Мембранные методы разделения жидкостных систем

Общие определения и характеристика мембран.Среди мемб­ранных процессов, которые можно в определенной мере отне­сти к фильтрационным методам разделения жидкостных систем, известны обратный осмос, ультрафильтрация и микрофильтра­ция. Во всех этих процессах в качестве фильтрующих перегоро­док используют так называемые полупроницаемые мембраны. Эти мембраны часто называют молекулярно-ситовыми. В насто­ящее время применение вразличных отраслях народного хо­зяйства находят три вида полупроницаемых мембран: пористые, непористые и жидкие. Для пищевой промышленности и обще­ственного питания используют главным образом пористые мемб­раны. Размер пор таких мембран очень незначителен – не бо­лее 0,5 мкм, а чаще он находится в пределах 10^-7 – 10^-10 м.

В качестве материалов для мембран используют различного рода пленки, изготовленные на ацетатцеллюлозной основе и из некоторых синтетических полимеров.

Применяемые в практике полупроницаемые мембраны характеризуются главным образом двумя показателями – прони­цаемостью и селективностью.

Селективность мембран – это их избирательная способность пропускать те или иные вещества. Проницаемость мембран – это удельная производительность. Она показывает, какое количество фильтрата пропускает мембрана, имеющая поверхность 1 м² за одну секунду.

Мембраны, которые применяют на практике, не обладают идеальной полупроницаемостью, в связи с этим всегда наблю­дается переход вместе с водой и некоторого количества раство­ренного вещества.

Общность процессов обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации заключается также и в том, что для их про­ведения применяют аналогичные по своей конструкции аппа­раты.

Вместе с тем они имеют определенные отличия. Эти отли­чия заключаются в их назначении и конечных целях. Назначе­ние процесса обратного осмоса заключается в разделении растворов, в результате которого молекулы или ионы растворен­ных веществ полностью или частично задерживаются полупро­ницаемыми мембранами. Иногда принято определять обратный осмос как процесс отделения низкомолекулярных веществ, раз­мер частиц которых колеблется от 10^-10 до 10^-8 м.

При обратном осмосе на мембранах задерживаются высокомолекулярные вещества и коллоидные частицы.

При ультрафильтрации выделяют на полупроницаемых мембранах высокомолекулярные фракции жидкостных систем с присутствием или без присутствия низкомолекулярных ве­ществ. Размер частиц этих фракций колеблется в пределах 10^-8 – 10^-7 м.

Наконец, микрофильтрация предназначена для отделения от растворителя частиц, имеющих размер от 10^-7 до 10^-5м.

Сущность процессов ультрафильтрации и обратного осмоса.Явление осмоса (рис. 14, а)заключается в том, что вода (рас­творитель) проходит через мембрану и разбавляет раствор. Яв­ление осмоса лежит в основе многих жизненных процессов. Он способствует обмену веществ в живых организмах. Это явление широко используется во многих отраслях пищевой промыш­ленности и общественном питании. Так, на явлении осмоса ос­новано консервирование путем посола продуктов и путем на­сыщения их сахаром. В этом случае вода из микроорганизмов, которые являются причиной порчи продуктов, проходит через их оболочку в раствор соли или сахара, в результате чего бак­терия погибает из-за обезвоживания. Оболочка бактерии, как оболочка клеток живого организма, представляет собой полу­проницаемую мембрану.

Рис. 14. Схема возникновения обратного осмоса:

а– осмос; б – состояние равновесия; в – обратный осмос

Однако переход растворителя (воды) в раствор не будет продолжаться бесконечно. Он происходит до определенного предела, называемого равновесным состоянием. При достижении равновесного состояния растворитель переходит в раствор и из раствора возвращается в растворитель. Равновесное состояние (рис. 14, б)наступает тогда, когда гидростатическое давление раствора, определяемое разностью уровней между раствором и водой, становится равным осмотическому давлению.

Если на раствор, находящийся в состоянии равновесия с во­дой, оказать давление, превышающее осмотическое, то вода из раствора будет проходить через мембрану в воду, находящуюся в левой части сосуда (рис. 14, в). Это явление в 1953 г. было названо обратным осмосом.

