Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Характеристика продукта и современное состояние его Производства 11
1.2. Фильтрование пива
1.2.1. Оценка фильтруемости пива 15
1.2.2. Стабилизация пива 18
1.2.3. Способы фильтрования пива 20
1.3. Современное оборудование для осветления пива 21
1.4. Мембранные процессы разделения
1.4.1. Материалы и структуры мембран 26
1.4.2. Мембранные модули 29
1.4.3. Классификация мембранных систем 33
1.4.4. Явления концентрационной поляризации 35
1.4.5. Аппаратурное оформление мембранной обработки
жидких пищевых сред 37
1.4.6. Математическое описание процесса микрофильтрации 42
1.5. Основные выводы и постановка задач исследования 46
ГЛАВА 2. Исследование свойств мембран и пива, как объекта фильтрования
2.1. Физико-химические и микробиологические свойства объекта Фильтрования 49
2.2. Модельный раствор и его свойства 54
2.3. Обоснование выбора мембран 55
2.4. Обоснование выбора конфигурации мембранных систем 59
2.5. Зависимость вязкости пива сорта «Жигулевское» (ТИ 9184-103 2007) от содержания в нем дрожжевых клеток 61
2.6. Определение структуры и свойств мембраны
2.6.1. Общая пористость 64
2.6.2. Размер пор 66
2.6.3. Физико-механические характеристики мембран 68
2.6.4. Технологические свойства мембран 70
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса микрофильтрации пива в тангенциальном режиме
3.1. Техника и методика экспериментальных исследований 3.1.1. Объекты и методы исследования 74
3.1.2. Описание экспериментальной установки 75
3.1.3. Методика проведения экспериментальных Исследований 77
3.1.4. Средства измерения параметров и анализ погрешности измерения 81
3.2. Подбор порога задержки мембран для эффективного осветления пива 82
3.3. Подбор порога задержки мембран для предварительного фильтрования пива 86
3.4. Исследование качественных характеристик пива после мембранной обработки 89
3.5. Исследование влияния различных параметров процесса микрофильтрации пива на проницаемость 91
3.6. Исследование импульсного режима в процессе фильтрования
пива на мембранном аппарате непрерывного действия 95
3.7. Регенерация мембран 97
ГЛАВА 4. Математическое моделирование процесса фильтрования суспензии в канале с пористыми стенками
4.1. Физическая постановка задачи 99
4.2. Математическая формализация 100
4.3. Решение и анализ уравнений модели 106
4.4. Обобщение модели на полидисперсный случай 111
ГЛАВА 5. Практическое применение результатов исследования
5.1. Разработка участка линии осветления пива 120
5.2. Разработка оборудования для микрофильтрации пива
5.2.1. Мембранный аппарат с погружным фильтрующим элементом, вращающимся под действием разделяемого потока 123
5.2.2. Мембранный аппарат с направленными потоками 128
5.2.3. Установка для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов 133
5.3. Инженерная методика расчета 137
5.4. Технико-экономические показатели эффективности внедрения линии осветления с использованием мембранных систем 140
Основные выводы и результаты работы 144
Библиографический список
- Современное оборудование для осветления пива
- Обоснование выбора конфигурации мембранных систем
- Средства измерения параметров и анализ погрешности измерения
- Мембранный аппарат с погружным фильтрующим элементом, вращающимся под действием разделяемого потока
Введение к работе
Актуальность работы. Процесс стабилизации микробиологических и физико-химических свойств напитков представляет теоретический и практический интерес для пивоваров, в связи с заинтересованностью в более длительных сроках хранения продукта В условиях современной, жесткой конкуренции способность пива сохраняться достаточно долго стала обязательным условием его успешной реализации В этом пивоварам обычно помогают качественная фильтрация и, как дополнение к ней, пастеризация Необходимая степень прозрачности пива традиционно достигается за счет качественной фильтрации Под фильтрацией, в данном случае, понимается отделение от пива взвешенных частиц, дрожжевых клеток и микроорганизмов
Требования, которые предъявляются к качеству розлитого пива, делают необходимой многоступенчатую обработку продукта, при этом требуется сохранить все имеющиеся пргонаки качества и исключить снижение качества в дальнейшем
