УСТАНОВКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ РАСТВОРОВ И СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ Российский патент 2025 года по МПК A23C1/12 A23C21/00 A23L2/00 B01D1/22 B01F27/112 B01F27/70 

Концентрирование пищевых растворов может осуществляться различными способами, а именно: мембранным (ультрафильтрация, нано фильтрация, обратный осмос), выпариванием в процессе кипения или отводом влаги с помощью контактирующего с продуктом воздуха.

Известны способы мембранного концентрирования пищевых продуктов, например, подсырной сыворотки с помощью обратного осмоса. [1]. Недостатком этого способа является отсутствие возможности сгущения продукта выше 16-20% сухих веществ. В реальных производственных условиях экономически эффективным получается вариант выработки сыворотки с массовой долей сухих веществ 16,1±0,2%. Повышение доли сухих веществ в сгущенной сыворотке приводит к увеличению продолжительности мойки и регенерации мембран и, в целом, к снижению производительности установки [2].

Известны способы вакуумного выпаривания пищевых продуктов в процессе их кипения. Известен способ получения фруктово-молочного концентрата, при котором фруктово-молочную смесь под давлением 0,75 МПа распыляют в вакуум камере с внутренним давлением 5-6 кПа, а стекающую вниз по вертикальной стенке вакуум-камеры пленку фруктово-молочной смеси выпаривают при температуре термостатирования 45°С, при этом за счет испарения образующихся паров содержание сухих веществ в фруктово-молочном пюре доводят до 30,2%. Далее приготовленный фруктово-молочный концентрат расфасовывают в тару, укупоривают и стерилизуют [3]. К недостаткам этого способа относится необходимость создания глубокого вакуума и невозможность концентрирования продукта свыше 50% сухих веществ, создание глубокого вакуума требует больших энергозатрат.

Прототипом изобретения является способ концентрирования пищевых растворов путем отвода влаги из продукта с помощью воздуха. Известен способ выпаривания сыворотки барботированием теплого воздуха в продукт. К недостаткам этого способа относится малая площадь поверхности соприкосновения воздуха с продуктом [4].

Технической задачей изобретения является повышение энергоэффективности процесса выпаривания и обеспечения возможности получения продукта с высокой концентрацией сухих веществ.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

Фиг. 1 - установка для концентрирования растворов с продольным разрезом корпуса без привода;

Фиг. 2 - установка для концентрирования растворов с разрезом циркуляционной емкости;

Фиг. 3 - установка для концентрирования растворов со снятой крышкой;

Фиг. 4 - установка для концентрирования растворов с приводом;

Фиг. 5 - конструкция мешалки;

Фиг. 6 - вид с торца мешалки.

Способ концентрирования растворов заключается в следующем. Исходный продукт загружается в циркуляционную емкость 1 (фиг. 1), где нагревается до температуры выпаривания выше 40°С, которая фиксируется с помощью датчика 2 (фиг. 2). Подогретый продукт по трубопроводу 3 (фиг. 3) поступает во входное кольцевое пространство 4 (фиг. 1), откуда самотеком через фланец 5 (фиг. 1) поступает в рабочее пространство выпарного аппарата 6 (фиг. 2). Поступающие порции продукта подхватываются мешалкой 7 (фиг. 1) и за счет центробежных сил образуют вращающийся кольцевой слой продукта на внутренней поверхности обечайки 8 (фиг. 1), а затем разбрызгивается внутри аппарата. За счет углового смещения щитов 9 на угол а друг относительно друга и как следствие изгиба лопастей 10 в пространстве обеспечивается напорное движение продукта в направлении выходного патрубка 11. Для создания кольцевого слоя на теплопередающей поверхности и достаточного напора в выходном патрубке 11 необходимо, чтобы линейная скорость движения мешалки была такой, что центробежная сила, действующая на тонкий слой продукта у теплопередающей поверхности, была больше, чем сила тяжести (из предположения, что толщина слоя мала по сравнению с внутренним радиусом теплопередающей поверхности).

