Механизмы фильтрации.
При лабораторном исследовании фильтрующих слоев выявилась необходимость классифицировать их на два типа: абсорбирующие и процеживающие. Кроме того, известны промежуточные звенья между этими двумя типами; никакой слой не работает только по принципу процеживания. Тонкие мембраны представляют особый случай, который описывается ниже. В качестве примера рассмотрим простой случай, а именно фильтрацию на различных типах фильтрующих слоев суспензий дрожжей в вине.
В результате анализа одного из перлитов получены следующие физико-химические показатели их (в сухом продукте):
Разбавляли 6 г свежих дрожжей, вводили в 1 л белого сульфитированного вина. Затем вино процеживали на очень рыхлой фильтровальной бумаге. Эксперимент проводили с очень мутной суспензией, в которой находились только дрожжевые клетки. Поверх воронки Бюхнера с внутренним диаметром 9 см, т. е. с площадью сечения 63 см2, помещали шелковое сито, имеющее 9 ячеек на 1 мм2. Затем вливали пасту, составленную из энергично перемешиваемых 250 см3 воды, 2 г целлюлозы или 2 г асбеста. Проводили сливание, обеспечивая при этом внизу, в колбе под вакуумом, которая поддерживает воронку, давление, пониженное на несколько сантиметров ртутного столба и полученное с помощью водоструйного насоса. Как только всплывшая вода исчезла, давление снижали, чтобы избежать уплотнения, которое уменьшило бы размеры каналов. Затем накладывали новый слой защитного шелкового покрытия. Давление фильтрования регулировали, создавая разрежение около 5 см рт. ст., соответствующее давлению около 70 г/см2, сравнимому с давлением, обычно используемым в этом виде фильтрования. Мутное вино выливали на фильтр, фильтровали и собирали последовательными фракциями по 100 см3 10—20 раз подряд. Сравнивали прозрачность этих фракций.
Абсорбция с использованием целлюлозы.
Слой из волокон целлюлозы приготовляют путем измельчения в ступке с водой на мелкие кусочки 2 г фильтровальной бумаги. Из полученной массы готовят гомогенную суспензию, которую вливают в воронку Бюхнера, как было указано выше. Можно также использовать губчатую целлюлозу. Первая фракция 100 см3 суспензии дрожжей, которая проходит через целлюлозный фильтр, прозрачна. Эта прозрачность сохраняется в первых фракциях, затем наблюдают, что последующие фракции постепенно утрачивают свою прозрачность вплоть до того момента, когда вине начинает выходить из фильтра практически таким же мутным, каким оно в него поступало.
Налицо наглядный пример абсорбции. Поры целлюлозного фильтра больше пор дрожжевых клеток, поэтому дрожжи легко проходят через фильтр. Но вначале волокна целлюлозы останавливают клетки притяжением, абсорбцией, и это происходит до определенного момента (который, впрочем, трудно установить), когда способность к абсорбции, так сказать, «насыщается». Все происходит так, как если бы целлюлоза обладала положительным электростатическим зарядом. Она удерживает дрожжи, заряженные отрицательно, в вине. Эффект абсорбции тем более значителен, чем больше поверхность абсорбирующих волокон, т. е. чем толще фильтрующий слой. Поверхность волокон, с которой вино вступает в контакт, весьма значительна. Вычисления показывают, что она достигает нескольких квадратных дециметров на 1 см2 фильтрующей поверхности. Дрожжи фиксируются на бумажной массе сравнительно непрочно. При наблюдении в микроскоп хорошо видно, что они легко отделяются от волокон целлюлозы. Фиксация дрожжей осуществляется тем легче, чем меньше скорость прохождения вина сквозь фильтр.
Фильтр такого типа, в котором жидкость пропускают под слабым давлением через толстый слой целлюлозы, относится к фильтрам, работающим только на принципе абсорбции, или масс-фильтрам; обычно они не применяются в виноделии. Но эти фильтры используют, например, для фильтрования водок, которые пропускают через слой снизу вверх, чтобы избежать закупорки. Абсорбирующие свойства целлюлозы обеспечивают хорошую прозрачность и позволяют удалять из молодых водок коллоидные частицы, ответственные за помутнения при низкой температуре.
