Способ селективного удаления нелетучих веществ из безалкогольного или алкогольного напитка или сахарсодержащего раствора - RU2046134C1
Код документа: RU2046134C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу селективного удаления нелетучих веществ из безалкогольного или алкогольного напитка или сахарсодержащего раствора, предусматривающему их ступенчатое диафрагменное разделение ультрафильтрацией и обратным осмосом на пермеат и ретентат, удаление нелетучих веществ, таких как сахар и/или кислота, и/или вещества, придающего неприятный вкус, или превращение и использование их в конечном продукте.
Преимущественной областью применения изобретения является обессахаривание главным образом безалкогольных напитков и вместе с тем удаление кислоты и общая очистка как алкогольных, так и безалкогольных напитков (например, вина, пива) из натуральных продуктов таких, как плоды, фрукты, ягоды, виноград, овощи, зерно, соя и продукты животноводства, например молоко. Под общей очисткой понимается преимущественно ликвидация привкуса и удаление кислоты. Вышеупомянутые подлежащие удалению вещества нелетучи. Параллельно с удалением нелетучих веществ при желании могут удаляться и летучие вещества, например ароматические вещества. Доля всех удаляемых веществ составляет менее 25% Удаление сахара и в меньшей степени кислоты и очистка напитков служат цели уменьшения в напитках содержания калорий, уменьшения их сладости, возможности и употребления их диабетиками, снижения кислотности.
Применение мембраноразделительного способа известно при деалкоголизации напитков. При этом летучие спирты отводятся мембраной в пермеат. Однако этот способ не может без изменений применяться для удаления сахара из напитков из-за значительно более высокого молекулярного веса и нелетучих соединений, таких как сахар, кислота, вкусовые вещества, и непригоден для этой цели. Для деалкоголизации мембранным способом необходимы мембраны с очень низкими границами раздела. При применении переменного осмоса и переменного осмоса в сочетании с диализом в зоне чистого осмоса концентрация соли достигает, например, 92-99% относительно 0,5%-ного водного раствора поваренной соли при давлении на диафрагме 40 бар и 20оС. Дальше отделение спирта из пермеат-цикла производится так называемым жидкостно-летучим способом, например перегонкой, нелетучие компоненты, как сахар, кислота, вкусовые вещества, не могут быть таким способом селективно отделены.
В основе изобретения лежит задача поиска способа, свободного от указанных недостатков, который при более высокой экономичности гарантировал бы улучшение качества конечного продукта.
Изобретение решает эту задачу тем, что после прохождения мембранного разделителя отделенное из пермеата или задерживающееся в ретентате вещество физическим, химическим или биотехнологическим способом удаляется или превращается и, наконец, оставшиеся после удаления или превращения вещества хотя бы частично или снова участвуют в процессе, или выводятся в конечный продукт.
Производительность установки может быть повышена, если мембранный разделитель состоит из комбинации диализа и обратного осмоса, а отделение производится при повышенном давлении на мембране и разности концентраций.
Область разделения мембранно-разделительного устройства находится преимущественно в граничной зоне низкомолекулярной и высокомолекулярной или граничной зоне обратного осмоса и ультрафильтрации.
По одному из следующих признаков изобретения мембранный разделитель работает по принципу ультрафильтрации с границей разделения от максимум 5000 Дальтон.
Для удаления вещества из пермеата или из ретентата мембранного разделителя могут с успехом использоваться известные, применяемые среди прочего для отделения нелетучих материалов физические или хроматографические способы, слоистые фильтры, способы, изменяющие вкус подвальной обработки, а также способ экстрагирования жидкость/жидкость или химические способы, такие как способ химического осаждения.
Для удаления веществ их переработкой применяются преимущественно биотехнологические способы, такие как брожение или способ ферментации.
По следующему признаку изобретения пермеат мембранного отделителя хотя бы частично вводится в контур, а устройство для удаления вещества или его превращения устанавливается в контур пермеата.
Управление установкой улучшается тем, что пермеат после удаления вещества или его превращения хотя бы частично возвращается в ретентат за мембранным отделителем.
Для изготовления более или менее сладкого, деалкоголизированного или легкого алкогольного напитка в примере реализации изобретения в контур пермеата помещен ферментатор, в котором содержащийся в пермеате сахар превращается в спирт. Спирт в подключенном деалкоголизирующем устройстве или экстракцией добавлением другого напитка хотя бы частично удаляется, а обессахаренный и деалкоголизированный или содержащий небольшое количество спирта пермеат снова возвращается в контур пермеата за ферментатором.
Чтобы избежать диффундирования большого количества ароматических веществ, в пермеат в соответствии со следующим примером реализации изобретения перед мембранным отделителем устанавливается другой мембранный отделитель, в который вводится сырой сок, когда ретентат со своей стороны подводится в мембранный отделитель, причем пермеат, содержащий ароматические вещества, вводится в ретентат за мембранным отделителем.