Хотя все существующие виды оборудования в комплексе вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к процессу фильтрования, обеспечивают необходимое качество и длительные сроки хранения пива, они обладают рядом существенных недостатков
необходимость в производственных расходах на вспомогательные фильтрующие средства,
сложность конструкции и, соответственно, эксплуатации и ремонта,
относительно высокие потери пива,
трудоемкость в обслуживании,
восприимчивость к высокой бактериальной обсемененности и концентрации твердых веществ в фильтруемом пиве,
проблематичность утилизации или подготовки кизельгура для повторного применения
Так же процесс фильтрования пива не обеспечивает полного удаления дрожжевых клеток и бактерий, которые образуют помутнения, поэтому, для обеспечения биологической стойкости все оставшиеся микроорганизмы уничтожаются - проводится процесс пастеризации, который связан с большими энергозатратами и влечет за собой изменение органолептических показателей
Исследования процессов мембранного разделения пива с целью создания технологии и оборудования, в последние годы ведутся как за рубежом, так и в нашей стране Следует отметить научную деятельность Дытнерского Ю И, Брыка М.Т, Тимашева С Ф, Абарышева В М,
Федоренко Б Н, Черкасова А Н, а также Т Брока, М Мак-Кечни, С Хоффмана, В Кунце, Р Шленкера в области мембранных технологий и ее использования в пивоваренной промышленности
Задачи, решаемые в процессе фильтрования пива, становятся все более разнообразными Если двадцать лет назад главной задачей было осветление неотфильтрованного напитка, то сегодня в фильтрационном отделении проводятся стабилизация и карбонизация пива, здесь в него вводятся добавки, корректирующие показатели начального сусла, а также производится смешивание пива Кроме этого, в странах, на которые не распространяется немецкий закон о чистоте пивоварения (по нему для приготовления пива могут использоваться только вода, солод, хмель и дрожжи) на этапе фильтрации в напиток вводятся различные добавки Пиво представляет собой сложную систему, состав компонентов в которой со временем меняется (в первую очередь, речь идет о сложных полифенольных и белковых соединениях) Какие бы составляющие мы ни вывели из состава пива, это неизбежно окажет влияние на органолептику Фракции, которые остаются в плохо отфильтрованном пиве, практически не влияют на вкус Но через определенное время они приводят к возникновению нежелательных реакций, пагубно влияющих на пиво
По мнению многих специалистов, именно невысокая микробиологическая дисциплина сделала столь популярной на отечественных предприятиях пастеризацию, особенно проводимую в бутылках Она предоставляет возможность ликвидировать все возможные последствия вторичного осеменения или заражения пива уже на последней стадии Но пастеризация искажает вкус пива Большинство зарубежных экспертов сходятся на том, что у мембранной фильтрации есть все шансы серьезно потеснить классическую технологию с использованием кизельгура и выйти на уровень основной технологии Но по тем же прогнозам это станет возможным не ранее, чем через 15 лет
Применение мембранной технологии в процессе осветления пива позволит устранить все представленные недостатки и выйти на новый уровень в процессе стабилизации свойств напитков
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является поиск наиболее рациональных энерго- и ресурсосберегающих технологических процессов и аппаратов, способных обеспечить эффективное осветление пива
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи
- определение основных свойств пива как объекта фильтрования,
обоснование выбора мембран и изучение их свойств,
исследование кинетики и гидродинамики процесса фильтрования баромембранным методом,
разработка и анализ математической модели процесса фильтрования суспензии через полупроницаемые перегородки, создание инженерной методики расчета,
исследование методов борьбы с концентрационной поляризацией и реализация их на практике,
разработка инновационного оборудования и технологии для эффективного осветления пива
Научная новизна. Определена зависимость вязкости пива сорта «Жигулевское» от содержания в нем дрожжевых клеток