Устройство и принцип работы аппаратов для осуществления мембранных методов разделения.Простейшие схемы двух типов установок представлены на рис. 15. Исходная жидкостная система поступает во внутреннюю полость установки, проходит через полупроницаемую мембрану, расположенную на подложке. Подложку изготовляют из прочного пористого материала – ке­рамики, пористой нержавеющей стали и т. п.

На полупроницаемой мембране оседают частицы или моле­кулы, которые необходимо выделить из исходной жидкости. Фильтрат проходит через мембрану и подложку и удаляется из установки.

Принципиальное отличие обратноосмотических, ультрафильтрационных, микрофильтрационных установок от обычных фильт­рационных установок заключается в том, что в них недопустимо образование осадка на поверхности фильтрующей перегородки. У поверхности мембран со стороны раствора наблюдается повышенная его концентрация. Это неизбежное явление называ­ется концентрационной поляризацией. Оно приводит к снижению селективности мембран, их проницаемости и к существен­ному сокращению их срока службы.

Рис. 15. Схема установок для мембранного разделения жидкостных систем:

а – с плоским расположением мембран: 1 – нижнее основание;

2 – герметизирующая прокладка: 3– верхнее основание;

4 – полупроницаемая мембрана; 5 – подложка; б – с цилиндрическим

расположением мембран: 1 – цилиндрическая подложка;

2 – полупроницаемая мембрана; 3 –корпус установки

Для того чтобы избежать концентрационной поляризации или уменьшить ее отрицательное влияние на селективность и про­ницаемость мембран, прибегают к различным приемам. Так используют различного рода магнитные мешалки, в промышлен­ных аппаратах большой производительности увеличивают ско­рость течения жидкости и устанавливают различного рода турбулизаторы потока.

Промышленные установки для мемб­ранного разделения различных жидкостных систем получили ши­рокое распространение в пищевых производствах. Область их применения непрерывно расши­ряется. В настоящее время их широко применяют в молочной, сахарной промышленности. Они нашли применение в производ­стве соков, сиропов, концентратов, экстрактов. Полученные этими методами продукты (сгущенное молоко и молочная сыво­ротка, сахарные сиропы, концентрированные фруктовые и овощные соки, сгущенные бульоны, экстракты чая, кофе) отличаются более высоким качеством, чем те же продукты, полученные вы­париванием или вымораживанием. В них сохранены все исход­ные ценные компоненты (белки, витамины, ферменты, иммунные тела). Они имеют лучшие органолептические показатели.

Большую роль мембранные методы получили в целях очи­стки сточных вод промышленных предприятий, в том числе пи­щевых и предприятий общественного питания, что весьма благо­приятно сказалось на охране окружающей среды.

РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ СИСТЕМ (ОЧИСТКА ГАЗОВ)

Общие определения и назначение процесса.Под понятием разделения газовых неоднородных систем подразумевают вы­деление из аэрозолей частиц твердой и жидкой дисперсной фазы. Разделение аэрозольных систем преследует две основные цели: технологическую и защитную.

Под технологической целью понимают разделение аэрозоль­ных систем (воздуха и газов), когда последние входят в со­став компонентов, участвующих в проведении тех или иных тех­нологических процессов. Так, для сушки пищевых продуктов ча­сто в качестве сушильного агента используют воздух. Воздух используют также для аэрации массы в бродильных и многих биохимических производствах. Он необходим в аэрозольном и пневмотранспорте.

Во всех приведенных примерах поступающий для проведения технологических процессов воздух должен быть очищен от раз­личного рода механических примесей. В биохимических произ­водствах воздух очищают и от микроорганизмов, т. е. делают его стерильным. С другой стороны, воздух, выходящий из су­шильных установок (для сушки молока, сахара, бульонов, со­ков и других продуктов), содержит частицы этих продуктов. На­личие ценных пищевых компонентов имеет место в воздухе, выходящем из аэрозольных и пневмотранспортных устройств, мельничных и дробильных установок.

Выделение из воздуха, выходящего из подобного рода уста­новок и устройств, ценных компонентов – необходимое условие, повышающее выход продукта и экономичность всего производ­ства.