Целесообразно границу отделения предварительного отделителя установить ниже границы мембранного отделителя, но все же в границах обратного осмоса и ультрафильтрации.
В другом варианте исполнения изобретения удаление вещества или его превращение производятся со стороны ретентата за мембранным отделением. Мембрана мембранного отделителя подбирается таким образом, чтобы пермеат содержал преимущественно вещества, которые желательно иметь в конечном продукте, а реагент вещества, подлежащие удалению или превращению.
Наряду с применением для изготовления напитков способ может применяться для изоляции или обогащения сахара при его получении из сахарсодержащих растворов, в особенности в связи с сахарным раствором, полученным ферментационным гидролизом целлюлозы, например из дерева.
В особенно выгодном для получения безалкогольных напитков или напитков с ограниченным содержанием спирта варианте изобретения содержащийся в ретентате мембранного разделителя сахар ферментацией превращается в спирт, спирт хотя бы частично удаляется подключенным деалкоголизатором, а затем содержащиеся в пермеате вещества, экстракты, соли, кислоты и т.д. после ферментации и деалкоголизации снова вводятся в ретентат.
Достигнутые при помощи изобретения преимущества заключаются главным образом в том, что комбинацией мембранного способа отделения и последующего удаления вещества или его превращения достигается высокая селективность и вместе с тем качество. Обессахаренный и/или бескислотный напиток, полученный предлагаемым способом, обладает высоким качеством и удовлетворяет требованиям потребителя. Предлагаемый способ позволяет также облагородить напиток удалением привкуса, который может возникнуть из-за использования некачественного исходного материала, плохой переработки или слишком длительного хранения. Обессахаривание и изменение соотношения сахара и кислоты позволяет удовлетворять специфические потребности потребителя, например, изготовлением специальных жаждоутоляющих напитков, таких как яблочный сок с небольшим содержанием сахара и повышенным соотношением кислоты и сахара. Кроме того, в зависимости от зоны отделения мембраны можно получить продукт с хорошим содержанием красящих веществ, экстрактных веществ, дубильных веществ и т.п. Вместе со вкусом можно положительно влиять на запах, например, при помощи вновь образующихся при ферментации ароматических веществ или ликвидацией неприятного запаха адсорбционным или абсорбционным способом.
На фиг. 1 изображена схема установки для осуществления способа с удалением вещества, а также его превращением со стороны пермеата; на фиг.2 установка с обессахариванием путем ферментации и устройством для восстановления запаха; на фиг.3 пример выполнения с удалением вещества или его превращением со стороны ретентата.
Сырой сок, из которого должен быть извлечен сахар, подводится, как это показано на фиг.1, по трубопроводу 1 к диафрагменному разделителю 2. Диафрагменный разделитель состоит из комбинированного устройства диализ обратный осмос, в котором пермеат течет навстречу ретентату. В установке имеется специальный модуль, который позволяет направить пермеат навстречу потоку ретентата. Однако возможно и использование ультрафильтрующего устройства с тем же модулем. Предпочтительная область отделения диафрагменного отделителя находится в низкомолекулярной и высокомолекулярной границах, т.е. между границами обратного осмоса и ультрафильтрации, максимальная граница раздела которых составляет 5000 Дальтон. В этом диапазоне красящие вещества еще остаются. Далее макромолекулярные вещества, например экстрактивные вещества, полифенолы и т.д. проходят через диафрагму в сильно ограниченных количествах.
В пермеатном контуре 3 размещено устройство 5 для селективного удаления вещества или его превращения. По трубопроводу 6 вещества, подлежащие удалению или обработке, как например сахар, кислота, вещества, придающие неприятный вкус, спирт из сахара, соли из сахара или кислота, выводятся из отделителя. Текущий в противоположном ретентату направлении пермеат введен в контур и на нижней стороне снова подводится к диафрагменному отделителю 2. Освобожденный от нежелательных веществ напиток выходит из мембранного отделителя в виде ретентата по трубопроводу 7. Часть пермеата после удаления вещества по трубопроводу 8 снова возвращается в ретентат в диафрагменный отделитель 2.
Устройство 5 удаляет содержащийся в пермеате сахар, кислоту или вкусовое вещество при помощи физических, химических или биотехнологических способов или превращает их в вещества, которые становятся составными частями напитка. Благодаря тому, что диафрагма 4 диафрагменного разделителя 2 подбирается таким образом, что граница разделения ее обеспечивает диффундирование веществ, подлежащих удалению, а со стороны пермеата применяется способ дополнительного селективного удаления веществ, достигается повышенная селективность по отношению к отдельным ступеням. При применении отдельных ступеней возникает опасность удаления слишком многих веществ.
