Проектирование микрофильтрационного аппарата для рекуперации пива из избыточных дрожжей

Введение

Пивоварение - материалоемкое производство, где степень использования сырья для получения готового продукта составляет примерно 75 %, остальное переходит в технологические отходы, в большинстве своем являющиеся вторичными сырьевыми ресурсами. Одним из вторичных сырьевых ресурсов являются остаточные пивные дрожжи.

На крупных и средних предприятиях используются и утилизируются менее 50 % получаемых пивных дрожжей, что касается малых предприятий, то проблема экологизации для них стоит более остро и пока не решена. Решение этой проблемы является одной из наиболее важных приоритетной задачей в пивоваренной промышленности.

Целью данного проекта является разработка мембранного фильтра с целью переработки остаточных пивных дрожжей. Создание и внедрение данного мембранного аппарата позволит сократить количество вредных для окружающей среды веществ, выбрасываемых со сточными водами.

Зачастую избыточные дрожжи просто сливаются в канализацию, хотя в избыточных дрожжах содержится 1 % пива от общего количества, которое можно вернуть в технологическую линию производства, что обеспечит дополнительную прибыль.

Кроме этого, полученный концентрат пивных дрожжей представляет огромное пищевое значение. Полноценный белок дрожжей характеризуется высоким содержанием аминокислот. Сухие дрожжи, очищенные и обезгореченные, рекомендованы институтом питания РАМН.

Для рекуперации пива из избыточных дрожжей наиболее перспективно применять мембранное фильтрование, так как в этом случае сохраняется целостная структура дрожжевых клеток, т.е. сохраняется биологическая ценность концентрата и обеспечивается высокое качество выделяемого пива из избыточных дрожжей, т.е. возможно отправление рекуперированного пива сразу на розлив.

Рекуперация пива из избыточных дрожжей позволит предприятию получить дополнительную прибыль от реализации полученного пива; снизить количество отходов производства, что позволит улучшить экологическую обстановку. Кроме того, весьма повышается рентабельность производства за счёт увеличения объёмов производства без дополнительных затрат сырья.

Таким образом, можно сделать вывод, что предприятия, использующие технологию рекуперация пива из избыточных дрожжей, будут более конкурентоспособными на рынке России за счет более эффективного использования сырья и, в свою очередь, значительно снизят показатели загрязненности окружающей среды.

1.Анализ современной техники и технологии производства пива и остаточных дрожжей

Требования, предъявляемые к качеству продуктов, выпускаемыми предприятиями бродильной промышленности, определяют не только тип оборудования, который выполняет ту или иную операцию, но и условия, принципы и методы его работы, a также обуславливают наличие различных типов и марок машин и аппаратов, применяемых в промышленности. Вместе с тем существующее оборудование, несмотря на различное назначение и разнообразие конструкций, имеет много общего как в машинно-аппаратурных схемах, так и в методах его расчета. Это позволяет дать общие сведения о машинах и аппаратах бродильной промышленности, зная их конструкцию и назначение в технологическом процессе.

В результате проведения структурного анализа оборудования можно построить его техническую схему, определить динамические условия работы механизмов, узлов и деталей и на этой основе осуществить расчет и конструирование.

1.1 Описание технологии производства пива

Технологический процесс производства пива включает в себя следующие основные этапы:

- приготовление пивного сусла;

- сбраживание сусла и дображивание пива;

- розлив готового пива из танков дображивания в кеги.

Технологическая схема производства пива представлена на ДП-02068108-260602 ТЗ.

1.1.1 Приготовление пивного сусла

Водопроводную воду, используемую для приготовления пивного сусла, предварительно очищают путём механической фильтрацией на фильтре поз. 4. Часть очищенной воды из фильтра направляют в бойлер поз. 5, где она подогревается до 80 путём подачи пара в змеевик бойлера.

Горячую воду из бойлера смешивают с холодной очищенной водой в смесителе поз. 7. При выходе из смесителя вода имеет температуру 45 .

Для затирания используют заранее подготовленный солод, который засыпается в приёмный бункер шнекового транспортёра поз. 1. Солод транспортёром направляется в предзаторный чан поз. 2, где его смешивают с водой при температуре 45 . Соотношение дроблёный солод - вода: для светлого пива 1:3,7; для тёмного пива - 1:3.

После полного размешивания дробленого солода с водой процесс затирания ведут по следующему технологическому режиму:

- пауза при температуре - 45^оС - 15 мин.;

- подогрев до температуры - 52°С;

- пауза при температуре - 52°С - 10 - 15 мин.;

- подогрев до температуры - 63°С;

- пауза при температуре - 63^оС - 20 - 30 мин.;

- подогрев до температура - 70°С;

- пауза при температуре - 70°С - 10 - 15 мин.;

- подогрев до температуры - 72°С - контроль осахаривания;

- подогрев до температуры - 76°С;

- пауза при температуре - 76°С - 10 мин.

Подогрев затора проводят путем подачи пара в рубашку заторно-сусловарочного котла поз. 3.

После окончания паузы при температуре 72 ^оС из пробоотборника отбирают пробу затора и контролируют полноту его осахаривания по йодной пробе в соответствии технологической инструкции.

Осахаренный затор перекачивают в фильтрационный чан. После окончания перекачки затора его оставляют в покое на 5-10 мин. для расслоения затора и образования фильтрующего слоя дробины.

После окончания паузы для расслоения затора начинают процесс фильтрования затора. Первые порции мутного сусла возвращают в фильтрационный чан. Степень осветления (прозрачность) фильтрата оценивают визуально через смотровое стекло визуального контроля фильтрационного чана. Прозрачное сусло направляют в сусловарочный котел.

После окончания сбора первого сусла проводят рыхление дробины и начинают ее промывку путем подачи горячей воды из бойлера через форсунки. После набора воды затор оставляют в покое на 5-10 мин., а затем начинают сбор промывных вод, первые мутные порции которых возвращают в фильтрационный чан.

