Закономерности фильтрования подсолнечного масла с применением виброакустического воздействия

Фильтрование подсолнечного масла применяют с целью его очистки. Все примеси, находящиеся в объёме масла во взвешенном состоянии, с течением времени оседают. При этом нежировые примеси в процессе фильтрации масла коагулируют и под действием силы тяжести оседают в виде суспензии на фильтрующий элемент и закупоривают его поры и устьица. Проницаемость фильтра уменьшается, соответственно уменьшается скорость фильтрации [1–3].

Для определения закономерностей фильтрования подсолнечного масла с применением виброакустического воздействия был проведён комплекс исследований на разработанной экспериментальной установке, схема которой приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – ёмкость с маслом; 2 – картридж с адсорбентом; 3 – фильтрующий элемент; 4 – очищенное масло; 5 – сливной патрубок; 6 – ультразвуковой возбудитель; 7 – вибрационный механизм; 8 – ёмкость-отстойник

• Figure 1.    Sсhеmе of the experimental installation: 1 – container of oil 2 – cartridge adsorbent; 3 – filter wall; 4 – refined oil; 5 – drain pipe; 6 – ultrasonic exciter; 7 – vibration mechanism; 8 – tank-septic tank

Объектом исследования служило нерафинированное подсолнечное масло после 3 месяцев хранения, произведённого по общепринятой схеме: прессование–осаждение– центрифугирование. Объём масла в ёмкости составлял 0,02 м3. Изменение продолжительности перетекания масла сквозь адсорбент фиксировали замерами его объёма в единицу времени. Количество постоянно перетекающего масла на начальный период устанавливали равным 0,28 м3/с регулировкой расхода сливным патрубком.

В качестве фильтрующего элемента использовали минеральные материалы доломит и опоку фракцией до 10 мм просушенные и прокаленные соответственно при температуре 500 °C и 200 °C в соотношении – 50:50%, которые служили также сорбентом.

Осадок в масле представлял собой дисперсную фазу, состоящую из механических включений продуктов измельчения семян в виде частиц мезги, жмыха, шрота, остаточных количеств металлов, пестицидов. В процессе переработки они находятся в масле во взвешенном состоянии и в течение всего периода хранения коагулируют и под действием силы оседают на дне ёмкости. Их нахождение в масле нежелательно по двум причинам. Во-первых, они являются дополнительными очагами окислительных процессов в масле и ведут к его ферментации, во-вторых, ухудшают потребительские свойства товарной продукции [4–6].

Весь осадок, имеющий твёрдую структуру, адгезирует в поверхность фильтрационной перегородки и задерживается в адсорбенте. Это является положительным явлением, так как масло тщательно очищается от загрязняющих составляющих, но при этом отрицательным является то, что они закупоривают проход масла сквозь поры и устьица адсорбента. На рисунке 2 представлены данные по концентрации загрязнений в масле после их производства. Для очистки фильтрованием с наложением ультразвуковых колебаний использовали масло после его центрифугирования и без центрифугирования.

Продолжительность фильтрования, f l О"3 при расходе ЗЮ'^/с

Filtration duration, t⋅10-3

Рисунок 2. Зависимость концентрации загрязнений в масле от продолжительности фильтрования при расходе 5,83 м³/с

• Figure 2.    Dependence of the concentration of pollutants the oil length of filtration at the flow of 5.83 m³/s

Высокая результативность обработки ультразвуком наблюдалась у поверхности раздела двух фаз, где активизировался процесс диспергирования твёрдых включений в жидкой фазе и происходило эмульгирование жировых включений, выпадающих также в виде осадка.

Концентрация загрязняющих частиц в масле в начальный период без центрифугирования составляет 57,4 тыс. шт. в объёме 0,1 м3. В последующем, по мере увеличения времени очистки этот показатель снижается, что можно объяснить активизацией процесса осаждения частиц с большой массой и, соответственно, большей гравитационной силой. Уже к 10 мин обработки он достигает 4,01 тыс. шт./0,1 м3, что соответствовало качественным показателям масла после центрифугирования, а через 30–40 мин обработки масло имело требуемые значения.

При этом следует указать, что очистка масла без центрифугирования в недопустима, во-первых, по причине интенсивного загрязнения поверхности фильтрационной перегородки крупными твёрдыми частицами и, во-вторых, из-за снижения проницаемости.

Загрязнённость отцентрифугированного масла в начальный период в 14,6 раза ниже. Уже после 10 мин обработки она снижается на 62%, после 20 мин – на 79,4%. При 30-минутной обработке частицы размером 0,005–0,1 мм удаляются до 90%, что по показателю загрязнённости приближено рафинированным маслам.

Полученные данные позволяют принять рациональным режимом 30–40-минутную обработки масла при установленных акустических и вибрационных параметрах.

Определены закономерности изменения параметров фильтрования при ультразвуковом и ультразвукововибрационном воздействии с горизонтально расположенной поверхностью фильтрующего элемента и его наклоном к горизонтали под углом 10° и 15°.

Скорость фильтрования характеризуется количеством масла, проникающего сквозь фильтрующий элемент адсорбент в установленный период [7–10]. Данные исследования позволили получить сравнительную картину осаждения и адгезии в фильтрующую перегородку нежировых примесей. Необработанные сырые и нерафинированные подсолнечные масла содержат более 2% общих примесей, в той или иной мере включающих в себя мезгу, жмых, шрот, мыла, воска, следовые количества металлов, пестицидов, пигментов и других веществ, ведущих к активизации процесса окисления и ферментации.