Когда говорят о защитной цели очистки аэрозолей, имеют в виду прежде всего защиту человека и окружающей среды от нежелательного воздействия на них различных примесей, содер­жащихся в воздухе или газах, выходящих из энергетических или технологических установок.

Способы очистки газа.В настоящее время различают следу­ющие основные способы разделения или очистки газовых си­стем: осаждение под действием силы тяжести; осаждение под действием центробежных сил; фильтрование; мокрая очистка; осаждение под действием электростатических сил.

Осаждение под действием силы тяжести применяют в том случае, когда дисперсная фаза аэрозолей имеет достаточно круп­ные и тяжелые частицы размером более 100 мкм. В газоочистителях газ многократно изменяет направление своего дви­жения. За счет инерции частицы в местах резкого изменения направления движения отделяются от основного потока газа и оседают вниз.

Для осаждения под действи­ем центробежных сил применяют циклоны (рис. 16), которые по своему принципу действия анало­гичны гидроциклонам. Аэрозоль подается в циклон со скоростью 20-25 м/с. Под действием цент­робежной силы частицы дисперс­ной фазы отбрасываются к стен­кам корпуса и опускаются в сбор­ник. Очищенный газ выходит на­ружу.

В промышленных условиях для более эффективной очистки газов используют не один циклон больших размеров, а батарею циклонов, которые часто называют мультициклонами.

Рис. 16. Схема циклона:

1 – корпус; 2 – выходная труба; 3 – входная труба;

4 – сборник частиц дисперсной фазы

Циклонная очистка газов применяется в тех случаях, когда надо выделять частицы, имеющие размер более 10 мкм. Степень разделения составляет 70-95 %.

Среди различных способов очистки газов фильтрованием наи­большее распространение получили те из них, в которых исполь­зуются рукавные фильтры (рис. 17). Аэрозоль через патрубок для входа попадает во внутренние полости рукавов, изготовленных из каких-либо фильтрующих тканей. Частицы твердых веществ оседают на поверхности ткани. За счет специального встряхивающего механизма и общей подвески рукава периоди­чески подвергаются механическому встряхиванию. Накопленный слой твердых частиц под воздействием этого сбрасывается вниз в сборный бункер, оснащенный специальным разгрузочным уст­ройством. Одновременно со встряхиванием в фильтровальную камеру подают воздух, который пронизывает фильтры с наруж­ной стороны и способствует освобождению их от осевших ча­стиц.

Воздух для обдува должен иметь температуру выше точки росы, иначе пары, содержащиеся в нем, начнут конденсироваться и увлажнять фильтры и частицы, осевшие на нем. В этом слу­чае будет происходить так называемое зависание фильтров.

Рукавные фильтры позволяют осуществлять очистку высо­кодисперсных аэрозольных систем (пылей), имеющих размер ча­стиц дисперсной фазы в порядке 10 мкм и менее. Степень очи­стки на них высокая и достигает 98-99 %.

Для получения стерильного воздуха, т. е. для удаления из него микроорганизмов, применяют различные полимерные нетканые фильтровальные материалы, содержащие бактерицид­ные вещества. Известны фильтры для очистки воздуха от микро­организмов и без применения бактерицидных веществ. Они представляют собой камеры, в которых устанавливаются рамы со стекловолокном, базальтовым волокном или губчатые пенопласты.

Рис. 17. Схема рукавного фильтра:

1 –патрубок для входа аэро­золя; 2 – корпус фильтровой камеры;

3 –матерчатый рукав; 4 –подвеска; 5 – патрубок для выхода очищенного газа; 6 –встряхивающий механизм; 7 – сборный бункер; 8 –разгрузоч­ный патрубок

Тонкодисперсные аэрозольные системы можно очищать также, используя мокрую очистку газов. Это по существу про­мывка газа водой или какой-либо другой жидкостью. Суть этой очистки заключается в том, что газ движется через слой жидко­сти или проходит через камеру, в которой распыливается вода (рис. 18).

