Результаты исследования стабилизации производительности ультразвуковой установки с керамическими мембранными элементами при обработке вина

Существует достаточно много способов обработки вин с целью их осветления путём введения в них органических оклеивающих веществ, например, желатины, рыбьего клея, и раствора бентонита, введения жёлтой кровяной соли, перемешивания, отстаивания и фильтрации через фильтры разной конструкции. Использовать такую технологию на современных высокопроизводительных заводах невозможно из-за использования большого количества технологического оборудования и производственных площадей, трудоёмкости операций и длительности технологического цикла [2, 4]. Особенно высокое качество обработки вин с некоторым сокращением цикла подработки можно осуществить на керамических фильтрах, но они так же, как и другие, быстро теряют производительность и требуют дорогостоящего обслуживания. Поднять эффективность удаления газов и осветления вин можно при контактном наложении колебаний волн ультразвукового излучателя на керамический фильтр, но научных работ в направлении внедрения в винодельческой промышленности, особенно для подработки вина на конечном этапе его производства, недостаточно [2]. Особенно ярко преимущества этих систем проявляется при автоматизации процессов, когда снижение скорости фильтрации и давление могут резко изменяться в зависимости от характеристик виноматериалов. Теоретические исследования процессов фильтрации растворов воды и практика показывает, что наложение ультразвука на керамические фильтры не только увеличивает производительность установки, но и стабильность её работы длительное время, при этом так же существенно перекрывает расходы на создание дозированного ультразвука.

Мембранные технологии осветления в настоящее время признаны в мировой практике в качестве энергосберегающих технологий разделения жидких пищевых сред, так как исключаются стадии пастеризации (тепловой обработки) и необходимость введения консервантов для обеспечения требуемых сроков хранения [9].

Недостатком мембранной фильтрации является низкая производительность и её существенное снижение в процессе работы, что требует периодически переключать потоки фильтруемого вина на резервные фильтры [18]. Это повышает стоимость обработки. Для достижения высокой производительности мембранных фильтров применяют обработку под давлением, что также сказывается на энергетических затратах. Ультразвуковое воздействие на мембранные фильтры в корне решает эти проблемы: снижается гидравлическое сопротивление фильтров и, следовательно, повышается производительность аппаратов, идёт непрерывная очистка пор, задержка или деструктурирование высокополимерных спиртов [2]. Основной задачей исследования является разработка непрерывной технологии мембранного осветления винопродуктов, состава технологической линии и конструкции промышленной установки с керамическими мембранами, обеспечивающими стабильный процесс, а в совокупности решение задачи снижения себестоимости и повышения качества продукта. Внедрение предлагаемого инновационного технологического процесса в производство обеспечит достижение следующих преимуществ по сравнению с традиционными методами:

─ повышение качества осветлённого вина;

─ устранение традиционных аппаратов фильтрации с упрощением состава технологической линии;

─ уменьшение потерь при фильтровании;

─ существенное снижение энергопотребления.

Поэтому актуальность создания проточной микрофильтрационной установки непрерывного действия с ультравибрирующими керамическими мембранными элементами для осветления вина очевидна.

• 1.1    Объекты и методы исследования

Целью работы является исследование процесса снижения производительности керамических мембранных элементов для обработки вина на конечном этапе его производства. Во время эксперимента осуществлялась подача виноматериала на керамический фильтр со средним диаметром пор 0,2 мкм под давлением 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,45 МПа, при частоте ультразвука 22 кГц и амплитуде вибрации 0; 10; 20; 30 и 40 мкм.

Для измерения поглощённой мощности ультразвука измеряли время и температуру нагрева взвешенной порции вина, для чего использовали весы марки МММ44, Необходимое число повторов эксперимента найдено по методике, изложенной в работе [18]. На рисунке 1 представлена схема установки.

