СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПКИХ ВИН И АЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ Российский патент 1999 года по МПК C12G3/06 

Изобретение относится к алкогольным напиткам и винам, преимущественно крепким, в частности к способам их изготовления.

Традиционно крепкие алкогольные напитки и вина изготавливают с использованием ректифицированного этилового спирта, который в процессе изготовления и очистки неоднократно подвергается дистилляции. Так, например, из спирта изготавливают настойки, ликеры, ром, бренди, коньяки и другие подобного рода крепкие алкогольные напитки, а крепкие вина (более 17^o) получают спиртованием соков, бродящего сусла или молодого вина, т.е. добавлением в них спирта-ректификата (см. 1, стр. 110-115, 171, а также 2, стр. 6).

В натуральных же винах спирт накапливается путем естественного сбраживания сахара дрожжами, поэтому он полностью ассимилирован с элементами вина. В связи с этим натуральные вина, полученные без спиртования, намного мягче и гармоничнее вин, крепленных спиртом-ректификатом. Кроме того, натуральные вина обогащены побочными продуктами брожения: глицерином, янтарной кислотой, эфирами, альдегидами и другими веществами. Они не имеют грубого, жгучего, обусловленного прибавлением спирта-ректификата привкуса, от которого крепленые вина избавляют лишь путем многолетней выдержки (см. 1, стр. 149). Установлено, что натуральные вина менее токсичны, чем дистилляты, а в умеренных дозах даже полезны для человека, т.к. содержат полезные для него микроэлементы, аминокислоты, витамины, биокатализаторы и прочие вещества, в связи с чем они часто применяются в лечебных целях (см. 2, стр. 8-12, 17). Повышенная токсичность крепленных спиртом вин обусловлена тем, что спирт получен путем дистилляции и не ассимилирован с элементами вина, поэтому в их названии отсутствует признак "натуральное".

Известен способ изготовления крепких алкогольных напитков путем концентрирования натуральных слабоалкогольных напитков удалением из них части воды через мембрану, проницаемую для воды, но не полностью проницаемую для более крупных молекул этилового спирта и других компонентов напитка, путем обратного осмоса, последующей вакуумной дистилляцией спирта и части ароматических веществ из полученного пермеата и добавлением этого дистиллята в концентрат напитка (см. 3).

Мембраны, используемые в обратноосмотических установках, изготавливают из пористого гидрофобного полимера, например из целлюлозы, ацетатцеллюлозы и т.п. (см. 4, стр. 6, 11, 12).

Обратный осмос наряду с ультрафильтрацией и микрофильтрацией относится к числу баромембранных процессов и заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие растворенные вещества в виде ионов, молекул или коллоидных частиц. Различие между указанными процессами в значительной мере условно. Считают, что обратный осмос происходит в случае, если диаметр пор мембраны составляет 0,5 - 5 нм, ультрафильтрация - 5 - 50 нм, микрофильтрация - 50 - 10000 нм (т.е. 0,05 - 10 мкм). В основе обратного осмоса лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану, не пропускающую растворенное вещество в раствор. Если со стороны раствора приложено давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя осуществляется в обратном направлении - обратный осмос. В указанном выше способе это давление достаточно велико (около 60 бар - см. 3, табл. на стр. 3) и поэтому на его создание требуются существенные энергозатраты. Большие энергозатраты необходимы также для дистилляции спирта и части ароматических веществ из пермеата. Для осуществления этого способа необходимо наличие одновременно двух типов установок - мембранной и дистилляционной, что требует больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Невзирая на то что полезные компоненты натурального исходного напитка находятся в получаемом согласно данному способу новом напитке в концентрированном виде, очевидно, что качество получаемых этим способом напитков некардинально превосходит качество напитков, изготовленных по традиционной технологии, т. к. часть находящегося в них спирта получается обычным путем - дистилляцией. Кроме того, из полезных компонентов напитка, находящихся в пермеате (часто называемом также в специальной литературе ультрафильтратом), в концентрат возвращается только подверженная вакуумной дистилляции часть ароматических веществ, а остальные безвозвратно теряются. Таким образом, не только нарушается ассимиляция между собой многих компонентов напитка, определяющая его натуральность, но часть из них при этом даже пропадает.

Эти причины препятствуют достижению указанного ниже технического результата, который может быть получен при использовании заявляемого способа.

Известен также способ изготовления крепких вин и алкогольных напитков путем концентрирования натуральных слабоалкогольных вин и напитков удалением из них части воды через мембрану, проницаемую для воды, но не проницаемую для более крупных молекул этилового спирта и других компонентов напитка, путем мембранной дистилляции с газовым зазором через ультратонкую мембрану из микропористого гидрофобного полимера - целлофановую пленку толщиной 20 - 30 мкм (см. 5).

