Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Стабилизация пива 6
1.1. Стойкость пива и процессы стабилизации 6
1.2. Пути повышения стойкости пива 30
1.3. Современные фильтры для фильтрования пива 39
1.4. Пути совершенствования процессов и оборудования. В ыводы к главе 1 68
1.5. Постановка задачи 70
Глава 2. Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива через перегородки из ВКМ 72
2.1. Свойства волокнистых керамических материалов (ВКМ) 72
2.2. Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива через ВКМ в стандартных ячейках 77
2.3. Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива в проточном мембранном канале 85
2.4. Непрерывное фильтрование под давлением. Выводы к главе 2 94
Глава 3. Теоретические исследования процессов фильтрования пива через перегородки из ВКМ 96
3.1. Цели исследований 96
3.2. Электрохимические свойства чистого кварца 97
3.3. Электрический заряд гель-слоя 100
3.4. Математическое моделирование процессов фильтрования пива через перегородку из ВКМ 104
3.5. Динамическая мембрана 117
3.6. Математическая модель динамической мембраны 121
3.7. Условия образования динамической мембраны.
Выводы к главе 3. 149
Глава 4. Исследование процессов фильтрования пива через гибкие металлокерамические мембраны "Трумем" 152
4.1. Цели исследований 152
4.2. Свойства мембран "Трумем" 153
4.3. Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива через мембраны "Трумем" 154
4.4. Экспериментальные исследования процессов регенерации металлокерамических мембран "Трумем" 162
4.5. Холодная пастеризация пива на мембранах.
Выводы к главе 4 , 167
Заключение 169
Библиографический список использованной литературы
- Современные фильтры для фильтрования пива
- Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива через ВКМ в стандартных ячейках
- Математическое моделирование процессов фильтрования пива через перегородку из ВКМ
- Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива через мембраны "Трумем"
Введение к работе
Процессы стабилизации напитков и особенно фильтрование, направленные на повышение стойкости пива, последнее время пользуются особым вниманием исследователей. Отчасти это вызвано появлением новых фильтрующих материалов, открывающих новые возможности для интенсификации этого процесса. С другой стороны успехи в изучении традиционных технологий и особенно их химической и физико-химической природы позволяют более точно формулировать задачи разделения этой сложной системы.
Специалисты так формулируют требования к качеству пива:
«Качественное пиво должно обладать чистым и полным вкусом, приятной горечью, специфическим ароматом, золотистым цветом, прозрачностью и блеском при хорошей насыщенности углекислотой» [1] .
Процессы стабилизации направлены на обеспечение сохранности этих качеств в течение времени, установленного нормативными документами.
Потеря прозрачности и блеска в процессе хранения, определяемые визуально, говорят о потере качества этого напитка.
Современные технологии, направленные на преодоление причин помутнения, отличаются сложностью и часто требуют привнесения в производство новых дорогостоящих материалов, например, применения сорбентов или увеличения числа ступеней фильтрования, в особенности при холодном способе «стерилизации».
Сепарирование и многоступенчатое фильтрование и в особенности «стерильное» фильтрование через мембраны не только требуют больших капитальных вложений на установку дополнительного оборудования, но и увеличивают
затраты на, так называемые расходные материалы: фильтрующие пластины из специальных картонов, кизельгур и другие порошки, мембранные патроны и т.п.
Целью настоящей работы является поиск наиболее рациональных технологических процессов и аппаратов, способных обеспечить потребительские качества лагерного пива и длительные сроки его хранения, т.е. обеспечивающих биологическую и коллоидную стойкость пива с сохранением его вкуса, цвета и запаха.
Для этого разработаны и теоретически обоснованы новые процессы фильтрования пива с целью повышения его стойкости с применением долговечных отечественных фильтрующих материалов.