Исследованы кинетика и гидродинамика процесса фильтрования пива баромембранным методом
Разработана математическая модель процесса фильтрования суспензии в трубчатом канале, позволяющая с высокой точностью определить селективность мембраны в зависимости от технологических параметров процесса, размеров и концентрации дисперсной фазы
Практическая значимость работы. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, показана целесообразность применения мембранного аппарата с трубчатыми элементами в процессе фильтрования пива
Разработаны конструкции мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации для эффективного осветления пива
Предложены технологические рекомендации по использованию процесса микрофильтрации и технологическая схема участка осветления пива
На основании разработанной математической модели усовершенствована инженерная методика расчета процесса микрофильтрации суспензий, учитывающая изменение концентрации дисперсной фазы во времени и по длине канала
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2263262
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2003 по 2008 гт)
Результаты работы экспонировались на Международных постоянно действующих выставках г Воронежа «Продгорг», «Роспромэкспо
- 2005», г Новочеркасска «ИННОВ-2005» и были отмечены 7 дипломами
Результаты работы используются в учебном процессе в качестве материалов курсового и дипломного проектирования
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 12 таблиц Список литературы включает 123 наименования Приложения к диссертации представлены на 24 страницах
Современное оборудование для осветления пива
Для того чтобы гарантировать стойкость пива в течение всего срока годности необходимо провести стабилизацию пива: биологическую, коллоидную - кроме того, пивовар должен прилагать все усилия для сохранения вкусовой стабильности пива в течение длительного времени [13,51,65].
Под биологической стойкостью понимают время, по истечении которого выпадает осадок микробиологического происхождения. Причиной порчи пива может стать развитие в нем бактерий, дрожжей и плесневых грибов, причем наибольшее влияние оказывает бактериальная микрофлора, отдельные виды которой заражают пиво на той или иной стадии его производства.
Коллоидные помутнения возникают при старении коллоидов, а именно: белков, дубильных веществ (полифенолов), продуктов неполного гидролиза Р-глюканов и гемицеллюлозы, меланоидинов, декстринов, пентозаны. Различают следующие виды коллоидного помутнения в пиве: белковое, по-лифенольное, металлическое, углеводное, окислительное, оксалатное. По данным разных авторов /основными компонентами мути являются белки (40-80%), далее идут полифенолы (17-35%), углеводы (4-13%) и минеральные соли (1-3%). Их появление связано с укрупнением размеров частиц из-за сталкивания отдельных лиофильных солей, находящихся в непрерывном броуновском движении: Кроме того, вследствие утраты заряда и дегидратации (потери воды) некоторых коллоидных соединений происходит взаимодействие разнозаряженных компонентов и идет образование мути.
Различают три группы осадков, отличающихся размером частиц: грубые дисперсные частицы с размером более 0,1 мкм, являющиеся видимым осадком (белковые, дубильные и красящие вещества; дрожжи, бактерии); коллоидные частицы с размером менее 0,1 мкм (белково-дубильные комплексы и комплексы белок-белок, гуммивещества, а- и р-глюканы); молекулярные дисперсные частицы с размером менее 0,001 мкм. Коллоидное помутнение вызывают частицы, относящиеся ко второй и третьей группам. Различают два типа помутнения: холодное (обратимое) и необратимое. Частицы холодного помутнения, как правило, меньше частиц постоянной мути (необратимого помутнения).
Не менее важным является длительное сохранение вкусовой стойкости пива - со временем вкус может ухудшаться: пиво стареет в органолепти-ческом плане. Среди возможных реакций, которые могут привести к появлению веществ, придающих пиву старый вкус, наибольшее значение имеют окислительные процессы. Большинство образующихся при этом веществ — карбонилы (альдегиды). Карбонилы являются продуктами окисления спиртов и характеризуются наличием -СНО группы.
