Установка для зброджування цукровмісних середовищ

Винахід відноситься до виноробства й може бути використано у високопродуктивних установках для приготування виноматеріалів способом «по білому», а також в установках малої та середньої продуктивності для зброджування сусла на меззі у фермерських господарствах. Відома установка для цукровмісних середовищ із перетіканням їх під дією тиску газів бродіння з однієї частини установки в іншу, що містить, щонайменше, дві бродильні камери з трубами для перетікання й клапан для почергового випуску газів бродіння з бродильних камер, який складається з установленого в одній із бродильних камер поплавця зі штоком, який обладнано двома упорами, та корпуса з розташованими в ньому двома органами запирання й двома співвісними сідлами, що розділяють порожнину корпуса на три розташовані одна над одною секції, середня з яких обладнана відвідним патрубком, одна з крайніх сполучена з верхніми частинами непарних бродильних камер, а інша - з верхніми частинами парних, при цьому органи запирання закріплені на втулці, що встановлена на штоку з можливістю осьового переміщення між упорами, та підпружинена щодо одного з них [пат. України №5729, С12G1/02, 1991]. Спільні ознаки відомої установки та установки, що заявляється: щонайменше, дві бродильні камери й клапан для почергового випуску з них газів бродіння, що включає до себе корпус із відвідним і двома вхідними патрубками, один із яких сполучено з верхніми частинами непарних бродильних камер, а інший - із верхніми частинами парних, два сідла та орган запирання. Однак у відомій установці потрібна висока точність виготовлення штока та втулки для попередження витоку газів між поверхнями цих деталей, які сполучаються між собою. З огляду на те, що хід поплавця перевищує півтора метра, дотримання легкості ходу й ущільнення штока на такій його довжині являє собою задачу, що важно розв'язується. За конструктивним виконанням найбільш близькою до даного винаходу є установка для зброджування цукровмісних середовищ, яка містить у собі, щонайменше, дві сполучені між собою бродильні камери й клапан для почергового випуску з них газів бродіння, що складається з розміщеного в одній із бродильних камер поплавця, встановленого на штоку з можливістю осьового переміщення між двома упорами, та корпуса з розташованими в ньому двома органами запирання, що закріплені на штоку, та двома співвісними сідлами, що розділяють порожнину корпуса на три розташовані одна над одною секції, середня з яких обладнана відвідним патрубком, одна з крайніх сполучена через вхідний патрубок із верхніми частинами непарних бродильних камер, а інша - через другий вхідний патрубок - із верхніми частинами парних [пат. України №41452, С12G1/02, 1997]. Спільними ознаками відомої установки та установки, що заявляється, є щонайменше дві сполучені між собою бродильні камери й клапан для почергового випуску з них газів бродіння, що включає до себе корпус із відвідним і двома вхідними патрубками, один із яких сполучено з верхніми частинами непарних бродильних камер, а інший - із верхніми частинами парних, два сідла та орган запирання. Недоліками відомої установки є громіздкість клапана, необхідність використання люків великих розмірів для введення поплавця всередину бродильної камери, а також відсутність затримки між моментами відкривання одного сідла й закривання іншого, що не дозволяє швидко вирівнювати рівні м'язги в бродильних камерах для її перемішування. В основу винаходу поставлено завдання вдосконалити клапан бродильної установки шляхом вилучення з його конструкції поплавця, що дозволить при використанні винаходу в установках для безперервного зброджування сусла зменшити габаритні розміри й масу клапана та верхнього люка, а в установках для зброджування сусла на меззі - перемішувати тверду фазу м'язги з рідкою, виключити необхідність використання труб перетікання та сіток для занурення м'язги (поплавкові клапани без сіток непрацездатні, оскільки поплавці грузнуть у м'яззі). Для цього в установці для зброджування цукровмісних середовищ, яка містить щонайменше дві сполучені між собою бродильні камери й клапан для почергового випуску з них газів бродіння, що включає до себе корпус із відвідним і двома вихідними патрубками, один із яких сполучений з верхніми частинами непарних бродильних камер, а інший - із верхніми частинами парних, два сідла й орган запирання, відповідно до винаходу, сідла розташовані у вхідних патрубках, а орган запирання виконано у вигляді диска, жорстко закріпленого на поворотнійосі між сідлами з можливістю почергової взаємодії з ними, при