ДИФФУЗИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1999 года по МПК B01D11/02 A23N1/00 

Изобретение относится к оборудованию для извлечения полезных компонентов из неразрушенного плодово-ягодного сырья (слива, черешня, вишня, брусника, черника, клюква, смородина, ежевика и др.) для производства соков. Указанное сырье измельчают в специальных машинах, а из полученной мезги сок отделяют или прессованием (яблоки, груши, айва и др.), или отстаиванием-сепарированием и другой очисткой. Часто для того, чтобы не отделять пульпу, соки выпускают в виде нектара или сок с мякотью. Это приводит к снижению качества соков, т.к. тонкоизмельченная мякоть теряет свои органолептические свойства по сравнению с неразрушенным плодом. Из сахарной промышленности известно применение диффузионных аппаратов для выщелачивания полезных веществ из яблочных и виноградных вижимок. При получении соков известным оборудованием увеличиваются потери полезных веществ в отходах, а также при последующей очистке. Чаще всего соки остаются мутными и содержат частицы мякоти, так как при измельчении плодово- ягодного сырья разрушаются клеточные стенки, частично протоплазма, вскрывается обладающая большой поверхностью структура плазменного геля и система сообщающихся межклеточных пространств с их широко развитой поверхностью. В сок переходят, кроме полезных, растворяющиеся в воде вещества (сахара, многоатомные спирты, кислоты, пептозаны и др.), также и нерастворяющиеся в воде вещества, придающие сокам другой цвет, специфический вкус и запах (Самсонова А.Н., Ушева В.Б. Фруктовые и овощные соки, стр. 62-70. М. ВО "Агропромиздат", 1990, кн.; Трусова С.А., Фертман В.К. Производство спиртованных плодово-ягодных соков и морсов. стр. 88-96, "Пищепромиздат", М, 1955, кн. ). В известных конструкциях экстракторов и диффузионных аппаратах извлечь только растворяющиеся в воде полезные вещества из плодово-ягодного сырья не представляется возможным, так как их конструктивные особенности всегда приводят к перетиранию (измельчению) плодово-ягодного сырья (Гребенюк С.М. Технологическое оборудование сахарных заводов, стр. 93-150, Изд. "Пищевая промышленность", М. 1969, кн.). Все известные аппараты с конструктивной точки зрения имеют только одно устройство для перемещения продукта и создания гидродинамических условий процесса диффузии.

Известен экстрактор для интенсификации процесса экстрагирования. Этот экстрактор состоит из горизонтальной и вертикальной колонн, снабженных патрубками для ввода подлежащего экстракции материала, патрубками для отвода экстракта. В горизонтальной колонне установлен шнек, имеющий прерывистое перо, и между перьями - рыхлители, установленные на его валу. В вертикальной колонне установлен шнек и двухступенчатый шнек. В головной части горизонтальной колонны имеется ситовой пояс со щетками для очистки его фильгирующей поверхности. Патрубок для ввода подлежащего материала установлен за ситовым поясом (АС N 180279, кл. B 01 D 11/02, 1963 г.).

Этот экстрактор не может быть использован для извлечения полезных компонентов из плодово-ягодного сырья, так как он не обеспечивает перемешивание частиц в горизонтальной части аппарата, причем в вертикальной его части транспортирующее устройство прессует продукт, в результате чего приводит к попаданию в сок измельченных частиц сырья, что резко ухудшает качество сока. Гидродинамические условия в аппарате не обеспечивают равномерный нагрев смеси по всему его сечению.

