Для извлечения сока из подготовленной мезги плодов применяют разные способы: прессование, центрифугирование, диффузию и др. Наиболее распространено прессование.
Основные требования, которые предъявляются ко всем способам извлечения сока, заключаются в максимальном выходе сока с минимальным содержанием взвесей, сохранении в соке натуральных свойств, присущих свежим плодам, быстроте и непрерывности процесса, возможности механизации и автоматизации, высокой экономичности работы. С этой целью проводится много исследований и разрабатываются аппараты разных конструкций. Большое число видов и сортов плодов и овощей с разнообразной структурой и технологическими свойствами делают практически невозможным создание единых аппарата и технологии для получения сока из них.
Центрифугирование - этот способ получения осветленных натуральных соков в последние годы не получил развития ввиду низкого выхода сока. Такой способ с использованием шнековой центрифуги распространен в Австралии, где для повышения выхода сока предложено выжимки экстрагировать водой. В нашей стране в течение нескольких лет проводились исследования по использованию шнековых центрифуг для получения соков с мякотью и без мякоти. Наиболее эффективным оказалось использование шнековых фильтрующих центрифуг для отбора первой (до 50%) части сока. Оставшиеся выжимки, содержащие значительное количество сока, рекомендуется перерабатывать на пюреобразные продукты. Хорошие результаты получены при использовании шнековых центрифуг для производства натуральных соков с мякотью из разных плодов и ягод. Разработаны технология и режимы работы центрифуг при производстве соков с мякотью из различных плодов, ягод и овощей.
Прессование
Прессование является наиболее распространенным способом извлечения сока из подготовленной мезги плодов в промышленном производстве соков.
Многими авторами прессование рассматривается как процесс разделения, при котором из пространства между движущимися противоточно прессующими поверхностями вытесняются твердые, жидкие или газообразные вещества.
Однако особенности строения живой ткани нарушают эти теоретические положения.
Установлено, что при прессовании мезги не происходит равномерного перемещения твердых и жидких частиц между сближающимися прессующими поверхностями, условия текучести и обезвоживания в разных зонах прессуемого слоя неодинаковы и в крайних зонах и нижней части зависят от ширины и высоты прессуемого слоя. Кроме того, в процессе прессования происходит дополнительное разрушение клеточной структуры, неодинаковое для плодов разного вида. Б. Л. Флауменбаумом показано, что при давлении 1 МПа количество поврежденных клеток тканей винограда составляет 52%, а яблок - только 10%. Изучение факторов, влияющих на выход сока при прессовании, позволило оценить роль каждого.
Повышение давления способствует увеличению выхода сока, но до определенного предела. При давлении свыше 3-4 МПа количество поврежденных клеток и выход сока остаются примерно на одном уровне. К тому же при высоком давлении нарушается губчатая структура мезги, в сок переходит много мелких взвесей, и он становится мутным, трудно осветляется. Характер повышения давления также имеет значение. При чрезмерно быстром росте давления сок не успевает вытекать, запрессовывается в мезгу и выход его снижается. Лучшие результаты дает ступенчатое повышение давления, когда мезгу выдерживают при достигнутом давлении несколько минут, а затем ступенчато увеличивают давление.
Правильное измельчение является половиной прессования. Степень измельчения должна быть такой, чтобы обеспечивалось максимальное разрушение клеток при сохранении губчатой структуры скелета мезги с каналами для вытекания сока.
При высоком слое мезги увеличиваются зона прессования и продолжительность вытеснения сока. Так, при уменьшении высоты слоя мезги с 12,5 до 5 см выход сока из яблок увеличивается на 4%, из груш - на 6%. Поэтому прессование необходимо вести в тонком слое. Этот принцип учтен во всех прессах современных конструкций.
Отделение свободно выделяющегося сока (сок-самотек) перед прессованием улучшает структуру мезги, укрепляет «скелет» прессуемого слоя и облегчает дренаж, что способствует более полному вытеканию оставшегося сока и повышает его выход. Количество сока-самотека из винограда составляет 30-45 %, из яблок - 15-25%. Для извлечения сока-самотека перед прессами устанавливают стекатели. Они должны обеспечивать быстрое вытекание сока-самотека с минимальными аэрацией и давлением на мезгу. Мезга не должна перетираться, но желательно ее разрыхление. Стекатели применяют во всех линиях производства виноградного сока и довольно часто при извлечении сока из яблок. На консервных предприятиях применяют в основном шнековые стекатели.
