CC BY
71
УДк 621.928.3
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФИЛьТРУЮщИх цЕНТРИФУГ
для выделения крахмала из крахмалсодержащих суспензий
в.Г. ЖУков1, доктор технических наук, профессор
Н.р. АНДрЕЕв2, член-корреспондент рАН, директор
Н.Д. ЛУкИН2, доктор технических наук, зам. директора
в.Г. костЕНко2, кандидат технических наук
Московский государственный университет пищевых производств, волоколамское ш., 11, г. Москва, 125080, россия
2вНИИ крахмалопродуктов, ул. Некрасова, д.11, кра-сково, Люберецкий район, Московская область, 140051, россия
Е-mail: [email protected]
Резюме. Для выделения крахмальных зерен после терочных устройств из частично разрушенных клеток кашки крахмалсо-держащего сырья наиболее эффективными могут стать фильтрующие центрифуги с коническим ситом, которые отличаются малыми эксплуатационными затратами. Перспективное направление их совершенствования заключается в снабжении конструкций кольцевыми дисками и перегородками, устанавливаемыми с зазором или без зазора с фильтрующей поверхностью и обладающими возможностью осевого смещения для регулирования степени торможения и времени нахождения осадка мезги перед перегородками без остановки ротора. такое дополнение устраняет чувствительность разделения к изменению свойств сырья и получаемых фракций, создает возможность промывки осадка, в том числе неоднократной (каскадной), внутри сита без сброса и повторного центрифугирования, что на 10-15% повышает выход крахмала при однократном разделении. регулируемое положение дисков даёт возможность набирать, промывать и осушать продукт в роторе столько времени, сколько требуется в зависимости от параметров суспензии и разделяемых фракций, а также конструкции. Непроницаемая кольцевая стенка совместно с принудительно смещаемым в осевом направлении диском служит в каждой зоне для образования напорного кольца промывной жидкости перед осадком. Это создает возможность эффективной неоднократной промывки осадка, что обеспечивает практически полный вывод свободного крахмала из мезги. кроме того, такая конструкция позволяет набирать и эффективно осушать осадок от дисперсионной среды суспензии и промывной жидкости. такое направление совершенствования фильтрующих центрифуг распространяется на устройства с коническим ситом и на лопастные центрифуги. Ключевые слова: крахмалосодержащие суспензии, крахмальные зерна, фильтрующие центрифуги, коническое сито, лопастные центрифуги, производительность, промывка. Для цитирования: Перспективное направление совершенствования фильтрующих центрифуг для выделения крахмала из крахмалсодержащих суспензий / в.Г. Жуков, Н.р. андреев, Н.Д. Лукин, в.Г. костенко//Достижения науки и техники апк. 2014. т.28. №12. с. 60-62.
Крахмал обеспечивает почти три четверти пищевой энергии, потребляемой человечеством, широко используется в пищевой (кондитерской, мясо-молочной, хлебопекарной и др.), фармацевтической, текстильной, целлюлозно-бумажной, химической и других отраслях промышленности. Мировой рынок крахмала на сегодняшний день один из самых быстроразвивающихся.
К основным видам крахмалсодержащего сырья относят картофель, кукурузу, пшеницу, тапиоку. Реже его производят из ячменя, ржи, риса, гороха, сорго и др. В клубнях картофеля содержится до 24% крахмала, в зёрнах кукурузы и пшеницы — до 76%, риса — до 77% [1]. В исходном состоянии он заключен в заполненных соком
клетках в виде продолговатых или округлых зерен. При этом у картофельного крахмала они имеют овальную форму и размер от 15 до 100 мкм, у кукурузного - от 5 до 25 мкм, зерна пшеничного крахмала имеют уплощенную эллиптическую или круглую форму и размер от 2 до 35 мкм, рисового - от 3 до 8 мкм.
Для выделения крахмальных зерен оболочки клеток разрушают в специальных терочных устройствах, после которых получают сложную суспензию (кашку). Крахмал в разрушенных клетках называют свободным, оставшийся в неразрушенных - связанным. Сразу после этого кашку необходимо разделить на две фракции: мезгу в виде грубой части из разрушенных оболочек клеток с остатками сока и крахмальных зерен связанного и частично сохранившегося в порах мезги свободного крахмала и крахмальное молоко в виде суспензии из крахмальных зерен в соке (клеточной жидкости). Для более полного выделения крахмала мезгу могут повторно истирать, получая дополнительный свободный крахмал, промывать и вновь разделять. Далее крахмальную суспензию сгущают и высушивают.