Устройство 5 селективного удаления веществ может действовать, например, в известной мере по принципу выпадения осадков. Для удаления сахара в особенности может применяться известный способ Стефана или ему подобные процессы. Для удаления кислоты более всего подходят способы подвальной обработки, а также ферментные способы. Кроме того, могут быть использованы и хроматографические способы такие, как, например, метод исключения ионов для удаления сахара. Для удаления вкусовых веществ может быть использован способ адсорбции или абсорбции, например, активированным углем. Далее могут применяться многослойные фильтры, причем не только для чисто механической очистки, но и для связывания коллоидов. В принципе для удаления веществ, в том числе и для удаления всех веществ, изменяющих вкус, могут применяться все облагораживающие способы и средства подвальной обработки. При этом способ по изобретению действует тоньше, чем традиционные способы, так как воздействию подвергается только пермеат.
Наконец удаление вещества может производиться посредством экстракции типа жидкость-жидкость. Для этого в контур 3 пермеата вводится минеральная вода и/или хотя бы другой напиток или обычные добавки через трубопровод 9. Обе жидкости вместе с подлежащим удалению веществом, например сахаром, концентрируются в контуре пермеата, а по трубопроводу 10 отводится новый напиток, который теперь содержит сахар, извлеченный из первого напитка. По трубопроводу 11 в новый напиток могут подмешиваться другие добавки. Первый, обессахаренный напиток выходит из диафрагменного отделителя 2 по трубопроводу 7. Для усиления обмена веществ могут быть использованы и соответствующие экстракционные аппараты в традиционном исполнении.
Вместо удаления веществ в устройстве 5 может производиться их превращение. Для этого наиболее подходят уже применяемые в производстве напитков биотехнологические способы. В соответствии с фиг.2 в контуре пермеата установлен ферментатор 12, который перерабатывает содержащийся в пермеате сахар в спирт. Если нужно изготовить легкий алкогольный напиток, спирт остается в пермеате. Поскольку количество получаемого спирта соответствует количеству содержащегося в пермеате сахара, по желанию можно получить более или менее сладкий алкогольный напиток. Для этого остается только добавить какой-либо растворитель, как это делается при деалкоголизации обычными способами, до получения желаемой вязкости напитка. Если желательно уменьшить содержание спирта, применением известных способов пермеат можно частично или полностью деалкоголизировать. Для этого обогащенный спиртом и ферментированный пермеат подводится по трубопроводу 13 к деалкоголизирующему устройству 14, в котором производится удаление спирта. Деалкоголизированный пермеат по трубопроводу 15 снова вводится в конур 3 пермеата за ферментатором 12. Обессахаренный и деалкоголизированный пермеат вместе с водой, экстрактами, кислотой, солями, остатками ароматических веществ, включая новые ароматические вещества, полученные при ферментации, вводятся в нижнюю часть стороны пермеата диафрагменного отделителя 2, а часть их по трубопроводу 8 возвращается в ретентат.
В контуре 3 пермеата может быть предусмотрен процесс удаления из пермеата кислоты устройством 16, в котором из пермеата параллельно удалению сахара или вместо него удаляется кислота.
Вместо деалкоголизирующего устройства 14 по аналогии с описанным способом обессахаривания экстрагированием по типу жидкость-жидкость с введением другого напитка спирт может быть извлечен из пермеата и тем самым получен другой алкогольный напиток.
В качестве следующей меры по превращению вещества могут быть применены ферментные способы в устройстве 5. Эти методы известны, например, под названием навингинеза, применяемого для обезгорчивания сока грейпфрутов. Так как ферменты на стороне пермеата не теряются, практически способ ферментации означает снижение расходов по производству напитков.
Для компенсации воды, которая вместе с подлежащими удалению веществами диффундирует сквозь диафрагм у 4 диафрагменного отделителя 2 в пермеат, в сырой сок перед введением его в диафрагменный отделитель вводится по трубопроводу 17 вода для разбавления напитка. Дальнейшая компенсация потери воды происходит за счет того, что часть обессахаренного или превращенного пермеата по трубопроводу 8 возвращается в ретентат.
