автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии осветления виноматериалов и вин на жидкостных сепараторах

|7 ^ .

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ

ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи УДК 663.255.9: 621.928. 4/5

Боциева Эвелина Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОСВЕТЛЕНИЯ ВИНОМАТЕРИАЛОВ И ВИН НА ЖИДКОСТНЫХ СЕПАРАТОРАХ

Специальность 05.18.07 - Технология алкогольных и безалкогольных пищевых продуктов

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

' Научные руководители

С к.т.н. профессор М.А.Гагарин

к.т.н. профессор Ц.Р.Зайчик

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Процессы осветления виноматериалов и вин и их технологические аспекты. 10

1.2. Способы осветления, применяемые в виноделии, и их технологическая оценка. 12

1.3. Конструкции сепараторов, применяемых в виноделии. 25

1.4. Краткие выводы 37

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РАСЧЕТУ ПРОЦЕССА СЕПАРИРОВАНИЯ СУСПЕНЗИЙ.

2.1. Основы теории процесса тонкослойного сепарирования

жидкостей. 38

2.2. Основные методики расчета процесса сепарирования. 49

2.3. Предлагаемая методика и схема расчета процесса сепарирования. 51

3. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Объекты и методы исследований 57

3.2. Описание экспериментальной установки 59

3.3. Методы определения физико-химических показателей продуктов виноделия 61

3.4. Методики проведения экспериментов 69

3.4.1. Динамика осветления виноматериалов с использованием вспомогательных материалов при различных гидродинамических режимах 70

3.4.2. Изучение влияния основных технологических факторов

на эффективность процесса сепарирования. 71

3.5. Математическая обработка результатов исследований 72 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Исследование динамики осветления виноматериалов и вин с добавлением вспомогательных материалов при различных гидродинамических режимах. 76

4.2. Определение оптимальной зоны сепарирования

4.2.1. Исследование на сепараторе АСГ-1А 89

4.2.2. Исследование на сепараторе «Сатурн» 99

4.2.3. Исследование на сепараторе СПВ-12 103

4.2.4. Исследование на сепараторе А1 -ВПО 113

4.2.5. Краткие выводы 128 5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

5.1. Выявление основных характеристик процесса сепарирования виноматериалов и вин как данных для его расчета 129

5.2. Краткие выводы 139

6. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1. Предлагаемая методика и схема расчета процесса

тонкослойного сепарирования 140

6.2. Технические и технологические требования, предъявляемые к сепаратору для осветления вин 140

6.3. Расчет экономической эффективности 141

6.4. Выводы 142

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145

8. ЛИТЕРАТУРА 147

9. ПРИЛОЖЕНИЯ 160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В сложный для всей винодельческой отрасли период, когда в связи с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по усилению борьбы против пьянства и алкоголизма" /1972г / была практически остановлена закладка новых насаждений винограда, а еще через 13 лет, согласно аналогичному постановлению в 1985 году, его вообще стали выкорчевывать. Именно виноделию, одной из древнейших отраслей человеческой деятельности, был нанесен основной удар, последствия которого исчисляются многими миллионами рублей, которые не попали в государственный бюджет, моральный же ущерб объективно не поддается оценке.

Еще в начале XX века крупный специалист по виноделию М.Ховренко писал: "Правильная постановка виноделия в России несет в себе также зерно борьбы с алкоголизмом, борьбы с потреблением водки - этого варварского напитка... Но для этого надо, чтобы вина было много и оно стоило недорого" [96].

К таким же выводам приходит практика зарубежных стран.

В настоящее время винодельческая отрасль переживает период возрождения, повсеместно взят курс на увеличение объемов производства качественных вин, на расширение их ассортимента. Объемы переработки винодельческой отраслью винограда согласно постановлению коллегии Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ от 19.Ш.1995г, возрастут к 2000г. до 843 тыс. тонн [58].