Таким образом, для обеспечения биологической, коллоидной и вкусовой стойкости оборудование для фильтрования пива должно выполнять следующим требованиям [15,17,38,67,69,103]:
На многих пивоваренных предприятиях процесс фильтрования пива не обеспечивает полного удаления микроорганизмов и белков, которые образуют помутнения. Поэтому, для обеспечения биологической стойкости все оставшиеся микроорганизмы уничтожаются - проводится процесс пастеризации, а коллоидная стойкость достигается применением стабилизирующих средств: силикагелей, поливинилполипирролидона (ПВПП) и антиоксидан-тов [16,36,51,61]. 1.2.3. Способы фильтрования пива
Прямое фильтрование мутных веществ через полупроницаемую перегородку практически невозможно, поскольку фильтрующий слой, образовавшийся из белковых хлопьев и микроорганизмов, сильно сжат, а следовательно, трудно проницаем. Поэтому при фильтровании следует применять постоянный слой из пористых материалов или подходящее фильтрационное средство, В зависимости от этого различают следующие механизмы осаждения частиц [18,41,43,51,57]: поверхностное фильтрование (частицы не могут проникнуть в поры фильтровальной перегородки, остаются на поверхности и образуют все более толстый слой, с увеличением этого слоя фильтрование становится все более глубоким, но поток все время уменьшается); глубинное фильтрование (все шире применяются высокопористые материалы, которые обладают развитой поверхностью и лабиринтной структурой, так что жидкость вынуждена проходить большой путь). При этом частицы осаждаются: а) благодаря механическому эффекту, застревая из-за своего размера в толще материала, поры медленно забиваются, и проницаемость фильтра падает; б) благодаря адсорбции, тонкие частицы несут электрический заряд, отличный от заряда поверхности, и из-за этого они адсорбируют ся.
В качестве фильтрующих перегородок могут служить [51,107,123]: сита всех видов, например, металлические и щелевые сита или сита в виде навитой профильной проволоки, как в свечных фильтрах; металлическая или текстильная ткань; металлическая ткань лучше моется и дезинфицируется, хотя современные текстильные ткани, например, на основе полипропилена по многим позициям не уступают металлическим, но они не применяются для фильтрования пива, так как хуже стерилизуются
Обоснование выбора конфигурации мембранных систем
Полупроницаемая мембрана - разделяющая фаза, находящаяся между двумя другими фазами и действующая как активный или пассивный селективный барьер в процессе переноса вещества между этими фазами. Мембраны для баромембранных процессов должны удовлетворять следующим основным требованиям [6,8,33,34,35,52]:
Единого метода классификации мембран не существует. Поэтому для идентификации мембран используют несколько признаков, сочетание которых дает полное описание мембраны. Эти признаки следующие: процесс, в котором мембрана используется; материал мембраны; метод получения мембраны; форма мембраны; внутренняя структура [33,35,87].
Процесс, в котором мембрана применяется - признак относительный. Поэтому надо указывать первоначальное, прямое назначение мембраны. Разделения жидких смесей - баромембранные, электромембранные, диффузионные, термодиффузионные, смешанные.
Материал мембраны - это основная причина их разнообразия. Полимеры растительного происхождения - целлюлоза, так же целлюлоза с химической модификацией. Полимеры синтетические, в том числе с различной химической модификацией. Металлы - чистые и сплавы. Стекла. Графит и углеродные материалы. Керамика - оксиды металлов, нитриды, карбиды и др. Жидкие мембраны - с носителем и без носителя, экстрагенты, ПАВ, комплексны и другие. Комбинированные или составные - возможны любые сочетания (на полимере - гидроокисный слой, полимер-полимер, на полимере -металл и т.д.).
Метод получения еще больше разнообразит мембраны. Для каждого материала - свои методы. Полимеры - полив (на различные подложки) из расплава и из раствора, прессование, вытяжка, окунание, распыление, полимеризация, поликонденсация, прививка, активирование, модификация. Me 28 таллы - прокатка, вытяжка. Керамика - формирование из суспензий и обжиг. Ядерные мембраны - облучение заряженными частицами и выщелачивание. Жидкие мембраны - нанесение на опору, проток, пропитка. Комбинированные мембраны - очень много способов соединения слоев: окутывание, полимеризация из раствора на поверхности, склеивание, полив, динамические мембраны, механическое соединение, плазменное нанесение и т.д.
