фильтрационный аппарат для очистки пищевых жидкостей, способ фильтрации пищевых жидкостей и фильтрующий элемент для пищевых жидкостей

Формула изобретения

1. Фильтрационный аппарат для очистки пищевых жидкостей, преимущественно молока, включающий корпус с патрубками подвода исходной жидкости и отвода фильтрата, установленную в корпусе проницаемую перегородку с образованием по его высоте верхней и нижней секций для размещения в них гранулированной фильтрующей засыпки, размер фракции которой в верхней секции преывшает размер фракции в нижней секции, отличающийся тем, что корпус выполнен так, что высота каждой секции превышает высоту слоя гранулированной фильтрующей засыпки не менее чем в два раза, причем высота слоя фильтрующей засыпки в верхней секции составляет 80 - 100 мм, а в нижней секции высота слоя фильтрующей засыпки превышает высоту слоя фильтрующей засыпки вверхней секции в 1,5 - 2,0 раза, при этом размер гранулы засыпки в нижней секции составляет 0,6 - 1,0 мм, а в верхней секции - 1,5 - 2,5 мм, каждая проницаемая перегородка образована сеткой с размером ячеек не более 0,4 мм и снабжена размещенными сверху и снизу от сетки перфорированными решетками, размер отверстий каждой из которых составляет 5 - 6 мм, причем отверстия размещены с шагом 6,5 - 7,5 мм.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен полностью или частично из прозрачного материала.

3. Способ фильтрации пищевых жидкостей, преимущественно молока, включающий подачу фильтруемой жидкости под давлением в верхнюю секцию фильтрационного аппарата, отвод фильтрата из нижней секции его и периодическую регенерацию фильтров аппарата путем прокачки моющего раствора обратным током, отличающийся тем, что подачу фильтруемой жидкости осуществляют со скоростью не более 75 л/м² с, а скорость прокачки моющего раствора в процессе регенерации составляет не менее 50 л/м² с.

4. Фильтрующий элемент для пищевых жидкостей, преимущественно молока, состоящий из засыпки твердых гранул, отличающийся тем, что гранулы засыпки выполнены из оксидов алюминия, или титана, или циркония, или их сплавов и имеют правильную форму с открытой пористостью, не превышающей 0,1% диаметра гранулы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к фильтровальной технике в пищевой промышленности, а конкретно к фильтрации пищевых жидкостей, в частности молока, от механических примесей.

Известны жидкостные мешочные фильтры из тканных и нетканных материалов (лавсан, полипропилен), которые устанавливают непосредственно в систему очистки [1] Мешочные фильтры представляют собой двухслойный очиститель, наружный слой которого выполнен из лавсана, а внутренний тонкопористый из полипропилена, что обеспечивает более тонкую фильтрацию. Мешочные фильтры обычно надевают на стержневой фильтродержатель. Фильтруемую жидкость очищают поточно в очистителе. Данный способ очистки часто применяется на молочных фермах.

Однако эти фильтрующие элементы быстро забиваются механическими примесями, что влечет за собой частую замену фильтра, и может привести к потере герметичности из-за разрыва фильтрующего материала. Применение таких фильтров в производстве малоэффективно.

Известен фильтр для очистки жидкостей от взвешенных примесей, который может быть использован для очистки пищевых жидких сред [2] Фильтрационный аппарат представляет собой корпус в виде обратного конуса, который разделен по высоте горизонтально к сеткам со слоями фильтрующей загрузки. Размер гранул загрузки в каждом слое состоит из частиц одинаковой гидравлической крупности и убывает в каждом последующем по высоте корпуса слое по направлению движения жидкости. Кроме того, фильтрационный аппарат содержит распределительную систему, расположенную в нижней части корпуса. Указанный аппарат является наиболее близким к изобретению по технической сущности.

Однако фильтрационный аппарат имеет низкую эффективность.

