Научное обеспечение процесса разделения жидкообразных неоднородных пищевых сред

Жидкообразные неоднородные пищевые среды представляют собой мутную полидисперсную систему, состоящую из грубых и мелкодисперсных частиц, коллоидных веществ. Для их осветления применяют отстаивание, фильтрование, центрифугирование и сепарирование.

Отстойное центрифугирование используется для разделения плохо фильтрующихся суспензий с малой концентрацией, а также для классификации суспензий по крупности и удельному весу частиц.

Фильтрационное центрифугирование применяется для разделения суспензий, имеющих дисперсионную фазу кристаллической или зернистой структуры, а также для обезвоживания влажных материалов, поры которых целиком или частично заполнены жидкостью.

Фильтрационное центрифугирование получило распространение в сахарной промышленности для фуговки утфеля.

Утфель представляет собой двухфазную вязкую массу, содержащую 45…60 % по объему кристаллов сахара и межкристальный раствор.

Процесс фуговки осуществляется за счет действия центробежной силы на утфель, загруженный в цилиндрический перфорированный ротор центрифуги, вращающейся с окружной скоростью 50…90 м/с (рис. 12.1). Для лучшего отделения межкристального оттёка и задержания кристаллов сахара внутри ротора центрифуги устанавливают подкладочные и фильтрующие сита.

Процесс фуговки утфеля делится на три периода: образование осадка, уплотнение и механическая сушка осадка. Первый период – обычная фильтрация, причем давление обусловливается гидравлическим напором под действием центробежных сил.

Во время второго периода центрифугируемая масса представляет собой двухфазную систему, причем вначале твердые частицы имеют минимум точек касания.

В дальнейшем происходит сближение частиц с уменьшением объема пор массы и выжимание жидкой фазы из этих пор. На межкристальную жидкость оказывают давление твердые частицы и центробежные силы. С течением процесса сжатия осадка число точек касания между частицами увеличивается. Одновременно давление на жидкость, вызванное действием поля центробежных сил, падает вследствие уменьшения гидравлического напора по мере удаления межкристального раствора. Когда уровень жидкости опускается до дренирующего слоя, начинается третий период.

К началу третьего периода на поверхности кристаллов и в местах их соприкосновения остается межкристальная патока, удерживаемая капиллярными и молекулярными силами. Этот период характеризуется стеканием патоки по незаполненным порам с поверхности кристаллов до тех пор, пока силы молекулярного сцепления оставшейся пленки патоки на кристаллах уравновешиваются центробежными силами. Чтобы удалить оставшийся на поверхности кристаллов раствор, их промывают водой и сушат паром (пробелка).

Одной из характеристик центрифуг является ускорение центробежного поля, создаваемого ими. Отношение центробежной силы к силе тяжести является фактором разделения Ф_р:

.

Рабочим органом сепаратора, в котором происходит процесс разделения, является барабан.

Принцип действия сепаратора-разделителя (рис. 12.2, а) заключается в следующем. Исходная гетерогенная система по центральной трубке поступает в тарелкодержатель, откуда по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимается вверх комплект тарелок и растекается между ними. Под действием центробежной силы легкая фракция оседает на верхнюю поверхность нижележащей тарелки. По этой поверхности легкая фракция движется к центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимается вверх барабана и отводится по коммуникациям.

Тяжелая фракция в межтаре-лочном пространстве оттесняется к нижней поверхности тарелки. По этой поверхности фракция движется к периферии тарелки и по зазору между разделительной тарелкой и крышкой барабана поднимается вверх барабана, откуда отводится по специальным коммуникациям.