Все примеси в виде частиц дисперсной фазы имеют размеры от 0,005 до 1,5 мм и плотность 1100–1400 кг/м3 при плотности масла 920 кг/м3. В результате виброакустического воздействия в экспериментальной установке наблюдается коагуляция частиц и их осаждение на фильтрационном элементе. Зависимость скорости фильтрования от продолжительности при воздействии на картридж представлена на рисунке 3.

Скорость фильтрования масла при его очистке только в акустическом потоке с горизонтально расположенным картриджем замедляется уже в первые 2-часовые циклы исследования на 18%, в последующем, уже к 8 ч работы установки она снижается с 2,8⋅10-4 до 0,3⋅10-4 м3. Качество очистки не ухудшается, но произво- дительность уменьшается на 90%. При вибро-акустическом воздействии на очищаемое масло концентрация загрязнения поверхности картриджа при его горизонтальном расположении уменьшается. Так после 2-часового цикла она уменьшается на 5,6% и при дальнейшей обработке концентрация загрязнения поверхности картриджа снижается. Следует отметить, что производительность установки уменьшается при этом вдвое, но проницаемость фильтрующего элемента значительно выше, чем при использовании только акустических потоков.

Рисунок 3. Зависимость скорости фильтрования от продолжительности при воздействии на картридж: 1 – ультразвуковом; 2 – виброакустическом; 3 – виброакустическом с углом наклона картриджа 10°; 4 – виброакустическом с углом наклона картриджа 15°

• Figure 3.    Dependence of the filter length when exposed to the print cartridge: 1 – ultrasound; 2 – for; 3 – vibroacoustic angle of the cartridge 10°; 4 – vibroacoustic angle of the cartridge 15°

Исследованиями установлена необходимость создания направленных продольных акустических микропотоков и поперечных вибрационных пульсирующих колебаний. Кроме этого определена возможность удаления осадка по наклонно установленному картриджу. Исследована скорость фильтрования подсолнечного масла в диапазоне угла наклона картриджа – 12°…15°.

После 16-часового цикла работы установки скорость фильтрования подсолнечного масла снижается при угле наклона 10° на 29%, а при 15°– на 13%. Однако, эти показатели вполне удовлетворяли поставленным целям обеспечения высокой производительности установки.

Изучено изменение кислотности и концентрации антиоксидантов в сырых и нерафинированных подсолнечных маслах сразу после их производства, хранения и регенерации (рисунок 4) . Наличие в масле свободных жирных кислот обусловлено технологией его производства и очистки.

Рисунок 4. Зависимость изменения кислотного числа и концентрации антиоксидантов от продолжительности хранения: 1 – кислотное число масла, произведённого без виброакустической фильтрации; 2 – кислотное число масла, произведённого с виброаку-стической фильтрацией; 3 – снижение концентрации антиоксидантов при хранении

Figure 4. Dependence of the acid number and concentration of antioxidants from the duration of storage: 1 – acid number of oil to be produced without the acoustic filter; 2 – the acid number of the oil, produced with vibro-acoustic filtering; 3 – reduction in the concentration of antioxidants during storage

При хранении очищенного подсолнечного масла произведённого без виброакустической фильтрации (кривая 1 рисунок 4) идёт инициирование цепной свободнорадикальной реакции. Интенсивность окисления к 3-му месяцу хранения достигает 52,6%, а к 4-месячному хранения она находится на рубеже выхода из показателей 1-го сорта масла, после чего его употребление в пищевых целях, не допускается.

Аналогично повышению кислотного числа при хранении снижается концентрация антиоксидантов, призванных препятствовать окислительному процессу (кривая 3 рисунок 4). Если на момент производства масла окислительная стойкость свободных жирных кислот была на достаточном для высшего сорта уровне, составляющем 2,21[АО]⋅10–3 моль/кг и интенсивность снижения в период инициирования свободнорадикальной реакции не превышала 6% к 2 месяцам хранения, то уже к 3-му месяцу хранения концентрация антиоксидантов снизилась до 1,52[АО]⋅10–3 моль/кг. Это соответствует 32%-му изменению концентрации антиоксидантов и свидетельствует об активизации процесса окисления в условиях разветвления цепной свободнорадикальной реакции.

В дальнейшем, по мере увеличения срока хранения, концентрация антиоксидантов значительно снижается: к 4 месяцам хранения на 62%, к 5 месяцам – на 96%, а к 6 месяцам она доходит до нулевого состояния.

Данные показывают, что с увеличением срока хранения сырые и нерафинированные подсолнечные масла подвергаются интенсивному окислению и после 4-месячного хранения они выходят за пределы 1-го сорта и в соответствии с требованиями ГОСТ могут быть использованы только в технических целях.

Заключение

Проведённые исследования подтверждают целесообразность применения виброакустического воздействия фильтрации масла, как последней операции в производстве. Показатель перекисного числа при этом снижается до 2–3 моль активного кислорода, после 3-месячного хранения – с 11,8 до 7,7, что по ГОСТ соответствует маслу высшего сорта. После 5-месячного хранения, перекисное число достигает 12,7 моль активного кислорода, что соответствует маслу для промышленной переработки. После очистки масло достигает уровня первого сорта – 8,3 моль активного кислорода.

Если при регенерации масла все показатели кислотного, перекисного, анизидинового и цветного чисел можно снизить и использование масла возобновить, то токоферол – основной антиоксидант – не возобновляем. При окислении масла уже после шести месяцев хранения этот показатель достигает нулевого значения.

При очистке масла в разработанной установке возможно снижение кислотного числа с максимально достигнутого при хранении уровня 5,5 мг КОН/г до уровня 1,5 мг КОН/г.

Установлено, что сырые и подсолнечные масла необходимо подвергать регенерации после трёх месяцев хранения.