цьому поворотна вісь жорстко зв'язана з важелем, на якому встановлена противага. Крім того, відповідно до винаходу, противага встановлена на важелі з можливістю поздовжнього переміщення й фіксації, а важіль обладнано поділками; між відвідним і кожним із вхідних патрубків установлено байпас із регулюючим вентилем; на корпусі клапана співвісно з поворотною віссю встановлено поворотний пневмоциліндр, у якому розміщено з лімітованим зазором поршень у вигляді пластини, що жорстко закріплена одним кінцем на поворотній осі шарніра. Розташування сідел клапана у вхідних патрубках і виконання органа запирання у вигляді диска, що жорстко закріплено на поворотній осі між сідлами з можливістю почергової взаємодії з ними, дозволяє вилучи ти з конструкції клапана громіздкий поплавець із штоком, а зі складу установки - верхні люки в бродильних камерах і сітки для занурення м'язги. Завдяки тому що поворотна вісь жорстко зв'язана з важелем, на якому встановлена противага, досягається можливість надійного й практично миттєвого відкривання одного із сідел клапана, оскільки в момент відриву диска від сідла збільшується площа взаємодії газів із диском, який має площу більшу, ніж площа, що обмежена внутрішньою окружністю сідла, а при наступній комутації клапана, поки важіль не займе вертикальне положення, дія противаги на орган запирання клапана безупинно зменшується в силу зменшення плеча прикладання сили ваги противаги та важеля до поворотної осі. Завдяки тому що противага встановлена на важелі з можливістю поздовжнього переміщення й фіксації, а важіль обладнано поділками, досягається можливість регулювати перепад рівнів середовища, яке бродить, у бродильних камерах, що дозволяє в установках для безперервного зброджування сусла регулювати об'єм порцій свіжого сусла, що вводиться, тобто продуктивність установок, а в установках для зброджування сусла на м'яззі - регулювати інтенсивність перемішування м'язги в залежності від ступеня її вибродження й здатності до піноутворення. Це дозволяє уникнути надмірного збагачення сусла суспензіями з твердої фази м'язги й утрат сусла з піною через клапан. Установлення між відвідним і кожним із вхідних патрубків байпаса з регулюючим вентилем забезпечує регулювання частоти комутації клапана, що також дозволяє регулювати продуктивність установок для виробництва вин способом «по білому» та інтенсивність перемішування м'язги - в установках для способу «по червоному». Завдяки тому що на корпусі клапана співвісно з поворотною віссю встановлено поворотний пневмоциліндр, у якому розміщено з лімітованим зазором поршень у вигляді пластини, що жорстко закріплена одним кінцем на поворотній осі, досягається можливість затримувати момент закривання одного сідла клапана після відкривання іншого на час, необхідний для вирівнювання рівнів м'язги в бродильних камерах установки для зброджування сусла на м'яззі, що дозволить інтенсифікувати процес перемішування м'язги та перенос із її твердої фази в рідку екстрактивних речовин. На Фіг.1 і 2 зображена схема установки для безперервного зброджування сусла в різні періоди циклу її роботи; на Фіг.3 і 4 представлені варіанти установки для зброджування сусла на м'яззі відповідно в двох і одному резервуарах; на Фіг.5 схематично зображено клапан у перерізі; на Фіг.6 - переріз А-А на Фіг.5; на Фіг.7 - вид Б на Фіг.6; на Фіг.8 - переріз В-В на Фіг.6. Установка складається з двох (Фіг.3, 4), чотирьох (Фіг.1) або більше бродильних камер 1, 2, 3, 4, які представляють собою або окремі резервуари (Фіг.1, 3), або поділені перегородкою 5 частини одного резервуара (Фіг.4.) Бродильні камери сполучаються одна з одною або за допомогою труб перетікання 6 (Фіг.1, 3), або через нижній край перегородки 5 (Фіг.4). Установка, зображена на Фіг.1, 2, призначена для безперервного приготування виноматеріалів способом «по-білому». Вона обладнана колектором 7 із кранами 8, сполучений через крани 9 із нижніми частинами бродильних камер 1-4, відвідним трубопроводом 10 для вино матеріалу, насосом для закачування 11, який з'єднаний трубопроводом 12 із бродильною камерою 1, і двома газовими колекторами 13, 14, перший з яких з'єднує між собою верхні частини непарних бродильних камер 1, 3, а другий - верхні частини парних камер 2, 4. Труби перетікання 6 і відвідний трубопровід 10 з'єднані з нижніми частинами відповідних бродильних камер через крани 15. Варіанти установки, зображені на Фіг.3, 4, призначені для зброджування сусла на м'яззі (способом «почервоному»). Вони обладнані завантажувальними 16 і розвантажувальними 17 патрубками. Установка обладнана клапаном 18 для