Охлаждение и замораживание в современном мире используется в различных областях, в частности в пищевой промышленности. Существует технология производства столовых белых и красных вин с применением криообработки, которая основана на замораживании виноматериалов с последующим отделением образовавшегося льда. Обычно такую обработку проводят при температуре, близкой к замерзанию, но при этом замерзание вина не происходит.
Установлено, что в результате криовоздействия на виноматериалы в них увеличивается объемная доля этилового спирта, массовая концентрация фенольных, а также экстрактивных веществ. В результате криовоздействия улучшаются органолептические показатели виноматериалов и вин, в том числе вкус и аромат. А также криообработка целесообразна при производстве соков для их концентрирования.
В последние годы интерес к методу крио- воздействия значительно вырос. В связи с этим исследования, направленные на изучение целесообразности применения крио- обработки в технологии столовых вин, являются актуальными.
Целью исследования является усовершенствование технологии приготовления соков и вин в применением криовоздействия.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования взяты белые и красные винограды, выращиваемые в республике, их сусла и изготовливаемые из них виноматериалы, технологии приготовления столовых и шампанских вин с применением на технологической линии методов криообработки и усовершенствованный кристаллизатор. Методика исследования предусматривала проведение анализов на всех этапов производства, придерживания системно-технологического подхода.
Результаты исследования и их обсуждение
Известен генератор, изготовляющий чешуйчатый лед [1]. Эта установка состоит из вертикального цилиндра-теплообменника с трубами, дающими охлаждающий агент и выпускающими пар, передающего вала, связанного с распределителем передающим на внешнюю поверхность этого цилиндра жидкость и ножа, отделяющего лед от этой поверхности. Здесь нож, отделяющий и выделяющий лед, снабжен струной. Основным недостатком этой установки является то, что нож способен двигаться на определенном расстоянии, фиксированном к ледобразующей поверхности.
Известны также опосредованные охлаждающие кристаллизаторы. В них слой льда создается путем бесперебойного замораживания жидкого продукта, вытекающего с внешней поверхности внутреннего охлаждающего вертикального цилиндра. Этот слой льда выделяется путем соскабливания подвижными или неподвижными ножами. Недостаток этой установки состоит в том, что из-за постоянного содержания на поверхности теплообменника «остаточного» слоя льда и создания из-за этого дополнительного термического сопротивления интенсивность замерзания кристаллов льда снижается [2–4].
Более близкой к варианту идеи установкой является криозагуститель жидких и тестообразных пищевых продуктов [5]. Установка снабжена вертикальными трубками, по которым внутри путем распределителей течет охлаждающий агент. На трубки подается жидкий или тестообразный продукт. Под трубками помещен поднос, принимающий продукт вместе с водой. Ножи, соскабливающие лед, размещены на опорной доске и двигаются вдоль трубок вперед-назад. Ножи, являясь кольцевыми, могут менять угол наклона лезвия по отношению к оси трубки. Основание ножей прикрепляется к несущему звену. Лезвие каждого ножа прислоняется к профилирующему несущему звену.
Основной недостаток этой установки заключается в том, что ножи, отделяющие лед от поверхности труб, из-за того, что могут скользить только по поверхности льда только на фиксированном расстоянии, являются причиной того, что лед падает на поднос не в виде чешуйчатых кристаллов, а в виде поверхности инея. Для того, чтобы повысить возможность таяния и превращения в жидкость этих льдинок, которые выпадают не в виде чешуйчатых кристаллов, требуется повторно провести продукт через установку, что снижает продуктивность установки. В то же время из-за того, что на трубках постоянно остается лед, по причине возрастания термического сопротивления интенсивность замерзания жидкости, текущей по слою льда, снижается.
Задача усовершенствования состоит в том, чтобы увеличить продуктивность и облегчить отделение с поверхности теплообменника с помощью криовоздействия замерзшего в виде ледяных чешуек водного содержания винного материала.
Задача решается следующим образом. Установка криовоздействия винного материала состоит из вертикальных трубок, имеющих трубочки, для того чтобы подавать охлаждающий агент и выпускать его пар. Для подачи продукта на внешнюю теплообменную поверхность трубок используется поднос с распределительными отверстиями. Установка также состоит из подноса, принимающего загустевающий продукт и водяной лед, передающего вала, из струнных ножей снимающих лед с наружной поверхности трубок, изготовленных в виде кольца, меняющего угол наклона лезвия ножа относительно оси трубки, основа которого связана с гидроцилиндром и способным двигаться по профилированному звеньевому носителю, из опорной доски двигающимся вперед-назад относительно внешних поверхностей вертикальных трубок, ножа в форме «r», прикрепленного к этой доске впереди ножа, счищающего лед с опорной доски.
