Комплексна мембранна технологія концентрування яблучного соку

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний УНІВЕРСИТЕТ “КИЄВО-МОГИЛЯНСЬКА АКАДЕМІЯ”

УДК 663.31.316:664.857.3

КОМПЛЕКСНА МЕМБРАННА ТЕХНОЛОГІЯ

05.17.18 - мембрани та мембранна технологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

ГУНЬКО СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на Київській дослідній станції Інституту овочівництва і баштанництва Української академії аграрних наук (УААН), в Інституті винограду і вина “Магарач” УААН, в Національному університеті “Києво-Могилянська академія” Міністерства освіти і науки України та державному підприємстві “Росич” (м. Біла Церква Київської області).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент УААН, Лауреат державної премії України в галузі науки і техніки ЛУКАНІН ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ, Інститут агроекології та біотехнології УААН, завідувач лабораторії біотехнології виноробства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор КУПЧИК МИХАЙЛО ПЕТРОВИЧ, Український державний університет харчових технологій Міністерства освіти та науки України, завідувач кафедри технології цукристих речовин

кандидат технічних наук РЯБЦЕВ ГЕННАДІЙ ЛЕОНІДОВИЧ, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України, асистент кафедри машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти та науки України, хіміко-технологічний факультет, кафедра хімічної інженерії і промислової екології, м. Львів

Захист відбудеться 15.03.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.008.01 в Національному університеті “Києво-Могилянська академія” за адресою: 04070, Київ, вул. Сковороди, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Києво-Могилянська академія” за адресою: 04070, Київ, вул. Сковороди, 2.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.008.01, к.х.нС.В. Вербич

АНОТАЦІЯ

Гунько С.М. Комплексна мембранна технологія концентрування яблучного соку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спецiальнicтю 05.17.18 - Мембрани та мембранна технологія. - Національний університет “Києво-Могилянська академія”, Київ, 2002.

Дисертація присвячена розробці комплексної мембранної технології виробництва освітлених концентрованих яблучних соків за допомогою ультрафільтрації та мембранної дистиляції.

Розроблено способи попередньої обробки яблучного соку перед його освітленням ультрафільтрацією та концентруванням мембранною дистиляцією. Науково обґрунтовано вибір мембрани УПМ-П для освітлення соку та мембрани МФФК-3 для його концентрування, які забезпечують високу продуктивність процесу та якість готового продукту. Встановлено залежність продуктивності процесу мембранної дистиляції від розташування мембрани по відношенню до гарячої та холодної камер та в полі сил земного тяжіння. Визначено оптимальні технологічні параметри виготовлення освітленого яблучного концентрату. На основі результатів досліджень створено математичну модель ультрафільтрації яблучного соку. Розроблено способи регенерації мембран після ультрафільтрації та мембранної дистиляції, які повністю відновлюють їх властивості.

На основі результатів досліджень спроектовано та змонтовано експериментальну установку МД-1 для концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції. З її використанням проведено приймальні випробування технології виготовлення освітлених концентрованих яблучних соків на державному підприємстві “Росич” (м. Біла Церква Київської обл.).

Ключові слова: яблучний сік, ультрафільтрація, освітлення, стабільність соку, мембранна дистиляція, концентрування.

АННОТАЦИЯ

Гунько С.Н. Комплексная мембранная технология концентрирования яблочного сока. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.17.18 - Мембраны и мембранная технология. - Национальный университет “Киево-Моги-лянская академия”, Киев, 2002.

Диссертация посвящена разработке комплексной мембранной технологии изготовления

осветлённых концентрированных яблочных соков с помощью ультрафильтрации и мембранной дистилляции.

Разработан способ предварительной обработки яблочного сока перед его осветлением ультрафильтацией с помощью ферментных препаратов. Научно обоснован выбор мембраны УПМ-П для осветления яблочного сока, которая обеспечивает высокую производительность процесса и качество готового продукта. Определены оптимальные технологические параметры ультрафильтрации яблочного сока на установке плоскокамерного типа (давление, температура). На основании результатом исследований создана математическая модель данного процесса. Разработан способ регенерации мембран после ультрафильтрации яблочного сока с использованием NaOCl, и определены оптимальные его параметры (время обработки, температура, давление, концентрация реагента).