Прозрачные промывные воды собирают в заторно-сусловарочном котле. Набор воды для промывки дробины проводят 3-4 раза. Промывку дробины прекращают после достижения в наборе сусла требуемой массовой доли сухих веществ для конкретного сорта пива. Массовая доля сухих веществ в последней промывной воде составляет 1,5-3,0 %.

Сбор промывных вод продолжают до достижения массовой доли сухих веществ в наборе сусла для светлого пива 11,2-11,3 %. Набор сусла нагревают до кипения и кипятят с хмелем в течение 1,5-2,0 ч до получения в сусле стандартной массовой доли сухих веществ в соответствии с рецептурой.

После окончания процесса кипячения сусла с хмелем включают "режим осветления" на 10 мин. После чего сусло оставляют в покое на 30 мин. для осаждения скоагулировавших белков и хмелевых частиц, а затем перекачивают на охлаждение. Полученные сточные воды сливают в канализацию.

Горячее сусло подают на охлаждение в двухсекционный пластинчатый теплообменник поз. 8. В первой секции теплообменника охлаждение сусла осуществляют путём подачи холодной воды, а во второй секции - ледяно водой, получаемой с помощью установки поз. 9.

Первую варку сусла охлаждают до 6-7 ^оС, а вторую варку до температуры, равной температуре сбраживаемой среды или на один градус выше. После охлаждения вода из теплообменника подаётся в магистраль технической воды для различных нужд. Регулирование температуры сусла производят изменением количества поступающего на охлаждение сусла или количества водопроводной и ледяной воды, используемой для охлаждения.

Перед подачей охлаждённого сусла на брожение его аэрируют путём подачи через свечу воздуха в аэраторе поз. 10. Воздух должен поступать в проходящее сусло в виде многочисленных мелких пузырьков. Вторую варку сусла, поступающую на брожение в бродильный танк, не аэрируют.

1.1.2 Брожение пивного сусла

Перед внесением дрожжей в бродильный танк они хранятся в специальной ёмкости поз. 12.Допускается хранить 2-5 суточный запас семенных дрожжей, а остальные могут быть реализованы, например, на корм скоту. Перед внесением дрожжей они подвергаются интенсивной аэрации в аэраторе поз. 10.

Пиво подвергается главному брожение в бродильном танке поз. 11. Перед заполнением бродильного танка суслом на дне танка устанавливают стакан для предотвращения попадания осадка дрожжей в молодое пиво при последующей его передаче на дображивание.

Заполнение танка проводят двумя варками. Разрыв между двумя заполнениями танка не должен превышать 24 ч.

Температуру брожения регулируется следующим образом. С первых по третьи сутки температура сбраживаемой среды самопроизвольно повышается с 6 до 10°С. В течение третьих, четвертых и пятых суток температуру сбражиавемой среды поддерживают равной 10°С с помощью рубашки охлаждения, в которую осуществляется подача ледяной воды. Затем начинают охлаждение пива до 4-6°С. Молодое пиво готово к перекачке на дображивание тогда, когда за сутки видимый экстракт молодого пива снижается на более, чем на 0,2 %. В конце брожения содержание видимого экстракта в молодом пиве должно составлять: для 14 %-ного пива - 3,9-4,2 %.

Визуально готовность пива определяет по степени осветления. За 1-2 дня до перекачки в стеклянный стаканчик (диаметром 4 см) отбирают пробу пива. Стаканчик помещают при температуре 6-8 ^оС на 12 ч.

При осмотре пива в пробном стаканчике в проходящем свете электрической лампочки должны быть видны плавающие хлопья дрожжей, а само пиво должно быть прозрачным. После 12-ти часового отстаивания пива взвеси должны осесть на дно в виде плотного осадка.

Длительность брожения составляет 7-9 суток в зависимости от начальной массовой доли сухих веществ начального сусла.

После окончания брожения молодое пиво с температурой 4-5^оС перекачивают снизу в танк дображивания поз. 13.

Перед заполнением танка в его спускное отверстие устанавливают стаканчик для отделения осадка дрожжей от пива, открывают кран на трубопроводе танка, используемом для подачи моющих растворов (очистная труба), что необходимо для вытеснения воздуха их танка. В танке дображивания создают противодавление, разное 0,3-0,4 кгс/см² путем подачи в него обеспложенного воздуха или двуокиси углерода. Перекачка ведется следующим образом. К крану бродильного танка подсоединяют трехходовое устройство со смотровым стеклом и шланг, другой конец которого прикрепляют к нижнему всасывающему патрубку насоса. К верхнему нагнетающему патрубку насоса подсоединяют второй шланг, другой конец которого присоединяют к трехходовому устройству со смотровым стеклом, предварительно подсоединенному к нижнему крану танка дображивания.

Заполняют пивопровод водой, которую подают через боковой кран трехходового устройства у танка брожения (до появления ее в боковом кране такого же устройства у танка дображивания). После этого прекращают подачу воды и закрывают боковой кран трехходового устройства у бродильного танка, открывают кран бродильного танка и при открытом боковом кране трехходового устройства у танка дображивания включают на первой скорости насос подачи молодого пива. При появлении пива в смотровом стекле под танком дображивания перекрывают боковой кран трехходового устройства для слива воды и открывают кран танка дображивания. При перекачивании пива в танк дображивания необходимо следить, чтобы в него не попали дрожжи, осевшие на дно бродильного танка.

После окончания перекачки пива в танки дображивания выключают насос и перекрывают кран танка дображивания. Закрывают заглушку на очистном трубопроводе и устанавливают регулятором давления значение 0,7 кгс/см².

После передачи молодого пива на дображивание, бродильный танк разлюковывают, вынимают стакан и проводят съем осевших дрожжей с помощью скребка. Снятые дрожжи переносят в емкость для хранения дрожжей вручную с помощью продезинфицированного инвентаря.

Танк дображивания заполняют молодым пивом из двух бродильных танков. Период времени между двумя заполнениями танка не должен превышать 24 ч.

