ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ, ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И/ИЛИ РАЗДЕЛЕНИЯ
FILTERING APPARATUS AND METHOD FOR MIXING, EXTRACTION AND/OR SEPARATION

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию фильтрующего устройства и способа перемешивания состава твердой и жидкой фаз, разделения фаз и/или экстрагирования жидкости из состава. В частности, настоящее изобретение может быть использовано в процессе затирания солода в процедуре пивоварения.
Предпосылки к созданию изобретения
Процесс пивоварения, основанный на использовании зерна, обычно включает в себя операции соложения (осолаживания), помола (дробления, измельчения), затирания солода, фильтрования пивного сусла, варки, брожения, выдержки и фильтрации.
Затирание солода
Затирание солода представляет собой способ комбинирования смеси молотого зерна (типично, осолаженного ячменя с дополнительными зернами, такими как зерна кукурузы, сорго, ржи или пшеницы), известной как "баланс зерна в заторе", и воды, известной как "жидкость", и нагревания этой смеси в резервуаре, называемом "ферментер для приготовления пива из сусла" (заторный чан). Затирание солода позволяет ферментам в солоде превращать крахмал в зерне в сахара, типично в мальтозу, чтобы образовывать солодовую жидкость, называемую суслом. Обычно используют два основных способа затирания: настойный способ затирания, в котором зерна нагревают в одном резервуаре; и отварочный способ затирания, в котором долю зерен варят (кипятят) и затем возвращают в затор, повышая его температуру. Процесс затирания, который может предусматривать паузы при некоторых температурах, обычно осуществляют в "ферментере для приготовления пива из сусла", который представляет собой изолированный резервуар для пивоварения. Конечным продуктом процесса затирания так называемый "затор".
Исторически заторное весло (разрыхлитель затора) использовали в процессе затирания. Заторное весло представляет собой изготовленный из дерева инструмент с длинной ручкой, несколько похожий на весло для лодки, имеющий большие отверстия в лопасти. Заторное весло взбалтывает затор, так чтобы он был соответствующим образом перемешан и чтобы жидкость могла иметь доступ к твердому материалу, чтобы экстрагировать сахар из твердого материала. Современные пивовары для перемешивания затора используют разрыхлители с механическим приводом вместо традиционных ручных разрыхлителей затора.
Затирание солода обычно занимает от 1 до 2 часов, и в течение этого времени различные температурные паузы позволяют активизировать различные ферменты, в зависимости от типа солода, уровня модификации оборудования и желаний пивовара. Деятельность ферментов преобразует крахмалы зерен в декстрины и затем в способные производить брожение сахара, такие как мальтоза. Пауза затирания или перерыв при температурах между 49-55°C активизирует различные протеазы, которые переваривают протеины, чтобы избежать протеинового помутнения пива. Этот перерыв обычно используют только с недорастворенными солодами, которые становятся все менее популярными в ФРГ и Чешской Республике, или с не осолаженными зернами, такими как кукуруза и рис, которые широко используют в пивоварении в Северной Америке. Пауза затирания при температуре 60°C активизирует 3-глюконазу, которая переваривают вязкие 3-глюканы в заторе, что позволяет сахарам более свободно протекать позднее в процессе. Наконец, паузу затирания при температуре 65-71°C используют для преобразования крахмалов солода в сахар, который затем используется дрожжами при брожении в процессе пивоварения. Продолжительность пауз и изменение pH также воздействуют на композицию сахара полученного сусла.
Фильтрование пивного сусла
Фильтрование пивного сусла представляет собой разделение чистого жидкого сусла (содержащего сахара, экстрагированные во время затирания) и остаточного зерна.
Процесс фильтрования пивного сусла обычно содержит три операции, а именно майшаут, рециркуляция и барботаж.
Майшаут представляет собой операцию повышения температуры сусла ориентировочно до 77°C, которая останавливает ферментативное превращение крахмалов в способные производить брожение сахара, и делает затор и сусло более жидкими. Операция майшаут может быть осуществлена за счет использования внешней теплоты, или просто за счет добавления горячей воды.
Операция рециркуляции предусматривает отвод сусла со дна затора, и добавление его в верхнюю часть. Фильтрационный чан для пивного сусла типично имеет щелевое дно, что содействует процессу фильтрации. Сам по себе затор действует как песчаный фильтр, захватывая отходы и протеины. Эту операцию можно контролировать при помощи турбидиметра, позволяющего измерять содержание твердых веществ в жидком сусле по ее мутности.
Операция барботажа представляет собой просачивание воды через зерно, чтобы экстрагировать сахара. Эта операция является очень чувствительной к условиям температуры и рН, так как эти параметры могут приводить к экстрагированию танинов из шелухи зерна, что в результате дает горькое пиво. Барботаж типично проводят в фильтрационном чане.
На многих промышленных пивоварнях барботаж осуществляют в непрерывном процессе, так что когда сусло доходит до желательного уровня выше слоя осажденного зерна, воду добавляют с той же самой низкой скоростью, что и дренируемое сусло. Таким образом, сусло постепенно становится все слабее и слабее, и в некоторый момент добавление воды прекращают.
Процесс фильтрования пивного сусла обычно осуществляют в ферментере для приготовления пива из сусла (в заторном чане), снабженном ложным дном, в заторном фильтре или чаще всего в фильтрационном чане для пивного сусла.
Фильтрационный чан представляет собой традиционный резервуар, который используют для разделения экстрагированного сусла. Несмотря на то, что базовый принцип его работы остается неизменным с его первого использования, технологический прогресс привел к улучшению конструкции фильтрационного чана, что позволяет быстрее и более полно производить экстрагирование сахаров из зерна.
Ложное дно в фильтрационном чане имеет узкие щели, позволяющие удерживать твердые вещества и проходить жидкостям через них. Осажденные твердые вещества лучше, чем ложное дно, образуют средство фильтрации и удерживают мелкие твердые частицы, что позволяет выпускать из фильтрационного чана не мутный затор (мутное сусло), а чистую жидкость.
2
Выпускные трубы равномерно распределены по дну, причем одна труба обслуживает около 1 м площади дна. Типично, эти трубы имеют широкие, мелкие конусы вокруг, чтобы предотвратить уплотнение зерна непосредственно над выпуском. Традиционно, выпускные трубы проходят через s-образные клапаны в накопитель сусла (грант). Эта система ведет к чрезмерному захвату кислорода, и поэтому эти системы постепенно заменяют центральным резервуаром для накопления сусла или устройством с выпускными отверстиями в концентрических зонах, причем каждая зона имеет кольцевую накопительную трубу. Однако общественные пивоваренные заводы часто сохраняют s-образные клапаны и грант для визуального эффекта.
Качественный фильтрационный чан имеет вращающиеся рычаги весел с центральным блоком привода. В зависимости от размера фильтрационного чана, может быть от двух до шести рычагов весел. Режущие лопасти свешиваются от этих рычагов. Лопасть обычно является волнистой и имеет ножку в виде струга. Каждая лопасть имеет свою собственную траекторию внутри чана, а весь узел весел может быть поднят и опущен.
К каждому из этих рычагов прикреплена створка, которая может быть понята и опущена для выталкивания использованных зерен из чана. Пивовар, или лучше автоматизированная система, может поднимать и опускать рычаги весел в зависимости от мутности жидкости и плотности слоя зерна, измеренной при помощи перепада давлений между верхней частью и основанием слоя зерна.
Предусмотрена система для введения воды для барботажа в фильтрационный чан. В большинстве таких систем имеется кольцо распылительных головок, которые обеспечивают равномерное и мягкое введение воды для барботажа. Система подачи воды не должна создавать удар воды в слой зерна и образовывать канал.
На больших пивоваренных заводах часто имеют самозакрывающиеся впуски на дне ферментера, через которые затор переводят в фильтрационный чан, и один выпуск, также на дне ферментера, в который падают использованные зерна после завершения процесса фильтрования пивного сусла.
На некоторых небольших пивоваренных заводах используют комбинацию ферментера для приготовления пива из сусла/ фильтрационного чана, в которой не может быть использована система весел, так как механизм перемешивания для затирания имеет большее значение. Перемешивающие лопатки могут быть использованы в качестве весла, однако типично они не могут быть перемещены вверх и вниз, причем дополнительно они могут разрушать слой зерна там, где они заходят в него слишком глубоко.
Фильтрационный чан описан в патенте США 3,782,551, в котором сусло приготавливают за счет фильтрования затора (сусла) в резервуаре с фильтрующим рукавом, прикрепленным к резервуару. Сусло, полученное при помощи резервуара, может быть отведено в отдельных потоках, причем, кроме того, мешалку используют для перемешивания воды и затора (сусла).
Другое решение относительно разделения сусла из затора описано в патенте США 4,844,932, в котором затирание осуществляют за счет использования разделительного фильтра поперечного потока, причем указанный фильтр может иметь оболочку, в которой установлен трубчатый фильтр. Сусло приготавливают в четырех операциях процесса разделения, причем противоток может быть использован в тех случаях, когда частицы осаждаются на фильтре или забивают ячейки фильтра.
