Физические методы очистки жидких пищевых продуктов

Известны физические и физико-химические методы очистки.

К физической очистке относится очистка свекловичного сока от пульпы – мелких кусочков свекловичной стружки. Обычно эта очистка производится путем фильтрации в специальных фильтрах-ловушках. К этим методам относится так называемое рафинирование крахмала, заключающееся в выделении из крахмального молока механических примесей – мезги. Рафинирование производится на плоских сотрясательных ситах, представляющих собой каркас с натянутой на нем мелкой ситовой тканью. Сито имеет обычно уклон около 25 мм на 1 м и совершает 400-600 продольных колебаний в минуту с амплитудой 7-10 мм.

При производстве растительных масел после шнековых прессов в масле содержится большое количество твердых суспензированных частиц, которые отделяются на вибрационных ситах. Сито состоит из металлической коробки, разделенной по длине на две камеры. В коробке установлено плетеное сито с размером отверстий 0,25х0,25 мм. Сито с изменяющимся углом наклона приводится в колебательное движение от индивидуального привода с частотой вращения вала около 2700 об/мин.

Масло поступает на вибрационное сито с температурой 60-70⁰С и, проходя через отверстия сит, направляется в сборники, а мезга удаляется на повторную переработку. Осадок обычно представляет смесь фосфатидов, слизей и белковых веществ.

К физическим способам очистки пищевых суспензий относятся также отстаивание, фильтрация и разделение при помощи центробежных сил.

Отстаивание (осаждение). Осаждение под действием собственного веса твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде, называют отстаиванием. Сущность отстаивания заключается в том, что неоднородная система, находящаяся в аппарате в состоянии покоя или движущаяся с малой скоростью, разделяется в нем на составные части под действием веса. Осаждение частиц происходит по законам падения тел в среде, которая оказывает сопротивление их движению.

Скорость осаждения взвешенных частиц зависит от их плотности, степени дисперсности и физических свойств жидкости, в которой они осаждаются. В начальный момент частицы падают ускоренно, но через некоторый промежуток времени, когда сопротивление жидкой фазы уравновесит действие веса, они приобретают постоянную скорость осаждения w_ос.

Согласно закону Стокса постоянная скорость осаждения (в м/с) может быть определена для ламинарной области по уравнению.

w_ос=d²g(_т - )/18 (1)

где d – приведенный диаметр частиц, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

_т – плотность твердой частицы, кг/м³;

 - плотность среды, кг/м³;

 - динамическая вязкость среды, Пас

Максимальный размер частиц, осаждение которых подчиняется закону Стокса, находят, подставив уравнение (1) вместо скорости осаждения ее выражение через критерий (число) Рейнольдса

w_ос=Re/d

Приняв Re=2, т.е. предельное значение Re для ламинарной области, получим

Формулы (1) и (2) справедливы для условий, когда частицы имеют шарообразную форму и область ламинарного осаждения соответствует Re2. Для переходной области, где 2Re500 и Re150000, применяются другие соотношения.

Обычно осаждение взвешенных частиц, находящихся в суспензии, осуществляется в отстойниках периодического и непрерывного действия. В большинстве случаев применяются многоярусные отстойники непрерывного действия с отводом осветленной жидкой фазы и уплотненного осадка из каждой секции.

При расчете отстойников определяются их производительность по осветленной жидкости и необходимая площадь поверхности осаждения

Производительность отстойника (в м³/с)

V_осв=Fh/

где F –площадь поверхности осаждения, м²;

h - слой осветленной жидкости, м;

 - время разделения суспензии на осветленный слой жидкости и слой осадка, с

Так как =h/w_ос, то

V_осв=F w_ос (3)

Из уравнения (3) видно, что производительность отстойника не зависит от его высоты, она зависит только от скорости и площади поверхности осаждения. Поэтому при необходимости высокой производительности отстойников, требующих больших площадей поверхности осаждения, их делают многоярусными.

Недостатком осаждения в отстойниках является их большие объемы и значительное время осаждения. Отстойники малоэффективны при осаждении мелких частиц, имеющих размеры d_э5 мкм, или когда их плотность близка к плотности среды. Значительно увеличивается эффективность процесса разделения суспензий с применением центробежных сил.

После действия центробежных сил создается вращательным движением потока разделяемой жидкости при тангенциальном ее подводе в гидроциклоны или при направлении разделяемого потока во вращающийся корпус осадительных центрифуг.

Для определения эффективности осаждения в центробежных аппаратах необходимо сравнить величину центробежной силы с силой тяжести, действующей на частицу.

При вращательном движении суспензии в центробежных устройствах на частицу действует центробежная сила (в Н)

G_ц=mw²R

где m - масса частицы, кг;

w – угловая скорость вращения частицы, с^-1;

R – радиус вращения частицы, м

Сила тяжести без учета подъемных сил составит

G_Т=mg

Сравнивая эти два уравнения, получим

G_ц= G_Т w²R/g

Т.е. центробежная сила больше сил тяжести в w²R/g раз.

