Технология производства пива

 

 

 

Механизм протекания процесса

Фильтрованием называется процесс  разделения суспензий, пылей и туманов через пористую, так называемую фильтровальную  перегородку, способную пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные частицы ( фильтрация в отличие от фильтрования – это движение жидкости или газа сквозь пористую среду, например просачивание воды сквозь грунт основания плотины).  Фильтрование осуществляется под действием разности давлений перед фильтрующей перегородкой и после нее или в поле центробежной сил.

По целевому назначению процесс  фильтрования может быть очистным или  продуктовым.

Очистное фильтрование применяют  для разделения суспензий, очистки  растворов от различного рода включений. В этом случае целевым продуктом  является фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование используют при осветлении вина, виноматериалов, молока, пива и других продуктов.

Назначение продуктового фильтрования – выделение из суспензии  диспергированных в них продуктов в виде осадка. Целевым продуктом является осадок. Примером такого фильтрования является разделение дрожжевых суспензий.

 

Движущая сила и скорость процесса

Движущая сила процесса фильтрования – разность давлений по обе стороны  фильтровальной перегородки либо центробежная сила. Разность давлений можно получить разными способами: Создание избыточного  давления над фильтровальной перегородкой либо подсоединения пространства над фильтровальной перегородкой в вакуумной линии. В этих случаях фильтрование происходит при постоянном перепаде давлении и скорость процесса прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна сопротивлению осадка. Процесс описывается кинетическим уравнением   , (1.1)

 где V- Обьем фильтрата, F- площадь поверхности фильтрования, - продолжительность фильтрования, перепад давления, – вязкость жидкой фазы, - сопротивление соответственно осадка и фильтровальной перегородки

Примем, что при прохождении 1 фильтрата образуется осадка, тогда

(1.2)

Где высота слоя осадка

Откуда  .

Допустим, что сопротивление  слоя осадка пропорционально его  высоте:

V/F ,  (1.3)

Где – удельное сопротивление осадка

Подставим полученное соотношение  в уравнение (1.1)

  (1.4)

Пренебрегая сопротивлением фильтровальной перегородки, получим 

 

Где v- скорость фильтрования

Для начального момента фильтрования (V=0) .

Для случая фильтрования при из уравнения (1.4) после его интегрирования в пределах 0 – V и 0 – τ получим

(1.5)

Полученное уравнение  применимо как сжимаемым, так  и к несжимаемым осадкам и  показывает, что увеличением объемы фильтрата скорость фильтрования уменьшается.

Решая уравнение (1.5) относительно продолжительности фильтрования τ, получим

   ( 1.6)

Или с учетом выражения (1.2)

(1.7)

Таким образом, продолжительность  фильтрования прямо пропорциональна  квадрату объема полученного фильтрата.

Решая его же относительно удельной производительности фильтра  ,  получим

  (1.8)

Для случая фильтрования при  v=const уравнения (1.4) получаем

  (1.9)

Или

,

Откуда

  (1.10)

Таким образом, перепад  давления возрастает с увеличением продолжительности  фильтрования:

 

Т.е. пропорционально квадрату объема полученного фильтрата.

Удельная производительность фильтрата

  (1.11)

Фильтрование под действием  центробежной силы проводят в фильтрующих  центрифугах. Фильтрующая центрифуга в отличие от отстойной имеет перфорированный барабан, обтянутый внутри фильтровальной тканью. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается на фильтровальную ткань. Дисперсионная жидкая фаза фильтруется через ткань, фильтра выводится из центрифуги, а взвешенные частицы задерживаются на фильтровальной ткани, образуя осадок.

Процесс фильтрования можно  разделить на три периода: образование  осадка, его уплотнение и отжим.

При центробежном фильтровании на массу элементарного кольца суспензии  действует центробежная сила

 

Где dm- масса элементарного кольца, ω – угловая скорость, r- расстояние кольца от оси вращения.

Отношение центробежной силы к иле тяжести, как было указано выше, является фактором разделения, характеризующим эффективность разделения суспензии в центрифуге. Фактор разделения растет пропорционально квадрату угловой скорости вращения барабана центрифуги и уменьшению его диаметра.

Производительность фильтрующих  центрифуг рассчитывают на основании  теории фильтрования. Движущая сила процесса, действующая на элементарный объем  суспензии 

(1.12)

Где L- высота барабана центрифуги, плотность суспензии.