В публикации WO 98/20956 (Performance Pool Products Ltd) раскрыта фильтрующая вставка для устройства фильтрации воды. Эта вставка жестко закреплена внутри большого контейнера. Вода может нагнетаться в фильтрующую вставку и отводиться наружу из нее. Поток может быть реверсирован (см. фиг. 5а и 5b этой публикации). Эта вставка не может перемещаться внутри контейнера и не может быть извлечена без открывания контейнера.
В патенте США 3,782,551 (Soldan) раскрыт фильтрационный чан с фильтрующей вставкой. Фильтр закреплен внутри фильтрационного чана и образует внутренний объем, который почти равен внутреннему объему фильтрационного чана.
В патенте США 4,793,243 (Lenz и Lenz) раскрыт фильтрационный чан с фильтрующими вставками, которые могут быть опушены в фильтрационный чан. Затор находится снаружи от фильтрующих вставок. Более того, фильтрующие вставки имеют открытое дно. Во время фильтрования пивного сусла, жидкость всасывается в фильтрующие вставки и через затор на дне фильтрационного чана. Фильтрующие вставки позволяют увеличить площадь фильтрации.
В патенте ФРГ 10 2008 039 374 (Krones AG) раскрыт фильтрационный чан с вставными трубами, имеющими перфорации или фильтрующие стенки. Вставные трубы служат для всасывания фильтрованной жидкости из фильтрационного чана. Давление прикладывают к фильтрационному чану для того, чтобы повысить скорость экстрагирования. Затор находится снаружи от фильтрующих вставок. Вероятно, жидкость может циркулировать через фильтрационный чан.
В патенте Великобритании 1,149,476 раскрыт осветляющий чан для фильтрации пивного сусла, имеющий контейнер с наклонными стенками, причем контейнер может быть опушен в фильтрационный чан, так что наклонные стенки контейнера будут расположены в заторе фильтрационного чана для пивного сусла. Сусло элюируют через выпускную трубу на верхней стороне фильтрационного чана.
Краткое описание изобретения
Как и во многих производственных процессах, в пивоварении важным аспектом является интенсивность и скорость экстрагирования состава из твердой фазы. В пивоварении осуществляют экстрагирование Сахаров. Это также относится к выработке этанола. Таким образом, составом могут быть углеводы, содержащие сахара и пектин; полипептиды, содержащие ферменты и антитела; гликосилированные и негликосилированные протеины и пептиды. Твердой фазой может быть растительное сырье, песок, гравий или грунт. В соответствии с настоящим изобретением предлагаются новые устройство и способ для экстрагирования вещества из твердой фазы. В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается фильтрующее устройство, которое содержит первую секцию фильтра, содержащую первую группу фильтрующих узлов, и вторую секцию фильтра, содержащую вторую группу фильтрующих узлов, систему труб, обеспечивающую протекание жидкости по трубам между секциями фильтра и между секцией фильтра и соответствующей группой фильтрующих узлов указанной секции фильтра, причем система труб сконфигурирована так, что фильтрующие узлы образуют отверстия фильтрованной жидкости фильтрующего устройства, и средство циркуляции, сконфигурированное для прохождения жидкости в прямотоке и/или в противотоке между секциями фильтра. В дополнение к фильтрующим свойствам заявленного фильтрующего устройства, которое подходит для разделения жидкой и твердой фаз, следует указать, что в нем интенсивность и/или скорость экстрагирования вещества из твердой фазы могут быть увеличены. Следует иметь в виду, что любые повышения интенсивности и/или скорости экстрагирования могут непосредственно привести к снижению издержек производства.
Фильтрующие узлы могут образовывать единственные отверстия для впуска жидкости фильтрующего устройства, так что жидкость втекает в данное фильтрующее устройство преимущественно через отверстия фильтрованной жидкости в фильтрующих узлах. Соответствующие фильтрующие узлы могут образовывать единственные отверстия для впуска жидкости фильтрующего устройства. Однако, в соответствии с дополнительным вариантом осуществления, выпуск жидкости из данного фильтрующего устройства может быть обеспечен через выпускные отверстия нефильтрованной жидкости. Выпускное отверстие нефильтрованной жидкости может быть предусмотрено в секциях фильтра. Более того, каждая секция фильтра может иметь коллектор, такой как трубный коллектор, для распределения жидкости по соответствующим фильтрующим узлам.
Следует иметь в виду, что средство циркуляции может быть выполнено так, чтобы пропускать жидкость в периодически изменяющихся (чередующихся) направлениях.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ перемешивания состава, содержащего твердую фазу и жидкую фазу, и экстрагирования жидкости из указанного состава, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
a) отбор жидкости из состава в систему труб через первую группу отверстий фильтрованной жидкости в указанной системе труб, причем указанная первая группа отверстий фильтрованной жидкости расположена рядом с первым положением в составе,
b) направление жидкости через систему труб во второе положение в составе,
c) подача жидкости в состав
- через вторую группу отверстий фильтрованной жидкости в указанной системе труб, расположенных рядом с указанным вторым положением в составе, или
- через одно или несколько вторых выпускных отверстий нефильтрованной жидкости системы труб, расположенных рядом с указанным вторым положением в составе,
d) факультативно, повтор операций а)-с) в течение предписанного периода времени и
e) экстрагирование жидкости из системы труб.
Например, способ может быть использован для всасывания жидкости со дна резервуара, содержащего состав, причем жидкость фильтруют через отверстия фильтрованной жидкости, и подают фильтрованной ее в верхнюю часть состава в резервуаре, или подают жидкость через отверстия нефильтрованной жидкости. Это позволяет улучшить перемешивание жидкой и твердой фаз и, возможно, позволяет экстрагировать вещества, такие как сахара, из твердой фазы в жидкую фазу.
Еще один связанный вариант осуществления настоящего изобретения имеет отношение к созданию способа перемешивания состава, содержащего твердую фазу и жидкую фазу, и экстрагирования жидкости из указанного состава, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
a) отбор жидкости из состава в систему труб через первую группу отверстий фильтрованной жидкости в указанной системе труб, причем указанная первая группа отверстий фильтрованной жидкости расположена рядом с первым положением в составе,
b) направление жидкости через систему труб во второе положение в составе,
c) подача жидкости в состав
- через вторую группу отверстий фильтрованной жидкости в указанной системе труб, расположенных рядом с указанным вторым положением в составе, или
- через одно или несколько вторых выпускных отверстий нефильтрованной жидкости системы труб, расположенных рядом с указанным вторым положением в составе,
f) периодическое изменение направления жидкости в системе труб, за счет чего всасывание жидкости в систему труб через вторую группу отверстий фильтрованной жидкости, направление жидкости через систему труб в первое положение в составе и подача жидкости в состав
- через первую группу отверстий фильтрованной жидкости, или
- через одно или несколько первых выпускных отверстий нефильтрованной жидкости системы труб, расположенных рядом с указанным первым положением в составе,
d) факультативно, повтор операций а)-с), в течение предписанного периода времени, и
e) экстрагирование жидкости из системы труб.
Первое и второе положения могут быть вертикально смещены друг от друга, например, первое положение может находиться у дна состава, в то время как второе положение может находиться поблизости от верхней части состава. Более того, первое положение и/или второе положение могут быть смещены друг от друга и/или смещены относительно состава, например, могут быть перемещены вверх и вниз в составе. Для дополнительного улучшения перемешивания между жидкой и твердой фазами, первая групп отверстий фильтрованной жидкости и/или вторая группа отверстий фильтрованной жидкости могут быть приведены во вращение относительно состава, при этом они дополнительно работают как мешалки.
Как и в предыдущем случае, способ может быть использован для всасывания фильтрованной жидкости со дна резервуара и подачи ее в верхнюю часть резервуара. Однако в данном случае способ дополнительно предусматривает возможность изменения направления потока, так что, например, фильтрованная жидкость может всасываться из верхней части резервуара и может быть подана в его нижнюю часть. Таким образом, отверстия фильтрованной жидкости типично могут работать как впуски и выпуски системы труб, в то время как выпускные отверстия нефильтрованной жидкости типично могут работать только как выпуски системы труб. За счет этого может быть обеспечено поступление в систему труб только фильтрованной жидкости. Само собой разумеется, что заявленный способ перемешивания и экстрагирования может быть обеспечен при помощи описанного здесь фильтрующего устройства.
Способ в соответствии с настоящим изобретением может быть использован в пивоварении, при этом он содержит три основные операции, а именно перемешивание жидкой и твердой фаз, затирание солода и окончательная фильтрация, причем затирание солода осуществляют в течение всего процесса при условиях фильтрования, при этом окончательную фильтрацию производят после того, как сусло получает желательную мутность.
