Введение
Бродильная промышленность– одна из старейших отраслей промышленности в России. Анализ современноготехнического уровня предприятий бродильной промышленности показывает, что егосовершенствование осуществляется в направлении повышения единичной мощности,сокращения вспомогательных операций, снижения материало- и энергоемкости,повышения уровня механизации и автоматизации, улучшения санитарной обработки.
Модернизация предприятийбродильной промышленности, строительство наряду с крупными предприятиямиминизаводов ведет к расширению заводов и выпускаемому ассортименту бродильнойпромышленности и требует гибкой организации проектировочных работ с учетомдостижений мировой практики, внедрения новых технологических процессов иоборудования, ликвидации диспропорций в цехах, повышения уровня механизациитранспортно-складских работ. На солодовенных и пивоваренных заводахустанавливаются поточные механизированные линии.
В последнее время широкоераспространение получили прогрессивно развивающиеся минипивоварни иминипивзаводы, на которых применяются новые методы замачивания и сусловарениясырья. Успешно эксплуатируются цилиндрические бродильные аппараты дляускоренного брожения и дображивания пива, диатомные фильтры и гидроциклонныеаппараты для осветления горячего сусла и пива. Появился целый ряддополнительных операций: карбонизация, стабилизация пива, а также утилизациявторичных материальных ресурсов.
Втом числе появились новые разработки по технологическому оборудованию,совмещение функций и конструкций некоторых аппаратов, повышению ихпроизводительности, уменьшение энергозатрат на проводимые процессы, сокращениепроизводственных площадей на единицу занимаемого оборудования, вырабатываютсяусовершенствованные пути повышения эффективности обработки сырья.
Перед всей пивовареннойпромышленностью, в частности, минипивоваренной промышленностью стоят задачи повнедрению новой, более прогрессивной техники и технологии, обеспечивающихполное и комплексное использование сырья, высокоэффективных машин и аппаратовнепрерывного действия, создающих возможность интенсифицировать иавтоматизировать процессы и внедрять АСУТП. При этом в условиях рыночнойэкономики важно обеспечить их конкурентоспособность при борьбе за рынок сзарубежными партнерами.
Особой задачей, стоящейперед минипивоварнями и минипивзаводами, является проблема утилизации отходовпроизводства, в частности, лагерного осадка, представляющего собой остающиеся влагерном танке дрожжи. Решение проблемы утилизации отходов позволит улучшитьэкологическую обстановку, а также позволит добиться определённогоэкономического эффекта, так как утилизируемые дрожжи содержат определённую долютоварного продукта, т.е. позволит сократить потери продукта.
1. Обзор современных объектов аналогичного назначения и выбортехнического решения
Под лагерным осадкомпонимают остающиеся в лагерном танке дрожжи, которые содержат пиво. Около 1%товарного пива может быть получено (после соответствующей обработки дрожжей) ввиде пива из дрожжевого осадка. Существуют несколько способов рекуперации этогопива: прессование дрожжей, сепарация дрожжей, мембранное фильтрование дрожжей[1].
1.1Прессование дрожжей
Дрожжи закачивают вкамерный фильтр-пресс и отфильтровывают сквозь полипропиленовые салфетки (рис.1). Благодаря прессованию под давлением
/>
0,4 – 0,6 МПа, а в концецикла – в 1,5 – 1,8 МПа, дрожжи по консистенции становятся похожи на пекарские.
Из-за используемого вфильтре высокого давления недостатки этого способа делаются ещё болеезаметными. Они заключаются в повышении значений pH и повышенном содержании в пиве белка и нуклеиновыхсоединений, если до прессования дрожжи хранились долго и в тёплых условиях.Поэтому дрожжи необходимо прессовать сразу же после их сбора.
1.2Сепарация дрожжей
Щадящий метод рекуперациипива из дрожжей – это их сепарация (рис. 2).
