Filtrarea in industria alimentara

1.1. Generalitati

Filtrarea este operatia de separare a amestecurilor solid-fluid; fiind un proces hidrodinamic se obtine retinerea particulelor solide pe un mediu poros prin care trece numai faza fluida. Forta motrice o constituie diferenta de presiune care apare pe cele doua fete ale filtrului.

Scopul filtrarii este retinerea particulelor solide si indepartarea fazei fluide sau indepartarea fazei solide si retinerea fazei fluide sau retinerea ambelor faze. Alt scop este acela de separare a componentelor pentru evitarea poluarii mediului inconjurator.

Conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca filtrarea sunt:

puritate cat mai mare a filtratului;

umiditatea precipitatului sa fie scazuta;

productivitatea c't mai mare a filtrului;

regenerarea cat mai usoara si rapida a materialului filtrant.

Din punct de vedere al mecanismului de retinere a particulelor solide, filtrarea poate fi:

a)     superficiala (la suprafata filtrului) ex: filtrarea apei prin pietris

b)     de profunzime (de adancime) in cazul adsorbtiei.

Fazele operatiei de filtrare sunt:

1.      Initierea filtrarii in care materialul filtrant retine particulele solide iar filtratul fluid se supune unei noi filtrari.

2.      Filtrarea propriu zisa prin care se retin toate particulele solide, chiar si cele mici.

3.      Spalarea precipitatului.

4.      Zvǎntarea (uscarea) precipitatului.

5.      regenerarea suprafetei filtrante.

1.2. Factorii care influenteaza operatia de filtrare

A. Factori referitori la amestecul eterogen:

1.     Natura amestecului eterogen . De regula particulele din amestec pot avea stare amorfa sau cristalina. Particulele amorfe dau straturi de precipitat care taseaza usor, conducand la pierderi de presiune in strat. Particulele cristaline dau straturi de precipitat necompresibile, cu permeabilitate mare si asigura astfel un debit mai bun al filtratului.

2.     Granulometria particulelor. Marimea particulelor in stratul permeabil este cuprinsa intre 1mm si 1μ. Particulele mari dau precipitate permeabile, spre deosebire de particulele cu dimensiuni mici care dau precipitate cu permeabilitate scazuta.

Conditiile de formare a amestecului eterogen, tratarea prealabila a acestuia respectiv substantele auxiliare pot modifica mult structura si rezistenta precipitatului, respectiv viteza de filtrare.

Substantele auxiliare adaugate pot avea diverse roluri:preformarea stratului de precipitat (prin adaos de 0,1% substanta sistemul devine produciv). Adaosurile pot fi folosite si la decolorarea precipitatului.

3.    Continutul procentual de particule solide raportat la filtrat. Acesta esteb important prin aceea ca daca este prea ridicat stratul de precipitat se formeaza prea repede, iar daca este prea scazut poate duce la formarea greoaie a stratului de precipitat. Uneori precipitatul trebuie format cat mai repede pentru a asigura filtrarea sterilizanta.

4.     Vascozitatea fluidului influenteaza direct rezistenta hidraulica la curgerea filtratului prin strat.

Factori referitori la materialul filtrant. Pentru o filtrare optima materialul filtrant trebuie sa aiba anumite proprietati:

sa retina particulele solide din amestec;

sa prezinte rezistenta hidraulica cat mai mica;

sa nu se umfle in contact cu apa sau cu fluidul;

sa fie usor de procurat si ieftin.

B. Factori referitori la precipitat:

1.     sa aiba rezistenta hidraulica minima;

2.     sa aiba grosime optima. Stabilirea grosimii optime se face experimental.

C. Factori referitori la conditiile de realizare a filtrarii:

1.     Diferenta de presiune realizata intre cele doua fete ale stratului poros sa fie cat mai uniforma. La inceputul filtrarii sa fie mica si sa creasca odata cu inaintarea filtrarii. Este necesara si o repartizare uniforma a presiunii pe intreaga suprafata a filtrului.

2.     Viteza de filtrare. Aceasta este exprimata prin raportul dintre volumul de filtrat, aria de filtrare si durata operatiei: . Viteza de filtrare este influentata si de vascozitate.