Форма мембраны. Здесь важна не форма мембранного элемента, а именно мембраны, получаемой как самостоятельное изделие. Иногда мембрану формируют на уже готовую основу - in situ formation (окунание, динамические мембраны, напыление, осаждение и т.п.). Но чаще их изготавливают отдельно от конструктивных компонентов мембранного элемента, и тогда можно выделить: плоскую мембрану - полотна, листы, ленты; трубчатую мембрану - цилиндры; капиллярную мембрану - тонкие трубки; волоконную мембрану - полые волокна [9,33,35,86].
Внутренняя структура мембраны. По этому признаку можно выделить три типа мембран: пористые, непористые (сплошные) и с паромным эффектом (carrier) (рис. 1.8).
Схематическое изображение различных мембранных структур показано на рис. 1.9. Во многих случаях структура мембран тесно связана с типом мембранного процесса. Пористые мембраны - ультрафильтрация, микро 29 фильтрация, мембранная дистилляция. Селективность определяется различиями в размерах молекул. Сплошные мембраны - диализ, газоразделение, первапорация. Селективность обусловлена различием в растворимости, в коэффициенте диффузии.
Пористые мембраны принято разделять на изотропные и анизотропные, т.е. имеющие разную плотность по толщине пленки. Отсюда важность толщины, структуры пористых характеристик активного слоя.
Мембраны собирают в модули, которые легко компонуются в системы. Главная цель модульных конструкций - размещение больших площадей мембран в небольшом объеме для противодействия давлению и скоростям тангенциальных (касательных) потоков, необходимых для поддержания чистоты поверхности мембраны. Обычными конфигурациями подобных модулей являются плоские пластины, рулоны, тонкие полые волокна и спирали.
В пластинчатых модулях (рис. 1.10) две мембранные пластины разделены опорной пластиной с каналами для пермеата. Такие "сэндвичи" из мембран разделены плоской распоркой с каналами подачи потока. Различные слои мембраны и пластины распорок собираются вместе и крепятся болтами. Такой модуль может выдерживать высокое давление, но он подвержен быстрому засорению взвешенными частицами [1,7,9,35,113].
Пластинчатый мембранный модуль Трубчатые (рулонные) модули (рис. 1.11) [12], состоящие из мембран, свернутых в рулон (диаметром обычно 6-25 мм), бывают трех основных типов. Самоподдерживающиеся трубчатые модули состоят из нескольких рулонов мембран в едином блоке, соединенном с общим резервуаром пермеата и ретентата. Типичные модули состоят из 1,7 или 19 рулонов. Данный тип модулей ограничен своей структурной прочностью при низком давлении. Поддерживаемые снаружи трубчатые мембранные модули состоят из рулонных мембран, расположенных внутри отдельных пористых поддерживающих труб. Несколько таких труб, подсоединенных к общим резервуарам пермеата и ретентата, образуют модуль, который может выдерживать высокое давление и, следовательно, применяться в агрегатах, работающих по принципу обратного осмоса
Средства измерения параметров и анализ погрешности измерения
К физико-механическим характеристикам мембран относятся: толщина мембраны, механическая прочность и анизотропия мембран [33,35].
Толщина мембраны контролируется в процессе ее изготовления и определяется природой самого материала и условиями изготовления мембраны. Толщину готовой мембраны измеряют специальным прецизионным микрометром.
Толщина пленки, если она работает как мембрана, не влияет существенно на ее технологические свойства в баромембранных процессах при наличии анизотропии. Но она очень важна в диффузионных процессах, где анизотропии не создают.