Дображивание пива проводят при температуре помещения от 0 до +2⁰С при шпунтовом давлении 0,6-0,7 кгс/см ².

Шпунтование танков проводят после начала активного дображивания и полного вытеснения воздуха (через 12-24 ч после заполнения танка).

Длительность дображивания светлого пива не мене 30 суток. За один или два дня до окончания дображивания отбирают пробу для определения органолептических свойств пива, прозрачности, пенистых свойств и насыщенности двуокисью углерода.

Лагерный осадок, содержащий остаточные дрожжи, из бродильного танка перекачиваются насосом в микрофильтрационный аппарат поз. 15, где осуществляется мембранное концентрирование лагерного осадка. Микрофильтрационная установка снабжена контуром циркуляции с циркуляционным насосом. Образовавшийся в ходе микрофильтрации концентрат направляется на сушку, а фильтрат - в специальную ёмкость для сбора фильтрата поз. 16. После этого фильтрат направляется на дальнейшую переработку.

Во избежание вкусовых отклонений на каждые 100 л рекуперированного пива добавляют 50 г активированного угля и 50 г силикагеля. После этого рекуперированное пиво подаётся на обработку в установку поз. 19, включающую в себя диатомитовый фильтр и пластинчатый пастеризатор. Пиво пастеризуют при температуре 60-62 ^ОС в течение 10-20 минут. В пастеризаторе холодное пиво нагревается в первой секции горячим пивом. Во второй секции пиво нагревается горячей водой с точно регулируемыми температурой и расходом до температуры пастеризации и выдерживается при этой температуре заданное время в следующей секции. После него пиво охлаждается до температуры дображивания.

После этого рекуперированное пиво добавляют к молодому пиву в начале главного брожения в количестве до 5 %. В этом случае дрожжи активно потребляют растворённые в дрожжевом пиве продукты автолиза и используют их для строительства клеточных веществ. Таким образом исключается негативное влияние рекуперированного из дрожжей пива на качество готового продукта.

Для проведения процесса мойки и дезинфекции оборудования служит специальная установка поз. 14, включающая в себя две ёмкости для хранения щёлочи и кислоты, пластинчатого теплообменника для подогрева щёлочи перед обработкой аппаратов и насосов для перекачки дезинфицирующих растворов.

1.1.3 Перекачка готового пива в сервисные емкости

После дображивания пиво из танков дображивания подаётся на хранение в сервисные ёмкости поз. 18.

Перед подачей пива в сервисные емкости поз. 18 в них необходимо создать давление равное 0,3-0,5 кгс/см². Для этого сервисные емкости подсоединяет шлангом к баллону с двуокисью углерода, устанавливают на редукторе давление до 2 кгс/см². Подсоединение проводят через спускной кран емкости и переходник. Открывают спускной кран полностью и приоткрывают кран на очистной трубе. Двуокись углерода поступает в емкость под давлением, сначала вытесняя воздух из емкости через кран на очистной трубе затем создавая давление в емкости. Когда давление в емкости достигает 0,2 кгс/см² кран на очистной трубе закрывают и приступают к перекачке пива. К спускному танку дображивания и спускному крану сервисной емкости подсоединяют трехходовое устройство со смотровым стеклом, которое соединяют между собой шлангом. Пивопровод заполняют водой, подавая ее со стороны танка дображивания. После заполнения пивопровода водой подачу воды прекращают и закрывают боковой кран трехходового устройства у танка дображивания.

Затем в танке дображивания создают давление путем подачи воздуха (или двуокиси углерода) через кран на очистной трубе. Начинают подачу пива из танка дображивания, открыв сливной кран танка и кран трехходового устройства у танка дображивания. Первыми порциями пива удаляют находящуюся в пивопроводе воду через открытый боковой край на трехходовом устройстве у сервисной емкости. При появлении пива в смотровом стекле этого устройства закрывают кран для слива воды, открывают сливной кран сервисной емкости и начинают подачу пива в емкость. Во время перекачки пива необходимое давление в сервисной емкости поддерживается приоткрыванием крана на очистной трубе. Кран на очистной трубе танка дображивания должен быть полностью открыт.

Контроль поступления пива осуществляется по мерным стеклам. При появлении дрожжей (помутнение пива) и пузырьков в смотровом стекле под танком дображивания подачу пива прекращают, эакрыв сливной кран танка дображивания и кран на очистной трубе этого танка, и перекачивают воздух. В пивопровод подают воду со стороны танка дображивания через боковой кран трехходового устройства. Кран на очистной трубе сервисной емкости закрывают. При появлении воды в смотровом стекле под сервисной емкостью, закрывают сливной кран емкости и открывают кран слива воды.

После заполнения сервисных емкостей в них необходимо добавить двуокись углерода. Для этого баллон с двуокисью углерода подсоединяют с помощь шланга через редуктор с предохранительным клапаном, установленным па сервисной емкости. Определяют температуру пива и устанавливают необходимое давление в емкости.

Давление в емкости необходимо устанавливать ежедневно в соответствии с фактической температурой пива.

Температура в помещении должна поддерживаться не выше 2-5^ОС. Поступившее в сервисные емкости пиво должно выдерживаться перед розливом не менее 8-12 ч.

Из сервисных ёмкостей пиво после хранения подаётся в аппарат для розлива в кеги поз. 17, после чего готовый продукт поступает на реализацию в ресторанную сеть.

1.2 Обзор современных способов рекуперации пива из избыточных дрожжей и выбор технического решения

Под лагерным осадком понимают остающиеся в лагерном танке дрожжи, которые содержат пиво. Около 1% товарного пива может быть получено (после соответствующей обработки дрожжей) в виде пива из дрожжевого осадка. Кроме того, избыточные пивные дрожжи после соответствующей обработки, можно реализовывать в аптечной сети в качестве биологически активных добавок. Существуют несколько способов обработки раствора остаточных дрожжей: прессование дрожжей, сепарация дрожжей, мембранное фильтрование дрожжей [1].

