СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕКТИНА И СОКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК A23L1/524 

Изобретение относится к технологии и устройствам для тонкого измельчения сырья, в частности для производства пектина, а также в производстве соков и др. продуктов в пищевой и химической промышленности.

Следует пояснить, что оболочка клетки растительного сырья для получения пектина и соков состоит из крупномолекулярных полисахаридов - пектина, гемицеллюлозы и целлюлозы. Целлюлозные микрофибриллы оболочки, выполняющие роль эластичной арматурной сетки, погружены в аморфное вещество, состоящее в основном из нерастворимых пектиновых веществ. Поэтому для увеличения выхода пектина следует разрушить не только целостность клетки, но также ее оболочку, в которой заключена значительная часть пектина.

Известен способ измельчения растительного сырья с целью последующего получения пектина и соков, в котором предварительное измельчение сырья производится в жидкой среде в роторном дезинтеграторе. В таких дезинтеграторах скорость соударения измельчаемого материала с рабочими элементами аппарата обычно не превышает 150 м/с. Существуют более быстроходные дезинтеграторы, для привода которых используют электродвигатели с частотой питающего напряжения до 400 Гц [1].

Однако их используют преимущественно для измельчения сухих веществ, так как при работе с жидкими средами потребная мощность привода быстроходного дезинтегратора быстро нелинейно растет с увеличением частоты вращения роторов. Таким образом, недостаток роторных дезинтеграторов в том, что они пригодны преимущественно для предварительного измельчения растительного сырья.

Известен также двухстадийный способ измельчения, который особенно применим в технологии извлечения пектина. В этом способе, после предварительного измельчения растительного материала, его подвергают дополнительному измельчению в гидроакустическом дезинтеграторе [2]. Поскольку процесс измельчения ведется в жидкости, там же одновременно происходит гидролиз и экстрагирование пектиновых веществ. В гидроакустическом дезинтеграторе измельчение сырья происходит под действием кавитации, порождаемой ультразвуковыми колебаниями.

Недостаток гидроакустического дезинтегратора заключается в относительно небольшой производительности и непостоянстве достигаемого результата. При стремлении повысить интенсивность ультразвука, излучаемого в жидкость, происходит снижение акустического сопротивления среды, что препятствует эффективной передаче увеличенной мощности на излучатель. Плотность подводимой звуковой энергии ограничивается также мощностью используемых высокочастотных генераторов и излучателей ультразвука [3]. Кроме того, воздействие ультразвука на материал происходит с разной эффективностью, что зависит от характерных размеров разрушаемых объектов, а также от акустических свойств сырья и рабочей жидкости.

Широко применяется также способ измельчения и гомогенизации сырья в так называемых гидродинамических двух- или четырехроторных кавитационных гомогенизаторах. Подобные гомогенизаторы предназначены для измельчения и смешения многокомпонентных сред с целью получения суспензий и эмульсий в пищевой, фармацевтический и химической промышленности. По устройству они близки к центробежным насосам, но вместо крыльчатки в них установлены концентрические подвижные и неподвижные перфорированные цилиндры [4]. При вращении цилиндров с частотой до 3000 об/мин создаются условия для кавитации в результате перепадов давления в потоке жидкости. В этом способе перемещение жидкости по спиральной траектории, вызываемое центробежными силами, прерывается стенками вращающихся перфорированных цилиндров.

Недостаток гомогенизаторов, построенных на принципе центробежного насоса, заключается в том, что они не могут обеспечить тонкое измельчение растительных клеток в виду недостаточного механического воздействия на продукт.

Наиболее близким к заявляемому способу следует считать способ измельчения и повышения однородности гетерогенных продуктов с помощью оснащенных плунжерными насосами гомогенизаторов, которые используют в пищевой и химической промышленности. В них продукт, например молоко или фруктовые и овощные соки, нагнетают с помощью плунжерного насоса под давлением до 25 МПа в одну или две последовательные гомогенизирующие головки. Компоненты продукта, проходя с высокой скоростью через узкую щель между седлом клапана и подпружиненным клапаном, измельчаются и гомогенизируются в результате гидродинамического воздействия [5].

У гомогенизаторов с плунжерными насосами следующие недостатки. Во-первых, рабочее давление существующих гомогенизаторов недостаточно для тонкого разрушения оболочек растительных клеток при прохождении материала через щель клапана. Во-вторых, несмотря на то, что насосы гомогенизаторов имеют высокий общий КПД, непосредственно на измельчение дисперсной фазы затрачивается менее 0,5% потребляемой насосом энергии. Остальная энергия потока превращается в тепло.

Целью изобретения является более полное разрушение оболочек клеток растительного сырья для увеличения выхода пектина и качества продуктов при одновременном повышении эффективности использования энергии для измельчения сырья.