Каждый из добавленных для усовершенствования элементов служит для повышения продуктивности установки криовоздействия винных материалов и более легкого выделения с поверхности теплообменника полученной из содержащейся в них воды ледяных чешуек.
Размещение дополнительного ледорежущего ножа на опорной доске впереди скребущего ножа, отделяющего лед от опорной доски, ослабляет прочность сцепления слоя льда с поверхностью теплообменника и из-за скребущего воздействия сзади создает условия для отделения кристаллов льда в виде чешуек. Направление дополнительного режущего ножа сильнее скребущего ножа в сторону стенки трубки уменьшает возможность накопления «остатков» льда на поверхности теплообменника, что приводит к снижению термического сопротивления, то есть создает условия для более интенсивного замерзания слоя продуктов.
Экспериментальная установка криовоздействия, несущая в себе элементы усовершенствования, состоит из кристаллизаторов, что схематически описано на рисунке.
Схема экспериментальной установки криовоздействия: а) взаимосвязь принципиальной схемы установки со схемой холодильной машины; b) принципиальная схема соединения, обеспечивающего движение режущих ножей вперед-назад; c) схема соединения, формирующего профиль ножей, крошащих лед в виде чешуек: 1 – трубка; 2, 3 – трубочка; 4, 6 – поднос; 5 – распределительные отверстия; 7, 8 – опорные подпорки; 9 – опорная доска; 10 – подушка; 11 – винт; 12 – движущаяся доска; 13 – опорная доска; 14 – передаточный механизм; 15 – опорное звено; 16 – нож; 17 – лезвие ножа; 18 – хвост ножа; 19 – несущее звено; 20 – нож в форме «r»; 21 – шток; 22 – гидропередатчик; 23 – трубка; 24 – насос; 25 – циркуляционный ресивер; 26 – компрессор; 27 – конденсатор; 28 – линейный ресивер; 29 – вентиль; 30 – трубочка; 31 – сборник; 32 – насос; 33 – ледосборник; 34 – жидкая пленка; 35, 36 – слой льда
Согласно схеме приведенной на рисунке a, b, c, установка состоит из имеющих между собой интервалы, находящихся в вертикальном положении параллельно стоящих трубок – 1, трубочек, передающих им и выпускающими – 3 охлаждающий агент – 2, из подноса – 4, собирающего продукт, распределяющих отверстий – 5, подноса – 6, поддерживающих колонн – 7, 8, нижней поддерживающей доски – 9, находящейся на ней подушки – 10, и прикрепленного винта – 11, связанного с ним движущейся доски – 12, опорной доски – 13 и размещенного на ней передаточного механизма – 14.
Профилированные концентрически к оси вертикальных трубок – 1 опорные звенья – 15 прикреплены к подвижной доске – 12 (рис. 4.1, с). К ним прислоняются звеньевые ножи – 16 и их лезвия – 17. Звеньевые ножи – 16, их хвосты – 18 прикрепляются к несущему звену – 19. К точке – 15 корпуса профилированной опоры лезвий – 17 звеньевых ножей прикрепляются режущие ножи – 20 в форме «r». Несущее звено – 19 с помощью звена – штока – 21 связано с гидропередатчиком – 22, который в свою очередь связан с трубкой – 23, дающей гидравлическую силу.
Трубочки – 2 соединены с насосом охлаждающего агента – 24, другие трубочки – 3 соединены с ресивером – 25, который в свою очередь соединен с компрессором – 26 (рисунок, a). Компрессор – 26 соединен с конденсатором – 27, линейным ресивером – 28 и вентилем дросселя – 29.
Над подносом – 6 размещена подающая продукт трубочка – 30. Собирающий продукт поднос – 4 соединен с общим сборником – 31, который в свою очередь связан с насосом продуктов – 32 и ледосборником – 33.
Установка работает нижеследующим образом.
С помощью трубочки – 30 в поднос – 6, а оттуда, проходя через распределительные отверстия – 5, продукт (винный материал) подается на вертикальные трубки – 1. Жидкость под своей тяжестью в виде пленки – 34 стекает в собирающий продукт поднос – 4. Жидкий охлаждающий агент с помощью насоса – 24 подается ресивером – 24 трубочкам – 2 и стекает по внутренним поверхностям трубок – 1 в виде пленки – 35. В результате теплообмена между жидким продуктом и жидким охлаждающим агентом охлаждающий агент закипает, его пар и превращенная в пар жидкость посредством трубочек – 3 передается ресиверу – 25. Жидкий охлаждающий агент с помощью насоса – 24 подается в трубочки – 2. Пары охлаждающего агента же через ресивер – 25 посредством компрессора подается в конденсатор – 27. Здесь конденсационная жидкость в виде охлаждающего агента течет в линейный ресивер – 28. Отсюда, регулируясь с помощью дроссель – вентиля – 29, она подается в циркуляционный ресивер – 25. Из этого ресивера – 25 дросселирующие пары подаются в компрессор – 26, жидкий охлаждающий агент течет в насос – 24. На этом цикл охлаждающего агента завершается.