Разработан способ предварительной обработки яблочного сока, который обеспечивает максимальную производительность его концентрирования методом мембранной дистилляции. Установлено, что для концентрирования яблочного сока методом мембранной дистилляции оптимальной является мембрана МФФК-3, которая обеспечивает высокую производительность процесса и стойкая к действию повышенных температур. Установлена зависимость производительности мембранной дистилляции от размещения мембраны относительно горячей и холодной камер и в поле сил земного тяготения. Определены оптимальные параметры процесса концентрирования сока методом мембранной дистилляции на установке плоскокамерного типа (температура горячей и холодной камер). Разработан способ регенерации мембран, после концентрирования яблочного сока методом мембранной дистилляции с помощью ферментного препарата Gammazym CPL, который обеспечивает 100 % восстановление мембран и минимально влияет на изменение их функциональных свойств (гидрофобность). яблучний концентрат ультрафільтрація мембрана

На основании результатов исследований изготовлена экспериментальная установка МД-1 для концентрирования яблочного сока методом мембранной дистилляции. С её использованием проведены приёмочные испытания комплексной мембранной технологии изготовления осветлённых концентрированных яблочных соков на государственном предприятии “Росич” (г. Белая Церковь, Киевской обл.).

Ключевые слова: яблочный сок, ультрафильтрация, осветление, стабильность сока, мембранная дистилляция, концентрирование.

ANNOTATION

Gunko S.N. The integrated membrane technology of apple juice concentration. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in a specialty 05.17.18 - Membranes and membrane technologies. - National university “ Kiev of Mogyla Academy ”, Kiev, 2002.

The dissertation is devoted to development of integrated membrane technology based on ultrafiltration and membrane distillation for obtaining of clarified concentrates of apple juices.

The influence of juice pre-treatments on the process of its clarification by ultrafiltration and concentration by membrane distillation has been investigated. The optimal membranes for the ultrafiltration and membrane distillation of apple juices were chosen basing on high process productivity and quality of final product. The influence of membrane orientation in relation to hot and cold semi-cells and of a field of gravitation on the productivity of membrane distillation process has been determined. The optimal technological parameters of apple juices clarified concentrates production have been determined. The mathematical model of juice ultrafiltration has been developed. The ways of regeneration of membranes after ultrafiltration and membrane distillation are developed. They are completely restoring their properties.

On the basis of research results MD-1 pilot unit for juice concentration was designed, installed and tested. The approbation of the complex membrane technology of the production of clarified apple juice concentrates is carried out at the State plant “Rosich” (Bila Tserkva, Kiev region).

Key words: apple juice, ultrafiltration, clarification, stability of juice, membrane distillation, concentration.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні десятиріччя у світі широкого розповсюдження набуло виробництво концентрованих соків із вмістом сухих речовин 60-72 %. Концентровані соки біохімічно стабільні і мають тривалий термін зберігання, використовуються у кондитерській, консервній, фармацевтичній промисловості, виноробстві та при виготовленні пектину.

Виготовляються концентровані соки освітленими і неосвітленими.

Через цілий ряд вагомих недоліків виробництво неосвітлених концентрованих соків в порівнянні з освітленими у світі отримало значно менше розповсюдження. За рахунок високого вмісту в них природних біополімерів (поліцукри, пектини та ін.) при випарюванні утворюються гелі, що ускладнює процес виробництва концентрованих соків. Неосвітлені концентрати мають низький товарний вигляд, підвищену вязкість, високу каламутність, сильно виражений присмак карамельних тонів, виготовлені з них напої та соки практично неможливо освітлити. Крім того, ціни на неосвітлені концентровані соки, в порівнянні з освітленими, менші.

Традиційно в Україні освітлення соків перед їх концентруванням проводять за допомогою бентоніту, желатину, SiO₂, фільтруванням через діатомітовий і кізельгуровий фільтри. Найбільш сучасні способи освітлення - це ультрафільтрація і мікрофільтрація. Перевагами цих технологій в порівнянні з традиційними є тривала прозора стабільність соків (більше 1 року), висока якість та скорочення часу обробки.