Современные фильтры для фильтрования пива
Так, с помощью намывного слоя кизельгура, возможно обеспечить задержание механических частиц, дрожжевых клеток и бактерий. Задерживаются также частицы, вызывающие постоянную муть и частично частицы, вызывающие холодную муть. Этим объясняется широкое распространение этого способа фильтрования.
На многих заводах практически работает одна ступень фильтрования на рамном фильтрпрессе с намывным слоем кизельгура без сепарирования и контрольного фильтрования. Конечно, это противоречит тому принципу организации фильтрования, который мы сформулировали выше, так как при этом слой быстро засоряется и работает в условиях, далеких от оптимальных. Кажущаяся простота и дешевизна этого способа не выдерживает конкуренции с поточным фильтрованием на нескольких ступенях, что будет показано ниже.
Другая интересная для нас особенность пива, отраженная в диаграммах, это наличие коллоидов как в растворенном состоянии, так и в виде отдельных частиц. Разброс размеров отдельных коллоидных частиц достаточно велик (от 1 мкм до 10 "3 ), но наиболее крупные из них могут быть задержаны в процессе фильтрования. При этом, улучшатся оптические свойства раствора, пиво приобретет прозрачность и даже блеск. А как изменится его вкус? Ведь именно коллоидные частицы связывают в комплексы вещества, ответственные за вкус (например полипептиды, полифенолы и др.).
Кроме того, нельзя упускать из виду вопрос о связи молекул углекислого газа в пиве, в котором роль коллоидных частиц и бета-глюканов по-видимому весьма существенна. Эта тема тщательно обходится стороной в доступной литературе, но следует признать, что дальнейшее совершенствование технологии, особенно в направлении сохранения классических приемов, ведущим к напиткам традиционного вкуса и качества, требует прояснить вопрос о природе и прочности связи углекислоты в пиве. Эта задача выходит за пределы нашего исследования.
Кроме растворимой формы углекислоты в пиве имеются и другие, физико-химические формы связи. Прежде всего, адсорбция на коллоидных частицах, хемосорбция и конденсация на внутренней поверхности капилляров частиц, имеющих поры диаметром от 4 до 60 нм. Внутри пор газ конденсируется при более низком давлении, чем давление его насыщенных паров над свободной поверхностью. Адсорбентами могут выступать не только белки, но и пектины, декстрины и дубильные вещества хмеля,
В своих исследованиях возможностей совершенствования процессов фильтрования пива на основе новых материалов с проблемой связи углекислоты мы столкнулись непосредственно. Как известно, одним из эффективных методов борьбы с образованием гель-слоя на поверхности мембраны в процессах микрофильтрования является создание проточного движения фильтруемого потока вдоль поверхности мембраны [66]. При этом в трубчатых мембранах исходный раствор циркулирует со скоростью 5 м/с и выше.
Эффект разрушения гель-слоя достигается за счет интенсивной турбулиза-ции потока, что обеспечивает высокую скорость фильтрования. Этот способ, эффективный для «мертвых» химических растворов, совершенно неприемлем для пива, вина и других биотехнологических растворов, так как при турбули-зации разбиваются, образованные на предыдущих стадиях производства, например во время брожения и дображивания сложные комплексы веществ, обеспечивающих вкус напитка.
Циркуляция пива в фильтрационном канале ведет к тем же результатам, что и перемешивание хорошего пива в стакане в течение нескольких минут. Разрушение связи между отдельными компонентами и интенсивное выделение углекислоты из раствора совершенно изменяют вкус напитка.
Процессы микрофильтрования с циркуляцией пива в канале керамических модулей применяют для отделения пива от остаточных дрожжей. Полученное при этом небольшое количество пива, имеющее отмеченные недостатки направляют в лагерный цех [7, 29].
При фильтровании по классической технологии связь углекислоты с компонентами пива практически не нарушается. Многими исследованиями [2] подтверждено, что разница в содержании диоксида углерода до фильтрования через слой диатомита и после него составляет не более 0,03 мае. %. Это объясняется весьма малой скоростью движения жидкости в порах фильтрующей перегородки в ламинарном режиме и тем, что проходя через поры перегородки, коллоидные и другие частицы пива не претерпевают заметной деформации.