гд

ω_кр - критическая угловая скорость вращения мешалки (рад/с);

R - внутренний радиус теплопередающей поверхности (м);

g - ускорение свободного падения (м/с);

откуда

Экспериментально установлено, что линейная скорость должна быть выше критического значения V_кp.=5 м/с. Когда число оборотов мешалки в минуту N можно определить по формуле:

где R - внутренний радиус теплопередающей поверхности (м), откуда

где

ω - угловая скорость вращения мешалки (рад/с);

N - число оборотов мешалки (об/мин);

Слой продукта, контактирующий с обечайкой 8 подогревается паром через теплопередающую поверхность и перемешивается. Поступающий через патрубок 12 очищенный воздух с помощью щитов 9 направляется на внутреннюю поверхность обечайки 8, где двигаясь в противотоке с продуктом, забирает в себя влагу и отсасывается воздуходувкой 13 через патрубок 14. Такой режим движения воздуха и продукта позволяет удалить максимальное количество влаги. Уровень первоначального объема продукта загружаемого в выпарной аппарат 6 должен быть таким, чтобы он был ниже уровня расположения входного кольцевого пространства 4. Продукт циркулирует между выпарным аппаратом 6 и циркуляционной емкостью 1 до момента достижения необходимой концентрации сухих веществ. Сконцентрированный до необходимого уровня сухих веществ продукт отводится через патрубок 11.

Далее приведены примеры производства сгущенного молочного сырья.

Пример 1.

Сыворотка с содержанием сухих веществ 6% в количестве 50 литров с температурой 20°С загружается в циркуляционную емкость 1, где она нагревается до температуры 70°С, затем приоткрывается запорное устройство и сыворотка самотеком перетекает во входное кольцевое пространство 4 выпарного аппарата 6. Включается подача пара в паровую рубашку. Уровень свободной поверхности продукта не превышает уровень расположения входного кольцевого пространства 4. При внутреннем радиусе обечайки 8 (теплопередающей поверхности) R=0,161 м. Мешалка 7 приводится во вращение, поддерживает об/мин и распределяет продукт в виде кольцевого слоя на внутренней поверхности обечайки 8. Температура продукта поддерживается на уровне 70°С за счет теплопередачи от пара к продукту через поверхность обечайки 8. Одновременно происходит разбрызгивание продукта в виде капель в рабочем пространстве выпарного аппарата 6. В процессе работы происходит постоянное разбрызгивание кольцевого слоя и образование нового, за счет центробежных сил действующих на капли и отбрасывающих их к обечайке. За счет винтообразной формы мешалки 7 продукт постепенно продвигается от фланца 5 в сторону крышки и отводится через патрубок 11. При недостаточной концентрации сухих веществ, продукт из патрубка 11 через запорное устройство отводится обратно в циркуляционную емкость 1. При достижении уровня концентрации содержания сухих веществ 60% готовый продукт через патрубок 11 и запорное устройство отводится. Сгущение проводилось 3,5 часа, содержание сухих веществ измерялось каждые 10 минут. Через 1 час (60 минут) сгущения концентрация сухих веществ в продукте составила 9,3%. Через 2 часа (120 минут) сгущения концентрация сухих веществ в продукте составила 12%. Через 3 часа (180 минут) сгущения концентрация сухих веществ в продукте составила 28%. В результате получили около 5 литров сгущенной до 60% содержания сухих веществ сыворотки.

Пример 2.