У світовій практиці концентрування соків здійснюють головним чином шляхом вакуумного випарювання (Шобінгер У., Самсонова А.Н., Ушева В.Б.). Незначну кількість концентратів виготовляють виморожуванням (Пап Л., Моісеєнко Д.О.) і за допомогою зворотного осмосу (Wiley R.C., Schumme D.V.). Недоліками цих технологій є висока собівартість концентратів (виморожування), не досить висока якість та значна енергозатратність (вакуумне випарювання), низький вміст сухих речовин (зворотний осмос).

Пошук нових ефективних способів концентрування плодово-ягідних соків дозволив встановити, що перспективним для цієї цілі є використання мембранної дистиляції (Kimura S. і співроб.; Sheng J. і співроб.). Концентрування за допомогою цієї технології можливе при відносно низьких температурах (+28...+48 С), що дозволяє отримувати концентрати з високою біологічною цінністю. Вміст сухих речовин в них становить 60-70 %. Таким чином перевагами мембранної дистиляції в порівнянні з іншими технологіями концентрування є висока якість концентратів, можливість досягнення високого вмісту сухих речовин, зменшення витрат енергоносіїв за рахунок низької температури процесу. В Україні ця технологія для концентрування соків не використовувалася.

Враховуючи викладене, а також те, що більшість площ плодових насаджень України (до 75 %) складають яблуні, наші дослідження були спрямовані на розробку комплексної мембранної технології виробництва освітлених концентрованих яблучних соків з використанням ультрафільтрації та мембранної дистиляції.

Мета і задачі досліджень. Мета даної роботи - розробити комплексну мембранну технологію виготовлення освітлених концентрованих яблучних соків. Для досягнення поставленої мети в задачі досліджень входило: розробка способів обробки яблучного соку перед його освітленням ультрафільтрацією та концентруванням мембранною дистиляцією; визначення ефективних типів мембран для процесів ультрафільтрації та мембранної дистиляції; розробка оптимальних технологічних параметрів і режимів мембранного освітлення та концентрування; розробка способів регенерації ультрафільтраційних та мембранно-дистиляційних мембран.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено комплексну мембранну технологію виробництва освітлених концентрованих яблучних соків з використанням ультрафільтрації та мембранної дистиляції (патент України №32219А).

Встановлено, що для збільшення продуктивності процесу освітлення перед проведенням ультрафільтрації яблучного соку на тонкопористих мембранах типу УАМ-300, крім обробки ферментними препаратами пектолітичної і амілолітичної дії, необхідна додаткова обробка соку протеолітичним ферментним препаратом. Така обробка за рахунок руйнування білків гелевих шарів, які утворюються на поверхні мембрани в процесі мембранного освітлення, збільшує продуктивність ультрафільтрації.

Визначено, що максимальну продуктивність концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції забезпечує гідрофобна мікрофільтраційна мембрана марки МФФК-3 при її горизонтальному розміщенні в апараті активним шаром в напрямку до гарячої камери (гаряча камера внизу). Для освітлення і стабілізації яблучного соку перед його концентруванням методом мембранної дистиляції найбільш ефективною, в порівнянні з традиційними технологіями, є комплексна обробка ферментними препаратами пектолітичної, амілолітичної і протеолітичної дії з наступною ультрафільтрацією. Розроблено спосіб регенерації мембран після концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції за допомогою ферментного препарату Gammazym CPL (Австрія) комплексної дії (цитолітичної, пектолітичної і протеолітичної), який повністю відновлює властивості мембран та мінімально змінює її гідрофобність.

Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів наукових досліджень спроектовано і виготовлено установку МД-1 для концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції, яка була використана для проведення приймальних випробувань комплексної мембранної технології на державному підприємстві “Росич” (м. Біла Церква Київської обл.). Розроблено та затверджено нормативну документацію (технічні умови, технологічну інструкцію) на технологію виготовлення освітлених концентрованих яблучних соків з використанням ультрафільтрації та мембранної дистиляції. Економічна ефективність застосування комплексної мембранної технології, в порівнянні з найбільш поширеним вакуумним випарюванням, на 1 т готової продукції (освітленого концентрованого яблучного соку) складає 156,75 грн., що досягається за рахунок скорочення втрат соку при освітленні та зменшення витрат енергоносіїв (пари) при концентруванні. Капіталовкладення запропонованої технології знаходяться на рівні технології вакуумного випарювання.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з тематичним планом Інституту овочівництва та баштанництва Української академії аграрних наук за темою: “Розробити дієтичні, лікувальні і профілактичні плодоовочеві консерви з використанням концентрованих соків, одержаних на основі новітньої мембранної технології” (державна реєстрація №0196U017174). При виконанні проекту автор був відповідальним виконавцем.