Этот способ принят за прототип.

Мембранная дистилляция, иногда называемая испарением через мембрану, является процессом мембранной технологии, заключающемся в испарении исходного раствора с одной стороны гидрофобной микропористой (диаметр пор 0,1 - 0,5 мкм) мембраны и конденсации прошедших через ее поры паров на противоположной стороне мембраны (см. 6, стр. 50-55). Процесс нашел промышленное применение для обезвоживания этилового спирта высокой (выше азеотропной точки) концентрации (см. 7, стр.441). Мембранная дистилляция с газовым зазором, использованная в указанном выше способе, является одной из разновидностей этого процесса, согласно которой между испаряемой жидкостью и мембраной существует зазор, заполняемый парами этой жидкости (см. 8, стр.227 и 9, стр.4-5).

Данный способ лучше, чем описанный выше, обеспечивает концентрацию полезных компонентов исходного напитка, т.к. получаемый пермеат не содержит каких-либо компонентов исходного напитка, кроме воды. По этой же причине он не требует обработки пермеата, поэтому существенно проще рассмотренного ранее способа и требует для внедрения меньше капитальных и эксплуатационных затрат.

Однако энергозатраты при использовании этого способа также достаточно высоки, т.к. согласно ему исходный напиток необходимо подогревать до температуры 50 - 80^oC в течение длительного времени - 5 - 20 дней, чтобы обеспечить его испарение и удаление из него в виде пара избытков воды через селективную мембрану.

При этом в процессе нагрева натурального исходного напитка испарению подвергаются в первую очередь его более легкие фракции, в том числе этиловый спирт (см. 7, стр. 300-301), пары которых в отличие от паров воды задерживаются мембраной и конденсируются на более холодных стенках емкости. Таким образом, происходит дистилляция спирта внутри емкости и повторное спиртование находящегося в ней напитка. В результате этого разрушается ассимиляция спирта с элементами напитка и качество последнего резко снижается - натуральный напиток становится спиртованным с отмеченными выше недостатками. Аналогично дистилляции подвергаются и другие легкие фракции исходного напитка, что также нарушает определяющую натуральность напитка ассимиляцию между собой его компонентов и поэтому отрицательно влияет на его качество.

Эти причины препятствуют достижению указанного ниже технического результата, который может быть получен при использовании заявляемого способа.

Учитывая изложенное, данный способ, так же как и способ-аналог, не нашел промышленного применения, о чем свидетельствует отсутствие на рынке изготовленных в соответствии с ними вин и напитков.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является кардинальное повышение качества крепких вин и алкогольных напитков.

Решение этой задачи обеспечивается техническим результатом, который может быть получен при осуществлении заявляемого изобретения и состоит в создании натуральных крепких вин и алкогольных напитков, т.к. натуральные продукты обладают наиболее высоким качеством, более полезны для человека и поэтому пользуются повышенным спросом.

Одновременно изобретение позволяет получить, по сравнению с прототипом, следующие дополнительные технические результаты:
- снижение энергетических и эксплуатационных затрат;
- наличие у новых вин и напитков своего оригинального вкуса;
- дополнительный товарный продукт - воду высокой чистоты.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления крепких вин и алкогольных напитков путем концентрирования натуральных слабоалкогольных вин и напитков удалением из них части воды через мембрану, проницаемую для воды, но не проницаемую для более крупных молекул этилового спирта и других компонентов вина или напитка, удаление воды осуществляют путем первапорации через ультратонкую мембрану из непористого гидрофильного полимера или многослойную композитную мембрану с ультратонким слоем из непористого гидрофильного полимера и одним или несколькими слоями из пористых материалов.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемыми при его использовании техническими результатами состоит в следующем.

Первапорация, так же как и мембранная дистилляция, называемая иногда испарением через мембрану, является процессом мембранной технологии, заключающемся в мембранном разделении жидкостей, при котором жидкая смесь приводится в контакт с одной стороной селективно проницаемой непористой мембраны, а проникший через мембрану один (или несколько - зависит от выбранного типа мембраны) из компонентов жидкой смеси испаряется на ее обратной стороне и удаляется в виде пара. Для испарения жидкости давление с обратной стороны мембраны искусственно снижается до величины, соответствующей точке ее кипения при температуре проводимого процесса (или ниже ее), что осуществляют вакуумированием либо потоком инертных газов или конденсацией на поверхности охлаждаемого теплообменника (см. 10, стр. 6-7). Термин первапорация является вариантом английского термина pervaporation, составленного из двух слов: permeation (проникновение) и evaporation (испарение), и используется в специальной литературе еще с 1917 года (см.11, стр. 944).