почергового випуску газів бродіння з бродильних камер. Клапан 18 складається з корпуса 19 (Фіг.5, 6) із відвідним 20 і двома вхідними патрубками 21, 22, перший із яких через газовий колектор 13 сполучено з верхніми частинами непарних бродильних камер, а другий - через колектор 14 - із верхніми частинами парних. На кінцях патрубків 21, 22 (Фіг.5), які розташовані всередині корпуса 19, виконані сідла 23, 24, між якими в корпусі 19 на поворотній осі 25 закріплено орган запирання клапана, виконаного у вигляді диска 26, який жорстко закріплено на осі 25 із можливістю почергової взаємодії із сідлами 23, 24. Вісь 25 виведена з корпуса 19 назовні, де вона жорстко зв'язана з важелем 27, обладнаним поділками 28 (Фіг.6). На важелі 27 установлена з можливістю поздовжнього переміщення противага 29, яка обладнана фіксуючим гвинтом 30. При використанні в складі установки за Фіг.1 клапан 18 забезпечується стрижневим постійним магнітом 31, який закріплено на противазі 29, і герметичним контактом (герконом) 32, який керується за допомогою магніту (Фіг.7), що закріплено на корпусі 19 у зоні взаємодії з магнітним полем постійного магніту 31, а в складі установок за Фіг.3, 4 - пристроєм для затримки часу між моментами відкривання одного сідла клапана й закривання іншого. Цей пристрій складається із закріпленого на корпусі 19 співвісно з віссю 25 поворотного пневмоциліндра 33 (Фіг.6, 8), у якому розміщено з лімітованим зазором поршень у вигляді пластини 34, яка жорстко закріплена одним кінцем на осі 25. У середній частині стінки циліндра 33 виконано отвір 35. У бродильній камері 1 установки за Фіг.1 розміщено датчик 36 сигналізатора рівня. Вихідний контакт сигналізатора, що розмикає, разом із герметичним замикаючим контактом 32 (Фіг.7) послідовно включені в ланцюг керування котушкою магнітного пускача насоса 11 (на кресленнях сигналізатор із вихідним контактом і ланцюг керування котушкою магнітного пускача не показані). Для приготування інтенсивно забарвлених високоекстрактивних виноматеріалів установки за Фіг.3, 4 можуть бути обладнані похилими пластинами 37, встановленими у верхні х частинах бродильних камер. Паралельно клапанові встановлено байпас 38 із регулюючим вентилем 39. Установка для зброджування середовищ, які містять цукри, працює таким чином. У сталому режимі роботи після завантаження й заброджування сусла в установці за Фіг.1 або м'язги в установках за Фіг.3, 4 наступна їхня робота здійснюється автоматично. Коли орган запирання 26 закриває сідло 23 (положення клапана, зображене на Фіг.1, 3, 4), гази бродіння з камер 2, 4 через газовий колектор 14 і патрубки 22, 20 виходять в атмосферу або спиртовловлювач, а в камерах 1, 3 створюють надлишковий тиск, під дією якого в установці за Фіг.1 сусло, що бродить, із камер 1 і 3 через відповідні крани 15 і труби перетікання 6 витісняється у верхні частини наступних парних бродильних камер, відповідно 2 і 4 (перший період циклу роботи установки). В установках за Фіг.3, 4 м'язга, що бродить, витісняється з камери 1 у камеру 2. Після витиснення визначеної порції продукту з кожної непарної бродильної камери в наступну парну (величина порції задається положенням противаги 29 на важелі 27 за нанесеними на ньому поділками 28) у непарних камерах установлюється такий тиск, при якому сила його впливу на орган запирання 26 клапана перевищує суму сил ваги важеля 27, органа запирання 26 противаги 29, у результаті чого орган запирання 26, повертаючись разом із віссю 25, важелем 27 і противагою 29, піднімається над сідлом 23, відкриваючи вихід газам бродіння з непарних бродильних камер. Швидкісний напір газового струменя, взаємодіючи з усією поверхнею диска 26, що має більшу площу, ніж її частина, що сприймала тиск газів у закритому положенні сідла (тобто площу, обмежену внутрішньою окружністю сідла 23), відразу ж повністю відкриває сідло. Цьому сприяє також безупинно зменшувана при повороті важеля 27 до вертикального положення довжина плеча прикладання маси противаги 29 до осі 25. В установці за Фіг.1 після проходження вертикального положення диск 26 під дією власної ваги й ваги важеля 27 і противаги 29 відразу ж опускається на сідло 24, герметизуючи парні бродильні камери. Одночасно в цій установці магніт 31 замикає геркон 32. Починається другий період циклу роботи установки, що ілюструється на Фіг.2. Гази бродіння з непарних бродильних камер 1, 3 через колектор 13 і патрубок 21 спрямовуються до патрубка 20 і видаляються в атмосферу або в спиртовловлювач. Одночасно через замкнуті геркон 32 і вихідний контакт сигналізатора рівня, датчик 36 якого встановлено у камері 