CZ2013824A3

CZ2013824A3 - Způsob odsolování kapalných produktů potravinářského průmyslu a elektrodialyzační jednotka s automatickým řízením k jeho provádění

Info

Publication number: CZ2013824A3
Application number: CZ2013-824A
Authority: CZ
Inventors: David Tvrzník; Tomáš Kotala
Original assignee: Membrain S.R.O.
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-02-04
Also published as: CZ304959B6

Abstract

Řešení se týká způsobu odsolování kapalných produktů potravinářského průmyslu, jako jsou víno, mošty a šťávy, spočívajícího ve vícenásobné opakované elektrodialýze odsolovaného produktu v kontinuálním režimu, s recyklem provozu elektrodialýzy. Průtok upravovaného produktu je řízen na základě jeho výstupní vodivosti tak, že produkt prochází opakovanými cykly elektrodialýzy, dokud není dosaženo mezní konečné vodivosti, při níž se opakování dialyzačního procesu ukončí. Konečná vodivost produktu se předem vypočte ze znalosti počáteční vodivosti a pH produktu, obsahu alkoholu, glycerolu a extraktu, koncentrace draslíku, obsahu dominantních organických kyselin jako kyseliny vinné, kyseliny jablečné a kyseliny mléčné, obsahu minoritních organických kyselin a obsahu minoritních anorganických solí. Dále se řešení týká elektrodialyzační jednotky s automatickým řízením k provádění způsobu podle vynálezu.

Description

Způsob odsolování kapalných produktů potravinářského průmyslu a elektrodialyzační jednotka s automatickým řízením k jeho provádění

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu odsolování kapalných produktů potravinářského průmyslu, zejména pak k odsolování a úpravě pH kapalných produktů jako jsou víno, mošty a šťávy. Dále se vynález týká konstrukčního uspořádání elektrodialyzační jednotky s automatickým řízením k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Při výrobě vín, moštů a šťáv existuje snaha o maximální prodloužení trvanlivosti těchto produktů potravinářského průmyslu. Prodloužení trvanlivosti se provádí pomocí stabilizace za použití konzervantů, nebo pomocí membránových a elektromembránových procesů.

U potravinářských produktů jako jsou mošty a šťávy dochází z důvodu klimatického působení a zeměpisné polohy producenta k různému vyzrávání, což ovlivňuje kyselost. Standardně se pH nápojů upravuje přidáváním kyselin a jejich solí nebo zásad.

Kvalita vína je posuzována z mnoha hledisek. Jedním ze sledovaných parametrů je obsah nežádoucích příměsí ve víně. V případě vína se jedná o zákal či usazeninu, jenž je způsoben vysrážením vinného kamene (hydrogenvinan draselný). Jedná se o sůl ve víně obsaženou přirozeně, ovšem z estetických důvodů nežádoucí. Jedním z řešení tohoto problému je ochlazení vína na teplotu, kdy dojde k vy srážení drobných krystalků vinného kamene a jejich následné odfiltrování. V klimatických oblastech, kde není přirozeně období s teplotami pod bodem mrazu, je ovšem ochlazování velkých množství vína značně nákladné. Pro zajištění ekonomicky rentabilní stabilizace vína se proto přistupuje k využití elektromembránových procesů.

Jednou z metod, jak snížit koncentrace solí ve vínech, moštech a šťávách, je použití elektrodialýzy. Tato metoda zajistí šetrné zpracování požadovaných produktů, bez nutnosti změn teploty. Fakt, že snížíme obsah solí, umožňuje produkci nápojů bez dalších přidaných látek.

V současné době jsou používány elektrodialyzační jednotky s elektrodialyzačním modulem (nebo více) a několika odstředivými čerpadly. Ve standartním uspořádání je jedno čerpadlo používáno pro dávkování vína/meziproduktu do diluátové (odsolované) smyčky adiluátové komory. Druhé čerpadlo slouží k cirkulaci roztoku koncentrátovou smyčkou a dávkování roztoku do koncentrátové komory. Třetí čerpadlo slouží k cirkulaci elektrodového roztoku. Nevýhodné je taktéž využití odstředivých čerpadel, jež značně zatěžují víno. Navíc k dostatečnému odsolení vína často nestačí jeden průchod elektrodialyzační jednotkou a víno je nuceno procházet skrz modul elektrodialyzéru vícekrát, přičemž není možné dosáhnout přesného stupně odsolení a víno je tak odsoleno více než je potřeba.

Studie elektrodialýzy vína ukázaly, že neexistuje žádný vztah mezi počáteční koncentrací draselných iontů a kyseliny vinné ve víně a rychlostí procesu elektrodialýzy pro zisk stabilního vína. Vynález se týká způsobu vinnanové stabilizace procesem elektrodialýzy. Predikovaná konečná hodnota měrné vodivosti stabilizovaného vína se nastaví jako hodnota, kdy dojde k přerušení elektrodialýzy.