1.2.1 Прессование дрожжей

Дрожжи закачивают в камерный фильтр-пресс, изображённый на рисунке 1, и отфильтровывают сквозь полипропиленовые салфетки. Благодаря прессованию под давлением 0,4-0,6 МПа, а в конце цикла - в 1,5-1,8 МПа, дрожжи по консистенции становятся похожи на пекарские.

Из-за используемого в фильтре высокого давления недостатки этого способа делаются ещё более заметными. Они заключаются в повышении значений pH и повышенном содержании в пиве белка и нуклеиновых соединений, если до прессования дрожжи хранились долго и в тёплых условиях. Поэтому дрожжи необходимо прессовать сразу же после их сбора.

Рисунок 1 - Камерный фильтр-пресс (принцип действия):

1 - камерные пластины с пазами для штока; 2 - фильтрующие салфетки

1.2.2 Сепарация дрожжей

Щадящий метод рекуперации пива из дрожжей - это их сепарация, как показано на рисунке 2.

В рециркуляционный танк 1 набирается определённое количество доаэрированной воды, которая подаётся насосом 6 к сепаратору 2. По пути вода смешивается с дрожжами, дозируемыми насосом 5. В сепараторе предварительного осветления 2 большая часть дрожжей отделяется, а разбавленное водой отсепарированное пиво возвращается в рециркуляционный танк. Этот процесс повторяется при постоянном разбавлении пива водой и дальнейшем отделении дрожжей. В заключение смесь воды и пива подаётся на сепаратор для полного осветления, где происходит полное удаление дрожжевых клеток из пива.

Недостатком этого способа обработки остаточных дрожжей является энергоёмкость процесса, так как для осуществления сепарирования требуется сепаратор, потребляющий большое количество энергии. Кроме этого, сепараторы имеют достаточно высокую стоимость, сложную конструкцию, сложность эксплуатации и монтажа.

Рисунок 2 - Сепарация дрожжей:

1 - танк рециркуляции; 2 - сепаратор предварительного осветления; 3 - сепаратор полного осветления; 4 - пластинчатый теплообменник; 5 - насос для дозирования дрожжей; 6 - насос

1.2.3 Мембранное фильтрование дрожжей

Мембранный фильтр представляет собой фильтр, в котором поток жидкости движется сквозь фильтрующий слой не под прямым углом, а параллельно фильтрующей мембране, так что пиво диффундирует сквозь неё, а дрожжи уносятся дальше.

Данный способ не требует вспомогательных фильтрующих средств и во все большей степени применяется для обработки избыточных дрожжей. При правильно подобранном режиме работы мембранной установки можно обеспечить приемлемые финансовые затраты при хорошем качестве пива, что особенно актуально в условиях малых предприятий. Мембранное фильтрование не требует для проведения процесса высоких температур, что положительно отражается на характеристиках конечного продукта. Мембранная установка не требует значительных энергозатрат, что даёт значительный экономический эффект.

Ввиду очевидного преимущества мембранного фильтрования перед перечисленными выше способами рекуперации пива из остаточных дрожжей для решения поставленной задачи выделения дрожжей из лагерного остатка целесообразно применять именно мембранное фильтрование.

1.3 Обзор основных конструкций баромембранных аппаратов

Основные требования, предъявляемые к мембранным аппаратам различных конструкций, - эффективное удаление с поверхности мембраны задерживаемых веществ (то есть снижение концентрационной поляризации, гелеобразования и загрязнения мембран) и компактность. Важны при этом простота, удобство сборки и монтажа установки.

Разделение растворов в промышленных баромембранных процессах осуществляют на четырёх основных типах аппаратов: фильтр-пресс (или плоскокамерных), трубчатых, рулонных и на основе полых волокон [2].

Аппараты плоскокамерного типа собирают на основе плоскорамных элементов. Набор мембранных пакетов зажимают с помощью фланцев. Между мембранами по краям пакетов находятся рамки с отверстиями для отвода фильтрата и соответствующие прокладки (как правило, резиновые), предназначенные для герметизации. Схема ввода исходного раствора предусматривает последовательное и равномерное его прохождение над мембранами, расположенными на поверхности камер (рамок) сбора фильтрата, в которых находится дренажный материал. Аппараты данного типа имеют следующие недостатки: они требуют сложной герметизации элементов, невысокая плотность упаковки, неравномерность гидродинамических условий в отдельных зонах аппарата.

В аппаратах трубчатого типа подача исходного раствора осуществляется внутрь трубки, разделительная поверхность (собственно сама мембрана) находится на внутренней её поверхности, оптимальный внутренний диаметр трубки 8-25 мм. При сборке аппаратов трубки укладывают в виде блоков, а их концы заливают герметизирующим компаундом. Основным недостатком такого типа аппаратов - очень низкая полезная площадь мембран.

В аппаратах рулонного типа исходный раствор под давлением движется по напорном каналу параллельно оси элемента. Пермеат, проходя через мембрану, попадает в дренажный слой и по спирали через него отводится в трубку-коллектор. Область применения аппаратов с рулонными мембранными элементами - обессоливание минерализованных вод.

Полое волокно представляет собой мембрану, выполненную в виде очень тонкого капилляра, строение которого может быть изотропным или анизотропным по толщине стенок, при этом активный слой может находиться как с внутренней, так и с внешней стороны. Следовательно, существует определённая аналогия между полым волокном и трубчатой мембраной, что обуславливает во многом аналогичные трубчатым конструкции аппаратов на их основе. Вместе с тем малый диаметр полого волокна создаёт принципиально лучшие характеристики этих аппаратов. Прежде всего, в результате малого диаметра волокна самонесущая конструкция мембраны может выдерживать без нарушений структуры воздействие высоких давлений. Вследствие малого диаметра как внутреннего так и внешнего сечения полых волокон, их общая разделяющая поверхность в единице объёма более чем на два порядка превосходит аналогичный показатель трубчатых элементов. Кроме того, при равномерном объёмном расходе линейная скорость во внутреннем канале полого волокна вблизи рабочей поверхности выше, чем в остальных аппаратах, вследствие этого снижается уровень вредного воздействия концентрационной поляризации и, следовательно, тенденция к загрязнению вследствие концентрационной поляризации в случае модулей на основе полых волокон незначительна.