Особистий внесок здобувача. Брав участь у постановці мети та завдань дисертаційної роботи, аналізі результатів, розробці технічної документації та проведенні приймальних випробувань запропонованої технології; самостійно проводив наукові дослідження; систематизував і математично обробляв експериментальні дані. Частка особистої участі здобувача - не менше 70 %.

Апробація роботи. Основні результати досліджень були викладені та схвалені на засіданнях вченої ради Інституту винограду і вина “Магарач” УААН (1995-2000 рр.), на XI Українському семінарі з мембран і мембранних технологій (с. Ворзель Київської обл., 23-25 вересня 1997р.), на 6-тій Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергозаощаджуючих технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості “ (м. Київ, УДУХТ, 19-21 жовтня 1999 р.) та на 6 і 7 Щорічних наукових конференціях Національного університету “Києво-Могилянська академія” (2000 і 2001 рр.). Результати дисертаційної роботи отримали високу оцінку Кабінету Міністрів України, а здобувач став лауреатом стипендії Кабінету Міністрів України 2001-2002 рр.

Публікації. Матеріали дисертації викладено у 5 наукових статтях у фахових журналах. Одержано деклараційний патент України №32219А.

Об'єм та структура дисертації. Дисертація викладена на 206 сторінках машинописного тексту, складається з вступу, п'яти розділів, висновків. Список використаних джерел налічує 195 найменувань, з них - 95 закордонних авторів. Робота містить 29 таблиць і 35 рисунків, має 6 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, відмічено наукову новизну, практичну цінність роботи, наведено відомості про особистий внесок здобувача та апробацію роботи.

У першому розділі, який є аналітичним оглядом літератури, наведено динаміку врожаїв яблук та виробництва з них натуральних і концентрованих соків за останні роки в Україні, а також в інших країнах. Детально охарактеризовано хімічний склад плодово-ягідних соків. Проаналізовано способи освітлення соків, показано їх переваги, недоліки та існуючі проблемні питання. На основі проведеного аналізу зроблено висновок, що найбільш ефективними способами освітлення є мікрофільтрація та ультрафільтрація. Проаналізовано переваги і недоліки існуючих способів концентрування та встановлено, що перспективним способом концентрування соків є нова мембранна технологія - мембранна дистиляція. За результатами літературного огляду зроблено висновок про доцільність створення комплексної технології виготовлення освітлених концентрованих яблучних соків з використанням ультрафільтрації та мембранної дистиляції.

У другому розділі наведено характеристику об'єктів досліджень та представлено методику проведення експериментів. Обєктами досліджень були свіжі і консервовані яблучні соки, виготовлені у 1995-2001 рр. на підприємствах Київській області із сортосуміші плодів середніх і пізніх строків дозрівання; соки, освітлені ультрафільтрацією; соки, освітлені бентонітом; концентровані соки, виготовлені методом вакуумного випарювання; концентровані соки, одержані методом мембранної дистиляції.

Дослідження проводилися протягом 1995-2001 рр. на Київській дослідній станції Інституту овочівництва та баштанництва УААН, в Інституті винограду і вина “Магарач” УААН, Національному університеті “Києво-Могилянська академія” та державному підприємстві “Росич”.

У роботі використані методи технохімічного та мікробіологічного контролю консервного виробництва та виноробної промисловості. В яблучних соках поряд із визначенням фізико-хімічних показників, регламентованих нормативною документацією, визначали каламутність (Г.Г. Валуйко, 1985), коефіцієнт світлопропускання, проводили тести на стійкість до колоїдних помутнінь (Г.Г. Валуйко, В.Т. Косюра, 2000) та якісні реакції на пектин і крохмаль (А.Н. Самсонова, В.Б. Ушева, 1990). При дослідженні процесів ультрафільтрації і мембранної дистиляції визначали проникність мембрани (М.Т. Брик, А.Є. Цапюк, 1989), ефективність регенерації (Т.В. Сєдякіна, 1995) та термін експлуатації ультрафільтраційних мембран (Г. Самір, 1991).

