Установка очистки воды, молока и соков природными цеолитами

Техническое решение относится к области приготовления пищевых продуктов, в состав которых входят водосодержащие жидкости, и может быть использовано и обработке молока и соков, используемых для приготовления различных продуктов питания. Установка содержит адсорбционную колонку, заполненную сорбентами, причем в качестве опорного слоя использован кварцевый песок или гравий, на котором последовательно размещены слой шивыртуинского цеолита, слой цеолита холинского месторождения, поверх которого размещен дополнительный слой шивыртуинского цеолита, при этом к колонке подключены система подачи очищаемой жидкости и система отвода очищенной жидкости. 3 з.п. ф-лы, 3 пр.

Техническое решение относится к области пищевой промышленности, а именно, к области приготовления пищевых продуктов, в состав которых входят водосодержащие жидкости, и может быть использовано и обработке молока и соков, используемых для приготовления различных продуктов питания.

Цеолит является ионообменником, обладающим резкой селективностью к крупным катионам щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов, а также к иону аммония, обладает также высокими скоростями обменных реакций.

Поведение цеолитов в процессе ионообмена зависит от следующих факторов: природы катиона, его заряда и размера в дегидратированном и гидратированном состоянии, температуры, концентрации катионов в растворе, природы аниона, ассоциирующего с катионом в растворе, структурных особенностей данного цеолита.

Специфический характер ионообменных процессов на цеолитах (селективность к отдельным катионам, наличие ситового эффекта) обусловлен особенностями их кристаллической структуры, то есть физическими свойствами цеолитов.

Пористая, открытая в окружающую среду микроструктура цеолитов предопределяет их основные полезные свойства. Обезвоженные, например, путем нагревания, цеолиты приобретают способность сорбировать молекулы различных веществ из окружающей среды (адсорбционные свойства), если размеры этих молекул не превышают диаметра входных каналов, соединяющих микрополости во внутрикристаллическом пространстве данного цеолита (молекулярно-ситовые свойства). В жидких средах, в частности в растворах электролитов, цеолиты могут обменивать свои катионы, расположенные в микрополостях, на другие катионы, находящиеся в растворе (катионообменные свойства). В процессах адсорбции и катионного обмена цеолиты проявляют тенденцию к избирательному поглощению одних молекул или катионов перед другими. Реакционная способность сорбированных цеолитами молекул значительно повышается, в результате чего цеолиты проявляют каталитическую активность в разнообразных реакциях органического и неорганического синтеза (каталитические свойства). При изменении условий адсорбированные молекулы могут быть удалены в окружающую среду, а обменные катионы замещены другими, в результате чего цеолиты регенерируют и таким образом могут работать в многоцикловом режиме.

Наиболее предпочтительно использовать в пищевой промышленности цеолиты клиноптилолитового ряда каркасных алюмосиликатов. Каркасный алюмосиликат образуется при сочленении через общие вершины тетраэдров (АlO₄) и (SiO₄), обладающих общими ионами кислорода.

Подобный минерал является молекулярным ситом с антиситовым механизмом действия и обладает строго калиброванным размером пор (3-6 А). Следовательно, он способен проявлять сорбционные свойства только по отношению к ионам макро- и микроэлементов и соединениям с небольшими размерами молекул, не вступая в прямое взаимодействие с витаминами, белками, аминокислотами и другими органически сложными соединениями.

Многолетние комплексные минералого-физико-химические исследования природных цеолитов показали их высокую ионообменную емкость (2,54 мл-экв/г) и селективность по отношения к ряду ионов в электролитах сложного состава.

Свойство вторичной пористости позволяет использовать цеолиты в качестве пролонгаторов-носителей витаминов.

В природе, в том числе и у человека, не существует дефицита или избытка какого-либо одного или двух микро-, макроэлементов вследствие того, что обмен всех неорганических элементов очень тесно взаимосвязан. Например, дефицит железа сопровождается избытком свинца, который блокирует обмен железа. Избыток меди обуславливает дефицит кальция и цинка.

Оптимальное содержание в организм микро-, макроэлементов способствует протеканию биохимических реакций, образованию биокатализаторов, которые нормализуют активность ферментов в зависимости от потребности организма, направляя и регулируя обмен веществ в живых клетках.

Физико-химические свойства цеолитовых пород различных месторождений, при сравнительно одинаковом химическом составе, по ряду показателей существенно различаются. Эти различия обусловлены: особенностями минерального состава цеолитовых пород, минеральным видом цеолита, особенностями структуры и морфологии.

Используя цеолиты различных месторождений, а также одновременно воздействуя цеолитами нескольких видов на пищевые жидкости, можно оптимизировать содержание микро- и макроэлементов в организме человека.