Стандартные способы с использованием систем современных фильтр-прессов (пламенных фильтров) обладают недостатками, связанными с тем, что твердый материал, такой как солод или ячмень, должен быть размолот в мелкую муку, чтобы исключить интенсивное забивание фильтра. Помол в такие мелкие частицы как мука отрицательно влияет на вкус и повышает мутность. Чтобы исключить эти проблемы, часто используют ферменты и осветлители.
Когда используют устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением в процессе пивоварения, зерна солода или ячменя обычно расщепляют на половинки или четвертушки. Несмотря на то, что частицы такого размера быстро забивают фильтры стандартной системы, такой как система пламенного фильтра, никакого такого забивания не происходит в устройстве в соответствии с настоящим изобретением, что связано с его особой конструкцией и, возможно, с использованием периодически изменяющихся направлений течения жидкости.
За счет этого можно избежать занимающей много времени промывки забитых фильтров. Кроме того, в процессе пивоварения можно избежать использования осветляющих добавок и влияющих на вкус добавок. Все это вместе позволяет за счет использования настоящего изобретения создать более дешевый процесс пивоварения и получать не содержащее добавок чистое пиво.
Несмотря на то, что настоящее изобретение особенно хорошо подходит для использования в процессе пивоварения, в принципе оно может быть использовано для разделения других органических и неорганических материалов, таких как различные виды растительного сырья, гравий, грунт и песок, которые подвергают пропитке, например, для экстрагирования составов из твердого органического или неорганического материала.
В соответствии с одним аспектом осуществления, настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа разделения и/или экстрагирования, в котором используют описанное здесь выше устройство, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
а Установка фильтрующего устройство в резервуаре (1) при помощи средства установки,
b. Введение жидкой фазы в резервуар,
c. Включение средства (5) циркуляции для создания прямого потока (прямотока) или противотока между секциями фильтра, и
d Факультативно, регулировка pH и температуры циркулирующей жидкости,
e. Введение твердой фазы в резервуар, и
f. Факультативно, регулировка pH и температуры циркулирующей жидкости,
g. Включение средства (5) циркуляции для создания потока в периодически изменяющихся направлениях между секциями фильтра, и
h. Факультативно, регулировка pH и температуры циркулирующей жидкости,
i. Повтор операций g и h до достижения желательной мутности жидкой фазы,
j. Элюирование фильтрованной жидкой фазы из резервуара (1), и
k. Сбор элюированной фильтрованной жидкой фазы.
Краткое описание чертежей
1
2
1
2
n
1
2
n
На фиг. 1 показана базовая система с первой секцией (13) фильтра и второй секцией (14) фильтра. В показанном примере, каждая секция фильтра может быть перемещена вдоль соответствующей оси A или A и может быть приведена во вращение вокруг нее. Каждая секция фильтра содержит один или несколько фильтрующих узлов (2) и (3), которые также могут быть приведены во вращение вокруг их соответствующих осей B, B…B или C, C…C. Фильтрующие узлы (2, 3) показаны как перфорированные цилиндры, так что жидкость входит в фильтрующее устройство (и, возможно, выходит из него) через перфорированные цилиндры, которые функционируют как фильтры. Секции фильтра соединены при помощи системы (4) труб со средством (5) циркуляции, способным производить циркуляцию жидкости в периодически изменяющихся (чередующихся) направлениях между секциями фильтра. Трубный коллектор распределяет жидкость между фильтрующим узлом (2, 3) и его соответствующей секцией (13, 14) фильтра.
На фиг. 2 показан вариант осуществления изобретения, в котором показанное на фиг.1 устройство дополнительно имеет несколько характеристик, полезных, например, в процессе пивоварения. Здесь предусмотрено средство (10) регулирования температуры, использованное для регулировки температуры жидкости. Манометры (15) и (16) измеряют давление на обеих сторонах средства циркуляции и могут быть использованы для того, чтобы указывать, когда следует изменить направление потока при помощи рабочего средства циркуляции в противоположном направлении. Частицы могут быть добавлены через дробилку (12). Чтобы элюировать, системный клапан (6) открывают, а клапан (7) закрывают. Использованное зерно может быть барботировано через клапан (11).
На фиг. 3 показано устройство с секциями фильтра, введенными в резервуар (1).
1
2
На фиг. 4 показана система, показанная на фиг. 3, но в которой секции (13) и (14) фильтра могут быть приведены во вращение вокруг их соответствующих осей A и A.
1
2
На фиг. 5 показана система, показанная на фиг. 4, но в которой секции (13) и (14) фильтра дополнительно могут быть перемещены вверх и вниз вдоль их соответствующих осей A и A.
На фиг. 6 показана система, показанная на фиг. 5, с секциями фильтра, введенными внутрь резервуара (1), в котором создано повышенное давление.
На фиг. 7 показана система, показанная на фиг. 6, дополнительно снабженная скребком (18), чтобы соскребать использованное зерно и удалять его через люк (17).
На фиг. 8 показана система, показанная на фиг. 5, но в которой использованы фильтрующие узлы (2) и (3), имеющие плоскую конфигурацию.
1
2
n
1
2
n
На фиг. 9 показана система, показанная на фиг. 6 и/или 7, но в которой фильтрующие узлы (2) и (3) вращаются вокруг их соответствующих осей B, B…B и C, C…C.
1
На фиг. 10 показана система, показанная на фиг. 6 и/или 7, но с первой (верхней) секцией (13) фильтра, которая вращается вокруг своей оси A. Это является полезным при барботаже, чтобы лучше распределять барботирующую воду, при сохранении нижней секции (14) фильтра неподвижной.
На фиг. 11 показана система, показанная на фиг. 6 и/или 7, но в которой все трубы входят в резервуар (1) через крышку. Это полезно для переоснащения старых танков.
На фиг. 12 показана система, показанная на фиг. 11, но в открытом резервуаре (1).
На фиг. 13 показана система, показанная на фиг. 3, но в которой днища (18) установлены на фильтрующих узлах при помощи эластичной и/или упругой подвески (19).
Подробное описание изобретения
Определения
Затирание солода: Использованный здесь термин затирание солода относится к способу комбинирования смеси молотого зерна (типично, осолаженного ячменя с дополнительными зернами, такими как зерна кукурузы, сорго, ржи или пшеницы), известной как "баланс зерна в заторе", и воды, известной как "жидкость", и нагревания этой смеси в резервуаре.
Резервуар: Использованный здесь термин резервуар следует понимать как полую посуду, такую как чаша, ваза, колба, трубчатый резервуар, бадья, бочка, кувшин, танк, контейнер, конический резервуар и бак, использованную как контейнер, в особенности для жидкостей или твердых материалов, содержащих жидкости.
Сусло: Использованный здесь термин сусло относится к жидкости, экстрагированной из процесса затирания во время варки, например, пива или виски. Сусло содержит сахара, которые будут сброжены при помощи пивных дрожжей, чтобы получить спирт.
Устройство
Как уже было описано здесь выше, устройство в соответствии с настоящим изобретением подходит для экстрагирования составов, таких как углеводы, из твердой фазы, такой как растительное сырье, например, солод, в жидкую фазу, такую как вода. В частности, устройство позволяет повысить интенсивность и/или скорость этого процесса экстрагирования ранее осуществления конечной фильтрации. Это обеспечено за счет увеличения потока жидкости вокруг твердого материала. Две (или несколько) секций фильтра, каждая из которых содержит группу фильтрующих узлов, имеют жидкостную связь друг с другом через систему труб. Средство циркуляции, такое как насос, позволяет всасывать жидкость в систему труб через фильтрующие узлы. Средство циркуляции позволяет создавать поток в двух направлениях (то есть в прямом и обратном направлениях) в системе труб. При протекании в одном направлении, жидкость всасывается в систему труб фильтрующего устройства через фильтрующие узлы в первой секции фильтра и вытекает из фильтрующего устройства через фильтрующие узлы во второй секции фильтра. Если направление потока реверсировано, то жидкость соответственно всасывается в систему труб фильтрующего устройства через фильтрующие узлы во второй секции фильтра и вытекает из фильтрующего устройства через фильтрующие узлы в первой секции фильтра. Устройство может быть выполнено так, что жидкость всасывается в систему труб через отверстие фильтрованной жидкости, но вновь откачивается через выпуск/ отверстие нефильтрованной жидкости. Это может быть обеспечено при помощи некой системы клапанов, или же фильтрующие узлы могут быть выполнены так, что они открываются, когда жидкость вытекает из соответствующей секции фильтра.
