Застосування гідродинамічної кавітації у виноробстві

УДК 663.255:532.528
Б.    Виноградов А.В., д.т.н., завідувач кафедри технологічного устаткування,
С. В. Кулєв, к.т.н., провідний науковий співробітник відділу технологічного обладнання ННІ винограду і вина «Магарач»

ЗАСТОСУВАННЯ ГІДРОДИНАМІЧНОЇ КАВІТАЦІЇ У ВИНОРОБІННІ

Наведено опис розробок з використання гідродинамічної кавітації для інтенсифікації технологічних процесів у виноробстві.

Ключові слова: кавітаційні бульбашки, сусло, освітлення, бентонітова суспензія, автоліз, дріжджовий автолізат.

Кавітація (від лат. cavitas — порожнеча) — явище утворення в рідині дрібних порожнин (кавітаційних бульбашок, або пустот, заповнених газом, парою або їх сумішшю). Кавітація виникає в результаті локального зниження тиску в рідині, яке може відбуватися як при збільшенні її швидкості (гідродинамічна кавітація), так і при проходженні акустичної хвилі високої інтенсивності під час напівперіоду розрідження (акустична кавітація). Рухаючись з потоком в область з більш високим тиском або під час напівциклу стиснення, кавітаційний міхур схлопується (руйнується), породжуючи ударну хвилю. Неконтрольовані режими кавітації завдають великої шкоди гідрообладнанню. Вплив поверхневої ерозії, структурної вібрації, автоколивань і пульсацій, викликаних кавітацією, руйнують поверхні гребних гвинтів, гідротурбін, акустичних випромінювачів, робочих коліс насосів, запірно-регулюючої арматури, елементів змішувачів, апаратів тощо [1-3]. Проте це явище має і позитивні сторони, які можна використовувати на виробництві для інтенсифікації різноманітних процесів. Таким чином, кавітаційна обробка рідкої суміші є потужним, високоефективним технологічним засобом широкого застосування, який дозволяє вдосконалювати старі та створювати нові технології одержання рідких речовин з такими ж, а іноді й значно вищими корисними властивостями чи характеристиками, ніж при використанні інших відомих технологій.
Ідея використання для інтенсифікації технологічних процесів кумулятивної дії колапсованих кавітаційних бульбашок привела до створення гідродинамічних і акустичних кавітаційних пристроїв. Технологічні процеси в кавітаційних апаратах засновані на використанні гідродинамічної кавітації і пов'язані з різноманітними фізико-механічними впливами: ударними хвилями, кумуляцією, автоколиваннями, вібротурбулізацією, випрямленою дифузією і теплообміном, які виникають при утворенні порожнин, їх дезінтеграції і колапсі (схлопуванні) кавітаційних бульбашок.
Гідродинамічна кавітація може цілеспрямовано створюватися в кавітаційних апаратах різних конструкцій. Найбільш ефективними і відносно простими у використанні як для лабораторних, так і для промислових цілей є так звані кавітаційні роторні мішалки. Вони мають одну або кілька робочих камер, в яких розташовані один або іноді більше швидко обертових роторів, оснащених кавітаційними елементами у вигляді лопатей різної форми з суперкавітаційним профілем. Ротори пристроїв цього типу мають відносно великий діаметр при невеликому осьовому розмірі. Кількість кавітуючих елементів може коливатися від двох до кількох десятків. При використанні двох роторів, що обертаються зустрічно, вони розташовуються в робочій камері пристрою паралельно або співвісно.
