Фильтрующий элемент для очистки сырого молока

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, конкретно к устройствам для фильтрации жидких смесей.
Известно устройство фильтрующего элемента для очистки сырого молока (патент №2429897, МПК В01D 39/16, В01D 27/00, А01I 11/06), в виде однослойного цилиндрического трубчатого патрона, выполненного из пищевого полимерного материала и образованного дискретными рядами полученных методом аэродинамической экструзии волокон с уменьшающимися в радиальном направлении от периферии к центру размерами пор. Каждый ряд волокон слоя, состоит из каркасных и фильтрующих волокон. Толщина фильтрующих волокон больше, чем каркасных.
Недостатками этой конструкции является формирование рядов слоя дискретным способом, при котором невозможно технологически получить размеры ячеек, отличающиеся в начале и в конце сформированного трубчатого патрона в 10-20 раз. Поэтому формируются такие размеры ячеек, которые задерживают в основном крупные механические частицы (частицы соломы, корма, волос и т.п.) и частично микрочастицы (бактерии и соматические клетки). В целом, очистку сырого молока от всех примесей произвести невозможно. Кроме того, структура трубчатого патрона представляет собой хаотичное распределение ячеек по площади и по толщине фильтрующих и каркасных волокон. В тоже время качество очистки снижается из-за радиального направления течения молока через трубчатый патрон. Это препятствует равномерному распределению молока с примесями по всей поверхности и объему трубчатого патрона. В целом данное устройство не обеспечивает качество очистки молока от примесей.
Известно устройство фильтрующего элемента для очистки сырого молока (патент №141137, МПК А01I 11/06), в виде цилиндрического трубчатого патрона, состоящего из двух соединенных друг с другом слоев внутреннего и внешнего, образованных волокнами, выполненными из пищевого полимерного материала, переплетенными между собой хаотично с ячейками, образующие проводящие каналы, внутреннее пространство которых во внутреннем слое заполнено микроворсинками, а во внешнем слое они отсутствуют. Соотношение толщины внутреннего и внешнего слоев равно примерно 1 к 3.
Недостатками этого устройства является то, что формирование внешнего и внутреннего слоев осуществляется дискретными рядами. При этом, в ячейках внутреннего слоя формируются ворсинки, а в ячейках внешнего слоя не формируются. Однако, применяемый метод аэродинамической экструзии волокон по технологии изготовления внутреннего и внешнего слоя идентичен, поэтому размеры ячеек должны быть одинаковыми, а не различными. Кроме того, структура внутреннего и внешнего слоев трубчатого патрона представляет собой хаотичное распределение ячеек разных по размерам и по толщине волокон. В тоже время поток молока поступает на трубчатый патрон в радиальном направление. Это препятствует равномерному распределению молока с примесями по всей поверхности и объему трубчатого патрона. Все это в совокупности не обеспечивает качественную очистку молока от примесей.
Наиболее близким к заявляемому фильтрующему элементу для тонкой очистки сырого молока по совокупности существенных признаков является принятое за прототип устройство фильтрующего элемента для тонкой очистки сырого молока (патент №118874, МПК B01D 27/00, B01D 27/08 и А01I 11/06), содержащее трубчатый патрон, выполненный из пищевого полимерного материала и образованный дискретными рядами, полученными методом аэродинамической экструзии волокон. Трубчатый патрон выполнен из двух соединенных друг с другом слоев, при этом ячейки каждого ряда внешнего слоя выполнены размером от 0,3×0,7 мм до 1,7×3,3 мм, а ячейки каждого ряда внутреннего слоя выполнены размером от 0,02×0,05 мм до 0,6×0,9 мм.
Недостатками этой конструкции является то, что в принятом формировании рядов слоев дискретным способом методом аэродинамической экструзии волокон технологически невозможно получить размеры ячеек в рядах волокон, отличающиеся в начале и в конце сформированного трубчатого патрона. Поэтому формируемые размеры ячеек рядов волокон, будут задерживать или крупные механические частицы примесей (частицы соломы, корма, волос и т.п.), или микрочастицы (бактерии и соматические клетки). Кроме того, очистка молока в трубчатом патроне происходит только в радиальном направление через непрерывную сплошную хаотически распределенную систему ячеек. Это препятствует внутреннему равномерному распределению молока с примесями по всей поверхности трубчатого патрона.