При виконанні роботи використовували ультрафільтраційні мембранні елементи тупікового та проточного типів з різною площею поверхні фільтрування, лабораторну та пілотну мембранно-дистиляційні установки.

Для пошуку оптимального режиму ультрафільтрації яблучного соку був реалізований повний факторний експеримент проведений за планом ПФЕ³.

У третьому розділі представлено результати дослідження процесу ультрафільтрації яблучного соку. Розроблено спосіб попередньої обробки соку перед його освітленням ультрафільтрацією за допомогою ферментних препаратів. Встановлено, що для ультрафільтрації соку при використанні тонкопористих мембран типу УАМ-300 найбільш ефективною є обробка ферментними препаратами пектолітичної, амілолітичної і протеолітичної дії з наступною сепарацією. При використанні широкопористих мембран типу УАМ-1000 достатньо обробки ферментними препаратами пектолітичної і амілолітичної дії з наступною сепарацією.

На наступному етапі роботи визначали найбільш оптимальні мембрани для ультрафільтрації яблучного соку. Дослідження проводили з використанням мембран із межею молекулярно-масової затримки від 17300 до 150000 Да (НВО “Полімерсинтез”, м. Владимир Російської Федерації). Визначення оптимального типу мембран проводили на підставі співставлення показників продуктивності процесу ультрафільтрації соку та його якісних характеристик після освітлення (фізико-хімічні показники, стійкість соку до колоїдних помутнінь). В результаті було встановлено, що найбільш придатною для проведення ультрафільтрації яблучного соку є мембрана з межею молекулярно-масової затримки 50 кДа марки УПМ-П (рис. 1), яка забезпечує високу продуктивність процесу освітлення та отримання стабільного соку, має високу термічну і хімічну стійкість.

При дослідженні ультрафільтрації яблучного соку було визначено, що на продуктивність процесу впливає температура продукту, тиск в каналах мембранного апарату та швидкість руху соку вздовж мембрани. Встановлено, що при швидкості руху соку в каналах мембранного апарату 1 м/с найбільш оптимальними є тиск 0,3 МПа і температура продукту 60 С.

Для пошуку оптимального режиму ультрафільтрації яблучного соку був реалізований повний факторний експеримент, проведений за планом ПФЕ³. В результаті було розроблено математичну модель процесу, яка виражається рівнянням регресії:

y = 3,45+0,5x₁+x₂+0,575x₃-0,2x₁x₂+0,125x₁x₃-0,325x₂x₃-0,325x₁x₂x₃

Після перевірки адекватності отриманого рівняння встановлено, що воно достовірно описує процес ультрафільтрації яблучного соку.

Регенерацію мембран після ультрафільтрації яблучного соку проводили за допомогою хімічних реагентів: щавлевої та лимонної кислот, NaOH, H₂O₂, HNO₃, NaОCl, ферментного препарату Gammazym CPL.

За однакових умов регенерації (час, температура) найкращі результати отримано при обробці розчинами NaOH та NaОCl. Перший відновлює проникність мембрани на 44,5 %, другий - на 73,8 %. Враховуючи, що NaОCl має також дезинфікуючий ефект, його було взято для подальших досліджень. Визначення найбільш ефективних параметрів та режимів регенерації мембрани УПМ-П дозволило встановити, що 100 % відновлення властивостей мембрани забезпечується при наступному режимі: тиск - 0,2 МПа; температура розчину NaОCl - 60 С; концентрація NaОCl - 0,08 %; час обробки - 45 хв.

Подальші дослідження були спрямовані на визначення терміну експлуатації мембрани УПМ-П при її регенерації розчином NaОCl. При контакті з реагентом впродовж місяця проникність мембрани УПМ-П зменшилася на 25 %, що за розрахунками дозволяє використовувати мембрану протягом 9-10 місяців, тобто усього сезону переробки яблук.

