лишь этанола, поскольку другие летучие вещества могут вести себя подобно спирту. Несмотря на это, диализ остается сегодня наиболее распространенным способом снижения содержания спирта.

4.8.3.2. Термические способы удаления спирта/ дистилляция

При использовании термических способов спирт удаляется из пива при нагреве. При давлении 1 бар вода имеет температуру кипения 100°С, а спирт - 78,3°С. Конечно, испарение воды медленно начинается не при 100°С, а уже при более низких температурах, но и спирт начинает испаряться при температурах ниже 78,3°С, поэтому таким способом можно осуществить разделение воды и этанола. Однако испарение при атмосферном давлении приводит к ухудшению вкуса пива, поскольку в данном случае температуры все же велики.

Известно, что температура испарения (= температура кипения) зависит от давления если мы понижаем давление, спирт может испаряться при значительно более низких температурах. Поэтому все термические способы удаления спирта осуществляются в щадящем режиме, под вакуумом, в разряженном пространстве при абсолютном давлении от 0,04 до 0,2 бар, благодаря чему достигаются температуры испарения между 30°С и 55°С. Снижение качества пива из-за влияния температур при этом зависит:

· от температуры испарения;

· от времени воздействия повышенных температур на пиво.

Во всех методах термического удаления спирта используются вакуумно-перегонные аппараты с различными конструктивными особенностями теплопередачи. Для вакуумной перегонки используются:

· выпарные аппараты с нисходящим потоком жидкости (рис. 4.107);

· многоступенчатые перегонные колонны (рис. 4.108);

· трехступенчатые пластинчатые испарители (рис. 4.109);

· центробежные испарители (рис. 4.110).

Выпарной аппарат с нисходящим потоком жидкости (рис. 4.107)

Выпарной аппарат с нисходящим потоком жидкости состоит из колонны (7), высотой

4-5м, с расположенными в ней теплообменными трубами (2), в которых пиво благодаря вакууму нагревается не выше 45°С. По пути вниз спирт испаряется из пива, отделяется в сепараторе (3), а затем конденсируется в конденсаторе. Частично деалкоголизированное пиво снова подвергается шадяшей термической нагрузке во втором выпарном аппарате, где концентрация этанола падает до 0,03%об.

Вакуумная перегонная установка (рис. 4.108)

В этой установке подлежащее деалкоголизации пиво нагревается в пластинчатом теплообменнике до 45°С и направляется в эпюрационную колонну (3), при входе в которую давление пива падает. При этом из пива испаряются легколетучие ароматические компоненты, которые позднее вновь добавляются к пиву в рекомбинационной емкости (5). В вакуумной спиртовой колонне (4) при 40°С пиво освобождается от спирта, который осаждается в оросительном конденсаторе (6). Безалкогольное пиво охлаждается сначала до 4-5°С (2), а затем до 0-1°С, и поступает в рекомбинационную емкость (5), где вновь смешивается с легколетучими ароматическими веществами.

Трехступенчатая вакуум-выпарная установка

В такой установке (рис 4.109) пиво нагревается и подвергается выпариванию в три стадии. Преимущества такого способа заключаются в следующем:

· разность температур очень незначительна;

· пластинчатые испарители обладают очень высокими коэффициентами теплопередачи;

· время контакта с поверхностью теплообмена минимально.

Конструкция и принцип действия

Трехступенчатая установка состоит из трех пластинчатых испарителей с нисходящим потоком жидкости (2, 5, 6).

В пластинчатом теплообменнике (1) подлежащее обработке пиво нагревается уходящим деалкоголизированным пивом и горячей водой до 30°С. Нагретое пиво осторожно подогревается в первом испарителе (2), выделившиеся спиртовые пары собираются в ресивере (3), осаждаются охлажденным конденсатом (-1°С) в оросительном конденсаторе (4) и отводятся.

Во втором испарителе (5) пиво с еще достаточно вые эким содержанием спирта нагревается до температуры максимум 38-40°С. Возникающие спиртовые пары поступают в третий испаритель (6) и там конденсируются. Испаряющиеся при этом спирты используются для нагревания пива в первом испарителе (2).

Безалкогольное пиво второй ступени до конца деалкоголизируется (0,3-0,4% спирта) в третьем испарителе и отводится после двухступенчатого охлаждения (1).

Производительность таких широко применяемых установок может достигать до 200 гл/ час.

Высокопроизводительный центробежный испаритель

Следующая интересная возможность удаления спирта из пива состоит в том, чтобы пропускать пиво через центробежный испаритель, внутренние поверхности тарелок которого нагреваются.

Под влиянием центробежных сил пиво тонким слоем протекает между тарелками центробежного сепаратора, и нагревается насыщенным паром, который подается в двойную стенку центробежного испарителя (рис. 4.110). Спирт испаряется и улетучивается, в то время как частично деалкоголизированное пиво выдавливается наружу и отводится через разделительную шайбу.

В данной системе также работают под вакуумом при температуре 30-34°С, чтобы оказывать на продукт как можно более щадящее воздействие. Весь процесс занимает менее 10 с, но должен быть повторен несколько раз, так как мгновенное снижение содержания спирта до уровня ниже 0,5% связано с определенными техническими проблемами.