/>
В рециркуляционный танк 1набирается определённое количество доаэрированной воды, которая подаётсянасосом 6 к сепаратору 2. По пути вода смешивается с дрожжами,дозируемыми насосом 5. В сепараторе предварительного осветления 2большая часть дрожжей отделяется, а разбавленное водой отсепарированное пивовозвращается в рециркуляционный танк. Этот процесс повторяется при постоянномразбавлении пива водой и дальнейшем отделении дрожжей. В заключение смесь водыи пива подаётся на сепаратор для полного осветления, где происходит полное удалениедрожжевых клеток из пива.
Недостатком этого способарекуперации пива из остаточных дрожжей является энергоёмкость процесса, так какдля осуществления сепарирования требуется сепаратор, потребляющий большоеколичество энергии. Кроме этого, сепараторы имеют достаточно высокую стоимость,сложную конструкцию, сложность эксплуатации и монтажа.
1.3Мембранное фильтрование дрожжей
Мембранный фильтрпредставляет собой фильтр, в котором поток жидкости движется сквозь фильтрующийслой не под прямым углом, а параллельно фильтрующей мембране, так что пиводиффундирует сквозь неё, а дрожжи уносятся дальше.
Данный способ не требуетвспомогательных фильтрующих средств и во все большей степени применяется длярекуперации пива из избыточных дрожжей. При правильно подобранном режиме работымембранной установки можно обеспечить приемлемые финансовые затраты при хорошемкачестве пива, что особенно актуально в условиях малых предприятий. Мембранноефильтрование не требует для проведения процесса высоких температур, что положительноотражается на характеристиках конечного продукта. Мембранная установка нетребует значительных энергозатрат, что даёт значительный экономический эффект.
Ввиду очевидногопреимущества мембранного фильтрования перед перечисленными выше способами рекуперациипива из остаточных дрожжей для решения поставленной задачи выделения дрожжей излагерного остатка целесообразно применять именно мембранное фильтрование.
2. Обзоросновных конструкций баромембранных аппаратов
Основные требования,предъявляемые к мембранным аппаратам различных конструкций, — эффективноеудаление с поверхности мембраны задерживаемых веществ (то есть снижениеконцентрационной поляризации, гелеобразования и загрязнения мембран) икомпактность. Важны при этом простота, удобство сборки и монтажа установки.
Разделение растворов впромышленных баромембранных процессах осуществляют на четырёх основных типахаппаратов: фильтр-пресс (или плоскокамерных), трубчатых, рулонных и на основеполых волокон [2].
Аппараты плоскокамерноготипа собирают на основе плоскорамных элементов. Набор мембранных пакетовзажимают с помощью фланцев. Между мембранами по краям пакетов находятся рамки сотверстиями для отвода фильтрата и соответствующие прокладки (как правило,резиновые), предназначенные для герметизации. Схема ввода исходного растворапредусматривает последовательное и равномерное его прохождение над мембранами,расположенными на поверхности камер (рамок) сбора фильтрата, в которыхнаходится 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 трубчатоготипа подача исходного раствора осуществляется внутрь трубки, разделительная поверхность(собственно сама мембрана) находится на внутренней её поверхности, оптимальныйвнутренний диаметр трубки 8 – 25 мм. При сборке аппаратов трубки укладывают ввиде блоков, а их концы заливают герметизирующим компаундом. Основнымнедостатком такого типа аппаратов – очень низкая полезная площадь мембран.
В аппаратах рулонноготипа исходный раствор под давлением движется по напорному каналу параллельнооси элемента. Пермеат, проходя через мембрану, попадает в дренажный слой и поспирали через него отводится в трубку-коллектор. Область применения аппаратов срулонными мембранными элементами – обессоливание минерализованных вод.