У четвертому розділі обґрунтовано вибір мембран для концентрування яблучного соку мембранною дистиляцією. Досліджувались гідрофобні мікрофільтраційні мембрани типу МФФК (НВО “Полімерсинтез”, м. Владимир Російської Федерації) та мембрана 3М (фірма 3М Corporate Process Technology Center). Встановлено, що найбільш оптимальною для концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції є мембрана МФФК-3, яка забезпечує максимальну продуктивність процесу та стійка до дії підвищених температур (50-70 С).

Розроблено спосіб попередньої обробки яблучного соку перед його концентруванням мембранною дистиляцією. Для цього сік обробляли трьома наступними способами: 1 варіант - пектолітичними та амілолітичними ферментними препаратами з наступним освітленням бентонітом та фільтруванням через фільтркартон (КТФ-2); 2 варіант - пектолітичними та амілолітичними ферментними препаратами з наступним освітленням ультрафільтрацією; 3 варіант - пектолітичними, амілолітичними та протеолітичними ферментними препаратами з наступним освітленням ультрафільтрацією. Встановлено, що найкращий показник продуктивності концентрування (14,82 дм³/м²·год) забезпечує обробка соку за варіантом 3 (рис. 2). При обробці соку за 2 варіантом продуктивність процесу на 11,1 %, а при обробці за варіантом 1 на 49,9 % менша, ніж за варіантом 3. Обробка соку за варіантом 3 сприяє також найбільшому видаленню з нього поліцукрів (41,9 %), пектинових речовин (67,9 %) та білків (62,2 %). При обробці соку за варіантом 2 ці показники складають відповідно - 28,3 %, 62,7 % і 32,4 %, а за варіантом 1 - 15,4 %, 25,5 % і 22,7 %. За рахунок максимального видалення біополімерів сік, отриманий за варіантом 3, має найменшу вязкість - 0,994 Н/м (варіант 1 - 1,059 Н/м; варіант 2 - 1,009 Н/м). Більший ступінь видалення білків, які є поверхневоактивними речовинами, досягається при обробці за 3-м способом. Це сприяє зростанню поверхневого натягу соку та кута змочування, що збільшує продуктивність процесу концентрування. Таким чином, обробка яблучного соку за варіантом 3 за рахунок максимального зменшення вязкості соку та збільшення кута змочування мембрани і поверхневого натягу соку забезпечує найбільшу продуктивність процесу мембранної дистиляції.

В процесі досліджень було визначено оптимальні параметри і режими мембранної дистиляції. Встановлено, що ефективність концентрування соку залежить від характеристик мембрани та її розміщення в апараті. Найбільша продуктивність процесу досягається у тому випадку, коли активний шар мембрани МФФК-3 розташований зі сторони гарячої камери при горизонтальному розміщенні мембранної комірки (гаряча камера внизу) в полі сил земного тяжіння.

Визначення оптимальних параметрів і режимів процесу концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції дозволили встановити, що продуктивність мембранної дистиляції залежить від температур в холодній і гарячій камерах та швидкості руху соку вздовж мембрани. При швидкості руху соку вздовж мембрани 0,812 м/с найбільшу продуктивність процесу мембранної дистиляції (28,43 дм³/м²·час) забезпечує температурний режим - 70 С в гарячій камері і 20 С в холодній.

При концентруванні соку за обраними режимами до 65 % сухих речовин спостерігається практично рівномірне зменшення продуктивності процесу. Це відбувається внаслідок підвищення вязкості соку, і як результат - збільшується вплив на процес концентрування температурної і концентраційної поляризацій. Ефективним є концентрування соку до 50 % сухих речовин, коли продуктивність процесу становить близько 9 дм³/м²·год. При подальшому концентруванні соку до 60-65 % сухих речовин продуктивність процесу зменшується до 3,8-3,0 дм³/м²·год, а таку продуктивність не можна вважати технологічно доцільною. До того ж, додаткова теплова обробка яблучного соку призводить до погіршення органолептичних властивостей концентрату.