3.     Temperatura amestecului. Aceasta poate avea influente favorabile atunci cand produce coagularea unor substante care ar ingreuna filtrarea, sau influente nefavorabile cand duce la umflarea materialului filtrant sau la solubilizarea unor particule solide din amestec pe care vrem sa le eliminam.

D. Materialele filtrante:

1.     table perforate cu Φ=1,5-3mm. De regula acestea sunt destinate ca suport de rezistenta pentru precipitat, acesta fiind lipsit de rezistenta mecanica.

2.     impletituri metalice

3.     tesaturi textile

4.     hartia de filtru

5.     straturi granulare (nisip)

6.     carbune activ

7.     gel de silice

8.     materiale fibroase: celuloza, azbest

1.3. Teoria filtrarii

Filtrarea prin stratul de precipitat

Filtrarea este o curgere de lichid printr-un strat granular. Se constata in timp o crestere a grosimii stratului si a rezistentei hidraulice .

Ecuatia generala a filtrarii prin stratul de precipitat este:

  

R - este rezistenta hidraulica a stratului de precipitat la momentul τ. Ea se exprima in kg/m⁴s.

Δp -  reprezinta pierderea de presiune in stratul de precipitat

ε -  reprezinta porozitatea precipitatului

σ - suprafata specifica a granulelor

η - vascozitatea dinamica [Pa/s]

l - grosimea stratului de precipitat [m]

A - aria filtrului [m²]

r - rezistenta hidraulica specifica a stratului [m]  unde V este volumul, x este fractia volumica de faza solida in suspensie, iar A este aria.

Ecuatia diferentiala a filtrarii prin stratul de precipitat

pentru Δp=constant:

Prin integrarea relatiei de mai sus obtinem:

pentru =constant:   si

Filtrarea prin strat de precipitat si prin filtru:

Δp' - diferenta de presiune necesara pentru trecerea filtratului prin stratul suport

Δp -  diferenta de presiune necesara pentru trecerea filtratului prin stratul de precipitat.

pentru Δp_t=constant avem ecuatia lui Ruth:

in relatia de mai sus:

Ecuatia reprezinta ecuatia unei drepte cu coeficientii unghiulari 2a si b.

pentru =constant avem:

Spalarea precipitatului

Precipitatul se face cu apa al carei debit este:

1.4. Utilaje pentru filtrare

Clasificare:

Dupa modul in care se realizeaza diferenta de presiune la efectuarea filtrarii filtrele se grupeaza in:

1.     filtre care functioneaza la presiune hidrostatica - curgerea are loc sub influenta presiunii coloanei de lichid;

2.     filtre care functioneaza sub presiune

3.     filtre care functioneaza sub depresiune

Dupa modul de realizare al filtrarii intalnim filtr cu functionare continua si filtre cu functionare discontinua sau periodica.

1.4.1.Filtre cu functionare la presiune hidrostatica

a)Filtrul pentru filtrarea laptelui         b) Cazanul de filtrare din industria berii

c) Filtrul cu nisip pentru apa

a)

1- intrare lapte; 2- capacul filtrului

3- corpul filtrului; 4- sitǎ din nylon;

5- conductǎ de lapte filtrat;

b)

1- cazan de filtrare;     2- sitǎ;

3- conductǎ de iesire a filtratului;

4- amestecǎtor cu cutite; 5- angrenaj

melc-roatǎ melcatǎ; 6- conductǎ de

alimentare cu plǎmadǎ; 7-conductǎ de

iesire a filtratului; 8- conductǎ           

apǎ spǎlare;9- vas golire;                      4.1. Filtre cu functionare la presiune hidrostatica

c)1- corp filtru; 2-pǎlnie pentru apa de spǎlare; 3- suport perforat; 4- strat granular (nisip); 5- pǎlnie tronconicǎ pentru relaizarea presiunii cu aer comprimat; 6- apǎ de spǎlare; 7- evacuare apǎ filtratǎ;8- conductǎ de aerisire;