Основные отличия первапорации от мембранной дистилляции состоят в следующем (см. 12, стр. 1114-1115):
- испарению подвергается пермеат, а не жидкая исходная смесь;
- мембрана выполнена из непористого полимера (или имеет непористый разделительный слой), а не из пористого;
- мембрана находится в контакте с разделяемой жидкой смесью, а не с ее парами;
- для удаления из жидкой смеси воды используют мембрану из гидрофильного полимера, а не из гидрофобного.

Как отмечалось выше, все существующие крепкие вина и алкогольные напитки не являются натуральными, т.к. они изготавливаются с использованием полученного путем дистилляции этилового спирта (традиционный способ и способ-аналог) либо спирт и другие легкие фракции натурального исходного напитка или вина подвергаются дистилляции в процессе их крепления путем концентрирования (способ-прототип), чем нарушается ассимиляция между собой компонентов напитка и вследствие этого его натуральность.

Благодаря тому что в процессе первапорации испарению подвергается только пермеат (а не жидкая исходная смесь - как в процессе мембранной дистилляции), при использовании этого метода в заявляемом способе в отличиe от прототипа не происходит дистилляции легких фракций, в том числе этилового спирта, находящихся в натуральном исходном вине или напитке. В результате этого сохраняется ассимиляция между собой всех находящихся в них компонентов, а следовательно, и натуральность исходных вин или напитков, т.е. достигается технический результат, решающий поставленную задачу.

Этим также обеспечивается наличие у полученных данным способом вин и напитков своего оригинального натурального вкуса.

Кроме того, количество пермеата существенно меньше количества исходного напитка и поэтому на его испарение требуются меньшие энергозатраты. А в связи с тем что он содержит только воду, процесс испарения может осуществляться без опасений потери качества напитка, и поэтому проводится путем ее выпаривания при температуре кипения, т.е. быстро - в течение часов, а не многих дней - как в способе-прототипе. В результате этого снижаются потери тепла в окружающую среду от оборудования и трубопроводов, а также эксплуатационные затраты, в том числе расходы на зарплату, техническое обслуживание, ремонт и т.п. При этом качество пермеата соответствует качеству воды высокой чистоты, т.к. мембрана проницаема только для молекул воды.

Таким образом, достигаются технические результаты, указанные в качестве дополнительных.

Проведенный заявителем анализ уровня техники не выявил аналога, характеризующегося признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения, что свидетельствует о соответствии последнего критерию "новизна".

Следует отметить, что в качестве отличительных признаков во всех трех способах (аналоге, прототипе и заявляемом) использованы достаточно широко известные среди специалистов процессы, соответственно - обратный осмос, мембранная дистилляция и первапорация. Причем применяемые в них мембраны также хорошо известны. Однако указанные способы, как было показано выше, практически при решении одной задачи, обеспечивают достижение технических результатов, существенно отличающихся друг от друга.

Кроме того, выявленные заявителем источники информации, указывая на известность отличительных признаков заявляемого изобретения, не подтверждают известность их влияния на указанные заявителем достигаемые посредством его технические результаты.

Это дает право заявителю утверждать о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ (один из возможных предпочтительный по технико-экономическим показателям вариант).

Устройство содержит мембранный модуль 1, разделенный горизонтальной металлической перфорированной перегородкой 2 на отсеки 3 и 4, соответственно верхний и нижний. На перегородке 2 со стороны отсека 3 размещена с исключением возможности сообщения отсеков 3 и 4 между собой помимо нее (например, приклеена по периметру) плоская композитная трехслойная мембрана 5. Ее верхний ультратонкий (толщиной 0,05 - 3 мкм) слой 6 выполнен из плотного непористого гидрофильного полимера (например, поливинилового спирта, ацетата целлюлозы, полиэтилена и т.п.). Средний слой 7 (толщиной около 100 мкм) представляет собой ультрафильтр из полимера с открытой пористостью (диаметр пор 5 - 50 нм) асимметричного строения (например, полиакрилнитрила, полисульфона, полиамида и т.п.). Нижний слой 8 выполнен из нетканого или тканого полотна (толщиной около 100 мкм) из полимерных нитей (например капрона, лавсана и т. п. ). При этом активным (разделительным) слоем является только верхний слой 6, а остальные обеспечивают лишь механическую прочность мембраны 5 и служат подложкой для слоя 6, не выполняя функции селективного барьера. Подобные мембраны выпускаются, например, германской фирмой "GFT"; существует ряд патентов, в том числе Германии (см., например, 13).