Движущую силу найдем, проинтегрировав  полученное выражении от

Скорость центробежного  фильтрования

  (1.13)

Где  – сопротивление фильтрующей перегородки, - удельное сопротивление слоя осадка, - толщина слоя осадка, которая непрерывнодействующих центрифуг не изменяется во времени, R - соответственно внешний и внутренний радиус барабана центрифуги.

Продолжительность фильтрования определим из уравнения (1.5)

 

Отметим, что уравнении (1.5), (1.9) и (1.13) являются приближенными, так как не учитывают осаждения твердых частиц под действием гравитационных сил, благодаря чему слой осадка растет быстрее, чем отбираемый фильтрат; кроме того, осадка на фильтровальной перегородку сжимаются под действием перепада давлений и их сопротивление растет быстрее, чем высота слоя осадка.

На практике отношение  объема осадка к объему фильтрата, удельное объемное сопротивление осадка и  сопротивление фильтровальной перегородки  определяется экспериментальным путем.

Уравнение (1.5) при F=1 может быть представлено в виде

   (1.14)

Где C- константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки, K- константа фильтрования, учитывающая режим фильтрования и физико-химические свойства осадка в жидкости.

     (1.15)

     (1.16)

Преобразуем уравнение (1.14)

     (1.17)

Уравнение (1.17) является уравнением прямой линии, наклоненной к горизонтальной оси под углом α, тангенс которого tgα=2/K, и отсекающей на оси ординат отрезок m=2C/K. Для построения этой линии откладывают по оси абсцисс измеренные значения а по оси ординат – соответствующие значения

По найденным значениям  K и C по уравнениям (1.15) и (8.16) определяют

Величину  находят в результате измерения объемов фильтрата и осадка.

 

 

Оборудование  для проведения процесса

Рамный фильтр-пресс (рис. 2) используется для осветления виноматерйалов, вина, молока и пива. Фильтрующий блок состоит из чередующихся рам и плит с зажатой между ними фильтровальной тканью или картоном. Рамы и плиты зажимаются в направляющих 6 зажимным винтом 7. Фильтр монтируют на металлической станине.

1 — упорная плита; 2 — рама; 3 — плита; 4 — фильтровальная перегородка; 5 — подвижная плита; 6 — горизонтальная направляющая; 7 — винт; 8 — станина; 9 — желоб

Рисунок 2. Рамный фильтр-пресс

Каждая рама и плита (рис. 3) имеют каналы для ввода суспензии  и промывной жидкости. На поверхности  плит с обеих сторон расположены  сборные каналы 4, ограниченные сверху дренажными каналами, а снизу отводным каналом.

1,2 — каналы для ввода суспензии и промывной жидкости; 5—дренажный канал; 4—сборный канал; 5 — отводной канал

Рисунок 3. Рама (а) и плита (б) фильтр-пресса

При фильтровании (рис. 3а) суспензия  под давлением подается через каналы в рамах и плитах и распределяется по всем рамам. Фильтрат стекает по дренажным и сборным каналам в плитах и удаляется через отводные каналы. При промывке осадка (рис. 3б) промывная жидкость под давлением вводится через соответствующие каналы, распределяется по рамам и проходит обратным током через фильтровальную перегородку, промывает осадок, а затем удаляется из фильтра через отводные каналы. При промывке отводные каналы всех нечетных плит блока должны быть закрыты. Основной недостаток рамных фильтр-прессов — трудоемкость выгрузки осадка и замены фильтровальной перегородки. Для выгрузки осадка необходимы разборка вручную фильтровального блока и промывка плит и рам.

а — фильтрование; б — промывка осадка; 1 — рама; 2 — плита

Рисунок 4. Схема  работы рамного фильтр-пресса

 

Барабанные вакуум-фильтры  применяют при непрерывном разделении суспензий концентрацией 50...500 кг/м³. Твердые частицы могут иметь кристаллическую, волокнистую, аморфную, коллоидальную структуру. Производительность фильтра зависит от структуры твердых частиц и снижается в указанной выше последовательности.