Рис. 18. Схема установки для мокрой очистки газов:

1 – патрубок для входа аэрозоля; 2 – корпус ус­тановки;

3 – коллектор фор­сунок; 4 – патрубок для выхода очищенного газа;

5 – патрубок для выхода смеси воды и частиц дис­персной фазы

При подъеме аэрозоля в камере установки происходит сталкивание частиц его дисперсной фазы с капельками воды. Агломераты капелек воды и частиц оседают вниз. Уста­новки для мокрой очистки газов называют скрубберами. Сте­пень очистки газа в скрубберах зависит от размеров частиц. Если для частиц размером 5-30 мкм степень очистки состав­ляет 95-98 %, то для частиц 2-5 мкм эта величина снижается до 85-90 %.

Суть работы устройств для осаждения под действием элект­ростатических сил заключается в том, что фильтровальная камера имеет два электрода (рис. 19). Под действием электри­ческого поля происходит ионизация газа и частицы начинают двигаться к тому или другому электроду в зависимости от их заряда. Образовавшийся слой частиц с электрода и стенок ка­меры опускается вниз и через выгрузной патрубок отводится из нее. В электроочистителях используют постоянный ток. В силу ряда причин, главная из которых связана со сложностью соблю­дения условий безопасной работы, электроочистители в пищевой промышленности применения почти не нашли.

Рис. 19. Схема установки для электроочистки газов:

1 – выгрузной патрубок; 2 – камера; 3 – электрод;

4 – патрубок для выхода очищенного газа;

5 – па­трубок для входа неочи­щенного газа

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Сущность и назначение измельчения.В общем виде процесс измельчения можно определить как деление какого-то твердого (или условно твердого) материала на части. Любой процесс измельчения сопровождается увеличением поверхности контакта исходного материала с окружающей средой, сохранением объ­ема материала и увеличением количества частей или частиц ма­териала.

Процессы измельчения, которые часто называют процессами дезинтеграции, различного рода сырья и материалов имеют ог­ромное распространение во многих отраслях народного хозяй­ства. В общественном питании измельчение осуществляют в сле­дующих целях: для подготовки сырья к приготовлению пищи, придания продукту требуемой консистенции, порционирования продукта, утилизации отходов сырья и остатков пищи.

Значительная часть продуктов, используемых в обществен­ном питании, при измельчении легко поддается деформации и имеет большую влажность: мясо, хлеб, овощи, рыба и т. д. Эти продукты могут быть отнесены к условно твердым.

Классы и степень измельчения.В зависимости от размеров кусков исходного материала и конечного продукта измельчение подразделяют на два основных вида: дробление и помол, или размол. Дробление – это процесс измельчения крупных кусков, помол – мелких. Дробление и помол в свою очередь подразде­ляются на несколько классов (табл. 1).

Таблица 1. Классификация дробления и помола

Класс измельчения	Размер кусков исходного материала, мм	Размер кусков (частиц) измельченного материала, мм
Дробление:
крупное
среднее
мелкое		1-5
Помол:
грубый	1-5	0,1-0,04
средний	0,1-0,04	0,015-0,005
тонкий	0,1-0,04	0,005-0,001
коллоидный	0,1	менее 0,001

Способы измельчения. Способы измельчения (рис. 20) под­разделяют на следующие: раздавливание, раскалывание, раз­ламывание, резание, распиливание, истирание, измельчение с помощью удара.

При раздавливании под действием нагрузки, создаваемой си­лой F на нажимную плиту, материал деформируется по всему объему. При этом внутреннее напряжение в нем постепенно повышается. При повышении внутреннего напряжения выше пре­дела прочности сжатия материал разрушается. При этом обра­зуются частицы различного размера и различной формы.

Рис. 20. Способы измельчения:

а – раздавливание; б – раскалывание с опорной плитой;

в – раскалывание между клинообразными рабочими элементами;

г – разламывание; д – резание; ж – рас­пиливание; з – истирание;

и –измельчение при стесненном ударе; к –измельче­ние при свободном ударе:

1 – опорная плита; 2 –измельчаемый материал; 3 – нажимная плита;

4 – клинообразный рабочий инструмент; 5 –опоры; 6 –нож;

7 – пила; 8 –ударяющий инструмент

Процесс раскалывания осуществляется за счет создания боль­ших концентраций нагрузок в местах контакта материала с кли­нообразным рабочим элементом, на который воздействует сила F.