Нано фильтрат творожной сыворотки с содержанием сухих веществ 16% в количестве 50 литров с температурой 20°С загружается в циркуляционную емкость, где она нагревается до температуры 70°С. Далее были совершены действия аналогичные примеру 1. Температура продукта поддерживалась на уровне 70°С. Сгущение проводилось 3,5 часа. Через 1,5 часа (90 минут) сгущения концентрация сухих веществ в продукте составила 24,5%. Через 3 часа (180 минут) сгущения концентрация сухих веществ в продукте составила 44%. В результате получили около 13 литров сгущенного до 60% содержания сухих веществ нанофильтрата творожной сыворотки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Бузоверов, С.Ю. Изучение влияния разных способов сгущения подсырной сыворотки на выход готовой продукции [Текст] / С.Ю. Бузоверов, В.И. Лобанов // Теория и практика современной аграрной науки: Сборник III национальной (всероссийской) научной конференции с международным участием, Новосибирск, 28 февраля 2020 года / Новосибирский государственный аграрный университет. Том 2. - Новосибирск: ИЦ НГАУ «Золотой колос», 2020. - С. 350-354. - EDN UUKPBW

2. Бузоверов С.Ю. Влияние процесса сгущения подсырной сыворотки на выход готовой продукции [Текст] // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2019. - №7-1 июль. - С. 153-160.

3. Патент №2489066 С1 Российская Федерация, МПК A23L 3/46, A23L 1/212, А23С 17/00. Способ производства фруктово-молочного концентрата: №2012116657/10: заявл. 24.04.2012: опубл. 10.08.2013 / А.Н. Остриков, С.В. Дорохин, А.В. Горбатова; заявитель Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" ("ВГУИТ"). - EDN EVPCQR.

4. Энергетически эффективный способ сгущения творожной сыворотки [Текст] / В.Б. Шевчук, Е.А. Фиалкова, Е.В. Славоросова, А.Н. Кокшарова // Результаты современных научных исследований и разработок: Сборник статей XVIII Всероссийской научно-практической конференции, Пенза, 17 октября 2022 года. - Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.), 2022. - С. 35-39. - EDN QJYUSU.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к способам и устройствам для концентрирования подсырной, творожной сыворотки, молока, обрата (пахты), фильтрата послеспиртовой дрожжевой суспензии (барды), соков сахарного тростника и сахарной свеклы и других растворов до содержания сухих веществ не более 60%. Установка для концентрирования пищевых растворов содержит циркуляционную емкость, аппарат с теплообменной рубашкой и мешалкой с приводом для ее вращения, воздуходувку для удаления воздуха из аппарата. Мешалка создает тонкий слой продукта на внутренней поверхности теплообменной рубашки, одновременно интенсивно перемешивает и перемещает его по всей длине аппарата. Воздуходувка откачивает воздух из аппарата, забирая выпаренную влагу из продукта. Технический результат изобретения - повышение энергоэффективности процесса выпаривания и обеспечение возможности получения продукта с высокой концентрацией сухих веществ. 2 н.п. ф-лы, 6 ил., 2 пр.

1. Способ концентрирования пищевых растворов, заключающийся в том, что исходный раствор подогревают до температуры выше 40°С и перемешивают в рабочем пространстве выпарного аппарата с образованием свободной поверхности за счёт того, что раствор отбрасывается к периферии мешалкой, образуя тонкий кольцевой слой на теплопередающей поверхности, который, перемещаясь по ней в противотоке с подачей воздуха, выпаривается и создаёт напор, обеспечивающий его циркуляцию между выпарным аппаратом и циркуляционной ёмкостью, линейная скорость перемещения раствора на теплопередающей поверхности в окружном направлении составляет не менее 5 м/с для создания кольцевого слоя и напора, обеспечивающего циркуляцию раствора между выпарным аппаратом и циркуляционной ёмкостью, число оборотов мешалки N (об/мин) определяют по формуле:

где R - внутренний радиус теплопередающей поверхности (м).

2. Установка для концентрирования пищевых растворов, включающая в себя: циркуляционную ёмкость, оснащённую датчиком температуры, соединенную через трубопровод с выпарным аппаратом, имеющим выходной патрубок, входное кольцевое пространство, которое через фланец соединено с рабочим пространством, внутри которого установлена мешалка, включающая в себя щиты, смещённые друг относительно друга на угол α, и изогнутые лопасти, внутреннюю обечайку, входной и выходной патрубок для воздуха, соединённый с воздуходувкой, для реализации способа концентрирования по п. 1.