Способ и устройство концентрирования жидкого продукта

Изобретение предназначено для использования при концентрировании жидких продуктов, в частности соков. Способ предусматривает подачу жидкого продукта в камеру, обезвоживание под вакуумом. В камере создают пленку жидкого продукта и с нее производят ультразвуковое испарение. Осуществляют отвод паров воды в зону повышенного давления, где происходит образование конденсата. Устройство для концентрирования жидкого продукта содержит вакуумную камеру, источник ультразвука, соединенные с вакуумной камерой трубопроводы для подачи жидкого продукта и отбора концентрированного жидкого продукта. Вакуумная камера помещена в герметичную емкость с отводом для воды и снабжена внутренней емкостью, силовым приводом. Последний соединен соосно с крыльчаткой, конусом, соединенным с верхним диском, опирающимся на подшипники, клапаном отвода концентрированного жидкого продукта, поплавком, соединенным с клапаном входа жидкого продукта, и имеет выход для отвода конденсата в герметичную емкость. Изобретение обеспечивает уменьшение энергозатрат и сохранность компонентов продукта в процессе сушки. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к способам и устройствам концентрирования жидкостей, например соков.

Известен способ концентрирования фруктовых и ягодных соков по патенту RU 2055488, включающий три стадии под вакуумом: в стекающей пленке с рециркуляцией сока на первой стадии, в стекающей пленке на второй стадии и рециркуляцией сока на третьей стадии, при этом сок на первой и второй стадиях упаривают, на второй стадии осуществляют рециркуляцию сока, а на третьей стадии концентрированно ведут в стекающей пленке под вакуумом 80-96 кПа. Его недостатком является то, что для его использования необходим нагрев соков до температуры свыше 55°С, это приводит к разрушению летучих компонентов и витаминов, кроме того, необходима подача рабочего пара, что связано с повышенными энергозатратами. Способ может быть использован только в сложных выпарных установках.

Известен непрерывный способ обезвоживания фруктового сока по патенту US 5006354 в вакууме, при температуре ниже 30 градусов, исключающей разрушение летучих компонентов и витаминов, кроме того, для предотвращения окисления компонентов сока понижают содержание кислорода в рабочем паре и в полостях устройств для сушки. Его недостатком является то, что он включает в себя этапы удаления кислорода из сока до уровня 3 ppm и из рабочего пара до уровня 0...0,4 ppm. To есть необходимо использование сложного оборудования для удаления кислорода, кроме того, использование рабочего пара в способе не позволяет реализовать его в относительно простых и мобильных устройствах.

Известна установка для концентрирования сока по патенту ЕР 1262109, которая может быть использована в основном в производствах малой мощности. Она содержит подогреватель, вход и выход которого соединены друг с другом циркуляционным продуктопроводом, загрузочный и выгрузной патрубки и соединенный с циркуляционным продуктопроводом паровой патрубок. Внутри циркуляционного продуктопровода размещен связанный с приводом замкнутый контур, снабженный съемником продукта. Подогреватель выполнен в виде индуктора, охватывающего замкнутый контур. Его недостатком является то, что используется нагрев поверхности, с которой происходит испарение, что сопряжено с вероятностью подгорания сока. Нагрев приводит к разрушению летучих компонентов и витаминов.

Известен аппарат для концентрирования овощного сока RU 2086160, имеющий камеру испарения, трубопровод для подачи сока с перфорированной пластиной для распыления сока в камере, подогреватель, систему для отвода паров воды, электронасос для верхней подачи сока. Его недостатком является также необходимость нагрева сока, кроме того, конструкция аппарата включает длинные трубопроводы, по которым циркулирует концентрируемый сок. Это сопряжено с повышенными энергозатратами при работе электронасоса.