Процесс разламывания осуществляется за счет воздействия изгибающих сил F. Размеры и форма получаемых частиц при­мерно такие же, как и при раскалывании.

Процесс резания осуществляется лезвиями (ножами), под действием которых создается усилие F, направленное под опре­деленным углом к измельчаемому материалу. Кроме того, ножи совершают движение в плоскости, параллельной плоскости раз­деления материала. При резании материал можно измельчить на части заранее выбранных размеров и форм.

Распиливание осуществляется за счет использования пил, зу­бья которых представляют собой ножи. Воздействие пилы осу­ществляется путем нажима ее на измельчаемый материал, а также перемещения пилы в плоскости измельчения. Процесс распиливания легко управляем, что позволяет получить куски требуемых размеров.

Процесс истирания применяется при тонком и коллоидном помолах. Этот процесс осуществляется под воздействием на ма­териал сил, возникающих за счет перемещения опорной и на­жимной плит в противоположные стороны. На нажимную плиту оказывает внешнее воздействие сила F.

Процесс дробления за счет удара может быть осуществлен в двух вариантах: стесненным ударом, осуществляемым каким-либо твердым ударяющим инструментом, и свободным ударом за счет столкновения измельчаемого материала с твердой по­верхностью опорной плиты.

Машины и аппараты для измельчения. Эти машины, применяемые в пищевой промышленности и общественном питании, характеризуются большим многообразием конструктивных форм.

Ниже рассмотрены лишь некоторые из типов машин и аппа­ратов для измельчения.

Щековая дробилка (рис. 21) работает на принципе раздав­ливания. Материал, подвергаемый измельчению, загружают между щек. За счет усилий, оказываемых на подвижную щеку, материал раздавливается.

Рис. 21. Схема щековой дробилки:

1 – неподвижная щека; 2 – измель­чаемый материал; 3 – подвижная щека

В конусных дробилках (рис. 22) дробле­ние осуществляется за счет раздавливания и истирания. Исходный материал загружается в пространство, образованное между наружным неподвижным и внутренним вращаю­щимся конусами. Последний расположен экс­центрично по отношению к наружному конусу. Во многих конусных дробилках внутренний конус имеет изменяющуюся ось вращения, т. е. приводной вал, вращаясь, описывает ко­нусообразную поверхность.

Достаточно широкое распространение имеют вальцовые, или валковые, дробилки (рис. 23). Измельчаемый материал захваты­вается вальцами и, проходя между ними, дробится. Вальцовые дробилки работают на принципе раздавливания и истирания. Известны вальцовые дробилки, у которых оба вальца имеют одинаковую частоту вращения, а также у которых один из вальцов вращается с меньшей частотой, чем другой. В этом случае эффект истирания усиливается.

Рис. 22. Схема конусной дробилки:

1 – наружный неподвиж­ный конус; 2 – измельчае­мый материал;

3 –внутрен­ний подвижный конус

По принципу измельчения за счет стесненного удара рабо­тают молотковые дробилки (рис. 24). Через загрузочный бун­кер измельченный материал поступает в рабочую камеру, где он подвергается воздействию молотков, насаженных на стержни, вращающиеся вокруг центральной оси. Измельченный материал выходит из камеры через перфорированное днище.

Рис. 23. Схема вальцовой (валковой) дробилки:

1, 3 – вальцы (валки); 2 – измельчаемый материал

Рассмотренные машины и аппараты предназначены для круп­ного, среднего и мелкого дробления. В некоторых из них можно осуществлять грубый помол.

Далее рассмотрим аппараты, на которых производят грубый и средний помолы. На принципе стесненного удара и истирания работают дисковые дробилки, часто называемые дезинтеграто­рами (рис. 25). Из загрузочного бункера измельчаемый мате­риал поступает в камеру дезинтегратора и попадает между паль­цами неподвижного и подвижного дисков. В зазорах между пальцами происходит дробление. Измельченный продукт выхо­дит через разгрузочный патрубок. В некоторых дезинтеграторах вращаются оба диска с пальцами, вращение их осуществляется в разные стороны.

