Фильтрование является механическим процессом выделения взвешенных частиц из сока путем пропускания его через пористый слой. Различают три вида фильтрования: поверхностное, глубокое и адсорбционное. При поверхностном фильтровании задерживаются те взвешенные частицы, которые не проходят через самое узкое поперечное сечение капиллярообразных каналов фильтрующего слоя. При этом большая часть взвешенных частиц задерживается на поверхности в том месте, где сок поступает в фильтр. Под глубоким фильтрованием понимают процесс оседания частиц, которые проходят в фильтрующий слой внутри капиллярных каналов и закупоривают проход путем образования мостиков.
При адсорбционном фильтровании взвешенные частицы задерживаются под действием электростатических сил на стенках капилляров.
При осветлении соков возникают комбинированные виды фильтрования; преобладание того или иного фактора зависит от применяемого вспомогательного фильтрующего материала. В качестве фильтрующих материалов в основном применяют следующие:
асбест - минерал, прошедший специальную очистку; главная его составная часть - хризотиловый асбест; применяется в виде фильтрволокна в смеси с сульфитной целлюлозой;
целлюлоза, получаемая из буковой или сосновой древесины;
кизельгур, представляющий собой остатки панцирей и тел разных форм одноклеточных диатомовых кремниевых водорослей. Благодаря особой форме частиц (панцирей) имеет большую поверхность на единицу массы. Степень чистоты, цвет, форма и осветляющий эффект зависят от происхождения и обработки. В зависимости от степени измельчения различают грубый, средний и мелкий кизельгур;
перлит, изготовляемый из вулканической горной породы (силиката алюминия) путем размола с последующим нагреванием, при котором объем его увеличивается в 20 раз и более. Сырой размолотый перлит применяют для предварительного фильтрования.
Фильтрующий слой, образованный из одного или нескольких фильтрующих материалов, можно применять в приготовленном заранее виде или готовить перед и во время фильтрования. В готовом виде применяют фильтркартон, представляющий собой пластины из сульфитной целлюлозы, облагороженной и мерсеризованной с добавлением хризотилового асбеста. Фильтркартон применяют в пластинчатых фильтрах. Для приготовления фильтрующего слоя перед или во время фильтрования служат намывные фильтры.
Фильтрующие материалы не только задерживают взвешенные частицы и коллоидные вещества при прохождении сока через их поры, но и обладают способностью адсорбировать частицы взвесей и коллоиды.
При использовании асбеста и целлюлозы фильтрующий слой образуется из опорной решетки, построенной из волокон целлюлозы, полое пространство которых заполнено асбестом.
Адсорбционная способность и фильтрующая поверхность такого фильтра зависят от количества применяемого хризотила, так как фильтрационная способность целлюлозы очень незначительна.
Адсорбирующее действие асбеста основывается на противоположном заряде его волокон по отношению к частицам мути. Хризотиловый асбест обладает положительным электрическим потенциалом, в то время как частицы сока, как правило, заряжены отрицательно. Между частицами и фильтрующим слоем действуют электростатические силы притяжения. Способность фильтрующих слоев адсорбировать коллоиды позволяет получать более прозрачные соки и снижает опасность их помутнения в процессе хранения, так как при осветлении не все коллоиды удаляются из сока, часть их остается в соке и может проникать через поры фильтра.
Изучение влияния разных коллоидов на скорость фильтрования показало, что растворимые крахмалы, декстран, арабиногалактан и ламинарии не влияют на фильтрование, тогда как пектин, галактоманнан, карбоксиметилцеллюлоза и ксилан оказывают на него значительный эффект. Особенно значительное снижение скорости фильтрования вызывают пектин и галактоманнан, что объясняется нитеобразной структурой их молекул. Ните- или цепеобразные молекулы могут соединяться с помощью ионного мостика в агрегаты. Следовательно, не количество, а химическая структура коллоидно-растворимых веществ оказывает влияние на скорость фильтрования соков.
Существует взаимосвязь не только между коллоидами и производительностью фильтра, но и между фильтрующим материалом и коллоидами.
Для фильтрования соков используют разные типы фильтров: пластинчатые (фильтрпрессы), намывные (камерные) и барабанные. В пластинчатых фильтрование ведется через фильтркартон; в намывных и барабанных используют асбестоцеллюлозную массу и кизельгур.
Фильтрование соков обычно проводят в два этапа: первое (предварительное) с использованием кизельгура, второе (окончательное) - через фильтркартон.
Пластинчатые фильтры.
На несущем основании вертикально расположены квадратные фильтрующие пластины из металлов, покрытых лаком горячей сушки, или из полимерных материалов.
Фильтрующие пластины выполнены ребристыми с желобками или в виде пустотелых рам с перфорированными листами жести. В зависимости от расположения мест подачи и выгрузки сока предусмотрены сменяемые камеры для осадка или осветленного сока. В зависимости от размера основания фильтра может быть установлено разное число пластин. Давление создается механически или гидравлически с помощью центрального поршня.
Пластинчатые фильтры могут применяться и для фильтрования с кизельгуром. Пластинчатые кизельгуровые фильтры могут быть с горизонтально или вертикально поставленными пластинами, по форме - прямоугольными или цилиндрическими. Кизельгур наносится сверху на салфетку из синтетического материала или на специальные листы из целлюлозы с отверстиями (порами) диаметром 4-6 мкм.
