Перспективы применения кавитации в безалкогольной и винодельческой промышленности

 

Аннотация. В статье рассмотрены основные понятия кавитации и определена сфера целесообразности применения различных типов кавитации. Приведены примеры применения кавитационных технологий для интенсификации гидромеханических и массообменных процессов в винодельческой и безалкогольной промышленности.
Abstract. The article deals with the basic concepts of cavitation and defines the scope of applicability of different types of cavitation. Examples of application of cavitation technologies for intensification of hydro-mechanical and mass transfer processes in the wine and non-alcoholic industries are given.

Повсеместное внедрение ресурсосберегающих, экологически безопасных производств – актуальная задача пищевой промышленности [1-3]. В связи с этим, важным направлением развития пищевой промышленности является исследование нетрадиционных способов переработки пищевого сырья, которые обуславливают улучшение функциональных характеристик готовой продукции при одновременном снижении производственных затрат. К данным перспективным направлениям относят кавитационное воздействие [1, 2-4].

Кавитация представляет собой процесс образования и последующего схлопывания пузырьков вакуума в потоке жидкости, который сопровождается шумом и гидравлическими ударами [2, 5]. В фазе разрежения акустической волны, а также за счет местного понижения давления при обтекании твердого тела в жидкости образуются каверны, называемые кавитационными пузырьками, которые заполняются насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения каверна разрушается, а пар конденсируется на границе раздела фаз [2, 6-7]. Далее через стены каверны в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию. При разрушении кавитационной каверны давление и температура газа местно достигают значительных величин (по расчетным имеющимся данным до 100 МПа и до 10000 К соответственно) [2, 5, 7-8]. После схлопывания кавитационного пузырька в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве. При возникновении и распространении  импульсного растягивающего напряжения в жидкости, происходит рост устойчивых паровых и газовых пузырьков малых размеров. Далее пузырьки растут и образуют кавитационный кластер, форма и размеры которого определяются начальным спектром размеров кавитационных зародышей, характером применяемого напряжения и иными граничными условиями [4-6]. В кавитационную каверну могут проникать пары жидкости, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара и, соответственно, не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ, а  энергии, которая выделяется при разрушении каверны, достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды, газов и веществ с высокой упругостью пара [5, 7, 9].

Дифференцируют следующие виды кавитации:  акустическую и гидродинамическую кавитации. Отличие акустической кавитации от гидродинамической состоит в том, что при акустической кавитации происходит снижение давления в жидкости за счет  прохождения акустических волн, а во втором случае – при увеличении местных скоростей потока [6, 9].

Также, стоит отметить, что явление кавитации носит локальный характер и возникает только там, где есть необходимые условия. Применение же эффектов явления кавитации в перерабатывающей и пищевой промышленности, несомненно, эффективно, так как позволяет существенно снизить, а в некоторых случаях, полностью исключить использование пищевых добавок [1, 3, 8-10]. К примеру, активированная, за счет кавитационных воздействий, вода более эффективно связывается в эмульсиях, где происходит гидролиз жиров с образованием ди- и моноглицеридов, которые являются естественными загустителями [4, 6, 11].

Также, при обеззараживании воды под воздействием кавитации необходимо затратить гораздо меньшее количество энергии, так как кавитационное воздействие за несколько циклов работы кавитационной установки приводит к деформации большего количества микроорганизмов: газы внутри микроорганизмов расширяются и происходит разрушение их оболочек [5, 7, 12]. При этом, при обеззараживании воды путём пастеризации необходимо затратить большее количество энергии, так как необходимо передать кинетическую энергию на всю массу микроорганизмов, которые распределены по объёму воды, что обязывает прогревать весь объём с большим потреблением электричества [2, 6 - 9].

Эффекты гидродинамического кавитационного воздействия могут быть применены в следующих технологических операциях переработки продуктов растениеводства [2, 6-8, 10]:

• - подготовка воды  для восстановления концентрированных соков;
• - осветление, пастеризация и стерилизация соков, в т.ч. восстановленных;
• - подготовка воды, предназначенной для обессахаривания свекловичной стружки методом диффузии;
• - подготовка воды для смешивания с крахмалсодержашим сырьем перед его развариванием;
• - тепловая обработка виноматериалов.