Известны способ и устройство концентрирования фруктозосодержащего раствора по патенту RU 2013450, выбранные в качестве прототипов настоящего изобретения. Способ по патенту RU 2013450 предусматривает нагрев и обезвоживание под вакуумом, причем нагрев раствора ведут до 30°С, а обезвоживание раствора осуществляют в процессе его ультразвукового распыления при частоте 18-80 кГц и вакууме при давлении не более 6,0 кПа. Устройство включает средство нагрева, вакуум-камеру, средство подачи в нее фруктозосодержащего раствора и технологические трубопроводы, источник ультразвука со стержневым концентратором колебаний. Недостатком способа и устройства является то, что используется нагрев сока для интенсификации испарения воды. При работе ультразвукового источника необходимо использовать стержневой концентратор колебаний, что сопряжено с потерями энергии на генерацию ультразвука и передаче его через торцевую поверхность. При необходимости получить высокую степень осушки сока вязкий концентрат с трудом будет проходить по трубопроводу и распыляться через сопло.

Целью изобретения является создание способа и устройства для низкотемпературной сушки жидких продуктов с минимальными затратами энергии, при этом достигаются максимальная сохранность компонентов в процессе сушки.

Технический результат достигается тем, что в способе концентрирования жидкого продукта, предусматривающем подачу жидкого продукта в камеру, обезвоживание под вакуумом при воздействии ультразвука, отбор концентрата и отвод конденсата, в камере создают пленку жидкого продукта и с нее производят ультразвуковое испарение, производят отвод паров воды в зону повышенного давления, где происходит образование конденсата. Пленку жидкого продукта создают на расположенном в камере конусе в восходящем потоке при действии центробежной силы. Частоту ультразвука подбирают в зависимости от вязкости концентрированного жидкого продукта. Дополнительно создают избыточное парциальное давление паров воды над пленкой жидкого продукта при помощи излучения в инфракрасном диапазоне частот.

Также технический результат достигается тем, что в устройстве для концентрирования жидкого продукта, включающем вакуумную камеру, источник ультразвука, соединенные с вакуумной камерой трубопроводы для подачи жидкого продукта и отбора концентрированного жидкого продукта, вакуумная камера помещена в герметичную емкость с отводом для воды и снабжена внутренней емкостью, силовым приводом, соединенным соосно с крыльчаткой, конусом, соединенным с верхним диском, опирающимся на подшипники, клапаном отвода концентрированного жидкого продукта, поплавком, соединенным с клапаном входа жидкого продукта, и имеет выход для отвода конденсата в герметичную емкость. Вакуумная камера дополнительно снабжена устройством для определения вязкости концентрированного продукта, соединенным с клапаном отвода концентрированного жидкого продукта. Источник ультразвука выполнен в виде вращающихся перфорированного диска, соединенного с верхним диском и конусом. Герметичная камера и вакуумная камера снабжены датчиками уровня. Трубопроводы и отвод имеют краны для соединения с камерами. Над верхним диском помещен брызгоулавливатель и источник инфракрасного излучения.

Краткое описание чертежей:

Фиг.1 - устройство концентрирования жидких продуктов.

Фиг.2 - вакуумная камера (разрез).

Фиг.3 - перфорированный диск.

Фиг.4 - сечение вакуумной камеры под верхним диском.

Устройство (фиг.1) состоит из силового привода, в качестве которого используется электродвигатель 1, герметичной емкости 2, вакуумной камеры 3, соединительных трубопроводов 4, 6 и отвода 5 с кранами К1-К5. Датчики уровня ДУ1-ДУ4 (показаны на фиг.1, 2) предназначены для контроля количества жидкостей в емкостях и управляют подачей жидкого продукта и отводом конденсата и концентрата сока.

Сушка жидкого продукта и образование концентрата происходят в вакуумной камере 3, роль которой исполняет емкость, показанная на фиг.2. Вакуумная камера 3 состоит из корпуса 10 и внутренней емкости 23 с отверстием 25. Над внутренней емкостью 23 расположен верхний диск 9, соединенный с конусом 8, имеющим отверстие, совмещенное с отверстием 25. Верхний диск 9 снабжен перфорированным диском 12 (показан на фиг.3) с прорезями 19. Верхний диск 9 через перфорированный диск 12 опирается на подшипники 14 (показан один), прикрепленные к внутренней емкости 23. Над верхним диском 9 располагается брызгоулавливатель 13, выполненный в виде сетки, которая крепится к корпусу 10 вакуумной камеры. Брызгоулавливатель 13 может быть выполнен с дополнительной сеткой 26, имеющей ворсинки, касающиеся при работе поверхности пленки.