Сущность процесса осветления (рис. 12.2, б) заключается в следующем. Продукт, подвергаемый очистке, по центральной трубке поступает в тарелкодержатель, из которого направляется в шламовое пространство между кромками пакета тарелок и крышкой. Затем жидкость поступает в межтарелочные пространства. По зазору между тарелкодержателем и верхними кромками тарелок поднимается вверх и через прорезь выходит из барабана. Процесс очистки начинается в шламовом пространстве и завершается в межтарелочных. Процесс разделения гетерогенных систем осуществляется, главным образом, в межтарелочном пространстве. При этом траектория частиц дисперсной фазы состоит из двух стадий. Легкая фракция дисперсной фазы движется к оси вращения (рис. 12.3, а), а тяжелая – к периферии (рис. 12.3, б).

Саморазгружающиеся сепараторы разделяются на две основные группы: с непрерывным и пульсирующим отводом осадка.

В сепараторах с непрерывным отводом осадка последний удаляется вместе с частью жидкой фазы через сопла в виде концентрированной тяжелой фракции.

В сепараторах с пульсирующим отводом осадка последний выбрасывается из барабана при перемещении подвижного элемента, открывающего разгрузочные щели на периферии барабана.

При полной разгрузке периодически прекращается поступление продукта на сепарирование, разгрузочные щели барабана открываются и все его содержимое, т. е. выделенный осадок и жидкая фаза, выбрасывается в приемник.

Основные конструктивные факторы, которые оказывают существенное влияние на эффективность процесса сепарирования, вытекают из формул для определения производительности сепараторов. К этим факторам относятся частота вращения барабана, размеры барабана и тарелок, расстояния между тарелками.

Движущей силой фильтрации является разность давлений на входе в фильтр, состоящем из фильтрующей перегородки и слоя осадка, и на выходе из него.

Для создания разности давлений на одной стороне фильтрующего слоя должно быть избыточное давление или вакуум, в любом случае фильтрат (очищенная жидкость) поступает в сторону пониженного давления.

В качестве фильтрующих перегородок используют ткани (хлопчатобумажные, бязь, лавсан, бельтинг, капроновые, нейлоновые), ацетатцеллюлозу, полисульфон, листовой картон, металлокерамику, намывные фильтры (диатомитовые, керамические, гравиевые), патронные фильтры.

Таким образом, процесс фильтрации основан на задержании твердых взвешенных частиц фильтрующими перегородками, способными пропускать только жидкость и задерживать частицы твердой фазы. При прохождении суспензии через пористую перегородку за счет разности давлений до и после перегородки жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде освобожденного от твердых примесей фильтрата, а твердые частицы задерживаются на поверхности фильтрующей перегородки, образуя слой осадка. Образующийся на поверхности перегородки слой осадка используется как фильтрующая среда: исходная суспензия, проходя через пористые каналы слоя осадка, частично освобождается от примесей.

Для уменьшения его гидравлического сопротивления необходимо периодически удалять большую часть осадка с фильтрующей перегородки.

Характер и толщина слоя осадка, отлагающегося на поверхности фильтрующей перегородки, являются важными параметрами, определяющими эффективность фильтрации.

Различают два типа осадков:

– несжимаемые – получаемые из недеформируемых (кристаллических) частиц;

– сжимаемые – получаемые из деформируемых (аморфных) частиц.

Скорость фильтрования суспензий, образующих несжимаемые осадки, растет с увеличением давления на жидкость, а при одном и том же давлении зависит только от толщины слоя осадка.

При образовании сжимаемых осадков с повышением давления осадок сжимается, поры его уменьшаются и скорость фильтрации снижается. Следовательно, в этом случае скорость фильтрации растет не пропорционально разности давлений, а имеет некоторое отставание. Более того, скорость фильтрации при некоторой разности давлений не только не увеличивается, а наоборот, уменьшается вследствие сжатия осадка.

Исходя из этого, процесс фильтрования ведут двумя способами: при постоянном давлении суспензии и уменьшающейся скорости фильтрования; при постоянной скорости фильтрования и переменно возрастающем давлении.

На скорость фильтрации влияют следующие основные факторы: перепад давления, действующего на суспензию; толщина слоя осадка на фильтре; структура и характер осадка; состав, вязкость и температура суспензии.