Наиболее нестабилен процесс разделения кашки вследствие трудности вывода крахмальных зерен из частично разрушенных клеток и изменчивости свойств партий крахмалсодержащего сырья. Достижение желательной универсальности оборудования осложняется отмеченным ранее широким диапазоном варьирования параметров крахмальных зерен.
Поэтому в крахмалопаточном производстве применяют разнообразные по конструкции и движущей силе устройства. Их основу составляют дуговые сита, фильтры, осадительные и фильтрующие центрифуги непрерывного и периодического действия, гидроциклоны, сотрясательные сита [2]. Из перечисленного оборудования наиболее предпочтительными, на наш взгляд, могли бы стать фильтрующие центрифуги с коническим ситом. Они отличаются простотой конструкции, высокой производительностью и возможностью автоматизации работы, что обеспечивается большой величиной движущей центробежной силы, тонкослойностью фильтруемого потока кашки, непрерывностью процесса.
В традиционных конструкциях фильтрующих центрифуг с коническим ситом кашица поступает по питающей трубе к малому основанию конического сита и его раскручивающими элементами, отбрасывается на фильтрующую поверхность, сползая по которой тонким слоем, она под действием центробежных сил практически сразу образует осадок мезги, сквозь который крахмальное молоко фильтруется и сбрасывается в приемник фильтрата. В этот период, который можно условно отнести к напорной фильтрации [3], суспензия течет по ситу до почти полного вывода жидкой фракции. В осадке практически остается только то крахмальное молоко, которое заполняет поры мезги. Можно условно считать, что после этого начинается второй период - сушка осадка в режиме безнапорной фильтрации. П оскол ьку граница перехода гради ентного потока суспензии первого периода в скольжение осадка мезги как твердого тела второго периода представляет собой зигзагообразную линию с довольно длинными языками - шлейфами недоотфильтрованной суспензии, наиболее интенсивный отвод фильтрата происходит в
первой трети конического сита и осуществляется лишь на 15-20% фильтрующей поверхности сита.
Далее осадок мезги начинает двигаться по ситу подобно твердому телу с ускорением, поскольку коэффициент его трения о фильтрующую поверхность оказывается сниженным. Кроме того, движение осадка приобретает скачкообразный характер вследствие проскальзывания по неровностям фильтрующей поверхности и шероховатости контактирующей с ней мезги. В результате длительность прижатия осадка к поверхности сокращается, и интенсивность фильтрации ухудшается, несмотря на возможность увеличения центробежных сил с передвижением осадка в сите на окружности большего радиуса. Еще один побочный эффект возникает при фильтровании в коническом сите. На границе первого и второго этапов образуются комки-глобулы из мезги с высоким содержанием фильтрата, которые перекатываются без фильтрования по внутренней поверхности осадка. Достигший края сита осадок мезги с остатками фильтрата сбрасывается в соответствующий приемник.
Желательное увеличение наполнения длины сита суспензией первого периода, например, для повышения производительности центрифуги, может привести к прорыву недоотфильтрованной суспензии к краю сита и сбросу ее вместе с мезгой в приемник осадка, что, увеличивая влажность осадка, кроме того, снижает вывод крахмала.
Таким образом, для успешного применения перспективных непрерывных фильтрующих центрифуг с коническим ситом в крахмалопаточном производстве необходимы конструктивные изменения, которые устранили бы отмеченные недостатки.
Цель исследований заключалась разработке общего направления усовершенствования конструкций распространенных, простых в изготовлении и эксплуатации фильтрующих центрифуг с коническим ситом для
рисунок. Фильтрующая центрифуга с двойной промывкой осадка: а) схематический общий вид; б) вырез ротора с тремя дисками, разделяющими зоны набора осадка с его первичным разделением и двойной промывкой осадка; 1 - неподвижный корпус; 2 - приемник фильтра и осадка; 3 - приемник осадка; 4, 5, и 6 - зоны фильтрующей поверхности конического сита; 7, 8 и 9 - кольцевые непроницаемые стенки; 10, 11 и 12 - средство регулирования движения суспензии и/или ее осадка по фильтрующей поверхности в виде дисков; ; 13 - привод ротора; 14 - устройство осевого смещения каждого диска; 15, 16 и 17 - штоки осевого смещения дисков; 18 и 19 - выпускные сопла промывной жидкости; 20 - питающий патрубок. Стрелками со сплошными линиями показано направление движения суспензии, фильтрата и промывной жидкости, стрелками с пунктирными линиями - направление движения осадка.
повышения эффективности выделения крахмальных зерен из различного вида сырья.