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки.1. Буферная ёмкость; 2. Регулирующие клапана; 3. Манометр; 4. Продуктопровод; 5. Корпус фильтра; 6. Ультразвуковой генератор; 7. Датчик температуры; 8. Вольтметр; 9. Амперметр; 10. Керамическая мембрана с порогом фильтрации 0,02 мкм.;11. Насос

Figure 1. Schematic diagram of experimental installation. 1. Buffer vessel; 2. Control valves; 3. Manometer; 4. Products pipe line; 5. Filter bowl; 6. Ultrasonic generator; 7. Temperature sensor; 8. Voltmeter; 9. Amperemeter; 10. Ceramic membrane on the level of filtration 0,02 microns; 11. Pump

На рисунке 2 представлено фото общего вида установки для конечной обработки вина.

Рисунок 2. Общий вид установки. 1. Компьютер для настройки ультразвукового генератора; 2. Ультразвуковой генератор; 3. Ультразвуковой излучатель; 4. Фильтр; 5. Машина розлива МРп-1/2; 6. Отфильтрованный продукт; 7. Фильтрат; 8. Контрольные весы; 9. Продуктопровод

Figure 2. General view of installation. 1. The computer for the ultrasonic generator setup; 2. Ultrasonic generator; 3. Ultrasonic emitter; 4. Filter; 5. Filling machine MRp-1/2; 6. Filtered product; 7. Filtrate; 8. Checkweighing scales; 9. Products pipe line

На рисунке 3 представлено фото крепления корпуса фильтра к ультразвуковому излучателю.

Рисунок 3. Закрепление фильтра с керамическим мембранным элементом на концентраторе ультразвукового излучателя

• Figure 3.    Fastening of the filter (equipped by ceramic membrane element) on the ultrasonic emitter concentrator

На рисунке 4 представлена зависимость производительности установки от давления и частоты ультразвука. Из анализа экспериментальных данных видно, что при работе установки без ультразвука производительность меняется при давлении от 0,1 до 0,4 МПа только 80–140 г/с, а с ультразвуком при 40 мкм 200–680 г/с.

Производительность с ультразвуком 400 Вт

Производительность с ультразвуком 200 Вт

Производительность без ультразвука при изменен

Полиномиальная (Производительность без ультразвука при изменен )

Полиномиальная (Производительность с ультразвуком 400 Вт )

Давление насоса, МПа Pump pressure, MPa

Рисунок 4. Зависимость производительности фильтра от давления в системе и амплитуды колебаний ультразвукового излучателя (0; 20; 40 мкм)

Полиномиальная (Производительность с ультразвуком 200 Вт )

• Figure 4.    Function of the filter productivity from pressure in the system and amplitude of oscillations of ultrasonic emitter (0; 20; 40 microns).

Получена аппроксимационная зависимость для производительности керамического фильтра от давления в системе (с ультразвуковым излучателем и без включения ультразвука):

N ультразвука=400 Вт.

П = -18,883Р2 + 242,02Р + 3,8273(1)

N ультразвука=200 Вт.

П = -11,727P2 +194,99P - 2,0727(2)

N ультразвука=0,0 Вт.

П = -7,4459P2 + 63,117 P +11,515(3)

Производительность без ультразвука при Р=0,2 МПа

Производительность с ультразвуком400Вт

Р=0,2 МПа

Производительность с ультразвуком200Вт

Р=0,2 МПа

Экспоненциальная ( Производительность без ультразвука при Р=0,2 МПа)

Экспоненциальная (Производительность с ультразвуком400Вт

Р=0,2 МПа)

Экспоненциальная (Производительность с ультразвуком200Вт

Р=0,2 МПа)

Рисунок 5. Зависимость производительности фильтра от времени фильтрования при различной амплитуде колебаний ультразвукового излучателя (0,20,40 мкм) (забиваемость фильтра)

• Figure 5.    Function of the filter productivity from the filtering time, with various amplitude of oscillations of ultrasonic emitter (0,20,40 microns) (filter clogging).

Зависимость производительности фильтра от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя прослеживается на рисунке 4. При амплитуде ультразвуковых колебаний от 20 до 40 мкм производительность повышается до 600%. Дальнейшее увеличение амплитуды приводит к некоторому снижению производительности, что требует физического обоснования этого явления.