Поднятие сахара в виноградном соке при помощи фильтра

Уважаемый Олег! В неблоприятные годы сахаристость виноградного сока бывает ниже стандартного. Можно ли поднять процентное содержание сахара в виноградном соке с помощью мембранного фильтра. С уважением

Ген.директор ООО "Современные технологии"

Рабадан Сурхаевич


Здравствуйте, уважаемый Рабадан! Это, конечное, возможно, хотя конструктивно такой фильтр будет отличаться от бытового. Сегодня обратноосмотические мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, концентрирование соков, молока и др.). Для этих целей служат специальные промышленные обратно-осмотические установки.

Обратный осмос (ОО) – баромембранный процесс разделения, основанный на явлении противоположном осмосу. Процесс обратноосмотического разделения заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающим осмотическое, через мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы и ионы растворённых веществ.

В ходе обратноосмотического разделения при рабочем давлении большем, чем осмотическое давление исходного раствора, растворитель (вода) проходит через полупроницаемую мембрану, а растворенные вещества (например, катионы тяжелых металлов) задерживаются. В ходе обратноосмотической очистки достигаются высокие степени очистки, сравнимые с ионным обменом, но данный процесс более привлекателен из-за своей непрерывности и малого потребления реагентов.

В процессе обратного осмоса происходит разделение на два раствора, один из которых представляет собой очищенную воду, а другой - концентрат растворённых веществ. Очищенная вода возвращается на повторную промывку, а концентрат – в рабочую ванну или на утилизацию.

В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. По этому принципу и работают мембраны обратного осмоса.

Процесс обратного осмоса осуществляется на осмотических фильтрах, содержащих специальные полупроницаемые мембраны, задерживающих растворенные в воде органические и минеральные примеси, бактерии и вирусы. Очистка воды происходит на уровне молекул и ионов, заметно уменьшается общее солесодержание в воде. Обратноосмотические системы высокого давления очищают солоноватую и даже морскую воду (36000 мг/л) до качества нормальной питьевой воды.

Фильтры на основе обратного осмоса удаляют из воды ионы Na, Са, Cl, Fe, тяжелых металлов, инсектициды, удобрения, мышьяк и многие другие примеси. «Молекулярное сито», которое представляют собой обратноосмотические мембраны, задерживает практически все примесные элементы, содержащиеся в воде, независимо от их природы, что оберегает потребителя воды от неприятных сюрпризов, связанных с неточным или неполным анализом исходной воды, особенно из индивидуальных скважин.

Основа обратно-осмотического фильтра – мембрана. Обратноосмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности на основе нитрата целлюлозы. Этот полимер образован из двух слоев, неразрывно соединенных между собой. Наружный очень плотный барьерный слой толщиной около 10 миллионных см лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных см. Размер пор мембраны - 1 Ангстрем (10-10 м). Поэтому осмотическая мембрана действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100. Молекулы воды свободно проходят через мембрану, а примеси остаются по ту сторону фильтра.

Обратноосмотическая мембрана способна задерживать от 95 до 99% всех растворённых веществ. При этом органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах.

Исходная вода внутри мембраны обратного осмоса разделяется на два потока:

  • Пермеат (фильтрат) – обессоленная вода. Производительность по пермеату зависит от температуры воды, минерализации воды и рабочего давления;

  • Концентрат (рассол), который либо сбрасывается в дренаж, либо претерпевает дополнительную обработку.

Эффективность процесса обратного осмоса в отношении различных примесей и растворенных веществ зависит от ряда факторов: давление, температура, уровень рН, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют на эффективность работы системы обратного осмоса. Например, рабочее давление для низконапорного осмоса составляет 6-12 атм, для высоконапорного осмоса – 12-16 атм, а морская вода чистится при рабочем осмотическом давлении 40-70 атм.

Преимуществами способа обратного осмоса по сравнению с другими способами подготовки воды являются следующие: эффективное удаление из воды органических веществ и микроорганизмов; обработка воды с различным солесодержанием; минимальное содержание солей в сточных водах; возможность полной автоматизации процесса.

К недостаткам способа обратного осмоса относят образование осадков на поверхности мембран, что требует тщательной очистки воды от механических примесей; применение реактивов для предотвращения образования осадков; поддержание относительно высокой скорости потока в аппарате; ограничения степени кондиционирования и др. Кроме того, мембранные системы достаточно дорогостоящи. Но если говорить об эксплуатационных затратах, то для мембранных систем они значительно меньше.