Рис. 24. Схема молотковой дробилки:

1– загрузочный бун­кер; 2 – измельчаемый материал; 3 – рабочая камера;

4 –молотки; 5 – перфорированное днище

Рис. 25. Схема дисковой дробилки (дискового дезинтегратора):

1 – разгрузочный патрубок; 2 – камера; 3 – вращающийся диск; 4 – пальцы;

5 – загрузочный бункер; 6 – приводной вал; 7 – неподвижный диск

В промышленности широко применяются шаровые мельницы. Принцип их работы основан на использовании удара и истира­ния. Шаровые мельницы представляют собой цилиндр, вращаю­щийся вокруг своей оси (рис. 26). Внутренняя полость ци­линдра заполнена шарами, изготовленными из твердых мате­риалов, чаще всего металла. Шары вместе с измельчаемым материалом при вращении корпуса мельницы поднимаются на некоторую высоту, затем под действием силы тяжести они падают и ударяют по материалу, заключенному между ними.

По принципу истирания работают измельчители, в которых в качестве рабочих органов используют жернова.

Рис. 26. Схема перемещения шаров в шаровой мельнице:

1 – корпус; 2 –измельчаемый материал; 3 –шары

Измельченный материал через коническое отверстие в верх­нем жернове поступает в зазор между ним и нижним жерновом. В этом зазоре происходит измельчение. Оба жернова враща­ются в разные стороны.

Все рассмотренные выше аппараты предназначены для из­мельчения твердых материалов и продуктов. Однако в общественом питании и пищевой промышленности часто возникает необходимость измельчения сырья и продуктов, которые со­стоят из твердых и мягких компонентов. К такому ценному сы­рью относятся, например, мясокостная, в частности реберная, часть мясных туш, позвоночник рыбы.

В настоящее время для измельчения мясокостного сырья при­бегают к его предварительному замораживанию при температу­рах 30-20 °С. Замораживание сырья позволяет измельчить его до частиц размером 10-50 мкм. Такое тонкое измельчение позволяет использовать мясокостное сырье в фаршах, особенно при производстве некоторых видов колбас, колбасок, котлет, люля-кебаба и т. п.

В общественном питании достаточно тонкому измельчению в больших количествах подвергают вареные овощи, свежие ягоды и фрукты. Для этой цели служат специальные измельчительные машины, называемые протирочными. В настоящее время известно много разных типов протирочных машин и устройств.

Рассмотрим их работу на примере протирочной машины для ягод и фруктов (рис. 27). Продукт, подвергаемый протирке, поступает из бункера в перфорированный цилиндр, в котором расположены вращающиеся рабочие лопасти. Центробежной си­лой продукт прижимается к перфорированному цилиндру. Под воздействием лопастей происходит его раздавливание и исти­рание. Будучи измельченным до пастообразного вида, продукт через перфорацию цилиндра поступает в корпус и оттуда в раз­грузочный патрубок.

Резание. Резание занимает в общественном питании наиболее важное место среди других процессов из­мельчения продуктов. Резанию подвергается большинство видов сырья, полуфабрикатов и про­дуктов.

Основная цель процесса резания заключается в разделении первона­чального продукта на части. Во мно­гих случаях эти части должны иметь определенную форму и размеры, а также требуемое качество поверх­ности среза.

Рис. 27. Схема протирочной машины для ягод и фруктов:

1 – разгрузочный патрубок; 2 –корпус; 3 –перфорированный цилиндр;

4 – приемный бункер; 5 – рабочие лопасти; 6 – приводной вал

ПРЕССОВАНИЕ

Сущность и назначение процесса.Сущность прессования заключается в том, что на продукт оказывают давление, под действием которого происходит изменение его свойств.

Среди механических процессов процесс прессования зани­мает промежуточное место. Прессование применяется и для создания однородных систем, и для их разделения.