Ввиду очевидного преимущества мембранных модулей на основе полых волокон в баромембранной установке для микрофильтрационной обработки пива будем использовать именно данный тип мембранного модуля.

1.4 Патентная проработка проекта

1.4.1 Аппарат для фильтрации жидкостей [3]

Изобретение относится к средствам очистки жидкостей и газов, например в сельском хозяйстве, медицинской, пищевой и микробиологической отраслях промышленности, а также может быть использовано для разделения и концентрирования технологических растворов, водоподготовки, очистки сточных вод других производств. Аппарат для фильтрации жидкостей, представленный на рисунке 3 содержит корпус поз. 1, в котором соосно установлены центральная распределительная труба поз. 2 с рядами отверстий поз. 3 и набор трубчатых мембранных элементов поз. 4, укрепленный в трубной решетке поз. 5, крышку поз. 6 с патрубком поз. 7, днище поз. 8, кольцевую чашку поз. 9 для заглушки концов мембранных элементов, герметизирующие уплотнения между крышкой и трубной решеткой поз. 10. Согласно изобретению днище закреплено на центральной распределительной трубе, трубная решетка и днище имеют кольцевые проточки для корпуса, верхний конец центральной распределительной трубы снабжен резьбой для крепления крышки, в крышке и трубной решетке выполнены кольцевые полости, патрубок на крышке расположен параллельно оси центральной распределительной трубы или под углом к ней, меньшем 90^o, причем центральная распределительная труба имеет в центре неподвижную перегородку, а суммарное сечение отверстий в каждом ряду увеличивается от перегородки к периферии центральной распределительной трубы. Второй вариант аппарата содержит обечайку между крышкой и трубной решеткой, внутри которой размещен адсорбент между кольцевыми сетками. Технический результат - равномерное распределение жидкости или газа, повышение качества фильтрации, упрощение сборки-разборки, обеспечение замены всего набора мембранных элементов

Рисунок 3 - Аппарат для фильтрации жидкостей

1.4.2 Способ и устройство для мембранной фильтрации [4]

Технический результат: фильтрация без забивания мембран во времени, а следовательно без уменьшения их производительности и без изменения их характеристик, что обеспечит их широкое применение при холодной стерилизации напитков и лекарственных средств, осветлении соков, вин и пива, плазмаферезе, концентрировании клеток, обработке сточных вод, получении чистой воды и т. д. В предложенных вариантах способа фильтрация ведется из потока раствора, перпендикулярного направлению транспорта, на жестких полупроницаемых керамических мембранах высокой пористости. Отличительной особенностью этих способов является создание условий фильтрации, при которых предотвращается образование гелевого слоя на поверхности мембраны в течение всего процесса фильтрации, для этого предлагается проводить фильтрацию в сочетании знакопеременного трансмембранного давления (ТМД) с направленными потоками фильтруемой жидкости. При положительном ТМД фильтруемая жидкость движется вдоль поверхности мембраны, а фильтрат удаляется наружу: при отрицательном ТМД часть фильтрата (не более 20%) возвращается обратно через поры мембраны и обеспечивает их очистку от застрявших частиц, при этом последующий поток фильтруемой жидкости, когда вновь создается положительное ТМД, смешивается с этими частицами и фильтрация происходит вновь на чистых мембранах. Заявлены устройства, одно из которых состоит из фильтр-поршня, который совершает возвратно-поступательное перемещение в жестком корпусе, при этом, благодаря использованию трех клапанов однонаправленного потока, двух эластичных непроницаемых мембран, двух дистанционных колец и других конструктивных особенностей. Во втором устройстве мембранный фильтр выполнен в соответствии с рисунком 4 в виде жесткой конструкции, неподвижно закрепленной в корпусе поз. 1. Фильтр может состоять из одного пористого полупроницаемого цилиндра поз. 28 или кассеты из нескольких небольшого диаметра полупроницаемых трубок поз. 19. Для создания пульсирующего ТМД используется поршень мембранного типа поз. 9, который совершает возвратно-поступательное перемещение благодаря использованию соленоида поз.8. Соленоид также предлагается использовать для осуществления возвратно-поступательного перемещения фильтр-поршня. Кроме того, для создания необходимого рабочего зазора вдоль поверхности мембраны при использовании жестко закрепленного мембранного фильтра в конструкции предложено использовать плавающие или неподвижные мандрены поз 31.

Рисунок 4 - Устройство для мембранной фильтрации

1.4.3 Мембранный аппарат [5]

Изобретение относится к трубчатым мембранным аппаратам для очистки жидкости, в частности очистки сточных вод промышленных предприятий, природных вод в системах водоснабжения, очистки смазочно-охлаждающих жидкостей в процессах регенерации отработанных масел и моющих растворов и для концентрирования растворов ферментов, осветления соков и т.д. Мембранный аппарат (рис. 5) содержит корпус поз. 1 с патрубками для подвода исходной жидкости поз. 4, отвода очищенной жидкости поз. 2 и концентрата поз. 3, трубные решетки поз. 6 и 9 с закрепленными в них трубчатыми мембранными элементами поз. 7. Один конец трубчатых мембранных элементов закрыт пробками из герметика поз. 12 и зажат опорной головкой поз. 8 с глухими отверстиями под каждый мембранный элемент. Другой конец мембранных элементов герметизирован с помощью двух трубных решеток, между которыми налит слой герметика, и через слой герметика зажат перфорированным опорным диском с диаметром отверстий, равным внутреннему диаметру или меньшим внутреннего диаметра трубчатых мембранных элементов. Технический результат: уменьшение металлоемкости и трудоемкости в изготовлении, обеспечение широкого диапазона температурных режимов и возможности проведения импульсной высокоскоростной промывки обратным током очищенной жидкости в течение всего срока службы без замены отдельных мембранных элементов, создание аппарата, противодействующего возникновению колебаний при высоких скоростях потока.