Задача полезной модели - улучшить качество очистки молока за счет тангенциального его движения по внешней поверхности и осевого вертикального и тангенциального движений внутри объема трубчатого патрона, что обеспечивает высокую эффективность использования площади поверхности фильтрации.
Это достигается тем, что в предлагаемой полезной модели фильтрующий элемент для тонкой очистки сырого молока в виде цилиндрического трубчатого патрона, состоящего из внешнего и внутреннего слоев, выполненных из пищевого полимерного материала и образованных рядами волокон, полученных методом аэродинамической экструзии, при этом образованные ячейки каждого ряда внешнего слоя больше ячеек каждого ряда внутреннего слоя, в отличие от прототипа ряды волокон каждого из слоев изготовлены раздельно, непрерывным способом, при этом ряды волокон внешнего слоя выполнены в форме шестигранника по всей длине трубчатого патрона, и его внутренний ряд волокон образует с внешним рядом волокон внутреннего цилиндрического слоя пустотелые, изолированные друг от друга, в форме неправильных треугольников распределяющие камеры.
Необходимость формирования рядов волокон внешнего и внутреннего слоев фильтрующего элемента раздельно непрерывным способом вызвана сложностью при формировании рядов слоя на экструдерной установке. Это было подтверждено исследованиями в статье (Козлов А.Н., Плескачев П.А. Исследование фильтра тонкой очистки молока Научные достижения и открытия 2018: сборник статей IV Межд. научно-практ. конкурса. - Пенза: МЦНС «Наука и просвещение». - 2018. - С. 32-37).
В результате проведенных исследований выявлено, что среднеквадратические отклонения площадей ячеек сопоставимы со значениями математического ожидания выборки, что свидетельствует о широком диапазоне разброса площадей ячеек. Это определяет повышенное технологическое соблюдение требований к формированию отдельных групп слоев, которое может быть обеспечено только при их непрерывном формировании. Кроме того, исследованиями выявлено, что фильтрующий элемент, изготовленный при непрерывном формировании из пищевого полипропилена №01130 с диаметром нити менее 70 мкм с вероятностью 0,95 не пропускает сырое молоко и моментально забивается крупной фракцией примесей жидкой смеси, а с диаметром свыше 110 мкм не задерживает сгустки соматических и бактериальных клеток, задерживая средние фракции, но забивается крупной фракцией, а с диаметром свыше 150 мкм не задерживает сгустки соматических и бактериальных клеток и средние фракции, а задерживает только крупные фракции жидкой смеси.
Необходимость выполнения рядов волокон внешнего слоя в форме шестигранника, а не в форме окружности, по всей длине трубчатого патрона вызвано тем, что при обтекание плоской поверхности происходит ускорение внешнего потока и поэтому частицы жидкости в пограничном слое преодолевают трение на всем пути движения, что приводит к возникновению ламинарного режима движения, при котором увеличивается радиальное течение через фильтрующую поверхность. При представлении внешнего слоя в форме восьмигранника не происходит ускорение внешнего потока из-за недостаточной ширины грани. При представлении внешнего слоя в форме четырехгранника резко уменьшается площадь фильтрации и не дает эффекта по сравнению с цилиндрической поверхностью трубчатого патрона.
0,5
Необходимость выполнения внутреннего ряда волокон в форме шестигранника по всей длине трубчатого патрона внешнего слоя и образовании с внешним рядом волокон внутреннего цилиндрического слоя по всей длине трубчатого патрона пустотелых, в форме неправильных треугольников, распределяющих камеры, изолированных друг от друга, объясняется следующим: при радиальном перемещении молока через трубчатый патрон первоначально задерживаются крупные фракции примесей, которые забивают ячейки и уменьшают скорость прохождения молока. Для ускорения прохождения молока через трубчатый патрон возможно увеличение давления, однако при определенных его значениях прирост скорости становится все меньше, согласно известного уравнения V=(2gΔР/γ), где ΔР - перепад давления и γ - объемный вес сырого молока с примесями (Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. - М.:ГОСНИТИ Машиностроительной литературы, 1963 г.). Образующие внутри трубчатого патрона вертикальные, полые, изолированные камеры равномерно распределяют за счет осевого направления потока молока по всей площади фильтрующего элемента, неравномерно поступающие в камеры потоки молока, что обеспечивает его дальнейшее продвижение с большей скоростью. При этом частицы примеси молока не дробятся и не размываются, а остаются в пустотелых распределительных камерах внутри трубчатого патрона.