Поставленная цель достигается тем, что после предварительного измельчения сырья в дезинтеграторе полученную пульпу с помощью насоса высокого давления направляют в виде компактной струи через сопло на твердую преграду, при этом скорость струи V задают в соответствии с выражением:

V≥k·[12σδε/(ρd)]^0,5,

где σ - временная прочность на разрыв целлюлозной части оболочки клетки, δ - толщина целлюлозных слоев оболочки, ε - относительное удлинение при разрыве, d - минимальный поперечный размер клетки, ρ - плотность внутриклеточной среды, k - поправочный коэффициент, учитывающий отличие параметров реального удара от теоретического, равный 1,3…1,5.

Устройство для измельчения сырья выполнено в виде двухроторного дезинтегратора, приводы которого выполнены в виде активных гидравлических турбин, лопатки которых закреплены на турбинных дисках или непосредственно на роторах дезинтегратора, при этом на лопатки подают под высоким давлением пульпу в виде измельченного в дезинтеграторе и отфильтрованного сырья.

Турбинные лопатки для привода роторов дезинтегратора выполнены с рифленой или шероховатой рабочей поверхностью.

Устройство для осуществления способа представлено на фиг.1 и 2.

На фигуре 1 показаны: 1 - двухроторный дезинтегратор, 2 - подача сырья в дезинтегратор, 3 - упрощенная активная гидравлическая турбина, 4 - выход пульпы из дезинтегратора, 5 и 10 - фильтры, 6 - насос высокого давления, 7 - трубопровод для подачи пульпы в сопла, 8 - сопла, 9 - турбинные лопатки с рифленой рабочей поверхностью, 11 - трубопроводы для возврата задержанных фильтрами частиц сырья в дезинтегратор, 12 - трубопровод для подачи измельченной пульпы на дальнейшую переработку, 13 - регулируемый дроссель.

На фигуре 2 показана конструкция устройства, в котором турбинные лопатки 9 закреплены непосредственно на роторах дезинтегратора. Все обозначения на фиг.2 такие же, как на фиг.1.

Устройство работает следующим образом (фиг.1). Растительное сырье 2, разбавленное до оптимальной степени водой, либо содержащее достаточное количество жидкости, подается в приемный бункер дезинтегратора 1. Активные гидравлические турбины 3 упрощенной конструкции приводят во вращение роторы дезинтегратора 1. Предварительно измельченное в дезинтеграторе 1 сырье в виде пульпы по трубопроводу 4 через фильтр 5 подается в насос высокого давления 6. Из насоса 6 пульпа нагнетается по трубопроводу 7 в сопла 8 и воздействует на лопатки 9 турбин 3. Лопатки 9 турбин 3 выполнены с рифленой рабочей поверхностью для достижения так называемой «мгновенной» остановки струи пульпы при высокоскоростном ударе ее о преграду с целью измельчения частиц сырья. Не прошедшие фильтры 5 и 10 частицы сырья возвращаются по трубопроводам 11 в дезинтегратор 1. Тонко измельченное сырье по трубопроводам 12 и регулируемый дроссель 13 подается через фильтр 10 на дальнейшую переработку.

Устройство, показанное на фиг.2, несколько модифицировано. В этой конструкции роторы дезинтегратора приводятся в действие турбинными лопатками 9, закрепленными непосредственно на роторах дезинтегратора 1. Предварительно измельченное в дезинтеграторе 1 (фиг.2) сырье в виде пульпы по трубопроводу 4 через фильтр 5 подается в насос высокого давления 6. Из насоса 6 пульпа нагнетается по трубопроводам 7 в сопла 8 и с высокой скоростью воздействует на турбинные лопатки 9, закрепленные на роторах дезинтегратора 1. Не прошедшие фильтры 5 и 10 частицы сырья возвращаются по трубопроводам 11 в дезинтегратор 1. Тонко измельченное сырье по трубопроводу 12 подается через фильтр 10 и регулируемый дроссель 13 на дальнейшую переработку. То есть принцип работы модифицированного устройства, по сути, не отличается от работы устройства, показанного на фиг.1.

В заявляемом способе осуществляется следующий механизм тонкого разрушения оболочки клетки. Подаваемая плунжерным насосом высокого давления 6 пульпа, содержащая частицы сырья, выбрасывается из сопла 8 в виде струи и с высокой скоростью ударяется о преграду. Здесь под преградой имеются в виду лопатки 9 турбин 3. В результате «мгновенной» остановки струи и частиц сырья энергия движения переходит в упругую энергию избыточного давления жидкости внутри растительных клеток. Это давление разрывает оболочку клетки. Величину скорости струи для достижения необходимого давления можно найти из выражения:

V≥k·[12σδε/(ρd)]^0,5,

где σ - временная прочность на разрыв целлюлозной части оболочки клетки, δ - толщина целлюлозных слоев оболочки, ε - относительное удлинение при разрыве, d - минимальный поперечный размер клетки, ρ - плотность внутриклеточной среды, k - поправочный коэффициент, учитывающий отличие параметров реального удара от теоретического, равный 1,3…1,5.

