СПОСОБ ФИЛЬТРОВАНИЯ РАСТВОРОВ ПИЩЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 1999 года по МПК C12H1/02 

Изобретение относится к области пищевых производств и может быть использовано в производстве пива, вина, кваса и других продуктов брожения а также других растворов, образующих отрицательно заряженные осадки.

Известен способ фильтрования через намывной слой вспомогательного мелкодисперсного материала (кизельгур, диатомит, перлит и т.п.), применяемый для стабилизации вина, пива и других напитков. В случае, если со держание отделяемой примеси ничтожно мало, например в виноделии, фильтрование осуществляют через пластины фильтровального картона специального качества. Эти способы фильтрования осуществляются на рамных или пластинчатых фильтрпрессах периодического действия. Иногда используются другие фильтры, например рукавные или патронные, также периодического действия [1. М. Каглер, Я. Воборский. Фильтрование пива. -М.: Агропромиздат, 1986, - 279 с].

Недостатком традиционных способов фильтрования является расточительное расходование фильтрующих материалов.

При фильтровании с намывным слоем частицы задерживаются в порах вспомогательного слоя, а картон играет роль опорной пластины, на которой формируется фильтрующий слой. Несмотря на различные приемы с послойным намыванием частиц разных размеров во время фильтрования, с целью увеличить время активного фильтрования, и в этом случае наступает момент, когда процесс необходимо остановить, фильтр разгрузить, заменить опорные пластины, собрать фильтр и начать вновь намывать новый слой. В зависимости от качества фильтруемой смеси продолжительность цикла не превышает 5-10 часов. Помимо больших расходов фильтрующих материалов этот способ отличается большим количеством производственных отходов, иногда содержащих в себе полезные компоненты, например дрожжи при фильтровании пива. Кроме того, периодически работающие фильтры требуют значительных затрат ручного труда.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ фильтрования растворов пищевого производства, включающий разделение раствора на фильтрующей перегородке, например пластине фильтровального картона или изготовленного прессованием порошков диатомита и целлюлозы многослойного конического фильтрующего элемента Хандтманн [2. A.Р. Jany MultiMicro System, An Innovatiive Develpment in the Field of the Fine (Polshing) and Microbiological Filtration of Beer. Technical Quarterly, volume 34, N 2, 1997, Pages 123 - 126].

При этом отделяемые от фильтруемой жидкой смеси частицы задерживаются внутри пор перегородки. В результате происходит забивание пор частицами. Скорость фильтрования уменьшается настолько, что процесс необходимо остановить, фильтр разобрать и заменить фильтрующие перегородки, так как частицы из пор картона удалить невозможно. Продолжительность работы перегородки зависит от свойств фильтруемых смесей и, как правило, не превышает длительности одной смены для картонных пластин и несколько больше для фильтрующих элементов Хандтман.

Недостатком данного способа является большой расход фильтрующих материалов и связанный с ним большой объем отходов производства, а также высокая стоимость фильтрования и значительные затраты ручного труда.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение фильтрования растворов пищевого производства с целью повышения их качества и стойкости с использованием практически не засоряющейся фильтрующей перегородки, что ведет к экономии фильтрующего материала, сокращению отходов производства и снижению стоимости фильтрования за счет снижения расходов на материалы и затрат ручного труда
Поставленная задача достигается тем, что в способе фильтрования растворов пищевого производства, включающем его разделение на фильтрующей перегородке, отличием является то, что в качестве фильтрующей перегородки используют пористый керамический материал из волокон кварцевого стекла, обладающих природным отрицательным электростатическим зарядом, а при разделении создают перепад давления от 0,2•10 Па до 2,0•10 Па для формирования осадка, содержащего отрицательно заряженные частицы. Отличием является также то, что при непрерывном проточном фильтровании скорость потока раствора вдоль фильтрующей поверхности устанавливают равной 0,1 - 0,5 м/с.

Использование в качестве фильтрующей перегородки пористого керамического материала из волокон кварцевого стекла обусловлено тем, что поверхность кварца в результате сорбции молекул воды из воздуха, покрывается силанольными группами SiOH. Концентрация силанольных групп составляет около 11 микро-моль ОН /м², что оказывается достаточным для создания отрицательного поверхностного заряда.

