Концентрирование жидких и пюреобразных продуктов |
С целью сокращения объемов хранения плодовых и овощных жидких полуфабрикатов, а также для получения готового консервированного продукта на предприятиях используется процесс кон¬центрирования, сущность которого заключается в повышении концентрации растворенных веществ за счет удаления воды путем выпаривания, вымораживания, ультрафильтрации (обратного осмоса).
Повышение содержания сахаров и кислот угнетающе действует на жизнедеятельность микроорганизмов.
Процесс концентрирования является одним из основных при производстве концентрированных плодовых соков, томатной пасты, варенья, повидла и т. п.
Выпаривание
Удаление влаги из продукта при кипении (выпаривании) — наиболее широко распространенный способ концентрирования.
Пищевые продукты, подвергаемые концентрированию, представляют собой сложную систему, в которой кроме истинных растворов в воде Сахаров, органических кислот, минеральных солей и других веществ содержатся взвешенные частицы различной степени дисперсности.
Выпаривание воды сопровождается сложными физико-химическими изменениями. В процессе выпаривания увеличиваются плотность продукта и его вязкость. Под действием тепла происходит коагуляция белков, некоторый гидролиз сложных органических соединений, а также реакции соединения — меланоидинообразования, карамелизации и ряд других.
Таким образом, при концентрировании непрерывно изменяются основные свойства продукта. Поэтому подбор режимов и условий концентрирования является важнейшей работой в создании технологического процесса и устройств для концентрирования пищевых продуктов.
Важнейший способ удаления воды из пищевых продуктов при концентрировании — дистилляция.
Выпаривание проводят при таком режиме, при котором можно наиболее полно сохранить ценные компоненты продукта и свойственные ему цвет, вкус и запах. Это можно достигнуть при низких температурах кипения и кратковременном пребывании продукта в выпарных аппаратах.
Для нагревания массы до температуры кипения можно применять любой теплоноситель, но в пищевой промышленности, как правило, используют водяной пар, который называют греющим или первичным в отличие от вторичного (сокового) пара, образующегося при выпаривании растворов.
Процесс можно проводить при атмосферном давлении или под вакуумом.
При выпаривании при атмосферном давлении вторичный пар обычно отводят в атмосферу. Этот способ является наиболее простым, но малоэкономичным, ухудшающим качество продукта за счет высокой температуры нагрева.
При выпаривании под вакуумом точка кипения раствора снижается, и это позволяет использовать для обогрева выпарных аппаратов пар низкого давления. Достоинством вакуум-аппаратов являются уменьшение потерь тепла в окружающую среду и увеличение полезной разности между температурами греющего пара я кипящего раствора.
Выпаривание может осуществляться в одном выпарном аппарате (однокорпусная установка) либо в нескольких последовательно установленных аппаратах (многокорпусная установка).
Однокорпусная установка применяется для выпаривания относительно небольшого количества жидкости, когда экономия теплоты не имеет большого значения.
Схема непрерывно действующей однокорпусной установки, работающей под вакуумом, представлена на рис. 37.
Исходный раствор из сборника 1 подается насосом 2 в подогреватель 5, где он нагревается до кипения. Отсюда раствор направляется в выпарной аппарат 4 для выпаривания.
Греющий пар подается в межтрубное пространство подогревателя и выпарного аппарата. Образующийся вторичный пар вместе с воздухом направляется через каплеуловитель 5 в барометрический конденсатор 6, где при смешивании с водой пар конденсируется, а воздух из верхней части конденсатора через ловушку 7 откачивается вакуум-насосом.
Конденсат вместе с водой в виде так называемой барометрической воды отводится из корпуса конденсатора 6 самотеком через барометрическую трубу 8 и барометрический затвор 9.
Рис. 37. Схема однокорпусной выпарной установки.
Рис. 38. Схема многокорпусной прямоточной выпарной установки:
1, 2 - подогреватели; 3, 4, 5 - корпуса выпарной установки; 6 - насос для упаренного раствора; 7 - барометрический конденсатор.
Сгущенный до нужной концентрации раствор откачивается в сборник готового продукта.