Рисунок 5 - Мембранный аппарат

1.4.4 Мембранный аппарат [6]

Изобретение относится к разделению смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использовано в химической, микробиологической, электронной, пищевой и других отраслях промышленности для осуществления ультрафильтрации, обратного осмоса и других мембранных процессов. Целью изобретения является исключение застойных зон в аппарате и упрощение его конструкции. Аппарат для проведения мембранного процесса разделения содержит несущие фланцы со штуцерами и отверстиями для ввода исходной смеси и вывода концентрата и фильтрата, пакет мембранных элементов. Каждый мембранный элемент имеет каркасную пластину с углублением на одной плоскости для образования камеры прохода исходного раствора.

В результате интенсивного осаждения различных загрязнений происходит снижение производительности и увеличение гидравлического сопротивления аппарата. В рассматриваемом аппарате загрязнения удаляются с помощью ультразвука, который от генератора поступает по волноводу на отражатель. Ультразвук возбуждает в разделяемом растворе кавитацию, в результате которой в потоке возникают пульсирующие пузырьки, часть которых потоком вносится внутрь капилляра волокна. Пузырьки, оказывая силовое воздействие на осевшие частицы загрязнений, отрывают их от стенок на входе и внутри капилляра, после чего эти частицы уносятся с разделяемой жидкостью. Таким образом, все каналы очищаются от загрязнений, что приводит к восстановлению первоначального гидравлического сопротивления и производительности.

Отличительной особенностью аппарата является то, что форма излучателя ультразвуковых колебаний выполняется в соответствии с контуром, ограничиваемым крайними входными каналами пучка полых волокон, как показано на рисунке 6.



Рисунок 6 - Мембранный аппарат:

1 - корпус; 2 - мембранные элементы; 3 - излучатель ультразвука; 4 - волновод; 5 - крышка; 6 - герметик; 7 - патрубок подачи раствора; 8 - патрубок отвода фильтрата; 9 - патрубок отвода концентрата

3. Описание разработанного объекта

3.1 Назначение и область применения разработанного объекта

Мембранный аппарат (ДП-02068108-260602-2007-АПЛ-01.00.000 СБ) предназначен для концентрирования методом микрофильтрации лагерного осадка, остающегося в бродильном танке после проведения процесса брожения. Также аппарат может применяться в химической, электронной, микробиологической, медицинской и пищевой (для осветления соков и вин, холодной стерилизации пива и т.д.) промышленности для разделения и концентрирования растворов различных веществ.

3.2 Описание конструкции и принципа действия

Мембранный аппарат содержит корпус поз. 4, внутри которого с помощью прижимов поз. 3 закреплён половолоконный модуль поз. 1, который и выполняет функцию разделяющего элемента. Размер пор волокна порядка 3 мкм. Концентрируемая смесь подаётся внутрь корпуса по штуцеру I, а затем - внутрь полых волокон. Концентрат выводится из аппарата через штуцер II, а так называемый пермеат - через штуцер III. Для присоединения аппарата к цеховым трубопроводам на патрубке II имеется гильза с резьбой поз. 5, а на патрубках I и III - присоединены приварные штуцера поз. 23.

Уплотнение аппарата производится с помощью эластичных прокладок поз. 20, установленной между фланцами поз. 9.

Ультразвук передаётся на излучатель по волноводу поз. 6 от генератора. Ультразвук возбуждает в разделяемом растворе кавитацию, в результате которой в потоке возникают пульсирующие пузырьки, часть которых проникает внутрь капилляра волокна. Эти пузырьки оказывают силовое воздействие на осевшие частицы загрязнений, отрывая их от стенок капилляра волокон. Это приводит к тому, что производительность аппарата восстанавливается до первоначального значения, а гидравлическое сопротивление при этом не увеличивается.

Ультразвук на разделяемый поток действует не постоянно, а периодически, что не приводит к дополнительным энергозатратам на питание генератора ультразвука.

Излучатель подпирается с помощью пружины поз .15, которая располагается в опорной крышке поз. 7, которая крепится к днищу поз. 18 с помощью шурупов поз. 16

Разработанный аппарат имеет следующую техническую характеристику:

Производительность по исходному раствору, л/ч	200
Рабочий объём, м3	0,057
Площадь фильтрующей поверхности, м3	1,8
Рабочее давление, МПа	0,1
Габаритные размеры	965525 303

Для создания ультразвуковых колебаний используется генератор марки УЗГ-0,1/22-О.

Электронный генератор для ультразвуковых технологических аппаратов модели УЗГ-0.1/22-О, изображённый на рисунке 7 предназначен для генерация электрических колебаний ультразвуковой частоты для питания ультразвуковых колебательных систем в технологических аппаратах, предназначенных для интенсификации физико-химических процессов в жидких, и жидкодисперсных средах.

Область применения: частные и малые производства, в том числе и пищевые, сельское хозяйство, лабораторные исследования, домашнее хозяйство.



Рисунок 7 - Генератор ультразвуковых колебаний марки УЗГ-0.1/22-О

Технические характеристика

Напряжение питания, В	220 ± 22
Потребляемая электрическая мощность, Вт	100 ± 10
Рабочая частота, кГц	22± 1,65
Выходная мощность, Вт	85 ± 8
Габаритные размеры: электронного блока, мм не более	250х280х110
Время непрерывной работы (цикл), не менее, мин	10
Количество непрерывных циклов, не менее	10
С последующим перерывом, не менее, мин	30
Охлаждение	воздушное не принудительное
Масса, не более, кг	4

В составе генератора имеется схема автоматической подстройки частоты на рабочую частоту ультразвуковой колебательной системы в указанных пределах. По желанию Заказчика генератор может комплектоваться системой автоматической регулировки мощности, цифровой панелью управления, системой дистанционного управления от компьютера или технологического контроллера.