Известен способ фильтрации пищевых жидкостей, применяемый в пищевой промышленности для фильтрации питьевой воды и в ликеро-водочном производстве [3] Способ осуществляют следующим образом. Фильтруемая жидкость поступает под небольшим давлением сверху, а фильтрат отводится снизу. Когда скорость фильтрования значительно уменьшается, аппарат регенерируют. Для чего после выпуска всей жидкости обратным током воды прокачивают моющий раствор через фильтр. Если этого оказывается недостаточно для очистки фильтра от примесей, то вынимают фильтрующие ткани и песок и тщательно их промывают, затем вновь заряжают аппарат. В качестве фильтрующего материала используют кварцевый песок. Указанные способ фильтрации и фильтрующий материал являются наиболее близкими к изобретению по технической сущности.

Однако способ фильтрации малопроизводителен (до 15-18 л/м² с), а фильтрующий материал недостаточно грязеемок, т.к. кварцевый песок имеет неправильную форму зерен и малую величину межзерновой пористости. Кварцевый песок имеет также невысокие технико-экономические показатели по долговечности, определяемой его измельчаемостью и истираемостью, что в итоге приводит к уменьшению срока службы. Кроме того, из-за неполной регенерации фильтра необходима перезарядка аппарата, что в свою очередь требует использования тяжелого ручного труда. В результате процесс очистки фильтрованием получается неэффективным.

Таким образом, основной задачей при создании фильтрационного аппарата, способа его работы и использования в нем зернистого фильтра было устранение перечисленных выше недостатков и создание эффективного, многократно используемого, легко регенерируемого фильтра для очистки пищевых жидкостей, в частности молока.

Для чего в фильтрационном аппарате, включающем корпус с патрубками подвода исходной жидкости и отвода фильтрата, установленную в корпусе по его высоте проницаемую перегородку с образованием верхней и нижней секции для размещения в них гранулированной фильтрующей засыпки, размер фракции которой в верхней секции превышает размер фракции засыпки в нижней секции, предлагается выполнить корпус, в котором высота каждой секции превышает высоту слоя гранулированной засыпки не менее чем в два раза, а высота слоя засыпки в верхней секции составляет 80-100 мм, а в нижней секции высота слоя засыпки превышает высоту слоя засыпки в верхней секции в 1,5-2,0 раза, при этом размер гранулы засыпки в нижней секции составляет 0,6-1,0 мм, а в верхней секции 1,5-2,5 мм, каждая проницаемая перегородка образована сеткой с размером ячеек 0,4 мм и снабжена размещенными сверху и снизу от сетки перфорированными решетками, размер отверстий каждой из которых составляет 5-6 мм, причем отверстия размещены с шагом 6,5-7,5 мм. Корпус фильтрационного аппарата выполнен полностью или частично из прозрачного материала.

Способ фильтрации пищевых жидкостей, преимущественно молока, включает подачу фильтруемой жидкости под давлением в верхнюю секцию фильтрационного аппарата, отвод фильтрата из нижней секции и периодическую регенерацию фильтров путем прокачки моющего раствора обратным током, при этом подачу фильтруемой пищевой жидкости осуществляют со скоростью не более 75 л/м²с, а скорость прокачки моющего раствора при регенерации составляет не менее 50 л/м²с. В качестве фильтрующего материала для пищевых жидкостей, состоящего из твердых гранул, применяют гранулы фильтрующей засыпки в каждой секции из оксидов алюминия или титана, или циркония, или их сплавов, которые имеют правильную сферическую форму с открытой пористостью, не превышающей 0,1% диаметра гранулы.

Техническим результатом данного изобретения является высокая производительность фильтрации и эффективность очистки, большая грязеемкость, легкость регенерации, возможность многократного повторения фильтроциклом (очистка-регенерация), длительный срок службы, уменьшение весогабаритов, упрощение обслуживания фильтрационного аппарата и улучшение микробиологических показателей отфильтрованной пищевой жидкости, в частности молока.