На основе анализа многочисленных экспериментальных работ можно считать, что движение фильтруемой среды при протекании через поры осадка и через поры фильтрующей перегородки носит ламинарный характер вследствие малого размера пор и небольшой скорости движения жидкости. Поэтому скорость движения жидкости в порах v (м/с) можно определить из известного закона ламинарного течения – уравнения Пуазейля

,

где Δр – перепад давления в фильтре, Па; m – динамическая вязкость суспензии, Па×с; l – длина пор, м; d – диаметр пор, м.

Тогда, объем фильтра V (м³) за время t рассчитывается по формуле

,

где v – скорость движения жидкости в порах, м/с; F – площадь сечения пор фильтра, м².

Если в вышеприведенной формуле принять F = 1 м², то уравнение фильтрации запишется в виде

.

Таким образом, скорость фильтруемой среды, проходящей через единицу поверхности фильтрующей перегородки и единицу поверхности несжимаемого осадка на фильтре, выражается уравнением

,

где F₀ – общая поверхность фильтра, м²; Р_ф и Р₀ – соответственно падение давления при прохождении суспензии через фильтрующую перегородку и через слой осадка, Па; h₁ и h – толщина фильтрующей перегородки и слоя осадка, м; r₁ и r – коэффициенты сопротивления фильтрации соответственно фильтрующей перегородки и слоя осадка;

,         ,

здесь a и a₁ – поправочные коэффициенты, учитывающие криволинейность капилляров соответственно фильтрующей перегородки и слоя осадка; r и r₁ – радиус пор фильтрующей перегородки и осадка, м; n и n₁ – число капилляров (пор) на фильтрующей перегородке и в осадке на 1 м² поверхности фильтра.

Применение мембранных методов в пищевой промышленности позволяет проводить очистку и концентрирование растворов без подогрева и выпаривания. Они используются также для подготовки технологической воды, стабилизации безалкогольных напитков и виноградных вин, концентрирования натуральных соков, пастеризации, извлечения ценных компонентов из технологических стоков различных производств, очистки промышленных стоков и т. д. Применение мембранных процессов в пищевой технологии позволяет значительно снизить энергоемкость процессов обезвоживания фруктовых и овощных соков, сиропов, экстрактов по сравнению с процессами выпаривания или вымораживания, улучшить качество и повысить выход получаемых продуктов.

Мембранные процессы классифицируют по среднему размеру пор на обычную фильтрацию, микрофильтрацию, ультрафильтрацию и обратный осмос (рис. 12.4).

К процессам обычного фильтрования принято относить гидромеханические процессы, не осложненные физико-химическими явлениями. На рис. 12.4 такие процессы проходят на фильтрующих перегородках с диаметром пор от 1 мкм и более.

Микрофильтрация. Промежуточное положение между обычной фильтрацией и мембранными процессами занимает микрофильтрация. Принято считать, что поры микрофильтрационных мембран имеют средний размер от 0,1 до 10 мкм. В этих процессах могут отделяться как мельчайшие частицы механической примеси, так и отдельные клеточные организмы и частицы клеток, как, например, дрожжевые клетки в процессах микрофильтрации продуктов брожения. Процессы микрофильтрации осложняются образованием гелеобразных слоев на поверхности фильтрующей перегородки, которую в дальнейшем будем называть микрофильтрационной мембраной.

Ультрафильтрация – это процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в пространство над мембраной под давлением 0,1…1,0 МПа. Процессы ультрафильтрации выполняют на мембранах со средним диаметром пор от 0,01 до 0,10 мкм, называемых ультрафильтрационными мембранами. В процессах ультрафильтрации из исходной смеси отделяют самые мелкие бактерии и сферические вирусы, крупные белковые молекулы и т. п. Эти процессы используют для стерилизации жидких сред.