Над брызгоулавливателем 13 располагается крыльчатка 15 с радиально расположенными лопастями, образующими со стенкой 16 вакуумной камеры 3 минимальный зазор. Стенка 16 снабжена отводами (не показаны) конденсата в герметичную емкость 2. Отводы могут быть выполнены в виде радиальных отверстий по всему периметру соединения 28 стенки 16 и корпуса 10. Для отвода конденсата возможно также исполнение стенки 16 из набора радиально ориентированных пластин с небольшими зазорами между пластинами. Верхний диск 9 с конусом 8 и крыльчатка 15 соединены с валом 27 электродвигателя 1.

Внутренняя емкость 23 снабжена поплавком 11, отрегулированным для поддержания заданного уровня концентрированного продукта, который контролируется датчиками уровня ДУ3, ДУ4. Кроме того, для автоматической разгрузки вакуумной камеры 3 она снабжена устройством 17 для определения вязкости концентрированного продукта, соединенным через рычаг с грузиком 18 и с клапаном 7 в трубопроводе 6.

На фиг.4 показан вид сверху на вакуумную камеру 3 и устройство 17 для определения вязкости концентрированного продукта. Оно представляет собой кольцо 20 с прорезями. Такие же отверстия выполнены на полоске (не показана), совмещенной с кольцом 20 и фиксирующейся шплинтом 21. Внутренняя емкость может быть дополнительно снабжена сливными отверстиями 22.

Устройство работает следующим образом.

Перед работой устройства необходимо удалить воздух из трубопроводов, кранов и емкостей. Для этого в герметичную емкость 2 с помещенной в нее вакуумной камерой 3 заливается обезгаженная (кипяченая) вода, вставляется и закрывается крышка, доливается вода. Закрываются краны K1, K2, перекрывающие трубопровод. Герметичная емкость 2 с вакуумной камерой 3 переворачивается и помещается в поддон П с водой (фиг.1). Для этого трубопроводы 4, 6 и отвод 5 могут быть выполнены из толстостенных металлических труб, а соединения с внешними коммуникациями при помощи гибких трубопроводов. Электрический привод электродвигателя 1 и насоса Н выполнены с необходимой гидроизоляцией. При работе устройства герметичная емкость 2 может опираться на корпус поддона П.

Вода из герметичной емкости 2 выкачивается через кран К5 до срабатывания датчика уровня ДУ1. При работе два датчика уровня ДУ1, ДУ2 включают и выключают насос по мере скопления конденсата. Одновременно с герметичной емкостью 2 вакуумированию подвергается вакуумная камера 3, поскольку они сообщаются через отводы в стенке 16. Вода из вакуумной камеры 3 удаляется через трубопровод 6.

Включается электродвигатель 1 и приводит в движение верхний диск 9 с конусом 8, перфорированный диск 12 и крыльчатку 15. Жидкий продукт через кран K2 и клапан 24 входа жидкого продукта попадает во внутреннюю емкость 23, откуда через отверстия между конусом 8 и внутренней емкостью, отверстие 25, а также через дополнительные отверстия 22 (показаны на фиг.4) попадает на вращающийся конус 8 и под действием центробежной силы поднимается к верхнему диску 9, образуя на нем пленку. Частота вибрации верхнего диска 9 определяется скоростью его вращения и количеством прорезей 19 по краю перфорированного диска 12. Вращающийся верхний диск 9 и вместе с ним перфорированный диск 12 опираются на четыре подшипника 14, что заставляет вибрировать верхний диск с ультразвуковой частотой. Благодаря этому на пленке жидкости образуются волны, происходит частичное распыление жидкости, при этом площадь поверхности жидкости увеличивается, что приводит к интенсификации испарения воды. Эффективная частота вибрации может меняться в зависимости от жидкости и ее вязкости. При необходимости изменить частоту вибраций может быть установлен другой диск 12 с другим количеством отверстий 19.

Образовавшиеся пары отбрасываются крыльчаткой 15 к стенкам 16 вакуумной камеры 3, где за счет образования зоны повышенного давления происходит конденсация паров, которые через отводы по периметру стенки 16 попадают в герметичную емкость 2. По мере накопления конденсата в герметичной емкости 2 срабатывает датчик уровня ДУ2 и конденсат удаляется через кран К5.