При зустрічному русі кавітаційних елементів обох роторів створювані ними потоки рідини, як правило, взаємодіють один з одним, посилюючи режими кавітації та суперкавітації. У двохроторних пристроях для спрощення конструкції використовуються два двигуни. Конструкції ротаційних кавітаторів дозволяють отримати стійкі і контрольовані режими кавітації і суперкавітації в рідких середовищах. Об'ємна концентрація кавітаційних бульбашок в робочій камері апарату досягає величини порядку 1-1010 на 1 м3. При згортанні кожної бульбашки швидкість кумулятивного потоку досягає 700 м/с. При цьому виникають імпульси тиску до 103 МПа, що супроводжується підвищенням температури робочого середовища до 500-800°С в зоні колапсуючої бульбашки. Такі ударні імпульси високого тиску з високою об'ємною концентрацією бульбашок у робочій камері кавітаційного апарату сприяють тому, що питома потужність, що підводиться до одиниці об'єму середовища, що обробляється, становить 104...105 кВт/м3.
Переміщення кавітуючих елементів у рідкому середовищі з високою швидкістю вимагає відповідних енерговитрат двигуна пристрою, потужність якого співмірна з енерговитратами насоса в проточних кавітаторах. Завдяки відсутності принципових обмежень на діаметр ротора і відносно малому опору кавітуючих елементів при правильному конструктивному вирішенні роторного апарату неважко досягти лінійних швидкостей переміщення кавітуючих елементів у рідині понад 20-30 м/с (практично недосяжних у струминно-соплових апаратах). Також немає принципових обмежень щодо максимальної витрати рідини, тиску, в'язкості, неоднорідності, температурних умов, складу рідких сумішей, їх схильності до прилипання до твердої поверхні тощо.
До особливостей роботи ротаційних апаратів відноситься те, що кавітаційна обробка рідкої суміші, що проходить через них, зазвичай супроводжується деяким нагріванням (в залежності від швидкості потоку - від декількох градусів до 10-15 ° С), викликаним ефектом кавітації, а також подоланням сил в'язкого опору і т. д. Це температурний вплив необхідно враховувати при наявності обмежень на гранично допустимі температури нагріву оброблюваного продукту.
Кавітаційно-кумулятивний ефект згортання бульбашок дозволяє інтенсифікувати багато технологічних процесів, що протікають в рідких середовищах. Механохімічний вплив на рідкі середовища в першу чергу інтенсифікує міжфазний масообмін, розрив міжмолекулярних зв’язків в органічних середовищах з подальшою перебудовою та хімічними взаємодіями в рідкій і твердій фазах, утворенням нових сполук. Ці процеси відбуваються під впливом кумулятивних мікроструменів (мікровихрів) з найбільшою щільністю енергії, які утворюються при колапсі кавітаційних мікробульбашок. В результаті утворюються високогомогенні однорідні рідкі продукти з максимальними цільовими параметрами.
При кавітації дуже ефективним є супроводжуючий її дисперсійний механізм - руйнівна гідродинамічна дія кавітаційно-кумулятивних мікроструменів на будь-які частинки твердої або пружної фази, а також їх скупчення, що знаходяться в рідині, що обробляється. В результаті вдається отримати високодисперсні однорідні рідкі суміші. Важливо також, що в порівнянні, наприклад, з ультразвуковою обробкою, необхідні енергетичні витрати на гідродинамічну кавітацію менші, приблизно в 10-15 разів, а технологічне обладнання, що використовується, конструктивно простіше.
У виноробстві гідродинамічну кавітацію вперше застосували для інтенсифікації процесу освітлення виноградного сусла та сусла [4]. Для механічної імпульсної обробки виноградного сусла застосовували механічний імпульсний реактор – дезінтегратор (рис. 1).
Реактор складається з двох дискових роторів з рядами кавітуючих елементів, що обертаються у взаємно протилежних напрямках у робочій камері. Ротори встановлені на валах електродвигунів і обертаються від них у різні боки. Реактор оснащений впускними і вихідними трубами.

Рис.1. Схема дезінтегратора: 1 - електродвигун; 2 - обертовий диск; 3 - завантажувальна воронка; 4 - пальці; 5 - корпус; 6 - відвідна труба.

Рис. 2. Схема дисмембратора: 1 - електродвигун, 2 - диск, що обертається, 3 - завантажувальна воронка, 4 - пальці, 5 - корпус. 6 - патрубок для відведення суспензії.