Винный материал подается из трубочки – 30 в приемный поднос – 6. Отсюда он через распределяющие отверстия – 5 трубками – 1 течет по внешней поверхности теплообменника. Когда жидкая пленка – 34 течет сверху вниз по поверхности трубок – 1, из жидкого продукта получается тепло нагревания – охлаждения и тепло фазового превращения, в это время пары, выделенные из жидкого охлаждающего агента – 35 вместе с неиспарившимся охлаждающим агентом, подаются с помощью трубочки – 3 в нижней части трубки – 1 в циркуляционный ресивер – 25 и пленку продукта – на внешнюю поверхность трубки, образуя слой льда (кристаллы) – 36.
Загустевший винный материал стекает в находящийся внизу поднос – продуктосборник – 4, оттуда в общий сборник – 31, а оттуда с помощью насоса – 32 загустевший винный материал подается на следующий этап, или же уходит на хранение. В условиях нормальной эксплуатации слой льда – 36, образующийся в основном на поверхности трубки – 1, разбивается запускающимися в работу ножами 16, 20. Они связаны с подающим механизмом – 14, и работают посредством этого механизма.
При запуске подающего механизма – 14 в трубопровод – 23 и 22 подается жидкость, и в результате шток – 21 нажимает и двигает вниз несущее звено – 19. В это время эластичное лезвие – 17 ножа – 16 опорного звена – 15 по профилированной внутренней поверхности движется вниз. Лезвие – 17 входит в наличествующую глубину слоя льда – 35 (с условием, что оно не прикасается к трубке – 1, в противном случае лезвия этих ножей – 16 из – за обладания шириной, позволяющей соскоблить, могут упереться в поверхность трубки – 1).
В то же время подающий механизм – 14, находящийся в кинематической связи с движущейся доской – 12 и посаженный на подушку – 10, крутит ведущий винт – 11. Движущаяся доска – 12 движется вдоль опорных стояков – 7 и 8. Профилированное звено – 15, связанное с движущейся доской – 12, также движется вдоль трубок – 1. Разрезает слой льда – 36 и в виде чешуек отделяет от поверхности трубки – 1. Чешуйки льда сыплются на поднос – 4 и оттуда вместе с загустевшим винным материалом подаются в общий сборник. Отсюда частички льда отделяются льдосборником – 32, и передается на технологическое использование. Таким образом, рабочий цикл установки с винным материалом (продуктом) завершается.
Когда движущаяся доска – 12 доходит до положения нижнего предела, обеспечивается реверсирование движения со стороны передаточного механизма – 14. В это время движущаяся доска – 12 возвращается в верхнее положение. С началом реверса сток – 21 подающего – 22 с помощью несущего звена – 19 переводится в верхнее положение, нож – 16 и лезвие – 17 отделяются от поверхности трубок и внутренней поверхности профилированного опорного звена – 15, создает условия для стекания винного материала по поверхности трубки – 1. При достижении движущейся доски – 12 верхнего предела подающий механизм – 14 останавливается до второго такта отделения льда. Рабочий цикл установки завершается отделением путем разрезания слоя льда – 36.
Заключение
Предложенная установка, работающая методом криовоздействия винного материала, отличающаяся от существующих установок, повышая интенсивность возникновения на поверхности теплообменника слоя льда, увеличивая продуктивность и способствуя отделению всего слоя льда в виде чешуек обеспечивает экономическую целесообразность. Установлено, что в результате криовоздействия на белые и красные виноматериалы доля этилового спирта в них увеличивается в 1,5–1,9, а фенольных и экстрактивных веществ – в 1,3–1,6 раза [6]. При этом в них уменьшается концентрация винной и яблочной кислот и катионов калия.
Предложенная установка утверждена Агентством интеллектуальной собственности Центром экспертизы патентов и товарных знаков Азербайджанской Республики в качестве полезной модели в 09.12.2019 г. (№ U 20190056) [7]. Разработанное и изготовленное устройство было применено в «Аз-Граната» ООО. Годовая экономическая эффективность составило 6913.63 манат.