 
Применение гидродинамической кавитации позволит достигнуть следующие технические показатели и уменьшить затраты энергии на энергоемкие технологические операции:

• - повысить коэффициент диффузии и содержания сахарозы в диффузионном соке;
• - увеличить эффективность разрушения микроорганизмов;
• - снизить расход энергии на разваривание и интенсифицировать процессы брожения при общем увеличении выхода спирта.

 
Имеются данные об использовании кавитационной обработки в технологиях производства соков. При производстве натуральных соков одна из основных задач заключается в том, чтобы стабилизировать мякоть во взвешенном состоянии, поэтому особо важной операцией является достижение после диспергирования  размеров частиц менее 50 мкм. При этом происходит клеточное измельчение мякоти, которое позволяет избежать расслоения и осаждения компонентов сока, но применяемые гомогенизаторы не всегда позволяют достигнуть ожидаемых результатов [2, 5, 8-9, 11-13].

Исследователи Института прикладной физики, Молдова, разработали технологию производства осветленного сока и вина с улучшенными характеристиками с использованием энергии кавитационного воздействия [13]. Исследователями рекомендовано в производстве соков с мякотью использование трехчастотных кавитационных установок, которые позволяют достигнуть  гомогенной и стабильной мякоти с размерами частиц (10−50) мкм. Также, отмечено улучшение органолептических показателей сока, остальные физико-химические показатели сока (массовая доля сухих растворимых веществ и титруемых кислот) остаются без изменений [10].

При производстве вина исследователи применили трехчастотную кавитацию для диспергирования бентонита до размеров частиц (0,1–2,0) мкм, что обеспечило уменьшение расхода бентонита при обработке виноматериалов до 10 раз и позволило увеличить производительность осветления (до 5–8 раз) [13].

В виноделии гидродинамическая кавитация была применена для интенсификации процесса осветления виноградного сусла и сусловой гущи [2, 7, 11-14] с помощью механоимульсного реактора – дезинтегратора (рисунок), в рабочей камере которого происходит разрушение взвесей сусла за счет механических ударов, возникающих при вращении рабочих органов. Одновременно происходит диспергирование всасываемого атмосферного воздуха, выброс его в рабочую камеру и перемешивание с суслом. Далее сусло поступает через нижний патрубок реактора с диспергированными частицами взвесей и воздуха поступает во флотатор, где происходит осветление сусла путем флотирования взвесей с прикрепленными к ним пузырьками газа [15-16].


Механоимульсный реактор – дезинтегратор:
1 – электродвигатель, 2 – вращающийся диск, 3 – загрузочная воронка, 4 – пальцы, 5 – корпус, 6 – патрубок отвода

Механоимульсный реактор – дезинтегратор состоит из двух дисковых роторов с рядами кавитирующих элементов, которые вращаются в разных направлениях в рабочей камере. Виноградное сусло и сусловые осадки через верхний входной патрубок направляются на осветление самотеком в центр рабочей камеры и далее поступают на кавитирующие элементы [16]. При использовании механоимпульсной обработки совместно с флотацией возможно провести осветление в непрерывном потоке, при этом, выход осветленного сусла увеличивается на 18-25%, при этом, в сусле на 40-60% уменьшается массовая концентрация высокомолекулярных веществ и разрушается до 80% дрожжевых клеток спонтанной микрофлоры сусла, что создает оптимальные условия для более эффективного развития чистых культур дрожжей и существенно повышает качественные характеристики готовой продукции [16-18].

Перспективным представляется исследование и разработка новых технологий функциональных напитков на основе экстракции биологического сырья методами ультразвукового воздействия и кавитации для различных групп населения на основе нетрадиционного сырья, с добавлением витаминных премиксов, пре- и пробиотиков, биологически активных компонентов, в т.ч. антиоксидантов [18-20].
Таким образом, на основании вышеуказанных исследований представлены перспективы применения кавитационного воздействия в винодельческой и безалкогольной промышленности.

