УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЬГИНАТСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к технологическим агрегатам периодического действия и предназначена для производства альгинатсодержащих продуктов. Производство таких продуктов осуществляется путем экстракции водорастворимых веществ из твердых материалов растительного происхождения, таких как ламинария японская, фукус, лессония, агарум и других видов бурых водорослей, с последующей гидромеханической и тепловой их обработкой до получения из них альгинатсодержащего продукта.
Водорастворимое вещество альгинат, входящее в состав этих продуктов, является ценным компонентом, обладающим лечебно-профилактическими и другими полезными свойствами и может быть использовано в фармацевтической и пищевой промышленности.
Известна установка периодического действия для производства альгинатсодержащих продуктов, включающих в себя аппарат для выделения экстрактов их твердых материалов, измельчитель продукта, технологические емкости и трубопроводы с трубопроводной арматурой и приборами контроля, входящая в состав технологической линии по производству альгинатсодержащих продуктов из сырых и сушеных бурых водорослей - беломорской ламинарии и фукусы (С.Е.Губарь и др., «Оборудование для обработки морепродуктов», изд. «Пищевая промышленность», Москва, 1977 г., с.111, рис.61, схема технологической линии).
Характеризуя указанный тип установки, следует отметить сложность ее конструкции, большую металлоемкость, значительную долю ручного труда при обслуживании, большие удельные энергозатраты. Установка смонтирована с использованием вспомогательных аппаратов (отстойник, промывочная ванна, сушилка), соединенные между собой технологическими патрубками и перепускной арматурой, установленных между базовыми агрегатами - экстрактором и измельчителем продукта, что значительно усложняет рабочий процесс, так как оператору, обслуживающему установку, приходится контролировать работу каждого блока в отдельности. Экстрактор, используемый в установке, выполнен в виде цилиндрической емкости с вертикальной мешалкой, имеет относительно малую производительность при большом удельном расходе технологической воды и теплоносителя. Кроме того, в нем происходят значительные потери экстрагируемого материала, частицы которого нередко выгружаются вместе с последними порциями экстрагента. Измельчитель установки конструктивно выполнен в виде дезинтегратора и предназначен для получения на выходе только порошкообразных альгинатсодержащих продуктов.
Наиболее близкой по совокупности признаков, технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является установка периодического действия для производства альгинатсодержащих продуктов, включающая в себя аппарат для выделения экстрактов из твердых материалов, измельчитель продукта, технологические емкости и трубопроводы с трубопроводной арматурой и приборами контроля, разработанная ФГУП «ТИНРО», г.Владивосток (И.В.Кизеветтер и др., «Промысловые морские водоросли и травы дальневосточных морей», изд. «Легкая и пищевая промышленность», Москва, 1981 г. с.50-53, рис.27, технологическая схема установки).
Однако, данная установка имеет ряд существенных недостатков эксплуатационного и конструктивного характера. К ним относятся: низкая производительность при относительно больших удельных энергозатратах и расходе экстрагента, отсутствие возможности оперативно регулировать режим работы при экстрагировании и измельчении различных видов сырья, значительная доля ручного труда в процессе обслуживания, ограниченный ассортимент выпускаемых продуктов. Основное несовершенство конструктивного характера установки заключается в том, что ее технологическая схема не является универсальной, так как в ее составе имеются промежуточные аппараты, дублирующие друг друга (бак с мешалкой и экстрактор с мешалкой, измельчитель и микромельница), а для дефростации сырья используется отдельная емкость. Кроме того, экстрактор, не имея отжимного устройства, работает в одном технологическом режиме на всех видах сырья, как и измельчитель, имеющий фиксированную частоту вращения вала мешалки. Все это значительно снижает степень гидромеханической турбулизации потока обрабатываемого сырья и не позволяет объективно влиять на процесс его экстрагирования и измельчения, увеличивая тем самым время технологического цикла, снижая производительность и ограничивая ассортимент выпускаемых продуктов. Отсутствие системы подогрева рабочей емкости измельчителя не позволяет поддерживать необходимую температуру перерабатываемого продукта. Такой продукт, не прошедший термическую обработку, может быстро испортиться в результате обсеменения вредоносной микрофлорой, а поэтому его нужно или в короткое время использовать по назначению или заморозить.