В соответствии с расчетами необходимая скорость пульпы для разрушения клеток большинства видов растительного сырья находится в интервале от 200 до 250 м/с. Скорость выхода пульпы из сопел 8 должна быть выше на величину окружной скорости движения лопаток 9 турбин 3. В критике аналогов выше отмечалось, что роторы дезинтегратора 1 работают в жидкой среде с частотой не более 3000 об/мин. При типичных размерах дезинтеграторов это соответствует окружной скорости около 50 м/с. С учетом этого, скорость струи должна быть в интервале по меньшей мере от 250 до 300 м/с. Указанную скорость может обеспечить насос с давлением нагнетания от 32 до 45 МПа.

Как следует из выполненных расчетов и описания изобретения, заявленные способ и устройство технически осуществимы. Использование заявляемого изобретения позволит повысить степень извлечения пектина из растительного сырья, а применение его в производстве фруктовых и овощных соков увеличит пищевую ценность и вкусовые качества продуктов за счет высокой степени измельчения и гомогенизации исходного материала. Из инженерного расчета также следует, что энергии, затрачиваемой на привод насоса высокого давления, достаточно не только для тонкого диспергирования сырья за счет высокоскоростного удара о лопатки турбин, но также для привода роторов дезинтегратора с целью предварительного измельчения сырья.

Источники информации

1. Дезинтеграторная технология // Тезисы докладов 6-го Всесоюзного семинара. Таллинн: НПО «Дезинтегратор». - 1989. - 164 с.

2. Патент РФ 2066962. A23L 1/0524, С08В 37/06. Опубликован 27.09.1996.

3. Основы расчета и конструирования машин и автоматов пищевых производств. / Под ред. Соколова А.Я. М.: Машиностроение. - 1969. - 637 с.

4. Гомогенизатор роторно-кавитационный, 2009. http://www.zavprogress.ru/gomogen_obsh_161008.html.

5. Мухин А.А., Кузьмин Ю.Н. и др. Гомогенизаторы для молочной промышленности. М.: Пищевая промышленность. 1976. - 64 с.

Изобретение относится к технологии и устройствам для измельчения сырья, в частности для производства пектина, а также соков и др. продуктов в пищевой и химической промышленности. Способ включает измельчение сырья в дезинтеграторе и последующее тонкое измельчение, при котором после дезинтегратора (1) пульпу с помощью насоса высокого давления (6) направляют в виде струи через сопло (8) на преграду (9), при этом скорость струи V≥k·[12σδε/(ρd)]^0,5, где σ - прочность целлюлозной части оболочки клетки, δ - толщина целлюлозных слоев оболочки, ε - относительное удлинение при разрыве, d - поперечный размер клетки, ρ - плотность внутриклеточной среды, k - коэффициент, учитывающий отличие параметров реального удара от теоретического, равный 1,3…1,5. Устройство выполнено в виде дезинтегратора (1), приводы роторов которого выполнены в виде активных гидравлических турбин (3), на лопатки (9) которых подают через сопла (8) пульпу, нагнетаемую насосом высокого давления (6). На вход насоса (6) подают пульпу в виде измельченного в дезинтеграторе (1) и отфильтрованного сырья. В устройстве лопатки (9) турбин (3) выполнены плоскими с рифленой или шероховатой рабочей поверхностью. Во втором варианте устройства лопатки (9) закреплены непосредственно на роторах дезинтегратора (1), а сопла (8) для подачи пульпы встроены в корпус дезинтегратора (1). Изобретение позволяет повысить степень извлечения пектина из растительного сырья. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измельчения сырья для производства пектина и соков, включающий предварительное измельчение сырья в дезинтеграторе и последующее тонкое измельчение, отличающийся тем, что полученную в дезинтеграторе пульпу с помощью насоса высокого давления направляют в виде компактной струи через сопло на твердую преграду, при этом скорость струи V задают в соответствии с выражением V≥k·[12σδε/(ρd)]^0,5, где σ - временная прочность на разрыв целлюлозной части оболочки клетки; δ - толщина целлюлозных слоев оболочки; ε - относительное удлинение при разрыве; d - минимальный поперечный размер клетки; ρ - плотность внутриклеточной среды; k - поправочный коэффициент, учитывающий отличие параметров реального удара от теоретического, равный 1,3-1,5.

2. Устройство для измельчения сырья, выполненное в виде двухроторного дезинтегратора, отличающееся тем, что приводы роторов дезинтегратора выполнены в виде активных гидравлических турбин, лопатки которых закреплены на турбинных дисках или непосредственно на роторах дезинтегратора, при этом на лопатки подают под высоким давлением пульпу в виде измельченного в дезинтеграторе и отфильтрованного сырья.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что лопатки турбин выполнены с рифленой или шероховатой рабочей поверхностью.