Создание вина - длительный и трудоемкий процесс, в котором суммарная эффективность всех технологических операций, в конечном счете, определяет качество и себестоимость готового продукта.

Предлагаемая работа, посвященная проблемам осветления виноматериалов

и вин выполнена в продолжение теоретических и практических разработок ряда отечественных и зарубежных исследователей - Е.М.Гольдина [27,28,29,30,31 ], Э.С.Горенькова [32,33,34], Ц.Р.Зайчика [42,45,46], Г.Трооста [91], Ф.Шмитца [139] и других, направленных на разработку и совершенствование технологических процессов и оборудования, применяемых для этих целей.

Как известно, осветление виноматериалов и вин само по себе не есть конечная цель обработок, таковой является осветление и стабилизация этого состояния продукта в течение гарантированного срока. Стабильность к коллоидным и микробиологическим помутнениям обеспечивается понижением содержания некоторых высокомолекулярных веществ и микроорганизмов до определенного их содержания. Таким образом, процесс осветления вина остается одним из "узких" мест на разных этапах его приготовления, т.к. сравнительно продолжительное течение процесса осветления в отстойных резервуарах, занимаемые ими производственные площади, трудоемкость обслуживания и утилизация осадков делает их малоприемлемыми в условиях современного производства.

Общепризнано, что непрерывные процессы предпочтительнее периодическим в силу того, что они легче механизируются, а при условии обеспечения высокого качества и минимума потерь продукта они уверенно и прочно внедряются в современное производство.

Поэтому всегда актуальны вопросы быстрого и контролируемого по количеству удаления взвешенных частиц из виноматериалов или вин и разработки оборудования и технологических процессов, обеспечивающих поточность производства и более полно удовлетворяющих экономическим и качественным требованиям производства. Поточное осветление продуктов виноделия оправдано не столько качественными показателями, сколько экономической целесообразностью.

В последнее время в зарубежном виноделии получили широкое применение процессы динамического осветления продуктов виноделия в сепараторах и центрифугах [83,113,114], разработаны и отечественные аналоги [6].

Использование жидкостных саморазгружающихся сепараторов в винодельческой отрасли позволяет сделать поточным процесс осветления, что не представляет трудностей при отделении дрожжей от виноматериалов, при отделении взвешенных частиц от сусла. Тогда же, когда для осветления и стабилизации вина необходимо воздействовать на коллоидную систему, которая в случае вин обладает повышенной агрегативной и седиментационной устойчивостью, используются различные вспомогательные материалы, такие как бентонит, желатин, танин, рыбий клей, полиакриламид и т.д.

Использование сепараторов в промышленности обусловливает необходимость изучения процессов осветления продукта сепарированием. Это позволяет оценить влияние конструктивных, а также технологических факторов на процесс сепарирования, изыскать пути повышения эффективности работы сепараторов.

Цели и задачи исследования

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы явилось исследование основных закономерностей процесса сепарирования виноматериалов и вин в поле центробежных сил, подбор сепараторов для этих целей и выбор на основе результатов исследования наиболее эффективных режимов проведения процесса сепарирования с получением расчетных данных для технологического расчета.

Выбор цели и предмета исследования обусловил необходимость решения следующих основных экспериментальных задач:

подтверждения способа осветления виноматериалов и вин в поле центробежных сил с получением зависимости степени осветления виноматериалов от времени контактирования с осветляющими и стабилизирующими материалами;

выявления оптимальных режимов процесса сепарирования, обеспечивающих высокий выход и хорошее качество продукта;

совершенствования методов расчета основных технологических и конструктивных характеристик процесса сепарирования.

установления основных параметров процесса (эксплуатационных и расчетных).

Научная новизна работы состоит в том, что впервые исследована и определена возможность интенсификации процесса осветления виноматериалов и вин с использованием осветляющих и стабилизирующих веществ на этапе отделения от клеевых осадков на жидкостных сепараторах.