Большая доля ручного труда в значительной степени обусловлена тем, что выгрузка готового продукта из рабочей емкости измельчителя осуществляется сливом его из крана, расположенного в днище рабочей емкости или сливом через горловину емкости путем опрокидывания, разворачивая емкость на шарнирах, расположенных на стойках опорной рамы. Отсутствие коллектора для подключения измельчителя к системе сжатого воздуха и подачи его в полость рабочей емкости, усложняет процесс выгрузки продукта через сливной кран вязких продуктов и ограничивает возможность использования гибкого шланга для расфасовки произведенного продукта в тару.
Задача полезной модели - повышение производительности, снижение удельных энергозатрат, увеличение ассортимента выпускаемого продукта, улучшение его качественных характеристик, сокращение доли ручного труда, обеспечение оптимального режима технологического процесса, снижение металлоемкости и затрат на изготовление и эксплуатацию установки.
Поставленная задача реализуется тем, что в известной установке для производства альгинатсодержащих продуктов, включающей в себя аппарат для выделения экстрактов из твердых материалов, измельчитель продукта, технологические емкости и трубопроводы с трубопроводной арматурой и приборами контроля, согласно заявленного технического решения корпус аппарата для выделения экстрактов из твердых материалов состоит из двух рабочих камер прямоугольной формы, которые снабжены устройствами в виде эластичных мембран и фильтрующими перегородками, каждая из которых выполнена в виде многослойной композиции, состоящей из мелкоячеистой сетки, перфорированного металлического листа и дренажной платины. При этом последняя имеет отводные каналы для сбора и слива полученного экстракта из полостей рабочих камер. Аппарат для выделения экстрактов из твердых материалов снабжен системой циркуляции горячей воды в полостях отжимных устройств его рабочих камер, которые сообщаются посредством трубопроводов с системой сжатого воздуха я продукта в его верхней зоне, а на приводном валу электропривода измельчающего инструмента смонтировано шнековое устройство, выполняющее функцию циркуляционного насоса. При этом на конце приводного вала мешалки измельчителя продукта смонтирован лопастной активатор (крыльчатка), кромки лопастей которого заточены под определенным режущим углом, а сам электропривод является реверсивным с регулируемой частотой вращения приводного вала.
Отличительный признак - конструктивное исполнение корпуса аппарата для выделения экстрактов из твердых материалов в виде двух симметрично расположенных камер прямоугольной формы делает аппарат универсальным и позволяет значительно усовершенствовать и упростить технологический процесс, увеличить производительность и рационально разместить внутри корпуса аппарата отжимные устройства с фильтрующими перегородками. Так как линейный размер высоты бортов рабочих камер (60-80 мм) в несколько раз меньше их длины, то можно утверждать, что процесс экстракции материалов с применением прессования осуществляется в «тонком слое», что значительно увеличивает отделение жидкой фазы. Кроме того, нет необходимости дефростировать сырье в отдельных емкостях или на стеллажах, так как конструкция аппарата позволяет дефростировать замороженное сырье (имеющего форму блоков) непосредственно в рабочих камерах его корпуса. Возможность проведения процессов дефростации, экстрагирования и прессования в одном аппарате (что сложно осуществить в цилиндрических конструкциях подобных аппаратов) позволяет исключить перегрузку продукта, связанную с использованием ручного труда, неизбежными его потерями, обсеменением вредными бактериями, а также полностью использовать ценную жидкость, выделяющуюся при дефростации (клеточный сок).
Наличие в конструкции установки циркуляционной системы горячей воды и системы сжатого воздуха, позволяет производить посредством эластичных диафрагм дефростацию и экстракцию материала под избыточным давлением, которое создается при воздействии сжатого воздуха на воду, циркулирующую по замкнутому контуру, тем самым, ускоряя процесс дефростации и экстракции материала. Этому способствует и то обстоятельство, что жидкость, образовавшаяся в результате таяния льда, непрерывно удаляется, при этом уменьшается толщина слоя уложенного материала, снижается его пористость, тем самым улучшаются условия теплопередачи. Ребра, приваренные к крышке экстрактора изнутри, образуют каналы малого поперечного сечения для движения греющего теплоносителя (воды), обеспечивает высокую скорость его циркуляции для интенсификации теплообмена, а также равномерный прогрев материала.
Изменяя величину давления на материал посредством эластичных диафрагм, а также температурный режим теплоносителя, аппарат может быть использован для выделения целевых продуктов из различных по своим характеристикам видов исходного сырья.