Известен (RU, патент 2148425) способ фильтрации, включающий пропускание жидкой среды через фильтрационную систему, содержащую, по меньшей мере, один слой фильтровального материала, изготовленного путем пропитки нетканого иглопробивного полотна дисперсией, содержащей частицы цеолита, латекс и воду при их массовом отношении (0,8-1,2):(0,8-1,2):(2-3) соответственно, при этом масса осевшей дисперсии к массе нетканого иглопробивного полотна составляет 150-200, или 280-300, или 350-400, или 30-40, или 75-80, или 100-150 процентов. В качестве цеолита используют обычно шеелит или клиноптилолит. При изготовлении фильтровального материала предпочтительно используют полиакриловый латекс на основе сополимеров бутилакрилата, метилметакрилата и метакриловой кислоты или бутадиеновый латекс на основе сополимеров бутадиена, стирола, акрилонитрила и метакриловой кислоты, или безэмульгаторный латекс на основе сополимеров бутилакрилата, метилметакрилата, метакриловой кислоты и N-додецил-2- аминоэтансульфоната натрия.

При реализации заявляемого способа изготавливают систему фильтрации, в которой один из фильтров, как правило, последний, содержит, по меньшей мере, один слой фильтровального материала, изготовленный в соответствии с приведенными выше данными. В зависимости от назначения фильтровального материала используют один из вышеуказанных материалов с определенным отношением осажденной дисперсии к основе.

В каждом конкретном случае в зависимости от вида очищаемой жидкой среды и от целей очистки используют соответствующий материал, подбираемый, как правило, опытным путем. Учитывая, что основу фильтровального материала изготавливают из нетканого иглопробивного материала, который широко используют для отделения от жидких сред механических примесей, предлагаемый фильтровальный материал можно использовать для дополнительного извлечения микропримесей, представляющих механические частицы, что важно при очистке больших объемов жидких сред.

Недостатком известной системы следует признать ее малую ионную емкость, обусловленную незначительным количеством иммобилизованного фильтровальным материалом цеолита.

Известен также (RU, патент 2195146) способ осветления сока, предусматривающем внесение в продукт осветляющего вещества с последующим отстаиванием осадка и декантацией осветленного сока, причем в качестве осветляющего вещества используют пылевидную фракцию цеолита, которую вносят в количестве 30-70 г/дм³.

Недостатком известного технического решения следует признать малую ионную емкость системы жидкая фаза - цеолит, обусловленную незначительным количеством используемого цеолита, при этом дополнительную сложность способа состоит в необходимости отделения жидкой фазы (сока) от осадка.

Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2075994) устройство для очистки жидкостей, содержащее корпус, в котором размещены сорбент и электроды, создающие поле электрического тока, причем электроды размещены в сорбенте, при этом электроды выполнены из материалов, образующих при контакте друг с другом химический источник тока, а частицы сорбента выполнены из материала, поляризующегося в поле электрического тока, причем размер частиц не превышает половины расстояния между соседними электродами. В качестве сорбента может быть использован и цеолит.

Недостатком известного технического решения является его сложность.

Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в создании простого и эффективного средства очистки жидкостей от нежелательных примесей.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в улучшении качества молока и молочных продуктов, в том числе, и сокосодержащих, при одновременном регулировании микро- и макро элементного состава молочных продуктов для экологически напряженных районов Сибири.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство, содержащее адсорбционную колонку, заполненную сорбентами, причем в качестве опорного слоя использован кварцевый песок или гравий, на котором последовательно размещены слой шивыртуинского цеолита, слой цеолита холинского месторождения, поверх которого размещен дополнительный слой шивыртуинского цеолита, при этом к колонке подключены система подачи очищаемой жидкости и система отвода очищенной жидкости. Предпочтительно соотношение диаметра к высоте колонки составляет от 1:2 до 1:3. Колонка может быть выполнена из любого химически стойкого полимерного материала (фторопласт, полиметилметакрилат, полистирол). Предпочтительно опорный слой содержит частицы величиной - 5-10 мм, при высоте слоя 0,3 м, первый слой шивыртуинского цеолита выполнен из частиц размером 3-4 мм, высота слоя 0,3 м, слой холинского цеолита выполнен из частиц размером 1,5-2,0 мм при высоте загрузки 1,5-2,0 м, а дополнительный слой шивыртуинского цеолита выполнен из частиц размером 2-3 мм при высоте слоя 0,2 м. Указанные размеры частиц цеолитов не являются критичными для достижения указанного технического результата, но желательно использовать именно такие частицы, поскольку они частично обеспечивают оптимальную сорбцию нежелательных ионов и вирусов. Соотношение диаметра к высоте колонки составляет от 1:2 до 1:3, что позволяет упростить процесс выбора скорости прохода жидкости через цеолит.

