Исследование процесса и аппаратурно-технологическая схема десульфитации виноградного сусла методом электродиализа

УДК 663.256

Исламов М.Н., Омаров М.М., Алиомаров К.И.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ДЕСУЛЬФИТАЦИИ ВИНОГРАДНОГО СУСЛА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА

Islamov M.N., Omarov M.M., Aliomarov K.I.

INVESTIGATION OF THE PROCESS AND THE APPARATUS-TECHNOLOGICAL SCHEME DESTRUCTION OF SULPHUROUS ACID OF GRAPE MUST BY ELECTRODIALYSIS

Представлены результаты исследований по определению возможности применения перспективного метода деионизации жидких пищевых продуктов на основе электромембранной технологии для удаления сернистого ангидрида, используемого при консервировании полуфабрикатов в производстве виноградного сока и вина. Разработана принципиально новая аппаратурно-технологическая схема десульфитации виноградного сусла по новой технологии.

Ключевые слова: сернистая кислота, сернистый ангидрид, жидкие пищевые продукты, десульфитация, виноградное сусло, электродиализ.

Presents the results of studies on the possibility of applying the promising method of the dilute liquid food products on the basis of electrodialysis technologies for removal of sulfurous anhydride, used in the canning of semi-finished products in the production of grape juice and wine.Developed a fundamentally new hardware-technological scheme destruction of sulphurous acid of grape must with new technology.

Key words: sulphurous acid, sulfurous anhydride, liquid food products, destruction of sulphurous acid, grape must, electrodialysis.

Сернистый ангидрид и сернистая кислота широко используются в пищевой промышленности при производстве плодово-ягодных вин и соков. Диоксид серы в различных формах обладает антимикробной и антиоксидантной активностью, способствуя тем самым повышению качества и увеличению сроков хранения готовой продукции [1].

Вместе с тем избыток этого консерванта в пищевых продуктах нежелателен с гигиенической и токсикологической точки зрения, вызывает появление неприятных тонов во вкусе и аромате напитков [2].

Учитывая, что известные способы регулирования содержания сернистого ангидрида в пищевых продуктах малотехнологичны и вызывают заметное ухудшение качества продукции, нами проведены исследования по определению возможности применения высокоэффективного электромембранного метода разделения для десульфитации виноградного сусла, консервированного диоксидом серы[3,4].

Установлено, что методом электродиализа можно снизить содержание SO2 до значений, соответствующих технологическим требованиям (табл.1).

Анализ динамики изменения концентрации различных форм диоксида серы показал, что при электродиализе виноградного сусла наряду с удалением свободного SO2 значительно снижается количество его связанных форм.

В частности, при обработке виноградного сусла, содержащего 1503 мг/дм3 SO2, из

3 3

них 635 мг/дм в связанной форме, было удалено 1360 мг/дм диоксида серы. Непосредственно после обработки сусло содержало только 100 мг/дм3 в связанной форме. Уменьшение количества связанных форм диоксида серы происходит в результате их

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 27, 2012. перехода в свободную форму и последующего удаления.

Таблица 1

Изменение концентрации диоксида серы в сульфитированном сусле при _электродиализной обработке*_

Кратность ЭД обработки Количество

$02общ, мг/дм3 $02своб., мг/дм3 $02связ., мг/дм3

до обработки удалено до обработки удалено до обработки удалено

1 1503 575 868 341 635 234

2 928 248 527 194 401 90

3 644 192 333 170 311 22

4 452 207 165 73 289 134

5 245 102 90 47 155 55

6 143 51 43 17 100 34

*Расход количества электричества на проведение однократной электродиализной

о

обработки - 1 Ач/дм

Химический анализ исходного и обрабатываемого сусла показал, что при электродиализе, в отличие от термической десульфитации, не наблюдается накопления сульфатов за счет окисления диоксида серы. При этом сульфитированное сусло до

3 2 3

обработки содержало 190 мг/дм Б04 -, а после обработки - 34 мг/дм .

С целью определения оптимальных режимов проведения десульфитации виноградного сусла методом электродиализа было изучено влияние плотности тока и удельной производительности электродиализного аппарата на количество удаляемого Б02. Исследования проводили последовательно на модельных растворах, содержащих сернистую кислоту, и сульфитированном виноградном сусле.

