Технологические особенности поточного контактного взаимодействия жидких пищевых продуктов с диоксидом углерода

Полный текст

Термодинамические и технологические свойства экологически безопасного и относительно дешевого и доступного для применения диоксида углерода постоянно привлекают внимание к проблеме его использования в технологических процессах пищевой промышленности. При оценке возможных путей развития экспрессных методов холодильной технологии пищевого сырья выявлены системно-структурные взаимосвязи [4, 7], возникающие при обработке жидких пищевых продуктов, находящихся в поточно-струйном контактном взаимодействии с диоксидом углерода. Исследования, проведенные в 1983-1995 гг. [3-7], свидетельствуют о том, что такое использование диоксида углерода способствует сохранению качества, натуральных свойств, экологической чистоты и питательной ценности пищевых продуктов и позволяет создать альтернативные технологии для многих пищевых производств. Газодинамический потенциал диоксида углерода в струйных газодинамических охладителях [6] обеспечивает диспергирование продукта, введенного в поток, а термодинамический потенциал гарантирует понижение температуры и при необходимости кристаллизацию обрабатываемого жидкого продукта или его отдельных компонентов.

Как показали натурные эксперименты, использование сверхбыстрой кристаллизации позволяет осуществлять принципиально новые технологические процессы осветление виноматериалов путем удаления из них винного камня [1, 2], осветление соков с увеличением сроков их хранения не менее чем вдвое и ряд других [3].

Специфика осветления виноматериала (виноградного сока-полуфабриката) путем удаления из него винного камня состоит в том, что при понижении температуры продукт мутнеет. Это обусловлено кристаллизацией избытка солей кальция из продукта, находящегося в состоянии, близком к насыщению. Соли кальция не всегда удается удалить полностью, и они могут образовывать при хранении вина так называемые «поздние кристаллы помутнения», которые ухудшают качество продукта. Чтобы устранить «кристаллы помутнения», необходимо обеспечить ионное равновесие солей кальция. Современная технология асептического хранения виноградного сока-полуфабриката в резервуарах не связана с необходимостью применения искусственного холода, но и не гарантирует выпадения винного камня. Внесение в сок органических солей кальция-лактата или глюконата для ускорения выпадения винного камня обусловливает замену удаленной из сока винной кислоты эквивалентным количеством молочной или глюконовой кислот, что не всегда технологически допустимо.

Поэтому до настоящего времени наиболее эффективным считают хранение виноматериала (виноградного сока-полуфабриката) в резервуарах вместимостью от 20 до 300 т, размещенных в охлаждаемых камерах. При температуре 2 °C винный камень выпадает постепенно: хотя через первые 1,5 ч его количество достигает 20 %, в дальнейшем процесс протекает с незначительным эффектом и завершается в течение нескольких недель. Этот способ очень дорог (импортные емкости для хранения, большие площади холодильных камер, значительный расход энергии на производство холода) и для заводов малой мощности малодоступен.

Один из современных способов внесение в виноматериал диоксида углерода [1-3].

Измерить параметры, позволяющие описать внутренний механизм процессов взаимодействия диоксида углерода и виноматериала в процессе натурных исследований, практически невозможно, поскольку процессы осуществляются при расчетных числах Маха (для газовой фазы диоксида углерода) от 0,5 до близких к единице и в интервале температур от -53 до -123 °C. Поэтому анализ процессов проводили по данным численного эксперимента с использованием разработанной математической модели и ЭВМ. Натурными экспериментами определяли конечные показатели винопродукта, обработанного диоксидом углерода, изменяющим фазовые состояния.

 

Рис. 1. Принципиальная схема обработки виноматериала в поточно-струйном процессе с использованием диоксида углерода: 1 — емкость для виноматериала; 2 — насос; 3 — теплообменник; 4 — полость; 5 — струйное устройство; 6 — емкость для жидкого диоксида углерода; 7 дроссельный вентиль; 8 - сопло; 9 - камера смешения; 10 - диффузор;11 — фильтр; 12 - сборная емкость; 13 — трубопровод обработанного виноматериала 14 — трубопровод газообразного диоксида углерода

 

Принципиальная схема обработки виноматериалов с использованием диоксида углерода в поточно-струйном процессе показана на рис. 1, а изображение на диаграмме T-s изменения температур и фазового состояния диоксида углерода и обрабатываемого виноматериала приведено на рис. 2. Виноматериал из емкости  (см. рис. 1) насосом 2 подается через теплообменник З во внешнюю полость 4 струйного устройства 5. Под избыточным давлением из емкости 6 через регулирующий вентиль 7 жидкий диоксид углерода поступает в сопло 8. Вследствие протекания термодинамических процессов на выходе из сопла 8 диоксид углерода состояния а (см. рис. 2) дросселируется (процесс а-b) и далее адиабатно расширяется (процесс b-с), образуя твердую фазу гранулы (состояние точки 0 и первичный пар (состояние точки d). Таким образом обеспечивается дробление диоксида углерода на твердые гранулы размерами от 100 до 300 мкм и переход жидких частиц в состояние «снежной шуги», твердой или переохлажденной твердой фазы. Размер гранул и содержание твердой фазы в потоке регулируют путем изменения входного давления и диаметра выходного отверстия сопла 8 (см.рис.1).