Многокорпусная выпарная установка (рис. 38) состоит из нескольких однокорпусных выпарных аппаратов, соединенных последовательно. В этих установках для обогрева второго и последующего корпусов используется вторичный (соковый) пар. Передача тепла осуществляется за счет разности между температурой греющего пара и температурой кипения раствора. Пониженная температура кипения достигается снижением давления в каждом последующем аппарате по сравнению с предыдущим.
В прямоточной выпарной установке благодаря перепаду давлений раствор из предыдущего корпуса в последующий переходит самотеком параллельно протекающему пару. При переходе из предыдущего корпуса в следующий раствор оказывается перегретым вследствие того, что попадает в пространство с более низкой температурой и меньшим давлением. В результате самоиспарения удаляется некоторое количество воды.
Соковый пар из последнего корпуса поступает в барометрический конденсатор.
В противоточной установке (рис. 39) применено встречное взаимное движение упариваемого раствора и греющего пара. Раствор поступает в последний корпус и в концентрированном виде выходит из первого в случае нумерации корпусов по пару.
Поскольку давление в корпусах по мере передвижения продукта увеличивается, он передается из корпуса в корпус насосами.
Рис. 39. Схема многокорпусной противоточной выпарной установки.
В данной схеме концентрированный продукт находится при более высокой температуре, чем исходный продукт. Это обеспечивает снижение вязкости продукта, что облегчает его перекачку и предупреждает образование нагара на поверхностях нагрева.
Выпарные аппараты, используемые для концентрирования соков, должны обеспечивать быстрое проведение процесса выпаривания без заметного ухудшения цвета, вкуса и химического состава. Они должны быть экономичны, т. е. обладать высокой испарительной способностью при относительно невысоком расходе греющего пара, обеспечивать непрерывную работу и удобство обслуживания.
Регулирование процесса выпаривания должно проводиться автоматически. Для сгущения соков наиболее подходящими являются пленочные выпарные аппараты непрерывного действия.
В ВНР разработан трехкорпусный выпарной аппарат типа ЛБ-6 (рис. 40), работающий по принципу падающей пленки. Сок перед поступлением в корпус I проходит последовательно через теплообменник и подогреватель, где нагревается выходящим соком и вторичным паром из корпусов II и III. В корпусе I сок нагревается до 80 °С острым насыщенным паром и влага частично испаряется. Сок и водяные пары стекают одновременно вниз по трубам испарителя в сепаратор, где происходит разделение пара и частично сконцентрированного сока. Вторичный пар из сепаратора корпуса I используется для обогрева корпусов II и III.
Частично сконцентрированный сок из корпуса I поступает в корпус II, где испарение происходит при температуре 60-65 °С. Концентрат из корпуса II проходит через подогреватель, в котором вторичными парами из корпуса I нагревается за несколько секунд до 70 °С и переходит в корпус III. Концентрирование сока в этом корпусе до 72% сухих веществ осуществляется при 40-50 °С.
Вторичные пары из корпусов II и III поступают в барометрический конденсатор. Продолжительность пребывания сока в установке примерно 8 мин.
Качество концентрата по химическим показателям характеризуется содержанием в нем 5-гидрооксиметилфурфурола (5-ОМФ). Этот показатель выбирается потому, что между ухудшением качества продукта под влиянием температуры и количественным содержанием в соке 5-ОМФ существует прямая зависимость.
В натуральном, хорошего качества соке 5-ОМФ не содержится. В связи с этим наличие 5-ОМФ можно считать показателем, характеризующим работу выпарных установок.
Экспериментально установлено предельно допустимое значение 5-ОМФ, равное 5 мг/л. Превышение этого предела свидетельствует о неудовлетворительном ведении процесса выпаривания.
При правильном ведении процесса концентрирования на установке JIB-6 содержание 5-ОМФ в концентрате колеблется от 0,7 до 1,5 мг/л, т. е. значительно ниже допустимого предела.
Для концентрирования термолабильных ягодных и цитрусовых соков фирмой «Единство» (СФРЮ) разработан низкотемпературный выпарной аппарат с двумя испарителями типа NTI (рис. 41).
