УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТЕРИЛИЗУЮЩЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ НАПИТКОВ

Заявленная полезная модель относится к области производства сока и вина и может быть использована в домашних условиях и в мелких фермерских хозяйствах для одновременной осветляющей и стерилизующей фильтрации свежего сусла из винограда, яблок и других плодов и ягод при изготовлении сока или сброженного сусла при изготовлении вина.
В технологии производства сока или вина есть стадия осветления сусла, которую выполняют следующими способами или их сочетанием: спонтанным осаждением, осаждением с помощью оклейки, центрифугированием, фильтрацией. Самым распространенным промышленным оборудованием для фильтрации сусла и напитков являются пластинчатые фильтр-прессы, в которых фильтрующей перегородкой является фильтр-картон. Применяя фильтр-картон соответствующей тонкости фильтрации, добиваются нужной степени осветления, вплоть до кристального блеска, и удаления микроорганизмов (стерилизации). [Кишковский З.Н., Мержаниан А.А. Технология вина. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. см. стр. 151].
Получивший распространение термин «стерильная» или «стерилизующая» фильтрация сока и вина обозначает процесс, производящийся обычно при розливе, при котором задерживаются остатки дрожжевых клеток, а также другой микрофлоры (уксуснокислых, молочнокислых и др. бактерий), вызывающей микробиологическую нестабильность напитка. Средние размеры клеток винных дрожжей составляют (2,5-7,0)×(4,5-10) мкм, размеры бактериальной клетки значительно меньше (0,4-0,6)×(0,5-1,0) мкм. Как правило, для стерилизующей фильтрации белых вин применяют фильтры на основе полимерных мембран с максимальным размером пор 0,45 мкм, а для красных вин с максимальным размером пор 0,65 мкм [Ж. Риберо-Гайон, Э. Пейно, П. Риберо-Гайон, П. Сюдре. «Теория и практика виноделия». Том 4. Осветление и стабилизация вин. Оборудование и аппаратура. М. Легкая и пищевая промышленность. 1981, см. стр. 125].
На винодельческих предприятиях в качестве последней ступени стерилизующей фильтрации перед блоком розлива стали применять мембранные фильтрующие свечи (патроны). Данные фильтры способны полностью и гарантированно удержать вредные для вина микроорганизмы, так как мембраны имеют узкое распределение пор вблизи максимального размера пор в отличие от фильтр-картонов, имеющих более широкое распределение пор по размерам. Решающим фактором для применения мембранных фильтров стала возможность легкой проверки их на целостность (стерилизующую способность) на любой стадии их эксплуатации. В РФ соответствующая проверка называется методом определения точки пузырька [ГОСТ Р 50516-93. Мембраны полимерные. Метод определения точки пузырька плоских мембран] или испытанием целостности [«Испытание целостности мембранных фильтров. МУ 42-51-19-93»].
Для фильтрации в домашних условиях соков и вин использовать заводское оборудование даже минимальных размеров профессионально неподготовленному потребителю сложно, так как для комплектации фильтрационной установки нужны, насос, емкости, фитинг, фильтродержатели, наборы фильтрующих элементов с различной тонкостью фильтрации и средства контроля качества фильтрации. Поэтому идет поиск устройств максимально приспособленных для применения в домашних условиях и способных обеспечивать качество фильтрации не хуже, чем в промышленном производстве.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для получения спиртосодержащих напитков [патент РФ №2450048], содержащее установленный на раме с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси и фиксации цилиндрический резервуар с крышкой, патрубком для выпуска газов брожения и патрубком для подачи сжатого инертного по отношению к обрабатываемому продукту газа, например углекислого, при этом крышка устройства с внутренней стороны снабжена кольцевым выступом, на торце которого установлен цилиндрический фильтрующий элемент с образованием между его верхним торцом и крышкой с выступом замкнутой камеры, которая сообщена с патрубком для отвода фильтрата, установленным на крышке, при этом между стенкой резервуара и наружными цилиндрическими поверхностями кольцевого выступа и фильтрующего элемента образован кольцевой зазор. Серьезным недостатком устройства является отсутствие указания средств для выполнения герметичного уплотнения фильтрующего элемента, а для тонких и непрочных полимерных мембран, используемых для стерилизующей фильтрации, - это основная конструктивная проблема. Кроме того, в устройстве не заложен принцип проверки целостности фильтрующего элемента. Отсутствие такой проверки не дает гарантии успешного проведения стерилизующей фильтрации.
Задача, на выполнение которой направлено настоящее техническое решение заключается в создании простого в эксплуатации устройства, способного в домашних условиях выполнять стерилизующую мембранную фильтрацию сока или вина, при этом иметь возможность производить контроль стерилизующей способности мембраны.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для стерилизующей фильтрации напитков, включающее установленный с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси и фиксации резервуар, состоящий из цилиндрического корпуса со штуцером для подачи сжатого газа и крышки со штуцером для отвода фильтрата и фильтрующего элемента, отличительной особенностью которого является то, что резервуар с возможностью установки вручную в одном из двух вертикальных положений на подставке соединен с источником сжатого газа, между корпусом и крышкой резервуара размещено уплотнительное эластичное кольцо с П-образным профилем, в профиль кольца вклеен диск из пористого материала, между диском с кольцом и крышкой расположена дисковая мембрана диаметром больше внешнего диаметра кольца, при этом между дисковой мембраной и крышкой размещен дренажный диск из пористого материала диаметром менее внутреннего диаметра эластичного кольца.