Преимуществом шнековых стекателей перед другими типами является их высокая производительность, непрерывность работы, малые габариты, незначительная затрата ручного труда и простота обслуживания.
Стекатель состоит из бункера с перфорированными боковыми стенками, заключенными в кожух. Под бункером располагается цилиндрический корпус, боковые и нижняя поверхности которого перфорированы. К передней части корпуса прикреплен перфорированный цилиндр. Внутри корпуса на валу установлен шнек, который вращается от электродвигателя через систему передач. На витках части шнека, расположенной под бункером, укреплены лопатки-рыхлители.
Мезгу из дробилки подают насосом в бункер, являющийся первой зоной стекания.
Здесь отделяется свободно вытекающий сок и происходит легкое перемешивание мезги. Затем мезга переходит во вторую зону стекания, расположенную под бункером в корпусе стекателя. В этой зоне мезга подвергается небольшому рыхлению, что интенсифицирует отделение сока. Содержание сусла в мезге в конце второй зоны уменьшается, и процесс отделения сока замедляется. В третьей зоне, расположенной в перфорированном цилиндре, для дальнейшей интенсификации сокоотделения на мезгу шнеком оказывают небольшое (0,16-0,20 МПа) давление, поддерживаемое и регулируемое заслонкой с рычагом.
Ось стекателя наклонена под углом 50° к горизонту, что облегчает стекание сока-самотека и позволяет выгружать мезгу из стекателя непосредственно в приемный бункер пресса.
Для отбора сока-самотека из яблок более пригодны стекатели, которые устанавливают перед шнековыми прессами. Стекатель состоит из двух установленных параллельно перфорированных цилиндров, внутри которых проходят шнеки.
Привод стекателя включает электродвигатель и цилиндрический многоступенчатый редуктор. Цилиндры смонтированы на общей раме с поддоном.
Мезга подается из дробилки в приемную часть стекателя, образованную стенками поддона. Здесь она подхватывается вращающимися в противоположные стороны шнеками и подается в перфорированные цилиндры. Необходимое давление на мезгу создается подпружиненными лепестками диафрагмы. Сок проходит через перфорированные стенки приемной части и цилиндров и собирается в поддоне, а оттуда отводится в сокосборник.
После отбора сока-самотека мезга поступает на прессование, для которого применяют прессы. По конструкции и принципу действия прессы могут быть классифицированы на прессы периодического и прессы непрерывного действия.
Прессы периодического действия.
Эти прессы обеспечивают получение сока хорошего качества с низким содержанием взвесей, но в современных поточных высокопроизводительных линиях их все чаще заменяют прессами непрерывного действия.
Основные типы прессов периодического действия - гидравлические пакетные и корзиночные.
Гидравлические пакетные прессы могут быть с горизонтально или вертикально поставленными пакетами. Наибольшее распространение получили прессы первого типа. Вертикальные пакетные прессы не нашли широкого распространения.
Пакетные прессы универсальны и применяются для прессования разных видов плодов. Выход и качество сока высокие. Недостатками прессов являются периодичность работы и большой расход рабочей силы.
В производстве яблочного и ягодного соков часто используют гидравлические пакетные прессы, в которых мезгу формируют в виде отдельных слоев, перекладывают их салфетками из прочной ткани и дренажными решетками. Хорошие результаты дает применение лавсановой ткани, которые имеют поры, достаточные для прохождения сока. Толщина слоя мезги в пакете составляет 60-80 мм в зависимости от вида и степени зрелости плодов.
На пакетных прессах получают довольно высокий выход сока - 70-72 % при небольшом содержании взвесей (1,0-1,8%). Однако ввиду большой затраты рабочей силы для загрузки и разгрузки пакетов и периодичности работы эти прессы заменяются прессами непрерывного действия.
Горизонтальный корзиночный пресс пригоден для прессования разных фруктов и ягод. Пресс представляет собой сплошной цилиндр (корзину), закрытый с двух сторон дисками, один из которых приводится в движение гидравлической системой, а второй закреплен неподвижно. Между дисками размещена дренажная система из гибких желобчатых стержней, покрытых снаружи синтетической фильтрующей тканью и служащих для сбора и отвода сока в сборный резервуар. Через центр неподвижного диска проходит трубопровод для подачи мезги в пресс. Под прессом расположен шнек для удаления выжимок. Основой гидравлической системы является насос, состоящий из низкой и высокой ступеней давления.
Прессование осуществляется без вращения цилиндра. Мезга подается насосом через трубопровод внутрь цилиндра между подвижным и неподвижным дисками и заполняет пространство между дренажными стержнями, которые при прессовании сгибаются.