В отличие от процессов микрофильтрации ультрафильтрация может сопровождаться адсорбцией растворенных веществ на поверхности пор мембраны и даже межмолекулярным взаимодействием. Все это в значительной степени осложняет расчет процессов ультрафильтрации.

При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два принципиально новых продукта: низкомолекулярный (фильтрат) и высокомолекулярный. Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется через дренажную систему, а высокомолекулярный продукт концентрируется. Ультрафильтрация позволяет выделять молочные белки из вторичных продуктов молочной промышленности и ценные вещества из других пищевых растворов, получать дополнительные резервы производства продуктов питания. Например, выход фруктовых соков из исходного продукта при ультрафильтрации увеличивается до 95…99 %.

Ультрафильтрацией обезжиренного молока получают молочный концентрат, который используют в производстве различных видов сыров, творожных масс и кисломолочных продуктов, что увеличивает выход продукции.

Ультрафильтрация сырого сахарного сока позволяет получить чистый, свободный от коллоидов фильтрат, идущий непосредственно на кристаллизацию сахарозы.

Ультрафильтрация успешно заменяет пастеризацию пива. При этом из пива удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие его качество и снижающие стабильность. Стоимость обработки пива ультрафильтрацией в 2,5 раза ниже, чем пастеризацией.

Обратный осмос. Мембраны для процессов обратного осмоса имеют поры, средний диаметр которых не превышает 0,01 мкм. Так как на практике используют обратноосмотические мембраны с размерами пор значительно ниже указанной границы, принято измерять средний диаметр пор в ангстремах.

Если крепкий раствор соли отделить от слабого раствора полупроницаемой мембраной, то вода немедленно начинает просачиваться сквозь мембрану от слабого раствора к крепкому. Силу, заставляющую воду проникать через микропоры мембраны, называют осмотическим давлением.

Если приложить к сосуду с концентрированным раствором внешнее давление, то перенос воды через мембрану сначала уменьшится, а затем, когда внешнее давление станет равно осмотическому, вообще прекратится. Дальнейшее увеличение давления заставит воду проходить в обратном направлении, т. е. от концентрированного раствора к разбавленному. Это и есть обратный осмос.

Для всех мембранных процессов характерно накопление на поверхности мембраны частиц веществ, которые не проходят через мембрану. Это явление получило название концентрационной поляризации. Образующийся слой часто обладает меньшей проницаемостью, чем сама мембрана. Чтобы разрушить слой, необходимо перемешивать жидкость над поверхностью мембраны. Поэтому подавляющее большинство мембранных аппаратов работает в проточном режиме.

Обработка виноградных вин обратным осмосом позволяет решить вопрос их стабилизации. При использовании обратного осмоса через мембрану проходят вода и этиловый спирт, а ионы калия и винная кислота остаются в концентрате, из которого интенсивно выпадает винный камень. После фильтрования концентрата его смешивают с фильтратом, что повышает его стабильность на длительный срок.

Обратным осмосом концентрируют яичный белок. При этом не происходит денатурирования протеинов и получают яичный белок с содержанием протеинов до 30 %.

Разделение методами обратного осмоса и ультрафильтрации принципиально отличается от обычного фильтрования. При обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора: концентрированный и разбавленный, в то время как при фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке. В процессе обратного осмоса и ультрафильтрации накопление растворенного вещества у поверхности мембраны (вследствие концентрационной поляризации) недопустимо, т. к. при этом резко снижаются селективность (разделяющая способность) и проницаемость (удельная производительность) мембраны, сокращается срок ее службы.

Мембрана – это фильтрующая перегородка с размерами пор, приближающимися к размеру молекул.

Мембраны изготовляют из различных материалов: полимерных пленок, стекла, металлической фольги и т. д. Наиболее распространены мембраны из полимерных пленок.

Мембраны должны обладать следующими свойствами: высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); постоянством своих характеристик в процессе эксплуатации; химической стойкостью в разделяющей среде; механической прочностью; невысокой стоимостью.

