Стекатели, настойники, экстракторы

Отделение сусла первой фракции (самотека) имеет целью помимо получения продукта высшего качества облегчить прессование мезги. Сусло-самотек используется для приготовления лучших марочных вин. Норма отбора сусла первой фракции, получаемого на стекателях из винограда, 50-55 дал при общем количестве сусла 75-80 дал.

В последнее время при производстве отдельных типов вин с целью обогащения сусла экстрактивными и ароматическими веществами при­меняют специальные аппараты - так называемые настойники. Для по­лучения красных вин по определенной схеме применяют экстракторы, обеспечивающие более полный переход в виноматериал красящих и дубильных веществ.

Стекатели и настойники. Стекание сусла из мезги можно рас­сматривать как гидродинамический процесс течения жидкости через пористую среду, который сопровождается более или менее полным раз­делением твердой и жидкой фаз суспензии. Общие закономерности это­го процесса исследованы В. П. Нечаевым

Производительность стекателей периодического действия пра­вильнее всего определять с учетом кинетики процесса, но это чаще все­го невозможно из-за отсутствия экспериментальных данных или их тео­ретического обобщения. Полому для расчетов может быть рекомендо­вана формула для определения производительности П (в дал/с) стекате­лей по суслу:

где (/> - коэффициент, учитывающий степень заполнения корзины, камеры, ем кости (0,8-0,9): V- объем корзины, камеры, емкости. м; р - объемная масса мезги, кг/м'; q - количество сусла, получаемом из /000 кг винограда, дал: г,. -время рабочего периода цикла, с.

Формула (1.7) определяет итоговую, суммарную производитель­ность стекателя, так как в нее входит время рабочего периода цикла т_р. При подсчете производительности в час, смену и т. д. необходимо учесть нерабочее время цикла и коэффициент использования оборудования К.

Для расчета рабочего объема и производительности камерных сте­кателей следует принимать длительность одного цикла работы 4 ч. Это обосновывается рациональной продолжительностью процесса настаива­ния мезги при изготовлении белых столовых вин в течение 2-4 ч. Значе­ние г обычно принимается равным 10 ч. Тогда л следует принять рав­ным 3. В связи с тем, что камерные стекатели являются аппаратами пе­риодического действия, их число N должно быть не менее двух для обеспечения непрерывности работы линии. При этом каждый стекатель должен находиться под разгрузкой стекшей мезги поочередно в течение 2 ч. Количество отходов гребней М обычно составляет 4"% массы вино-1рада. Объемная масса свежей мезги может быть принята 1080 кг/м³.

В отечественном виноделии благодаря большой производительно­сти, непрерывности действия, малым габаритным размерам и другим преимуществам - наибольшее распространение получили шнековые стекатели, принятые в качестве типовых. К ним относятся стекатели серии ВССШ (разных модификаций производительностью 10, 20, 30, 50 и 100 т/ч) и стекатель ВСН-20 (производительностью 20 т/ч).

Стекатели производительностью 10, 20 и 30 т/ч (рис. 1.9, я, б) уст­роены одинаково. Внутренние боковые стенки бункера 2, огражденные кожухами, наклонные, перфорированные; передняя и задняя стенки вер­тикальные. Внутри бункера имеется дренажная перегородка (на рисунке не показана), увеличивающая площадь дренирующей поверхности и спо­собствующая лучшему распределению массы мезги в бункере. В нижней части бункера находится патрубок для отбора сусла. В месте выхода мез­ги корпус 4 имеет форму конуса, что способствует легкому отжиму мезги.

Рис. 1.9. Принципиальные (а) и кинематические (б, в) схемы шнековых

стекателей: а - ВССШ-10. ВССШ-20Д, ВССШ-ЗОД (1 - рама; 2 - бункер; 3 - шнек; 4 -

корпус; б - те .же (1.2- шкивы; 3 - электродвигатель; 4 -редуктор; 5 - вал шнека); в - ВССШ-50, ВСШ-100 (обозначения те же)

Мезга из лробилки подается в первую по ходу движения секцию бункера и через пространство между поперечной перегородкой и шне­ком 3 перемещается во вторую секцию, а оттуда - в цилиндрический корпус стекателя. За счет уменьшения поперечного сечения в конусной части корпуса осуществляется некоторый отжим мезги (давление до 0,16 МПа). Степень отжатия обусловливается величиной сужения ко­нусной части барабана.