Условия, материалы и методы. В результате анализа работы фильтрующих центрифуг с коническим ситом сформулировано перспективное направление совершенствования их конструкции, которое позволяет решить поставленную проблему. Оно заключается в снабжении конструкций кольцевыми перегородками аналогично тем, что приведены в [4], но устанавливаемыми с зазором или без зазора с фильтрующей поверхностью и обладающими возможностью осевого смещения для регулирования степени торможения и времени нахождения осадка мезги перед перегородками. Это устраняет чувствительность разделения к изменению свойств сырья и получаемых фракций, создает возможность промывки осадка, в том числе неоднократной (каскадной), внутри сита без сброса и повторного центрифугирования, что значительно повышает выход крахмала. Обратим также внимание на то, что такое усовершенствование можно распространить и на лопастные фильтрующие центрифуги, которые по ряду важных показателей даже более перспективны, чем конические [5-9].
результаты и обсуждение. Рассмотрим в качестве примера конструкцию и работу фильтрующей центрифуги с коническим ситом и тремя кольцевыми перегородками.
Фильтрующая центрифуга включает неподвижный корпус 1 с приемниками 2 и 3 фильтрата и осадка соответственно (см. рисунок, а). В корпусе 1 размещен ротор в виде сита с конической фильтрующей поверхностью, с зонами 4, 5, 6, состыкованными с кольцевыми непроницаемыми стенками 7, 8, 9 (см. рисунок, б). Угол раскрытия конусов в зонах 4, 5, 6 может быть различен. Центрифуга имеет средство регулирования движения суспензии и/или ее осадка по фильтрующей поверхности, выполненное в виде дисков 10, 11, 12, соосных
ситу и установленных по ходу движения суспензии или ее осадка за стенками 5, 6, 7 соответственно. При этом максимальный радиус каждого диска 10, 11, 12 больше и наименьший радиус меньше наибольшего радиуса расположенной пе ред ним кольцевой сплошной стенки 7, 8, 9. Диски могут быть составными и иметь в осевой плоскости профиль произвольной формы, в том числе под наклоном к плоскости вращения, могут быть дополнены по своей периферийной окружности конической отбортовкой для улучшения удерживания сохраняе мого перед ним осадка и снижения контактного давления на фильтрующую поверхность. Элементы ротора приводятся в движение приводом 13, вращающим их с угловой скоростью ю и дополненным устройством 14 необходимого осевого смещения Д10, А11, Д12 соответственно каждого из дисков 10, 11, 12
штоками 15, 16, 17. Величины Ду осевого смещения дисков можно регулировать в процессе работы центрифуги в заданные для них периоды времени. Центрифуга имеет устройство для двукратной промывки, выпускные сопла 18, 19 которого направлены на подачу промывной жидкости между дисками 11, 12 и предстоящими им кольцевыми непроницаемыми стенками 8, 9. Подача суспензии осуществляется по питающему патрубку 20.
Работает фильтрующая центрифуга следующим образом.
Размещенный в корпусе 1 ротор приводят во вращение приводом 13. При отсутствии диска 10 средства регулирования движения суспензии по фильтрующей поверхности диск 11 устройством 14 при помощи штока 16 сдвигают влево к фильтрующей конической поверхности 5 сита (см. рисунок, б). Суспензию подают по питающей трубе 20 в зону 4. Попадая в сито, она фильтруется под действием центробежных сил инерции. При этом на поверхности 4 образуется осадок. Дисперсионная среда вытекает в приемник фильтрата 2, а осадок сползает на фильтрующую поверхность 5 к диску 11, образуя кольцевой объем. По промывному устройству подают промывную жидкость, которая вытекает из его выпускного сопла 18 и попадает между кольцевой непроницаемой стенкой 8 и диском 11 на внутреннюю поверхность кольцевого объема осадка. Образуемый жидкостью кольцевой напорный слой на внутренней свободной поверхности осадка распределяется по всему объему, что обеспечивает его эффективную промывку. С прекращением подачи промывной жидкости напорный слой постепенно исчезает, и она начинает течь в осадке струями и каплями. Происходит сушка осадка. Затем устройством 14 при помощи штока 16 диск 11 смещают вправо на величину зазора Д11, и осадок сползает или сбрасывается на фильтрующую поверхность 6, где за счет удара и сползания в условиях действия центробежных сил инерции он до-
полнительно деформируется, освобождаясь от остатков крахмального молочка, смешанного с промывной жидкостью. Здесь происходит окончательная сушка осадка. Подача жидкости во второй промывке осуществляется через выпускное сопло 19 в пространство между диском 12 и предстоящей ему кольцевой стенкой 9.
