CC BY
33
Продолжаем публикацию цикла статей, посвященных инженерному обеспечению новейшей прогрессивной технологии приготовления пивного сусла. Предыдущие статьи смотрите в журнале «Пиво и напитки» № 4, 5, 6 за 2008г.
УДК 663.443.242
Варочный цех XXI века: фильтрование затора
Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, проф.
Московский государственный университет пищевых производств
Технологическая цель фильтрования осахаренного затора — отделение жидкой фазы (сусла), содержащей растворимые компоненты затираемого сырья, от твердой фазы (дробины) — нерастворимых отходов производства. При этом необходимо обеспечить получение высококачественного сусла за минимально возможное время при минимальных остатках экстракта в дробине.
Разделение затора представляет собой обычный физический процесс фильтрования, сопровождающийся процессом экстрагирования (от лат. extraho — вытягиваю, извлекаю) экстрактивных веществ из дробины.
Фильтрование затора в фильтрационном аппарате осуществляется непосредственно через слой дробины, при этом предполагается, что в нем образуются каналы, поперечные размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать жидкую фазу и задерживать твердые частицы. Такие же небольшие каналы имеет фильтровальная ткань в заторном фильтр-прессе.
Учитывая небольшие поперечные размеры каналов в фильтрующих перегородках и малую скорость движения жидкой фазы в них, можно считать, что фильтрование затора протекает в ламинарном режиме. Поскольку в процессе фильтрования значения разности давлений и гидравлического сопротивления слоя осадка с течением времени изменяются, то переменную скорость фильтрования (м/с) выражают в дифференциальной форме:
w = ■
йV
Ийт
(1)
— V /—т
—
+ К)'
фп'
(2)
где V — объем фильтрата, м3; И — площадь поверхности фильтрования, м2; вания, м-
где Ар — разность давлений (движущая сила процесса), Па; ц — динамический коэффициент вязкости, Па-с; Кос — сопротивление слоя осадка, м-1; Кфп — сопротивление фильтровальной перегородки, м-1.
Учитывая специфические особенности процесса при фильтровании затора в фильтрационном аппарате, в частности то, что основное сопротивление процессу сосредоточено в слое дробины, можно пренебречь сопротивлением ситчатого днища Кфп и выразить сопротивление слоя дробины Кос через соотношение его толщины и фильтровальных свойств, зависящих, прежде всего, от размера частиц дробленого солода:
Й-" теЪ (3)
ч
где h — толщина фильтрующего слоя, м; й — средний диаметр частиц, образующих фильтрующий слой, м; k — коэффициент фильтро-
Таким образом, с учетом вышеизложенного выражение (2) можно преобразовать в уравнение Кармен-Козени, описывающее процесс фильтрования затора в фильтрационных аппаратах:
йV Ийт
Мрйч2
(4)
т — продолжительность фильтрования, с.
В ламинарном режиме скорость фильтрования в каждый момент времени прямо пропорциональна движущей силе (разности давлений), но обратно пропорциональна вязкости жидкой фазы и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка и фильтровальной перегородки. Тогда основное дифференциальное уравнение фильтрования можно представить в следующем виде:
Экстрагирование (выщелачивание) при промывании дробины представляет собой сложный многостадийный процесс, включающий диффузию воды в поры дробины; растворение извлекаемых веществ; диффузию экстрагируемых веществ в порах к поверхности раздела фаз; массоперенос экстрагируемых веществ от поверхности раздела фаз в ядро потока промывной воды.
При промывании дробины основное диффузионное сопротивление массопереносу сосредоточено в жидкой фазе, поэтому для описания процесса может быть использовано уравнение массоотдачи экстрагируемых веществ от поверхности раздела фаз в ядро потока промывной воды. Тогда основное дифференциальное уравнение экстрагирования можно представить в следующем виде:
—М Ийт
= Рж(^н - У),
(5)
где М — масса экстрагируемого вещества, кг; Рж — коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/ч; ун — концентрация экстрагируемого вещества у поверхности частицы дробины, кг/м3; ус — средняя концентрация экстрагируемого вещества в массе промывной воды, кг/м3.
Разность концентраций в выражении (5) представляет собой движущую силу процесса экстрагирования.
Опыт эксплуатации фильтрационных аппаратов круглого сечения показал, что их функционирование сопровождается рядом характерных технических особенностей, к которым следует отнести неравномерность вымывания экстракта из слоя дробины; неравномерность отвода сусла из разных зон подситового пространства аппарата.
Эти специфические особенности являются следствием неравномерности сопротивления слоя дроби-
2009
20
ны, через который осуществляется фильтрование сусла, а это, в свою очередь, вызвано неравномерностью рыхления слоя дробины в разных частях аппарата, что предопределено различием окружных скоростей ножей рыхлителя, расположенных на разном удалении от оси вращения. По мере уменьшения радиуса вращения окружная скорость ножей снижается, а на оси вращения она теоретически равна нулю (рис.1). Это приводит к тому, что рыхли-тельная способность ножей зависит от места их расположения на консоли рыхлителя: чем ближе нож расположен к оси вращения рыхлителя, тем его эффективность рыхления хуже. Ножи, расположенные ближе всего к оси вращения, практически вообще не оказывают положительного эффекта на рыхление, а лишь способствуют увеличению взвесей в отфильтрованном сусле.