Стекатели производительностью 50 и 100 т/ч в принципе устрое­ны так же. Они отличаются лишь наличием двух шнеков. Кинемати­ческая схема стекателей показана на рис. 1.8, в (обозначения те же; цифры приводятся для стекателя ВССШ-50). Кроме того, в стекателе ВССШ-50 для дополнительного регулирования степени отжатия мез­ги на выходной части перфорированного корпуса установлена спе­циальная крышка. При совмещении ребер крышки с ребрами лотка степень отжатия минимальная; при повороте крышки сопротивление, а следовательно, и степень сжатия увеличиваются. Подобным пово­ротом ребер крышки можно регулировать степень отжатия мезги в пределах до 10'.?.

Диаметры шнеков в стекателях ВССШ производительностью 10, 20 и 30 т/ч - 634 мм, а производительностью 50 и 100 т/ч - 697 и 797 мм, частоты вращения соответственно 1,3; 2,1; 4.0; 3,0 и 1,5/2,5 об/мин.

Длительность нахождения мезги в таких стекателях 8-16 мин

К двухшнековым (диаметр шнеков 536 мм) относится и стекатель ВСН-20 (автор В. А. Наумов), получивший большое распространение благодаря простоте и хорошим технологическим показателям. Этот сте­катель отличается от стекателей ВССШ малыми размерами бункера 7. Перфорированные цилиндрические корпуса 3 стекателя ВСН-20 закан­чиваются конусами для подпрессовки мезги или шарнирно установлен­ными подпружиненными крышками - лепестками, образующими диа­фрагму 2 и имеющими то же назначение. Общий вид стекателя и его кинематическая схема показана на рис. 1.10, не требующем пояснения.

Зарубежные конструкции шнековых стекателей, например, фирмы «Diemme» (Италия) и др., в принципе построены по той же схеме, что и отечественные. Некоторый интерес представляют стекатели фирмы «Sernagiotto» (Италия), в бункерах которых установлено несколько вер­тикальных шнеков, обеспечивающих легкий отжим мезги и равномер­ную подачу ее на три основных шнека.

Наиболее полно шнековые стекатели исследованы В. П. Тихоно­вым [36J. Результаты этих исследований положены в основу описанных выше конструкций стекателей ВССШ.

Теоретический расчет производительности шнековых стекателей представляет определенные трудности ввиду отсутствия теоретических исследований. Можно исходить из пропускной способности перемещаю-

щего органа, но правильные результаты при этом могут быть получены лишь при введении условных коэффициентов, учитывающих постоянно уменьшающееся в связи с отбором сусла количество перемещаемой мезги.

Рис. 1.10. Стекатель ВСН-20:

а - общий вид ( I - лоток для выгрузки мезги; 2 - коническая диафрагменная насадка; 3 - цилиндр; 4 - шнек; 5 - крышка; 6 - люк; 7 - бункер; 8 - дренажная сетка; 9 -редуктор; 10 -рама; 11 - поддон для сусла); б - кинематическая схема ( I - электродвигатель; 2,6- шкивы;.?, 4 - шнеки; 5 -редуктор)

Для расчета фактической производительности шиековых стекате-лей Пф на основании обработки экспериментальных данных В. II. Тихо­новым предложена формула

П_ф=17_ГК_уК_ГК_ОБК„<рК₀К_я.        (1.10)

где П_Т - теоретическая производительность шнекового стекатечя, которая мо­жет быть опредечена по формуле (1.1) при условии, что р- объемная масса мезги, кг/м . с = I / cosa (где а -угол накюна шнека, град, tp = I ); К,. - коэффициент, учи­тывающий фактический выход сует (при выходе 40-65 дал/т К, = 1,05*0,86); К/- - коэффициент, учитывающий снижение производительности при перера-ооткс мезги с гребнями (К, = 0,96+0,98); К_оь - коэффициент, учитывающий наличие в стекателе обтюратора, препятствующего обратному току мезги (выходах сусла К_ок = I ; при выходах 55-70 дал/т K_oh = 1+1,27); Kj -коэффициент, учитывающий форму отверстий в цилиндре (при площади живого сечения не менее 10% и диаметре отверстий 0,6-2,5 мм K_ri = 0,75+0,94; при щеле­вых отверстиях Kj = Г); <р - коэффициент, учитывающий величину обратного потока мезги вдоль винтового канала и через радиальный зазор между шнеком и цилиндром (при частоте вращении шнеков п = 1+10 об/мин f = 0,65+1; в общем случае (р = п ' ); К_в - коэффициент, служащий для приведения производительно­ сти стекателя по мезге к производительности по винограду (Ко = 75); Кц - ко­ эффициент, характеризующий изменение производительности в зависимости от геометрических размеров конструкции (для реальных апекателей при диаметрах цилиндра до 800 ли/ Кц = 1).