Фильтрующее устройство преимущественно выполнено так, что оно может быть по меньшей мере частично встроено в резервуар. Если резервуар содержит жидкую и твердую фазы и состав должен быть экстрагирован из твердой фазы в жидкую фазу, то фильтрующее устройство позволяет увеличить поток жидкости вокруг твердого материала и за счет этого повысить интенсивность и/или скорость экстрагирования состава из твердой фазы в жидкость. Более того, за счет (периодического) изменения направления потока в системе труб, перемешивание между жидкостью и твердой фазой дополнительно повышается и забивание (засорение) фильтра может быть снижено. Если секции фильтра расположены соответственно сверху и снизу от жидкой/ твердой фазы, то фильтрующее устройство позволяет перемещать жидкость между верхней и нижней частями. Если секции фильтра и/или фильтрующие узлы дополнительно являются вращаемыми и/или перемещаемыми, то перемешивание дополнительно повышается и забивание фильтра может быть снижено.
Устройство в его базовой форме может содержать первую и вторую секции фильтра, соединенные при помощи средства соединения, такого как труба или трубка. Средство циркуляции, такое как насос, обеспечивает циркуляцию жидкой фазы между секциями фильтра. Каждая секция фильтра содержит по меньшей мере один фильтрующий узел, который может иметь форму колоколообразного или плоского фильтра. Каждая секция фильтра может быть приведена во вращение вокруг своей собственной центральной оси. Более того, секция фильтра может поступательно перемещаться вдоль той же самой оси. При таком построении, устройство в соответствии с настоящим изобретением полезно для разделения твердой и жидкой фаз, в особенности когда твердая фаза может осаждаться в жидкой фазе, образуя при этом слой твердого материала.
В соответствии с другим вариантом осуществления, настоящее изобретение имеет отношение к созданию фильтрующего устройства для разделения жидкой фазы и твердой фазы, и/или для экстрагирования состава из твердой фазы в жидкую фазу, причем указанное фильтрующее устройство содержит
- вращаемые и/или перемещаемые первую секцию (13) и вторую секцию (14) фильтра, содержащие один или несколько фильтрующих узлов (2, 3),
- систему труб, обеспечивающую протекание жидкости между секциями фильтра, и
- средство циркуляции (5) циркуляции, сконфигурированное для прохождения жидкости в прямотоке (8) и/или в противотоке (9) между секциями фильтра.
Во время процесса разделения и/или экстрагирования, часто необходимо принудительно воздействовать на твердую фазу, чтобы образовать слой осажденного материала. Устройство позволяет достичь этого за счет периодического изменения направления потока и одновременно за счет вращения и/или поступательного перемещения его секции фильтра.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения:
1
1
- первая секция (13) фильтра выполнена с возможностью вращения вокруг оси A и/или поступательного перемещения вдоль оси A и
2
2
- вторая секция (14) фильтра выполнена с возможностью вращения вокруг оси A и/или поступательного перемещения вдоль оси A.
1
2
2
В одном варианте осуществления настоящего изобретения ось A совпадает с осью A или параллельна оси A.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть введено в любую среду, в которой оно выполняет свои задачи, и выведено из нее. Преимущественно, такой средой является содержащая жидкость среда, такая как водный источник или содержащий жидкость резервуар. Причем, в одном варианте осуществления устройство установлено с возможностью отсоединения в содержащей жидкость среде.
В дополнительном варианте осуществления, содержащая жидкость среда выбрана (но без ограничения) из группы, в которую входят водный источник, такой как озеро, море, река и бухта; и шламбассейн, который содержит, взвесь удобрений; и описанный здесь резервуар, причем устройство выполнено так, что жидкость может циркулировать.
Секции фильтра и фильтрующие узлы
Описанное здесь выше устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит по меньшей мере первую и вторую секции фильтра, причем каждая секция фильтра содержит по меньшей мере один фильтрующий узел, а преимущественно содержит группу фильтрующих узлов, например, по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 или по меньшей мере 15 фильтрующих узлов. Фильтрующий узел преимущественно по существу является фильтром, предназначенным для фильтрации жидкой фазы, за счет чего происходит разделение жидкой фазы, проходящей через фильтрующий узел, от твердой фазы, которая не может пройти через фильтрующий узел.
Фильтрующий узел может содержать контейнер. Кроме того, фильтрующий узел может содержать один или несколько фильтрующих элементов, так что реальная фильтрация обеспечивается при помощи фильтрующего элемента (фильтрующих элементов). Контейнером может быть колоколообразный, цилиндрический или трубчатый контейнер. Примерами фильтрующих элементов являются поверхностные фильтры, мембранные фильтры, колоколообразные фильтры или плоские фильтры. Фильтрующий элемент может быть согласован с поперечным сечением контейнера. В одном варианте осуществления изобретения, один или несколько или каждый из указанных фильтрующих узлов содержит фильтрующий элемент, который образует дно или одну или несколько стенок фильтрующего узла.
В одном варианте осуществления изобретения, фильтрующий узел представляет собой перфорированный контейнер, такой как перфорированная труба или перфорированный удлиненный цилиндр или перфорированная удлиненная труба, имеющий перфорированное или неперфорированное дно. Фильтрующая функция фильтрующего узла обеспечена за счет перфораций, и, как в обычном плоском фильтре, фильтрующий эффект определяется числом и размером перфораций. Фильтрующий узел может быть изготовлен из стали, например, из нержавеющей стали. По сравнению с обычным поверхностным фильтром, прочность фильтра, изготовленного из перфорированной трубы, намного больше, так что фильтр, выполненный в виде перфорированной трубы, позволяет выдерживать очень высокое давление. При использовании множества перфорированных труб, полная площадь фильтрации каждой секции фильтра может быть во много раз больше по сравнению с обычными плоскими фильтрами. Таким образом, секция фильтра может иметь трубный коллектор, идущий к множеству удлиненных перфорированных труб, снабженных перфорированными или неперфорированными днищами, то есть к множеству фильтрующих узлов.
1
2
1
2
n
1
2
n
Каждая секция фильтра может быть вращаема вокруг своей центральной оси (A или A) и/или перемещаема вдоль нее. Дополнительно, каждый фильтрующий узел может, факультативно, вращаться вокруг своей центральной оси (B, B…B и C, C…C.).
1
2
n
1
2
n
Таким образом, в одном варианте осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, по меньшей мере один фильтрующий узел первой секции фильтра является вращаемым вокруг оси B, B…B, и/или по меньшей мере один фильтрующий узел второй секции фильтра является вращаемым вокруг оси C, C…C, причем n равно числу фильтрующих узлов.
Фильтрующий элемент (то есть фильтр) фильтрующего узла или фильтрующих узлов может иметь любую подходящую форму. В одном варианте осуществления, фильтрующий элемент устройства представляет собой колоколообразный фильтр или плоский фильтр.
Индивидуальные фильтрующие элементы каждой секции фильтра могут быть различными, так что одна секция фильтра может одновременно содержать один или несколько плоских фильтров и один или несколько колоколообразных фильтров.
Колоколообразные фильтры могут иметь форму традиционного колокола, колокола, образованного из открытого с одного конца цилиндра, а также форму куба или конуса.
Каждый фильтрующий узел может иметь размер ячеек фильтра 50-1000 мкм, например, 60-900 мкм, например, 70-800 мкм, например, 80-700 мкм, например, 90-600 мкм, например, 100-500 мкм, например, 150-450 мкм, например, 200-400 мкм, например, 250-350 мкм, например, 275-325 мкм, например, около 300 мкм. Размер ячеек может отличаться от одного фильтра к другому фильтру, однако, преимущественно, размер ячеек является похожим во всех фильтрах устройства. Преимущественно, размер ячеек фильтров составляет 200-400 мкм, преимущественно 250-350 мкм, предпочтительнее, 275-325 мкм, и наиболее предпочтительно, около 300 мкм. Предпочтительные размеры ячеек являются особенно предпочтительными при приготовлении сусла.
Каждая секция фильтра содержит по меньшей мере один фильтрующий узел. В одном варианте осуществления фильтра, по меньшей мере один фильтрующий узел имеет отверстия от 100 мм до 100 нм, например, в диапазоне от 10 мм до 1 мкм, например, от 1 мм до 10 мкм, или в диапазоне от 500 мкм до 100 мкм, например, преимущественно 300 мкм.
Проблема, которая может возникать при длительном использовании фильтрующих узлов, состоит в том, что фильтры/ фильтрующие элементы/ перфорации могут по меньшей мере частично забиваться, например, забиваться мелкими частицами. Забивание может возникать даже тогда, когда жидкость входит в фильтрующее устройство через фильтрующие узлы, то есть через отверстия фильтрованной жидкости. Типично жидкость всасывается в устройство, то есть жидкость входит под некоторым давлением и поэтому частицы могут всасываться в систему через отверстия фильтрованной жидкости в первой секции фильтра, перемещаться ко второй секции фильтра и поступать в один или несколько фильтрующих узлов, где они останавливаются при помощи фильтров и могут забивать указанные фильтрующие узлы. Частицы могут всасываться в систему за счет высокого давления. Частицы с размерами меньше чем размер ячеек фильтров могут накапливаться в системе и могут образовывать частицы с размерами больше чем размер ячеек фильтров. Причем частицы не обязательно являются симметричными и поэтому могут входить в фильтрующее устройство как червяк. Таким образом, может быть необходима промывка фильтрующих узлов, несмотря на то, что впускные отверстия являются отверстиями фильтрованной жидкости.