Новым в технологии можно назвать получающее распространение в последние годы применение иммобилизованных дрожжей. Этот способ сбраживания позволяет сократить количество дрожжей, задаваемых на брожение, продлить время их работы и, главное, брожение в этом случае проходит в течение короткого времени. Исследователи отмечают, что при этом значительно сокращается количество дрожжевых клеток переходящих в готовое пиво, следовательно улучшается фильтруемость [6].
Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива через ВКМ в стандартных ячейках
ВКМ представляют собой керамические волокна, хаотично заполняющие пространство и образующие жесткий объемный каркас (рис. 2.1).
В зависимости от плотности укладки волокон в форме получают ВКМ различной плотности и, следовательно, с различным средним размером пор
Второй регулирующий параметр - диаметр волокна - зависит от исходного сырья и от условий термообработки. Известно, что температура дилатометрического размягчения кварца равна 1050 С. При нагревании выше этой температуры происходит "выгорание" наиболее тонких волокон и мельчайших сколов, образовавшихся в процессе диспергирования. При этом средний диаметр нитей несколько увеличивается. В таблице 2.1 приведены некоторые свойства ВКМ (по данным производителя).
Здесь термин "выгорание" означает растекание более тонких волокон и мелких частиц по поверхности более толстых волокон, что приводит к уменьшению свободной энергии системы. Несмотря на то, что выгорание ведет к некоторому увеличению среднего размера пор, вести обжиг при температуре ниже 1050 С нельзя из-за резкого снижения прочностных характеристик материала. Кроме того, как будет показано ниже, обжиг при повышенной температуре также должен исключить наличие в составе пористой структуры свободных мельчайших волокон и сколов, способных попасть в фильтрат.
Для испытаний, по нашей просьбе, изготовителем из блоков ВКМ различной плотности были изготовлены диски диаметром 145, 120 и 63 мм, толщиной 5 мм. Отметим, что ВКМ хорошо обрабатываются на токарном и фрезерном станках, их можно распилить ножовочным полотном,
Основным параметром, характеризующим свойства В КМ, является плотность. Чем больше волокна загружается в диспергатор, тем более плотный материал получится в итоге. Это связано с тем, что при более плотной загрузке волокно измельчается сильнее. В процессе структурообразования более короткие волокна создают более частую, плотную сетку.
Главным свойством ВКМ, обнаруженным нами впервые в экспериментах с пивом, явилась их способность отталкивать образующийся при фильтровании слой осадка. Также экспериментально было установлено, что размер задерживаемых частиц иногда в несколько раз меньше среднего размера пор перегородки. В поисках объяснения замеченных эффектов, полагая что отрицательный заряд коллоидных частиц, из которых формируется слой, играет здесь существенную роль, мы обратились к химии кремнезема (см. Глава 3, раздел 3.2).
В первой серии экспериментов предстояло выяснить: Пригодность ВКМ для фильтрования пива. Получить зависимости скорости фильтрования (удельной производительности) от продолжительности процесса. Возможность промывки фильтрующей перегородки водой. Продолжительность циклов фильтрования до промывки перегородки. Необходимость регенерации фильтрующей перегородки после продолжительной работы. Способ регенерации ВКМ.
Поставленные цели потребовали выполнения некоторых условий при выборе места для монтажа установки, разработки методики выполнения экспериментов и методов оценки полученных результатов,
В связи с тем, что не фильтрованное пиво быстро изменяет свои свойства, было признано нецелесообразным транспортировать его в лабораторию, и там хранить. Спроектированную нами установку было решено монтировать в лагерном цехе Останкинского пивоваренного завода. Это решение было подкреплено необходимостью проведения многочисленных опытов, в которых фильтрат можно было бы возвращать в производство, сливая в мешалку кизельгура. Кроме этого, сравнительную оценку качества заводского фильтрата и полученного на экспериментальной установке также было удобнее проводить в цехе.