1.4.2. Filtre care functioneaza sub presiune

A.Filtre cu functionare discontinua:

a)     filtre presa - cu placi

- cu placi si rame

b)     filtre presa sterilizante

c)     filtre cu saci

d)     filtre presa cu elemente filtrante orizontale

a) Filtrele presa

Caracteristica principala a acestor filtreeste concentrarea unei suprafete de filtrare mari intr-un spatiu cu dimensiuni relativ reduse. Desi este unul din cele mai vechi, este cel mai raspandit si in prezent datorita avantajelor pe care le prezinta:

precipitatul se obtine sub forma de tarte care pot fi trimise direct la uscare;

se adapteaza usor la conditii variabile de lucru;

poate fi construit din materiale rezistente la coroziunea anumitor agenti;

Functionarea intermitenta, efortul cerut pentru manevrarea elementelor, spalarea defectuoasa a precipitatelor si uzura relativ rapida a panzelor sunt principalele dezavantaje ale acestora.

In filtrele presa, diferenta de presiune se creeaza prin pomparea amestecului de filtrat cu ajutorul unei pompe, putandu-se realiza presiuni de pana la 10⁶ Pa.

Elementele componente ale unui filtru presa sunt:

postamentul prevazut cu doua bare orizontale pentru sustinerea elementelor filtrante;

elementele filtrante sustinute prin umerii lor pe barele postamentului (60-70 elemente filtrante);

dispozitivul de strangere a elementelor filtrante intr-un bloc etans. Etansarea se realizeaza prin intermediul panzelor filtrante asezate intre elementele filtrante.

In afara de filtrul propriu zis mai sunt ca anexe: rezervorul de alimentare, pompa, sistemul de colectare al filtratului  si sistemul de evacuare al precipitatului.

Dupa tipul constructiv al elementelor filtrante se deosebesc doua tipuri de filtre presa: filtre presa cu placi si filtre presa cu placi si rame.

Filtrul presa cu placi. Acesta are ca elemente filtrante o serie de placi asezate una langa alta.

a) b)

4.2. Filtre presǎ cu plǎci si rame cu plǎci

a)     1- cadru metalic, 2- grinzi, 3 - umeri de sprijin rame, 4 - intrarea zemii filtratǎ, 5 - intrare apǎ spǎlare, 6- surub strangere, 7- jgheab colector zeamǎ filtratǎ si apǎ de spǎlare 8,9- vane pentru trecerea zemii respectiv a apei de spǎlare.

b)     1- brate de sprijin, 2-grinzi cadru metalic, 3- intrare zeamǎ tulbure, 4- iesire filtrat

Placa are un orificiu central de alimentare, o margine cadru cu suprafata neteda pentru a se asigura strangerea etansa, o suprafata in interiorul cadrulri neted, prevazuta cu striuri care usureaza scurgerea filtratului, iar la partea inferioara unul sau doua canale de colectarea a filtratului. La extremitati se gasesc placi de capat si un dispozitiv de strangere si etansare.

Dupa pozitia si forma canalului de evacuare a filtrului se deosebesc doua tipuri de filtre-presa cu placi:

cu evacuarea printr-un racord cu robinet care se poate inchide sau deschide si filtratul curge intr-un canal deschis (filtrul deschis);

cu canal interior de evacuare, etans, comun pentru toate placile (filtrul cu evacuare inchisa).

Primul tip este frecvent folosit in industria alimentara, desi evacuarea deschisa se considera dezavantajoasa pentru filtrarea lichidelor calde, putand degaja vapori si miros. El prezinta avantajul controlului filtrarii la fiecare placa si chiar al separarii unei placi daca se observa caa la ea apare lichidul tulbure.

Suspensia supusa filtrarii este pompata in camerele filtreului presa intre panzele filtrante. Precipitatul ramane intre panze, lichidul trece prin porii panzei intre panza si placa, este colectat la partea inferioara si printr-un racord iese de la fiecare placa in canalul colector. Operatia de filtrare se continua pana cand viteza de filtrare devine neeconomica sau pana la umplerea camerelor cu precipitat. Dupa filtrare se realizeaza in unele cazuri spalarea precipitatului cu apa care circula in acelasi sens cu filtratul.

Evacuarea precipitatului se realizeaza prin departarea placilor si desprinderea manuala a precipitatului de pe panze. Panzele se curata, se spala, sunt uscate si refolosite.