Полупроницаемые мембраны бывают пористыми и непористыми. Через непористые мембраны растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентрации в результате молекулярной диффузии. Поэтому эти мембраны называют диффузионными. Они представляют собой квазигомогенные гели. Скорость диффузии компонентов через эти мембраны зависит от энергии активации при взаимодействии частиц компонентов с материалом мембран.

Скорость диффузии также зависит от подвижности отдельных звеньев мембранной матрицы и от размеров диффундирующих частиц. Скорость тем выше, чем сильнее набухает мембрана.

Скорость диффузии молекул через диффузионную мембрану прямо пропорциональна коэффициенту диффузии, который зависит от размеров молекул и их формы.

Диффузионные мембраны применяются для разделения компонентов с близкими свойствами, но с молекулами различных размеров.

Так как диффузионные мембраны не имеют капилляров, они не забиваются и их проницаемость остается постоянной в процессе разделения.

Диффузионные мембраны обычно применяют для разделения газовых и жидких смесей методом испарения через мембрану.

Для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации применяют пористые мембраны, изготовляемые в основном из полимерных материалов. Полимерные мембраны могут быть анизотропными и изотропными.

Мембрана с анизотропной структурой состоит из тонкого поверхностного слоя на микропористой «подложке». Разделение происходит на поверхностном активном слое, и практически весь перепад давления приходится на этот слой.

Изотропные мембраны образуются при облучении тонких полимерных пленок заряженными частицами с последующим травлением химическими реагентами. Выпускают изотропные мембраны на основе поликарбонатных пленок.

В промышленности применяют следующие полимерные мембраны: целлюлозные, на основе эфиров целлюлозы, акрилонитриловые, нейлоновые, поливинилхлоридные, изготовленные на основании поликарбонатов и полисульфонов.

Наиболее широко распространены в различных промышленных производствах полимерные мембраны. Эти мембраны, изготовленные из различных полимеров, имеют ряд преимуществ: достаточную механическую прочность, равномерность размеров пор, высокую химическую стойкость. Фильтрующая перегородка из полимерных мембран может иметь любую форму. Изготовляют полимерные мембраны в виде плоских пленок и лент, цилиндрических пленок на пористой цилиндрической основе и полых волокон.

По назначению различают полимерные мембраны для разделения газов и жидких смесей. Внутри этих двух групп мембраны различают в зависимости от конкретного процесса. Например, мембраны для жидкостей делятся на микрофильтрационные, ультрафильтрационные, обратноосмотические, диализные и т. д.

Полимерные мембраны по устройству можно разделить на три группы: симметричные и асимметричные мембраны и полые волокна.

Симметричные мембраны имеют одинаковые по размеру поры, пронизывающие мембрану в одном направлении. Эти мембраны, получаемые методом бомбардирования полимерных пленок ядрами тяжелых металлов, не обладают достаточной пористостью и потому имеют ограниченное применение.

Асимметричные мембраны состоят, как правило, из двух и более слоев различной плотности и пористости. Несмотря на малые размеры пор в рабочем слое мембраны, гидравлическое сопротивление при фильтрации жидкости через него невелико из-за очень малой толщины (длины капилляра).

Второй слой имеет высокую пористость и большую толщину, обеспечивающую механическую прочность всей мембраны. Слои могут быть изготовлены из одного и того же полимера или из разных полимеров. Рабочий слой может быть нанесен на любой пористый материал (ткань, бумага и т. д.), если при этом обеспечивается надежная адгезия материала мембраны на выбранной подложке.

Мембраны – полые волокна –  изготовляют наружным диаметром от 40 мкм до 2,5 мм и внутренним диаметром от 20 мкм до 1,5 мм. Толщина стенки полого волокна должна обеспечивать его прочность и устойчивость при действии внешнего или внутреннего давления. Несмотря на сравнительно большую неравномерность пор, полые волокна получили распространение в аппаратах для обратного осмоса и ультрафильтрации, т. к. обеспечивают огромную поверхность фильтрации в единице объема аппарата.