Барабанные вакуум-фильтры (рис. 6) выпускают с внешней и внутренней фильтрующей поверхностью, которая обтягивается текстильной фильтровальной тканью. Вращающийся горизонтальный перфорированный барабан разделен перегородками на несколько секций одинаковой формы, которые за оборот барабана проходят несколько рабочих зон: фильтрования, обезвоживания, промывки, удаления осадка и регенерации фильтровальной ткани. Устройством, управляющим работой фильтра, является распределительная головка, через которую секции барабана в определенной последовательности подсоединяют к магистралям вакуума, сжатого воздуха и промывной жидкости.

 

1 — перфорированный барабан; 2 — фильтровальная ткань; 3 — ножевое устройство; 4 — секция; 5 — корыто; 6 — мешалка; 7 — труба; 8 — разбрызгиватель; 9 — распределительная головка

Рисунок 6. Барабанный вакуум-фильтр с распределительной  головкой

В стадии фильтрования зона фильтра под фильтрующей тканью соединяется с вакуумом и фильтрат, находящийся в корыте, проходит через фильтровальную ткань. Осадок откладывается на ее поверхности. Промытый и подсушенный осадок непрерывно срезается ножом. Чтобы взвешенные частицы не отстаивались, корыто снабжено качающейся мешалкой.

1 — насос для фильтрата; 2 — вакуум-насос; 3 — пеногаситель; 4 — фильтровальный элемент; 5 — барабан; 6 — труба для фильтрата

Рисунок 7. Барабанный вакуум-фильтр

Для извлечения пива и дрожжей  из дрожжевой суспензии, образующейся при седиментации в бродильных чанах и танках, применяют барабанный вакуум-фильтр, изображенный на рис. 7. Фильтровальный элемент состоит из крупноячеистой сетки, на которую накладывается мелкоячеистая сетка. Для улучшения условий фильтрования на мелкоячеистую сетку намывается слой вспомогательного материала — кизельгура либо картофельного крахмала. Пивная или дрожжевая суспензия, подаваемая из бака, при вращении барабана равномерно распределяется по фильтровальной поверхности, а дрожжевой осадок (лепешка) срезается ножом, установленным над баком. Содержание сухих веществ в дрожжевой лепешке достигает 25...28 %. Обрызгивание подсыхающей лепешки водой способствует увеличению выхода пива примерно на 20 %.

Детали фильтра, находящиеся  в контакте с фильтрующей средой, выполнены из нержавеющей стали. Все детали фильтра легко очищаются.

 

Расчет фильтровального оборудования периодического действия заключается в определении количества аппарата для обеспечения заданной суточной производительности по фильтрату. Для этого выбирают или рассчитывают площадь поверхности фильтрования и производительность одного аппарата.

Продолжительность фильтрования при определяют по уравнению

 

Где – продолжительность собственно фильтрования, - продолжительность вспомогательных операций( подготовка аппарата к работе, загрузка суспензий, удаление осадка), - принимают на основании эксперимента.

Наибольшая производительность аппарата периодического действия при  значительном сопротивлении фильтровальной перегородки достигается при . Для ориентировочного расчета оптимальной продолжительности цикла можно пользоваться зависимостью ( для

Производительность по фильтрату  за один цикл определяют по уравнению (1.5), подставляя в него выбранную  площадь поверхности фильтра  F и .

Производительность центрифуги по суспензии за один цикл

Где - рабочий объем центрифуги или объем загружаемой за один цикл суспензии; - соответственно внешний и внутренний диаметр барабана.

Число циклов работы фильтровальной установки в сутки находится  по уравнению зная суточную производительность установки по фильтрату или суспензии.

Число циклов работы одного аппарата в сутки

 

Необходимое количество фильтров

Расчет фильтровального  оборудования непрерывного действия при  заданной или принятой площади поверхности  фильтрования сводится к определению  по заданной производительности скорости перемещения поверхности фильтрования, а также необходимого числа аппаратов  для обеспечения заданной производительности.

На основании экспериментальных  данных принимают наименьшую толщину  осадка, чтобы обеспечить максимальную производительность.

Из уравнения (1.2) определяют объем фильтрата .

Подставляя найденную  величину V в уравнение (1.4), определяют продолжительность фильтрования для получения слоя осадка заданной толщины (.

На основании экспериментальных  и расчетных данных определяют продолжительность  промывки осадка, общую продолжительность  цикла и производительность аппарата.

Производительность по фильтрату  при центробежном фильтровании где - скорость центробежного фильтрования, определяемая по формуле (1.13).

Число аппаратов для обеспечения  заданной производительности определяют из соотношениягде  - производительность одного аппарата.