Наиболее близким техническим решением является экстрактор, включающий корпус, имеющий горизонтальный и вертикальный участки с установленными внутри устройствами для перемещения сырья и разгрузки отходов, бункер для загрузки сырья, ситовой пояс для отделения экстрагента, расположенный в головной части аппарата. На горизонтальном транспортирующем устройстве по радиусу укреплены спирали. Также горизонтальный участок включает греющие камеры, приводы, патрубки для подачи экстрагента и отвода экстракта. Данный экстрактор предназначен для извлечения экстрактивных веществ из растительных материалов, в частности, из лакричного корня (лакрицы). (АС N 1235517, кл. В 01 D 11/02, 1984 г.). Недостатками данного экстрактора являются следующие причины: лопасти расположены под углом к оси устройства для перемещения сырья и к радиусу спирали, рассчитаны для лакричного корня, форма и структура которого отличаются от плодово-ягодного сырья. При перемещении плодово-ягодного сырья из-за малой скорости вращения устройства частицы (ягоды) зависают на лопатках, образуются застойные зоны, что ухудшает гидродинамику процесса диффузии. Жидкий экстрагент в горизонтальной части аппарата образует неравномерные потоки из-за движения его в основном по стенке корпуса, между спиралями устройства, ближе к валу экстрагент практически не движется. Это резко увеличивает время диффузии полезных компонентов в пограничном слое на частицах сырья, ухудшает гидродинамику и приводит к размягчению плодовой мякоти в горизонтальной части аппарата, что разрушает частицы и снижает качество сока. Устройство для перемещения сырья, расположенное в вертикальной части аппарата, также выполнено спиральным. В этой части происходит частичное отжатие сырья для лакричного корня, учитывая его прочную структуру, что дает положительный результат. Для плодово-ягодного сырья даже незначительное отжатие приводит к полному их разрушению. Если учесть, что экстрагент подается сверху, то разумеется, что вся разрушенная плодовая мякоть в виде мезги возвращается в сок, а это резко ухудшает качество сока, так как в него переходят все нерастворяющиеся в воде вещества вплоть до частиц, видимых невооруженным глазом. В аппарате не обеспечивается постоянное соотношение: экстрагент - плодово-ягодное сырье, так как отбор сока производится cо нижней части аппарата, что не позволяет поддерживать постоянный гидростатический напор из-за сложности поддержания отбора сока, одинакового с подачей экстрагента. Это приводит к потерям полезных компонентов в отходах. В данном аппарате вертикальное устройство служит в основном для отвода отходов: диффузионный процесс на этом участке прекращается.

Задачей данного изобретения является сокращение потерь полезных компонентов и улучшение качества сока из плодово-ягодного сырья (сливы, абрикосы, вишня, черешня, клюква, брусника, кизил, рябина и др.).

Поставленная задача решается тем, что в диффузионном аппарате, содержащем корпус, имеющий горизонтальный и вертикальный участки с установленными внутри устройствами для перемещения сырья и разгрузки отходов, бункер для загрузки сырья, ситовой пояс для отделения экстрагента, расположенный в головной части аппарата, укрепленные по радиусу спирали с лопатками на горизонтальном транспортирующем устройстве, греющие камеры, приводы, патрубки для подачи экстрагента и отвода экстракта, отличием является то, что вертикальный участок корпуса выполнен прямоугольной формы в поперечном сечении, а его устройство для перемещения сырья состоит из установленных на звездочках бесконечных цепей с закрепленными на них ковшами, а в верхней его части установлен дозатор для экстрагента, снабженный шарнирным краном с коллектором для подачи экстрагента в ковши, при этом лопатки прикреплены к спиралям под углом относительно горизонтальной оси вала, равным 20-25^o по радиусу спирали под углом, равным 0,01-12^o, спирали и лопатки выполнены перфорированными, причем к патрубку для отвода экстрагента подключен гидрозатвор.

Выполнение вертикального участка корпуса прямоугольной формы в поперечном сечении обусловлено тем, что только при таком выполнении можно установить транспортирующее устройство, обеспечивающее гидродинамические условия, способные существенно сократить время массопереноса в пограничном слое. Устройство для перемещения сырья состоит из установленных на звездочках бесконечных цепей с закрепленными на них перфорированными ковшами, которые обеспечивают разрыхление плодово-ягодного сырья струями экстрагента, вытекающими из коллектора, и за счет этого интенсивно смывать пограничный слой с оставшимися полезными компонентами с поверхности плодово-ягодных частиц. Так как в каждый ковш должна подаваться определенная доза экстрагента, зависящая от соотношения фаз, то в верхней части вертикального участка устанавливается дозатор для экстрагента. Расположения лопаток на спиралях, а также перфорации в спиралях и лопатках позволяют улучшить гидродинамику диффузионного процесса за счет увеличения числа Рейнольдса, способствует сокращению пограничного слоя на поверхности частиц, а также предотвращаем образование застойных зон плодово-ягодных частиц. Для поддержания гидростатического уровня и равномерного отбора сока в аппарате, к патрубку для отвода экстрагента подключен гидрозатвор.