Обоснованы с учетом основных технологических и конструктивных параметров оптимальные режимы эксплуатации сепараторов и выбор на их основе сепаратора для осветления виноматериалов и вин.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на Международной научно-теоретической конференции "Молодые ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК" (г.Москва, 1997г.), на Международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии пищевых производств" (г.Санкт-Петербург, 1998г.).

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в результате исследований зависимости дали возможность определить расчетные параметры процесса сепарирования виноматериалов и вин, позволяющих выявить условия технологической эффективности работы сепараторов, а также осуществить подбор сепараторов для разделения конкретных виноматериалов и

ВИН.

Предлагаемая технология осветления виноматериалов и вин в поле центробежных сил обеспечивает снижение себестоимости продукции и повышение ее качества, увеличение производительности труда, сокращение применяемых доз 802, а также материальных и трудовых затрат.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• методика расчета технологических параметров процесса сепарирования виноматериалов и вин;

• зависимость степени осветления виноматериалов и вин от гидродинамических режимов осветления и времени контактирования с осветляющими и стабилизирующими материалами;

• зависимости степени осветления виноматериалов и вин в поле центробежных сил от производительности сепараторов.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Процессы осветления виноматериалов и вин и их технологические аспекты

Разнообразные жидкие продукты, которые * перерабатываются на винодельческих предприятиях^ представляют собой дисперсные системы, в

которых дисперсионная среда и дисперсная фаза находятся в определенной

*

связи. Для их разделения используются различия в физических свойствах, таких как плотность, вязкость> дисперсность и поверхностное натяжение. В зависимости от того, какое свойство взято за основу, и от целей процесса в промышленности применяю! различные способы разделения дисперсных систем: отстаивание, центрифугирование, фильтрование, сорбция, электроплазмолиз и т.д. Помимо перечисленных физических методов осветления в виноделии широко применяют ферментативные (добавление ферментов), коллоидно-химические (добавление различных флокулянтов), химические методы и оклейку, характерную только для этой отрасли [18, 19, 25, 64, 65, 91, 95].

Очевидно, что вина, полученные из осветленного сусла, обладают более тонким ароматом, они более свежи [98, 130, 139, 144]. При содержании взвесей менее 1% вина получаются жидкими, простыми, часто недоброженными, а при количестве взвесей более 5% - со слабыми сортовыми признаками, грубыми, тяжелыми, с ацетамидными тонами во вкусе и в аромате [95]. Повышенное содержание взвесей может быть причиной появления в вине сероводородного тона [101], а также вести к снижению содержания этилового спирта, к увеличению содержания ионов ¥е, Си, Са. Лучшие результаты по качеству виноматериалов получаются при количестве взвесей 2-3% [120].

Г.Н. Арпентин [6] считает, что оптимальное содержание взвесей варьирует в зависимости ог сахаристости винограда. Вина, приготовленные из

ьижлрада с содержанием Сахаров 15 г/ 100мл, получили высшую дегустационную оценку при 6% взвесей; с содержанием Сахаров 18,5 г/100мл -при 1 % взвесей.

Процесс осветления вин может преследовать две технологические цели: первая - получение максимальной степени осветления и вторая - неполное осветление, до определенного остаточного содержания взвесей.

Соки, сусло, а в дальнейшем виноматериалы и вина на всем протяжении обработки периодически подвергаются осветлению. Так, сусло после прессования осветляют отстаиванием, грубой фильтрацией с целью быстрого удаления частиц, содержащих химические удобрения, средства защиты растений и микроорганизмы. Тем самым предотвращается появление неприятных привкусов и оксидных кассов [139], а также снижается потребность в БОг [136, 145, 146]. Оставшиеся взвеси оказывают влияние на ход спиртового и яблочно-молочнош брожения [19, 76, 77, 145, 146], на химический состав вин [6].