Filtrul presa cu placi se foloseste pentru filtrarea suspensiilor cu un continut mic de substante solide, deoarece spatiul destinat pentru precipitate este mic. Grosimea maxima a unei turte nu depaseste 25-30 mm.

Tiltrul presa cu placi si rame (fig4.2) are doua tipuri de de elemente filtrante: unul sub forma de placa cu orificiul prevazut pentru alimentare practicat intr-unul din colturile superioare, iar altele sub forma de rama. Acesta poate functiona in sistem deschis sau inchis.

Rama este un cadru gol care prezinta un orificiu pentru alimentare iar cand este cazul (evacuare in sistem inchis) si orificiu pentru evacuare. Montarea filtrului se realizeaza prin introducerea a cate unei rame intre doua placi, inclusiv intre p[laca de capat si placa curenta. Panza filtranta in mod normal inconjoara placa si trebuie sa aiba un orificiu in dreptul canalului de alimentare si de evacuare. Rolul ramei este sa mareasca camera care se formeaza intre doua placi, camera destinata precipitatului.

Filtrele presa cu placi si rame sunt intrebuintate in special pentru filtrari in care suspensia initiala are un continut mare de sediment sau pentru precipitatele poroase cu rezistenta mica la filtrare. Dimensiunile uzuale standard sunt 800x800 si 1000x1000 mm. Materialele constructive ale filtrelor presa sunt: fonta, otelul, aluminiul, masele plastice turnate etc.

b) Filtrele presa sterilizante

In industria alimentara filtrele presa sterilizante sunt extrem de raspandite datorita constructiei adaptate  la operatia de retinere a microorganismelor din suspensiile de filtrat si sunt utilizate in industria berii, vinului, bauturilor si sucurilor de fructe.

Filtrele de presa sterilizante se deosebesc de filtrele de presa uzuale prin aceea ca panza filtranta este inlocuita cu o placa din material filtrant special, depus pe un suport. Materialul special poate fi: fibre de azbest, fibre din celuloza sau uzual din diatonita, care se depun pe un suport metalic, formand o placa filtranta. Conditia principala pentru material este sa aiba proprietati absorbante.

Si in acest caz se intalnesc doua tipuri constructive: filtre cu placi si filtre cu placi si rame.

Filtrul sterilizant cu placi are un singur tip de placi curente 1 care nu sunt simetrice astfel ca se asaza alternant, una rasturnata fata de cealalta. Placa, desi sub aspect de suprafata filtranta este in mod normal patrata, are o forma speciala, adica prezinta o parte ingrosata construita special ca sa se poata imbina alternant in care este prevazut un orificiu care poate constitui un canal de alimentare sau de evacuare. Pe fata placii sunt prevazute orificii 3 care comunica cu canalul colector. Pentru etansare se introduc garnituri de etansare 4 in portiunea canalului.

	Filtrarea se realizeaza prin membrane filtrante 2, obtinute prin presarea materialului fibros, care sunt fixate in spatiul liber dintre placi, etansandu-l pe contur prin strangerea placilor. Lichidul din canalul de alimentare patrunde in spatiul dintre placi prin orificiile 3, traverseaza porii membranelor si trece la evacuare. Filtrarea se face fara spalarea precipitatului. La terminarea operatiei, placile se curata, membranele se spala si se fierb pentru sterilizare, dupa care se refolosesc. Prin astfel de filtre se pot retine particule cu dimensiuni de ordinul a 1-2μm. Filtrarea se realizeaza curent la presiuni de (15-30)104 Pa, productivitatea fiind de 600-2000 l/m2h.

Fig.4.3 Filtru sterilizant cu plǎci

Filtrarea se realizeaza prin membrane filtrante 2, obtinute prin presarea materialului fibros, care sunt fixate in spatiul liber dintre placi, etansandu-l pe contur prin strangerea placilor.

Lichidul din canalul de alimentare patrunde in spatiul dintre placi prin orificiile 3, traverseaza porii membranelor si trece la evacuare. Filtrarea se face fara spalarea precipitatului. La terminarea operatiei, placile se curata, membranele se spala si se fierb pentru sterilizare, dupa care se refolosesc.