Дополнительно предлагается подставку изготавливать в виде деревянной кадки.
Дополнительно предлагается в качестве источника сжатого газа использовать баллон со сжатым углекислым газом, снабженный редуктором.
Дополнительно предлагается уплотнительное эластичное кольцо с П-образным профилем изготавливать из силиконовой резины.
Дополнительно предлагается в качестве дисковой мембраны применять гидрофильную мембрану из полиэфирсульфона толщиной от 80 до 150 мкм и с максимальным размером пор 0,2 или 0,45 или 0,65 мкм.
2
Дополнительно предлагается в качестве пористого материала использовать нетканый полиэфирный материал толщиной от 1,5 до 3 мм и с поверхностной плотностью от 300 до 600 г/м.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность производить в устройстве одновременно осветляющую и стерилизующую фильтрацию, качество которой гарантирует контроль уплотнения резервуара и испытание целостности дисковой мембраны перед началом и по окончании фильтрации.
Конструкцию устройства и его работу поясняют фиг. 1 и фиг. 2. Резервуар изготовлен из нержавеющей стали марки AISI 304 и состоит из корпуса 1 и крышки 2 (см. фиг. 1). Корпус выполнен в виде обечайки с днищем и приваренным к обечайке фланцем 3 (см. местный разрез фиг. 1). Резервуар опирается фланцем 3 на верхнюю кромку подставки в виде деревянной кадки 4. Кадка кроме функции опоры играет роль элемента дизайна, придающего устройству аграрный колорит. В качестве источника сжатого газа используют или компрессор или, что более предпочтительно, баллон 5 со сжатым углекислым газом. Баллон снабжен редуктором 6, который соединен с резервуаром через шаровый кран 7. Крышка 2 имеет штуцер с шаровым краном 8 для отвода фильтрата.
Фильтрующий элемент, состоящий из трех слоев, расположен между крышкой и резервуаром, как показано на местном разрезе фиг. 1. Первым слоем фильтрующего элемента, если считать слои в направлении фильтрации, является диск 9 из нетканого полиэфирного материала. Края диска 9 вклеены в П-образный профиль уплотнительного эластичного кольца 10, выполненного из силиконовой резины. Вторым слоем фильтрующего элемента является полимерная дисковая мембрана 11 (изображена жирной линией) диаметром не меньше внешнего диаметра кольца 10. Мембрана выполнена, например, из полиэфирсульфона, характеризуется толщиной около 100 мкм и узким распределением пор по размерам и имеет максимальный размер пор 0,2 или 0,45 или 0,65 мкм. Третьим слоем фильтрующего элемента дренажный диск 12 из нетканого полиэфирного материала диаметром менее внутреннего диаметра кольца 10.
Резервуар имеет внутренний диаметр 220 мм, высоту до 300 мм, вместимость 10 литров и массу 6,5 кг в сборе. При затягивании четырех барашковых винтов 13 в отверстия проушин 14 корпуса когтевые струбцины 15 стягивают крышку 2 и фланец 3. При этом происходит сжатие кольца 10, и оно прижимает к крышке 2 мембрану 11. Толщина диска 9 и дренажного диска 12 составляет около 2 мм и равна примерно одной трети толщины кольца 10, равной 6 мм. Благодаря такой геометрии и эластичности мембраны дренажный диск 12 укладывается внутри кольца 10, как показано на местном сечении фиг. 1, и не повреждает мембрану, а лишь слегка деформирует ее. В процессе фильтрации, когда в резервуаре создают избыточное давление, бортик во фланце 3 удерживает кольцо 10. Радиальная протечка в плоскости пористой мембраны 11 между кольцом 10 и крышкой 2 ничтожно мала вследствие огромного гидравлического сопротивления на длине пути через участок сжатой мембраны, имеющей и без того малые размеры пор.
Перед сборкой резервуара пустой корпус 1 фиксируют в положении, показанном на фиг. 1. Выход редуктора 6 соединяют с закрытым краном 7 с помощью полипропиленовой трубки 16. Емкость заполняют напитком, предназначенным для фильтрации. На фланец 3 корпуса 1 кладут пористый диск 9 с силиконовым кольцом 10, которое центрируется выступом обечайки корпуса 1. Пористый диск 9 за счет соединения с кольцом 10 имеет как в сухом, так и в смоченном состоянии достаточную прочность, чтобы удержаться в таком положении и не упасть внутрь корпуса. Сверху размещают смоченную водой дисковую мембрану 11. Укладывают дренажный диск 12. Устанавливают крышку 2 и когтевые струбцины 15. Уплотняют резервуар, равномерно закручивая четыре барашковых винта 13.