Жидкими мембранами называют полупроницаемые пленки из молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ), образованные на поверхности пористой основы. Необходимое условие образования жидкой мембраны – наличие водородных связей между молекулами воды и ПАВ. Такие ПАВ, как поливинилметиловый эфир и поликсиэтилированные алкилфенолы, эффективно повышают солезадерживающую способность мембран.

Для идеальных растворов осмотическое давление Р зависит от концентрации раствора

,

где x – концентрация, кг/м³; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кг×К); Т – температура раствора, К.

В случае реальных растворов требуется вводить поправку

,

где  – осмотический коэффициент, оцениваемый обычно по понижению точки замерзания исследуемого раствора.

В пищевой промышленности обратный осмос применяют при подготовке технологической воды, при концентрировании термолабильных растворов, в том числе фруктовых и овощных соков. В связи с тем, что процессы микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса осуществляют под избыточным давлением, поэтому их принято называть баромембранными процессами.

Так как в баромембранных процессах разделения наблюдается некоторая аналогия с обычным фильтрованием, отметим принципиальные отличия мембранных процессов. В процессе простого фильтрования частицы, содержащиеся в исходной смеси, задерживаются внутри пор фильтрующей перегородки или на ее поверхности с образованием слоя осадка. С течением времени фильтрующая перегородка забивается мелкими частицами и скорость фильтрования падает. Процесс останавливают и фильтрующую перегородку (например, фильтровальный картон) выбрасывают или регенерируют (фильтровальная ткань). В процессах с образованием слоя дополнительно вначале удаляют слой осадка.

Если представить себе мембрану с равномерными порами, то при разделении смеси, содержащей частицы размером большим, чем размер пор, справедливо полагать, что ни одна частица не проникнет в пору и не закупорит ее. В этом случае мембрана обеспечивает разделение исходной смеси на два потока, один из которых проходит через мембрану (фильтрат), а второй (концентрат) уносит отделяемые компоненты смеси на следующую степень разделения или в сброс.

Главная особенность мембранного разделения заключается в том, что в условиях, когда размеры пор мембраны соизмеримы с размерами молекул растворителя и растворенного вещества, совершенно меняется механизм фильтрования. Можно выделить несколько последовательных стадий мембранного процесса: перенос компонентов исходного потока к поверхности мембраны; проникновение этих компонентов в мембрану; прохождение их через мембрану; выход компонентов из мембраны с противоположной стороны; распространение прошедших через мембрану компонентов в растворе справа от мембраны.

Поток веществ m через мембрану равен

,

где k – коэффициент проницаемости, характеризующий скорость процесса, кг/(м²×с), DС – движущая сила процесса, кг/кг.

К важнейшим технологическим параметрам баромембранных процессов относятся скорость фильтрации, полнота разделения (селективность) и проницаемость компонентов.

Скоростью фильтрации называют объемный расход фильтрата, получаемого в единицу времени с 1 м² площади мембраны.

Разделяющую способность мембраны принято характеризовать селективностью R (%)

,

где С₁ и С₂ – концентрации задерживаемого вещества в исходном растворе и фильтрате.

Иногда R называют коэффициентом солезадержания.

Проницаемость G (л/(м³×ч)) при данном давлении выражается соотношением

,

где V – объем фильтрата, л; F – рабочая площадь поверхности мембраны, м²; t – продолжительность процесса, ч.

Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых превращений. Работа А_м (Дж) расходуется на создание давления в жидкости и продавливание ее через мембраны:

,

где А_с – работа на сжатие жидкости, Дж; А_пр – работа на продавливание жидкости через мембрану, Дж.

Так как жидкость несжимаема, величиной А_с обычно пренебрегают. Работа на продавливание жидкости равна

,

где  – перепад давления на мембране; Н/м²; V – объем продавливаемой жидкости м³.