Регенерацію мембран після концентрування яблучного соку проводили за допомогою хімічних реагентів (табл. 2). Результати досліджень показали, що 100 %-ного відновлення функціональних властивостей мембран можна досягти, обробляючи їх розчинами щавлевої, лимонної, азотної кислот та ферментним препаратом Gammazym CPL. Обробка останнім є найбільш оптимальною. Цей висновок ґрунтується на тому, що при контакті гідрофобної мембрани із розчинами полярних рідин з часом на її поверхні зявляться гідрофільні ділянки, при збільшенні яких мембрана втратить свої гідрофобні властивості і стане непридатною для процесу мембранної дистиляції. Використання для регенерації гідрофобних мембран хімічних речовин (кислоти, луги, окислювачі), навіть у незначних кількостях і при мяких режимах обробки, прискорює гідрофілізацію поверхні, в той час як регенерація розчинами поліелектролітів (в даному випадку розчином ферментного препарату Gammazym CPL) дозволяє уникнути втрати гідрофобних властивостей мембрани. Таким чином, регенерація гідрофобних мембран після мембранної дистиляції 0,1 %-ним розчином Gammazym CPL є найбільш оптимальною і безпечною з точки зору збереження їх властивостей. Подальшими дослідженнями було встановлено наступний оптимальний режим обробки ферментним препаратом Gammazym CPL: Т_г.к.=50 C, Т_х.к.=20 С, V=0,812 м/с, =20 хв.

У пятому розділі представлено результати приймальних випробувань розробленої технології. Випробування проводили у 2001 році на державному підприємстві “Росич” (м. Біла Церква, Київської обл.). Дослідження процесу концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції у виробничих умовах підтвердили, що концентрування соку доцільно проводити до 50 %-ного вмісту сухих речовин. Подальше концентрування не виправдовує себе за рахунок низької продуктивності процесу (1,5...3 дм³/м²·год). Крім того, тривала термічна обробка негативно впливає на органолептичні властивості готового продукту.

Результати фізико-хімічних досліджень концентрованих яблучних соків, отриманих на вакуум-випарній установці (контроль) та методом мембранної дистиляції (дослід), свідчать, що вони практично не відрізняються між собою за показниками рН і титрованої кислотності. При цьому вміст біополімерів в дослідному зразку майже вдвічі менший, ніж у контрольному, що зумовлено способом попередньої обробки соку. Дегустаційна оцінка зразків концентрованих соків, отриманих за новою та традиційною технологіями, показала, що вони мають однаково високі органолептичні показники.

Порівняльна характеристика енергетичних затрат свідчить, що на отримання 1 кг концентрату за новою технологією витрачається тепла (пари) в 4 рази менше, ніж за традиційною. Збільшення витрат води для охолодження 78 до 94 дм³/кг, пояснюється непристосованістю даних виробничих умов для проведення концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції. При проектуванні промислової мембранно-дистиляційної установки необхідно додатково включити в технологічний цикл виробництва градирню для створення замкнутого кола охолодження води.

На основі проведених виробничих випробувань було розроблено апаратурно-технологічну схему виробництва освітленого концентрованого яблучного соку із використанням мембранних технологій - ультрафільтрації та мембранної дистиляції.

ВИСНОВКИ

1. Проведено технологічну оцінку ультрафільтраційних мембран НВО “Полімерсинтез” (м. Володимир, Російська Федерація) типу “Владіпор” для освітлення та стабілізації плодово-ягідних соків. Встановлено, що для забезпечення стабільної прозорості яблучного соку протягом тривалого часу та високої продуктивності процесу ультрафільтрації найбільш оптимальною є полісульфонамідна мембрана марки УПМ-П, яка характеризується високою хімічною і термічною стійкістю.

2. Розроблено спосіб попередньої обробки яблучного соку ферментними препаратами перед його освітленням ультрафільтрацією. Встановлено, що при використанні широкопористих мембран типу УАМ-1000 достатньо обробки ферментними препаратами пектолітичної і амілолітичної дії, при використанні тонкопористих мембран типу УАМ-300, крім обробки ферментними препаратами пектолітичної і амілолітичної дії, необхідна додаткова обробка ферментним препаратом протеолітичної дії. Така обробка за рахунок руйнування білків гелевих шарів, які утворюються на поверхні мембрани в процесі мембранного освітлення, збільшує продуктивність ультрафільтрації.

3. Розроблено оптимальні параметри і режими процесу ультрафільтрації яблучного соку на

установці плоскокамерного типу (швидкість руху соку вдовж мембрани - 1 м/с; тиск - 0,3 МПа; температура - 60 С) та регенерації мембран гіпохлоридом натрію (концентрація гіпохлориду натрію - 0,08 %; тиск - 0,2 МПа; температура - 60 С, час обробки - 45 хвилин).