Во время прессования подвижный диск вдвигается внутрь корзины и создает давление на мезгу. Под влиянием давления сок отделяется от мезги, проходит через фильтрующую ткань и по желобкам дренажных стержней стекает в свободное пространство между дисками, а оттуда в общий трубопровод. При загрузке пресса на мезгу создается некоторое давление, которое позволяет еще при заполнении пресса отделить около 50 % сока.
Величину давления в прессе на мезгу в процессе заполнения и прессования регулируют по манометру. По окончании одного цикла прессования подвижный диск отодвигается назад, при этом стержни распрямляются и разрыхляют мезгу. Каждая партия загруженной мезги прессуется за 4-5 циклов. По окончании прессования корзина пресса отодвигается от неподвижного диска и в образовавшееся пустое пространство выжимки выпадают из пресса в бункер, а из него удаляются шнековым транспортером. При удалении выжимок корзина пресса вращается.
При необходимости повысить выход сока в прессе возможно экстрагировать выжимки водой для извлечения остатков растворимых веществ. При этом по окончании прессования выжимки оставляют в прессе и в закрытый пресс подают воду. Для улучшения условий экстрагирования выжимки разрыхляют, для чего цилиндр пресса приводят во вращательное движение. После этого выжимки прессуют обычным способом. Для повышения содержания сухих веществ в экстракционной воде последнюю можно использовать несколько раз.
В универсальном мультипрессе сок отжимается из мезги с помощью пневматической мембраны через дренажные устройства внутри кожуха. В отличие от гидравлических систем для создания давления здесь используется не масло, а сжатый воздух. Все клапаны - пневматические и имеют автоматическое дистанционное управление.
Продукт загружается насосом через загрузочное отверстие в торцевой стенке резервуара непосредственно из дробилки или через промежуточный накопительный резервуар для мезги. Во время заполнения камеры пресса происходит предварительное отделение сока. Дальнейшее выделение сока с помощью давления осуществляется в три фазы, давление постепенно увеличивается и во время последней фазы достигает максимума. Каждая фаза делится на определенное число циклов, во время которых происходит прессование (при остановке корзины пресса) и разрыхление мезги (при вращении корзины). Сок через специальную дренажную систему стекает в сокосборные каналы, а по ним - в соковую ванну.
Спиралевидные устройства подают к загрузочному отверстию выжимки, которые удаляются с помощью шнекового или ленточного транспортера.
Еще один тип пресса периодического действия по конструкции подобен пластинчатому фильтрпрессу. Мезга загружается в сетки из полимерной ткани, расположенные между эластичными элементами и пластинами.
Давление на пластины создается гидравлической и пневматической системами. В процессе прессования пластины сближаются и давят на эластичные элементы и мезгу. После окончания прессования пластины расходятся и выжимки выпадают из сеток. Весь процесс прессования проходит в закрытой системе без доступа воздуха и окисления продукта.
Такой пресс может применяться для получения сока из косточковых плодов с обработкой мезги теплом или ферментами.
Сырье загружают в сборник со шнековым транспортером на дне, который подает плоды в ковшовый элеватор, загружающий сырье в дробилку. Измельченная в дробилке масса подается в протирочную машину, где из нее удаляются косточки. Освобожденная от косточек масса насосом подается через подогреватель в сборник-смеситель. Из сборника-смесителя масса винтовым насосом подается в дозатор, а из него шнековым насосом перекачивается в пресс с пневматической установкой.
Выжимки удаляются из пресса конвейером.
Прессы непрерывного действия.
Из этих прессов наибольшее распространение получили шнековые и ленточные.
Шнековые прессы широко применяются при производстве виноградного сока, а также для получения сока из яблок и гранатов.
Шнековый пресс, предназначенный для прессования винограда. Мезга попадает в загрузочный бункер, а оттуда в корпус пресса, в котором перемещается шнеком к выходному концу, где установлены клапан и гидравлический регулятор. Клапан регулирует величину зазора для выхода отпрессованной массы, а гидравлический регулятор автоматически поддерживает оптимальное давление в камере прессования. При подходе к клапану мезга уплотняется и образует пробку, создающую дополнительное давление на мезгу. Пресс работает в комбинации с непрерывно действующим стекателем статично-динамичного типа.