Proces ED odstraňuje z vína elektrolyty, což se projevuje poklesem měrné vodivosti stejně jako při srážení hydrogenvinanu draselného (KHT, vinný kámen) z vína. Většina metod stanovení bodu stability vína je právě proto založena na měření změny konduktivity vína při srážení KHT. Mezi tyto metody patří zejména tzv. mini contact test a měření saturační teploty. Při mini contact testu se víno ochladí na teplotu těsně nad bodem tuhnutí (-4 až 0 °C) a měří se pokles konduktivity vína při srážení KHT. Vzhledem k pomalému průběhu srážení KHT se k určení finální změny konduktivity často používají různé extrapolační metody. Jedna z uvedených metod je uvedena v evropském patentu E^04f39Bl. Při měření saturační teploty se stanovují dvě základní křivky. Jedna odpovídá teplotní závislosti konduktivity vína (vzhledem k pomalé kinetice nezahrnuje vliv srážení KHT), která má přibližně lineární průběh s konstantou 2 % na jednotkovou změnu teploty. Druhá křivka odpovídá teplotní závislosti měrné vodivosti vína nasyceného KHT. Tato křivka také zahrnuje vliv teploty na rozpustnost KHT, takže není lineární. Obě křivky se protínají v bodě označovaném jako saturační teplota (T_sat) odpovídajícímu teplotě, při které je dané víno nasycené KHT.

Pro přesné stanovení konečného obsahu klíčových organických kyselin a solí ve vztahu ke konečné měrné vodivosti a saturační teploty vína je nutné znát rychlost odstraňování uvedených jednotlivých složek z komplexní směsi.

< * * i 3 4 . « . t \ 1 t :S *

Podstata technického řešení

Problém nutnosti vícenásobného průchodu odsolovaného produktu elektrodialyzační jednotkou a zbytečně velkého stupně odsolení byl vyřešen u způsobu odsolování kapalných produktů potravinářského průmyslu a elekrodialyzační jednotce kjeho provádění podle vynalezu uspořádáním v kontinuálním režimu s recyklem provozu elektrodialýzy. V tomto uspořádání je průtok upravovaného vína řízen na základě výstupní vodivosti vína z elektrodialyzační jednotky. Víno tak prochází vícekrát pouze elektrodialyzačním modulem a cirkulační smyčkou a to jen po nezbytně nutnou dobu, kdy dochází k přesnému odsolení na požadovanou hodnotu použitím komerčně dostupného čerpadla s flexibilním oběžným kolem s možností reverzace.

Podstata způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že průtok upravovaného produktu je řízen na základě jeho výstupní vodivosti, tak, že produkt prochází opakovanými cykly elektrodialýzy, dokud není dosaženo mezní konečné vodivosti, při níž se opakování dialyzačního procesu ukončí. Konečná vodivost produktu se předem vypočte ze znalosti počáteční vodivosti a pH produktu, obsahu alkoholu, glycerolu a extraktu, koncentrace draslíku, obsahu dominantních organických kyselin jako kyseliny vinné, kyseliny jablečné a kyseliny mléčné, obsahu minoritních organických kyselin a obsahu minoritních anorganických solí.

Jako kapalný produkt potravinářského průmyslu se s výhodou použije ovocný nebo kvašený nápoj, zejména víno, jehož vstupní pH je v rozmezí 3,00 až 4,00, vstupní obsah alkoholu v objemových procentech v rozmezí 0 až 16^o, vstupní koncentrace glycerolu v rozmezí 0,1 až 13 g/1, vstupní koncentrace hořčíku nebo vápníku z tělesa (1) zpracovávané kapaliny je v rozmezí 1 až 150 mg/1, vstupní koncentrace draslíku v rozmezí 100 až 2000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny sírové v rozmezí 10 až 3000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny fosforečné v rozmezí 40 až 600 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny vinné v rozmezí 1000 až 5000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny citrónové v rozmezí 10 až 750 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny jablečné v rozmezí 250 až 4000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny mléčné v rozmezí 250 až 5000 mg/1 a vstupní analytická koncentrace kyseliny jantarové v rozmezí 250 až 1000 mg/1.

Výpočet konečné vodivosti nápoje se provede ve více krocích, při čemž se nejprve z empirické závislosti saturační teploty, tj. mezní teploty srážení vinného kamene ~c ⁽¹⁾

K, + K, In---^z:______

Á?₃ + K₄c_EtOH + K₅c_tMH kde konstanty v i ovnici (1) mají hodnoty Kj - 0,00366 1/K, K₂ = 1,3249.10⁴ 1/K, K3 = 8,65.10 ⁴, K4 = 5; )7.10’⁵1/Obj. % EtOH, K5 = 7,05.10‘⁷ l/(Obj. % EtOH)²’, vypočítá konečná hodnotu součinu koncentrací kyseliny vinné a draslíku ve stabilizovaném víně. Při uvažování modelu poměrového odstraňování všech přítomných kyselin a iontů napojí s využitím údajů o rychlosti separace jednotlivých složek z nápoje poměrově vztažené k rychlo sti odstraňování iontové formy kyseliny vinné - empiricky stanovených separačních faktorů iontových forem a„ kde referenčním iontem pro separaci je hydrogenvinan:

I(	nt	Separační faktor
0	etan	2,2/2,8 A V
v	inan	2,6 / 3,2 /2
H	/drogenjablečnan	¹,0.-1,6
Jí	blečnan	2,6/3,8
h/	léčnan	1,8/4,9
D	hydrogencitran	0,9^4,0 ř-
H	'drogencitran	2,5 /2,8 ví
H	'drogenjantaran	2,0/2,2 /4
Ja	itaran	3,6/3,9

určí příspěvek vtdivosti příslušné iontové formy, který lze vypočítat jako součin koncentrace iontox é formy a limitní molámí vodivosti dané iontové formy podle rovnice (2) ^K A ~ ^CA^A (2)

.....ί- 5 kde c_A je koncentrace iontové formy v jednotkách SI mokm³ a Z” je v literatuře tabelovaná limitní molámí vodivost iontové formy při nekonečném zředění sjednotkou SnT.mol'¹ a následně pak i celková konečná vodivost nápoje, která je dána sumou veškerých příspěvků iontových forem kyselin a solí.

Poměrová rychlost separace a tedy míra snižování vodivosti roztoku odsolovaného v elektrodialyzačním svazku je ovlivněna počáteční koncentrací iontové formy a pH, které určuje stupeň disociace. Změna koncentrace iontové formy může být popsána rovnicí (3), která zahrnuje separační faktor, J značí hustotu toku složky membránou, koncentraci separované složky a koncentraci složky referenční:

Uvedený princip predikce saturační teploty a výpočtu konečné vodivosti nápoje má oblast platnosti buď pro současné odstraňování kyselin a solí, nebo odstraňování pouze kationtů nebo aniontů. Konečné snížení množství přítomných iontových forem kyselin a tedy snížení vodivosti má definovanou hranici.

Elektrodialyzační jednotka s automatickým řízením k provádění způsobu podle vynálezu obsahuje elektrodialyzační modul, zásobníky roztoků a prvky pro dopravu a řízení cirkulace zpracovávané kapaliny — diluátu, roztoku činidla k její úpravě — koncentrátu, resp. elektrodového roztoku v mezimembránových prostorech. Podstata vynálezu spočívá v tom, že těleso vstupu zpracovávané kapaliny je napojeno na vstup čerpadla plnění diluátové smyčky, jehož výstup je připojen přes vstupní T-kus na vstup čerpadla cirkulace diluátovou smyčkou, s tím, že vedlejší vstup vstupního T-kusu je přes diluátovou smyčku napojen na vedlejší výstup výstupního T-kusu. Dále je výstup čerpadla cirkulace diluátovou smyčkou napojen na jeden ze vstupů vstupní ventilové smyčky, která je pak prostřednictvím vstupních potrubí připojena na elektrodialyzační modul se soustavou iontovýměnných membrán tvořenou alespoň jednou sekvencí kationvýměnných membrán, anionvýměnných membrán nebo bipolámích membrán. Elektrodialyzační modul je současně prostřednictvím výstupních potrubí připojen na vstupy výstupní ventilové smyčky, s tím, že jeden z výstupů výstupní ventilové smyčky je opatřen výstupním koncentrátovým potrubím napojeným na zásobník koncentrátu, který je dále přes vstupní potrubí koncentrátu s ventilem připojen ke vstupu čerpadla koncentrátu, kdy výstup čerpadla koncentrátu je připojen najeden ze vstupů vstupní i í ' * * 9 » S * » 9 :>· * · '< · > » » > í ventilové smyčky, zatím co jeden z výstupů výstupní ventilové smyčky je přes výstupní Tkus spojen s vodivostním čidlem, jež je připojeno na vstup výstupního čerpadla zpracovávané kapaliny, jehož výstup je opatřen tělesem výstupu zpracované kapaliny. Elektrodialyzační modul je dále opatřen vstupním potrubím elektrodového roztoku a výstupním potrubím elektrodového roztoku, jež jsou napojena na zásobník elektrodového roztoku, s tím, že vstupní potrubí elektrodového roztoku je vybaveno ventilem a čerpadlem elektrodového roztoku. Elektrodialyzační modul je pak přes napájecí vodiče připojen ke zdroji stejnosměrného elektrického proudu, s tím, že čerpadlo plnění diluátové smyčky, výstupní čerpadlo zpracovávané kapaliny a vodivostní čidlo jsou spojeny s řídící jednotkou.

Čerpadlo plnění diluátové smyčky, čerpadlo cirkulace diluátovou smyčkou a výstupní čerpadlo zpracovávané kapaliny jsou s výhodou opatřena flexibilním oběžným kolem.

Vstupní ventilová smyčka a výstupní ventilová smyčka jsou pak s výhodou totožné topografie s Gratzovým můstkem.