Для исследования свойств ВКМ при фильтровании пива была выбрана тупиковая стандартная ячейка диаметром 120 мм (рис, 2,2). Ячейка 7 подключалась к магистрали, подающей пиво из танка лагерного цеха 1 (рис. 2,3) с помощью насоса 2, на фильтрование через намывной слой кизельгура в рамном фильтр-прессе 3. Пиво в ячейку подавалось через регулировочный вентиль б, рядом с которым был установлен манометр 9 для измерения давления на входе в ячейку. Фильтрат из ячейки отводился в мерный цилиндр 8, а затем его сливали в бак, откуда в конце опыта пиво вручную переливали в мешалку кизельгура 3. Когда фильтр-пресс 3 не работал, ячейку подключали через кран 10 непосредственно к трубопроводу, ведущему от лагерных танков.
Фильтрование через ячейку проводили параллельно с фильтрованием через рамный фильтр-пресс, а качество фильтрата в первой серии экспериментов сравнивали с качеством пива после заводского фильтра визуально.
Вначале опыта открывали кран 6 и осторожно, при небольшом расходе, заполняли перевернутую (для вытеснения воздуха и пены) ячейку пивом. При появлении фильтрата, который по трубке 7 отводился в мерный цилиндр, пускали секундомер. Каждые пять минут замеряли и заносили в журнал наблюдений объем полученного фильтрата. Во время опыта следили за показаниями манометра на трубе, ведущей к ячейке, и с помощью крана 6 регулировали его так, что бы оно не превышало 1 атм. (105 Па). Это давление ограничено прочностью прозрачного цилиндра ячейки и надежностью фланцевых уплотнений ячейки. Давление в подающей магистрали не всегда было постоянным и изменялось как в течение одного опыта так и от опыта к опыту. Корректировки давления с помощью изменения положения крана на входе в ячейку хотя и давали результаты, но иногда запаздывали.
Математическое моделирование процессов фильтрования пива через перегородку из ВКМ
Получившие широкое распространение в различных технологиях процессы фильтрования отличаются друг от друга множеством признаков. Для их классификации выберем наиболее важные для расчета основных параметров.
Различают процессы стационарные и нестационарные. В стационарных процессах их скорость не изменяется с течением времени. Для поддержания постоянной скорости в условиях увеличивающегося сопротивления необходимо повышать движущую силу процесса. Следовательно, цризнаком стационарных процессов является Ар Ф- const. Отметим, что этот признак не является универсальным. Так, если увеличение Ар не точно компенсирует возрастание сопротивления постоянство скорости не будет обеспечено.
Наоборот, в нестационарных процессах скорость изменяется, даже если Др = const. По этим причинам на практике применяют нестационарные процессы фильтрования, а при расчетах, для облегчения задачи, принимают условие Др = const.
По технологическим признакам процессы фильтрования делятся на процессы с закупоркой пор (глубинное фильтрование) и процессы с образованием слоя на поверхности фильтрующей перегородки. Второй тип процессов чаще всего сопровождается добавлением в разделяемый раствор вспомогательных фильтрующих порошковых материалов для образования слоя, в котором задерживаются частицы. Выбор типа процесса зависит от свойств разделяемого раствора. Если в растворе содержится весьма незначительное количество частиц, которые необходимо отделить, выбирают процесс с закупоркой пор. Так, например, очищают вино, фильтруя его через фильтровальный картон. Через 4-12 часов работы поры картона блокируются задержанными частицами, процесс прекращается, а использованный картон выбрасывается в отходы производства. Если в растворе содержится большое количество задерживаемых частиц, то они быстро засоряют картон, что ведет к увеличению расходов на фильтрование. В этом случае выгодно применить вспомогательные порошковые материалы (кизельгур, перлит и т.п.). Особенности этих процессов уже обсуждались в главе 1, поэтому ограничимся здесь этой классификацией, которая понадобится при обсуждении теоретических проблем фильтрования.