При наличии диска 10 и двойной промывки набор и сушку осадка от дисперсионной среды суспензии можно проводить одновременно и изолированно от промывок. При этом смещение вправо дисков 10, 11, 12 штоками 15, 16, 17 осуществляется последовательно в разные периоды времени. Величина и время необходимого смещения Ду дисков могут быть подобраны индивидуально для каждого из них в зависимости от параметров процесса. Сдвинутый влево подвижный диск 10 позволяет набирать и осушать осадок, а сдвинутые влево диски 11 и 12 - промывать и осушать в роторе, столько времени, сколько требуется и в заданный период времени в зависимости от параметров суспензии и разделяемых фракций.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает получение качественного осадка [10]. В сравнительных испытаниях при наличии одного диска в коническом сите центрифуги выход крахмальных зерен был выше, чем в варианте с полым коническим ситом, на 10-15%.
выводы. Предложено новое направление совершенствования непрерывных фильтрующих центрифуг широкого назначения, которое заключается в снабжении их перегородками у фильтрующей поверхности. Перегородки выполняются с возможностью осевого перемещения для регулирования времени пребывания осадка перед ними.
Центрифуги с таким усовершенствованием дают возможность фильтровать осадок в течение заданного времени, а также осуществлять его промывку, в том числе неоднократную, что обеспечивает практически полный вывод свободного крахмала из мезги.
Литература.
1. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. - М.: Пищепромиздат, 2001. - 282 с.
2. Шамборант Г.Г. Технологическое оборудование предприятий крахмалопаточной промышленности. - М.: Лёгкая и пищ. пром-сть, 1984 - С. 31-92
3. Жуков В.Г. Процесс центрифугального разделения жидких пищевых сред. Теорет. основы пищ. технологий: В 2-х книгах. Книга 1. - М.: КолосС, 2009. - С.468-497
4. Шкоропад Д.Е. Центрифуги для химических производств. - М.: Машиностроение, 1975. - 275 с.
5. Патент RU 2389733, МПКС08В 30/02, С08В 30/04 от29.12.2008. Опублик. 20.05.2010. Бюлл. № 14
6. ПатентRU2422463, МПКС08В 30/02от 11.12.2009. Опублик. 27.06.2011. Бюлл. № 18
7. ПатентRU2422464, МПКС08В 30/02от 11.12.2009. Опублик. 27.06.2011. Бюлл. № 18
8. ПатентRU 2455313, МПКС08В 30/04, С08В 30/04 от22.12.2010. Опублик. 10.07.2012. Бюлл. № 19
9. Заявка на изобретение № 2014143738 от 30.10.2014. Фильтрующая центрифуга
improving filtering centrifuges to extract starch grains from starch
containing slurries
V.G.Zhukov1, N.R. Andreev2, N.D. Lukin2, V.G. Kostenko2
'Moscow State University of Food Production, Volokolamskoe road, 11, Moscow, 125080, Russia 2ALL-Russian Research Institute for Starch Products, Nekrasovstr.,11, Kraskovo, Luberetskiy region, 140051, Russia Summary. In order to extract starch after grinding equipment from partially destructed cells of slurry from raw materials it could be more efficient with low expenses to use filtering centrifuges with conical sieve. The most promising trend to improve them to supply the design with ring discs and partitions, installing them with gap or without it with filtering surface and with possibility of axial displacement to control the degree of inhibition and the residence time of fiber sediment before partitions without stopping the rotor. Such addition to design of centrifuge eliminates sensitivity of separation to changes of raw materials properties and obtained fractions, makes it possible to wash the sediment, including repeated (cascade) washing inside the sieve without reset and re-centrifugation, which significantly increases the yield of starch at separation. Adjustable disc enables as much time gain to rinse and to dry the product in the rotor as required for a predetermined period of time depending on the parameters of the suspension and separated fractions as well as designs. Impermeable annular wall together with positively displaceable disc in the axial direction in each zone is used to form a pressure ring of wash liquid before sediment. It makes possible to provide effective repeated washing of the sediment that provides almost complete withdrawal of the free starch from the fiber. Furthermore, such a design allows to gain and effectively dehumidify the sediment from the dispersion medium of suspension and the washing liquid. Such a trend of improving filtering centrifuges centrifuge is spread for centrifuges with conical sieve and bladed centrifuge. Keywords. Starch containing slurries, starch grains, filtering centrifuges, conical sieve, bladed centrifuges, capacity, washing Author details: V.G. Zhukov, Dr. Techn. Sci., Prof.; N.R. Andreev, Dr. Techn. Sci, Corresponding Member RAS, Director; N.D. Lukin, Dr. Techn. Sci., Deputy Director (e-mail: [email protected]); V.G. Kostenko, Cand. Tecn. Sci.
For citation: Zhukov V.G., Andreev N.R., Lukin N.D., Kostenko V.G. Promising trend for improving filtering centrifuges to extract starch grains from starch containing slurries. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2014. T.28. №12. pp. 60-62 (In Russ)