4. Розроблено математичну модель оптимізації процесу ультрафільтрації яблучного соку за допомогою повного факторного експерименту за планом ПФЕ³ та визначено її коефіцієнти. Перевірка адекватності рівняння регресії цієї моделі підтверджує достовірність описаного процесу.

5. Проведено технологічну оцінку гідрофобних мікрофільтраційних мембран НВО “Полімерсинтез” типу “Владіпор” та мембрани ЗМ (фірма 3М Corporate Process Technology Center), які можуть бути використані для концентрування плодово-ягідних соків мембранною дистиляцією. Встановлено, що найбільш оптимальною є мембрана МФФК-3, яка стійка до дії підвищених температур (50-70С) та забезпечує високу продуктивність цього процесу при її горизонтальному розміщенні в апараті активним шаром до гарячої камери (гаряча камера внизу).

6. Для освітлення і стабілізації яблучного соку перед його концентруванням методом мембранної дистиляції найбільш ефективною, в порівнянні з традиційними технологіями, є комплексна обробка ферментними препаратами пектолітичної, амілолітичної і протеолітичної дії з наступною ультрафільтрацією.

7. Розроблено оптимальні параметри і режими концентрування яблучного соку мембранною дистиляцією на установці плоскокамерного типу (швидкість руху соку в каналах мембранного апарату - 0,812 м/с; температура в гарячій камері - 70 С; температура в холодній камері - 20 С) та спосіб регенерації мембран МФФК-3 за допомогою ферментного препарату Gammazym CPL комплексної дії (цитолітичної, пектолітичної, протеолітичної), який забезпечує відновлення властивостей мембран та мінімально впливає на зміну їх гідрофобності.

8. Розроблено комплексну мембранну технологію виробництва освітлених яблучних концентрованих соків, що включає в себе ультрафільтраційне освітлення соку, обробленого ферментними препаратами пектолітичної, амілолітичної та протеолітичної дії, і подальше його концентрування методом мембранної дистиляції (патент України №32219А).

9. У встановленому порядку проведені приймальні випробування комплексної мембранної технології виробництва освітлених яблучних концентрованих соків на державному підприємстві “Росич” (м. Біла Церква Київської обл.). Економічна ефективність виробництва 1 тонни освітленого яблучного концентрованого соку, отриманого за допомогою комплексної мембранної технології, в порівнянні з вакуумним випарюванням складає 156,75 грн. Економічний ефект отримано за рахунок зменшення втрат соку при освітленні ультрафільтрацією та витрат енергоносіїв (пари) при концентруванні.

СПИСОК РОБІТ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гунько С.М., Байлук С.І. Концентрування фруктових соків //Вісник аграрної науки. - 1998. - №5. - С. 65-69.

2. Луканін О.С., Брик М.Т., Нігматуллін Р.Р., Гунько С.М. Вплив ферментної обробки на ультрафільтрацію яблучного соку // Вісник аграрної науки. - 2000. - № 5. - C. 24-27.

3. Луканин А.С., Гунько С.Н., Брык М.Т., Нигматуллин Р.Р. Регенерация мембран после осветления яблочного сока химическими реагентами //“Магарач”. Виноградарство и виноделие. - 2001. - № 3. - C. 32-34.

4. Луканін О.С., Брик М.Т., Гунько С.М., Нігматуллін Р.Р. Мембрани для ультрафільтрації яблучного соку //Наукові праці УДУХТ. - 2001. - № 9. - C. 129-131.

5. Луканін О.С., Брик М.Т., , Гунько С.М. Нова технологія концентрування соків //Наукові праці УДУХТ. - 2001. - № 10. - C. 24-25.

6. Пат. 32219А Україна, МКІ А23L2/08. Спосіб отримання концентрованих плодово-ягідних соків: Пат. України, МКІ А23L2/0815 /О.С. Луканін, М.Т. Брик, Р.Р. Нігматуллін, С.М. Гунько (Україна). - №99010247; Заявлено 18.01.1999; Опубл. 15.12.2000, Бюл. № 7-II. - 12 с.

Размещено на Allbest.ru