Кроме того, в состав устройства входят электроприводной (на чертеже не показано) насос 9 и подогреватель 10. Причем выход насоса 9 подключен трубопроводом 11 к входу (по нагреваемой среде) теплообменника 10, выход которого соединен трубопроводом 12 с входом отсека 3, а выход последнего - трубопроводом 13 с верхней частью емкости 14 исходного продукта (натурального вина или слабоалкогольного напитка). Нижняя часть емкости 14 соединена трубопроводом 15, снабженным клапаном 16, с входом насоса 9.

Таким образом, организован циркуляционный контур, который содержит перечисленные выше элементы (3, 9-16) схемы описываемого устройства и сообщен:
- с отсеком 4 модуля 1 - через мембрану 5 и перфорированную перегородку 2;
- с емкостью 17 конечного продукта (натурального крепкого вина или алкогольного напитка), для чего верхняя часть последней соединена трубопроводом 18, снабженным клапаном 19, с трубопроводом 13.

Подогреватель 10 по греющей среде (например горячая вода, пар или электроэнергия) подключен к источнику тепла (на чертеже не показано).

В состав устройства входит также конденсатор 20 с обычным для него, на чертеже не показанным, оборудованием: вакуумный насос, например с электроприводом (или эжектор, например паровой или воздушный), охлаждающий насос, например с электроприводом, регулятор уровня жидкости, например поплавкового типа, измеритель этого уровня и т.п. (см. например, 14, стр. 143-146, 148-154). По охлаждаемой среде вход ("паровая полость") конденсатора 20 соединен трубопроводом 21 с выходом отсека 4 модуля 1, а его выход ("водяная полость") - трубопроводом 22 с емкостью 23 пермеата (удаляемой из исходного продукта воды). По охлаждающей среде, например фреон, аммиак или холодная вода, конденсатор 20 подключен к ее источнику (на чертеже не показано).

Для обеспечения возможности движения жидких сред (исходного и конечного продуктов, а также пермеата) под действием гидростатических сил емкость 14 размещена выше остальных элементов контура, а конденсатор 20 и емкости 17,25 - ниже него.

Способ изготовления крепких вин и алкогольных напитков осуществляют следующим образом.

Натуральный исходный продукт из предварительно наполненной им емкости 14 подают в расположенные ниже ее элементы циркуляционного контура, для чего открывают клапан 16 на трубопроводе 15. Продукт самотеком заполняет входящие в состав контура трубопроводы 11, 12, 13, 15 и оборудование - насос 9, подогреватель 10 и верхний отсек 3 мембранного модуля 1.

Удаляют часть воды из находящегося в контуре продукта путем первапорации через мембрану 5. Для этого вводят в действие насос 9, подогреватель 10, конденсатор 20 (с его оборудованием) и осуществляют прокачку продукта по циркуляционному контуру. Причем устанавливают и поддерживают его температуру в отсеке 3 в диапазоне 50 - 80^oС посредством подогревателя 10, его давление в нем около 0,5 ати - насосом 9, а давление в конденсаторе 20 и, следовательно, в соединенном с ним трубопроводом 21 отсеке 4 - около 0,01 ата (т.е. достаточно глубокий вакуум). При этом происходит транспорт молекул воды через мембрану 5, механизм которого состоит из следующих стадий: сорбция молекул воды ее гидрофильным слоем 6, их диффузия через него, прохождение через поры слоев 7 и 8, десорбция на нижней стороне мембраны 5 в виде пара. После этого пар, пройдя перегородку 2, поступает в отсек 4. Движущей силой этого процесса является градиент активности, возникающий за счет понижения давления в отсеке 4 путем его вакуумирования конденсатором 20. Образовавшийся пар, пройдя трубопровод 21, поступает в конденсатор 20, в котором, отдав свое тепло охлаждающей среде, конденсируется. Полученный таким образом пермеат (конденсат воды высокой чистоты) по трубопроводу 22 поступает в емкость 23, из которой его удаляют по мере ее заполнения и направляют потребителям.

По мере удаления воды из находящегося в циркуляционном контуре продукта концентрация последнего повышается. По истечении заданного времени (определяется экспериментальным путем) концентрация продукта достигает требуемого значения (например, 40% по этиловому спирту). После этого останавливают насос 9, отключают подогреватель 10 и конденсатор 20, открывают клапан 19 и полученный конечный продукт по трубопроводу 18 поступает самотеком в емкость 17, из которой его удаляют по мере ее заполнения и направляют потребителям.