На фиг. 1 изображен общий вид диффузионного аппарата с указанием всех его основных конструктивных элементов; на фиг. 2 изображено сечение горизонтальной части аппарата по I-I; на фиг. 3 изображена вертикальная часть аппарата со стороны головной его части; на фиг. 4 изображен разрез вертикальной части аппарата по А-А с указанием дозатора для экстрагента и устройства для перемещения сырья; на фиг. 6 изображен узел дозирования экстрагента, расположенного на вертикальной части аппарата (см. фиг. 1 и 6); на фиг. 7 дан вид фиг. 6 по стрелке А, на нем изображены щели, по которым движется распределитель экстрагента; на фиг. 8 изображено устройство для перемещения сырья в горизонтальной части аппарата; на фиг. 9 дано сечение устройство на фиг. 8 по I-I; на фиг. 10 дан вид фиг. 8 по стрелке А; на фиг. 11 изображена лопатка для перемешивания смеси.

Предлагаемый диффузионный аппарат (фиг. 1) состоит из корпуса 1, имеющего горизонтальный 2 и вертикальный 3 участки. Внутри участков установлены устройства 4 и 5 для перемещения сырья по горизонтали и по вертикали соответственно. В головной части аппарата установлен бункер 6 для загрузки сырья в экстрактор и ситовой пояс 7 для отделения экстрагента от загружаемого сырья. На спирали горизонтального устройства 4 для перемещения сырья укреплены лопатки 8 (фиг. 10) для перемешивания смеси. На горизонтальном участке 2 (фиг. 1) аппарата установлены камеры 9 для парового и/или водяного подогрева смеси в аппарате. В верхней части вертикального участка 3 аппарата 1 предусмотрен патрубок 10 для подачи экстрагента, а в нижней части горизонтального участка 2 - патрубок 11 (фиг. 1) для отвода экстрагента. Устройство для перемещения сырья - 4 горизонтального участка 2 (фиг. 1) снабжено приводом 12, а устройство для перемещения сырья 5 вертикального участка 3 (фиг. 1, 3, 4) - приводом 13 (фиг. 1, 3). Вертикальный участок 3 корпуса 1 (фиг. 1, 3, 4, 5, 6) выполнен прямоугольной формы в поперечном сечении. Его устройство 5 для перемещения сырья состоит из установленных на звездочках 14 и 15 бесконечных цепей 16 и 17, на которых укреплены перфорированные ковши 18, В верхней части вертикального участка 3 установлен дозатор 19 для экстрагента и снабжен шарнирным краном 20 с коллектором 21 для подачи определенной дозы экстрагента в ковш 18 восходящей ветви устройства 5. На спиралях 22 устройства 4 для перемещения сырья, расположенного в горизонтальном участке 2 аппарата, лопатки 8 (фиг. 1, 8, 9, 10, 11) прикреплены под углом равным 20-25^o по горизонтальной оси вала 23 и под углом β равным 0,01-12^o по радиусу спирали, причем длина лопаток 8 l равна 1/2 шага t, а ширина b равна 1/2 высоты H спирали 22, при этом спирали и лопатки выполнены перфорированными. К патрубку 11 подключен гидрозатвор 28. Камеры подогрева 9 горизонтального участка 2 снабжены патрубком 29 для подвода теплоносителя (пара или горячей воды) по патрубкам 30 для отвода конденсата или горячей воды. В верхней части вертикального участка 3 установлена воронка 31 для выгрузки сырья,
Диффузионный аппарат работает следующим образом. Подлежащее экстрагированию сырье при помощи дозирующих устройств подают в бункер 6 (фиг. 1), которое затем поступает в горизонтальный участок 2 корпуса 1. Устройство 4 захватывает сырье, перемещает его и равномерно распространяет по всему сечению участка 2 и одновременно перемешивает всю смесь. Устройство 4 приводится во вращательное движение при помощи привода 12. Из нижней части вертикального участка 3. сырье захватывается ковшами 18 устройства 5 (фиг. 1, 3, 4, 6), поднимается вверх и выгружается через воронку 31. Через патрубок 10 экстрагент поступает в дозатор 19. Заполнение дозатора происходит во время подъема коллектора 21 на высоту h₂ (фиг. 6). Поскольку коллектор 21 подключен к дозатору 19 через шарнирный кран 20, в начале его подъема при помощи ковша 18, шарнирный кран перекрывает поступление экстрагента в коллектор. Когда ковш 18 достигает точки в, коллектор выйдет из контакта с ковшом 18, плавно опустится вниз и примет горизонтальное положение. За это время нижерасположенный ковш достигнет положения, обозначенного буковой а (в этих точках ковша отмечены пунктирными линиями на фиг. 6), дозатор заполняется экстрагентом по уровню h, а шарнирный кран 20 откроет выход экстрагенту в коллектор 21. За время подъема ковша 18, расположенный под коллектором, на высоту h₁ экстрагент из дозатора 19 струями выльется на сырье, находящееся в этом ковше 18. Коллектор 21 в данном случае имеет четыре трубки 24 (см. фиг. 7), которые совершают свое движение в щелях 25, выполненных в стенке участка 3, и имеет высоту h₃. Высота h заполнения дозатора 19, диаметр трубок 24 и их количество выбираются расчетным путем в зависимости от шага ковшей, вида обрабатываемого продукта и соотношения экстрагент - плодово-ягодное сырье. Дозатор 19 снабжен патрубком 26 для выхода воздуха и патрубком 27 для опорожнения дозатора при необходимости. Устройство 5 приводится в движение от привода 13. Экстрагент, поступивший в ковш 18 из коллектора 21 через его трубки 25, за счет напора разрыхляет частицы сырья, находящиеся в ковше, смывает с них все оставшиеся полезные компоненты и через перфорацию ковша 18 сливается в нижерасположенный ковш 18 восходящей ветви устройства 5. Таким образом даже самый нежный плод не разрушается и на всем вертикальном участке 3 происходит интенсивный процесс диффузии. В горизонтальном участке 2 экстрагент противотоком фильтруется через движущиеся плодово-ягодные частицы, извлекает из них полезные компоненты и поступает в ситовой пояс 7, где отделяется от частиц сырья и, через патрубок 11, гидрозатвор 28, отводится из аппарата на дальнейшую переработку.