Полое волокнопредставляет собой мембрану, выполненную в виде очень тонкого капилляра,строение которого может быть изотропным или анизотропным по толщине стенок, приэтом активный слой может находиться как с внутренней, так и с внешней стороны.Следовательно, существует определённая аналогия между полым волокном итрубчатой мембраной, что обуславливает во многом аналогичные трубчатымконструкции аппаратов на их основе. Вместе с тем малый диаметр полого волокнасоздаёт принципиально лучшие характеристики этих аппаратов. Прежде всего, врезультате малого диаметра волокна самонесущая конструкция мембраны можетвыдерживать без нарушений структуры воздействие высоких давлений. Вследствиемалого диаметра как внутреннего так и внешнего сечения полых волокон, их общаяразделяющая поверхность в единице объёма более чем на два порядка превосходитаналогичный показатель трубчатых элементов. Кроме того, при равномерномобъёмном расходе линейная скорость во внутреннем канале полого волокна вблизирабочей поверхности выше, чем в остальных аппаратах, вследствие этого снижаетсяуровень вредного воздействия концентрационной поляризации и, следовательно,тенденция к загрязнению вследствие концентрационной поляризации в случаемодулей на основе полых волокон незначительна.
Ввиду очевидногопреимущества мембранных модулей на основе полых волокон в баромембраннойустановке для микрофильтрационной обработки пива будем использовать именноданный тип мембранного модуля.
3.Патентная проработка проекта
3.1Аппарат для фильтрации жидкостей [3]
Изобретение относится к средствам очистки жидкостей игазов, например в сельском хозяйстве, медицинской, пищевой и микробиологическойотраслях промышленности, а также может быть использовано для разделения иконцентрирования технологических растворов, водоподготовки, очистки сточных воддругих производств. Аппарат для фильтрации жидкостей (рис. 3) содержит корпус,в котором соосно установлены центральная распределительная труба с рядамиотверстий и набор трубчатых мембранных элементов, укрепленный в трубнойрешетке, крышку с патрубком, днище, кольцевую чашку для заглушки концовмембранных элементов, герметизирующие уплотнения между крышкой и трубнойрешеткой. Согласно изобретению днище закреплено на центральной распределительнойтрубе, трубная решетка и днище имеют кольцевые проточки для корпуса, верхнийконец центральной распределительной трубы снабжен резьбой для крепления крышки,в крышке и трубной решетке выполнены кольцевые полости, патрубок на крышкерасположен параллельно оси центральной распределительной трубы или под углом кней, меньшем 90o, причем центральная распределительная труба имеет вцентре неподвижную перегородку, а суммарное сечение отверстий в каждом рядуувеличивается от перегородки к периферии центральной распределительной трубы.Второй вариант аппарата содержит обечайку между крышкой и трубной решеткой,внутри которой размещен адсорбент между кольцевыми сетками. Техническийрезультат — равномерное распределение жидкости или газа, повышение качествафильтрации, упрощение сборки-разборки, обеспечение замены всего наборамембранных элементов
/>
Рис. 3 Аппарат дляфильтрации жидкостей
3.2 Способи устройство для мембранной фильтрации
Технический результат:фильтрация без забивания мембран во времени, а следовательно без уменьшения ихпроизводительности и без изменения их характеристик, что обеспечит их широкоеприменение при холодной стерилизации напитков и лекарственных средств,осветлении соков, вин и пива, плазмаферезе, концентрировании клеток, обработкесточных вод, получении чистой воды и т. д. В предложенных вариантах способафильтрация ведется из потока раствора, перпендикулярного направлениютранспорта, на жестких полупроницаемых керамических мембранах высокойпористости. Отличительной особенностью этих способов является создание условийфильтрации, при которых предотвращается образование гелевого слоя наповерхности мембраны в течение всего процесса фильтрации, для этогопредлагается проводить фильтрацию в сочетании знакопеременного трансмембранногодавления (ТМД) с направленными потоками фильтруемой жидкости. При положительномТМД фильтруемая жидкость движется вдоль поверхности мембраны, а фильтратудаляется наружу: при отрицательном ТМД часть фильтрата (не более 20%)возвращается обратно через поры мембраны и обеспечивает их очистку отзастрявших частиц, при этом последующий поток фильтруемой жидкости, когда вновьсоздается положительное ТМД, смешивается с этими частицами и фильтрацияпроисходит вновь на чистых мембранах. Заявлены устройства, одно из которыхсостоит из фильтр-поршня, который совершает возвратно-поступательноеперемещение в жестком корпусе, при этом, благодаря использованию трех клапановоднонаправленного потока, двух эластичных непроницаемых мембран, двухдистанционных колец и других конструктивных особенностей. Во втором устройствемембранный фильтр выполнен (рис. 4) в виде жесткой конструкции, неподвижнозакрепленной в корпусе. Фильтр может состоять из одного пористогополупроницаемого цилиндра или кассеты из нескольких небольшого диаметраполупроницаемых трубок. Для создания пульсирующего ТМД используется поршеньмембранного типа, который совершает возвратно-поступательное перемещениеблагодаря использованию соленоида. Соленоид также предлагается использовать дляосуществления возвратно-поступательного перемещения фильтр-поршня. Кроме того,для создания необходимого рабочего зазора вдоль поверхности мембраны прииспользовании жестко закрепленного мембранного фильтра в конструкции предложеноиспользовать плавающие или неподвижные мандрены.
