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(rт - r)/18m (1)
где d – приведенный диаметр частиц, м;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
rт – 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)
Vосв=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
Vосв=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 dэ<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)
Gц=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
GТ=mg
Сравнивая эти два уравнения, получим
Gц= GТ 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 Rос и фильтрующей перегородки Rф, следовательно,
dV/Fdt=Dр/(Rос+ Rф) (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+ Rф/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 + Rфv/Dр=bv2 + Rфv/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.