Толщина большинства пористых мембран находится в интервале 50-150 мкм. Ядерные мембраны более тонкие - 50-100 мкм. У мембран КМФЭ селективные слои сетчатой структуры состоят из супертонких ( 0,1 мкм) керамических волокон SiC (толщина селективного слоя от 10 до 45 мкм), свя 69 занных с керамической подложкой (порошковый - А12Оз) керамической связкой на основе ZrC 2 [73].
Как правило, после эксплуатации толщина мембраны уменьшается (усадка). Это происходит из-за необратимой через некоторое время деформации структуры. При этом меняются технологические свойства мембраны, в основном падает удельная производительность. Это нужно учитывать в расчетах и научных экспериментах. Желательно заранее проводить усадку мембран выдерживанием под давлением.
Следующей не менее важной характеристикой является механическая прочность мембраны.
Количественной оценкой этого свойства является модуль или напряжение разрыва. Исследование образцов ведут на специальных разрывных машинах. При этом определяется и относительная упругая деформация. Кардинальным способом улучшения этой характеристики мембран является их армирование. К сожалению, в проспектах модуль или напряжение разрыва мембран не указывают, и, прежде всего, из-за отсутствия унификации методов и приборов. К явному недостатку исследуемых мембран КМФЭ следует отнести хрупкость [73].
Но более часто изучают стойкость мембран к двухосной деформации. Изучение проводят на приборах, принцип действия которых основан на растягивании газом или жидкостью резиновой перемычки, закрепленной по периметру вместе с исследуемым образцом. Прочность характеризуется либо давлением разрушения, либо прогибом до разрушения. Часто определяют сопротивление раздиру - т.е. усилие, необходимое для разрыва предварительно надрезанного образца. Предел прочности мембран КМФЭ при двухосном на-гружении гарантированно не менее 14 МПа, что характеризует высокую механическую прочность мембраны [73].
Такое свойство мембран как анизотропия оценивается степенью анизотропности (СА), т.е. отношением среднего размера пор на подложке и на разделительном слое. Грубо это можно оценить по размеру пятен красителя Рис. 2.10. Изображение поперечного сечения мембраны с высокой степенью анизотропии при прикосновении капилляра с красителем к обеим сторонам мембраны. У сильно анизотропных мембран С А » 5. Изучаемые мембраны имеют высокую степень анизотропии. На рис. 2.10 представлено изо-бражение окрашенных чернилами поперечных сечений мембраны (толщиной 0,45 мкм) с высокой степенью анизотропии [33,35]. Технологические свойства мембран
К технологическим свойствам мембраны относятся удельная производительность (проницаемость) по воде JQ (эта характеристика измеряется в следующих единицах: кг/м -с, моль/м -с, м /м -с, л/м -ч и т.д.) и задерживающая способность (селективность) мембраны р, % [33,35,116].
Данные характеристики мембран определялись в экспериментальной части, после разработки и создания экспериментальной установки. Ниже описаны методики определения технологических свойств мембраны и параметров, которые оказывают влияние на их величину.
Удельная производительность очень чувствительна к условиям проведения испытания, зависит от конструкции ячейки, от скорости раствора над мембраной, от материала и характеристик дренажной подложки[9,33,35]. Удельная производительность зависит и от предварительной обработки мембран - промывки и особенно гидрофилизации (спиртами или растворами ПАВ).
Паспортная характеристика мембран - это всегда начальная производительность, т.е. без учета усадки, что обязательно надо иметь ввиду. Усадка мембран определяется исключительно ее структурой и свойствами материала. Надо учесть, что усадка мембраны зависит от приложенного давления из-за сопротивления материала давлению. Иногда этим пользуются для введения количественной оценки усадки - коэффициента стабильности мембраны Кст [9,33,35]:
Для микрофильтрационных мембран возможно использование и других параметров. Тонкость фильтрования (ТФ) - способность задерживать частицы определенного размера. Можно говорить об абсолютной ТФ - это минимальный размер частиц, полностью задерживаемых мембраной. Можно о номинальной ТФ - это размер частиц, задерживаемых мембраной с определенной степенью (коэффициентом отсева).
