logo logo

Мембранная технология в виноделии

К новому способу разделения компонентов и их концентрирования относится мембранная технология, которая в последние годы получила широкое распространение в разных отраслях пищевой промышленности.

В винодельческой промышленности мембранная технология используется при водоподготовке, создании газовой среды (в основном азотного) при сохранении винограда, управлении при культивировании микроорганизмов, концентрировании ферментных препаратов, очистке сточной воды и др.
Мембранное газоразделение в винодельческой промышленности может иметь три области практического применения: сохранение винограда и отходов в регулируемой газовой среде (РГС); создание аэробных условий при брожении и очистке сточных вод и при разделении водноспиртовой смеси на спирт и воду (производство коньячного спирта и спирта пищевого и технического).
Суть сохранения сырья в РГС состоит в том, что кроме обычных параметров – температуры и относительной влажности – вводится новый и основной параметр: высокое содержание азота (95% и больше), который является замечательным консервантом сочного сырья.
В результате изменения состава атмосферы, то есть уменьшения количества кислорода, и повышения количества азота в РГС тормозятся процессы гниения сырья, ингибируются микроорганизмы и поддерживается натуральная стойкость клеток сырья к физиологическим заболеваниям. В таком РГС не могут существовать грызуны, развиваться гнилостные бактерии, в результате чего увеличивается срок хранения любого сырья, и снижаются их затраты.
Технология ранения сырья в РГС состоит в том, что после загрузки хранилища сырье охлаждают к оптимальной температуре, а потом создают оптимальный состав атмосферы с учетом биохимических процессов. Негерметичность и изменение барометрического давления приводит к обмену воздуха хранилища с внешней средой, а потому концентрация кислорода внутри хранилища увеличивается, что приводит к нарушению режима хранения сырья.
Установки для газоразделения с помощью мембран используют также с целью промышленного получения воздуха, обогащенного кислородом до 90 %, что имеет чрезвычайно большое значение в технологии биологической очистки сточных вод и управления сусла в аэробных процессах брожения.
На кафедре биотехнологии продуктов брожения, экстрактов и напитков Национального университета пищевых технологий разработана технология хранения сырья в регулированной газовой среде для бродильной промышленности.
Для создания оптимальных условий хранения сырья использовались мембранные волокнистые газораздельные элементы, с помощью которых азот добывается непосредственно из воздуха в местах хранения сырья.
Работы в области выделения спирта из виноматериалов и водноспиртовой смеси и его очистки мембранными методами проводятся во многих странах мира и имеют положительные результаты.
Немецкие ученые успешно провели исследование, и промышленные испытания по выделению спирта из водноспиртовой смеси под вакуумом через поливолоконные мембраны из полидиметилсилоксана. Но концентрация полученного спирта составляла около 50% об.
Если чистый этиловый спирт имеет нейтральную реакцию, то техническому спирту, который имеет разные примеси (кислоты, эфиры, альдегиды, высшие спирты и прочие химические соединения) присущи слабо кислые реакции. Это имеет важное значение для подбора мембран и разделения водноспиртовой жидкости.
Этиловый спирт характеризуется высокой гигроскопичностью, а потому смешивается с водой в любых пропорциях, которые приводят к сжатию смеси и выделению тепла. Кроме того, этиловый спирт является хорошим растворителем многих органических соединений. Горит этиловый спирт бледно-голубым слабо светлым пламенем без образования копоти. Молекулярный вес этилового спирта равен 46,07.
Составные этилового спирта характеризуются общей формулой С2Н5OH и структурной формулой:


Из формулы видно, что этиловый спирт является производным углеводорода алифатического ряда – этана, в котором один атом водорода замещен гидроксильной группой ОН. Этим и обусловлена химическая и реакционная способность этилового спирта, который за некоторыми свойствами очень похож на воду. В целом химические свойства этилового спирта обуславливаются его строением и определяются свойствами атома водорода в гидроксильной группе. Положение этого атома в молекуле спирта отличается от положения остатка атомов водорода тем, что они все непосредственно связаны с углеродными атомами, а этот атом водорода связан с углеродом через атом кислорода. Другие свойства спирта характеризуются поведением гидроксильной группы и самого углеродного радикала.
Чтобы подобрать высокоэффективные мембраны для разделения водноспиртовых растворов необходимо знать их особенности в своих физических и химических свойствах. Так при смешивании воды и спирта наблюдается сжатие их объема. Эта величина сначала незначительная, а при увеличении концентрации спирта возрастает, достигая своего максимума при концентрации спирта в растворе 46% массе, и потом снова уменьшается. Очевидно, что при разделении водноспиртовых растворов объем компонентов будет увеличиваться.
Кроме того, при смешивании воды и спирта выделяется теплота, которая имеет значение максимума при концентрации спирта в растворе 30 % мае. Также очевидно, что при разделении водноспиртовых растворов необходимы затраты теплоты, в противном случае температура разделенных компонентов будет снижаться.
Д.И.Менделеев высказал допущение и научно обосновал, что при смешивании воды и спирта происходит большое сближение молекул этих компонентов, которое значительно большее, чем в простых механических смесях и приближается к химическому взаимодействию. Но ассоциативные системы настолько непрочны, что их состав легко изменяется в зависимости от концентрации и температуры.
Учитывая наличие максимума при сжатии водноспиртового раствора и выделения тепла при смешивании спирта с водой можно сделать вывод, что между этими компонентами происходит физико-химическое взаимодействие, которое сопровождается образованием гидратов (теплота гидратации). Кроме того, при смешивании спирта с водой в трех соответствующих пропорциях (С2Н5ОН + 6Н20, что отвечает 30% об.; С2Н5ОН + ЗН20, что отвечает 46% об. и С2Н5ОН + Н20, что отвечает 70% об.) установлено наличие новых химических соединений. Последние фундаментальные исследования не подтвердили образования новых соединений при трех кратных соотношениях воды и спирта. В действительности водноспиртовые растворы занимают промежуточное положение между смесью разнородных тел и химическими соединениями, которые состоят из одинаковых молекул.
В водноспиртовых растворах проявляются лишь молекулярные силы, которые не дают такого глубокого действия, как химическая реакция. В этом и состоит отличие водноспиртовых растворов от химических соединений, где силы химического взаимодействия настолько большие, что происходит преобразование веществ с изменением их химических свойств. С другой стороны водноспиртовые растворы отличные и от механических смесей, в которых молекулярные силы не проявляются совсем. В целом продукты ассоциации соединения молекул воды и спирта не уподобляются настоящим химическим соединениям. Допустимые ассоциативные системы вода – спирт настолько непрочные, что их состав легко изменяется в зависимости от соотношения этих компонентов в растворе, а также от температуры. Теорию ассоциации молекул воды и спирта при их смешивании дополняет теория диссоциации (разъединение). Эта теория исходит из того, что молекулы воды и спирта в чистом виде в той или другой мере ассоциированы в виде (Н20)n и (С2Н5ОН)m , а при их смешивании имеют место процессы диссоциации
(Н20)n -4 Н2О n (С2Н5ОН)m – > С2Н5ОН.
Следствия процессов диссоциации характеризуются сжатием раствора и выделением тепла. Таким образом, в водноспиртовых растворах одновременно действуют явления диссоциации и ассоциации.
Выводы: в водноспиртовых растворах вода и спирт образовывают сложные равновесные системы, которые состоят из водноспиртовых комплексов – гидратов, состав и ассоциация которых зависят от количественного соотношения между компонентами в растворе, а также от температуры и давления.
В растворе вода и спирт находятся в состоянии более диссоциированом (разъединенном) чем в чистом виде каждый компонент при той же температуре. Но состояние молекул воды и спирта в их растворах другое, чем в чистых компонентах, то есть в растворе эти молекулы находятся в более сжатом состоянии, чем в чистых компонентах, то есть существует наличие тесного контакта и взаимодействия между молекулами воды и спирта в их растворах. Молекулы воды и спирта, как известно, являются полярными и эти силы в водноспиртовых растворах проявляют свое действие. Они возникают в атомах и молекулах при вращении их электронов. Между молекулами действуют и другие силы. В водноспиртовых растворах возможно и поляризационное взаимодействие, которое является результатом индуктивного влияния соседних молекул.
Значительной силой, которая проявляется между молекулами воды и спирта в их растворах, является водородная связь, вследствие которой две молекулы воды ориентируются одна относительно к другой.
Суммарное действие всех этих междумолекулярных сил приводит к созданию внутреннего давления в жидкости. Установлено, что в водноспиртовых растворах водородные связи воды и спирта более слабые, чем в отдельных компонентах. Но в результате перегруппировки молекул в водноспиртовых растворах образуются новые водородные связи между молекулами воды и спирта.
Такие ассоциативные процессы характеризуются повышением вязкости водноспиртовых растворов.
Исследование по разделению видно-спиртовой смеси на молекулярных фильтрах необходимо продолжить и разработать принципиально новую технологию спирта без энергоемкой брагоректификации.
Во Франции правительство разрешает использовать 2 млн. дал безводного спирта-сырца как моторного топлива без налогов. Разрешается добавлять к бензину 7-15 % спирта. Если Франция потребляет в год 20 млн. т бензина, то потребность в спирте составляет 3 млн. т.
Для получения абсолютного спирта, на брагоректификационной установке расходуется 12кг/дал., а на молекулярных фильтрах 6…6,5 кг/дал.
Во Франции успешно работают установки по производству спирта – моторного топлива на молекулярных ситах. Процесс разделения водноспиртовой смеси осуществляется методом дегидратации, то есть методом отщепления молекул воды от молекул спирта, эфиров, альдегидов, кислот и сивушных масел, которые представляют собою технический спирт высокой (96-100%) концентрации.
Микробиологическая трансформация виноградных выжимок базируется также на использовании съедобных грибов-продуцентов. Грибы вида Lentinys edodes отмечаются высокой пищевой ценностью и лечебно-профилактическим свойством (онкостатичным, антисклеротичным и радиопротекторным действиями). В институте «Магарач» разработана и испытана в промышленных условиях новая технология коммерческого мицелия и плодовых тел гриба L. edodes на отходах переработки винограда.
К лучшим продуктам из отходов виноделия следует отнести «Эноант». Это пищевой концентрат полимеров винограда, изготовленный из виноградной выжимки, владеет большой антиоксидазною активностью, которая превышает активность плазмы крови больше, чем в 3000 раз. Его отпускная цена в 3…4 раза ниже цен на импортные аналоги, а рентабельность производства превышает 300%.

Метки:,

Ещё по теме:

bottom