/>
Рис.4 Устройство длямембранной фильтрации
3.3Мембранный аппарат (1)
Изобретение относится ктрубчатым мембранным аппаратам для очистки жидкости, в частности очисткисточных вод промышленных предприятий, природных вод в системах водоснабжения,очистки смазочно-охлаждающих жидкостей в процессах регенерации отработанныхмасел и моющих растворов и для концентрирования растворов ферментов, осветлениясоков и т.д. Мембранный аппарат (рис. 5) содержит корпус с патрубками дляподвода исходной жидкости, отвода очищенной жидкости и концентрата и трубныерешетки с закрепленными в них трубчатыми мембранными элементами. Один конецтрубчатых мембранных элементов закрыт пробками из герметика и зажат опорнойголовкой с глухими отверстиями под каждый мембранный элемент. Другой конецмембранных элементов герметизирован с помощью двух трубных решеток, междукоторыми налит слой герметика, и через слой герметика зажат перфорированнымопорным диском с диаметром отверстий, равным внутреннему диаметру или меньшимвнутреннего диаметра трубчатых мембранных элементов. Технический результат:уменьшение металлоемкости и трудоемкости в изготовлении, обеспечение широкогодиапазона температурных режимов и возможности проведения импульснойвысокоскоростной промывки обратным током очищенной жидкости в течение всегосрока службы без замены отдельных мембранных элементов, создание аппарата,противодействующего возникновению колебаний при высоких скоростях потока.
/>
Рис. 5. Мембранныйаппарат
3.4Мембранный аппарат (2)
Изобретение относится кразделению смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использовано вхимической, микробиологической, электронной, пищевой и других отрасляхпромышленности для осуществления ультрафильтрации, обратного осмоса и другихмембранных процессов. Целью изобретения является исключение застойных зон ваппарате и упрощение его конструкции. Аппарат для проведения мембранногопроцесса разделения содержит несущие фланцы со штуцерами и отверстиями дляввода исходной смеси и вывода концентрата и фильтрата, пакет мембранныхэлементов. Каждый мембранный элемент имеет каркасную пластину с углублением наодной плоскости для образования камеры прохода исходного раствора.
В результате интенсивногоосаждения различных загрязнений происходит снижение производительности иувеличение гидравлического сопротивления аппарата. В рассматриваемом аппаратезагрязнения удаляются с помощью ультразвука, который от генератора поступает поволноводу на отражатель. Ультразвук возбуждает в разделяемом растворе кавитацию,в результате которой в потоке возникают пульсирующие пузырьки, часть которыхпотоком вносится внутрь каппиляра волокна. Пузырьки, оказывая силовое воздействиена осевшие частицы загрязнений, отрывают их от стенок на входе и внутри капилляра, после чего эти частицы уносятся с разделяемой жидкостью. Такимобразом, все каналы очищаются от загрязнений, что приводит к воостановлениюпервоначального гидравлического сопротивления и производительности.
Отличительнойособенностью аппарата является то, что форма излучателя ультразвуковыхколебаний выполняется в соответствии с контуром, ограничиваемым крайнимивходными каналами пучка полых волокон (рис. 6).