Измельчитель данной установки предназначен для гидромеханической и тепловой обработки исходного материала до дисперсного состояния путем тонкого измельчения (гомогенизации) и получения на выходе гелеобразных продуктов. Наличие у измельчителя вакуум-насоса, всасывающий патрубок которого присоединен к корпусу и сообщается с его полостью, позволяет в процессе измельчения материала создавать в полости корпуса разряжение, что в определенной степени способствует удалению из получаемого продукта кислорода, который способствует окислению продукта. Вместе с кислородом удаляются и образуемые пары с вредоносной микрофлорой, при этом за счет уменьшения общего объема обрабатываемой массы, увеличивается полезный объем продукта. Кроме этого, вакуум, создаваемый в полости корпуса измельчителя, позволяет путем отсоса механизировать процесс выгрузки водорослевой массы из аппарата для выделения экстрактов и подать ее непосредственно в рабочую полость измельчителя. Выгрузка готового продукта также производится механическим способом. Сжатый воздух подается из системы в полость измельчителя и выдавливает гелеобразную массу через его разгрузочный патрубок.
Центробежный насос измельчителя прототипа не обеспечивает перекачивание высоковязких сред, поэтому в данной конструкции использовано шнековое устройство. Так как для перекачивания вязкой среды по трубопроводу требуются большие затраты, циркуляция обрабатываемой среды организована внутри рабочей емкости. Шнековое устройство в данном случае обеспечивает движение значительных объемов продукта с большой скоростью, что необходимо для интенсивного перемешивания трудносмешиваемых и труднорастворимых компонентов. Лопастной активатор, смонтированный на конце приводного вала мешалки, турбулизирует процесс обработки продукта в нижней зоне измельчителя, а также обеспечивает подачу материала к лезвиям ножей измельчающего инструмента и способствует предварительному измельчению материала.
Наличие у лопастной мешалки реверсивного электропривода с регулируемой частотой вращения приводного вала дает возможность периодически менять направление и плавно, в необходимом диапазоне, регулировать ее вращение, изменяя тем самым гидромеханический режим обрабатываемого продукта в зависимости от состава компонентов, их исходных размеров, реологических свойств, процентного содержания жидкой фазы, температуры нагрева и других характеристик, что делает установку универсальной.
Используя вышеперечисленные технические возможности заявленной установки можно значительно расширить ассортимент тонкоизмельченного целевого продукта повышенного качества. Последнее в значительной степени обусловлено и тем обстоятельством, что работа мешалки с частотой вращения от 90 об/мин (V окруж.=1,5 м/сек) и более создает гидромеханический режим, обеспечивающий уменьшение времени контакта перемешиваемого продукта с нагретой внутренней поверхностью рабочей емкости, тем самым, предотвращая образование на ней пригорающего слоя.
Наличие замкнутых систем циркуляции экстрагента внутри рабочих камер экстрактора, выгрузка водорослевой массы из экстрактора в измельчитель механическим способом, проведение процессов дефростации, экстрагирования и прессования в одном аппарате, делает технологический процесс на заявленной установке для производства альгинатсодержащих продуктов безотходным и экологически чистым.
Заявленная установка была реализована в контрактном варианте, изображенном на чертежах (фиг.1 и фиг.2).
На фиг.1 изображена принципиальная схема установки с ее основными аппаратами и элементами.
На фиг.2 изображен аппарат для выделения экстрактов из твердых материалов той же установки.
Базовыми аппаратами установки для получения альгинатсодержащих продуктов являются аппараты для выделения экстрактов из твердых материалов 1 (экстрактор) и измельчителем продукта 2. Экстрактор содержит корпус прямоугольной формы, бортовой периметр которого изготовлен из полых элементов 3, а также дренажную пластину 4 (изготовленную из листового капрона), имеющую дренажные 5 и отводной 6 каналы, которая разделяет полость корпуса на две симметричные рабочие камеры 7.
С обеих сторон к дренажной платине 4 примыкают фильтрующие элементы - перфорированные металлические листы 8 и мелкоячеистые сетки 9. С внешних сторон рабочих камер 7 при помощи откидных болтов 10 смонтированы съемные крышки 11, на которых расположены отжимные эластичные мембраны 12 (выполненные из пищевой резины), опирающиеся на ребра 13. Экстрактор снабжен технологическими патрубками, в частности к корпусу закреплены патрубки 14 с запорными вентилями 15 для заливки экстрагента и компонентов в рабочие камеры 7 и патрубок 16 с запорным вентилем 17, предназначенный для удаления получаемого экстракта. Подача горячей воды в полость между крышками 11 и мембранами 12 осуществляется посредством патрубков 18, а возврат воды в циркуляционную систему посредством_патрубков 19. Вся конструкция экстрактора 1 смонтирована на раме 20 посредством двух стоек 21 с возможностью вращения на осях 22, установленных в подшипниках 23. Вращения экстрактора может осуществляться как вручную, так и электроприводом (на чертеже не показан), при этом трубопроводы систем подачи горячей воды и экстрагента посредством резьбовых штуцеров на это время отсоединяются от патрубков аппарата.