Испарение и конденсация достигаются при помощи циркулирующего аммиака или другого холодильного агента в жидком и газообразном состоянии.
Рис. 40. Трехкорпусный выпарной аппарат типа ЛБ-6:
I, II, III - корпуса выпарного аппарата; 1 - подогреватель; 2 - теплообменник; 3 - подогреватель сгущенного сока; 4 - конденсатор-дефлегматор; 5 - резервуар для воды; 6 - вакуум-насос; 7 - барометрический конденсатор; 8 - шнековый насос; 9 - паросборник; 10 - пульт управления.
Рис. 41. Низкотемпературный двухкорпусный выпарной аппарат:
1 - охладитель; 2 - испаритель; 3 - сепаратор; 4 - испаритель аммиака; 5 - насос для конденсата; 6 - испарительный бак; 7 - циркуляционный насос; 8 - резервуар для аммиака; 9 - компрессор; 10 - пульт управления.
Сжатые пары аммиака через газоохладитель поступают в испаритель, где конденсируются, отдавая тепло на испарение продукта. Жидкий аммиак стекает в резервуар, а оттуда в аммиачный испаритель. Испаритель одновременно действует как конденсатор. Когда пар из продукта конденсируется и свою скрытую теплоту испарения отдает жидкому аммиаку, тот испаряется. Пары аммиака засасываются компрессором. Частично сконденсированный сок из испарителя первого корпуса через сепаратор поступает в испаритель второго корпуса. В межтрубное пространство этого испарителя подаются соковые пары из сепаратора первого корпуса. Здесь осуществляется окончательное концентрирование сока до 50-70%. Продукт перекачивается циркуляционными насосами.
В установке поддерживается вакуум в пределах 90-92 кПа. Низкая температура выпаривания в сочетании с быстрым прохождением сока через аппарат обеспечивает получение продукта высокого качества как по органолептическим, так и по физико-химическим показателям (табл. 7).
| Таблица 7 Показатели качества яблочного сока до и после концентрирования | |||||
| Сок | Сухие вещества (по рефрактометру), % | Кислотность по яблочной кислоте, % | Витамин С, % | Сахар, % | Оптическая плотность |
| Исходный Деароматизированный Концентрированный |
10,8 11,5 70,4 |
1,03 1,06 3,98 |
2,34 1,67 13,71 |
9,0 9,2 59,8 |
0,1767 0,1800 0,1810* |
| * После разбавления концентрата до 11% сухих веществ. | |||||
Цвет сока, определенный по оптической плотности, при кон¬центрировании изменяется незначительно, что свидетельствует о благоприятных условиях выпаривания.
Другую возможность относительно щадящего и непрерывного выпаривания в тонком слое представляют пластинчатые выпарные аппараты.
Выпарной аппарат (рис. 42) состоит из набора пластин, смонтированных на общей раме, как и у пластинчатых теплообменников. Сок подается в левую часть 1 выпарного аппарата и проходит через половину пластины 2 для продукта, которая нагревается паровой пластиной 3. Частично сконцентрированный продукт и пар поступают в сепаратор 5, где продукт разделяется и насосом 4 перекачивается в правую сторону пластины 6 для продукта. Конечный концентрат попадает в сборник 7, откуда он перекачивается насосом 8. Пар из обеих половин пластины через сепаратор поступает в конденсатор.
Установки такого типа выпускаются английской фирмой APV. Очень хорошие результаты можно получить, применяя эту установку для концентрирования цитрусовых соков, включая грейпфрутовый.
Другой конструкцией, принцип работы которой аналогичен принципу пластинчатого выпарного аппарата, является выпарной радиально-проточный аппарат с неподвижным пакетом конусных тарелок (рис. 43) и с вращающимся пакетом (рис. 44).
Между коническими тарелками, расположенными одна в другой с некоторым зазором, попеременно проходят пар и сок. Сок с образовавшимся паром от центра течет по зазору к периферии, разделяясь при этом на две фазы: жидкую (концентрат) и паровую. Использование вращающегося пакета позволяет за счет центробежной силы сократить продолжительность пребывания продукта до долей секунд. Этим же достигается толщина выпариваемого слоя жидкости не более 0,1 мм.