Неравномерность рыхления дробины усугубляется с увеличением диаметра фильтрационного аппарата, поскольку максимальная окружная скорость самого удаленного от оси вращения ножа ограничена условиями предохранения дробины от смещения.
Как показывает практический опыт, вследствие неравномерности сопротивления фильтрационного слоя в традиционном фильтрационном аппарате круглого сечения по окончании промывки дробины остаточное содержание экстракта в ней распределяется также неравномерно. Например, в рассматриваемом случае (см. рис. 1) в пристеночной области аппарата содержание экстракта составляет 0,5-0,6 %, в средней — 0,6-0,7, а в центральной — 0,8-1,0 %. При этом дробина, располагающаяся в центральной части фильтрационного аппарата, более насыщена влагой, нежели в пристеночной области.
Неравномерность отвода сусла из фильтрационного аппарата традиционной конструкции обусловлена также различием гидравлических сопротивлений фильтратоотводящих трубок, поскольку они имеют разную протяженность, а некоторые из них и дополнительные гидравлические сопротивления, обусловленные, например, изгибами трубок. Различие в объемных потоках сусла в филь-тратотводящих трубках может достигать 25 %.
Рис. 1. Показатели рыхления дробины в традиционном фильтрационном аппарате круглого сечения (в примере диаметр аппарата 6000 мм; частота вращения рыхлителя 0,1 мин1)
R 3000
R 2000
Рис. 2. Устройство фильтрационного
аппарата Pegasus(цилиндрический корпус и коническая крышка на фотографии не показаны)
Повышенное сопротивление слоя дробины в центральной части фильтрационного аппарата, вызванное малоэффективной работой рыхлителя в этой части аппарата, приводит к необходимости ограничения удельной нагрузки на сито и большей концентрации остаточного экстракта в дробине.
Описанные особенности эксплуатации фильтрационных аппаратов круглого сечения обусловлены его конструктивными особенностями. Устранение этих недостатков потребовало кардинального совершенство-
вания конструкции фильтрационного аппарата. Результаты этой работы приведены ниже.
В 2002 г. машиностроительное предприятие Steinecker компании KRONES впервые представило новейшую конструкцию фильтрационного аппарата с торговой маркой Pegasus (рис. 2), в которой устранены вышеуказанные недостатки и обеспечивается интенсификация процесса фильтрования затора, благодаря чему количество рабочих циклов может быть доведено до 14 в сутки.
В конструкции этого фильтрационного аппарата заложено несколько оригинальных технических решений.
Одно из них на первый взгляд носит парадоксальный характер. Суть его заключается в том, что с целью увеличения производительности фильтрационного аппарата предложено не увеличить, что казалось бы логичным, а уменьшить (!!!) площадь его поверхности. Объяснение этого парадокса вытекает из анализа недостатков работы фильтрационного аппарата круглого сечения, обусловленных его конструктивными особенностями.
2009
21
Учитывая, что центральная часть фильтрационного аппарата круглого сечения работает крайне неэффективно, в новом оригинальном техническом решении было предложено вместо традиционно круглой формы ситчатого днища выполнить ее кольцеобразной, исключив центральную часть — круг радиусом 1 м, т.е. уменьшить общую площадь фильтрования на 3,14 м2 (рис. 3).
В аппарате оптимизированы гидродинамические условия отвода сусла за счет идентичности всех фильтратотводящих труб; увеличения удельного количества филь-тратоотводящих труб до двух труб на 1 м2; уменьшения гидравлического сопротивления фильтратотводя-щих труб.
Вследствие указанных конструктивных решений, несмотря на более высокую пропускную способность, скорость потока в системе отвода сусла снижена примерно в 10 раз. Благодаря этому устранено отсасывающее воздействие
3 — пластина медная; 4 — нож; 5 — устройство для распределения промывной воды; 6 — рыхлитель; 7 — изоляция; 8 — люк; 9 — внутреняя подсветка; 10 — труба вытяжная; 11 — головка моющая; 12 — крышка; 13 — корпус; 14 — кольцо декоративное; 15 — двойное днище; 16 — воронка для отвода фильтрованного сусла; 17 — коллектор для подачи затора (лопасти поворотные, опорные конструкции, привод и штуцер для выгрузки дробины условно не показаны)
на слой пивной дробины, которое имеет место в традиционных фильтрационных аппаратах с днищем круглой формы.
Важная конструктивная особенность фильтрационного аппарата — исключение контакта приводного вала рыхлителя с затором, что является преимуществом как с точки зрения обеспечения уплотнения вала и его технического обслуживания, так и с точки зрения производственной санитарии.