Шнековый пресс другой конструкции используется в нашей стране для отжима сока из винограда. Пресс состоит из редуктора, вала с двумя шнеками, загрузочного бункера, перфорированного барабана, запорного конуса, гидрорегулятора, ванны для сока и кожуха. Мезга подается в загрузочный бункер, где отделяется первая фракция - свободно вытекающая часть сока (самотек). Затем мезга захватывается транспортным шнеком и перемещается вперед к прессующему шнеку.
При транспортировании мезга незначительно сжимается, в результате чего отделяется вторая фракция сока, содержащая больше взвесей, чем сок-самотек. В третьей зоне диаметр вала увеличивается, шаг шнека уменьшается, в результате объем свободного пространства также уменьшается, а давление увеличивается. Здесь отделяется третья фракция сока с высоким содержанием взвесей. Третью фракцию в производстве натурального сока обычно не используют.
Для получения яблочного сока в нашей стране также применяют шнековые прессы несколько модернизированной конструкции. Пресс для прессования яблочной мезги имеет фильтрующий проволочный цилиндр с мелкими отверстиями и обтюрирующие устройства (направляющие звездочки) в корпусе пресса, что дало возможность равномерно подавать яблоки в пресс и еще в зоне бункера удалять значительную часть сока-самотека. Установка дополнительной опоры для вала шнека позволила получить гарантированный зазор между шнеком и стенками пресса, снизила опасность перетирания и запрессовки мезги. В результате этого количество взвесей в соке снизилось до 2,7 % при выходе сока 71 %.
При использовании шнековых прессов для получения яблочного сока их комплектуют в линию, включающую дисковую дробилку, стекатель, пресс шнековый и отделитель грубых примесей. Однако качество яблочного сока, полученного на шнековых прессах, ниже качества сока, отжатого на пакпрессе или прессах ленточного типа или корзиночных. Сок, отжатый на шнековом прессе, включает значительное количество мелких взвесей, трудноудаляемых обычными способами. Этот пресс малопригоден для прессования мезги яблок летних сортов или хранившихся с размягченной или рыхлой тканью.
Некоторые фирмы изготовляют шнековые прессы с двумя и более параллельно расположенными шнеками, которые обеспечивают получение сока более высокого качества за счет снижения удельной нагрузки мезги на дренажную поверхность пресса. Шнеки заключены в самостоятельные цилиндры с индивидуальными конусами регулирования давления в прессуемой массе. Выходные части шнеков выходят в общий загрузочный бункер.
Получили распространение импульсные шнековые прессы с периодическим вращением шнека и его последующим продольным перемещением, что позволяет проводить прессование с минимальным истиранием мезги.
Анализ конструкции и работы отечественных и зарубежных шнековых прессов показывает, что для улучшения качества сока необходимо снизить удельное давление на мезгу за счет уменьшения частоты вращения шнеков до 0,5-1,0 мин-1.
Ленточные прессы получили наибольшее распространение благодаря возможности на них прессования в тонком слое и высокой производительности.
Пресс ленточный состоит из бесконечного фильтрующего полотна, которое проходит между двумя вертикально поставленными металлическими пластинчатыми лентами и двумя рядами вертикально поставленных пластмассовых вальцов. Ленты движутся в противоположных направлениях под углом одна к другой.
Мезга загружается насосом в корытообразно согнутое фильтрующее полотно и вначале проходит между вальцами, где от нее отделяется большая часть сока, затем поступает в пространство между прессующими пластинчатыми лентами, где подвергается воздействию увеличивающегося давления.
Сок стекает через фильтрующее полотно вниз по поверхности обеих лент и собирается в коллекторе из нержавеющей стали.
Планки, поддерживающие фильтрующее полотно, расходятся на выходе его из пресса, и полотно раскрывается, выжимки выбрасываются, после чего полотно опять поступает в зону загрузки пресса и принимает корытообразную форму при помощи направляющих планок. Для лучшей очистки полотна от остатков выжимок предусмотрено встряхивающее устройство, а также возможность мойки полотна водой из смонтированных под полотном сопел.
Ленточный пресс другой конструкции состоит из несущей рамы, приемного бункера для мезги, двух бесконечных сетчатых лент из полиэфира, которые движутся вокруг 16 роликов специальной конструкции, сборной ванны для сока, привода с вариатором, натяжного устройства, механическо-пневматического устройства для натяжения ленты и системы мойки лент.
Мезга поступает из бункера на ленту, которая вначале движется горизонтально. На этом участке (зона стекания) отделяется свободно вытекающий сок, и мезга уплотняется в лепешку. Лепешка движется дальше между натянутыми лентами и расположенными каскадом роликами, которые создают давление на мезгу и отжимают сок. В конце пресса ленты расходятся, лепешка выпадает на транспортер для отходов, ленты возвращаются к месту загрузки, по пути промываясь водой. Сок из зоны стекания и зоны прессования собирается в. расположенный внизу сборник. Скорость движения лент и толщина слоя мезги на ленте регулируются.