Теория процессов фильтрования, так как она излагается в современных учебниках для высшей школы, базируется на двух фундаментальных уравнениях. Первое - уравнение Дарси, предложенное ученым в 1855 г, v=KAp, (3.2) где v - скорость фильтрования - удельная, по отношению к площади фильтрующей перегородки, производительность, м / м с; Ар. разность давлений - движущая сила процесса, Па; К- коэффициент, учитывающий сопротивление (коэффициент Дарси), В Европейских источниках скорость фильтрования предлагается измерять в единицах Дарси (м3/ м2 Па с; К = —, где R - сопротивление, м2 Па с / м3.), R что более правильно т.к. такая скорость (производительность) удельна и по отношению к перепаду давления.
Уравнение Дарси описывает как стационарные, так и нестационарные процессы. В любых процессах разделения неоднородных систем фильтрованием коэффициент К в уравнении (3.2) является величиной переменной, так как по мере закупорки пор, в процессах без образования слоя, и по мере увеличения толщины слоя, в процессах с намывным слоем, возрастает сопротивление движению фильтрата. Это возрастание зависит от множества факторов, связанных с характеристиками пористой перегородки или слоя, характера задерживаемых частиц, свойств фильтруемой смеси и т.д. Аналитическое описание функции К весьма сложно, так как помимо перечисленных трудностей необходимо учесть также изменение К при изменении рабочей разности давлений. Поэтому скорость фильтрования обычно определяют опытным путем, рассчитывая по уравнению: (3.3) где А V- объем полученного фильтрата, м ; F - площадь фильтрующей перегородки, м ; Д т - время фильтрования, с;
Подставив полученное из опытов значение скорости фильтрования в уравнение Дарси (3.1), можно рассчитать величину коэффициента К. Так как К по мере фильтрования изменяется, то следует выполнить серию замеров скорости фильтрования через определенные промежутки времени, а затем определить среднее, для данных условий, значение коэффициента Дарси. Полученный коэффициент можно использовать для определения необходимой поверхности фильтрования. Этот расчет дает весьма приближенные результаты, так как не учитывает действительный характер увеличения сопротивления в процессе.
Другим фундаментальным уравнением, используемым в расчетах процессов фильтрования, является уравнение, полученное в том же XIX веке французским врачом и физиком Жаном Луи Пуазейлем (1799 - 1869 гг.) для течения жидкости по цилиндрическим капиллярам в ламинарном режиме:
Экспериментальные исследования процессов фильтрования пива через мембраны "Трумем"
Рассмотрим условия равновесия выделенного элемента при его движении вдоль оси х: I = Р} + Ті + Т2,-Сила инерции для элемента в плоском канале: I- dm dw/dz р dxdy dz dw/dz. (3. 23)
Для канала круглого сечения / = dm dw/dv = р 2izRi 3 L dw/dz, (3. 24) где Ri - радиус внутренней поверхности гель-слоя; б - толщина слоя; L - длина цилиндрического элемента.
Силу давления Pj найдем, умножив разность давлений в начале и конце канала на площадь передней грани выделенного элемента: Pi=dxdyAp. (3.25) Для трубчатой мембраны: Р} - 2TURJ 3 Ар. (3. 26) Величину силы трения Т] определяет закон вязкого трения Ньютона: Т}= pdxdy dw/dz (3. 27) Для трубчатой мембраны Tj= fi2%RiLdw/dr, (3.28) где 2 icRi L - площадь поверхности динамической мембраны; dw/dr - градиент скорости в направлении радиуса. Заметим, что касательное напряжение трения в жидком потоке, как и сила трения, изменяются линейно, достигая максимума на верхней поверхности элемента, когда dz = S или г = Rh
Полагая трубчатый мембранный канал конструктивно более интересным, дальнейший анализ проведем для этого случая.