После загрузки установки проводят ее промывку водой до получения прозрачного фильтрата. На технологические нужды вода из городской сети подается на цеолитовый фильтр и проходит сверху вниз со скоростью 0,5 - 2,0 м³/ч в зависимости от исходной загрязненности воды.

Шивыртуйское месторождение находится в Забайкальском районе вблизи ст. Даурия Читинской области и может считаться клиноптилолит - монтмориллонитовым. Суммарные запасы и прогнозные ресурсы цеолитсодержащих туфов оценены около 1 млрд. тонн при среднем содержании суммы клиноптилолита и монтмориллонита 75%.

Цеолит Холинского месторождения (республика Бурятия) должен соответствовать требованиям ТУ 21163-002-12763074-97. Его основу также составляет клиноптилолит.

Обе породы содержат наряду с высококачественным клиноптилолитом, большое количество не менее качественного монтмориллонита. Оба ведущих полезных компонента имеют сходные физико-химические свойства и близкие области применения. Отношение кремния к алюминию варьируется в пределах от 3,40 до 4,83.

В туфах выше названных месторождений наряду с цеолитами присутствуют вулканическое стекло, полевые шпаты, кварц, глинистые минералы, слюда, биотит, кальцит.

В динамических условиях ионов жесткости из раствора извлекается модифицированными цеолитами на 13% больше, чем природным туфом.

Дополнительно изучены адсорбционные свойства шивыртуина по отношению к микроорганизмам.

Установлено, что применение для обработки водосодержащей жидкости природного цеолита позволяет существенно снизить (на 69%) общую обсемененность воды. Однако на этот процесс оказывает влияние скорость пропускания воды через минерал и размер частиц туфа.

Активная сорбция микроорганизмов происходит при использовании фракций цеолита от 1,0 до 2,0 мм. При этом наиболее эффективной сорбции способствовала скорость фильтрования воды в пределах 5-15 см ³/мин.

Изучение свойств цеолита Шивыртуйского месторождения показало его высокую способность к извлечению из воды ионов жесткости и микроорганизмов.

Исходный цеолит Шивыртуйского месторождения до помещения в колонку измельчают и промывают.

Исходный цеолит Холинского месторождения до помещения в колонку также измельчают и промывают.

Колонку разработанной конструкции использовали для очистки молока и соков от солей жесткости и микроорганизмов следующим образом.

Колонку, выполненную из полиметилметакрилата высотой 1 м и диаметром 0,25 м заполнили предварительно подготовленным, как указано выше, цеолитами в указанном порядке расположения слоев. Система подачи очищаемой жидкости представляет собой штуцер, соединенный шлангом из силиконовой резины с резервуаром, в который наливают очищаемую жидкость. Система отвода очищенной жидкости представляет собой штуцер с краном, соединенный шлангом из силиконовой резины с емкостью для очищенной жидкости. Для побуждения движения жидкости через колонку использован миникомпрессор, выполненный с возможностью регулирования давления воздуха, выход которого подключен к резервуару с очищаемой жидкостью.

При использовании охарактеризованной выше системы из цельного молока были удалены в среднем:

Кроме того, уменьшено содержание и других ионов.

Из восстановленного молока в среднем:

Кроме того, уменьшено содержание и других ионов.

Из яблочного (или любого другого) сока:

Кроме того, уменьшено содержание и других ионов.

Таким образом, при реализации разработанного устройства обеспечивается улучшение качества молока, в том числе, и восстановленного, и молочных продуктов, в том числе, и сокосодержащих, при одновременном регулировании микро- и макро элементного состава молочных продуктов для экологически напряженных районов Сибири.

1. Установка очистки воды, молока и соков природными цеолитами, отличающаяся тем, что она содержит адсорбционную колонку, заполненную сорбентами, причем в качестве опорного слоя использован кварцевый песок или гравий, на котором последовательно размещены слой шивыртуинского цеолита, слой цеолита Холинского месторождения, поверх которого размещен дополнительный слой шивыртуинского цеолита, при этом к колонке подключены система подачи очищаемой жидкости и система отвода очищенной жидкости.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что соотношение диаметра и высоты колонки составляет от 1:2 до 1:3.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что колонка выполнена из химически стойкого полимерного материала.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что опорный слой содержит частицы величиной 5-10 мм при высоте слоя 0,3 м, первый слой шивыртуинского цеолита выполнен из частиц размером 3-4 мм, высота слоя 0,3 м, слой холинского цеолита выполнен из частиц размером 1,5-2,0 мм при высоте загрузки 1,5-2,0 м, а дополнительный слой шивыртуинского цеолита выполнен из частиц размером 2-3 мм при высоте слоя 0,2 м.