Правильная сферическая форма гранул фильтрующего материала и их гладкость обеспечивают высокую производительность фильтра до 75 л/м²с, т.к. снижается гидравлическое сопротивление движению жидкости по сравнению с фильтрацией через зернистую засыпку с неправильной формой зерен. По сравнению с кварцевым песком увеличивается полезный объем для удержания примесей, а это в свою очередь увеличивает грязеемкость фильтра. При этом крупные частицы взвеси, размер которых превышает размеры поровых каналов, удерживаются за счет ситового эффекта, а мелкие (до 10-30 мкм) за счет действия ван-дер-Ваальсовых сил. Из-за наличия энергетического барьера между частицей взвеси и поверхностью фильтрующего материала движение частицы к поверхности заканчивается в том месте пространства, которое отвечает нулевой энергии взаимодействия.

Под действием скорости частица взвеси, огибая по линии тока зерно фильтрующего материала, уходит в застойную зону, где скорость жидкости практически равна нулю. Сферичность зерен предлагаемого материала реализует кормовые области или области, примыкающие к точкам контакта между зернами, в которых частицы, прилипнув к поверхности зерна, остаются на ней. Наличие таких зон увеличивает верхний допустимый предел скорости фильтрования вплоть до турбулентного режима течения в поровом пространстве, когда может наблюдаться процесс не только частичного разрушения и отрыва прилипших ранее частиц, но и эффективный поднос к кормовой области новых частиц за счет турбулентной диффузии.

Таким образом, фильтр осуществляет эффективную очистку в режиме объемного удержания примесей без существенного увеличения перепада давления, т.к. не забивается примесями до предельного состояния в течение необходимого времени фильтрования (не менее 2 ч непрерывной очистки). Все это обеспечивает высокую эффективность и производительность очистки.

Скорость фильтрования не более 75 л/м² с, высота верхнего слоя засыпки в пределах 80-100 мм и нижнего в 1,5-2,0 раза больше, а также высота секций в 2 раза больше высоты засыпки и размеры фракций мелкозернистой засыпки 0,6-1,0 мм и крупнозернистой 1,5-2,5 мм получены расчетно-экспериментальным путем. При большей скорости фильтрования наблюдается частичное вымывание примеси из фильтра. Высота слоев засыпки и секций выбрана из условий оптимизации режима работы фильтрационного аппарата, обеспечивающего как отсутствие выноса удержанных частиц из-за перемещения фронта фильтрования, так и минимальных затрат на фильтрующий материал. Размеры фракций гранул обеспечивают тонкость фильтрации пищевой жидкости около 40 мкм.

Фильтрационный аппарат позволяет осуществлять полную регенерацию обратным током моющего раствора без разгерметизации секций. При скорости подаваемого раствора не менее 50 л/м² с, выбранной экспериментально, и высоте секций, большей в 2 раза высоты засыпки, обеспечиваются интенсивное перемешивание фильтрующей засыпки и вымывание механических примесей из секций. При меньшей скорости регенерации наблюдается, неполное перемешивание фильтрующей засыпки в верхней секции аппарата. Легкость и полнота регенерации обеспечиваются также гладкостью поверхности гранул (открытая пористость менее 0,1% диаметра гранул), квадратной формой ячеек проницаемых перегородок и выбором допустимых для используемых гранул размеров проходных отверстий этих перегородок до 0,4 мм, перфорированными решетками с выбранным диаметром отверстий 5-6 мм, которые расположены с шагом 6,5-7,5 мм. В результате обеспечивается полное удаление из межзернового пространства засыпки удержанных примесей, а вместе с ними и бактерий, что улучшает бактериологические показатели фильтрата в последующем фильтроцикле. Это в свою очередь позволяет многократно проводить фильтроциклы без применения тяжелого ручного труда, связанного с перезарядкой фильтра для его очистки.

Правильная сферическая форма гранул, гладкость их поверхности, монолитность структуры и прочность материала-оксида алюминия, титана, циркония или их сплавов повышают устойчивость в истиранию, вызванному трением гранул между собой при регенерации, что повышает долговечность фильтрующего материала и увеличивает срок службы фильтра. Кроме того, фильтрующий материал из оксида алюминия и титана (марки ВТ1-0, ВТ1-1, ВТ5-1) гигиеничен, прошел всестороннюю проверку и получил разрушение Минздрава на использование в контакте с пищевыми продуктами.