Предполагая ламинарное течение основного потока в мембранном канале, воспользуемся выводом уравнения Пуазейля [82]. При рассмотрении равновесия ограниченного двумя сечениями участка круглой трубы, в которой движется жидкость, было получено следующее дифференциальное уравнение: dwr=-- rdr (3.29) 2LjU Выразим градиент скорости из выражения (3. 33 ) и подставим его в уравнение Ньютона (3. 31 ). Получим: T, = fi-2JzR,L- -R, = 7uR Ар (3.30)
Здесь Ар- перепад давления между сечениями на входе и выходе из мембранного канала, равный потерям давления на трение (см. раздел 3.6.2.).
Фильтрат, образующий слой под динамической мембраной, также может перемещаться из-за разности давлений в начале и конце канала, действуя с силой трения Т2 на выделенный элемент. Сила трения Т2 совпадает по направлению с силами Pj и Ть так как на слой фильтрата действует та же разность давлений на входе и выходе из мембранного канала, которая обеспечивает движение основного потока вдоль мембраны. При этом поток фильтрата направлен перпендикулярно к поверхности мембраны, а скорость движения фильтрата вдоль поверхности мембраны ничтожно мала. Поэтому и сила Т2 , как пренебрежимо малая может не учитываться. Но слой фильтрата между гель-слоем и поверхностью мембраны уменьшает трение о поверхность мембраны, являясь "смазкой" в этом процессе.
Образующий динамическую мембрану гель-слой представляет собой неньютоновскую жидкость, свойства которой предположительно схожи с псевдо-пластичыыми жидкостями, для которых кажущаяся вязкость (отношение напряжения сдвига к градиенту скорости) зависит от величины напряжения сдвига и изменяется в отличие от ньютоновских жидкостей по криволинейному закону. В нашей модели мы не будем рассматривать деформацию элемента под действием сил сдвига Ті и Т2, полагая, что это существенно не влияет на поведение динамической мембраны.
Все рассмотренные горизонтальные силы, действующие на элемент, направлены в одну сторону и вызывают его перемещение к выходу из канала, а существенно влияют на равновесие элемента сила давления Р]г сила трения Г/ и сила инерции /.
Трудности решения уравнения (3. 31) связаны со сложностями определения ускорения dw/dz, включающего в себя как изменение скорости по времени (для равномерного движения dwx /дт, dwy /дт, dwz /дт равны нулю) так и изменение скорости в жидком пространстве в один и тот же момент времени (dwx/8x, dwy /ду, dwz/dz не равны нулю). Поэтому при анализе уравнения (3. 31) ошибочно полагать для равномерного движения dw/dz = 0 , что приведет к абсурдному выводу; S = 1/2 R].
Полученные ранее решения о предельном значении КГД в мембранном канале, накладывают дополнительные ограничения на допустимую длину канала. Потери напора на трение при движении потока вдоль канала hi прямо пропорциональны его длине. Эти потери должны быть компенсированы разностью напоров (давлений) в начале и конце канала. При этом максимальное пьезометрическое давление в начале мембранного канала не должно превышать допустимый КГД.
Второе ограничение на длину канала накладывает уменьшающаяся по длине проницаемость динамической мембраны в результате увеличения ее толщины. В результате участок в конце канала может работать неэффективно, обеспечивая незначительное прибавление объема фильтрата, требуя затрат энергии на преодоление сил трения. Это второстепенное ограничение следует рассматривать только после выполнения первого условия.
Для определения потерь напора вдоль мембранного канала воспользуемся известным в технической гидравлике решением задачи о потере напора в случае расхода, переменного по длине трубы, так называемого транзитного расхода [131].
Похожие диссертации на Разработка и научное обоснование мембранных процессов с поверхностными эффектами для фильтрования пива