На фигуре схематично изображено устройство фильтрующего элемента для тонкой очистки сырого молока. Устройство содержит ряды волокон внешнего 1 и внутреннего 2 слоев, каждый из которых изготовлен раздельно непрерывным способом. Ряды волокон внешнего слоя 1 выполнены в форме шестигранника по всей длине трубчатого патрона и образуют с внутренним слоем 2 распределяющие камеры 3 в форме неправильных треугольников изолированных друг от друга.
Устройство работает следующим образом: в процессе машинного доения сырое молоко поступает на ряды волокон внешнего слоя 1 в форме шестигранника. При этом обтекание потока молока плоскостей происходит с ускорением на каждой из шести плоскостей, что приводит к образованию ламинарного режима движения молока на каждой плоскости и увеличению радиального течения через поверхность фильтрующего элемента, что позволит равномерно распределять поток молока по всей поверхности фильтрующего элемента. В дальнейшем поток молока попадает в пустотелые распределительные камеры 3, в которых давление потока молока уменьшается, за счет чего крупные механические частицы не дробятся и остаются в ней, а поток молока равномерно распределяется по длине пустотелых распределительных камер 3 и проходит через ряды волокон внутреннего слоя 2.
Фильтрующий элемент для тонкой очистки сырого молока, в виде цилиндрического трубчатого патрона, изготавливается следующим образом: внешний 1 и внутренний 2 слои трубчатого патрона изготавливаются раздельно на станках, состоящих из экструдера и каретки. В бункер-дозатор каждого экструдера засыпаются гранулы полимерной массы (для очистки молока пищевой полипропилен №01130), откуда при помощи шнека подаются последовательно в две плавильные камеры с температурой в каждой 190±5 и 315±5°С и доводят массу до текучего состояния. Для исключения изменения структуры полученной расплавленной массы сырья при выходе из отверстия головки экструдера головка нагревается до температуры 240±5°С.
Ряды волокон внутреннего слоя 1 формируются на первом экструдере. К его головке подается под давлением 70±2 кПа и по дуге 45…50° разогретый воздух, который раздувает выходящую из головки экструдера расплавленную массу пищевого полипропилена №01130, формируя нить с диаметром 70±3 мкм в виде колец для плавного наматывания на цилиндрическую форму-оправку. Ряды волокон внутреннего слоя, образованного в виде полого цилиндра, при достижении необходимых технологических размеров снимаются с формы-оправки первого экструдера.
Ряды волокон внешнего слоя 2 формируются на втором экструдере. К его головке подается под давлением 80±2 кПа и по дуге 45…50° разогретый воздух, который раздувает выходящую из головки экструдера расплавленную массу пищевого полипропилена №01130, формируя нить с диаметром 110±3 мкм в виде колец для плавного наматывания на шестигранную форму-оправку. Ряды волокон внешнего слоя, образованного в виде полого шестигранника при достижении необходимого технологических размеров снимаются с формы-оправки второго экструдера. В дальнейшем для формирования фильтрующего элемента в виде трубчатого патрона, во внутрь внешнего слоя 1 в виде полого шестигранника вставляется внутренний слой 2 в виде полого цилиндра с образованием между ними распределительных камер.
Заявляемая конструкция фильтрующего элемента, состоящая из двух независимых групп слоев, изготовленных технологически непрерывно с фиксированным диаметром нити и образованной между ними распределительной камеры, позволяет в фильтрующем элементе осуществлять поэтапную задержку примесей разной консистенции сырого молока.
Фильтрующий элемент для очистки сырого молока данной конструкции может применяться при первичной обработки молока на молочных комплексах животноводческих ферм и молочных заводах, а также для фильтрации других жидких смесей.
Технико-экономический эффект фильтрующего элемента для очистки сырого молока заключается в повышении степени механической очистки и уменьшении микробиологических показателей количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов на один класс.