Фильтрационный аппарат имеет небольшой вес и габариты в отличие от прототипа, т.е. рассчитан на применение в основном на молочных фермах.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство фильтрационного аппарата.

Устройство содержит цилиндрический корпус, образующий верхнюю секцию 1 предварительной (грубой) очистки и нижнюю секцию 2 тонкой очистки, заполненные сферическими гранулами 3 и 4 соответственно больших и меньших размеров, входную 5 и выходную 6 камеры, патрубки 7 и 8 со штуцерами 9 и 10 для соединения устройства с помощью гибких шлангов 11 и 12 с линиями контура фильтруемой суспензии. От деления друг от друга верхней и нижней секций и нижней секции от выходной камеры осуществляется с помощью металлических сеток 13 и 14, зажатых двумя парами перфорированных решеток 15 и 16, привариваемых к фланцам 17 и 18. Верхний фланец 19 приварен к одной перфорированной решетке 20. Герметизация внутренних полостей фильтрующего аппарата от атмосферы обеспечивается уплотнениями 21-24, содержащими пищевую резину, путем стягивания попарных фланцев шпильками 25. Фильтр размещен на подставке 26.

Устройство работает следующим образом. Исходная суспензия через шланг 11 и патрубок 7 подается под давлением во входную камеру 5 и далее, пройдя перфорированную решетку 20, поступает в секцию 1 предварительной очистки, где в межзерновом пространстве 3 насадки происходит удержание твердой фазы примесей в основном в виде крупных частиц взвеси. Частично осветленная суспензия далее поступает в секцию 2 тонкой очистки, где в межзерновом пространстве 4 насадки происходит окончательная очистка суспензии в основном от мелких частиц примесей. Далее фильтрат через выходную камеру 6, патрубок 8 и отводящий шланг 12 направляется по назначению (танк хранения).

В зависимости от реальных условий и требований эксплуатации фильтрующий аппарат может работать как в непрерывном, так и в периодическом режиме очистки.

По окончании процесса фильтрации осуществляют режим регенерации фильтра без разгерметизации. Для этого предварительно из полости фильтрующего аппарата под давлением воды, заполняемой в контур, удаляются остатки фильтруемой жидкости. Затем после остановки насоса подводящий 11 и отводящий 12 гибкие шланги меняются местами и приступают непосредственно к режиму регенерации фильтрующего аппарата от накопленных примесей совместно с очисткой всего контура от остатков суспензии и загрязнений с использованием стандартного моющего раствора. В процессе осуществления регенерации обратным током происходят подъем и интенсивное перемешивание сферических гранул, например, оксида алюминия в обеих секциях, сопровождаемое удалением из их полости всех удержанных частиц в сливную линию. Каких-либо дополнительных операций при осуществлении регенерации фильтра помимо смены шлангов местами не требуется.

Прозрачность материала корпуса фильтрующего аппарата, изготовленного из пищевого полиметилметакрилата или термостойкого стекла, обеспечивает визуальную информацию о динамике накопления твердой фазы в межзерновом пространстве секций в режиме фильтрации, а также об эффективности перемешивания гранул (достаточности расхода) в режиме регенерации и о состоянии поверхности гранул по завершении фильтроцикла. Допускается использование неметаллического корпуса, снабженного смотровыми окнами.