Prin astfel de filtre se pot retine particule cu dimensiuni de ordinul a 1-2μm. Filtrarea se realizeaza curent la presiuni de (15-30)10⁴ Pa, productivitatea fiind de 600-2000 l/m²h.

c) Filtre cu saci

Aparatele din aceasta categorie se pot realiza simplu, avand o cuva filtranta inchisa in care sunt amplasate elemente filtrante de diferite forme, putand funtiona cu sau fara adaos de substante auxiliare.

In aceasta categorie intra:

1. filtrele cu saci Seitz-Komet
2. filtrele cu saci cu elemente semirigide
3. filtrul Sweetland

1.       Filtrul cu saci Seit-Komet (fig 4.4) este un vas cilindric din otel inoxidabil 1 in interiorul caruia se gasesc elementele filtrante sub forma de site tubulare tronconice 2, dispuse pe cercuri concentrice. Elementele filtrante sunt din plasa de alama, fiind liber atarnate de placa de sustinere 3. Alimentarea  se face la partea inferioara a cilindrului, lichidul fiind impins cu presiune prin sacul filtrant si ajunge la partea superioara prin supapele 5. Aceste filtre se utilizeaza la filtrarea vinului in care se adauga 0,1% diatonita din cauza continutului redus in suspensie. Dupa colmatare se procedeaza la spalarea filtrului. La filtrare presiunea se admite de 106 Pa, iar viteza de filtrare este 3m3/m2h.

Fig.4.4 Filtrul cu saci Seit-Komet

2. Filtrele cu saci cu elemente semirigide se utilizeaza cu precadere in industria zaharului fiind denumite impropriu filtre mecanice.

Elementele filtrante sunt formate dintr-un cadru semirigid acoperit cu o punga din tesatura. Cadrul semirigid este construit din teava si are in interior lanturi sau cabluri suspendate de cele doua laturi opuse care au rolul de a mentine distantate cele doua suprafete ale pungii filtrante si de a asigura posibilitatea evacuarii filtratului. Elementele filtrante sunt montate alaturat, intr-o cuva paralelipipedeica etansata. La partea inferioara poate avea un transportor melcat pentru evacuarea sedimentului.

Presiunea de lucru nu depaseste 5x10⁴ Pa, viteza de filtrare nedepasind 0,5-0,6 m³/m²h.

3. Filtrul Sweetland

Fig.4.5 Filtru Sweetland

Elementul filtrant este in forma de disc (4) pe care este intinsa panza filtranta. Discurile filtrante sunt construite din piese circulare din tabla ondulata, marginea discului avand o garnitura inelera cu sectiunea in forma de U care protejeaza panza filtranta. Fiecare element este legat prin ajutajul (5) si conducta transparenta (7) de canalul colector (6) destinat evacuarii filtratului.Elementele filtrante sunt montate unul langa altul in interiorul unei carcase formate din doi semicilindrii (1) si (2). Semicilindrul superior (1) este fixat rigid pe doi suporti, iar cel inferior (2) este rabatabil. Buloanele (3) se strang concomitent prin intermediul unui ax excentric, iar etansarea este asigurata de o garnitura din cauciuc.

Pentru filtrare, solutia este pompata si distribuita uniform la partea inferioara a carcasei pe toata lungimea aparatului prin intermediul unei placi de distributie (9). Din carcasa filtratul trece prin panza, prin ajutajul elementului si se elimina in canalul colector. Spalarea se poate face in acelasi sens cu filtrarea. Precipitatul se indeparteaza prin deschiderea carcasei si insuflarea de aer comprimat sau abur in sens invers filtrarii, sau cu jet de apa.Presiunea de abur maxima este de (3-4)x10⁴ Pa, iar grosimea maxima a precipitatului 50 mm.

d)Filtrul presa cu elemente filtrante orizontale

Aparatul se compune dintr-un set de elemente filtrante sub forma de placi circulare orizontale montate intr-o cuva cilindrica cu fund bombat si capac bombat rabatabil prevazut cu contra greutate. Solutia supusa filtrarii se introduce pe la partea inferioara in exteriorul placilor filtrante. Filtratul patrunde prin suprafata filtranta, ajunge in tubul central si este evacuat tot pe la partea inferioara.