Специализация: генератор используется в составе ультразвукового технологического оборудования, предназначенного для очистки различных деталей, в том числе автомобильных инжекторов (форсунок) и клапанов, картриджей для струйных принтеров. Может применяться для проведения процессов экстракции, эмульгирования, диспергирования, дегазации, растворения, мембранного разделения

4. Расчётная часть

4.1 Расчёт микрофильтрационной установки

Исходные данные:

расход концентрируемого раствора -- W_o=200 л/ч;

начальная концентрация дрожжевых клеток в пиве -- с_н=0,015 %;

концентрация дрожжевых клеток в пиве после концентрирования раствора -- с_к=0,15 %;

содержание дрожжевых клеток в пермеате не должно превышать ;

размер дрожжевых клеток: 9-112-3 мкм.

4.1.1 Выбор схемы проведения процесса разделения

Принципиально существуют два способа проведения процессов мембранного разделения - тупиковый и проточный.

Тупиковый используют редко, в основном на патронных мембранных элементах, хотя при введении регенерации мембран с помощью гидравлического удара обратным током пермеата со сбросом порции загрязнений из аппарата такой способ возможен и в других случаях.

При организации проточного процесса необходимо учитывать следующие обстоятельства:

- по длине аппарата объемный расход разделяемого потока уменьшается за счет оттока пермеата. Пропорционально уменьшается линейная скорость жидкости вдоль мембраны и усиливается влияние КП;

- по длине аппарата концентрация задерживаемых мембраной компонентов растет, пропорционально повышается и концентрация их в пермеате;

- по длине аппарата давление над мембраной падает из-за гидравлического сопротивления в напорном канале, соответственно снижается движущая сила процесса;

- глубокое концентрирование раствора требует каскадной схемы соединения аппаратов;

- глубокая очистка раствора требует многоступенчатой схемы соединения аппаратов.

В проточных схемах используют две конфигурации потоков - прямоточную и циркуляционную в соответствии с рисунком 8.

Рисунок 8 - Принципиальная схема установок

а - прямоточная; б - циркуляционная

В прямоточной установке разделяемая смесь однократно проходит через напорный канал мембранного аппарата (или аппаратов, если их несколько), в циркуляционном - многократно, для чего предусмотрен специальный циркуляционный контур с насосом. Циркуляционные установки применяются, когда крайне необходимо обеспечить высокую скорость потока в напорном канале (например, чтобы не происходило образование геля на мембране в процессе ультрафильтрации).

В циркуляционной схеме необходимая скорость потока достигается за счет циркуляционного насоса, установленного на обводной линии. Условно такая схема ближе к аппаратам идеального смешения. Основным для учета здесь является обстоятельство №2 - рост концентрации. Фактически во всем объеме циркуляционного контура находится концентрат, что понижает эффективность очистки пермеата.

В проектируемой мембранной системе будем использовать проточную схему осуществления процесса с циркуляционным контуром. Такая схема позволит обеспечить высокие скорости проведения процесса, что снизит негативное влияние концентрационной поляризации и избежать образования гелевых слоёв.

4.1.2 Выбор рабочих параметров процесса разделения

4.1.2.1 Температура

С повышением температуры разделяемого раствора селективность мембран изменяется мало, а удельная производительность увеличивается в первом приближении обратно пропорционально вязкости пермеата (в том диапазоне температур, где мембраны не разрушаются от термических воздействий). Однако с повышением температуры возрастает скорость гидролиза полимерных материалов и сокращается срок службы мембран. Учитывая это, а также то, что использование теплообменников усложняет и удорожает процесс, мембранный процесс целесообразно проводить при температуре окружающей среды (обычно 20-25 °C). В тех случаях, когда технологический раствор, подвергаемый разделению, уже имеет повышенную температуру, экономически оправдана работа при температурах выше 25 °C.

4.1.2.2 Рабочее давление

С увеличением перепада рабочего давления через мембрану возрастает движущая сила процесса и увеличивается удельная производительность мембран. Однако под действием давления полимерные мембраны подвергаются уплотнению, которое при достижении некоторого уровня, зависящего от структуры мембраны, может нейтрализовать эффект, связанный с повышением движущей силы. Кроме того, при высоких давлениях мембраны быстрее загрязняются находящимися в растворе микрочастицами, поскольку в этих условиях загрязняющим частицам легче внедриться в поры мембраны, а на поверхности мембраны образуется более плотный осадок задержанных микрочастиц, поэтому рекомендуемый перепад давления при проведении процесса микрофильтрации составляет порядка 0,05-0,15 МПа. Принимаем значение рабочего перепада давления равным 0,1 МПа.

4.1.2.3 Уровень pH среды

Значения pH смещаются в сторону кислых или щелочных сред, что ускоряет гидролиз полимерных мембран. Особенно следует обратить внимание на значение pH моющих и дезинфицирующих растворов, т. к. возможно растворение мембран. При микрофильтрации высокомолекулярных соединений верхний предел концентрации определяется значениями, при которых может начаться образование гелеобразного осадка на поверхности мембраны, или же концентрацией, при которой проницаемость становится неприемлемо низкой из-за чрезмерного возрастания вязкости разделяемого раствора.

В случае использования полимерных мембран рабочий интервал концентраций часто ограничивается значениями pH, которые не должны выходить за пределы 3 < pH < 8.

4.1.3 Выбор мембраны и определение её основных параметров

При выборе мембраны следует исходить из того что, что она должна обладать максимальной удельной производительностью при селективности, обеспечивающей выполнение требований к качеству пермеата (соответствие санитарным нормам, допустимым потерям растворённого вещества и т.д.). Кроме того, мембрана должна обладать высокой химической стойкостью по отношение к разделяемому раствору.

Определение истинной селективности производится по графику зависимости истинной селективности мембраны от отношения . График построен для интервала , в котором селективность имеет большие значения, обычно удовлетворяющее условиям разделения. Примем допущение, что в рабочем диапазоне концентраций разделяемого раствора истинная селективность остаётся постоянной.

