Фильтрация вина

На правах рукописи

 

 

 

 

АСЛАНОВ  Валерий  Ставрович

 

 

 

ОБОСНОВАНИЕ  И  Совершенствование 

технологии  осветления  ВИНОГРАДНЫХ  вин 

на  основе  двухступенчатой  фильтрации

 

05.18.01 – Технология  обработки, хранения и переработки

                                злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов,

                                плодоовощной продукции и виноградарства

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание  ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

Краснодар – 2006

 

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет»

Научный руководитель:      доктор технических наук, профессор

       Соболев Эдуард Михайлович;

Официальные оппоненты:  доктор технических наук, профессор

       Касьянов Геннадий Иванович;

       кандидат технических наук

       Толмачев Олег Владимирович

                                      

Ведущая организация:       Государственное научное учреждение

«Северо-Кавказский зональный научно-

исследовательский институт садоводства и виноградарства» Россельхозакадемии (г. Краснодар)

                                                      

Защита диссертации  состоится 21 декабря 2006 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.05 в Кубанском                 государственном технологическом университете по адресу: 350072,           г. Краснодар, ул. Московская, 2, корпус “А”, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского        государственного технологического университета

 

Автореферат разослан 20 ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. наук                                                                        В.В. Гончар

 

 

1 ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

1.1 Актуальность работы. Одним из основных показателей, характеризующих качество готового вина, является его прозрачность, которая должна отвечать понятиям «кристальная прозрачность» и «прозрачное с блеском». Важнейшую роль в дальнейшей прозрачности вина играет процесс фильтрации. Фильтрация широко используется при переработке основных и вторичных продуктов виноделия, в частности, дрожжевых осадков, виноградного сока и виноматериалов. Однако задача повышения прозрачности и биологической стойкости фильтратов остается актуальной. При решении указанной задачи на уровне совершенствования технологии осветления важная роль принадлежит математическим моделям, основанным на теории и призванным научно обосновать эффективные режимы и способы очистки виноматериалов и вин. Следует подчеркнуть, что осадки, образующиеся при фильтровании, являются сжимаемыми. Теория сжимаемых осадков находится на стадии развития. Основные уравнения фильтрации несжимаемых осадков основаны на теории ламинарных течений: уравнение Пуазейля для течения в капиллярных каналах и уравнение Стокса по омыванию сфер. Для сжимаемых осадков эти уравнения модифицируют в основном за счет введения зависимости удельного сопротивления осадка от перепада давления на слое. Влияние сжимающих напряжений на упругие свойства осадка, на пористость и как следствие на сопротивление слоя рассматривается авторами с различных позиций, зачастую противоречивых. Связь этих свойств с качеством осветления виноматериалов не изучалась. В связи с недостаточной строгостью теории фильтрации и использованием упрощенных эмпирических уравнений для сжимаемых осадков отсутствует база данных по их фильтрационным свойствам. По этой причине не представляется возможным надежное проектирование системы фильтрации, а также разработка методики принятия мобильных решений по реализации производственной программы по переработке различных виноматериалов в условиях меняющихся режимов фильтрации.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ 1997-2005 гг. КубГТУ по теме «Совершенствование технологии виноградных, плодово-ягодных напитков и вин».

1.2 Цель и  задачи исследований. Цель работы состоит в обосновании и совершенствовании технологии осветления виноградных вин на основе двухступенчатой фильтрации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• определить влияние физико-химического состава виноматериалов на режимы фильтрования с использованием различных фильтрующих материалов;
• выявить взаимосвязи между химическим составом вина, технологией фильтрации и разработать математические модели для режимов фильтрования и , наиболее распространенных при фильтровании вин и виноматериалов, учесть изменения перепада давлений и скорости фильтрования W по высоте слоя осадка ;
• для обеспечения требуемого качества вина разработать методологию и математическое обеспечение производственных программ и технологических режимов фильтрования виноматериалов на винзаводе;
• исследовать в процессе фильтрации взаимосвязь между удельным сопротивлением осадка и его пористостью ;
• усовершенствовать технологию осветления виноградных вин на основе двухступенчатой фильтрации путем применения адсорбционной модели улавливания частиц фильтр-картоном и прогнозирования необходимой фильтрующей поверхности и зависимости перепада давлений от продолжительности фильтрации.