Виноградне сусло або сусло, призначені для освітлення, під час роботи апарату самопливом направляються до центру робочої камери через верхній вхідний патрубок і далі надходять у кавітаційні елементи. У робочій камері суспензії руйнуються внаслідок механічних ударів, які виникають при обертанні робочих органів. При цьому всмоктуване атмосферне повітря розсіюється, випускається в робочу камеру і змішується з суслом. Через нижню трубу реактора сусло з диспергованими зваженими частинками і повітрям надходить у флотатор, де відбувається освітлення сусла шляхом флотації суспензій сусла з прикріпленими до них бульбашками газу.
Використання механічної імпульсної обробки в поєднанні з флотацією дозволяє проводити процес освітлення безперервним потоком, вихід освітленого сусла збільшується на 18-25%. При цьому істотно (на 40-60%) знижується масова концентрація високомолекулярних речовин у суслі, що є вагомим аргументом на користь подальшої стійкості продукту до колоїдних помутнінь. При обробці сусла також знищується до 80% дріжджових клітин спонтанної мікрофлори сусла, що забезпечує умови для кращого розвитку чистих дріжджових культур.
Метод гідродинамічної кавітації був застосований і в новій установці, розробленій в НІВіВ «Магарач» - в установці для приготування суспензії бентоніту марки УСБ-0,5 [5]. Робочий орган установки поєднує в собі можливості відцентрового насоса та високоефективного дисембратора (рис. 2), що дозволяє за 1-3 хв. без використання пари готують суспензію бентоніту з масовою часткою від 5 до 20%. Установка забезпечує 100% однорідність суспензії (розмір частинок 8 мкм), використання якої при виробництві різних сортів вин забезпечує значне зниження дозування бентоніту і желатину при переробці виноматеріалів. Суспензія бентоніту, приготовлена ​​«холодним» способом на установці УСБ-0,5, залишається стерильною і може зберігатися без зниження сорбційної здатності та гігієнічних показників і без звільнення від води не менше 3 місяців.
Дисмембратор — ударна дробарка, робочою частиною якої є обертовий ротор, що приводиться в рух електродвигуном. Ротор складається з дисків, з'єднаних з кільцевими дисками сталевими цапфами. Внутрішня стінка корпусу виконує роль другого (нерухомого) диска, тобто є статором. Пальці на обох дисках розташовані концентричними колами так, що кожен ряд пальців ротора поміщається між двома рядами статора. Суспензія бентоніту, що переробляється, подається через живильну воронку в центр ротора. Пальці, розташовані по внутрішньому колу, подрібнюють частинки бентоніту і відкидають їх на наступний концентричний ряд. Таким чином, бентоніт послідовно і багаторазово подрібнюється пальцями ротора.
Одночасно з дробленням відбувається добре перемішування обробленої суспензії в дисмембраторе. Установка для приготування суспензії бентоніту марки УСБ-0,5 (рис. 3) має такі технічні характеристики:

У світовій практиці виноробства даний тип обладнання розроблено вперше і не має аналогів. Установка впроваджена на виноробних підприємствах України та країн СНД.


Рис. 3. Установка для приготування суспензії бентоніту марки УСБ-0,5

Метод руйнування дріжджових клітин під час кавітаційної обробки використано для отримання автолізату, що використовується у виробництві шампанського пляшковим методом [6]. Автоліз - це процес руйнування компонентів клітини під впливом різних ферментів в результаті загибелі дріжджової клітини. Для отримання якісного автолізату необхідна швидка загибель дріжджових клітин у всьому об'ємі дріжджової маси, при цьому ферментативна активність у клітинах повинна підтримуватися на високому рівні, а клітинні стінки по можливості не руйнуватися, щоб запобігти потраплянню клітинних полісахаридів у виноматеріали. Для отримання дріжджового автолізату, що відповідає цим вимогам, НІВіВ «Магарач» розроблено установку для отримання дріжджового автолізату марки ВА-0,6 (рис. 4), яка використовує метод гідродинамічної кавітації [7]. Конструкція установки виконана на основі дезінтегратора (рис. 1). В результаті кавітаційної обробки спостерігається миттєва загибель дріжджових клітин, при цьому не відбувається пошкодження їх мембран після загибелі, зі збереженням всього комплексу активних ферментативних систем, характерних для живих дріжджових клітин. Дослідженням зміни протеолітичної активності дріжджових ферментів встановлено, що через 1 добу. після кавітаційного впливу активність протеолітичних ферментів зростає на порядок і зберігається на цьому рівні протягом 2 діб. і рівномірно зменшується протягом 5 днів. до рівня, що в 2 рази перевищує контрольний рівень.
Установка ВА-0,6 також може використовуватися для приготування бентонітових суспензій, для приготування сиропів холодним способом, у тому числі для приготування лікерів у виробництві ігристих вин і шампанського, для приготування сиропів з коньячними спиртами у виробництві коньяків.
Тривалість приготування лікерів для ігристих і шампанських вин з використанням шампанських виноматеріалів з масовою концентрацією цукрів 60 г/100 см3 і сиропів з використанням коньячного спирту з об'ємною часткою спирту 70 % і масовою концентрацією цукрів 60 г/100 см3 до 10 хвилин.
Установка ВА-0,6 має такі технічні характеристики:

Рис. 4. Установка кавітаційної обробки дріжджової маси для приготування автолізату дріжджів марки ВА-0,6.

Виробником установки ВА-0,6 є ПП ПКФ «Техно-Т» (м. Ніжин). Установка може бути використана для приготування бентонітової суспензії холодним способом, а також для вирішення різноманітних технологічних завдань у виноробстві.
Таким чином, кавітаційна обробка рідких сумішей є потужним, високоефективним технологічним засобом широкого застосування, що дозволяє вдосконалювати старі та створювати нові технології для отримання виробів і матеріалів з такими ж, а іноді й значно вищими корисними властивостями чи характеристиками, ніж при використанні інших відомих технологій. Роботи з використання гідродинамічної кавітації у виноробстві будуть продовжені.

Ще почитати:

Міжнародні відносини о найменуванні шампанського та хереса

В чому різниця між шампанським, просеко та ігристим вином?

Отримання червоних ігристих вин пляшковим способом з винограду перспективних сортів

Ігристі вина

Токайські вина

У нашому блозі «Приватна Марка» багато цікавого контенту: новинки ринку виноробства, крафтові рецепти наших технологів, влоги на різні теми. Дистиляція, крафтові винокурні, виробництво крафтового сидру, крафтовий квас, рецептура сидру, виробництво крафтових напоїв за нашими рецептами, виробництво спирту в промислових масштабах. Це та багато іншого цікавого у блозі «Приватна Марка Україна» та мережі магазинів «Винороб».

Наприклад, ви вирішили відкрити сироварню, ковбасний цех або почати пекти крафтовий хліб — welcome! Ми завжди допоможемо: надамо рецептуру, забезпечимо всі витратні матеріали, відправимо нашого технолога, складемо технологічну карту, встановимо все обладнання, сертифікуємо виробництво, відкриємо для вас завод з нуля, виноробні, цехи, виноградники, налагодимо готовий продукт із виходом на ринок. Ми — компанія повного циклу: маємо багато представництв по всьому світу. Потрібна склотара, склобанки, медичний посуд, лабораторний посуд чи лабораторне обладнання — звертайтеся! У наших складах понад 900 тис. найменувань товарів та обладнання. Звертайтеся, не вагайтеся! Не важливо, де ви знаходитесь — у СНД, Європі, Америці чи Азії: ми маємо великий досвід. Privatna Marka йде в ногу з технологіями та інноваціями. Ми 20 років на ринку та відправили понад 1 млн посилок своїм клієнтам. Втілили багато креативних проєктів. Відкрили низку підприємств харчової промисловості, а також у непродовольчій та продовольчій групах технічних виробів. Втілили 147 комерційних проєктів у країнах СНД. Виробляємо 70 видів продукції власного виробництва в Україні, Німеччині та Китаї. У блозі ще більше цікавого та корисного.

Консультації за тел. +380 (67) 440-70-90
https://privatnamarka.com/
https://www.instagram.com/privatnamarka?igsh=MWt0NzNxbHJrbXh4ZQ==\
https://www.facebook.com/Privatnamarka
https://youtube.com/@privatnamarkacom?si=P5RH_spetEP3x_RQ\