Рис. 42. Схема пластинчатой выпарной установки:
а - паровая камера; б - камера для продукта.
Рис. 43. Радиально-поточный выпарной аппарат.
Рис. 44. Центробежный выпарной аппарат (центритерм):
а - подача продукта; б - выход концентрата; в - подача греющего пара; г - выход конденсата греющего пара в конденсатор; д - выход соковых паров.
Такая выпарная установка позволяет концентрировать плодово-ягодные и овощные соки при минимальной тепловой нагрузке в одном цикле до высокого содержания сухих веществ (до 85%).
Выбор подходящей выпарной установки определяется видом обрабатываемого продукта. Кроме того, необходимо учитывать следующие аспекты: требуемая производительность по продукту и по испаренной влаге; степень концентрации, содержание сухих веществ в исходном продукте; теплочувствительность продукта, возможная температура и продолжительность обработки; реологические свойства продукта, тенденция к пригоранию; расходы на установку и эксплуатацию в зависимости от испарительной способности греющей поверхности.
В зависимости от специфических свойств продукта и технологических критериев (продолжительность обработки и пределы вязкости) можно приблизительно определить тип выпариваемого аппарата (табл.8).
При возможности выбора одной из нескольких типов выпарных установок наряду с таким фактором, как качество сока, необходимо учитывать и чисто экономические — потребность в паре, воде, габаритные размеры установки и т. д.
Концентрирование ароматических веществ
Извлекать ароматические вещества желательно вскоре после прессования. Процесс улавливания ароматических веществ включает в себя их отгон, затем концентрирование с помощью абсорбции, экстрагирования и перегонки. В настоящее время улавливание ароматических веществ производится в отдельной установке перед концентрированием.
| Таблица 8 Продолжительность пребывания продукта в установке и допустимые пределы вязкости | |||
| Тип аппарата |
Количество ступеней |
Продолжительность обработки |
Границы вязкости, Н-с/м2 |
| Вакуум-выпарная установка периодического действия многоступенчатая непрерывного действия |
1 3 |
От одного до нескольких часов До 1 ч |
— — |
| Выпарной аппарат непрерывного действия: с падающей пленкой с неподвижным пакетом конических тарелок с вращающимся пакетом конических тарелок |
1 2 1 |
1 мин 1-2 мин 1-10 с |
0,2 0,3-0,4 20 |
Плодовые и ягодные соки являются многокомпонентными системами. При выпаривании вместе с водой (паром) улетучиваются легколетучие компоненты (ароматические вещества). Это в значительной степени обедняет концентрируемый продукт. Поэтому технологический процесс концентрирования выпариванием в обязательной степени должен включать улавливание ароматических веществ. Выпаривание виноградного сока до трехкратного увеличения содержания сахаров приводит к потере 30% общего количества ароматических веществ, увеличению содержания фурфурола и снижению Р-витаминной активности сока.
В промышленности используются установки для улавливания ароматических веществ, работающие под вакуумом или при атмосферном давлении.
Установки, работающие при атмосферном давлении, довольно просты, позволяют быстро выделить ароматические вещества, однако концентрируемый сок в данном случае находится при повышенных температурах, что приводит к снижению его пищевой ценности. В зависимости от вида соков с целью отгона ароматических веществ достаточно выпарить 10-40% воды от массы сока.
Для обработки соков с особенно лабильными ароматическими веществами (цитрусовый, ананасный, малиновый и др.) применяют установки, работающие только под вакуумом (рис. 45).
Рис. 45. Схема установки для удавливания ароматических веществ под вакуумом.
1 - исходный сок; 2 - несконденсировавшиеся газы без ароматических веществ; 3 - деароматизированный сок; 4 - конденсат ароматических веществ; 5 - фреон; 6 - несконденсировавшаяся паровакуумная смесь; 7 - рассол; 8 - промытые несконденсировавшиеся пары; 9 - лютерная вода.