Elektrodialyzační modul je tvořen elektrodami, mezi nimiž je uložena soustava iontovýměnných membrán. Tato soustava obsahuje s výhodou alespoň jednu sekvenci anionvýměnných membrán a kationvýměnných membrán, vzájemně se střídajících a vytvářejících alespoň dva mezimembránové prostory pro roztoky vstupních a výstupních chemických sloučenin elektrodialyzačního odstraňování iontů. lontovýměnnými membránami jsou membrány homogenního nebo heterogenního typu v tloušťce 0,1 až 1 mm, mezi kterými jsou dále umístěny rozdělovače o tloušťce 0,1 až 2 mm vyrobené z polymemího materiálu k zajištění distribuce a vzájemné nemísitelnosti roztoků a dále mechanické opory mezimembránového prostoru.

V jiných variantách řešení může soustava iontovýměnných membrán elektrodialyzačního modulu obsahovat alespoň jednu sekvenci kationvýměnných membrán a bipolámích membrán (BM), vzájemně se střídajících a vytvářejících alespoň dva mezimembránové prostory pro roztoky vstupních a výstupních chemických sloučenin elektrodialyzačního odstraňování iontů nebo alespoň jednu sekvenci anionvýměnných membrán a bipolámích membrán, opět vzájemně se střídajících a vytvářejících alespoň dva mezimembránové prostory pro roztoky vstupních a výstupních chemických sloučenin elektrodialyzačního odstraňování iontů.

Mezi elektrodami elektrodialyzační jednotky je s výhodou napětí 0,6 až 2,6 V na sekvenci dvou membrán - membránový pár při proudové hustotě 20 až 120 A/m².

Problém nutnosti vícenásobného průchodů odsolováného vína elektrodialyzační jednotkou a zbytečně velkého stupně odsolení byl u řešení podle vynálezu vyřešen uspořádáním v kontinuálním režimu s recyklem módu provozu elektrodialýzy. V tomto uspořádání je průtok upravovaného vína řízen na základě výstupní vodivosti vína z elektrodialyzační jednotky. Víno tak prochází vícekrát pouze elektrodialyzačním modulem a cirkulační smyčkou a to jen po nezbytně nutnou dobu, kdy dochází k přesnému odsolení na požadovanou hodnotu použitím komerčně dostupného čerpadla s flexibilním oběžným kolem s možností reverzace.

Použitím čerpadla s flexibilním oběžným kolem se vyvarujeme působení střižných sil, jež mohou narušit koloidní rovnováhu ve zpracovávaných roztocích a tak negativně narušit jejich senzorické vlastnosti.

Přehled vyobrazení na výkresech

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží přiložené výkresy, kde představuje obr. 1 - schéma elektrodialyzační jednotky (s elektrodialyzačním modulem, armaturami, zdrojem stejnosměrného elektrického proudu a řídící jednotkou PLC);

obr. 2 - schéma elektrodialyzačního modulu pro okyselování potravinářských roztoků;

obr. 3 - schéma elektrodialyzačního modulu pro odkyselování potravinářských roztoků v jiném provedení;

obr. 4 - znázornění funkce bipolámí membrány ve stejnosměrném elektrickém poli;

obr. 5 - znázornění závislosti saturační teploty na obsahu alkoholu 0, 12 a 16 objemových procent pro různý součin rozpustnosti vinného kamene;

obr. 6 - průběhy měrné vodivost a pH při úpravě vína Sauvignon Blanc;

obr. 7 - schéma elektrodialyzačního modulu pro okyselování potravinářských roztoků s využitím kationvýměnných membrán a anionvýměnných membrán.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Praktickým příkladem způsobů odsolování kapalných produktů potravinářského průmyslu byla úprava vína Sauvignon Blanc. Vstupní saturační teplota vína byla 22,9 °C.

Obr. 5 Závislost saturační teploty na obsahu alkoholu 0, 12 a 16 objemových procent pro různý součin rozpustnosti vinného kamene je znázorněna na obr. 5.

Uživatel definoval požadavek, aby víno bylo stabilní při teplotě skladování 20 °C a tedy nedocházelo ke srážení vinného kamene. Řídící jednotka vypočetla poměrové odstranění všech přítomných složek a finální vodivost vína ze znalosti obsahu organických kyselin jako kyseliny vinné, kyseliny jablečné, kyseliny mléčné, kyseliny citrónové, kyseliny jantarové a kyseliny octové, anorganických kyselin jako kyseliny sírové, kyseliny fosforečné, obsahu chloridů, složení anorganických kationtů jako sodíku, draslíku, hořčíku a vápníku, nebo kombinací výše uvedených vybraných hodnot charakterizující dané víno.

