CC BY
148
УДК 62-13:641.522.8
РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ
М.В. Просин, А.Н. Потапов, А.С. Иванова, Е.С. Полищук
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 650056, Россия, г. Кемерово, бр. Строителей, 47, [email protected]
Разработано новое оборудование для повышения эффективности процесса экстрагирования в системе твердое тело - жидкость, на основе роторно-пульсационного аппарата. Дана конструкция и принцип работы роторно-пульсационных экстракторов. Опытным путем обоснована их эффективность на экспериментах по извлечению из плодов черноплодной рябины и по проведению процесса затирания для пивоваренной промышленности. Предложенные конструкции экстракторов интенсифицировали процесс извлечения и снизили количество потребляемой энергии на 1015%, за счет направляющих лопастей и использования СВЧ-излучения. Использование экстракто-
ров на стадии затирания привело к уменьшению длительности процесса в 5-8 раз, увеличению выхода сухих веществ и сокращению последующих стадий производства пива. Ил. 3. Табл. 1. Библ. 5 назв.
Ключевые слова: экстрагирование; роторно-пульсационный экстрактор; плодово-ягодное сырье; затирание.
ROTOR-PULSATION MACHINE FOR EXTRACTING IN SOLID - LIQUID SYSTEM
M.V. Prosin, A.N. Potapov, A.S. Ivanova, E.S. Polishchuk
Kemerovo Institute of Food Science and Technology,
47, Stroitelei Ave., Kemerovo, 650056, Russia, [email protected]
New equipment based on the rotor-pulsation machine to increase the efficiency of extraction process in system solid - liquid is developed. Design and working principle of the rotary-pulsation extractors is given. Theirs effectiveness empirically proved by experiments to extract from black chokeberry fruits and by the mashing process for brewing industry. The proposed extractors constructions intensified the process of extraction and reduced energy consumption at 10-15%, by using the guide vanes and microwave effect. The extractors use in the mashing step have reduced the processing time at 5 - 8 times, have increased the solids yield and have reduced the next stages of beer production. 3 figures. 1 tables. 5 sources.
Key words: extraction; rotary-pulsation extractor; fruit and berry raw materials; mashing process.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение эффективности и улучшение экономической ситуации является важной задачей для производств различных отраслей, в том числе и пищевой. Эту задачу можно решить, используя инновационное оборудование для производственных процессов. Поэтому разработка нового высокоэффективного оборудования и модернизация уже применяющихся аппаратов, в настоящее время, является актуальной задачей технических наук, поскольку позволяет интенсифицировать процесс, снизить затраты на производство и улучшить качество конечного продукта.
Экстрагирование, с давних времен, является одним из основных процессов, применяемых в различных отраслях промышленности (фармацевтическая, косметическая, химическая и др.). Экстрагирование в системе твердое тело - жидкость в пищевой промышленности является так же важным процессом, определяющим дальнейшие стадии переработки сырья и получения конечных продуктов. Поэтому требуется, чтобы процесс экстрагирования проводился высокоэффективно и экономически обоснованно.
Анализ применяемых экстракторов и методов повышения эффективности процесса экстрагирования, позволяет сделать вывод об основных путях совершенствования конструктивного оформления этого процесса. Наиболее значимые методы интенсификации процесса
сводятся к увеличению поверхности контакта фаз и применению активных гидромеханических режимов ведения процесса.
Повышение поверхности массообмена традиционно достигается уменьшением размера частиц твердой фазы, участвующей в процессе, но следует иметь в виду, что переизмельчение приводит к ухудшению массообме-на. Применение активных гидродинамических режимов экстрагирования связано в основном с совершенствованием конструкций аппаратов. Традиционные конструкции экстракторов обеспечивают стабильную работу, но и имеют ряд недостатков, к которым относятся большие габариты, высокие продолжительность обработки сырья и энергозатраты, сравнительно низкая степень извлечение компонентов.