В свою очередь осадки продуктов брожения, которыми являются большинство растворов пищевых производств, также содержат отрицательно заряженные частицы, что обуславливает появление среднего отрицательного z-потенциала.

В результате взаимодействия отрицательно заряженного слоя осадка с отрицательно заряженной поверхностью фильтрующей перегородки появляется отталкивающая сила, препятствующая приближению частиц к поверхности фильтрующей перегородки. Электростатические силы способны задерживать частицы, размер которых в 2-3 раза меньше размера пор.

Таким образом частицы не задерживаются ни внутри фильтрующей перегородки, ни на ее поверхности. Слой как бы висит над поверхностью, находясь в динамическом равновесии и легко удаляется, когда это равновесие нарушается, например, когда перестает действовать рабочее давление или включается обратный ток фильтрата. Срок работы перегородки практически неограничен и зависит от ее механической прочности или скорее от аккуратности обслуживающего персонала.

Сравнительно небольшой перепад рабочего давления от 0,2•10 Па до 2,0•10 Па объясняется тем, что большее давление может уплотнять образующийся слой осадка и не прижимать его к фильтрующей поверхности. Этот перепад зависит от свойств разделяемой смеси.

При непрерывном проточном фильтровании выбор скорости движения потока разделяемой смеси над фильтрующей поверхностью в пределах 0,1 -0,5 м/с зависит от свойств смеси. Поток смеси не должен разрушать образующийся слой.

Толщина слоя, образованного из отрицательно заряженных задерживаемых частиц, постепенно увеличивается, его сопротивление потоку фильтрата возрастает а скорость фильтрования падает. При достижении принятой минимальной удельной производительности фильтрования, увеличивают скорость потока в фильтрационном канале, например открывая вентиль на выходе, динамическое равновесие нарушается и слой выносится из канала в сборник осадка. Удаление слоя можно также осуществить путем подачи в канал обратным током фильтрата, а в случае необходимости и продувкой газом.

Процесс проточного фильтрования легко автоматизируется с помощью стандартных средств.

В зависимости от производственных условий, дальнейшее концентрирование полученных таким образом осадков осуществляется на фильтрах- сгустителях или традиционных фильтрпрессах.

Способ осуществляется следующим образом:
Исходный раствор пищевого производства подают на фильтрующую перегородку из пористого керамического материала, изготовленного из волокон кварцевого стекла, обладающих поверхностным отрицательным электростатическим зарядом. При фильтровании при небольшом перепаде давления от 0,2•10 Па до 2,0•10 Па над фильтрующей поверхностью образуется слой осадка, содержащий отрицательно заряженные частицы. В результате действия отталкивающей электростатической силы слой не прижимается к фильтрующей поверхности, а отдельные частицы задерживаются в слое и не могут проникнуть в поры перегородки. Допустимый перепад давления зависит от свойств образующегося слоя и подбирается таким образом, чтобы не уплотнять слой и не прижимать его к фильтрующей поверхности вопреки действию отталкивающей электростатической силы.

С увеличением толщины слоя скорость фильтрования падает и достигает установленной минимальной величины. Процесс останавливают и легко удаляют слой, не связанный с поверхностью фильтрующей перегородки.

При непрерывном проточном фильтровании скорость потока вдоль фильтрующей перегородки устанавливают равной 0,1 - 0,5 м/с, чтобы не вызвать размывание образующегося слоя. Удаление слоя осадка в этом процессе происходит автоматически при прекращении отбора фильтрата за счет увеличения скорости потока над фильтрующей перегородкой.

Способ иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1.

Проводили фильтрование лагерного пива. Пиво подается в патронный фильтр при перепаде давления на входе и выходе из фильтра 0,4•10 Па. Использовали патрон из пористого керамического материала из волокон кварцевого стекла плотностью 400 кг/м³ и средним размером пор 0,8 мкм.

Начальная удельная производительность патрона составляет 560 л/м³•час. Через 15 минут от начала фильтрования, за счет формирования осадка, содержащего отрицательные частицы и находящегося в динамическом равновесии над фильтрующей поверхностью патрона удельная производительность снижается до 150 л/м³•час. Процесс прекращается отключением подачи пива в фильтр. На 30 секунд включается обратный ток фильтрата, при этом открывается выпуск осадка из фильтра. Фильтр промывается и включается вновь. Полученные образцы фильтрата соответствовали требованиям стандарта на пиво ординарное. Приведенные здесь данные зависят от свойств фильтруемого пива.