Podrobněji je složení vína před stabilizací elektrodialýzou a po ní uvedeno v následující tabulce:

Víno před stabilizací elektrodialýzou	Víno po stabilizaci elektrodialýzou
		- Hodnoty vypočteny v PLC řídicím systému jednotky elektrodialýzy
Konduktivita [pS/cm]:	2123,2	Konduktivita [pS/cm]:	1908
pH:	3,33	pH:	3,27
Saturační teplota [°C]:	22,9	Saturační teplota [°C]:	20,0
Složení:		Složení:
Ethanol [obj. %]:	14,4	Ethanol [obj. %]:	14,4
Glycerol [g/1]:	1,3	Glycerol [g/1]:	1,3
Ca²⁺ [mg/1]:	53	Ca²⁺ [mg/1]:	47,03
Mg²⁺ [mg/1]:	120	Mg²⁺ [mg/1]:	114
K⁺ [mg/1]:	1011	K⁺ [mg/1]:	852,5
H2SO4 [mg/1]:	8,535.10^-6	H2SO4 [mg/1]:	1,058.10'⁵
HSO₄· [mg/1]:	18,06	HSO₄· [mg/1]:	19,28
SO4²· [mg/1]:	419	SO₄ ²· [mg/1]:	385,2
OH' [mg/1]:	3,657.10'⁷	OH' [mg/1]:	3,149.10’⁷
H₃PO₄ [mg/1]:	16,78	H3PO4 [mg/1]:	17,78

H₂PO₄ [mg/1]:	245,6	H₂PO₄ [mg/1]:	224,2
HPO? [mg/1]:	0,03204	HPO₄ ² [mg/1]:	0,02519
PO₄ ³' [mg/1]:	1,449.1ο¹¹	PO₄ ³ [mg/1]:	9,814.10¹²
Kyselina octová [mg/1]:	628,6	Kyselina octová [mg/1]:	626,3
Octan [mg/1]:	22,96	Octan [mg/1]:	19,71
Kyselina vinná [mg/1]:	629,7	Kyselina vinná [mg/1]:	645,4
Hydrogenvinan [mg/1]:	1500	Hydrogenvinan [mg/1]:	1325
Vinan [mg/1]:	179,2	Vinan [mg/1]:	136,2
Kyselina j ablečná [mg/1]:	1692	Kyselina jablečná [mg/1]:	1697
Hydrogenj ablečnan [mg/1]: 1245	Hydrogenj ablečnan [mg/1]	: 1075
Jablečnan [mg/1]:	16,29	Jablečnan [mg/1]:	12,12
Kyselina mléčná [mg/1]:	1016	Kyselina mléčná [mg/1]:	1004
Mléčnan [mg/1]:	296,5	Mléčnan [mg/1]:	252,2
Kyselina citrónová [mg/1]	101,2	Kyselina citrónová [mg/1]:	104,2
Dihydrogencitran [mg/1]:	152,4	Dihydrogencitran [mg/1]:	135,2
Hydrogencitran [mg/1]:	5,504	Hydrogencitran [mg/1]:	4,205
Citran [mg/1]:	0,00466	Citran [mg/1]:	0,003066
Kyselina jantarová [mg/1]:	649,9	Kyselina jantarová [mg/1]:	644,9
Hydrogenjantaran [mg/1]:	86,91	Hydrogenjantaran [mg/1]:	74,29
Jantaran [mg/1]:	0,4627	Jantaran [mg/1]:	0,3406

Pro zachování organoleptických vlastností nápoje je maximální poměr podílu vodivosti stabilizovaného vína oproti vodivosti nestabilního vína větší než 0,60. Hodnota podílu konduktivit uvedených v tabulce je větší než 0,89 a lze tedy usuzovat, že elektrodialýza neovlivní negativně organoleptické vlastnosti nápoje. Elektrodialýza nápoje bude přerušena při dosažení předem vypočtené hodnoty vodivosti.

Průběhy měrné vodivost a pH při úpravě vína Sauvignon Blanc jsou znázorněny na obr. 6.

Pro testování byla použita laboratorní jednotka P EDR-Z (firmy MemBrain) pro elektrodialýzu (dále jen ED). Jednotka obsahovala 3 nádrže o objemu 0,25 až 2 litry a 3 odstředivá čerpadla s magnetickou vložkou pro cirkulaci roztoků v mezimembránových prostorech elektrodialzyačního modulu vytvořených sekvencemi kationvýměnných membrán CM a bipolámích membrán BM (schéma jedné základní sekvence iontovýměnných membrán elektrodialzyačního modulu — viz obr. 2; funkce bipolámí membrány ve stejnosměrném elektrickém poli - kdy na mezifázovém rozhraní dochází ke štěpení vody na proton je schématicky znázorněna na obr. 4).

Konkrétně se jednalo o následující roztoky:

diluát — roztok zpracovávané kapaliny, konkrétně vína Sauvignon Blanc proudící druhým mezimembránovým prostorem od anody za první bipolámí membránou BM1;

koncentrát — roztok činidla k úpravě zpracovávané kapaliny, konkrétně roztok hydroxidu draselného proudící prvním memzimembránovým prostorem od anody mezi první kationvýměnnou membránou CM1 a první bipolámí membránou BM1.

Jednotka byla vybavena měřením průtoků, teploty, vodivostí a pH pro každý okruh individuálně a elektrickým zdrojem stejnosměrného napětí o výkonu 90 W. Použitý svazek obsahoval čtyři kationvýměnné membrány CM a tři bipolámí membrány BM. Vložené napětí na elektrodialyzačním modulu bylo 10 V. Efektivní plocha jedné membrány byla 64 cm². Test byl proveden vsádkovým způsobem. Počáteční objem vína byl 2 litry. Rychlost úpravy kyselosti probíhala rychlostí 0,2 jednotky pH za 30 minut provozu.