Работа фильтрационного аппарата на примере использования его для очистки молока от механических примесей. Фильтрационный аппарат испытывался на стенде и непосредственно на молочной ферме по прямому назначению с обеспечением контроля процессов очистки и регенерации. Аппарат состоит из двух секций, каждая высотой 260 мм и внутренним диаметром 168 мм, причем секция предварительной очистки заполнялась сферическими гранулами диаметром 1,5-2,5 мм на высоту 80 мм, а секция тонкой очистки сферическими гранулами диаметром 0,6-1,0 мм на высоту 150 мм. В качестве материала для изготовления сферических гранул использован оксид алюминия. Насыпной вес фильтрующего материала составляет около 2,5 г/см³. Перфорированные решетки фланцев имеют отверстия диаметром 5,6 мм, располагаемые с шагом 7,0 мм, а нержавеющие сетки марки 040 (ТУ 14-4-507-74) зажаты между решетками среднего и нижнего фланцев. Аппарат снабжен образцовым манометром (0-0,6 МПа), установленным во входной камере, что позволяет измерять перепад давления в процессе фильтрации. При испытании аппарата давление на выходе из устройства соответствовало атмосферному. Расход суспензии на линии фильтра измерялся счетчиком расхода УВК-20. С помощью пробоотборников осуществлялся периодический отбор проб молока до и после фильтрации с последующим их анализом на чистоту по механическим примесям, технологическим и микробиологическим показателям.

Фильтрационный аппарат был установлен на напорной линии насоса молочного контура и работал в процессе дойки коров в периодическом режиме. Молоко от доильных аппаратов поступало в сборный бак до уровня, соответствующего объему, равному 30 л, после чего автоматически включался насос, который в течение нескольких секунд с расходом 6 м³/ч осуществлял перекачку молока сквозь фильтрационный аппарат, а далее в танк хранения. По завершении перекачки данной порции молока насос отключался на период заполнения новой порции молока, и далее цикл повторялся. В процессе дойки, продолжавшейся в течение 1,5 ч, через фильтрационный аппарат было прокачено около 1 м³ молока. Одновременно для сравнения на параллельной ветке молочного контура был установлен стандартный лавсановый фильтр, использовавшийся ранее на ферме.

Увеличение исходного препарата давления, равного р 0,06 МПа в процессе фильтрации не превышало величины 0,01 МПа, а расход фильтруемой жидкости в пределах точности измерения не изменился.

Анализ проб молока показал, что механическая загрязненность до фильтрования соответствовала II-III группе чистоты, а после очистки фильтрационным аппаратом она улучшилась до 1 группы при тонкости фильтрации по данным микроскопического анализа около 40 мкм. Лавсановый же фильтр обеспечивал лишь II группу чистоты при тонкости фильтрации около 70 мкм. Не обнаружено изменений в жирности и белковом составе молока, его кислотности и плотности.

По результатам бактериологических анализов отмечено также частичное улучшение качества молока по микробиологическим показателям после фильтрации с использованием предлагаемого устройства. В частности, в молоке уменьшилось количество стафилакокков, не обнаружены ингибирующие вещества, общая обсемененность осталась примерно той же, что и до фильтрации. В смывах, взятых с зернистого фильтрующего материала непосредственно после фильтрации, обнаружили наличие бактерий, а после регенерации не обнаружили. Это свидетельствует о том, что бактерии концентрируются в удерживаемых фильтром примесях, но полностью удаляются из него в результате завершения процесса регенерации.

Профилактическая разборка фильтрационного аппарата с целью осмотра состояния его внутренних полостей и в случае необходимости промывки проницаемых перегородок от накапливаемых с течением времени остатков примесей проводится после 2-3 месяцев эксплуатации аппарата (после 150-250 фильтроциклов).

Таким образом, специфические свойства используемого в предлагаемом устройстве фильтрующего материала из гранул оксида алюминия, титана, циркония или их сплавов, обладающих высокой гладкостью поверхности (открытая пористость менее 0,1%), прочностью и износостойкостью к истиранию, сферичностью формы, отсутствием внутренней пористости, что исключает накопление в порах нерегенерируемых остатков примесей и фильтруемой жидкости, позволяют обеспечить высокие фильтрующие свойства предлагаемого устройства, способность к эффективной регенерации его обратным током в стандартных условиях промывки, долговечность фильтрующего материала, а вместе с ним и самого фильтра.