В аппарате изменена организация подачи затора на фильтрование. Это осуществляется через кольцевой коллектор, размещенный в свободном пространстве в центре фильтрационного аппарата. Из этого коллектора затор равномерно поступает в нижнюю часть аппарата через штуцера, расположенные на вну-
треннеи цилиндрическом стенке непосредственно над поверхностью ситчатого днища. Данное техническое решение позволяет упростить и удешевить систему подачи затора, отказавшись от применения угловых клапанов специальнои конструкции и использовав вместо них более дешевые серийные клапаны, а также существенно упростить систему мойки аппарата.
В аппарате упрощена выгрузка дробины, которую проводят с помощью свободно закрепленных на рыхлителе поворотных лопастей (рис. 4). При рыхлении они, вращаясь с рыхлителем по часовой стрелке, функционально работают как ножи и прорезают канавки, способствуя рыхлению, а при выгрузке дробины, вращаясь в противоположном направлении, благодаря сопротивлению дробины поворачиваются на своих осях и выполняют роль скребков. Это позволяет отказаться от технически сложной рычажной системы выгрузки дробины, типичной для традиционных фильтрационных аппаратов.
Автоматическое управление процессом фильтрования проводят с помощью программы Super-Trend. Применение этой программы позволяет эффективно использовать преимущества однородного
и рыхлого слоя пивной дробины, особенно в процессе ее промывки. По окончании отвода первого сусла динамическая система управления доводит поток сусла до максимальной величины. Благодаря тому, что слой дробины однороден, а отвод сусла осуществляется равномерно, достигается быстрое и практически полное извлечение экстракта, что позволяет даже при высокой плотности начального сусла с концентрацией до 24 % обеспечить до 14 рабочих циклов в сутки. При этом фильтрационный аппарат
Дробление солода Рабочих циклов в сутки
8 10 12
г 200-210 СуХОе (165-^5) Кондицио- 210-220 нированное (175-185) и * 265-275 Мокрое (220-2ЗД) 180-190 (150-160) 200-210 (165-175) 235-245 (195-205) 170-180 (140-150) 180-190 (150-160) 215-230 (180-190)
* В дробилке типа VaпomШ (см. «Пиво и напитки», 2008, № 5).
с кольцеобразной формой ситчато-го днища не уступает по полноте и равномерности извлечения экстракта заторному фильтр-прессу (майшфильтру).
Благодаря совершенствованию конструкции в фильтрационном аппарате повышена удельная нагрузка на ситчатое днище (см. таблицу) и,
I1-2009
22
следовательно, повышена интенсивность процесса.
В таблице показана удельная нагрузка (кг/м2) на ситчатое днище фильтрационного аппарата Pegasus в зависимости от способа дробления и количества рабочих циклов в сутки (в скобках приведены данные для традиционного фильтрационного аппарата круглого сечения).
Таким образом, фильтрационные аппараты Pegasus по сравнению с традиционными фильтрационными аппаратами обеспечивают:
повышение технологической эффективности процесса за счет интенсификации фильтрования и обеспечения до 14 рабочих циклов в сутки; снижения мутности отфильтрованного сусла (< 20 ед. ЕВС); повышения выхода экстракта в сусле; понижения остаточной концентрации вымываемого экстракта в дробине (< 0,5 %); понижения концентрации экстракта в последней промывной воде; уменьшения объема промывной воды; уменьшения остаточной влажности дробины (< 79 %).
снижение энергозатрат вследствие уменьшения затрат на запчасти и техобслуживание; сокращения затрат на мойку (1 раз в неделю); снижения расхода промывной воды.
технологическую гибкость благодаря возможности использования массы единовременной засы-пи в широком диапазоне (±40 %); возможности применения в технологии высокоплотного пивоварения (до 24 %); возможности простого масштабирования оборудования (аппараты могут проектироваться с разной производительностью — вплоть до 25 т единовременной за-сыпи); возможности повышения удельной нагрузки на ситчатое днище; возможности применения в заторе до 50 % несоложеного сырья; независимости от системы дробления; возможности использования различных видов и качества зернового сырья.
По состоянию на июль 2008 г. в мире успешно эксплуатируются 73 фильтрационных аппарата Pegasus, в том числе в России и странах ближнего зарубежья 9 шт., а именно в Москве, Новотроицке, Владивостоке, Алма-Ате, Павлодаре, Караганде (2 шт.), Запорожье и Кишиневе. &
Российская академия сельскохозяйственных наук
Государственное учреждение ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПИВОВАРЕННОЙ, БЕЗАЛКОГОЛЬНОЙ И ВИНОДЕЛЬЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (ГУ ВНИИ ПБ и ВП)
Объявляет прием
в аспирантуру по специальности
05.18.07 «Биотехнология пищевых продуктов
(алкогольная и безалкогольная промышленность)»
Телефон для справок (495)246-87-82
2009
ПИВО и НАПИТКИ
23