Литература

1. Галстян, А. Г. Водоподготовка – фактор повышения эффективности экономической эффективности предприятий / А.Г. Галстян, С.Н. Туровская, А.Н. Шкловец // Молочная промышленность. – 2011. – № 2. – С. 58-60.
2. Промтов, М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов / М.А. Промтов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2008. – Т.14. – № 4. – С. 861-869.
3. Галстян, А.Г. Активность воды в молочных продуктах / А.Г. Галстян, А.Н. Петров, В.В.  Павлова // Переработка молока. – 2002. – №7 (33). – С. 8-9.
4. Хуршудян, С.А. Мониторинг качества винодельческой продукции / С.А. Хуршудян, А.Г. Галстян // Контроль качества продукции. – 2017. – № 8. – С. 12-13.
5. Денисюк, Е.А. Пути использования эффекта гидродинамической кавитации при обработке жидких пищевых сред / Е.А. Денисюк, С.П. Шевелев // Вестник НГИЭИ. – 2011. – Т. 2. – № 1 (2). – С. 30-41.
6. Капустин, С.В. Применение ультразвуковой кавитации в пищевой промышленности / С.В. Капустин, О.Н. Красуля // Интерактивная наука. – 2016. – № 2. – С. 101-103.
7. Хмелев, В.Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности: Курс лекций / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов.  – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 203 c.
8. Шестаков, С.Д. Основы теории процессов и аппаратов кавитационной дезинтеграции пищевых сред: дис. в виде науч. док. … д-ра техн. наук / С. Д. Шестаков; Гос. научно-исслед. ин-т хлебопекарной промышленности РАСХН. – М.: Изд. комплекс МГУПП, 2001. – 59 с.
9. Прохасько, Л.С. Гидродинамика и расчет кавитационных смесителей непрерывного действия: автореф. дис. … канд. техн. наук / Л. С. Прохасько. – Пермь: ПГТУ, 2000. – 20 с.
10. Прохасько, Л. С. К вопросу об определении продольных размеров гидродинамических кавитационных устройств / Л.С. Прохасько, Д.А. Ярмаркин // Естественные и математические науки в современном мире. – 2013. – № 10. –11. – С. 117–112.
11. Popov, K.I. Food Nanotechnologies / K.I. Popov, A.N. Filippov, S.A. Khurshudyan // Russian Journal of General Chemistry. – 2010. – Т. 80. – № 3. – С. 630-642.
12. Потороко, И.Ю. Перспективы использования ультразвуковой кавитации в технологии обаззараживания питьевой воды для пищевых производств / И.Ю. Потороко, Р.И. Фаткуллин, И.В. Калинина // Торгово-экономические проблемы регионального бизнес пространства. – 2013. – № 1. – С. 338-341.
13. Прохасько, Л. С. Математическая модель рабочего процесса гидродинамического кавитационного смесителя / Л.С. Прохасько, Д.А. Ярмаркин // Технические науки – от теории к практике. – 2013. – № 10. – С. 61–65.
14. Думитраш, П.Г. Кавитационные технологии при диспергировании и гомогенизации / П.Г. Думитраш, М.К. Болога, Т.В. Кучук, Т.Д. Шемякова // Электронная обработка материалов. – 2009. – № 4 (258). – С. 102-107.
15. Красуля, О.Н. Инновационные подходы в технологии молочных продуктов на основе эффектов кавитации / О.Н. Красуля, И.Ю. Потороко, О. Кочубей-Литвиненко, А.К. Мухаметдинова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. – 2015. – Т.3. – №2. – С.55-63.
16. Виноградов, В.А. Применение гидродинамической кавитации в виноделии / В.А. Виноградов, С.В. Кулёв // Виноградарство и виноделие. – 2014. – Т. 44. – С. 92-95.
17. Хуршудян, С.А. Качество пищевых продуктов. Термины, определения и противоречия / С.А. Хуршудян, А.Г. Галстян // Контроль качества продукции. – 2018. – № 1. – С. 48-49.
18. Хуршудян, С.А. Качество сырья и потребительские качества пищевого продукта / С.А. Хуршудян, А.В. Орещенко // Пищевая промышленность. – 2013. – № 6. – С. 40.
19. Галстян А.Г. Технология молочных геропродуктов с длительным сроком хранения / А.Г. Галстян, А.Н. Петров, И.А. Радаева // Переработка молока. – 2008. – № 4 (102). – С. 35-37.
20. Радаева, И.А. Новый межгосударственный стандарт на актиокислитель дигидрокверцетин / И.А. Радаева, А.Г. Галстян, С.Н. Туровская, Е.Е. Илларионова, В.П. Тихонов, Т.В. Шевченко // Молочная промышленность. – 2016. –№ 4. – С. 57-59.

Агейкина И.И.; Михайлова И.Ю.; Рябова А.Е., канд. техн. наук;
Стрижко М.Н., канд. техн. наук
Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности – филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, г. Москва
 

---