Elektrodialyzační jednotka s automatickým řízením pro potravinářský průmysl, zejména k úpravě pH (viz obr. 1), zahrnuje elektrodialyzační modul 5 s pomocnými armaturami, zdroj 6 stejnosměrného elektrického proudu a řídící jednotku 17, konkrétně řídící jednotku PLC. Na vstupu do elektrodialyzační jednotky je umístěno těleso 1 vstupu zpracovávané kapaliny, který je připojen na čerpadlo 2 plnění diluátové smyčky s flexibilním oběžným kolem. Výstup čerpadla 2 plnění diluátové smyčky je napojen na hlavní vstup vstupního T-kusu j_8, vedlejší vstup vstupního T-kusu 18 je prostřednictvím diluátové smyčky 7 napojen na vedlejší výstup z výstupního T-kusu 19. Výstup vstupního T-kusu 18 je napojen na vstup čerpadla 3 cirkulace diluátovou smyčkou, rovněž s flexibilním oběžným kolem, jehož výstup je napojen na vstupní ventilovou smyčku 4. Vstupní ventilová smyčka 4 a výstupní ventilová smyčka 25 mají stejnou topografii jako Gratzův můstek, který obsahuje

Hr dva vstupy, dva výstupy a čtyři regulační prvky. Výstupy vstupní ventilové smyčky 4, jsou pomocí vstupních potrubí 20 spojeny se vstupy elektrodialyzačního modulu 5. Elektrodialyzační modul 5 je pomocí napájecích vodičů 24 spojen se zdrojem 6 stejnosměrného elektrického proudu. Prostřednictvím výstupních potrubí 21 je elektrodialyzační modul 5 spojen se vstupy výstupní ventilové smyčky 25. Výstupní ventilová smyčka 25 je na jednom výstupu spojena pomocí výstupního koncentrátového potrubí 23 se zásobníkem £4 koncentrátu. Zásobník 14 koncentrátu je prostřednictvím vstupního potrubí 16 koncentrátu s ventilem spojen se vstupem odstředivého čerpadla 11 koncentrátu, jehož výstup je spojen s druhým vstupem vstupní ventilové smyčky 4. Druhý výstup výstupní ventilové smyčky 25 je spojen se vstupem výstupního T-kusu 19, jehož vedlejší výstup je prostřednictvím diluátové smyčky 7 spojen s vedlejším vstupem vstupního T-kusu £8. Hlavní výstup výstupního T-kusu £9 je přes vodivostní čidlo 10 spojen se vstupem výstupního čerpadla 8 zpracované kapaliny (s flexibilním oběžným kolem), jehož výstup je opatřen tělesem 9 výstupu zpracované kapaliny. Elektrodialyzační modul 5 je opatřen vstupním potrubím £5 elektrodového roztoku s ventilem a výstupním potrubím 22 elektrodového roztoku. Výstupní potrubí 22 elektrodového roztoku je vyvedeno do zásobníku 13 elektrodového roztoku. Zásobník 13 elektrodového roztoku je pomocí vstupního potrubí 15 elektrodového roztoku s ventilem spojen s elektrodialyzačním modulem 5, kdy vstupní potrubí £5 elektrodového roztoku s ventilem je opatřeno odstředivým čerpadlem 12 elektrodového roztoku. Čerpadlo 2 plnění diluátové smyčky, výstupní čerpadlo 8 zpracovávané kapaliny a vodivostní čidlo 10 jsou propojena s řídící jednotkou 17 PLC.

Příklad 2

Elektrodialyzační jednotka s automatickým řízením byla z hlediska celkového uspořádání řešena obdobně jako v příkladu 1. Odlišnost byla v elektrodialzyačním modulu, který byl v tomto případě vytvořen sekvencemi anionvýměnných membrán AM a bipolámích membrán BM (schéma jedné základní sekvence ionto výměnných membrán elektrodialzyačního modulu - viz obr. 3).

1Í

Příklad 3

Elektrodialyzační jednotka s automatickým řízením byla z hlediska celkového uspořádání řešena obdobně jako v příkladu 1. Odlišnost byla v elektrodialzyačním modulu, který byl v tomto případě vytvořen sekvencemi anionvýměnných membrán AM a kationvýměnných membrán CM (schéma jedné základní sekvence iontovýměnných membrán elektrodialzyačního modulu - viz obr. 7).