 

1.3 Научная новизна работы заключается в том, что:

• впервые определены фильтрационные свойства фильтр-картона и свойства сжимаемых осадков, получаемых в результате комплексной двухступенчатой фильтрации различных типов виноградных вин на бельтинге;
• разработаны математические модели процесса фильтрации вин в слое сжимаемого осадка на бельтинге и на фильтр-картоне;
• предложен механизм осветления вина, основанный на свойстве осадка сжиматься в направлении движения фильтрата; установлена зависимость между пористостью осадка и напряжением сжатия;
• разработана методология реализации производственной программы и режимов фильтрования виноградных вин на винодельческом предприятии в условиях меняющихся режимов фильтрации.

1.4 Практическая значимость работы заключается в том, что:

• разработана методика принятия мобильных решений по производственной программе фильтрации виноматериалов и вина на винодельческом предприятии, обеспечивающая минимальные затраты при выполнении производственных заказов;
• на основе стендового эксперимента по фильтрации виноградного сока и промышленного эксперимента по фильтрации вина на бельтинге подтверждена достоверность модели фильтрации в слое сжимаемого осадка и модели фильтрации через фильтр-картон на фильтр-прессе винзавода;
• разработаны рекомендации по режимам процессов фильтрации в две стадии: на фильтр-прессе с бельтингом и фильтровальным волокном и на фильтр-прессе с фильтр-картоном; физико-химические показатели натуральных и специальных виноматериалов при применении двухступенчатого метода фильтрования по сравнению с одноступенчатым через фильтр-картон изменяют свои значения в лучшую сторону по содержанию фенольных и красящих веществ белкового азота и жиров;
• конкретные технологические режимы определены путем сочетания методов модельного (физического) и математического моделирования;
• получен экономический эффект от реализации указанной программы в размере 191714 руб. в год при выработке 100 тыс. дал вина.

1.5 Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии – третьему тысячелетию» (г. Краснодар, 2000 г.); на IV Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2001 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Продовольственная безопасность как важнейший фактор национальной безопасности страны и роль информационно-консультационных служб АПК в ее обеспечении» (г. Пенза, 2002 г.); на VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития пищевой промышленности и стандартизации пищевых продуктов» (г. Москва, 2002 г.); на Международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств» (г. Краснодар, 2002 г.); на Международной конференции молодых ученых «От фундаментальной науки – к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии» (г. Тверь, 2002 г.); на Международной научно-практической конференции «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (г. Воронеж,       2003 г.).

1.6 Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи.

1.7 Структура и объем работы.  Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 150 страницах компьютерного текста, содержит 21 рисунок и 24 таблицы. Список использованной литературы включает 126 наименований, из них 10 зарубежных авторов.

2 ОБЪЕКТЫ И  МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объекты  исследований. В соответствии с целью и задачами в качестве объектов исследований использовали виноградные вина различного типа, минеральные сорбенты (кизельгур, диатомит, палыгорскит, бельтинг-ткань и фильтр-картон, а также осадки, полученные при осветлении вин.

2.2 Методы исследований. При выполнении работы использованы современные экспериментально аналитические методы физико-химического анализа. Исследование реологических характеристик осадков проводили вискозиметрическим методом. Для определения основных показателей химического состава применяли стандартные методы ГОСТ и ГОСТ Р, а также методики, изложенные в методических рекомендациях ИВиВ «Магарач». Летучие вещества определяли методом газожидкостной хроматографии. Мутность определяли инструментальным методом в формазиновых единицах.