Таким образом, в процессе осуществления описанного выше способа натуральный исходный продукт подвергают трем операциям: перемещению, подогреву до температуры 50-80^oC и удалению из него воды. Первые две из упомянутых операций используют при изготовлении натуральных вин и слабоалкогольных напитков (см., например, 2, стр. 20-22) и, следовательно, они не нарушают определяющую натуральность последних ассимиляцию между собой входящих в них компонентов. Третья операция также не нарушает этой ассимиляции, т.к. при ее выполнении гидрофильный слой 6 мембраны 5 поглощает воду без изменения физико-химических свойств последней, а остальные компоненты натурального исходного продукта при этом не подвергаются какому-либо постороннему воздействию, а только концентрируются в результате удаления воды. Следовательно, изготовленный данным способом конечный продукт также является натуральным, что и является техническим результатом, решающим поставленную задачу.

Второй из указанных вариантов заявляемого способа (с использованием однослойной мембраны) осуществляют аналогичным образом. Однако он менее предпочтителен, т. к. такая мембрана обладает худшими прочностными свойствами по сравнению с композитной мембраной.

При отсутствии потребителей воды высокой чистоты схема чертежа может быть существенно упрощена путем замены конденсатора вакуумным насосом.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявляемый способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области производства алкогольных напитков и вин;
- для заявляемого способа в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты ее приоритета средств, процессов и методов.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации
1. Книга А.М.Шитова, "Приготовление целебных спиртных напитков", М., АОЗТ "ИНПРО-РЕС", 1996 г.

2. Книга В.В. Дружинина и Е.Б. Константинова, "Виноделие на дому", М., "Радио и связь", 1991 г.

3. Патент Великобритании N 2134541 A, кл. C 12 G 3/08,1984 г.

4. Обзорная информация. "Мембранные методы разделения жидких смесей", М. , НИИТЭХИМ, 1987 г.

5. Патент СССР N 1831497 A3, кл. C 12 G 3/10, 1993 г.

6. Журнал "Теоретические основы химической технологии", т. 26, N 1, 1992 г. , статья Е.Н.Старикова "Селективность многослойной мембраны в установившемся процессе мембранной дистилляции".

7. Учебник В.Л. Яровенко и др. "Технология спирта", М., "Колос", 1996 г.

8. Тезисы докладов на 11 Республиканской конференции - "Мембраны и мембранные технологии". Киев. 1991 г. Доклад НИФХИ им. Карпова, М., авторы П.П. Золаторев и В.В.Угрозов "Некоторые проблемы мембранной дистилляции растворов нелетучих неорганических веществ".

9. Экспресс-информация. Химическая промышленность. НИИТЭХИМ М., Вып. 2. 1989 г. "Мембранная дистилляция. Вопросы терминологии".

10. Экспресс-информация. Химическая промышленность. Зарубежный опыт. НИИТЭХИМ, Вып. 4. 1989 г. "Разделение жидкости испарением (первапорация).

11. P.A. Kober. "Journal American Chemical Society", 1917, N 39.

12. Журнал "Успехи химии", N 63 (12), 1994 г., статья М.Т.Брыка и Р.Р. Нигматуллина "Мембранная дистилляция".

13. Патент Германии N 3220570, МКИ B 01 D 13/04, 1983 г.

14, Учебник В.И. Козлова и др. "Судовые энергетические установки", Л., "Судостроение", 1969 г.

Изобретение относится к алкогольным напиткам и винам, преимущественно крепким, в частности к способам их изготовления. В данном способе концентрирование натуральных слабоалкогольных вин и напитков проводят удалением из них части воды через мембрану, проницаемую для воды, но не проницаемую для более крупных молекул этилового спирта и других компонентов вина или напитка. Согласно изобретению удаление воды осуществляют путем первапорации через ультратонкую мембрану из непористого гидрофильного полимера или многослойную композитную мембрану с ультратонким слоем из непористого гидрофильного полимера и одним или несколькими слоями из пористых материалов. Это позволяет кардинально повысить качество крепких вин и алкогольных напитков. Кроме того, это позволяет снизить энергетические и эксплуатационные затраты, а также получить воду высокой чистоты. 1 ил.

Способ изготовления крепких вин и алкогольных напитков путем концентрирования натуральных слабоалкогольных вин и напитков удалением из них части воды через мембрану, проницаемую для воды, но не проницаемую для более крупных молекул этилового спирта и других компонентов вина или напитка, отличающийся тем, что удаление воды осуществляют путем первапорации через ультратонкую мембрану из непористого гидрофильного полимера или многослойную композитную мембрану с ультратонким слоем из непористого гидрофильного полимера и одним или несколькими слоями из пористых материалов.