Плодовый сок, подлежащий обработке, поступает в испаритель, опускается в нем тонкой пленкой сверху вниз по пучку труб. В межтрубное пространство подается пар. Внутри трубок поддерживается вакуум. Сок с образовавшимися вторичными соковыми парами в сепараторе 2 разделяется на две фазы: парогазообразную и жидкую. Частично сконцентрированный сок из нижней части сепаратора непрерывно сливается и насосом передается на другую установку для дальнейшего концентрирования. Парогазообразная часть поступает в ректификационную колонку 5, где восходящий ее поток встречается с падающим потоком ранее сконденсированных ароматических веществ (флегмой) и обогащается ими, после чего направляется в дефлегматор 3 с водяным охлаждением. В нем большая часть водяных паров и ароматических веществ конденсируется. Конденсат разделяется на два потока. Одна часть этого конденсата возвращается в виде флегмы в верхнюю часть ректификационной колонны, другая часть после достижения заданной концентрации ароматических веществ отбирается как готовый продукт и поступает во внутреннюю часть рассольного охладителя 4, где охлаждается до температуры 0-5°С.
Оставшаяся часть несконденсировавшихся паров и неконденсирующиеся газы проходят через среднюю часть этого же рассольного охладителя, где пары большей частью конденсируются. Образовавшийся конденсат соединяется с потоком готового продукта и поступает в верхнюю часть абсорбционной колонны 6.
Остаток паров ароматических веществ и несконденсированные газы отводятся из рассольного охладителя и подаются в нижнюю часть абсорбционной колонны, где движутся вверх навстречу потоку концентрата ароматических веществ. Из нижней части колонны концентрат ароматических веществ как готовый продукт сливается в сборник 10.Температура в абсорбционной колонне, которая охлаждается рассолом, перекачиваемым насосом 11, равна -5 ÷ -7°С, температура продукта 1-2°С. Фреон для охлаждения продукта подается в рубашки из сборника 9.
Промытые несконденсированные газы с небольшой примесью ароматических веществ отводятся из верхней части колонны в низ¬котемпературный охладитель 8, где за счет испарения фреона в охлаждающей рубашке поддерживается температура — 16 ÷ -25 °С в зависимости от степени концентрации и величины вакуума в установке. Остатки паров ароматических веществ конденсируются и сливаются в сборник готового продукта 20, а несконденсированные газы вакуум-насосом 7 отсасываются и выбрасываются в атмосферу.
Вода, не содержащая ароматических веществ, из нижней части ректификационной колонны отводится в канализацию.
На установках такого типа удаляется из сока около 25% воды, при этом степень концентрации ароматических веществ достигает от 1/100 до 1/500. Остаточное давление в установке 34,6-7,9 кПа.
При прессовании целых мандаринов в соке содержится примерно 0,1% эфирного масла, что придает ему горький вкус и делает непригодным для непосредственного употребления. Вместе с тем полное удаление эфирных масел отрицательно влияет на вкус и аромат цитрусовых соков.
В большинстве случаев удаление избыточного количества эфирных масел из цитрусовых соков без их улавливания производится в двутельных вакуум-аппаратах МЗС-420. При этом, кроме потерь ароматических веществ, сок приобретает уваренный тон во вкусе, снижается его питательная ценность.
В СССР разработана установка по термообработке цитрусовых соков, измельчению плодовой мякоти и улавливанию избыточного количества эфирных масел.
Работа установки осуществляется следующим образом (рис. 46).
Из сборника 2 свежеотжатый сок насосом 2 перекачивается в кожухотрубный подогреватель 5, где сок предварительно подогревается до температуры 60-80 °С в зависимости от глубины вакуума в сепараторе 6. Подогретый сок из подогревателя под давлением 0,5 МПа, создаваемым насосом, поступает в инжектор 4, где с помощью колебательного контура вибрационных пластин гомогенизируется мякоть сока.
Из выдерживателя 5 сок по касательному вводу дросселируется в сепаратор 6, где происходит его самоиспарение, мгновенно выделяя избыток эфирных масел и воды. Одновременно при этом производится деаэрация сока, который стекает по стенке сепаратора ш сокопроводу через нижний слив в накопительный сборник 12 для розлива.