Тогда критерий пригодности мембраны, т.е. минимальная допустимая её селективность по задерживаемому веществу, можно определить с помощью уравнения

. (4.1)

В качестве разделяющей принимаем полиамидную мембрану ММК9, изготовленную из капрона. Для выбранной мембраны

,

что удовлетворяет условию

.

.

Техническая характеристика мембраны ММК9

Средний диаметр пор, мкм	3
Производительность по дистиллированной воде при p=0,05 МПа,	150-300
Производитель	ЗАО НТП «Владипор»

Для определения значения истинной селективности воспользуемся графиком, изображённым на рисунке 4.2.

Из графика следует, что истинная селективность мембраны: R_u=0,98. Условие пригодности мембраны выполняется, так как истинная селективность выбранной мембраны больше минимально допустимой.

Определяем удельную производительность мембраны по разделяемому раствору. Для этого сначала определяем удельную производительность мембраны по чистой воде:

, (4.2)

где константа проницаемости мембраны по воде, принимается по технической характеристике мембраны; кг,м^2.с^.МПа, принимаем ;

р -- рабочий перепад давлений, МПа, р = 0,1 МПа.

.

Рисунок 9 - Зависимость истинной селективности мембраны от отношения диаметра молекул к диаметру пор

Основным фактором, снижающим удельную производительность, является повышение вязкости. Кинематическая вязкость пива при t=25 ^oC составляет v=0,93^.10^-6 м²/c; плотность раствора =1017 кг/м³ [7]. Тогда динамическая вязкость раствора

. (4.3)

.

Кинематическая вязкость воды при той же температуре ; плотность [7]. Динамическая вязкость воды

. (4.4)

.

Тогда удельная производительность мембраны по разделяемому раствору

(4.5)

.

4.1.4 Технологический расчёт мембранного аппарата

Определяем расход пермеата W_П в первом приближении:

,(4.6)

где W_о - расход раствора на разделение, кг/с,

;

W_К - расход концентрата, кг/с;

R -селективность мембраны, R=R_u=0,98

.

Определяем потребную площадь мембран по формуле

(4.7)

.

По производительности по пермеату производим выбор мембранного модуля, . Принимаем мембранный модуль на основе полых волокон Syn+ 100.

Техническая характеристика мембранного модуля Syn+ 100

Производительность по фильтрату, м3/ч	0,012-0,05
Внутренний диаметр, мм	200
Площадь поверхности мембран, м2	1,8
Производитель	Фирма «HELBIO»

Определим количество мембранных модулей n_мод:

, (4.8)

.

где F_мод - площадь поверхности мембран одного модуля, принимается по паспортным характеристикам модуля, м², F_мод, =1,8 м².

Количество мембранных модулей в одном аппарате принимаем равным n_апп=1, тогда количество мембранных аппаратов в установке

(4.9)

.

4.1.5 Уточнённый технологический расчёт мембранного аппарата

Проведём уточнённый технологический расчёт мембранного аппарата с учётом технологической схемы проведения процесса микрофильтрации.

Для создания высоких скоростей потока в схему установки включается циркуляционный насос, обладающий высокой подачей, но сравнительно небольшим напором, требуемым лишь для преодоления гидравлического сопротивления напорного канала.

Схема установки с циркуляционным контуром показана на рисунке 10.

Принимаем величину кратности циркуляции r равной 0,7. Система имеет один циркуляционный контур. Схема работает следующим образом.

Исходный раствор с объёмным расходом W_o и концентрацией c_o подаётся насосом высокого давления на вход мембранного аппарат. Перед входом в аппарат к исходному раствору добавляется циркулирующий поток с расходом rW_o.

Рисунок 10 - Схема установки с циркуляционным контуром

После смешения образуется раствор с расходом W_вх и концентрацией с_вх, который поступает в аппарат, где происходит его концентрирование до концентрации с_к. При этом образуется пермеат с расходом W_П и концентрацией . Из аппарата раствор выходит с расходом W_вых и концентрацией . Часть его выводится из установки в виде концентрата с расходом W_К, другая часть направляется циркуляционным насосом на смешение с исходным раствором.

Выход пермеата и концентрата, кг/с, в такой установке определяем по уравнениям:

; (4.10)

.

; (4.11)

.

Потребная площадь мембраны , , составляет:

 (4.12)

.

Окончательно принимаем выбранный ранее мембранный модуль и определяем их требуемое число:

; (4.13)

.

4.1.6 Учёт влияния концентрационной поляризации

Определим наблюдаемую селективность выбранной мембраны R_H с учётом явления концентрационной поляризации по уравнению

, (4.14)

где - коэффициент массоотдачи, м/с,

G - удельная производительность, рассчитанная по уравнениям переноса с учетом КП, м/с.

Коэффициент массоотдачи находят из диффузионного критерия Нуссельта

,

отсюда

, (4.15)

где d_э - диаметр канала, м;

D - коэффициент диффузии, м²/с , принимаем коэффициент диффузии для дрожжевых клеток .

.

Критерий Рейнольдса

. (4.16)

.

Так как критерий Рейнольдса Re>10⁴, то значение N_uможно рассчитать по уравнению:

, (4.17)

где _l - коэффициент, учитывающий отношение (l/d_э): при [8].

.

Тогда из уравнения (4.14) наблюдаемая селективность

. (4.18)

.

Величина КП определяется из выражения:

. (4.19)

.

4.2 Расчёт гидравлического сопротивления мембранной установки

Расчет гидравлического сопротивления прежде всего необходим для нахождения давления, которое должен развивать насос для подачи раствора в мембранный аппарат, и последующего выбора насоса. Кроме того, от гидравлического сопротивления зависит фактическая величина избыточного давления в аппарате, а ее нужно знать при механических расчетах (определение толщины стенок корпуса, фланцев и т.п.), при оценке возможного уплотнения мембран, в ряде случаев - для корректировки величины удельной производительности и селективности мембран.

Развиваемое насосом давление определяется по формуле

, (4.20)

где рабочий перепад давления через мембрану, ;

гидравлическое сопротивление потоку разделяемого раствора в аппарате, МПа;