Průmyslová využitelnost

Elektrodialyzační jednotku pro potravinářský průmysl k úpravě pH s automatickým řízením je možné použít v potravinářském průmyslu, kde dochází ke snižování obsahu solí a úpravě pH ve vínech, moštech a štávách. Postup elektrodialýzy je vhodný i pro výrobu „biopotravin , protože nevyužívá žádných přidaných složek. Daná technologie nevyžaduje změny teplot, tudíž při její aplikaci nedochází ke změnám senzorických vlastností a je energeticky úspornější. Použití čerpadla s nízkou střižnou silou umožňuje zpracovávat vína kde by vysoké střižné síly měly za následek porušení koloidní rovnováhy jednotlivých složek s negativním vlivem na senzorické vlastnosti vína.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob odsolování kapalných produktů potravinářského průmyslu, jako jsou víno, mošty a šťávy, spočívající ve vícenásobné opakované elektrodialýze odsolovaného produktu v kontinuálním režimu, s recyklem provozu elektrodialýzy, vyznačující se tím, že průtok upravovaného produktu je řízen na základě jeho výstupní vodivosti, tak, že produkt prochází opakovanými cykly elektrodialýzy, dokud není dosaženo mezní konečné vodivosti, při níž se opakování dialyzačního procesu ukončí, při čemž konečná vodivost produktu se předem vypočte ze znalosti počáteční vodivosti a pH produktu, obsahu alkoholu, glycerolu a extraktu, koncentrace draslíku, obsahu dominantních organických kyselin jako kyseliny vinné, kyseliny jablečné a kyseliny mléčné, obsahu minoritních organických kyselin a obsahu minoritních anorganických solí.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako kapalný produkt potravinářského průmyslu se použije ovocný nebo kvašený nápoj, zejména víno, jehož vstupní pH je v rozmezí 3,00 až 4,00, vstupní obsah alkoholu v objemových procentech v rozmezí 0 až ΐφό, vstupní koncentrace glycerolu v rozmezí 0,1 až 13 g/1, vstupní koncentrace hořčíku nebo vápníku z tělesa (1) zpracovávané kapaliny je v rozmezí 1 až 150 mg/1, vstupní koncentrace draslíku v rozmezí 100 až 2000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny sírové v rozmezí 10 až 3000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny fosforečné v rozmezí 40 až 600 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny vinné v rozmezí 1000 až 5000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny citrónové v rozmezí 10 až 750 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny jablečné v rozmezí 250 až 4000 mg/1, vstupní analytická koncentrace kyseliny mléčné v rozmezí 250 až 5000 mg/1 a vstupní analytická koncentrace kyseliny jantarové v rozmezí 250 až 1000 mg/1.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že výpočet konečné vodivosti nápoje se provede ve více krocích, při čemž se nejprve z empirické závislosti saturační teploty, tj. mezní teploty srážení vinného kamene

Γ =—_________t________ sat C C

K_} + K₂ ln—-----—

K3 + EtOH + K-5^C EtOH (1)

kde konstanty v rovnici (1) mají hodnoty K, = 0,00366 1/K, K₂ = 1,3249.10⁴ 1/K, K3 = 8,65.10⁴ K4 = 5,07.lO^l/Obj. % EtOH, K5 = 7,05.10'⁷ l/(Obj. % EtOH)²’, vypočítá konečná hodnotu součinu koncentrací kyseliny vinné a draslíku ve stabilizovaném víně, načež se při uvažování modelu poměrového odstraňování všech přítomných kyselin a iontů v nápoji s využitím údajů o rychlosti separace jednotlivých složek z nápoje poměrově vztažené k rychlosti odstraňovaní iontové formy kyseliny vinné — empiricky stanovených separačních faktorů iontových forem cti, kde referenčním iontem pro separaci je hydrogenvinan:

Iont Separační faktor a

Octan 2,2^2,8

Vinan 2,6 #3,2

Hydrogenj ablečnan 1,Ο^ρ ,6

Jablečnan 2,6^,8

Mléčnan 1,8^,9

Dihydrogencitran 0,9 ^,0

Hydrogencitran 2,5^,8

Hydrogenj antaran 2,0^,2

Jantaran 3,6^3,9 určí příspěvek vodivosti příslušné iontové formy, který lze vypočítat jako součin koncentrace iontové formy a limitní molámí vodivosti dané iontové formy podle rovnice (2) ^KA ~ A^A (2) kde c_A je koncentrace iontové formy v jednotkách SI mol,ní³ a 2 je v literatuře tabelovaná limitní molámí vodivost iontové formy při nekonečném zředění s jednotkou 2 1