Рис. 46. Установка для термообработки и улавливания эфирных масел из цитрусовых плодов.
Вторичные пары, состоящие из смеси водяного пара с парами эфирных масел и воздуха, через каплеуловитель поступают в кожухотрубный конденсатор 14, имеющий систему водяного охлаждения. Из него сконденсированные ароматические вещества (эфирное масло) поступают в разделительные сборники 16 и 18, из которых направляются в сосуды 17 и 19 под действием воды через устройство 15.
Полученное эфирное масло фильтруют через фильтровальную бумагу. Для полного обезвоживания масла к нему добавляют безводный сульфат натрия из расчета 5 г сульфата на 1 л масла. Через сутки масло повторно фильтруют. Фасованное масло хранят в стеклянных бутылках в затемненном охлажденном помещении при температуре 5°С.
Обработанный сок собирается в разгрузочном сборнике 8 или 12, поступая в них из сепаратора самотеком, как в сообщающихся сосудах. Для их заполнения пробковый кран 7 должен быть открыт, кран 10 — закрыт, соответственно воздушный вентиль 11 — открыт, а вакуумный 9 — закрыт.
При заполнении разгрузочного сборника 12, в котором уровень сока контролируется по водомерному стеклу, осуществляют перекрытие крана 7 и вентиля 9 и открытие крана 10 и вентиля 11. После этого включается насос 13 и производится разгрузка сборника 12. В этот период обработанный сок поступает в сборник 8. В последующем повторяется цикл разгрузки сборника 8.
При обработке сока на этой непрерывнодействующей установке достигается более тонкое измельчение плодовой мякоти соков, отпадает необходимость в грубой фильтрации сока перед розливом, что увеличивает выход его более чем на 1 %.
Вымораживание
Другим способом концентрирования соков, обеспечивающим максимальное сохранение их компонентов, является вымораживание (криоконцентрирование).
При охлаждении продукта ниже 0 °С вода выкристаллизовывается в виде чистого льда и после отделения его кристаллов остается концентрированный раствор.
При концентрировании замораживанием ароматические вещества плодово-ягодных соков, имеющие низкую температуру замерзания, остаются в растворе (концентрате).
Максимальная концентрация сухих веществ, которую удается достичь, ограничена вязкостью концентрируемого продукта при температуре замораживания и эвтектической точкой раствора, при которой невозможно отделить воду в виде льда (табл. 9).
| Таблица 9 Эвтектическая температура разных соков и концентратов | |||
| Продукт | Содержание сухих веществ, % |
Начальная температура, °С |
Максимальная температура, °С |
| Концентрированный яблочный сок Яблочный сок натуральный Томатная паста Персиковый сок с мякотью Абрикосовый сок с мякотью Айвовый сок с мякотью |
70 50 40 30 20 10 29 16 17 18 |
-25,0 -63,0 -70,5 -69,5 -69,5 -60,0 -64,5 -64,0 -66,0 -70,0 |
-23 -50 -55 -55 -56 -57 -50 -52 -56 -60 |
Высокой степени концентрации не достигают, так как для этого необходимо значительно понизить температуру сока. Величина потерь сока также является важным критерием, определяющим оптимальную степень концентрации: чем выше концентрация, тем больше потери. Опытным путем доказано, что лучше всего сок концентрировать до 40-55% сухих веществ.
Возможная степень концентрации различных соков неодинакова. Например, при 50% сухих веществ вязкость черносмородинового сока в 2 раза превышает вязкость виноградного, следовательно, и концентрировать виноградный сок можно в большей степени, чем черносмородиновый.
Образование кристаллов льда происходит при криоскопической температуре (табл. 10).