Мембрана (материал) должна иметь высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) и низкое сродство к растворенному компоненту. Подбор мембран предварительно проводится по истинной селективности, от которой затем переходят к наблюдаемой с учетом концентрационной поляризации в реальных мембранных аппаратах. Примем допущение, что в рабочем диапазоне концентраций разделяемого раствора истинная селективность мембраны остается постоянной [33,35,94,97].
Тогда критерий пригодности мембраны к задаче разделения, т.е. минимальная допустимая ее селективность по задерживаемому веществу, можно определить с помощью уравнения: c„-cn где сн и ск - начальная и конечная концентрации обрабатываемого раствора; с„ - усредненная концентрация всего полученного пермеата. В нашем случае минимальная допустимая селективность должна быть равна 100 %, иначе не о какой микробиологической стойкости не может быть и речи. Сразу отметим, что проверить конечную концентрацию пермеата недостаточно только по определению общего количества микроорганизмов в отфильтрованном пиве, необходимо измерять мутность, и она дожна быть не более 0,5 ед. ЕВ
В итоге лучшей мембранной будет та, которая имеет наибольшую удельную производительность среди выбираемых мембран и разделяющая способность которой не ниже (pmin. Соответственно в нашем случае лучшей мембраной будет мембрана с большей проницаемостью, обеспечивающая полное удаление дрожжевых клеток, бактерий, крупных белковых и коллоидных соединений. Выводы по главе
Исследованы физико-химические и микробиологические свойства нефильтрованного пива, оказывающие влияние на процесс фильтрования пива - содержание микроорганизмов, величина рН, мутность.
Обоснован выбор мембраны и конфигурации мембранной системы, на основании которого была спроектирована экспериментальная установка.
Определена зависимость вязкости пива сорта «Жигулевское» (ТИ 9184-103 2007) от содержания в нем дрожжевых клеток, оценена зависимость количества микроскопических частиц в пиве от их размера, изучены структура и свойства мембран, что позволило предварительно спланировать рациональный размер пор и технологические условия эксплуатации мембраны.
Мембранный аппарат с погружным фильтрующим элементом, вращающимся под действием разделяемого потока
Технической задачей изобретения является увеличение срока службы, эффективности фильтрации и ее скорости, что позволяет наиболее качественно удалить грубые частицы на этапе предварительного осветления, обеспечивающее стабильную работу фильтров последующего тонкого фильтрования, повысить производительность установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов и увеличение ресурса ее работы за счет регенерации мембран фильтрующих элементов гидродинамическими способами, а также снижение потерь газа, растворенного в разделяемой жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что мембранный фильтр выполне-нен в виде цилиндрического корпуса с патрубками для подачи исходного раствора, отвода фильтрата и концентрата, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль с расположенным на входе инжектором с форсункой для подачи углекислого газа.
Технический результат заключается в повышении производительности установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов и увеличении ресурса ее работы за счет регенерации мембран фильтрующих элементов гидродинамическими способами, а также в снижении потерь газа, растворенного в разделяемой жидкости.
Горизонтальный разрез мембранного аппарата: 1- корпус цилиндрический, 2- мембранный модуль, 3- инжектор, 4- патрубок подачи исходного раствора, 5- патрубок отвода фильтрата, 6- патрубок отвода концентрата, 7-трубопровод СОг, 14- форсунка для подачи СОг Мембранный фильтр выполнены в виде цилиндрического корпуса 1 с патрубками для подачи исходного раствора 4, отвода фильтрата 5 и концентрата 6, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль 2 с расположенным на входе инжектором 3 с форсункой для подачи углекислого газа 8, соединенной трубопроводом 7 с верхней частью бродильного цилиндроконического танка.