Интересные результаты получены при изучении влияния обтюрирую­щих устройств на процесс получения сусла. Такою рода устройства в виде звездочек используются во многих конструкциях стекателей и шнековых прессов. Их назначение - уменьшать обратный поток мезги, снижающий производительность машин. Установлено, что при выходах сусла до 55 дал/т отсутствие обтюрирующего устройства не приводит к снижению производи­тельности установки. При дальнейшем увеличении степени отжатая перера­батываемого продукта, например, до выхода 70 дал/т, производительность снижается на 27%. Поэтому при разработке нового оборудования расчет ра­бочего органа следует проводить с учетом влияния этого фактора, причем с

экономической точки зрения, так как одни факторы (увеличение производи­тельности) играют положительную роль, а другие (повышение концентрации взвесей в сусле, увеличение металлоемкости) - отрицательную.

Другие типы стекателей (вибрационные, центробежные, вакуум­ные) не нашли практического применения в промышленности ввиду технологических и конструктивных недостатков (аэрация сусла, обога­щение его взвесями и др.). Представляется, однако, что ряд видов обра­ботки мезги в процессе отъема самотека (ультразвуком, ферментными препаратами) при надлежащем конструктивном оформлении могут лечь в основу создания новых типов стекателей.

Экстракторы

Они предназначены для одновременного экстраги­рования и брожения мезги. Наиболее распространенным отечественным экстрактором является аппарат ВЭКД-5 (рис. 1.12, а, б). В аппарате происходит непрерывное брожение мезги с плавающей «шапкой». Ис­ходная (свежая) мезга подается периодически.

Аппарат работает следующим образом. Свежая мезга загружается до уровня на 0,5 м ниже желоба разгрузочного шнека 2. Для ускорения броже­ния в аппарат дозируют дрожжевую разводку до 3% мезги. В процессе бро­жения сусло перемешивают 3-4 раза в сутки. Для этого сусло отбирается через перфорированные стенки 8, установленные в нижней части резервуа­ра, и орошает поверхность «шапки» через пятирожковый разбрызгиватель 4. При остаточном содержании сахара в сусле до 5% производится выпуск бродяшего сусла-самотека. Единовременный объем выпускаемой жидкости не до;гжен превышать 50% ее общего объема в аппарате. В противном слу­чае старая «шапка» опускается в зону перфорированных стенок, а свежая мезга при подаче ее в аппарат образует свищи и прорывается на поверхность старой, в результате чего аппарат выводится из непрерывного режима рабо­ты. Для восстановления рабочего режима аппарат необходимо полностью разгрузить и повторно пустить в работу.

После выпуска сусла до нужного остаточного уровня в аппарат по­дают свежую мезгу. Она поднимает старую «шапку» в верхнюю часть аппарата, где ее граблями 3 сваливают в разгрузочный желоб и выводят из аппарата, направляя на дожимочный пресс.

Производительность экстрактора - 5 т/ч; объем - 44,5 м³; длитель­ность экстрагирования - 10 ч; диаметр - 5082 мм, высота - 8015 мм.

Опыт эксплуатации экстрактора ВЭКД-5 показал, однако, несовер­шенство механизма вьирузки «шапки» в описанном варианте. Более це­лесообразно перекачивать мезгу из экстрактора при помощи насоса, на­правляя ее в стекатель до прессования (или в необходимых случаях воз­вращая ее в экстрактор).

в

Рис. 1.12. Экстракторы ВЭКД (а, б) и фирмы «Padovan» (в): а - принципиальная схема ( I -резервуар; 2 - шнек; 3 - грабли; 4 - разбрызгивав-пиль; 5 - ваг, 6 - труба; 7 - насос; 8 - стенка; 9, 10 - патрубки с кранами); б -кинематическая схема (1 - электродвигатель; 2 -редуктор; 3 - цепная передача; 4 - шнек; 5 - грабли; 6.7- шестерни); в - принципиальная схема ( I - грабли; 2 -шнек; 3, 6,7- патрубки; 4,5 - патрубки с кранами; 8,9- вентили)

В установке Padovan (рис. 1.12, в), принципиально похожей на экс­трактор ВЭКД-5, процесс рециркуляции мезги осуществляется следующим образом: сформированная вверху «танка» собирается граблями / и при помощи шнека 2 подается в устройство для рециркуляции, в которое одновременно поступает сусло из нижней части резервуара, создавая встречный поток- Затем обогащенная суслом мезга подается в нижнюю часть резервуара. Всего производится три рециркуляции по 1-1,5 ч каж­дая через 3. 7 и 13 ч после загрузки. Рециркуляция считается закончен­ной, когда «шапка» полиостью опустится в вино. Когда «шапка» подни­мается вновь, можно начинать следующую рециркуляцию либо присту­пить к выгрузке мезги. Вместимость резервуара до 100 м .