Из всего многообразия используемых для процесса экстрагирования аппаратов хотелось бы выделить аппараты роторно-пульсацион-ного типа (РПА). В данных аппаратах происходит интенсивное воздействие на обрабатываемую среду акустической импульсной кавитацией, гидравлическими ударами, сдвиговыми напряжениями, что приводит к повышению эффективности осуществляемых процессов. Экстрагирование в РПА основано на циркуляции и многократной обработке среды во внутреннем объеме аппарата. При работе РПА наблюдаются большие градиенты скоростей, происходит интенсивное механическое воздействие на час-
Рис. 1. Роторно-пульсационный экстрактор с направляющими лопастями: 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - отверстия; 4 - статор; 5 - крышка; 6 - лопасти; 7 и 8 - патрубки; 9 - тепловая рубашка; 10 и 11 - патрубки тепловой рубашки
тицы сырья, возникает эффективная турбули-зация и пульсация потока. Необходимо отметить, что использование роторно-пульсацион-ных аппаратов позволяет исключить из технологического цикла стадию измельчения. Явления, происходящие при работе данных аппаратов, способствуют сокращению продолжительности экстрагирования, увеличению выхода извлекаемых веществ, а также повышению качественных характеристик получаемых экстрактов [4].
Таким образом целью работы являлась разработка оборудования для проведения процесса экстрагирования и экспериментальное обоснование его эффективности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
На кафедре ПАПП КемТИПП был разработан роторно-пульсационный экстрактор с направляющими лопастями (далее экстрактор 1), представленный на рисунке 1 [2].
Аппарат работает следующим образом. Через входной патрубок подаются компоненты жидкой и твердой фаз, под действием центробежных сил поток движется через прорези зубьев ротора и статора. Затем поток прямоугольными лопастями направляется в нижнюю часть рабочей зоны, где за счет насосного эффекта проходит через отверстия в ступице ротора. При работе аппарата происходит перекрывание зубьев ротора и статора, вследствие чего продукт подвергается механическому воздействию, а так же возникают пульсации потока и его турбулизация. За счет закрепленных на
внутренней стенке корпуса лопастей 6 происходит интенсивная, направленная и многократная циркуляция потока внутри рабочей зоны аппарата.
По аналогии с предыдущим аппаратом, был разработан роторно-пульсационный экстрактор с промежуточной обработкой продукта (далее экстрактор 2), представленный на рис. 2 [3].
Конструкция аппарата схожа с экстрактором 1. Отличительной особенностью данного аппарата являются видоизмененные прямоугольные лопасти 6, изогнутые по винтовой линии в сторону противоположную вращению ротора, и соединенные со штуцерами 12 на крышке аппарата. Лопасти предназначены для вывода части продукта из аппарата для промежуточной обработки (нагрев, центрифугирование, сепарирование и тд.). Количество лопастей может варьироваться в зависимости от характера обработки продукта и количества необходимого оборудования.
Аппарат работает следующим образом. Через входной патрубок подаются компоненты жидкой и твердой фаз, где под действием центробежных сил материальный поток движется через зубья ротора и статора. Затем часть потока прямоугольными лопастями, через промежуточный штуцер, направляется на дополнительную обработку в камеры А и Б. Остальная часть продукта циркулирует в рабочей области аппарата за счет насосного эффекта через отверстия в ступице ротора. Прошедший обработку в камерах А и Б продукт возвращается
Рис. 2. Роторно-пульсационный экстрактор с промежуточной обработкой продукта: 1 -
корпус; 2 - ротор; 3 - отверстия; 4 - статор; 5 - крышка; 6 - лопасти; 7 и 8 - патрубки; 9 - тепловая рубашка; 10 и 11 - патрубки тепловой рубашки; 12 - промежуточный штуцер; А и Б - требуемая дополнительная обработка
обратно в рабочую зону через загрузочный штуцер. Процесс многократно повторяется и весь продукт подвергается дополнительной обработке в камерах А и Б.
Эффективность разработанных аппаратов была подтверждена в ходе проведения экспериментов по извлечению сухих веществ из плодово-ягодного сырья, а так же по проведению процесса затирания для пивоваренного производства.
Для исследований использовались:
- ягоды черноплодной рябины с водно-спиртовым раствором 40 %;
- солод пивоваренный ячменный производителя «Невский берег» (ГОСТ 29294 - 92) и вода питьевая (СанПиН 2.1.4.10749-01).