Сопло 8 расположено концентрично внешней полости 4 ввода виноматериала в струйное устройство 5, и в камере смешения 9 фазы диоксида углерода вступают в контакт с виноматериалом, который после выхода из внешней полости 4 взаимодействует с потоком первичного пара диоксида углерода и смешивается с твердой фазой диоксида углерода, причем скорость в этом сечении может превышать 20 м/с. Образующийся первичный пар диоксида углерода, двигаясь с большей скоростью, чем капли виноматериала, дробит их, увеличивая поверхность взаимодействия капель с гранулами диоксида углерода. Очевидно, что гранула с поверхностной температурой -78 °C независимо от ее конфигурации сразу покрывается пленкой жидкости и приобретает шаровую форму. Наружная температура в пленке оказывается близкой к 0 °C, что способствует выпадению винного камня из жидкости.

 

Рис. 2. Изображение на диаграмме T-s изменения температуры и фазового состояния диоксида углерода и обрабатываемого виноматериала

 

При динамическом взаимодействии первичный пар охлаждает виноматериал и нагревается до состояния точки е (см. рис. 2), твердая фаза также охлаждает виноматериал и сублимирует в процессе f-d, после чего вторичный пар нагревается до состояния точки е. Жидкий виноматериал с температурой точки А охлаждается до температуры точки В, ограниченной технологическим регламентом температурой замерзания виноматериала. При этом кристаллизующиеся компоненты виноматериала охлаждаются от температуры точки А до температуры точки С, претерпевают фазовый переход С-D и переохлаждаются ниже температуры фазового перехода до состояния точки F.

При контакте с диоксидом углерода виноматериал охлаждается до температуры, близкой к температуре замерзания капель, при этом паровая фаза диоксида углерода частично растворяется в виноматериале. Вследствие охлаждения в объеме виноматериала, на гранулах диоксида углерода формируются кристаллы винного камня, при этом на их поверхности создается своеобразный «пограничный слой», перенасыщенный солями битартрата калия, тартрата кальция и оксалата кальция. Состояния ненасыщения или перенасыщения «пограничного слоя» зависят от потенциала диффузии. Вследствие очень быстрого охлаждения кристаллизация солей происходит более интенсивно и полно - в виде тонких кристаллов. Размеры кристаллов зависят от размеров гранул диоксида углерода, которые служат затравочными кристаллами. За время контакта пленка из кристаллов солей частично или полностью замерзает в результате теплообмена с ядром, в котором аккумулирован холод. При этом процессы тепло- и массообмена и кристаллизации протекают весьма эффективно.

Дозвуковой поток в диффузоре 10 (см. рис. 1) струйного устройства 5 не может ускоряться. Поэтому вначале осуществляется изотермическое дозвуковое течение с сублимацией гранул диоксида углерода, а затем - изотропное дозвуковое равновесное течение. Оба эти течения сопровождаются ростом давления, что позволяет реализовать течение трехфазного потока (гранулы с намороженными кристаллами солей, жидкость и газ) в среду с достаточно большим противодавлением. При таком давлении диоксид углерода может находиться в твердой фазе, нерастворимой в виноматериале. При повышении температуры пленка кристаллов «отщелучивается» от гранул и разрывается парами диоксида углерода. Выпадающие при этом в осадок кристаллы начинают растворяться в виноматериале, а пары диоксида углерода из него улетучиваются. Чтобы избежать повышения температуры, фильтрацию виноматериала рекомендуется проводить в теплоизолированном и охлаждаемом фильтре. Вследствие этого трехфазную смесь (см. рис. 1) направляют в диффузор 10, где происходит поджатие газовой составляющей смеси, а затем - в фильтр 11, где отделяют кристаллы, после чего через теплообменник 3 жидкость сливают в сборную емкость 12, где она отделяется от газа и по трубопроводу 13 поступает на хранение, а газ по трубопроводу 14 направляют на регенерацию или выбрасывают в атмосферу.

Использование описанных выше поточноструйных принципов позволило разработать такие технологии, при которых условия для обработки продукта будут оптимальными. Создание высокоскоростного потока диоксида углерода, характеризуемого газодинамическим воздействием на контактирующий с ним жидкий продукт, позволит в 100 и более раз увеличить поверхность контакта капель продукта с рабочим веществом, интенсифицировать теплообмен, обеспечив минимальную продолжительность кристаллизации в продукте влаги или других компонентов (со скоростью 100 °С/с и более), для их последующего отделения. Для условий кристаллизации в продукте энергетически эффективны такие технологические процессы, в которых относительная массовая доля продукта составляет от 0,3 до 1,5, если температуры кристаллизации характеризуются значениями от -18 до +7 °C.

Использование низкотемпературного поточно-струйного взаимодействия позволит создать условия в том числе полного фазового перехода влаги в продукте.

Кристаллизация с высокой скоростью может лечь в основу решения принципиально новых задач обработки многокомпонентных, термодинамически и кинетически нестабильных жидких пищевых продуктов: получение гранул с равномерным распределением компонентов, сохранивших в твердой фазе гомогенность и инстантацию, присущие исходному сырью; подавление в продукте взаимодействия отдельных комплексов, радикалов и др. Таким образом, возникают реальные предпосылки создания высокоэффективных поточноструйных технологий жидких и пастообразных пищевых продуктов путем ввода в имеющиеся технологические линии устройств для контактного взаимодействия продукта с непрерывно изменяющим фазовые состояния диоксидом углерода.

Об авторах

В. М. Шляховецкий

Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

Email: info@eco-vector.com

Д-р техн. наук, проф., академик МАХ

Россия

Г. И. Касьянов

Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

Автор, ответственный за переписку.
Email: info@eco-vector.com

Д-р техн. наук, проф.

Россия

Список литературы

Дополнительные файлы