На следующем этапе осветлению подвергают виномагериал после брожения, эта операция осуществляется с помощью фильтрования или сепарирования [19, 41,91, 94]. На этом этапе отделения дрожжей от виноматериалов нет необходимости получать очень прозрачные виноматериалы, так как формирование вина еще не закончено. Исключение составляют вина, выпускаемые под маркой «молодые», предназначенные для потребления после сезона виноделия [72].

Осветление вина до указанной степени прозрачности должно сопровождаться достижением стабильности этого состояния на протяжении гарантируемого срока за счет удаления тех веществ, которые могут вызвать помутнение вина.

1.2 Способы осветления, применяемые в виноделии и их технологическая оценка

В виноделии широко используются методы статического осветления в аппаратах периодического действия в различных вариантах: с нагревом и охлаждением, с обработкой пектолитическими ферментными препаратами, оклеивающими материалами и т.д. [18, 21, 24, 37, 49, 50, 51, 81, 86]. Массовое применение этих методов связано с простотой аппаратурного оформления и высоким качеством осветления.

Осаждение - процесс, механизм действия которого построен на разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, происходящей в иоле действия гравитационных сил. В виноделии различают два вида осаждения в зависимости от содержания твердой фазы: свободное, когда ее содержание не превышает 10%, и стесненное, когда ее содержание больше 10% [40]. Существенное влияние на процесс осаждения оказывает размер и плотность осаждаемых частиц.

Ниже (рис.1) приводится классификация и размеры частиц и макромолекул, которые в зависимости ог технологической необходимости должны быть полностью или частично удалены [48,68,78,116].

По данным А.В.Думанского [40], С.Т.Тюрина [92], А.Ф.Фанг-Юнга [94] минеральные частицы плотностью 2700кг/м3 и диаметром 10"бм оседают на 0,01 м в различных средах по разному: в воде за 44,96 мин, в сухом вине за 67,6 мин, в десертном вине за 148,1 мин. Органические частицы этого же размера в виноградном соке на эту же глубину осядут за 3,82 ч, диаметром 10~8 м - за 4 года. Это говорит о том, что процесс осаждения протекает по-разному в зависимости от дисперсности, плотности материала, вязкости среды, причем чем меньше размер диспергированных частиц, тем труднее они поддаются осаждению - препятствует броуновское движение частиц [25, 40].

Класс дисперсной системы

й, м

10"

10"

10

-5

10

10

10"

10"

«

3 я

о Си О)

с

о К

4 О

ю си

1-е

я

о си и

я о я

я §

си о

>я я

о си и я о я е*

о «

о о 3

05

[77]

Взвеси обработанных виноматериалов

от 1 мм до 3 мкм

[138]

[92]

[92]

Рис.1. Классификация частиц сусла и виноматериалов по размерам

Статическое осветление значительно затрудняется не только наличием малых частиц, но и незначительной разностью плотностей взвешенных частиц и жидкости и сравнительно высокой динамической вязкостью сусла и вин с остаточным сахаром. По данным В.П.Нечаева плотность взвесей сусла варьирует ог 1,017 до 1,020 кг/дм3 [68].

Таким образом, скорость отстаивания является основным технологическим фактором, определяющим его эффективность и зависит от скорости осаждения взвешенных частиц в жидкости. Скорость осаждения (по Стоксу) возрастает при увеличении диаметра частицы, с увеличением ее плотности. Уменьшение вязкости среды приводит к тем же результатам. В связи с этим для уменьшения вязкости среды во многих случаях гегерогенные системы, подлежащие разделению, подогревают.

Отмечено, что осаждение происходи! отдельными, последовательными этапами, соответствующими каждому типу частиц и каждой серии размеров. Происходит как бы сортировка взвешенных частиц по их величине, которая выражается в том, что образуются часто хорошо выраженные зоны [91].

Для осветления отстаиванием в виноделии широко используются различные технологические емкости. Отстойники отличаются, во-первых, вместимостью резервуаров - от 500 до 5000 дал, во-вторых, технической

оснащенностью: измерительными устройствами уровн