При проведении экспериментов применяли известные физико-химические, биохимические и микробиологические методы исследования [1]. Определение концентрации сухих веществ в полученных образцах осуществлялось при помощи рефрактометрического анализа на установке ИРФ-454Б2М. Готовое пиво анализировали также принятыми методами [1].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эксперименты на плодах черноплодной рябины показали увеличение концентрации экстрактивных веществ, в зависимости от времени и числа направляющих лопастей в экстракторе 1. Результаты показаны на рисунке 3.
Анализ результатов показал, что максимальная концентрация была достигнута через 20 минут, при этом лучший результат был у аппарата с 8 и 12 лопастями. Дальнейшее проведение процесса становиться не рациональным,
так как наступает равновесие фаз.
Это объясняется тем, что за счет установленных лопастей поток организованно направляется в рабочую зону аппарата, затем снова проходит через прорези ротора и статора для повторения цикла обработки. Многократное прохождение увеличивает длительность контакта экстрагируемой среды с экстрактом, резко уменьшая размер частиц твердого тела, тем самым увеличивая поверхность соприкосновения фаз, уменьшая диффузионное сопротивление, за счет чего количество веществ диффундирующих в единицу времени возрастает. Неоднократное воздействие ультразвуковых волн позволяет ускорить процесс набухания материала, растворения содержимого клетки и увеличить скорость обтекания частиц сырья. Молекулярная диффузия внутри частиц материала и в пограничном диффузионном слое практически заменяется конвективной, что приводит к интенсификации массообмена.
При установке 12 лопастей концентрация оказалась максимально приближена к значениям, полученным на экстракторе с 8 лопастями, а нагрузка на электродвигатель увеличилась. В случае с большим количеством лопастей (в данном случае 12) поток скорее не организуется, а наоборот создает дополнительные завихрения и флуктуации, за счет чего движение потока становиться турбулентным и мощность увеличивается. В связи с этим, использование более чем 8 лопастей становится не рациональным.
Далее были проведены эксперименты по приготовлению заторов для дальнейшего производства пива. Оценка эффективности работы
8 7 6 5 4
О
10
15
Время, мин
20
25
30
■ Без лопастей
- 4 лопасти
8 лопастей
12 лопастей
Рис. 3. Зависимость концентрации экстрактивных веществ от продолжительности процесса и числа лопастей
экстракционного аппарата осуществлялась путем сравнения значений концентрации растворимых сухих веществ и других компонентов в сусле, полученным при помощи экстрактора 2 и приготовленным по классической настойной схеме затирания [5]. В качестве дополнительной обработки использовалось СВЧ-воздействие, для обеспечения необходимого температурного режима.
Следует отметить, что затирание - неотъемлемая технологическая стадия производства пива, которая проводится в заторных аппаратах и длится более полутора часов [5]. В нашем случае требуемая концентрация достигалась в течение 15 минут.
Для оценки влияния температуры были проведены исследования при следующих температурах: опыт 1-65 °С; опыт 2-70 °С; опыт 375 °С. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Для соблюдения технологических условий приготовления пива после проведения экспериментов бралась проба на осахаривание крахмала в полученном заторе [1]. На всех опытах йодная проба показала полное осаха-ривание крахмала.
Анализируя результаты экспериментов видно, что лучшие физико-химические показатели у сусла, полученного в опыте 2. При использовании рациональных параметров обработки и температуры 70 °С в полученном сусле увеличивается содержание аминного азота на 17%, на 43% снижается содержание высокомолекулярной фракции белка А, количество по-лифенольных веществ уменьшается на 68% и
мутность снижается на 26% по сравнению с контрольным образцом, что положительно влияет на качество конечного продукта.
Далее из полученного пивного сусла готовили пиво. На стадии брожения опытный образец показал себя несколько лучше, чем контрольный, продолжительность сбраживания снизилась на 30%. Пиво, сваренное из опытного образца, незначительно отличалось от контрольного по содержанию спирта, кислотности и цвету, обладало чистым, полным, гармоничным вкусом и получило высокую дегустационную оценку.
Таким образом, обработка заторов в экстракторе 2 улучшает качество пивного сусла, положительно влияет на процесс брожения и качество готового продукта.