Sm_tmoi a následně pak i celková konečná vodivost nápoje, která je dána sumou veškerých příspěvků iontových forem kyselin a solí.
4. Elektrodialyzační jednotka s automatickým řízením k provádění způsobu podle nároku 1, obsahující elektrodialyzační modul, zásobníky roztoků a prvky pro dopravu a řízení cirkulace zpracovávané kapaliny — diluátu, roztoku činidla k její úpravě — koncentrátu, resp. elektrodového roztoku v mezimembránových prostorech, vyznačující se tím, že těleso (1) vstupu zpracovávané kapaliny je napojeno na vstup čerpadla (2) plnění diluátové smyčky, jehož výstup je připojen přes vstupní T-kus (18) na vstup čerpadla (3) cirkulace diluátovou smyčkou, stím, že vedlejší vstup vstupního T-kusu (18) je přes diluátovou smyčku (7) napojen na vedlejší výstup výstupního T-kusu (19), dále výstup čerpadla (3) cirkulace diluátovou smyčkou je napojen najeden ze vstupů vstupní ventilové smyčky (4), která je pak prostřednictvím vstupních potrubí (20) připojena na elektrodialyzační modul (5) se soustavou iontovýměnných membrán tvořenou alespoň jednou sekvencí kationvýměnných membrán (CM), anionvýměnných membrán (AM) nebo bipolámích membrán (BM), při čemž elektrodialyzační modul (5) je současně prostřednictvím výstupních potrubí (21) připojen na vstupy výstupní ventilové smyčky (25), s tím, že jeden z výstupů výstupní ventilové smyčky (25) je opatřen výstupním koncentrátovým potrubím (23) napojeným na zásobník (14) koncentrátu, který je dále přes vstupní potrubí (16) koncentrátu s ventilem připojen ke vstupu čerpadla (11) koncentrátu, kdy výstup čerpadla (11) koncentrátu je připojen na jeden ze vstupů vstupní ventilové smyčky (4), zatím co jeden z výstupů výstupní ventilové smyčky (25) je přes výstupní T-kus (19) spojen s vodivostním čidlem (10), jež je připojeno na vstup výstupního čerpadla (8) zpracovávané kapaliny, jehož výstup je opatřen tělesem (9) výstupu zpracované kapaliny, elektrodialyzační modul (5) je dále opatřen vstupním potrubím (15) elektrodového roztoku a výstupním potrubím (22) elektrodového roztoku, jež jsou napojena na zásobník (13) elektrodového roztoku, stím, že vstupní potrubí (15) elektrodového roztoku je vybaveno ventilem a čerpadlem (12) elektrodového roztoku a elektrodialyzační modul (5) je přes napájecí vodiče (24) připojen ke zdroji (6) stejnosměrného elektrického proudu, s tím, že čerpadlo (2) plnění diluátové smyčky, výstupní čerpadlo (8) zpracovávané kapaliny a vodivostní čidlo (10) jsou spojeny s řídící jednotkou (17).
5. Elektrodialyzační jednotka podle nároku 4, vyznačující se tím, že vstupní ventilová smyčka (4) a výstupní ventilová smyčka (25) mají stejnou topografii jako Grátzův můstek.

» y Λ 1 > * * l Ί .» 5 * · » * »· i 1 ¹ ί ' ? » * ν * * » ο | Í 8
6. Elektrodialyzační jednotka podle nároku 4, vyznačující se tím, že elektrodialyzační modul (5) je tvořen elektrodami, mezi nimiž je uložena soustava iontovýměnných membrán obsahující alespoň jednu sekvenci anionvýměnných membrán (AM) a kationvýměnných membrán (CM), vzájemně se střídajících a vytvářejících alespoň dva mezimembránové prostory pro roztoky vstupních a výstupních chemických sloučenin elektrodialyzačního odstraňování iontů, kdy iontovýměnnými membránami jsou membrány homogenního nebo heterogenního typu v tlouštce 0,1 až 1 mm, mezi kterými jsou dále umístěny rozdělovače o tlouštce 0,1 až 2 mm vyrobené z polymemího materiálu k zajištění distribuce a vzájemné nemísitelnosti roztoků a dále mechanické opory mezimembránového prostoru.
7. Elektrodialyzační jednotka podle nároku 4, vyznačující se tím, že elektrodialyzační modul (5) je tvořen elektrodami, mezi nimiž je uložena soustava iontovýměnných membrán obsahující alespoň jednu sekvenci kationvýměnných membrán (CM) a bipolámích membrán (BM), vzájemně se střídajících a vytvářejících alespoň dva mezimembránové prostory pro roztoky vstupních a výstupních chemických sloučenin elektrodialyzačního odstraňování iontů, kdy iontovýměnnými membránami jsou membrány homogenního nebo heterogenního typu v tlouštce 0,1 až 1 mm, mezi kterými jsou dále místěny rozdělovače o tlouštce 0,1 až 2 mm vyrobené z polymemího materiálu k zajištění distribuce a vzájemné nemísitelnosti roztoků a dále mechanické opory mezimembránového prostoru.
8. Elektrodialyzační jednotka podle nároku 4, vyznačující se tím, že elektrodialyzační modul (5) je tvořen elektrodami, mezi nimiž je uložena soustava iontovýměnných membrán obsahující alespoň jednu sekvenci anionvýměnných membrán (AM) a bipolámích membrán (BM), vzájemně se střídajících a vytvářejících alespoň dva mezimembránové prostory pro roztoky vstupních a výstupních chemických sloučenin elektrodialyzačního odstraňování iontů, kdy iontovýměnnými membránami jsou membrány homogenního nebo heterogenního typu v tloušťce 0,1 až 1 mm, mezi kterými jsou dále místěny rozdělovače o tlouštce 0,1 až 2 mm vyrobené z polymemího materiálu k zajištění distribuce a vzájemné nemísitelnosti roztoků a dále mechanické opory mezimembránového prostoru.
9. Elektrodialyzační jednotka podle nároku 4, vyznačující se tím, že mezi elektrodami je napětí 0,6 až 2,6 V na sekvenci dvou membrán - membránový pár při proudové hustotě 20 až 120 A/m².