В пищевой промышленности и общественном питании про­цессы прессования подразделяют на следующие виды: отжатие, предназначенное для отделения жидкости от влагосодержащих продуктов; формование и штамповка, предназначенные для придания продуктам, полуфабрикатам определенной гео­метрической формы; собственно прессование и брикетирова­ние, предназначенные для уплотнения сыпучих материалов или каких-либо разрозненных частиц в плотные агрегаты; экстру­зия, предназначенная для одновременного воздействия на про­дукт прессования и нагревания.

Отжатие в общественном питании осуществляется с двоя­кой целью. Во-первых, для отделения жидкости как более цен­ного компонента от твердого продукта. Обычно таким образом получают различные соки для последующего приготовления из них киселей, муссов, соусов.

Во-вторых, для отделения жидкости как менее ценного ком­понента от твердого продукта. Например, отделение сыворотки от творога при приготовлении некоторых кулинарных изделий из него.

Таким образом, отжатие – типичный процесс разделения твердых систем, содержащих жидкие фракции. Одновременно он является и процессом образования однородных систем, так как в результате получают однородную жидкость и однород­ный твердый уплотненный остаток, который может иметь форму брикета.

Формование и штамповка наиболее часто применяются в общественном питании при изготовлении кондитерских изде­лий и продуктов из теста, а также при приготовлении котлет и т. п. При этом процессе не происходит разделения системы. К процессам формования и штамповки может быть отнесена экструзия, при которой происходят формовка и изменение структуры материала.

Собственно прессование или брикетирование применяют для производства, например, мясных формованных продуктов из отдельных кусков после их варки, а также брикетов из от­ходов сырья и остатков пищи. В результате этих процессов получают однородную массу в виде брикетов, плит.

Экструзией называют процесс продавливания материала через профилирующие головки, в результате которого полу­чают продукт требуемой формы. При этом необходимо, чтобы материал продавливался при соответствующих температурах и давлениях. Давление создается специальными прессующими устройствами.

Экструзию все шире применяют в пищевых производствах и общественном питании. Этот процесс открывает большие перспективы при производстве многих продуктов.

Продукты, получаемые с помощью экструзии, имеют повы­шенные питательные свойства, меньшую плотность, большую гигроскопичность и хрупкость. Они лучше усваиваются орга­низмом человека. При экструзии овощей, мучных изделий они подвергаются бланшированию, которое задерживает окисли­тельные процессы и их порчу.

В качестве примера экструзионных процессов можно при­вести приготовление концентратов кулинарных соусов, не тре­бующих варки. Термообработка соусов осуществляется одно­временно с прессованием.

Основные факторы, влияющие на прессование.На про­цессы прессования оказывают влияние следующие основные факторы: величина давления; свойства и состав материала, осо­бенно его прочность и пористость; размеры материала; продол­жительность процесса прессования; термические условия про­ведения процесса; толщина прессуемого слоя.

В общем случае с увеличением давления эффективность прессования повышается. Однако величина давления при прес­совании ограничена технологическими особенностями произ­водства. Избыточное давление часто ведет к потерям ценных компонентов продукта, попаданию в готовый продукт отходов. Например, при отжатии плодов избыточное давление приводит к тому, что в сок попадают частицы кожуры или косточек. Кроме того, увеличение давления при прессовании связано с перерасходом энергии.

Совершенно очевидно, что при прессовании прочных, мало­пористых продуктов эффективность процесса уменьшается. Та­кие продукты в меньшей степени подвержены уплотнению, чем мягкие и пористые. Продукты, подвергающиеся брикетирова­нию, не должны содержать компонентов, несовместимых друг с другом. Наоборот, они должны обладать взаимной лип­костью. Для этих целей, например, при брикетировании в про­дукт добавляют связующую жидкость. Эффективность прессо­вания зависит от взаимного сцепления частиц, а также дейст­вия капиллярных сил, возникающих вследствие уплотнения частиц.

Обратно пропорциональное влияние на эффективность про­цесса прессования оказывает размер прессуемого материала. Поэтому при прессовании часто прибегают, когда это воз­можно, к предварительному измельчению исходного материала. Эффективность прессования находится в прямо пропорциональной зависимости от продолжительности процесса. В об­щем можно утверждать, что с увеличением продолжительности эффективность процесса прессования возрастает.