Температурный режим процесса диффузии поддерживается при помощи камер подогрева 9.

Предложенный диффузионный аппарат позволит получить сок очень высокого качества без содержания мякоти плода, а также сократить потери полезных компонентов.

Диффузионный аппарат предназначен для извлечения растворяющихся в воде полезных компонентов нераздробленного плодово-ягодного сырья. В головной части аппарата расположены загрузочный бункер и ситовой пояс для отделения экстрагента. В вертикальном участке корпуса, выполненном прямоугольной формы, расположено устройство для перемещения сырья в виде установленных на звездочках бесконечных цепей с закрепленными на них ковшами, дозатор экстрагента, снабженный шарнирным краном с коллектором для подачи экстрагента в ковш. В горизонтальном участке корпуса установлено транспортирующее средство в виде спирали с лопатками, которые прикреплены к спирали под углом к горизонтали, равным 20-25^o, по радиусу спирали под углом, равным 0,01-12^o, при этом длина каждой лопатки равна половине шага спирали, ширина - половине высоты спирали, спираль и лопатки выполнены перфорированными и к патрубку для отвода экстрагента подключен гидрозатвор. Устройство обеспечивает сокращение потерь полезных компонентов и улучшение качества получаемого продукта. 11 ил.

Диффузионный аппарат, содержащий корпус, имеющий горизонтальный и вертикальный участки с установленными внутри устройствами для перемещения сырья и разгрузки отходов, бункер для загрузки сырья, ситовой пояс для отделения экстрагента, расположенный в головной части аппарата, спирали с лопатками на горизонтальном транспортирующем устройстве, греющие камеры, приводы, патрубки для подачи экстрагента и отвода сока, отличающийся тем, что вертикальный участок корпуса выполнен прямоугольной формы в поперечном сечении, а его устройство для перемещения сырья состоит из установленных на звездочках бесконечных цепей с закрепленными на них ковшами, а в верхней его части установлен дозатор для экстрагента, снабженный шарнирным краном с коллектором для подачи экстрагента в ковш, при этом лопатки прикреплены к спирали под углом относительно горизонтальной оси вала, равным 20 - 25^o, по радиусу спирали под углом, равным 0,01 - 12^o, а длина каждой лопатки равна половине шага спирали, ширина - половине высоты спирали, спирали и лопатки выполнены перфорированными, причем к патрубку для отвода экстрагента подключен гидрозатвор.