Фильтры могут быть промыты после их отсоединения, что, естественно требует остановки процесса фильтрации и экстрагирования. Решение этой проблемы обеспечено при помощи дополнительного варианта осуществления изобретения, в котором часть фильтрующего узла является перемещаемой, а преимущественно продольно перемещаемой, например, перемещаемой вдоль оси, по существу перпендикулярной к продольной оси указанного фильтрующего узла. Этой указанной здесь выше частью фильтрующего узла может быть, например, верхняя часть, дно или стенка фильтрующего узла. Это также может быть фильтрующий элемент, например, дно, образующее фильтрующий элемент.
В одном варианте осуществления изобретения, часть фильтрующего узла прикреплена к указанному фильтрующему узлу при помощи эластичной и/или упругой подвески. Подвеска может содержать один или несколько эластичных и/или упругих элементов, таких как одна или несколько пружин. Подвеска преимущественно выполнена так, что подвешенная часть может быть упруго перемещена, чтобы открывать фильтрующий узел. Таким образом, если подвешенная часть является дном фильтрующего узла, то перемещение дна будет открывать фильтрующий узел.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере один фильтрующий узел выполнен так, чтобы открываться, когда предписанный уровень положительного давления имеется в указанном фильтрующем узле. Например, подвеска выполнена так, чтобы открывать фильтрующий узел, когда предписанный уровень положительного давления имеется в указанном фильтрующем узле. Указанное положительное давление может быть создано за счет комбинации жидкости, протекающей через фильтрующий узел, и забивания фильтра в указанном фильтрующем узле.
В другом варианте осуществления, фильтр и/или дно фильтрующего узла выполнены так, чтобы упруго перемещаться (от исходной точки), когда жидкость протекает через указанный фильтрующий узел в первом направлении и фильтр в указанном фильтрующем узле по меньшей мере частично забит.
В еще одном варианте осуществления, по меньшей мере один фильтрующий узел выполнен так, чтобы открываться, а преимущественно упруго открываться, когда жидкость протекает через указанный фильтрующий узел в первом направлении и фильтр в указанном фильтрующем узле по меньшей мере частично забит. Указанный фильтрующий узел преимущественно выполнен так, чтобы закрываться, когда жидкость протекает через него во втором по существу противоположном направлении и/или когда жидкость вообще не протекает.
Таким образом, фильтрующий узел может быть сконструирован так, чтобы работать во многом аналогично стопорному клапану. Во время работы, когда средство циркуляции нагнетает жидкость через систему в процессе фильтрации, фильтрующий элемент/ перфорации в фильтрующем узле могут стать по меньшей мере частично забитыми. Циркуляция жидкости создает положительное давление в фильтрующем узле. Когда фильтрующий узел становится по меньшей мере частично забит, это положительное давление возрастает. При этом фильтрующий узел может быть выполнен так, чтобы автоматически открываться, например, за счет перемещения фильтрующего элемента или дна фильтрующего узла. Это снижает положительное давление в фильтрующем узле и позволяет жидкости входить в фильтрующий узел и промывать (вымывать) по меньшей мере некоторые из частиц, забивших фильтр. Когда циркуляция жидкости прекращается или реверсируется, фильтрующий узел автоматически закрывается, так что фильтрующий узел может быть промыт без его разделения на части и без остановки процесса фильтрации. Фильтрующий узел также может быть выполнен так, чтобы закрываться после промывки, так как положительное давление было снижено при открывании фильтрующего узла.
Как уже было указано здесь выше, это может быть обеспечено за счет прикрепления верхней части, дна фильтрующего узла или фильтрующего элемента к соответствующему фильтрующему узлу при помощи эластичной и/или упругой подвески. Пример приведен на фиг. 13, где показана система, показанная на фиг. 3, но с самопромывающимися фильтрующими узлами. Фильтрующий узел 17, который показан крупным планом, содержит перемещаемое дно 18 фильтра, прикрепленное к фильтрующему узлу 17 при помощи механизма 19 подвески на базе эластичной пружины. Дно 18 фильтра (содержащее фильтрующий элемент) может перемещаться вверх и вниз вдоль продольного направления фильтрующего узла 17. В показанной справа закрытой конфигурации, фильтрующий узел 17 закрыт и пружины в механизме 19 подвески находятся в ослабленном состоянии. Когда положительное давление нарастает внутри фильтрующего узла 17 за счет потока жидкости и забивания дна 18 фильтра, фильтрующий узел 17 постепенно открывается, так как дно 18 фильтра постепенно смещается вниз за счет повышения положительного давления. Затем жидкость может входить в открытый фильтрующий узел 17 из танка 1 и промывать частицы, забившие дно фильтра. Когда давление внутри фильтрующего узла 17 будет снижено, подвеска 19 закрывает фильтрующий узел 18. В показанном примере, дно 18 представляет собой дно фильтра. Оно также может быть дном для нефильтрованной твердой фазы.
Резервуар
Устройство в соответствии с настоящим изобретением преимущественно выполнено и используется как вставка или добавка в резервуар, и поэтому может быть установлено, например, на существующем пивоваренном оборудовании, что является экономически выгодным для заказчика.
Устройство может быть установлено при помощи средства установки, которым может быть любое средство, подходящее для установки устройства, в том числе жесткая система труб, использованная при циркуляции жидкости, или подпорки. Специалисты в данной области легко могут спроектировать средство установки, подходящее для этой цели.
Таким образом, в соответствии с одним вариантом осуществления, описанное здесь выше устройство дополнительно содержит резервуар. Резервуаром может быть, например, открытый на одном конце резервуар или закрытый резервуар. Устройство в соответствии с настоящим изобретением, установленное в закрытый резервуар, используют в процессе пивоварения под давлением.
Резервуаром может быть любой резервуар, подходящий для установки устройства в соответствии с настоящим изобретением. Так, в одном варианте осуществления, резервуар выбран из группы, в которую входят чаша, ваза, колба, трубчатый резервуар, бадья, бочка, кувшин, танк, контейнер, конический резервуар и бак. В одном варианте осуществления, резервуар представляет собой фильтрационный чан или ферментер для приготовления пива из сусла.
Резервуар описанного здесь устройства может иметь любой подходящий размер. Резервуар может иметь длину от первого конца до второго конца по меньшей мере 50 см, например, по меньшей мере 75 см, например, по меньшей мере 1 м, например, по меньшей мере 1.5 м, например, по меньшей мере 2 м, например, по меньшей мере 2.5 м, например, по меньшей мере 3 м, например, по меньшей мере 3.5 м, например, по меньшей мере 4 м, например, по меньшей мере 5 м, например, по меньшей мере 6 м, например, по меньшей мере 7 м, например, по меньшей мере 8 м, например, по меньшей мере 9 м, например, по меньшей мере 10 м.
Размер устройства разделения обычно определяют относительно объема танков, причем резервуар описанного здесь устройства может иметь объем от 5,000 до 1,000,000 л, например, от 10,000 до 800,000 л, например, от 15,000 до 600,000 л, например, от 20,000 до 400,000 л, например, от 25,000 до 200,000 л, например, от 30,000 до 100,000 л, например, от 35,000 до 80,000 л, например, от 40,000 до 70,000 л.
Полный диаметр поперечного сечения резервуара составляет по меньшей мере 25 см, например, по меньшей мере 50 см, например, по меньшей мере 75 см, например, по меньшей мере 1 м, например, по меньшей мере 1.5 м, например, по меньшей мере 2 м, например, по меньшей мере 2.5 м, например, по меньшей мере 3 м, например, по меньшей мере 3.5 5 м, например, по меньшей мере 4 м, например, по меньшей мере 5 м, например, по меньшей мере 6 м, например, по меньшей мере 7 м, например, по меньшей мере 8 м, например, по меньшей мере 9 м, например, по меньшей мере 10 м.
Твердая и жидкая фазы
Заявленное устройство предназначено для перемешивания твердой и жидкой фаз, разделения твердой и жидкой фаз, для экстрагирования жидкости, и/или для экстрагирования состава из твердой фазы в жидкую фазу.
Таким образом, в одном варианте осуществления, настоящее изобретение имеет отношение к использованию устройства для экстрагирования составов из твердой фазы с использованием жидкой фазы.
Твердая фаза может быть добавлена в устройство, например, добавлена в описанный здесь выше резервуар, в котором (на котором) установлено устройство. Таким образом, устройство в одном варианте осуществления изобретения дополнительно содержит по меньшей мере один блок для подачи твердой фазы.