Изображенная на фиг.2 установка может дополнительно иметь рекуператор 12 ароматических веществ. Рекуператор состоит из предшествующего по схеме диафрагменному отделителю 2 отделителя 19, который работает во избежание тепловых нагрузок, ухудшающих вкусовые качества напитка, по принципу диафрагменного отделения. Сырой сок по трубопроводу 1 вводится в отделитель 19 и в виде ретентата по трубопроводу 20 поступает в диафрагменный отделитель 2. Преимущественно состоящий из ароматических веществ и небольшого количества сахара пермеат из отделителя 19 по трубопроводу 21 возвращается в ретентат за диафрагменным отделителем 2. Это делается для того, чтобы избежать повреждения или потери слишком большого количества ароматических веществ, диффундирующих при отделении сахара или кислоты через диафрагму 4 отделителя 2 в пермеат, при их обработке. Такое устройство применяется в том случае, когда по соображениям увеличения производительности система работает при относительно высоких давлениях или когда необходимо исключительно высокое качество конечного продукта. Нет необходимости в высокой концентрации и высокой чистоте, так как отделенные ароматические вещества сразу же вновь поступают в ретентат. Однако следует избегать дополнительной концентрации сока. Граница разделения разделителя 19 расположена несколько ниже, чем у диафрагменного разделителя 2, но также, как и у него, лежит в зоне между обратным осмосом и ультрафильтрацией.
На фиг. 3 изображен вариант реализации изобретения, в котором в контуре ретентата для селективного удаления веществ или их превращения за диафрагменным отделителем 2 установлено устройство 5. Мембрана 4 подбирается таким образом, что в ретентате, выходящем из мембранного разделителя 2, остаются главным образом вещества, подлежащие удалению. Для обессахаривания границу разделения диафрагмы 4 целесообразно выбрать в переходной зоне обратного осмоса и ультрафильтрации. Пермеат, вытекающий по трубопроводу 22, содержит главным образом вещества, которые желательно иметь в конечном продукте. Это дает преимущество; напиток не подвергается изменениям вследствие воздействия на него в ходе удаления веществ или их переработки. Процессы, протекающие со стороны ретентата при удалении веществ или их обработке, аналогичны процессам в варианте, изображенном на фиг.1 и 2.
Если в варианте, соответствующем фиг. 3, превращение материала для обессахаривания определенного напитка осуществляется способом ферментации, т. е. в конструкции применен ферментатор 12, то может быть получен напиток с небольшим содержанием спирта, сахара и высоким содержанием ароматических веществ, экстрактов, кислот и солей, выделенных из первоначального напитка. Задерживающийся в ретентате благодаря соответствующему подбору диафрагмы 4 сахар в ферментаторе 12 перерабатывается в спирт. Последующей деалкоголизацией содержание спирта понижается. Потери ароматических веществ при этом невелики, так как содержащиеся в первоначальном напитке ароматические вещества, экстракты, соли, кислоты и в небольших количествах сахар уже до того вместе с водой диффундируют в пермеат, который после обессахаривания и деалкоголизации снова вводится в ретентат и вместе с ретентатом образует новый безалкогольный напиток или напиток с пониженным содержанием спирта.
Кроме того, существует возможность комбинировать установку, изображенную на фиг.3, с установкой, изображенной на фиг.1 или 2.
Реферат
Использование: в безалкогольной или алкогольной промышленности. Сущность изобретения: способ селективного удаления нелетучих веществ из безалкогольного или алкогольного напитка или сахарсодержащего раствора предусматривает их ступенчатое диафрагменное разделение ультрафильтрацией и обратным осмосом на пермеат и ретентат, удаление нелетучих веществ, таких, как сахар и/или кислота, и/или вещества, придающего неприятный вкус, или превращение и использование его в конечном продукте, по которому удаление нелетучих веществ или их превращение осуществляют из ретентата посредством физических или химических, или биотехнологических способов, пригодных для отделения нелетучих веществ, а вещества, оставшиеся после удаления или превращения, по меньшей мере, частично снова подвергают превращению или поступают в конечный продукт. Пермеат после удаления и превращения вещества хотя бы частично возвращают в ретентат после диафрагменного разделения или в контур рециркуляции пермеата, в который вмонтированно устройство для удаления или превращения вещества. Сахар, содержащийся в пермеате или ретентате, превращают ферментацией в спирт, который хотя бы частично удаляют, а пермеат, содержащий ароматические вещества, снова вводят в ретентат или пермеат, содержащий ароматические вещества снова вводят в ретентат или пермеат. При ультрафильтрации граница разделения составляет максимум 5000 Дальтон, диафрагма при диафрагменном разделении подбирается таким образом, что пермеат содержит вещества, которые желательно иметь в конечном продукте, а ретентат вещества, подлежащие удалению или превращению. Напиток или раствор перед ступенчатым диафрагменным разделением подвергают предварительному разделению по диафрагменному принципу, а полученный ретентат вводят в ретентат при диафрагменном разделении, а пермеат после него, при этом граница предварительного разделения лежит ниже границы диафрагменного разделения и подбирается такой, что эта граница раздела находится в граничной зоне обратного осмоса и ультрафильтрации. 16 з. п. ф-лы, 3 ил.