Кроме интенсификации испарения воды ультразвуковая вибрация приводит к уменьшению трения при движении густого концентрата по конусу 8 и верхнему диску 9. Стенки 16 выполнены таким образом, чтобы выдерживать вес электродвигателя 1, и располагаются на минимальном расстоянии от крыльчатки 15.

В случае, если концентрируемой жидкостью является водяной раствор (например, фруктовый сок), для предотвращения испарения с водой ароматических эфиров в устройстве может дополнительно использоваться инфракрасное излучение в диапазоне частот 3200-3600 см^-1. Источник излучения располагается над верхним диском 9 с пленкой сока (не показан). Указанные частоты являются резонансами для водородных связей между молекулами воды. Происходит поглощение этого излучения преимущественно молекулами воды и их испарение. При этом парциальное давление паров воды над верхним диском увеличивается, препятствуя выходу из жидкости молекул других веществ.

Устройство 17 для определения вязкости концентрированной жидкости работает следующим образом. По мере сгущения, из-за увеличения вязкости концентрированного продукта он не успевает проходить через прорези в кольце 20. По мере накопления и увеличения вязкости концентрированного продукта скорость его прохождения через прорези уменьшается. В момент, когда масса концентрированного продукта над устройством 17 превысит регулируемое грузиком 18 значение, открывается клапан 7 и концентрированный продукт попадает в трубопровод 6. Скорость удаления концентрата также можно регулировать краном К1.

При необходимости уменьшить отверстия в кольце 20 для прохождения концентрата полоска с прорезями (не показана) смещается относительно кольца 20, фиксируется шплинтом 21, и часть прорези перекрывается.

Описанный способ и устройство отличаются простотой в использовании, надежностью и долговечностью работы с возможностью использовать в аппарате доступные узлы и устройства, что приводит к уменьшению стоимости изготовления, возможности замены стандартных деталей на месте.

Таким образом, описаны способ и устройство для низкотемпературной сушки жидких продуктов с минимальными затратами энергии, при этом достигаются максимальная сохранность компонентов в процессе сушки. Изобретение может использоваться для концентрирования жидкостей в пищевой, нефтяной, фармацевтической и других отраслях промышленности.

1. Способ концентрирования жидкого продукта, предусматривающий подачу его в камеру, обезвоживание под вакуумом при воздействии ультразвука, отбор концентрата и отвод конденсата, отличающийся тем, что в камере создают пленку жидкого продукта и с нее производят ультразвуковое испарение, производят отвод паров воды в зону повышенного давления, где происходит образование конденсата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пленку жидкого продукта создают на расположенном в камере конусе в восходящем потоке при действии центробежной силы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту ультразвука подбирают в зависимости от вязкости концентрированного жидкого продукта.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно создают избыточное парциальное давление паров воды над пленкой жидкого продукта.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что избыточное парциальное давление паров воды над пленкой жидкого продукта создают при помощи излучения в инфракрасном диапазоне частот.

6. Устройство для концентрирования жидкого продукта, включающее вакуумную камеру, источник ультразвука, соединенные с вакуумной камерой трубопроводы для подачи жидкого продукта и отбора концентрированного жидкого продукта, отличающееся тем, что вакуумная камера помещена в герметичную емкость с отводом для воды и снабжена внутренней емкостью, силовым приводом, соединенным соосно с крыльчаткой, конусом, соединенным с верхним диском, опирающимся на подшипники, клапаном отвода концентрированного жидкого продукта, поплавком, соединенным с клапаном входа жидкого продукта, и имеет выход для отвода конденсата в герметичную емкость.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вакуумная камера дополнительно снабжена устройством для определения вязкости концентрированного продукта, соединенным с клапаном отвода концентрированного жидкого продукта.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что источник ультразвука выполнен в виде вращающихся перфорированного диска, соединенного с верхним диском, и конусом.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что герметичная камера и вакуумная камера снабжены датчиками уровня.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что трубопроводы и отвод имеют краны для соединения с камерами.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что над верхним диском помещен источник инфракрасного излучения.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что над верхним диском установлен брызгоулавливатель.