Жидкая фаза также может быть добавлена в устройство, например, добавлена в резервуар, в котором (на котором) установлено устройство. Таким образом, в одном варианте осуществления, описанное здесь выше устройство дополнительно содержит по меньшей мере один блок для подачи жидкой фазы.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один блок для подачи твердой и/или жидкой фазы выбран из группы, в которую входят дробилка, воронка, труба и трубка, ковш, химстакан, мешалка и валик.
Жидкая фаза может быть выбрана (но без ограничения) из группы, в которую входят вода, молоко, органические растворители и водная культура клеток.
В одном варианте осуществления, состав, экстрагированный из твердой фазы, выбран из группы, в которую входят углеводы, содержащие сахара и пектин; полипептиды, содержащие ферменты и антитела; гликосилированные и негликосилированные протеины и пептиды; масло и ароматизатор.
Твердая фаза может быть выбрана из солода и/или ячменя, который может быть расплющен, раздроблен или измельчен ранее добавления в устройство. Твердой фазой также может быть растительное сырье, песок, гравий и грунт.
В принципе устройство также может быть использовано как бродильный аппарат, причем в таком случае микроорганизмы могут быть фиксированы на частице. При этом устройство используют как большую мешалку, и поток между секциями фильтра обеспечивает соответствующее перемешивание и подачу нутриентов в культивированные микроорганизмы.
При этом частицами твердой фазы могут быть, например, биогранулы. Таким образом, в одном варианте осуществления, твердая фаза образована из биогранул. В другом варианте осуществления микроорганизмы фиксированы на биогранулах. В еще одном варианте осуществления, микроорганизмы способны вырабатывать этанол из состава или вещества в резервуаре устройства.
Другими частицами, которые могут образовывать твердую фазу в любом коллоиде, являются частицы коллоидного золота, которые в свою очередь могут быть покрыты другими материалами, имеющими сродство с частицами коллоидного золота.
Клапаны, трубы и средства циркуляции
Для того, чтобы регулировать поток и полностью использовать преимущества устройства в соответствии с настоящим изобретением, может быть полезно снабдить как описанное здесь выше устройство, так и резервуар, клапанами и трубами. Клапаны и дополнительные трубы могут быть расположены так, как это показано на любой из фиг. 1-12.
В одном варианте осуществления, устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит по меньшей мере один клапан. Подобным образом, описанные здесь выше устройство или резервуар могут содержать любое число клапанов и труб, чтобы облегчить поток фильтрованной жидкости в прямом или обратном направлении, или чтобы заполнять или элюировать жидкостные фракции из устройства и/или резервуара.
Поток жидкости в прямом или обратном направлении создают при помощи средства циркуляции, которым преимущественно является один или несколько насосов.
Циркуляцию жидкости между первой и второй секцией фильтра, или между второй и первой секцией фильтра, создают при помощи средства циркуляции, такого как насос.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением может содержать один или несколько насосов для создания циркуляции потока жидкости. Факультативно, клапаны могут быть использованы для направления жидкости во время циркуляции и для осуществления некоторых процессов, требующих повышенной регулировки скорости и направления потока.
В одном варианте осуществления, устройство в соответствии с настоящим изобретением выполнено так, что содержимое резервуара можно циркулировать.
Часто является выгодным регулировать давление жидкости, циркулирующей между первой и второй или между второй и первой секциями фильтра.
Таким образом, в одном варианте осуществления, устройство содержит средство регулировки давления.
Средство регулировки давления позволяет регулировать давление от 0,1 до 100 мбар, например, от 50 мбар до 1 бар, например, от 1 до 20 бар, например, от 2 до 15 бар, например, от 3 до 10 бар, например, от 4 до 8 бар.
В одном варианте осуществления, средство регулировки давления выполнено так, что средство циркуляции жидкости изменяет направление потока, когда будет достигнут некоторый предписанный уровень давления, что позволяет избежать забивания фильтров.
2
2
Клапаны также могут быть использованы для того, чтобы облегчить процесс, проводимый при повышенном давлении в закрытом резервуаре. Условия повышенного давления могут быть получены с использованием газообразной фазы, такой как воздух, N (газ) или CO (газ).
Система труб устройства может быть соединена так, что она позволяет направлять жидкость в петле снаружи от резервуара и между первой и второй секциями фильтра. Преимущественно, система труб позволяет направлять жидкость по одному из двух направлений между первой и второй секциями фильтра.
Для того чтобы жидкость могла протекать по трубам в устройстве, устройство или система труб содержит по меньшей мере одно средство циркуляции, такое как насос, позволяющее направлять поток жидкости в периодически изменяющихся направлениях. Число средств циркуляции может быть любым подходящим числом, например это может быть одно, два, три, четыре, пять, шесть или семь средств циркуляции или больше.
Каждое средство циркуляции устройства позволяет изменять направление жидкости внутри устройства на обратное по меньшей мере каждые 30 сек, например, по меньшей мере каждые 45 сек, например, по меньшей мере каждую минуту, например, по меньшей мере каждые 1½ минуты, например, по меньшей мере каждые 2 минуты, например, по меньшей мере каждые 2½ минуты, например, по меньшей мере каждые 3 минуты, например, по меньшей мере каждые 3½ минуты, например, по меньшей мере каждые 4 минуты, например, по меньшей мере каждые 4½ минуты, например, по меньшей мере каждые 5 минут. Преимущественно, направление потока жидкости изменяют или реверсируют с интервалами от 2 до 4 минут. В другом предпочтительном варианте осуществления способа, направление потока жидкости изменяют или реверсируют в тот момент, когда объем, соответствующий объему жидкости в устройстве, проходит в одном направлении через устройство.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Средство циркуляции позволяет производить циркуляцию жидкости через систему с расходом по меньшей мере 1 м/час, например, по меньшей мере 2 м/час, например, по меньшей мере 3 м/час, например, по меньшей мере 4 м/час, например, по меньшей мере 5 м/час, например, по меньшей мере 6 м/час, например, по меньшей мере 7 м/час, например, по меньшей мере 8 м/час, например, по меньшей мере 9 м/час, например, по меньшей мере 10 м/час, например, по меньшей мере 15 м/час, например, по меньшей мере 20 м/час, например, по меньшей мере 25 м/час, например, по меньшей мере 30 м/час, например, по меньшей мере 35 м/час, например, по меньшей мере 40 м/час, например, по меньшей мере 45 м/час, например, по меньшей мере 50 м/час, например, по меньшей мере 55 м/час, например, по меньшей мере 60 м/час, например, по меньшей мере 70 м/час, например, по меньшей мере 80 м/час, например, по меньшей мере 90 м/час, например, по меньшей мере 100 м/час.
В одном варианте осуществления, описанное здесь выше устройство дополнительно содержит насосы, клапаны и трубы, чтобы образовать замкнутую систему. Кроме того, в одном варианте осуществления, устройство и/или резервуар дополнительно содержит средство дренажа, такое как клапан для дренажа. В еще одном варианте осуществления, устройство дополнительно содержит танк для дрожжей.
1
2
В другом варианте осуществления изобретения может быть предусмотрена по меньшей мере одна мешалка. Мешалку преимущественно используют в резервуаре. В одном варианте осуществления, мешалкой является первая секция (13) фильтра, вращаемая вокруг оси A. В другом варианте осуществления, мешалкой является вторая секция (14) фильтра, вращаемая вокруг оси А. В одном варианте осуществления, как первая, так и вторая секция фильтра действуют как мешалки. В еще одном варианте осуществления, каждый фильтрующий узел действует как мешалка. Таким образом, в одном варианте осуществления, мешалкой является по меньшей мере один фильтрующий узел первой секции фильтра, и/или мешалкой является по меньшей мере один фильтрующий узел второй секции фильтра.
Средства регулирования температуры
Для управления процессом, в котором используют устройство, устройство может дополнительно содержат средства нагрева и средства регулировки температуры. Средства нагрева могут быть выполнены как часть показанной на чертежах схемы, однако средства нагрева или средства регулировки температуры также могут быть выполнены так, что описанный здесь выше резервуар нагревается или охлаждается, при этом содержимое резервуара также соответственно нагревается или охлаждается. Средство регулирования температуры является особенно необходимым для повышения эффективности процесса экстрагирования в пивоварении.
В одном варианте осуществления, устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит средство регулирования температуры. В одном варианте осуществления, указанное средство регулирования температуры представляет собой теплообменник. Средство регулирования температуры обычно также содержит средство измерения температуры.
Средство регулирования температуры позволяет нагревать циркулирующую жидкость устройства до температуры ниже 100°C, например, ниже 90°C, например, ниже 80°C, например, ниже 70°C, например, ниже 60°C, например, ниже 50°C. Преимущественно, средство регулирования температуры позволяет регулировать температуру жидкости в диапазоне от 20 до 100°C, с отклонением ориентировочно меньше чем ± 2°C от заданной температуры.
В одном варианте осуществления средство регулирования температуры позволяет регулировать температуру веществ внутри устройства от 0 до 200°C, например, в диапазоне от 20 до 90°C, преимущественно, в диапазоне от 40 до 80°C, например, от 100 до 200°C, например, от 100 до 150°C, например, от 100 до 125°C.