Почти все действующие установки по вымораживанию используют принцип косвенного контакта. Несмотря на их многообразие, все они состоят из кристаллизаторов, где происходят процессы образования кристаллов льда, систем отделения концентрата от кристаллов и теплоотвода. Для отделения кристаллов льда используют центрифуги, прессы или промывные колонны. В зависимости от применяемого оборудования процесс вымораживания может быть периодическим или непрерывным.
| Таблица 10 Температура замерзания различных соков | |||
| Сок | Температура замерзания, °С | Сок | Температура замерзания, °С |
| Яблочный Виноградный Грушевый Апельсиновый Лимонный Клубничный |
-1,4-2,8 -2,3 -1,9-2,3 -2,8 -2,15 -0,8-1,7 |
Малиновый Крыжовниковый Черешневый Персиковый Сливовый Томатный |
-0,8-1,8 -0,9-1,7 -2,1-2,8 -1,1-1,4 -1,9-2,3 -0,9 |
Метод концентрирования вымораживанием еще не имеет широкого распространения, так как получение холода — более дорогой процесс, чем получение пара. Из-за высокой стоимости холодильного оборудования процесс концентрирования вымораживанием с вторичным отбором тепла примерно в 2 раза дороже, чем процесс выпаривания с улавливанием ароматических веществ. По этой причине данный процесс применяют только для концентрирования теплочувствительных соков, например апельсинового.
Кроме этого недостатка при вымораживании потери сухих ве¬ществ значительно выше, чем при выпаривании.
Использование многоступенчатого процесса вымораживания бо¬лее экономично, чем одноступенчатого.
Концентрирование обратным осмосом
Концентрирование обратным осмосом — это сравнительно новый метод. Он осуществляется с помощью селективных мембран.
Различие между осмосом и обратным осмосом видно на рис. 47. Если две жидкости с различной концентрацией сухих веществ, например сок и воду, разделить полупроницаемой мембраной, то вода проникает в сок и разжижает его до тех пор, пока не установится равновесие в концентрации. Возникающая при этом разность уровней соответствует осмотическому давлению. При действии давления на сок вода из него выделяется через полупроницаемую мембрану, благодаря чему сок сгущается. Применяемое давление должно быть больше осмотического.
Данное явление называется обратным осмосом, если через пере¬городку проходят только вода и лишь в небольших количествах такие вещества, как моносахара, соли, некоторые ароматические вещества, имеющие небольшую молекулярную массу (до 500).
Рис. 47. Принцип осмоса и обратного осмоса.
Если мембрана пропускает молекулы сравнительно большего размера, этот процесс называется ультрафильтрацией.
Так как осмотическое давление довольно высоко, обратный осмос необходимо проводить при высоком давлении. Осмотическое давление плодовых соков с содержанием 10-12% сухих веществ равно 1,4-1,6 МПа, яблочного концентрата с содержанием 40% сухих веществ — 9 МПа.
При обратном осмосе важное значение имеют свойства полупроницаемой мембраны.
Пропускная способность мембраны для воды F1 рассчитывается по формуле
где К1 - константа для применяемой мембраны; р - давление на фильтр, МПа; Δр - осмотическое давление, МПа.
Константа К1 выражает количество воды, выделенное при обратном осмосе на единицу площади мембраны за единицу времени при приложенном давлении выше 0,1 МПа осмотического давления раствора, подлежащего концентрированию.
Однако для полной характеристики качества и производительности мембраны величины К1 недостаточно. Решающим фактором является чистота выделенной воды. Исследования показали, что при большом скоростном коэффициенте К1 потери сухих веществ с отделенной водой высокие. На рис. 48 показана принципиальная схема концентрирования сока обратным осмосом.
Рис. 48. Схема концентрирования сока методом обратного осмоса.
Коллоидные вещества соков, например пектин, протеины и т. д., при концентрировании наряду с повышением осмотического давления при увеличении концентрации сухих веществ вызывают ограничение разделительной способности мембраны. В связи с этим, соки перед концентрированием должны быть хорошо осветлены.
Последние исследования показали, что для получения наибольшего экономического эффекта при осмотическом концентрировании растворов, содержащих углеводы, наивысшее содержание сухих, веществ в готовом продукте должно составлять не более 25%, так как при увеличении их содержания значительно снижается пропускная способность мембраны из-за повышения вязкости раствора.