Шнек состоит из двух частей, одна из которых обеспечивает пере­движение мезги при разгрузке «шайки», а вторая подает мезгу для ре­циркуляции. Сброженное сусло отводится через нижний кран 5 при пе­риодическом сбраживании и через кран 4 - при непрерывном. Осадки удаляются через патрубок 6, мезга - через патрубок 7, а выделяющийся диоксид углерода - через вентиль 9 с предохранительным клапаном. В остальном принцип действия установки ясен из рисунка.

В настоящее время фирма «Diemme» (Италия) выпускает экстрак-торы-винификаторы более совершенных конструкций: вертикального типа (в которых бродящее сусло, отбираемое снизу, орошает «шапку» мезги) и горизонтального (которые представляют собой вращающиеся резервуары со спиральной лопастью внутри и коническим днищем: при вращении происходит перемешивание мезги и обогащение вина фе-нольными и красящими веществами: марка таких установок NS; их вме­стимость - в зависимости от типоразмера - от 10 до 70 м).

Прессы

Прессы предназначены для отделения сусла от мезги после отбора сусла первой фракции на стекателях; при этом норма выхода прессовых фракций сусла около 25 дал/т. В отдельных случаях прессуются целые грозди винограда. Некоторые схемы производства красных вин преду­сматривают подачу на прессование уже сброженной мезги после отде­ления от нее большей части полученного при брожении вина.

Во всех случаях в прессах происходит разрушение растительных клеток ягоды, истирание кожицы, а при неблагоприятных условиях -раздавливание и перетирание виноградных семян. Поэтому в прессовом сусле имеется определенное количество взвесей, дубильных и других веществ. Содержание их колеблется в зависимости от сорта и качества винограда. режима процессов дробления и прессования мезги, а также требований к качеству получаемого продукта (последнее зависит от типа вина, для которого продукт предназначен).

Прессы периодического действия.

 Принципиальные схемы прес­сов периодического действия показаны на рис. 1.14.

В горизонтальном гидравлическом прессе (рис. 1.14, а) мезгу от­жимает поршень, перемешающийся к торцевой стенке корзины. В пневматическом прессе (рис. 1.14, б) мезга отжимается раздувающим­ся баллоном, в который подается воздух. Обе приведенные схемы на­шли конструктивное воплощение (см. ниже).

Рис. 1.14. Принципиальные схемы горизонтальных корзиночных прессов периодического действия: а - гидравлические бокового давления: б - пневматические

Несмотря на общие недостатки, присущие всем прессам периоди­ческого действия (низкая производительность, большие затраты труда), эти прессы имеют и ряд преимуществ, а именно: обеспечение регули­руемого «щадящего» режима прессования в зависимости от сорта вино­града, степени его зрелости и т. п. факторов. Соблюдение режимов прессования с учетом этих факторов может осуществляться при помощи современных средств микропроцессорной техники.

Такие прессы обеспечивают не только получение сусла высокого ка­чества, но и несколько больший выход его. Например, пневматические баллонные прессы обеспечивают наилучшее качество сусла (из всех из­вестных конструкций прессов) благодаря осуществляемому в них радиаль­ному давлению, способствующему растягиванию мезги (а не уплотнению ее) по внутренней поверхности корзины (барабана) (такие прессы были известны как Wilimes- прессы, а в СССР они выпускались под маркой ГППД-1.7).

Все прессы периодического действия обеспечивают получение сусла нескольких давлений (за счет возврата рабочих органов в исход­ное положение).