Интеграция во вспомогательное оборудование
Устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть встроено во вспомогательное оборудование, например, на пивоваренном заводе. Устройство может быть, например, целиком введено в существующий резервуар, такой как танк, или установлено на нем. Каждая секция фильтра дополнительно может быть встроена в очиститель танка, или установлено на нем. Очистителем может быть стандартный очиститель танка, такой как Toftejorg (http://www.csidesigns.com/alfalaval/tofteiorg.php).
Применения устройства
Описанное здесь устройство может быть использовано для экстрагирования веществ из любого типа материала, в том числе из растительного сырья, которое может удерживаться фильтрами устройства без блокирования фильтров, так что может быть получен поток жидкости. Другими типами применения являются увеличение объема или разбухание семян или зерен; удаление нежелательных компонентов или веществ, например, из растительного сырья, например, удаление растворимых в воде веществ из растительного сырья; сбраживание; частичное разложение, например, обработка ферментов соломы в процессе, аналогичном приготовлению сусла.
Описанное здесь устройство также может быть использовано для обработки соломы. Солома может быть обработана ранее ее использования для производства биоэтанола. Солома может быть обработана для удаления извести из растительного сырья. В качестве растительного сырья для обработки в описанном здесь устройстве также может быть использован сахарный тростник. Сахар также может быть экстрагирован из растительного сырья.
В одном варианте осуществления, устройство представляет собой устройство для затирания. Преимущественно устройство для затирания служит для приготовления сусла в процессе пивоварения.
В описанном здесь устройстве разделения, компоненты устройства могут быть изготовлены из материала, подходящего для производства напитков или пищевых продуктов, причем таким материалом могут быть полимеры или металлы.
Способ разделения и экстрагирования
В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение имеет отношение к способу разделения и/или экстрагирования, проводимому для разделения и/или экстрагирования веществ из растительного сырья, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
- использование растительного сырья,
- использование объема жидкости,
- введение растительного сырья и жидкости в контакт друг с другом, так что жидкость по меньшей мере в течение промежутка времени направляют через растительное сырье в периодически изменяющихся направлениях,
- за счет этого разделение и/или экстрагирование веществ растительного сырья и
- разделение жидкости вместе с разделенными и/или экстрагированными веществами и/или составами от растительного сырья.
Растительным сырьем, подходящим для использования в описанном здесь процессе экстрагирования, является растительное сырье, которое позволяют удерживать описанные здесь фильтры без их блокировки, так что может быть обеспечен поток жидкости внутри устройства. Растительное сырье может быть выбрано из группы, в которую семена, цветы, листья, стволы и корни. Растительное сырье может быть выбрано из группы зерен, полученных из ячменя, пшеницы, ржи, овса, кукурузы и риса. Частицы растительного сырья могут иметь любой подходящий размер, например, меньше чем 10 мм, например, меньше чем 9 мм, например, меньше чем 8 мм, например, меньше чем 7 мм, например, меньше чем 6 мм, например, меньше чем 5 мм, например, меньше чем 4 мм.
Растительное сырье может быть подвергнуто дроблению, измельчению, размалыванию, пульверизации и/или плющению до того, как его вводят в контакт с жидкостью. Растительное сырье может быть обработано водой до того, как его подвергают дроблению, измельчению, размалыванию, пульверизации и/или плющению Растительное сырье также может быть обработано водой, в то время как его подвергают дроблению, измельчению, размалыванию, пульверизации и/или плющению.
Жидкостью способа может быть вода или спирт. Преимущественно жидкостью является вода.
Отношение растительного сырья к жидкости в способе может быть от 1:1 до 1:100, при измерении веса как растительного сырья, так и жидкости, причем отношение может быть, например, от 1:1 до 1:50, например, от 1:1 до 1:25, например, от 1:1 до 1:15, например, от 1:1 до 1:10, например, от 1:1 до 1:5, например, от 1:1 до 1:4, например, от 1:1 до 1.3, например, от 1:1 до 1:2. В способе приготовления сусла, отношение растительного сырья, например, зерен и/или солода к воде преимущественно составляет от 1:1 до 1:3, а предпочтительнее от 1:1 до 1:2.
Описанный здесь способ может быть осуществлен так, что растительное сырье и жидкость находятся в контакте друг с другом до тех пор, пока заданное количество веществ не будет получено в жидкости. Веществами, экстрагируемыми из растительного сырья, могут быть сахар и/или сухая масса.
В способе растительное сырье и жидкость могут быть в контакте друг с другом по меньшей мере 10 минут, например, по меньшей мере 20 минут, например, по меньшей мере 30 минут, например, по меньшей мере 40 минут, например, по меньшей мере 50 минут, например, по меньшей мере 60 минут, например, по меньшей мере 90 минут, например, по меньшей мере 2 часа, например, по меньшей мере 2½ часа, например, по меньшей мере 3 часа, например, по меньшей мере 3½ часа, например, по меньшей мере 4 часа, например, по меньшей мере 4½ часа, например, по меньшей мере 5 часов, например, по меньшей мере 6 часов, например, по меньшей мере 7 часов, например, по меньшей мере 8 часов, например, по меньшей мере 9 часов, например, по меньшей мере 10 часов, например, по меньшей мере 20 часов, например, по меньшей мере 30 часов, например, по меньшей мере 40 часов, например, по меньшей мере 50 часов, например, по меньшей мере 60 часов, например, по меньшей мере 70 часов, например, по меньшей мере 80 часов, например, по меньшей мере 90 часов, например, по меньшей мере 100 часов, например, по меньшей мере 150 часов, например, по меньшей мере 200 часов, например, по меньшей мере 300 часов, например, по меньшей мере 400 часов, например, по меньшей мере 500 часов, например, по меньшей мере 600 часов.
Жидкость может быть направлена через растительное сырье в периодически изменяющихся (противоположных) направлениях. Направление протекания жидкости может изменяться по меньшей мере каждые 30 сек, например, по меньшей мере каждые 45 сек, например, по меньшей мере каждую минуту, например, по меньшей мере каждые 1½ минуты, например, по меньшей мере каждые 2 минуты, например, по меньшей мере каждые 2½ минуты, например, по меньшей мере каждые 3 минуты, например, по меньшей мере каждые 3½ минуты, например, по меньшей мере каждые 4 минуты, например, по меньшей мере каждые 4½ минуты, например, по меньшей мере каждые 5 минут. Предпочтительнее направление потока реверсируют или изменяют в момент времени, когда будет достигнут объем жидкости, соответствующий объему жидкости внутри устройства, который прошел в одном направлении через устройство. Причем, если скорость течения увеличивают, то увеличивают и период времени до реверсирования направления потока.
При осуществлении способа направление течения жидкости изменяют по меньшей мере 5 раз, например, по меньшей мере 10 раз, например, по меньшей мере 15 раз, например, по меньшей мере 20 раз, например, по меньшей мере 25 раз, например, по меньшей мере 30 раз, например, по меньшей мере 35 раз, например, по меньшей мере 40 раз, например, по меньшей мере 45 раз, например, по меньшей мере 50 раз, например, по меньшей мере 55 раз, например, по меньшей мере 60 раз, например, по меньшей мере 65 раз, например, по меньшей мере 70 раз, например, по меньшей мере 75 раз, например, по меньшей мере 80 раз, например, по меньшей мере 85 раз, например, по меньшей мере 90 раз, например, по меньшей мере 95 раз, например, по меньшей мере 100 раз, например, по меньшей мере 125 раз, например, по меньшей мере 150 раз, например, по меньшей мере 175 раз, например, по меньшей мере 200 раз, например, по меньшей мере 250 раз, например, по меньшей мере 300 раз, например, по меньшей мере 350 раз, например, по меньшей мере 400 раз, например, по меньшей мере 450 раз, например, по меньшей мере 500 раз.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение имеет отношение к способу разделения и/или экстрагирования, причем в указанном способе используют описанное здесь выше устройство, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
a. Установка фильтрующего устройство в резервуар (1) при помощи средства установки,
b. Введение жидкой фазы в резервуар,
c. Приведение в действие средства (5) циркуляции для создания прямотока (прямого течения) или противотока между секциями фильтра, и
d. Факультативно, регулировка pH и температуры циркулирующей жидкости,
e. Введение твердой фазы в резервуар, и
f. Факультативно, регулировка pH и температуры циркулирующей жидкости,
g. Приведение в действие средства (5) циркуляции для создания потока в периодически изменяющихся направлениях между секциями фильтра, и
h. Факультативно, регулировка pH и температуры циркулирующей жидкости
i. Повтор операций g и h до тех пор, пока не будет достигнута желательная мутность жидкой фазы,
j. Элюирование фильтрованной жидкой фазы из резервуара (1), и
k. Накопление элюированной фильтрованной жидкой фазы.