Существуют ленточные прессы, которые по конструкции отличаются от других ленточных прессов: прессующие валики его расположены в вертикальной плоскости; для предварительного отжима служит валик особенно большого диаметра из нержавеющей стали; рама пресса из нержавеющей стали обеспечивает возможность быстрой очистки.
Мезга поступает в пресс снизу на ленту, затем лента движется вверх, проходя вокруг различных прессующих валиков к месту разгрузки выжимок в верхней части пресса. Машина имеет только один сборник для сока, который легко вынимается.
Ленты очищаются с помощью очень эффективной системы «мойки на месте», требующей небольшого расхода воды. Ременной привод проходит вблизи двух последних валиков, а не у зоны разгрузки, что обеспечивает хороший контакт лент с продуктом. Все провода и шланги размещены в раме, что предохраняет их от загрязнений.
Пресс легко транспортируется. Выход сока соответствует средней величине выхода на ленточных и гидравлических прессах.
Ленточный пресс следующего типа можно назвать наиболее совершенным из ленточных прессов. Он снабжен более длинными лентами, на рабочем участке которых расположены четыре зоны.
Мезга загружается в пресс шнековым загрузочным устройством, которое регулирует ширину и высоту слоя мезги на ленте. Распределенная на ленте мезга проходит первую зону стекания, где из мезги под действием силы тяжести отделяется сок-самотек, количество которого составляет примерно 20 % к массе мезги. Зона стекания переходит в зону среднего давления, где мезга попадает в клиновидное пространство между двумя лентами, переходящее в изогнутый дугой отрезок пути. Здесь мезга сдавливается между двумя лентами и из нее выделяется примерно 30 % сока. Частично отпрессованная мезга входит затем в зону срезания, где проходит вокруг 11 прессующих роликов с последовательно уменьшающимся диаметром, из которых три первых перфорированы. При движении по роликам слои мезги, прилегающие к верхней и нижней лентам, сдвигаются («срезаются») один относительно другого, поэтому сок выделяется как из верхнего, так и из нижнего слоев мезги. Комбинирование давления и «срезания» обеспечивает выделение в этой зоне 40 % сока.
Из зоны срезания мезга поступает в зону высокого давления, где линейно проходит через узкий зазор между двумя парами прессующих роликов высокого давления. Здесь отделяются последние 10 % сока. Отпрессованные выжимки с помощью самоуправляющегося опрокидывающегося скребка из полимерного материала удаляются с верхней и нижней лент, которые расходятся и на обратном пути промываются струями воды из плоскоструйных сопел. Автоматическое управление движением обеих лент осуществляется при помощи резиновых управляющих роликов, работа которых регулируется пневматическими цилиндрами управления.
Продолжительность процесса выделения сока благодаря прессованию в тонком слое не превышает 3 мин, сок содержит мало взвесей (до 2%).
Выход сока из яблок составляет 75-82 % в зависимости от качества сырья и производительности пресса: при повышении скорости движения лент выход сока снижается, а производительность соответственно увеличивается.
Фильтрующие ленты пресса изготовлены из плотного полимерного материала с мелкими порами, поэтому в сок не попадают крупные взвеси и в грубом фильтровании отжатого сока нет необходимости.
Двухступенчатая система прессования, применяемая в последнее время, позволяет повысить производительность линии и получить высокий выход сока (80 % и более) с низким содержанием взвесей. В первой стадий прессования обычно используют ленточные или другие типы непрерывнодействующих прессов, которые для яблок дают выход сока в пределах 60-70 %. Частично отжатую мезгу затем дожимают на корзиночном прессе. В качестве дожимочного может также использоваться пакпресс с автоматическим управлением.
Остатки сока из выжимок и отстоя извлекают на камерном фильтрпрессе или барабанном вакуум-фильтре.
На заводах средней мощности, где собирается примерно 5 т отстоя в день, целесообразно использовать рамный фильтрпресс, на крупных заводах, где собирают 20 т и более выжимок и отстоя в день, - барабанный вакуум-фильтр.
Сок, извлеченный из выжимок и отстоя на камерном или барабанном вакуум-фильтре, фильтруют через фильтркартон на пластинчатом фильтре и присоединяют к отпрессованному соку.