Измельчитель продукта 2 содержит цилиндрическую емкость 24, в нижней части переходящую в коническое днище, внутри которой установлена лопастная мешалка 25, на конце приводного вала 26 которого смонтирован лопастной активатор 27. Верхний конец вала 26 соединен с реверсивным мотор-редуктором 28, установленном на крышке 29, имеющей технологические патрубки 30 и 31 с запорными вентилями 32, 33 и 34. Емкость 24 снабжена паровой термостатической рубашкой обогрева 35, имеющей технологические патрубки 36, 37 и 38 с запорными вентилями39, 40 и 41, а в нижней зоне ее конического днища расположен технологический патрубок 42 с краном 43 для выгрузки готового продукта из рабочей полости емкости 24. На приводном валу мотор-редуктора 28 смонтированы ножевой блок измельчающего инструмента 44 и шнековое устройство 45, установленные в цилиндрической обойме 46, имеющей сквозные отверстия по всему периметру. Шнековое устройство 45 предназначено для обеспечения движения значительных объемов продукта с большой скоростью в рабочей полости емкости 24. Узлы и агрегаты измельчителя смонтированы на сварной опорной раме 47. Установка снабжена необходимыми приборами контроля: вакуумметром 48, манометрами 49 и термометрами 50.
Вспомогательное оборудование, предназначенное для функционирования установки, включает в себя компрессор 51 с ресивером 52, соединенным с трубопроводом 53 системы сжатого воздуха, который посредством запорного вентиля 33 сообщается с рабочей полостью емкости 24 измельчителя через патрубок 31. К этому же патрубку посредством вентиля 34 присоединен вакуум-насос 54, а к патрубку 30 посредством запорных вентилей 17, 32 и 55 присоединен трубопровод 56 для подачи экстракта в рабочую полость емкости 24 измельчителя или в тару. В свою очередь, к трубопроводу 56 присоединен гибкий шланг 57, на конце которого закреплена воронка 58 для всасывания под действием разряжения в емкости 24 водорослевой массы (после экстракции) из рабочих камер 7 экстрактора 1 и подачи ее в рабочую полость измельчителя 2.
Система циркуляции горячей воды включает в себя резервуар 59, внутри которого смонтирован нагревательный элемент 60, выполненный в виде трубчатого змеевика, обогреваемого паром. Снизу к резервуару 59 своим нагнетательным патрубком присоединен циркуляционный насос 61, всасывающий патрубок которого посредством технологического трубопровода 62 соединен с патрубками 19 экстрактора 1, а посредством трубопровода 63 и вентиля 64 соединен с днищем расширительного бочка 65, вода в которой заливается из водопроводной магистрали 66 по мере необходимости. Сверху к бачку 65 присоединен трубопровод, который посредством вентиля 67 соединен с трубопроводом 53, а посредством клапана 68 с нагнетательной магистралью горячей воды 69. Подача сжатого воздуха в бачок 65 необходима для создания дополнительного избыточного давления на отжимные эластичные мембраны 12 с целью получения максимальной производительности экстрактора 1. Воздух, скапливающийся в верхней зоне бачка 65, удаляется в атмосферу через вентиль 70, а из паровой рубашки 35 измельчителя 2 через вентиль 41.
Установка для производства альгинатсодержащих продуктов работает следующим образом.