Выполняют обязательный контроль герметичности уплотнения резервуара и испытание целостности стерилизующей мембраны. Для этого открывают краны 7 и 8 и с помощью редуктора выставляют тестовое давление, равное 75% от значения давления точки пузырька. Гидрофильные мембраны из полиэфирсульфона с максимальным размером пор 0.2, 0.45 и 0.65 мкм имеют давления точки пузырька соответственно 4.2, 2.4 и 1.7 атм по воде. Эти значения соответствуют минимальным значениям давления газа, необходимым для его продавливания через поры плоской гидрофильной мембраны, заполненные водой. Таким образом, за тестовые давления для мембран из полиэфирсульфона с размером пор 0.2, 0.45 и 0.65 мкм принимают давления 3.1, 1.8 и 1.3 атм соответственно. Отсутствие протечек воздуха в соединениях резервуара и проскоков пузырьков воздуха через погруженную в воду полипропиленовую трубку 17 для отвода фильтрата в течение пяти минут свидетельствуют о готовности устройства к выполнению стерилизующей фильтрации.
Закрывают редуктор и краны 7 и 8. Переворачивают резервуар на 180° и фиксируют в этом положении на кадке 4 (см. фиг. 2). Отсоединяют трубку 16 и, открывая кран 7, сбрасывают тестовое давление. Устанавливают трубку 16 на место, а трубку 17 для отвода фильтрата помещают в емкость для сбора отфильтрованного напитка (на фиг. 1 и 2 емкость не показана). Открывают редуктор 6 баллона 5 и создают в резервуаре давление воздуха от 0,3 до 0,5 атм избыточной. Авторами установлено, что этот интервал давлений является оптимальным для проведения стерилизующей фильтрации. При больших давлениях из-за увеличения гидравлического сопротивления сжимаемого осадка скорость фильтрации увеличивается не пропорционально давлению, а эффективность отмывки мембраны от осадка снижается.
2
Выполняют фильтрацию напитка. В процессе фильтрации неосветленный напиток сначала проходит через первый слой фильтрующего элемента - диск 9 из нетканного полиэфирного материала с поверхностной плотностью от 300 до 600 г/м. На этом слое происходит осветляющая фильтрация с удержанием основной массы дрожжевых и других осадков. Осветленный напиток проходит через второй слой фильтрующего элемента - полиэфирсульфоновую мембрану 11 с максимальным размером пор 0,2 или 0,45 или 0,65 мкм. На поверхности мембраны происходит задержание остатков дрожжевых клеток и бактерий. Третий дренажный слой фильтрующего элемента - диск 12 обеспечивает отток фильтрата между гладкими поверхностями мембраны 11 и крышки 2 резервуара. Плоская конфигурация фильтрующего элемента способствует максимальному осушению задержанного осадка по окончании фильтрации. Фильтрация считается оконченной, когда напиток перестает вытекать из трубки 17 даже по каплям. Отсутствие пузырьков воздуха через трубку 17 после окончания фильтрации является дополнительным подтверждением целостности стерилизующей мембраны.
Разбирают резервуар в том положении, в котором происходила фильтрация (см. фиг. 2). Мезга и осадок, задержанные на поверхности фильтрующего элемента, осушаются до состояния влажной глины, поэтому гарантировано отсутствие протекания при разборке резервуара. Перед разборкой закрывают редуктор 6 и кран 7 и отсоединяют трубку 16. Открывают кран 7 и сбрасывают оставшееся в резервуаре давление воздуха, затем снимают когтевые струбцины. Поднимают на руках корпус 1, при этом крышка резервуара с тремя слоями фильтрующего элемента остается на кадке. Верхний слой - пористый диск с кольцом - с собранным осадком снимают и переносят в место, где происходит утилизация осадка. Пористый диск с кольцом отмывают горячей водой при помощи щетки без применения моющих средств, сушат и хранят в закрытом виде до следующего применения. Загрязненную поверхность мембраны отмывают губкой под струей чистой воды, кипятят, сушат и хранят в закрытом виде до повторного применения. Число повторных применений мембраны зависит от режима эксплуатации и может доходить до пяти раз и более при отсутствии повреждений. Дренажный диск моют отдельно под струей воды, кипятят в чистой воде, сушат и хранят в закрытом виде до следующего применения. При правильной эксплуатации пористый диск с кольцом и дренажный диск используют в течение всего гарантийного срока эксплуатации устройства.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - сборочный чертеж устройства во время контроля герметичности уплотнения резервуара и испытания целостности стерилизующей мембраны.
Фиг. 2 - сборочный чертеж устройства во время фильтрации напитка.
1 - корпус;
2 - крышка;
3 - фланец корпуса;
4 - деревянная кадка;
5 - баллон;
6 - редуктор;
7, 8 - шаровые краны;
9 - пористый диск - первый слой фильтрующего элемента;
10 - уплотнительное кольцо;
11 - дисковая мембрана - второй слой фильтрующего элемента;
12 - дренажный диск - третий слой фильтрующего элемента;
13 - барашковые винты;
14 - проушины корпуса;
15 - когтевые струбцины;
16 - трубка подачи сжатого газа;
17 - трубка отвода фильтрата.