1, включається привід насоса 11, який починає накачувати в цю камеру порцію свіжого сусла. У цей же час під дією тиску газів бродіння сусло, що бродить, із камери 2 витісняється через відповідний кран 15 і трубу перетікання 6 у камеру 3, а з камери 4 порція виноматеріалу через трубу 10 надходить у виносхови ще для доброджування. Після підйому рівня сусла в камері 1 до датчика 36 насос 11 відключається. В установках за Фіг.3, 4 процес відкривання сідла 23 відбувається практично так само швидко, як і в установці за Фіг.1, оскільки повітря, що нагнітається поршнем 34 (Фіг.8) у пневмоциліндрі 33, вільно виходить через отвір 35, який має досить великий діаметр. При переміщенні поршня 34 усередину другої половини циліндра 33 (за отвором 35) вихід повітря, що стискається обмежений лімітованим зазором між поверхнями циліндра й поршня, в результаті чого рух поршня, а разом із ним й запірного диска 26, важеля 27 і противаги 29 сповільнюється, що забезпечує затримку часу між моментами відкривання сідла 23 і закривання сідла 24. Ця затримка тривалістю в декілька секунд необхідна для того, щоб рівні м'язги в камерах 1 і 2 устигли зрівнятися за рахунок перетікання м'язги через трубу 6 (Фіг.3) або нижню кромку перегородки 5 (Фіг.4) і перетікання газів із камери 1 у камеру 2 через відкриті сідла клапана. Перепад рівнів м'язги в камерах складає 1,5-3 метри, тому при досить великому прохідному перерізі сідел клапана процес вирівнювання рівнів м'язги в камерах протікає досить бурхливо, що супроводжується зануренням твердої частини м'язги в рідку, розламуванням твердої частини на дрібні грудки й витисненням із неї бульбашок газу. У результаті тверда фаза м'язги частково втрачає плавучість і під дією сил інерції опускається в середні та нижні шари сусла, збагачуючи їх екстрактивними речовинами. Використання пластин 37 дозволяє інтенсифікувати перемішування м'язги. Після закривання сідла 24 рівень м'язги в камері 1 починає повільно підвищуватися, а в камері 2 - знижуватися до моменту чергової комутації клапана, після чого процес повторюється за описаною схемою. Цикли перемішування м'язги відбуваються досить часто (під час бур хливого бродіння - до двох-чотирьох разів протягом години), тому щільна шапка м'язги на поверхні сусла не утворюється. До кінця бродіння м'язга настільки гомогенізується, що за реологічними властивостями наближається до властивостей свіжої м'язги й може відкачуватись насосом для м'язги через розвантажувальний патрубок 17 у стікач. Для інтенсифікації процесу перемішування м'язги перепад її рівнів у бродильних камерах підтримують по можливості максимальним. Однак якщо в клапан починає надходити піна, висоту підйому м'язги зменшують шля хом переміщення вбік осі 25 і фіксації противаги 29 на важелі 27. Щоб уникнути надмірного збагачення сусла суспензіями з твердої фракції м'язги перед кінцем бродіння, коли процес екстракції фактично завершено, зменшують частоту проходження циклів перемішування шляхом відкривання вентиля 39 на байпасі 38 і випускання частину газів бродіння з бродильних камер. В установці за Фіг.1 після автоматичного відключення насоса 11 продовжується перетікання сусла з другої камери в третю, та виноматеріалу - з четвертої камери у виносховище до моменту відкривання сідла 24 клапана, після чого починається перетікання сусла з непарних камер у парні. Це призводить до спрацьовування сигналізатора рівня й замикання його вихідного контакту, що підготовляє ланцюг для включення насоса 11 після наступної комутації клапана та замикання геркона 32. У цій установці перепад рівнів визначає об'єм порцій сусла під час бродіння, що витікає, та порцій свіжого сусла під час бродіння, що вводяться. Він необхідний також для створення перепаду тисків у бродильних камерах, який керує роботою клапана. Регулювання продуктивності установки здійснюють шляхом випускання частини газів через байпаси 38 і(або) переміщення ваги 29 уздовж важеля 27. При цьому змінюються відповідно частота подачі порцій свіжого сусла та їхній об'єм, що є перевагою цієї установки перед відомими установками аналогічного призначення, оскільки при цьому можна досягти збереження заданої продуктивності при несприятливих погодних умовах. Наприклад, при холодній погоді, коли процес бродіння протікає мляво, є можливість подавати свіже холодне сусло часто, але невеликими порціями, не ризикуючи зовсім перервати бродіння, та навпаки - при жаркій погоді частково збивати температуру бродіння шляхом подачі великих порцій свіжого сусла, отриманого з винограду, котрий зібрано в ранкові години, й тому має відносно низьку температуру.