Корпус экстрактора 1 разворачивается в горизонтальное положение, крышка 11 снимается, и мороженые водоросли укладываются в первую рабочую полость камеры 7 (3-4 блока), на которые укладывают мембрану 12, после чего накрывают крышкой 11 и плотно ее фиксируют гайками откидных болтов 10. После этого корпус экстрактора на осях 22 разворачивают в противоположное положение, и вторая его полость заполняется водорослями с последующей установкой крышки второй 11 аналогичным образом. Затем корпус экстрактора разворачивают в вертикальное положение, подают пар в водонагревательный элемент 60 и включают циркуляционный насос 61. Вода, поступающая в пространство между крышками 11 и мембранами 12, передает теплоту исходному материалу, необходимую для его дефростации. По окончании дефростации при помощи сжатого воздуха, поступающего из ресивера 52 через клапан 68, создается дополнительное избыточное давление, которое посредством мембран 12 передается на материал и жидкая фаза через трубопровод 56 посредством открытых вентилей 17 и 55 удаляется из полостей рабочих камер 7. Так как система подачи горячей воды замкнутая, давление в рабочих камерах уравновешивается, и процесс дефростации происходит в обеих камерах равномерно. Затем через патрубки 14 в рабочие камеры экстрактора подают воду (экстрагент), прошедшую специальную подготовку (обеззараживание и др.), после чего перекрывают вентили 15 и через клапан 68 подают сжатый воздух в магистраль горячей воды 69, дополнительно отжимая мембраны на определенную величину прогиба. При этом, чем больше прогиб, тем с большим избыточным давлением мембраны 12 воздействуют на набухающий при контакте с экстрагентом материал, отжимая его. Величина избыточного давления (150÷350 кПа) контролируется по манометру 49, смонтированному на трубопроводе 53 и устанавливается в зависимости от разновидности сырья, его характеристик и этапов экстрагирования (предварительный, кислотный, нейтрализация и др.).
Оптимально установленная величина механического воздействия на обрабатываемый материал при отжатии жидкой фазы из его набухших частиц значительно улучшает процесс молекулярной диффузии, ускоряет извлечение целевых компонентов из сырья, увеличивая тем самым производительность установки и улучшая качественные показатели продукта. Интенсивность процесса повышают периодическим вращением корпуса экстрактора 1 на осях 22, при этом получаемый экстракт перемещается сверху вниз, просачиваясь через сетки 9 и, проходя через перфорированные отверстия листов 8, поступает в дренажные каналы 5 и отводной канал 6. Экстрагирование проводят в течение 1-2,5 часа при температуре 15-25°С. По окончании экстрагирования экстракт под давлением мембран 12 удаляют из аппарата и подают свежую порцию экстрагента. После двух или трехкратного экстрагирования осуществляют обработку водорослевой массы, для чего через открытые вентили 15 подают раствор уксусной или молочной кислоты концентрацией 1-3% и выдерживают в течение 1-2 часа при температуре 15-25°С. После кислотной обработки водорослевую массу дважды промывают настаиванием определенное время в пресной воде с последующим отделением отработанной жидкости под давлением при помощи мембран 12. После завершения вышеперечисленных технологических операций экстрактор 1 разворачивается в горизонтальное положение (фиг.1, изображено пунктиром) и поочередно снимаются крышки 11 и мембраны 12. Перед этим при помощи вакуум-насоса 54 в рабочей полости емкости 24 измельчителя 2 создается разряжение (0,06-0,07 МПа), а в паровую рубашку 35 подают греющий пар.
Открывают вентиль 32 и под действием создаваемого разряжения при помощи воронки 58 и посредством шланга 57 всасывают водорослевую массу из камер 7 экстрактора 1 и перегружают в рабочую полость емкости 24 измельчителя 2. После этого в водорослевую массу добавляют пищевую соду в количестве 1,0-1,8% от массы водоросли и необходимое количество выделенного экстракта и при включенной мешалке 25 нагревают до температуры 55-80°С, обрабатывая загруженную массу при данной температуре 15-25 минут. При необходимости частота и направление вращения мешалки может изменяться, создавая гидромеханический режим, предотвращающий пригорание обрабатываемого продукта на внутренней поверхности рабочей емкости. Одновременно с перемешиванием водорослевой массы при помощи ножей измельчающего инструмента 44 производится измельчение продукта до дисперсного состояния (гомогенизация). При этом при помощи шнекового устройства 45 осуществляется циркуляция с большой скоростью значительных объемов продукта внутри емкости 24, обеспечивая перемешивание трудносмешиваемых и труднорастворимых компонентов. Масса, выходящая через отверстия в обойме 46, поступает к лопастям мешалки 25 и имея собственную скорость, а также под действием центробежной силы отбрасывается на периферию вдоль цилиндрических стенок емкости и достигнув поверхности, перемещается к центру, и далее вдоль оси возвращается к шнековому устройству 45. Активатор 27, расположенный на валу мешалки, обеспечивает подачу материала к лезвиям ножа измельчающего инструмента 44, имея режущие кромки на лопастях, способствует его предварительному измельчению.
После того, как продукт будет полностью готов, отключается вакуум-насос 54, перекрывается вентиль 34 и открывается вентиль 33 на трубопроводе сжатого воздуха 53. В рабочей полости емкости 24 создается избыточное давление (300-400 кПа), под действием которого продукт через разгрузочный патрубок 42 и открытый кран 43 выгружается в соответствующие приемные емкости.