В мембранном фильтре (рис. 5.10) происходит сильное возрастание скорости пива в области сужения инжектора. При этом углекислый газ подается через форсунку и придает дополнительный импульс продукту. Затем при входе в трубчатый мембранный модуль в области расширения происходит турбулиза-ция потока и углекислый газ интенсивно перемешивается с пивом и растворяется. За счет внезапного расширения на входе в мембранный модуль создаются завихрения.потока, отбрасывающие гелеобразный поляризационный слой от поверхности мембраны. При этом не возникает существенных потерь давления. На рис. 5.11. показаны реализация поставленной технической задачи в виде мембранного аппарата с трубчатым фильтрационным модулем и газораспределительным устройством: а) разрез аппарата: 1- корпус, 2- фильтрующий элемент - трубчатая мембрана, 3, 8- крышка эллиптическая, 4- трубопровод подачи СС 2, 5,7- трубная решетка, 6- газораспределительное устройство, б) его трехмерная модель. Данный аппарат работает следующим образом. Исходная жидкость подается в аппарат и распределяется в трубной решетке 5 по мембранам. В газораспределительное устройство 6 по трубопроводу подачи газа 4 поступает СОг и придает дополнительный импульс продукту, за счет этого происходит удаление слоя геля с поверхности мем 136 бран. Исходный продукт разделяется на фильтрат и концентрат и удаляется из аппарата.
Преимущества предлагаемой установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов заключается в следующем: выполнение мембранных фильтров предварительного осветления и для тонкого фильтрования в виде цилиндрического корпуса с патрубками для подачи исходного раствора, отвода фильтрата и концентрата, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль с расположенным на входе инжектором с форсункой для подачи углекислого газа, соединенной трубопроводом с верхней частью бродильного цилиндроконического танка позволяет увеличить ресурс их работы за счет регенерации мембран фильтрующих элементов гидродинамическими способами, а также снизить влияние концентрационной поляризации, потери газа, растворенного в разделяемой жидкости.
Экономические аспекты применения мембран включает оценку издержек по применению конкретной технологии с учетом ее преимуществ по сравнению с конкурентоспособной технологией или другими альтернативами [12,100,108]. В стоимость мембранной технологии включают амортизацию основных фондов, затраты на замену мембран, стоимость энергии, моющих средств и рабочей силы. К преимуществам применения той или иной технологии относят сокращение эксплуатационных затрат относительно конкурентоспособных технологий, возможность получения побочных продуктов, эко 141 номию продукта, воды, энергии, химикатов и т. п. Очень важно применение сберегающих технологий, снижающих издержки при переработке стоков.
Стоимость мембран зависит от их типа, а стоимость мембранных систем - от типа, размера и степени автоматизации. Стоимость трубчатых керамических систем базируется на стоимости труб диаметром 0,1 м.
В процессе принятия решения нельзя руководствоваться лишь данными о стоимости той или иной мембранной системы. У различных систем проницаемость при одинаковом потоке существенно различается. Фильтры на основе полых волокон и трубные мембранные системы более приспособлены работе со взвешенными частицами. Полимерные системы по сравнению с керамическими менее химически устойчивы. Все эти факторы следует учитывать при оценке стоимости тех или иных мембранных систем.
По своей природе мембранные системы модульные, и поэтому с увеличением типоразмера стоимость их возрастает практически линейно.
Тангенциально-поточное фильтрование осуществляется под действием электронасосов. При применении высокого давления нагнетающий насос -основной энергопотребитель. При применении низкого давления, например, при ультра- и микрофильтрации, рециркуляционные насосы потребляют больше энергии, чем нагнетающие [12,111].
Мембранное фильтрование является одним из наиболее энергетически эффективных средств выделения. Требования к минимальному энергопотреблению при осветлении являются функцией от концентрации дрожжевых клеток, регенерации и температуры, которая возрастает с ростом каждого параметра. При общей эффективности в 50% и среднем потоке пермеата в 20 л/(м-ч) энергопотребление в оптимально сконструированной системе состав-ляет около 5 кВт ч/м .
К прочим затратам относят затраты на замену мембран, на моющие средства и на оплату труда. Затраты на замену мембран обратно пропорциональны сроку их эксплуатации. Керамические мембраны являются наиболее «долгоживущими» — их срок службы составляет более 8 лет.