Применяя для фильтрования раму с кизельгуром и многократно используемые опорные пластины, можно с помощью пластинчатого фильтра проводить намывное фильтрование. При использовании переходной камеры в одном аппарате можно проводить предварительное и дополнительное фильтрование.
Скорость потока фильтруемой жидкости в пластинчатом фильтре должна быть строго определенной, так как при превышении этой нормы сила адсорбции может быть недостаточной для обеспечения надлежащего эффекта осветления.
К пластинчатым относятся фильтрпрессы, в которых для фильтрования применяют асбестоцеллюлозные пластины или фильтркартон марки Т или КТФ.
Конструкция фильтрпрессов примерно одинакова.
Недостатками фильтрпрессов являются периодичность их действия и большие затраты ручного труда на очистку и перезарядку.
Намывные фильтры.
У намывных фильтров фильтрующие слои образуются путем намывания вспомогательных фильтрующих материалов на влагопроницаемый фильтрующий элемент. Фильтрующими материалами в намывных фильтрах служат фильтрволокно (смесь асбеста с сульфитной целлюлозой) и кизельгур или перлит. Для предварительного фильтрования чаще используют фильтры с кизельгуром.
При фильтровании с кизельгуром взвешенные частицы задерживаются в первую очередь ситами и глубоким фильтрованием; адсорбцией связывается лишь незначительное их количество. В зависимости от вида сока применяют кизельгур разной зернистости: для яблочных соков со средней величиной зерен, для окрашенных соков - крупнозернистый.
Перед фильтрованием определенное количество кизельгура намывают на фильтрующий элемент для получения опорного слоя, затем в процессе фильтрования кизельгур непрерывно добавляют при помощи дозирующих насосов.
Фильтры с кизельгуром делают горизонтальными или вертикальными в виде камер (камерные фильтры) в зависимости от расположения фильтрующих элементов. По виду фильтрующих элементов различают два основных типа вертикальных фильтров: фильтры с сетчатыми металлическими дисками и фильтры с фильтрующими свечами, находящимися в висячем положении. Максимальный размер отверстий в металлических ситах составляет 60-80 мкм, а в свечах - около 180 мкм. Фильтры с вертикально поставленными элементами имеют более совершенную систему очистки; процесс удаления слоя кизельгура и мойки их автоматизирован.
Современные фильтры с вертикально поставленными элементами имеют высокую производительность и работают при высоком давлении.
Пластинчатые и камерные кизельгуровые фильтры дополнены непрерывнодействующим кизельгуровым барабанным вакуум-фильтром. Наибольшее применение вакуум-фильтры нашли для фильтрования осадков или влажных выжимок в целях извлечения остатков сока.
Барабанные фильтры.
Барабанный вакуум-фильтр представляет собой вращающийся барабан, разделенный на сегменты и частично погруженный в ванну с качающейся мешалкой.
Снаружи поверхность барабана имеет дренажные решетки из полипропилена, на которые натянуто фильтрующее полотно из полипропилена. В сегментах создается вакуум в результате подсоединения их к сборнику фильтрованного сока и вакуум-насосам. Барабан вращается в ванне. Около выходного конца ванны установлен нож, который срезает верхнюю часть фильтрующего слоя. При помощи всасывающей трубы отдельные сегменты связаны с центральной сборной трубой для осветленного сока.
Первая стадия фильтрования заключается в формировании слоя кизельгура или перлита по всей поверхности барабана. Для этого готовят суспензию воды с кизельгуром вне фильтра, готовую суспензию подают в ванну под барабаном. Частицы кизельгура должны все время находиться во взвешенном состоянии, что обеспечивается смесительным устройством и мешалкой в ванне.
Барабан, в котором создается вакуум, вращается в ванне, частично погружаясь в суспензию. При этом на полипропиленовое полотно по всей поверхности фильтра осаждается кизельгур в виде однородного слоя толщиной 5-10 см. Воду, которая отсасывается вакуумом из суспензии, опять возвращают в ванну фильтра для поддержания равномерной концентрации кизельгуровой суспензии.
После образования фильтрующего слоя остаточную воду отсасывают и удаляют из ванны, после чего в ванну подают сок и начинается вторая стадия собственно фильтрования. Сок проходит через слой кизельгура и фильтрующее полотно под действием вакуума и собирается в сборнике, откуда отсасывается насосом и подается на дальнейшую обработку. Осадок задерживается на поверхности кизельгура с внешней стороны. При каждом повороте барабана сформировавшийся таким образом слой осадка срезается с внешней стороны ножом, очищая слой кизельгура. В зависимости от величины удерживаемого осадка толщина пласта кизельгура, который срезается вместе с осадком, составляет 0,1-0,3 мм.
Механическое устройство при каждом повороте барабана смещает на сотые доли миллиметра лезвие ножа до тех пор, пока слой кизельгура не окажется полностью срезанным.
Глубина погружения барабана регулируется повышением или понижением уровня жидкости в ванне: величина фильтрующей поверхности при этом изменяется. При высоком содержании взвешенных частиц в соке глубина погружения должна быть небольшой.
Производительность барабанного вакуум-фильтра зависит от площади фильтрующей поверхности, содержания в соке взвешенных частиц, глубины погружения, частоты вращения барабана и величины вакуума.
Третья стадия фильтрования на барабанном фильтре заключается в промывании фильтрующего полотна струей воды под давлением, поступающей из разбрызгивателей, расположенных на коллекторной трубе.
Фильтр может быть использован для фильтрования соков, в том числе с большим содержанием взвесей, а также осадков, полученных при осветлении соков.