Установлено, что степень удаления диоксида серы в общем случае пропорциональна количеству электричества, проходящего через единицу объема сусла в электродиализном аппарате. Как видно из рис. 1, при обработке растворов, содержащих от 500 до 1500

3 „

мг/дм Б02, эта зависимость носит прямо пропорциональный характер.

400 800 1200 1600 2000

[§02]общ.в исходном сусле, мг/ дм

Рисунок 1. Изменение общего содержания SO2 в виноградном сусле при электродиализе с количеством электричества, проходящего через ЭДА, А-ч/дм : 1 - 1,6; 2

- 1,0; 3 - 0,4

При этом максимальное удаление диоксида серы достигается при плотности тока 60 А/м2 (рис. 2). Применение более высоких значений плотности тока менее эффективно вследствие усиления поляризационных явлений[2].

800 700 600 500 400 300 200 100

1 ^^

2 3

0,4

0,8

1,2

1,6

0

2

Количество электричества,-А-ч/дм

Рисунок 2. Удаление 802 из виноградного сусла при различных плотностях тока,

А/м2:

1 - 40 - 60; 2 - 80; 3 - 100

Количество удаляемого диоксида серы можно достаточно гибко регулировать изменением удельной производительности электродиализного аппарата (табл. 2).

При увеличении удельной производительности сокращается время обработки сульфитированного сусла и, как следствие, удаляется меньшее количество диода серы. Вместе с тем применение более высокой удельной производительности улучшает гидродинамические показатели процесса, компенсирует действие концентрированной поляризации, нарастающей при обработке виноградного сусла с большим содержанием сахаров.

Таблица 2

Влияние удельной производительности ЭДА на количество SO2, удаляемого из

сульфитированного сусла*

Исходное содержание диоксида серы в продукте, мг/дм3 Количество удаленного диоксида серы (мг/дм3) при удельной производительности, дм3/м2,ч

40 60 80 100 120

520 216 161 134 110 88

1090 462 363 295 241 190

1500 614 492 414 338 27

* Содержание сухих веществ в сусле-20 г/100 см , плотность тока-60 А/м

Обработка сусла по проточной и рециркуляционной схемам показала (рис. 3), что применение рециркуляции позволяет увеличить съем диоксида серы в среднем на 30%.

ВеС^М-1 'ик Дагестанского госу^а

'/лол !1и таг о ->о л п п ! пп у\/~"1 им пгъл а /-»и / псчгч / п 11 ал п/"ч АГо 07 О Г) 1 О

40

30

20

10

4 1

20

40

60

80

100

2

0

Удельная производительность ЭДА, дм3/м2-ч

Рисунок 3. Влияние схемы ЭД обработки виноградного сусла на процесс десульфитации: 1 - проточная схема; 2 - рециркуляционная схема

Изучение влияния режимов электродиализной обработки и ряда других факторов на процесс десульфитации виноградного сусла позволило рассчитать и предложить номограмму (рис. 4) для графического определения оптимальных режимов удаления диоксидов серы. Номограмма позволяет определить величину удельной производительности, необходимой для удаления требуемого количества SO2 при плотности тока 60 А/м2 в зависимости от исходного содержания SO2 и сухих веществ в сусле.

Разработанная аппаратурно-технологическая схема проведения процесса десульфитации сусла методом электродиализа, предусматривающая обработку по циркуляционной схеме с выдержкой сусла между циклами обработки, показана на рис. 5.

Для сравнительной оценки влияния способа десульфитации на качественные показатели консервированного виноградного сусла были проведены исследования по снижению концентрации диоксида серы в сусле с помощью электродиализной обработки, а также термическим и химическим методами.

Обработке подвергали виноградный сок, сульфитированный путем добавления 3%-ного раствора сернистой кислоты. Десульфитацию проводили следующими способами:

- электродиализной обработкой в циркулирующем потоке при плотности тока 60

2 3 2

А/м и удельной производительности 55 дм /м -ч;

- ступенчатым выпариванием под вакуумом при температуре 40°С с последующей компенсацией удельного потока жидкости;

- окислением сульфитов перекисью водорода до сульфатов и последующим их осаждением введением мела по расчету.