Из современных конструкций прессов периодического действия наибольший интерес представляют поршневые корзиночные прессы бо­кового давления. Примером может служить пресс HP, выпускаемой фир­мой «Bucher» (Швейцария) Общий вид пресса показан на рис. 1.15, а. Давление в этом прессе создается поршнем, перемещающемся в корзи­не 5 под действием штока 7 гидроцилиндра 8. В корзине расположены дренажные устройства 4, представляющие собой гибкие, выполненные полимерных материалов трубки-желобки, покрытые фильтрующей тканью. Желобки крепятся к перемещающемуся поршню и неподвижно­му диску, расположенному в торце корзины. Мезга поступает в корзину через торцевой патрубок 2, а отпрессованное сусло по трубам 13 попа­дает в кольцевой канал 3, откуда выводится

Рис. 1.15. Пресс HP:

" - общий вид ( I , 2 - патрубки; 3 - кольцевой канал; 4 - дренажные устройства; 5 - корзина; 6 - стяжка; 7 - шток; 8 - гидроцилиндр; 9 - трубопровод; 10 - рама; И - станина; 12 - шнек: 13 - труба); б - принципиальная технологическая схема (', 3 - патрубки; 2 - неподвижный диск; 4 - дренажные устройства; 5 - поршень; о - гидроцилиндр; 7 - цепная передача; S - привод; 9 - рама; 10 - штанга)

Прессы непрерывного действия.

 Применяемые в винодельческой промышленности прессы непрерывного действия более производитель­ны, позволяют автоматизировать переработку винограда, хотя сусло, получаемое на большинстве типов этих прессов, более низкого качест­ва. Самыми распространенными прессами этой группы являются шнековые. Конструктивно они могут быть выполнены по-разному в зависи­мости от количества шнеков и их расположения.

На подавляющем большинстве отечественных предприятий при­меняют двухшнековые прессы с последовательно расположенными шнеками серии ВПО производительностью 5, 10, 20, 30, 50 и 100 т/ч. Принципиально они устроены одинаково.

На рис. 1.16, а в качестве примера показан пресс ВПО-30А. Мезга из бункера 4 поступает на транспортирующий шнек 14. При этом часть сусла через сетку корпуса стекает в его нижнюю часть и отводится по патрубку. По мере продвижения мезги посредством транспортирующе­го шиека происходит отбор сусла второй фракции, стекающего через перфорированный цилиндр в поддон.

Рис. 1.16. Пресс ВПО-ЗОА:

а -разрез общего вида (1 - рама; 2 -редуктор; 3 - электродвигатель; 4 - бункер; 5 - корпус; б - цилиндр: 7 - прессующи шнек; 8 - конус; 9-блок управления; 10 - насос; 11 - опора; 12 - барабан; 13 - поддон; 14 - транспортирующий шнек

Другой вариант пресса NOLM

представляет собой соче­тание пресса со стекателем и позволяет получать четыре фракции сусла. Зона / выполняет роль бункера-стекателя, зона // - самого стекателя. Здесь мезга не подвергается никакому силовому воздействию, поэтому получае­мое сусло - это сусло-самотек. Отжатие мезги (с постепенно возрастаю­щим давлением) начинается в зоне ///. В зоне IV воздействие на мезгу осуществляется при ее прохождении между лентами и системой валков.

Затраты энергии в прессах такого типа невелики, даже меньше, чем в шнековых (примерно на 30%). а по сравнению с горизонтальными пресса­ми периодического действия ленточные прессы выгоднее почти в 4 раза.

В СССР был также создан ленточный пресс марки КПЕ производи­тельностью 5 т/ч. Он предназначен для прессования винограда целыми гроздями.

Был также создан и щековый пресс ВПГ, представляющий собой шнековый бункер-питатель, оснащенный внутренними перфорирован­ными стенками, перфорированным желобом с разгрузочным шнеком 4 и перфорированной подвижной щекой 2, установленной над шнеком па­раллельно его оси (см. схему на рис. 1.20). Виншрад прессуется в ре­зультате колебательного движения щеки. Высвободившееся сусло отде­ляется через отверстия в стенках и желобе бункера и отводится в сус-лосборник. Размятые грозди из щекового пресса поступают в шнековый пресс для окончательного отжима сусла.

Рис. 1.20. Щековый пресс:

а и б - варианты устройства подвижной щеки и дренирующей поверхности; 1 - приемный бункер для винограда, 2 - перфорированная подвижная щека; 3 -перфорированная стенка; 4 - разгрузочный шнек; 5 - перфорированный желоб; 6 - патрубок для вывода сусла-самотека

Применение современных высокопроизводительных прессов, в ча­стости шнековых, приводит к необходимости разработки и применения дополнительного оборудования для грубого осветления сусла перед брожением.

В качестве фильтров грубой очистки могут быть использованы пер­форированные регенерирующиеся поверхности (см. главу 5).