Пример 2.

Непрерывный процесс проточного фильтрования лагерного пива.

Пиво подается в фильтрующую трубку круглого сечения с внутренним диаметром 16 мм под давлением, на 0,5•10 Па превышающим давление в сборнике фильтрата. В фильтрующем канале с помощью регулировочного вентиля устанавливается скорость продольного потока 0,15 м/с при плотности материала трубки 400 кг/м³ и среднем диаметре пор 0, 8 мкм начальная удельная производительность процесса составляет 560 л/м²•час. По прошествии 10-15 мин удельная производительность уменьшается до 250 - 200 л/м³•час и продолжает медленно уменьшаться. Через 30 мин от начала процесса удельная производительность достигает 100 л/м³•час. Отбор фильтрата прекращается на 1-2 секунды, скорость потока над фильтрующей поверхностью увеличивается до 1 м/с, осадок вместе с частью исходной смеси удаляется в сборник. Затем вновь открывается вентиль отбора фильтрата и цикл возобновляется. Полученный фильтрат соответствовал стандарту на пиво ординарное. Приведенные в примере данные зависят от свойств фильтруемого пива.

Предлагаемый способ фильтрования может быть осуществлен в любых существующих фильтрах. Для этого необходимо изготовить соответствующие фильтрующие элементы. Наиболее эффективно использование способа в проточных фильтрах с трубчатыми или плоскими элементами.

Использование предлагаемого способа фильтрования обеспечивает следующие преимущества:
1. Уменьшает до минимума расход фильтрующих материалов за счет практически неограниченного срока эксплуатации незасоряющихся керамических фильтрующих элементов, что улучшает санитарные условия на производстве, резко снижает производственные выбросы отработанных материалов.

2. Создает возможности для непрерывного проточного фильтрования на полностью автоматизированном фильтре, что обеспечивает снижение затрат ручного труда и стоимости фильтрования.

3. Позволяет использовать одну и ту же долговечную фильтрующую перегородку без ограничения срока службы в непрерывном или периодическом процессе. Образующийся слой осадка не связывается с фильтрующей поверхностью а потому легко удаляется. В случае необходимости ее регенерации, из-за остаточной сорбции красящих веществ и других компонентов раствора, можно применять промывку любыми кислотами и щелочами или отжигать перегородку при температуре до 800^oC. При этом осадок, содержащий полезные вещества, не смешивается с фильтрующими материалами и не выбрасывается вместе с отходами, а полностью возвращается в производство для утилизации.

Изобретение относится к области пищевых производств и может быть использовано в производстве пива, вин, кваса и других продуктов брожения, а также других растворов, образующих отрицательно заряженные осадки. В качестве фильтрующей перегородки используется пористый керамический материал из волокон кварцевого стекла, обладающих природным отрицательным электростатическим зарядом. При фильтровании создают перепад давления от 0,2•10 до 2,0•10 Па, при котором в продуктах брожения формируется осадок, содержащий отрицательно заряженные частицы. В результате взаимодействия отрицательно заряженного слоя осадка с отрицательно заряженной фильтрующей поверхностью появляется электростатическая отталкивающая сила, препятствующая приближению частиц к перегородке. Частицы не могут проникать в поры перегородки, а слой как бы висит над ней, находясь в динамическом равновесии, и легко удаляется, когда это равновесие нарушается, например в случае прекращения отбора фильтрата. При непрерывном проточном фильтровании скорость потока вдоль в фильтрующей поверхности не превышает 0,1-0,5 м/с, во избежание размывания образующегося слоя. В процессе используют практически незасоряющиеся фильтрующие перегородки, что ведет к экономии фильтрующего материала, сокращению отходов производства и снижению стоимости фильтрования. 1 з.п.ф-лы.

1. Способ фильтрования растворов пищевого производства, включающий разделение на фильтрующей перегородке, отличающийся тем, что в качестве фильтрующей перегородки используют пористый керамический материал из волокон кварцевого стекла, обладающий природным отрицательным электростатическим зарядом, при разделении создают перепад давления от 0,2 • 10 до 2,0 • 10 Па для формирования осадка, содержащего отрицательно заряженные частицы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при непрерывном проточном фильтровании скорость потока раствора вдоль фильтрующей перегородки устанавливают равной 0,1 - 0,5 м/с.