Эксперименты по определению мощности, потребляемой электродвигателем на экстракторе 2, показали не такие хорошие результаты, как на экстракторе 1. Каждая установленная лопасть для дополнительной обработки повышает количество потребляемой энергии на 5 -7 %. Это можно объяснить тем, что лопасть направляет часть материала в сторону от основного направления материального потока. За счет чего увеличивается сопротивление, а, следовательно, и мощность. Поэтому использование большого количества лопастей не рационально и требует установки более мощного электродвигателя.
Следует отметить, что при использовании СВЧ-излучения, для создания необходимого температурного режима, затраты на электроэнергию гораздо меньше, чем при любом дру-
3
2
0
0
5
Таблица
Физико-химические показатели опытного сусла
Показатель Контроль Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3
Массовая доля сухих веществ, % 20,9 21,0 21,5 21,5
Содержание аминного азота, мг/100 г сухих веществ 273,3 226,5 320,3 283,1
Содержание фракции белка А, мг/100 г сухих веществ 188,6 115,4 108,3 106,0
Содержание полифенолов, мг/100 г сухих веществ 1596 680,5 665,2 677,0
Мутность, ед. опт. плотн. 0,46 0,44 0,34 0,30
гом способе нагрева. В связи с этим, на стадии обогрева и происходит значительная экономия энергии.
Анализ экспериментальных данных показал, что при использовании разработанного нами экстрактора повышается эффективность производства пива за счет большего извлечения экстрактивных веществ солода и экономии сырья, снижается время проведения процесса затирания и, как следствие, расход электроэнергии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В качестве наиболее значимых результатов можно отметить интенсификацию процесса затирания при производстве пива. Полученные
данные показывают сокращение продолжительности процесса в 5-8 раз, увеличение выхода сухих веществ, сокращение продолжительности последующих стадий производства пива. Использование аппарата при получении плодово-ягодных экстрактов также позволило сократить продолжительность экстрагирования в 2-4 раза при соответствующем качестве конечного продукта и снизить количество потребляемой энергии на 10-15%.
Таким образом, применение разработанных аппаратов показало высокую эффективность данных устройств и перспективность их использования в различных отраслях промышленности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Ермолаева Г.А. Справочник работника лаборатории пивоваренного предприятия. СПб.: Профессия, 2004. 546 с.
2. Патент № 2397793. Роторно-пульсационный экстрактор с направляющими лопастями / А.Н. Потапов, Е.А. Светкина, А.М. Попик, М.В. Просин
3. Патент № 2445143. Роторно-пульсационный экстрактор с промежуточной
обработкой продукта / А.Н. Потапов, Е.А. Свет-кина, А.М. Попик, М.В. Просин
4. Промтов М. А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика: монография. М.: Машиностроение -1, 2001. 260 с.
5. Федоренко Б.Н. Пивоваренная инженерия: технологическое оборудование отрасли: Учебник для студентов вузов. СПб.: Профессия, 2009. 1000 с.
1. Ermolaeva G.A. Spravochnik rabotnika laboratorii pivovarennogo predpriyatiya [Dictonary to worker of brewery laboratory]. St. Petersburg, Professiya Publ., 2004, 546 p.
2. Potapov A.N., Svetkina E.A., Popik A.M., Prosin M.V. Rotorno-pulsatsionnyi ekstraktor s napravlyayushchimi lopastyami [Rotary-pulsation extractor with guide vanes]. RF Patent no. 2397793.
3. Potapov A.N., Svetkina E.A., Popik A.M., Prosin M.V. Rotorno-pulsatsionnyi ekstraktor s promezhutochnoi obrabotkoi produkta [Rotary-
pulsation extractor with intermediate treatment of the product]. RF Patent no. 2445143.
4. Promtov M.A. Pulsatsionnye apparaty rotornogo tipa: teoriya i praktika [Pulsation machines of rotary type: theory and practice]. Moscow, Mechanical engineering Publ., 2001, 260 p.
5. Fedorenko B.N. Pivovarennaya inzheneriya: tekhnologicheskoe oborudovanie otrasli [Brewing Engineering: technological equipment]. St. Petersburg, Professiya Publ., 2009, 1000 p.
Поступило в редакцию 14 ноября 2014 г.