Величину Ф=w²R/g называют фактором разделения. Чем больше фактор разделения, тем выше разделительная способность центробежных устройств.

Для стационара описать более подробно отстойники (отстойные цинтрифуги, гидравлические отстойники, циклоны, гидроциклоны и т.д. со схемами)

Фильтрование. Фильтрованием называют процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают ее жидкую фазу (фильтрат). Этот процесс разделения суспензий называют фильтрованием с образованием осадка. В некоторых случаях твердые частицы проникают в поры фильтровальных перегородок и задерживаются в них, не образуя осадка, Такое фильтрование называется фильтрованием с закупориванием пор. Обычно в пищевой промышленности применяют фильтрование через слой осадка.

На практике среди частиц твердой фазы, содержащихся в суспензии, всегда найдутся такие, размер которых позволяет им проникнуть в любые поры фильтрующей перегородки. Поэтому тип процесса фильтрования определяется, прежде всего, количеством твердой фазы, содержащейся в исходной смеси. Если концентрация твердой фазы ничтожна (например, в производстве вин, пива и других напитков), слой осадка практически не образуется, частицы задерживаются в толщине фильтровального картона.

Для организации процесса фильтрования через слой концентрация суспензии должна быть достаточной для образования слоя. Поэтому производственной технологией предусматривается введение в раствор значительного количества (1% к массе фильтруемой суспензии) мелкодисперсной фазы (диатомит, перлит, целлюлозу, асбест, активный уголь и др.), с тем, чтобы образовать слой из этих частиц на фильтрующей перегородке. В дальнейшем фильтрование идет через этот слой, частицы задерживаются внутри него или на его поверхности. Толщина такого слоя будет увеличиваться, и его сопротивление будет также возрастать. Это приведет к необходимости удаления или уменьшения толщины слоя для поддержания приемлемой скорости фильтрования.

Движущей силой процесса является разность давлений по одну и другую сторону фильтрующей перегородки. Эта разность может быть получена за счет силы тяжести – силы гидростатического давления, что с успехом используется в лаборатории для фильтрования в простой воронке. В промышленных аппаратах сила тяжести существенного влияния на результат процесса не оказывает и поэтому учитываться не будет. Разности давлений можно добиться за счет создания избыточного давления на стороне неоднородной смеси или за счет создания вакуума со стороны, где собирается газ или жидкость – фильтрат.

Получаемые при фильтровании осадки делят на сжимаемые, частицы которых с повышением давления деформируются, а размер пор капилляров уменьшается, и несжимаемые, размер и форма частиц которых не меняется с увеличением давления при фильтровании.

Так как в процессе фильтрования в большинстве случаев р=const, а сопротивление слоя осадка с течением времени изменяется, то скорость фильтрации [в м³/(м²с)]

w=dV/Fd

где V – количество фильтрата, м³;

F – площадь поверхности фильтрации, м²;

 - продолжительность фильтрования, с.

Скорость фильтрации прямо пропорциональна перепаду давлений и обратно пропорциональна общему сопротивлению слоя осадка R_ос и фильтрующей перегородки R_ф, следовательно,

dV/Fd=р/( R_ос+ R_ф) (4)

Если в уравнение (4) ввести удельную производительность фильтрата dv=dV/F (в м³/м²), сопротивление осадка с учетом вязкости жидкой фазы суспензии  (в Па с) представить как произведение удельного сопротивления r (в 1/м²) на толщину слоя осадка, находящегося в 1 м³ фильтруемой суспензии, то уравнение (4) представится в следующей форме:

d=(rxv/р+ R_ф/р)dv

x- толщина осадка, м.

Интегрируя это выражение в пределах от 0 до  и от 0 до v, найдем продолжительность фильтрации (в с)

=rxv²/2р + R_фv/р=bv² + R_фv/р, (5)

где b= rx/2

Удельный объем фильтрата (в м³/м²), прошедший через единицу площади поверхности фильтрующей перегородки за время , определяется из уравнения (5)

В промышленности для разделения суспензий применяют фильтры периодического действия: рамные фильтр-прессы, патронные фильтры, листовые фильтры – и фильтры непрерывного действия: барабанные вакуум-фильтры и дисковые.

Весьма перспективным способом разделения пищевых растворов является процесс разделения под давлением через полупроницаемую перегородку (мембрану) – обратный осмос, или ультрафильтрация.

Ультрафильтрация предназначена для разделения низкоосмотических растворов и позволяет задерживать сравнительно крупные молекулы с молекулярной массой выше 500 при низком давлении 0,05-1,0 МПа. (См. лекции на листах – обратный осмос).