Физико-химические показатели исходного сока и опытных образцов приведены в таблице 3.

Как видно из полученных данных, электродиализная обработка, в отличие от традиционных методов десульфитации, не приводит к накоплению в продукте сульфат-анионов, кальция, излишнему удалению титруемых кислот, окислению компонентов обрабатываемого продукта. Одновременно было удалено соответствующее количество катионов К+, Са , Бе3" , что обеспечивает стабильность обработанного сусла также и к кристаллическим и металлическим помутнениям.

800 700 600 500 400 300 200

2,0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

12,0 15,0

18,0 20,0 22,5 25,0

400

600

800

1000 1200

20

40

60

80

00

Исходное содержание Б02 , мг/дм

Удельная производительность, дм3/м2,ч

Рисунок 4. Номограмма для графического определения количества электричества и удельной производительности ЭДА для удаления требуемого количества диоксида серы из напитков при плотности тока 60 А/м2

0

Рисунок 5. Аппаратурно-технологическая схема обработки виноградного сусла и напитков методом электродиализа с целью

десульфитации и комплексной стабилизации ионного состава 1, 2 - электродиализные аппараты; 3 - емкости для выдержки напитков перед обработкой; 4 - емкости для промывочной жидкости; 5 - емкость для электродного раствора. 6, 7, 8 - насосы

Таблица 3

Физико-химические показатели сусла, десульфитированного традиционными _способами и методом электродиализа_

Показатели Исходное сусло Способ десульфитации сусла

термический химический электроди ализ

Содержание:

- сахаров, г/100 см3 19,5 19,5 19,5 19,5

- винной кислоты, г/дм3 4,1 4,05 3,2 4,0

- диоксида серы (общее), мг/дм3 1290 265 210 207

- сульфатов, мг/дм3 105 274 119 63

- катионов К+, мг/дм3 810 802 8 467

-- Fe3+, мг/дм3 13 12 13 4

-- Са2+, мг/дм3 54 51 127 21

Титруемая кислотность, г/дм3 6,8 6,7 5,6 6,5

рН 3,29 3,21 3,42 3,05

Обработанные образцы сусла были использованы для купажирования столовых полусладких вин. Качественные показатели вин с остаточным сахаром, изготовленных с применением сусла, обработанного электродиализом, соответствовали всем технологическим требованиям и получили дегустационную оценку выше контрольных образцов.

Величина удаляемого при электродиализе SO2 пропорционально количеству электричества, пропускаемого через единицу объема обрабатываемого продукта. Наиболее эффективно проведение десульфитации при плотности тока в установке 50-70 А/м2

Технологическая гибкость процесса может быть обеспечена изменением удельной производительности, что подтверждается номограммой для расчета режимов электродиализа при удалении диоксида серы. Применение рециркуляции сусла и выдержки его в течение 2-3 часов перед каждым циклом обработки повышает эффективность удаления SO2 и снижает энергозатраты.

Еще одной отличительной особенностью предлагаемой технологии десульфитации консервированного виноградного сусла с помощью электродиализа является возможность одновременно с удалением SO2 направленно регулировать содержание и других компонентов ионного состава, что обеспечивает стабильность обработанного сусла к различным физико-химическим помутнениям, в том числе кристаллическим и металлическим, а также при необходимости понижать титруемую кислотность.

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности применения и перспективности внедрения в производство электромембранной технологии десульфитации жидких пищевых продуктов, консервированныхс использованием сернистого ангидрида.

Библиографический список

1. Ковалевский К.А., Ксенжук Н.И., Слезко Г.Ф. Технология и техника виноделия. -Киев: ИНКОС, 2004. - 559 с.

2. Косюра В.Т., Донченко Л.В., Надыкта В.Д. Основы виноделия. - М.: ДеЛи принт, 2004. - 440 с.

3. Исламов М.Н., Исмаилов Т.А., Халалмагомедов М.А., Кишковский З.Н.Использование процесса электродиализа в винодельческом производстве. - Виноделие и виноградарство, 2007. - № 5. - С. 26-27.