Процесс фильтрации виноградных вин исследовали методом математического моделирования, основанным на непротиворечивой теории. Нами разработан новый подход к теории фильтрации вин с образованием сжимаемых осадков. Как и в известных моделях фильтрования физической основой теории является закон течения жидкости в капиллярах (уравнение Пуазейля). Главными отличиями разработанного применительно к процессам фильтрования на винзаводе подхода являются, во-первых, учет неоспоримого факта, что в различных слоях осадка возникают различные нормальные напряжения, которые вызваны не нормальными силами давления, а касательными силами вязкостного трения. Во-вторых, связь нормального напряжения и пористости материала не подчиняется линейному закону упругости Гука.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ  ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Моделирование процесса фильтрации вин. Анализ и расчет процесса фильтрации виноградных вин проводили, используя разработанную нами математическую модель технологии фильтрации. Абсолютное большинство исследователей считают перепад давления на слое осадка ответственным за сжатие слоя осадка, а напряжение сжатия принимают равным . На самом деле величина не является статической нагрузкой. В капиллярах осадка при движении в них жидкости действуют касательные напряжения. Они являются причиной возникновения нормальных напряжений , сжимающих осадок. В случае фильтрации первые по ходу жидкости слои осадка (назовем их верхними) не сжаты, а нижние слои (вблизи фильтровальной перегородки) сжаты в наибольшей степени. Изменение напряжения по высоте описано уравнением 1.

.                                                 (1)

Вместе с изменением напряжения изменяется по высоте осадка и пористость . Нами доказано, что закон этого изменения имеет вид:

,                               (2)

где , - начальная и минимальная пористость; - коэффициент;

Коэффициент найден нами при обработке экспериментальных данных. Для несжимаемой жидкости скорость фильтрации W постоянна по высоте осадка. Это позволяет определить изменение давления по высоте осадка .

,                        (3)

где - динамическая вязкость фильтрата, Па×с; - начальное удельное объемное сопротивление осадка, 1/м.

На основе решения  дифференциального уравнения (3) с  учетом уравнений (1) и (2) разработан метод  расчета фильтрования виноматериалов с учетом сжимаемости осадка, который впервые учитывает изменение фильтровальных свойств осадка по высоте его слоя и во времени.

Придание стабильной прозрачности винам во многом зависит от характера изменения перепада давления на фильтр-картоне с течением времени. Доказано, что повышение разности давлений при постоянной скорости фильтрования обратно пропорционально диаметру поры в четвертой степени. Следовательно, повышение разности давлений связано с уменьшением диаметра пор, т. е. с забиванием пор частицами адсорбируемой примеси.

Для учета этого явления  составлен материальный баланс по количеству адсорбируемой примеси , м³, за некоторый промежуток времени .

,                             (4)

где - усредненные диаметры пор соответственно в начальный                       момент фильтрования и через некоторое время фильтрования , м;        - отношение объема осадка к объему фильтрата, м³/м³; F - поверхность фильтрования, м²; n - число пор на единице поверхности; - коэффициент извилистости пор; V - объем фильтрата, м³.

После преобразований получена зависимость перепада давления от времени:

,                                          (5)

где , - разности давлений за время и в начальный момент фильтрования ; C - константа.

Величина константы C найдена нами экспериментально.

Резюмируя изложенное, можно  заключить, что на основе анализа  особенностей течения жидкостей  в капиллярах, получаемого при  фильтровании виноградных вин и виноматериалов сжимаемого осадка показано, что слои осадка, образованные при фильтрации виноматериалов, сжаты по высоте не одинаково, напряжение сжатия возрастает в зависимости от высоты слоя в направлении движения фильтрата. Разработанная с учетом этого явления математическая модель процесса фильтрации виноградного вина и виноматериалов в слое сжимаемого осадка удовлетворительно согласуется с данными стендового эксперимента и с результатами производственных испытаний работы фильтр-пресса с бельтингом в качестве фильтровальной перегородки.