Особый интерес этот способ представляет для опреснения морской воды, разделения сахарных растворов, фруктовых соков, очистки продуктов микробиологических производств, сточных вод и т.п.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Для анализа и расчета различных тепловых процессов необходимо знать теплофизические характеристики (теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности и др.) перерабатываемого сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов. Указанные характеристики являются кинетическими коэффициентами L в известном линейном уравнении термодинамики необратимых процессов

i=Lx

где i – плотность потока; x – движущая сила процесса.

Кинетические коэффициенты характеризуют проводимость потока (тепла) и теплоинерционные свойства материалов, и в их повышении заключены значительные резервы интенсификации процессов теплопередачи.

В отличие от истинных ТФХ, относящихся к кондуктивному переносу тепла в чистом виде, под эффективными ТФХ понимают характеристики, учитывающие все возможные виды теплопереноса – кондукцию, конвекцию и лучистый теплообмен в порах материала; эквивалентные ТФХ учитывают дополнительный перенос тепла мигрирующей влагой, а также теплоту фазовых переходов и химических реакций.

Теплоемкость. Удельная теплоемкость (обычно относится к единице массы тела) материала С_м [Дж/(кг К)] обычно рассчитывается как средневзвешенная величина между теплоемкостью сухого вещества материала С_с.в. и теплоемкостью воды С_в, которая принимается равной 4,19 кДж/(кг К).

С_м=[С_с.в.(100-W) + С_вW]/100 = С_с.в.+( С_в- С_с.в)W/100

Теплоемкость сухого вещества различных пищевых продуктов составляет 1257-1676 Дж/(кг К)

В связи с тем, что удельная теплоемкость воды намного выше удельной теплоемкости сухих веществ, удельная теплоемкость растительных пищевых материалов при сушке уменьшается.

Если теплоемкость влажного материала отнести к килограммсу сухого вещества, то получим приведенную теплоемкость [Дж/(кг с.в. К)]

С^пр_м=[С_с.в.(100-W) + С_вW]/100-W = С_с.в.+С_вW^c/100 = С_с.в.+С_вu

где u – влагосодержание продукта, кг вл./кг с.в.

Зависимость между теплоемкостью материала и его влажностью имеет линейный характер.

Большое влияние на теплоемкость могут иметь внутренние процессы, происходящие при увлажнении или сушке материала.

При отсутствии точных экспериментальных данных для технических расчетов можно пользоваться формулой смешения, принимая приближенные значения С_с.в, приведенные в соответствующих справочниках.

С_м = С₀ + NW

С₀ – отрезок, отсекаемый на оси ординат;

N – тангенс угла наклона прямой на участке, соответствующем определенным пределам влажности.

Теплоемкость характеризует способность материала аккумулировать теплоту при повышении его температуры.

Коэффициент теплопроводности. Перенос тепла во влажных материалах существенно отличается от передачи тепла в сухих материалах:

1. влага оказывает влияние на теплопроводность порообразующего твердого скелета тела, в порах которого она находится;

2. перенос тепла тесно связан с непосредственным переносом влаги внутри материала.

Теплопроводность характеризует теплоизолирующие свойства материала.

Тепло может передаваться также конвекцией через поры, в которых находится газ и жидкость, и излучением между стенками пор. Поэтому различают истинный и эквивалентный коэффициенты теплопроводности.

К оэффициент теплопроводности определяет способность вещества проводить тепло и равняется количеству теплоты, проходящему в единицу времени через единицу поверхности при изменении температуры в один градус на единицу длины материала:

Коэффициент теплопроводности зависит от структуры, плотности, давления, температуры и влагосодержания материала. Перенос влаги во влажных материалах значительно повышает величину , поэтому в процессе сушки при уменьшении влажности материала происходит значительное уменьшение коэффициента теплопроводности.

Коєффициент теплопроводности у плодов, овощей, круп и других пищевых продуктов меньше, чем у воды. С повышением температуры коэффициент теплопроводности чаще всего возрастает.

Коэффициент теплопроводности массы нарезаенных частиц овощей и плодов в несколько раз ниже, чем отдельных частиц их-за наличия воздушных промежутков между отдельными частицами.

Коэффициент температуропроводности характеризует теплоинерционные свойства материала, т.е. его способность (интенсивность, скорость) нагреваться и охлаждаться (м²/с или м²/ч):

а=/с

 - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м К);

 - плотность (или объемная масса), кг/м³;

с – удельная теплоемкость, Дж/(кг К)

Чем выше а, тем быстрее происходит нагревание или охлаждение материала, т.е. коэффициент а необходимо учитывать при исследовании и расчете нестационарных процессов – нагревании, охлаждении, сушки, увлажнения и т.д.

Произведение с есть теплоемкость единицы объема материала. Она характеризует теплоаккумулирующую способность: чем больше с, тем при том же значении  коэффициент а будет меньше, т.е. материал, обладающий большой теплоаккумулирующей способностью, будет медленно нагреваться, но так же медленно он будет и охлаждаться.

Чем выше влажность материала, тем больше величина коэффициента температуропроводности.