B. Filtre sub presiune cu functionare continua

Aparatele din aceasta categorie functioneaza de obicei ca filtre ingrosatoare.

Filtrul Gaudfrin utilizat in industria zaharului este compus dintr-o cuva cilindrica cu fund bombat, functionand sub presiune de aer comprimat.

In figura 4.6 este prezentat filtrul Gaudfrin. Elementele componente sunt : 1- elemente filtrante (plǎci imbrǎcate cu panzǎ) care pivoteazǎ in coloana filtrantǎ 2. Mobilitatea plǎcilor in raport cu placa colectoare 3 se realizeazǎ printr-un conduct de legatura flexibil 4. Ciclul filtrǎrii este comandat prin capul de distributie fix 5 si corespunde unei rotatii complete in filtru. La partea inferioarǎ racloarele 7 imping nǎmolul spre agitatorul 6 unde este amestecat cu zeamǎ tulbure.  Cu ajutorul camei 8 se realizeazǎ o scuturare a plǎcii care desprinde nǎmolul. Elementele filtrante sunt cadre dreptunghiulare cu latura mare pe verticala, dispuse radial in jurul unui ax central, imbracate in panza filtranta, avand posibilitatea de a se roti in jurul axului central de fixare.

Fig.4.6. Filtru Gaudfrin

Fiecare element este legat la un cap de distributie montat in interiorul filtrului si care asigura trei trepte de diferenta de presiune, crescanda in sensul de rotatie pentru filtru si o treapta de desprindere a precipitatului si de spalare a panzei cu un curent de zeama limpede in sens invers filtrarii. Elementele fac o rotatie completa in decurs de 30 de minute pana la cateva ore.

Interiorul aparatului este compartimentat prin pereti verticali. Pentru a-i depasi, cadrele se deplaseaza pe verticala dupa care revin in pozitia initiala. Diferitele presiuni de filtrare se realizeaza prin presiuni constante in cuva si presiuni diferite la evacuare.

De obicei apare:

un compartiment de preformare a stratului filtrant cu suspensie Kieselgur in apa;

un compartiment de filtrare propriu-zisa;

un compartiment de inlaturare a precipitatului sub actiunea combinata a filtratului, aerului comprimat si trepidatiilor mecanice.

1.4.3.     Filtre cu functionare sub depresiune

Procesul de filtrare sub depresiune se bazeaza pe realizarea diferentei de presiune prin aspiratie. Separarea se realizeaza prin aspirarea fazei lichide. In general aceste filtre functioneaza continuu si sunt rotative cu tambur.

a)     Filtrele celulare rotative (fig.4.7)

	1 - tambur; 2 - cuvǎ cu solutia de filtrat; 3- agitator; 4- celulǎ; 5- ax; 6- duzǎ ; 7 - rǎzuitor; 8 -iesire filtrat respectiv apǎ de spǎlare; 9 - intrare apǎ spǎlare respectiv aer comprimat;

Acestea se caracterizeaza printr-o suprafata filtranta montata pe suprafata laterala a unui tambur cilindric orizontal si lucreaza continuu. In principiu, constructia filtrului celular rotativ realizeaza continuitatea operatiei de filtrare prin divizarea suporafetei filtrante in celule care trec prin diferite faze ale operatiei de filtrare in ansamblu:

filtrarea propriu-zisa prin aspirarea fazei lichide cu evacuarea filtratului limpezit si depunerea precipitatului pe suprafata filtranta;

uscarea partiala a precipitatului datorita aerului aspirat prin stratul retinut;

spalarea precipitatului cu apa prin stropire;

zvantarea precipitatului dupa spalare prin curentul de aer absorbit prin strat;

desprinderea precipitatului de panza datorita curentului de aer sub presiune;

razuirea precipitatului cu racleti;

desfundarea porilor panzei prin suflare cu aer.

Din aceasta categorie fac parte:

Filtrul Oliver

Filtrul Rotobelt

Filtre celulare cu discuri

Filtrul celular Darrco