В одном варианте осуществления способа разделения и/или экстрагирования средство (5) циркуляции позволяет протекать жидкости в некотором направлении в течение заданного периода времени или в течение заданного диапазона давлений.
Регулирование температуры может быть важным для повышения до максимума экстрагирования состава из твердой фазы. Температура может быть установлена по меньшей мере на 4°C, например, на 5°C, например, на 6°C, например, на 7°C, например, на 8°C, например, на 9°C, например, на 10°C, например, на 15°C, например, на 20°C, например, на 25°C, например, на 30°C, например, на 35°C, например, на 37°C, например, на 40°C, например, на 45°C, например, на 50°C, например, на 51°C, например, на 52°C, например, на 53°C, например, на 54°C, например, на 55°C, например, на 56°C, например, на 57°C, например, на 58°C, например, на 59°C, например, на 60°C, например, на 61°C, например, на 62°C, например, на 63°C, например, на 64°C, например, на 65°C, например, на 66°C, например, на 67°C, например, на 68°C, например, на 69°C, например, на 70°C, например, на 71°C, например, на 72°C, например, на 73°C, например, на 74°C, например, на 75°C, например, на 76°C, например, на 77°C, например, на 78°C, например, на 79°C, например, на 80, например, на 81°C, например, на 82°C, например, на 83°C, например, на 84°C, например, на 85°C, например, на 86°C, например, на 87°C, например, на 88°C, например, на 89°C, например, на 90°C, например, на 91°C, например, на 92°C, например, на 93°C, например, на 94°C, например, на 95°C, например, на 96°C, например, на 97, например, на 98°C, например, на 99°C, например, на 100°C или больше.
В одном варианте осуществления указанного здесь выше способа используют предварительно заданные периоды времени в диапазоне от 1 сек до 10 час, например, от 10 сек до 5 час, например, от 30 сек до 1 час, например, от 30 сек до 45 минут; например, от 45 сек до 30 минут, например, 20 минут; например, от 1 минуты до 15 минут, например, 10 минут; например, от 1 минуты до 10 минут; например, от 1 минуты до 5 минут, например, 5 минут; например, от 2 минут до 4 минут, например, 3 минуты.
Давление регулируют при помощи средства циркуляции. Как уже было указано здесь выше, преимущественно программируют средство циркуляции так, что направление протекания жидкости изменяется при превышении некоторого заданного диапазона давлений. В одном варианте осуществления, заданный диапазон давлений составляет от 0.1 мбар до 100 бар, преимущественно, от 0.5 бар до 10 бар, а предпочтительнее, от 1 бар до 5 бар.
1
2
В некоторых применениях выгодно использовать фильтрующие узлы для перемешивания содержимого резервуара, в котором установлено устройство в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, в одном варианте осуществления заявленного способа, любая из указанных здесь выше операций от с до j дополнительно предусматривает одновременное или последовательное перемещение первой секции фильтра вдоль оси A и/или перемещение второй секции фильтра вдоль оси A,
и/или
1
2
вращение первой секции фильтра вокруг оси A и/или вращение второй секции фильтра вокруг оси A.
1
1
В одном варианте осуществления по меньшей мере один фильтрующий узел (2) первой секции (13) фильтра вращается вокруг своей собственной оси В. В другом варианте осуществления, по меньшей мере один фильтрующий узел (2) второй секции (13) фильтра вращается вокруг своей собственной оси C.
Усилие, приложенное к растительному сырью за счет жидкости, направленной в первом или втором направлении, может быть усилием, созданным за счет протекающей жидкости, а также за счет силы тяжести или плавучести.
Жидкость и/или растительное сырье могут быть нагреты до заданной температуры до начала периода времени, когда жидкость подвергают циркуляции через устройство и, таким образом, через растительное сырье. Жидкость также может быть нагрета, когда она протекает по обходному пути, а не через растительное сырье.
Предварительно заданные температуры жидкости или жидкости и растительного сырья могут быть выбраны в диапазоне температур от 20 до 100°C, например, в диапазоне от 30 до 90°C, например, в диапазоне от 40 до 80°C, например, в диапазоне от 50 до 70°C, например, в диапазоне от 55 до 65°C.
Предварительно заданные температуры могут быть любыми температурами преимущественно ниже 100°C, причем в качестве примеров можно привести температуры около 20°C, например, около 25°C, например, около 30°C, например, около 35°C, например, около 40°C, например, около 45°C, например, около 50°C, например, около 55°C, например, около 60°C, например, около 65°C, например, около 70°C, например, около 75°C, например, около 80°C, например, около 85°C, например, около 90°C, например, около 95°C. Температура может быть изменена во время процесса. Например, процесс приготовления сусла при варке пива может быть начат в течение нескольких минут при 45°C, чтобы увеличить объем или обеспечить разбухание зерен или солода. После этого температура может быть повышена до 53-58°C на 20-30 минут, а затем повышена до 63-68°C на время от 30 минут до 1 часа, а затем повышена до температуры около 78°C на несколько минут, чтобы инактивировать ферменты. После этого жидкость дренируют из растительного сырья и растительное сырье промывают водой. Следует иметь в виду, что другие процессы с другими температурами также возможны с использованием описанных здесь способа и устройства.
В способе разделения или экстрагирования, все описанные здесь характеристики способа могут быть объединены со всеми описанными здесь характеристиками устройства.
Преимущественно, растительное сырье, использованное в способе, содержит зерно и/или солод, а жидкостью преимущественно является вода.
В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение имеет отношение к способу изготовления описанного здесь устройства разделения, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
- Использование по меньшей мере первой и второй секций фильтра,
- Использование по меньшей мере первого и второго фильтрующих узлов,
- Использование по меньшей мере одной системы труб,
- Использование средства циркуляции для осуществления циркуляции жидкости через систему труб,
- Соединение первой секции фильтра с первым фильтрующим узлом,
- Соединение первой секции фильтра с одним концом системы труб,
- Соединение второй секции фильтра со вторым фильтрующим узлом,
- Соединение второй секции фильтра с другим концом системы труб,
- Установка средства циркуляции так, что оно позволяет направлять жидкость между первой и второй секциями фильтра,
- За счет этого, получение устройства разделения.
Примеры
Пример 1: Способ приготовления пива с использованием заявленного устройства
1. Установка заявленного устройства на резервуаре.
2. Добавление 200 литров холодной водопроводной воды в резервуар через клапан (11) для подачи жидкости.
3. Приведение в действие средства (5) циркуляции для создания течения в направлении (8), то есть от дна к верхней части резервуара.
4. Приведение в действие средства (10) регулирования температуры при температуре 80°C, чтобы повысить температуру проходящей жидкости ориентировочно до 54°C.
5. Отключение средства регулирования температуры.
6. Добавление в резервуар 40 кг твердой фазы, такой как дробленый, плющеный или измельченный солод или ячмень через средство 12) добавления твердого материала.*
7. Установка РН ориентировочно на 5,8.*
8. Регулирование температуры жидкой фазы за счет работы средства (10) регулировки температуры при температуре 55°C, чтобы повысить температуру проходящей жидкости ориентировочно до 54°C.*
9. Изменение направления потока между направлениями (8) и (9) течения каждый 3 минуты, или когда давление ниже, например, 0,5 бар.*
10. Поддержание операции 9 в течение 20 минут.*
11. Приведение в действие средства (10) регулирования температуры при температуре 65°C, чтобы повысить температуру проходящей жидкости ориентировочно до 64°C.*
12. Поддержание системы при осуществлении операции 9 в течение 60 минут.*
13. Приведение в действие средства (10) регулирования температуры при температуре 80°C, чтобы повысить температуру проходящей жидкости ориентировочно до 78°C.*
14. Поддержание системы при осуществлении операции 9 в течение 5 минут.*
15. Жидкость циркулируют за счет работы участка контура, чтобы обеспечить течение в направлении (8) до тех пор, пока не будет достигнута соответствующая мутность сусла (обработанная жидкость становится пивом).
16. Когда будет достигнута соответствующая мутность сусла, открывают клапан (6) и одновременно закрывают клапан (7).
17. Добавляют 50 литров воды при 70°C через клапан (11), когда уровень поверхности жидкой фазы доходит до уровня поверхности твердой фазы в резервуаре.
18. Резервуар опорожняют за счет открывания участка контура и клапанов, предназначенных для опорожнения резервуара.
19. Резервуар очищают, например, за счет добавления воды через клапан (11) и приведения в действие средства (5) циркуляции.
20. Система готова для приема новых сырьевых материалов (твердой и жидкой фаз) и для дополнительного приготовления пива.
1
1
1
Во время операций, указанных выше звездочкой (*), первая секция фильтра вращается вокруг оси A, и перемещает от верхней до нижней части резервуар вдоль оси A. Факультативно, по меньшей мере один фильтрующий узел (13) первой секции (2) фильтра вращается вокруг своей оси В.