Наконец, о термических условиях проведения процесса. Здесь тоже есть определенные зависимости, которые связаны со свойствами материала и эффективностью процесса прессо­вания. Во многих случаях при отжатии сока из плодов их под­вергают нагреванию, которое способствует разрушению струк­туры и улучшению соковыделения. Нагревание используют при брикетировании.

Толщина прессуемого слоя обратно пропорциональна эф­фективности прессования. С увеличением толщины прессуе­мого слоя эффективность прессования резко падает. Например, при прессовании слоя творога высотой 150 мм продолжитель­ность процесса составляет около 25 мин. При уменьшении высоты слоя в 2 раза продолжительность прессования сокра­щается в 5 раз.

Аппараты для прессования (прессы).Эти аппараты характе­ризуются большим многообра­зием: прессы специального на­значения, прессы универсального назначения. Ниже рассмотрены лишь основные типы прессов.

К числу прессов специального назначения относятся гид­равлические прессы (рис. 28). На материал, подвергаемый прессованию, оказывает усилие поршень большого цилиндра, в котором на основе закона Паскаля создается такое же дав­ление, как в малом цилиндре.

Рис. 28. Схема гидравлического пресса:

1 – поршень малого цилиндра; 2 –поршень большого цилиндра;

3 –прессуемый материал; 4 – неподвижная плита

Суммарное усилие на поршень в малом цилиндре будет равно

P_м = πd₁²p/4, (2)

где р – давление, Па; d₁ – диаметр малого цилиндра, м.

Соответственно суммарное усилие на поршень в большом цилиндре можно определить по формуле

P_б = πd₂²p/4, (3)

где d₂ – диаметр большого цилиндра, м.

Соотношение сил давления (суммарных усилий) в большом и малом цилиндрах на основании формул (2 и 3) можно записать так:

P_м/P_б = d₂²/d₁². (4)

Для отжатия применяют различного рода шнековые прессы (рис. 29). Сырье из загрузочного бункера поступает в перфо­рированный конус, внутри которого вращается шнек. Жид­кость, выделяемая из сырья под воздействием усилий, созда­ваемых шнеком, собирается внизу корпуса и выходит через патрубок. Величина создаваемого шнеком усилия регулируется размером за­зора между перфорированным ко­нусом и регулирующей пробкой. Чем меньше этот зазор, тем больше создаваемое усилие. Через этот за­зор выходит отжатый (обезвожен­ный) продукт.

Рис. 29. Схема шнекового пресса для отжатия:

1 – загрузочный бункер; 2 –корпус; 3 – перфорированный конус;

4 – конический шнек; 5 – регули­рующая пробка;

6 –патрубок для выхода жидкости; 7 – приводной вал

Среди формовочных аппаратов, которые также могут выполнять отжатие, наиболее известны барабан­ные (рис. 30). Формуемый мате­риал (тесто) с приемного лотка захватывается принимающим бара­баном. Далее на него воздействует штампующий барабан, на котором нанесен штамп рисунка. Отводя­щим барабаном материал, на который нанесен рисунок, пода­ется на лоток для готового продукта.

Для приготовления различных хлебобулочных изделий ши­роко используют ленточные формовочные аппараты (рис. 31). Они называются также прокаточными. Продукт, подлежащий формованию, пропускают между движущимися навстречу друг другу лентами (ленточными транспортерами).

Рис. 30. Схема барабанного формовочно-штамповочного аппарата:

1 – формуемый материал; 2 –приемный ло­ток; 3 – принимающий барабан;

4 – штам­пующий барабан; 5 – отводящий барабан;

6 – лоток для готового продукта; 7 – гото­вый продукт

Рис. 31. Ленточный формовочный аппарат:

1, 3 – ленты; 2 –про­дукт

Для осуществления экструзионных процессов применяют различные экструдеры. На рис. 32 представлена схема чер­вячного экструдера. Продукт, подлежащий экструзии, загру­жают в бункер. В зоне загрузки цилиндр имеет полост