Сегодня на российском рынке представлены многие разновидности фильтров мембранно-сорбционного класса. Они состоят из мембранного блока и одного-двух блоков (в зависимости от производительности и ресурса) дополнительной очистки. Кроме того, уже очищенная и стабилизированная по солевому составу питьевая вода проходит финишное 6-12-кратное осветление на специальных волокнах и сорбентах. Подобное сочетание многочисленных методов очистки и осветления жидкой среды позволило довести ресурс данных водоочистителей до 50000-75000 л.

Рис. Установка промышленного обратного осмоса.

В 1988 году НПО напитков и минеральных вод проведены испытания первого опытно-промышленного образца установки МРР-120-21К-01 для деминерализации воды методом обратного осмоса. Результаты получены положительные. Однако для обеспечения широкого внедрения отечественных мембранных установок водоподготовки необходимо увеличить срок работы мембран, комплектовать установки для предварительной подготовки воды, снизить стоимость мембран и установок.

Технология обратного осмоса также применяется и при концентрировании соков (яблочного, виноградного и др.). К преимуществам обратного осмоса относятся низкие энергитические затраты, улучщение качества концентрата вследствии низкой температуры процесса, простота установки и легкое увеличение ее производительности, хорошие санитарные условия производства. Концентрирование обратным осмосом применяют в том случае, если нужно удвоить содержание сухих веществ. Максимально обратным осмосом можно концентрировать соки до 30 - 40 % сухих веществ.

Сотрудники Кемеровского института пищевой промышленности изучили количественные показатели химического, витаминного и минерального состава концентрированных плодово-ягодных соков. Проанализирована динамика изменения качественных характеристик концентрированных соков в процессе хранения. Установленно, что при хранении плодово - ягодных соков происходят незначительные потери влаги, в следствии чего незначительно возрастает содержание сухих веществ (в среднем на 1,4%). Процесс хранения плодово-ягодных соков сопровождается незначительным снижением общего содержания сахаров. Содержание органических кислот за весь период хранения незначительно возрасло, увеличение кислот к концу хранения плодово - ягодных соков составила в среднем 0,3% по отношению к исходному содержанию. Потери β - каротина в плодово - ягодных соках по сравнению с витамином С ничтожны и через 9 месяцев и составляют в среднем 1,1%.

Институт Shaanxi, Китай показали, что с помощью ионнообменных волокон полифенолы из концентрата яблочного сока можно удалить полифенолы, а также пигменты. Максимально абсорбирующая способность для полифенолов 67, 263 мг/г ионнообменного волокна. Равновесие достигается через 30 мин. Полифенолы с ионнообменного волокна можно десорбироваться с помощью 0,1 моль/л НCl. После трех десорбционных процессов абсорбционная способность практически близка к первоначальной абсорбционной способности ионнообменного волокна. Таким образом, ионнообменное волокно в будущем можно с успехом применять при переработке яблочного сока.

Аргентинские ученные провели эксперимент по определению скорости образования 5 - гидроксиметилфурфурола в яблочном соке при концентрировании от 15% до 70% Brix в выпарном аппарате при температурах 100, 104, 108, 1120С. Предложены различные механизмы реакции образования 5 - гидроксиметилфурфурола и разработанны соответственно кинетические модели. Наилучшей сходимостью с экспериментальными данными обладает модель, описывающая образование 5 - гидроксиметилфурфурола как результат начальной реакции первого порядка с последующим автокаталитическим периодом, ограниченным концентрацией реагентов. 

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. Принципиальная схема концентрирования сока обратным осмосом показана на рисунке ниже.

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 концентрирований-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.

Сейчас мембранные методы используются для разделения азеотропных смесей, очистки и концентрирования растворов, очистки и выделения высокомолекулярных соединений из растворов, содержащих низкомолекулярные компоненты и т.п.; в биотехнологии и медицинской промышленности - для выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, ферментов и т.п.; в пищевой промышленности - для концентрирования фруктовых и овощных соков, молока, получения высококачественного сахара, очистки винно-водочных изделий и т.п.

Более подробно о обратноосмотических системах и их применении читайте на этих сайтах:

vladbmt.com/content/category/5/32/190/

www.colibry.com.ua/web_pages/osmonics_rus.htm

С уважением,

к.х.н. О.В. Мосин