Если фильтровать одну и ту же суспензию под более высоким давлением, например 280 г/см2 вместо 70 г/см2, то при прочих равных условиях наряду с уплотнением целлюлозы получают значительно менее мутные фракции. Здесь происходит задержание дрожжей при «процеживании».
В общем, целлюлоза может задерживать дрожжи в результате абсорбции, происходящей лишь в течение некоторого времени (абсорбция прямо пропорциональна массе целлюлозы и обратно пропорциональна массе взвешенных частиц), и «процеживания», эффективность которого зависит от размеров каналов и, следовательно, от уплотнения (закупоривания) фильтра.
Фильтрация с применением асбеста.
Когда эксперимент проводят с 2 г чистого асбеста, последовательно получаемые фракции по 100 см3 оказываются совершенно прозрачными. В то же время производительность бывает намного меньше: для фильтрования каждой фракции по 100 см3 требуется от 3 до 4 мин вместо 10—15 с.
В этом случае дрожжи задерживаются постоянно, очевидно, потому, что поры фильтрующего слоя достаточно малы (меньше размеров клеток), или, во всяком случае, потому, что происходит как бы заклинивание дрожжевых клеток в порах (закупорка каналов). Дрожжи особенно задерживаются на асбесте при «процеживании».
Рис. 6.10. Внутреннее строение фильтрующего слоя из чистого асбеста на расстоянии нескольких долей миллиметра под поверхностью. Частицы размерами от 5 до 10 мк задержаны сеткой из волокон асбеста (увеличено в 1180 раз) (Зейц-Верке).
Разница между асбестом и целлюлозой с точки зрения фильтрующих свойств заключается в том, что волокна асбеста намного тоньше волокон целлюлозы. Несомненно, что в асбесте намного больше каналов, но так как производительность прямо пропорциональна их диаметру в четвертой степени, то уменьшением диаметра она снижается очень быстро. Если волокна образуют нечто вроде сетки, в которой задерживаются частицы (рис. 6.10), они не лишены абсорбирующих свойств, как это показано на рис. 6.11, где видны частицы, удерживаемые абсорбцией на поверхности волокон.
Применение смеси целлюлозы и асбеста.
При внесении небольшого количества асбеста в целлюлозу, например от 12 до 25% от общей массы, наблюдается промежуточный случай, когда при фильтрации усиливается абсорбция при промежуточной пропускной способности, что подтверждается экспериментальной проверкой. На рис. 6.12 дано микроскопическое изображение смеси волокон целлюлозы и асбеста. На рис. 6.13, в представлена схема такого фильтра. Понятно, что даже при очень малых количествах асбеста размеры пор сильно уменьшаются. Асбестом часто называют порошок или фильтровальные пластины промышленного производства, которые содержат целлюлозу. Чтобы приближенно определить количество асбеста в фильтровальном порошке, его кальцинируют (прокаливают) и полученный остаток взвешивают (асбест является минеральным веществом, целлюлоза же органическим).
Рис. 6.11. Внутреннее строение фильтрующего слоя из чистого асбеста. Наблюдаются частицы, задержанные в результате адсорбции (увеличено в 6300 раз) (Зейц-Верке).
Рис. 6.12. Смесь волокон асбеста и целлюлозы (увеличено в 570 раз) (Зейц-Верке).
Рис. 6.13. Схема фильтрующих слоев из волокон: а — целлюлозы; б — асбеста; в — их смеси.
Количество золы, оставляемой целлюлозой, незначительно, но следует учитывать потерю в массе асбеста (доведенного до красного свечения), которая может достигать 10%.
При этом типе фильтрации в каждой последующей фракции отмечают менее быстрое увеличение мути, чем при фильтровании сквозь чистую целлюлозу. Оно происходит тем медленнее, чем больше количество асбеста.
В целом одновременное действие смеси целлюлоза — асбест при абсорбции и процеживании является характерной особенностью этой смеси, поскольку таким путем получают более хорошую прозрачность вин по сравнению с прозрачностью их при использовании только целлюлозы.
В действительности, механизмы удержания частиц в фильтрующих пластинах более сложны, поэтому при абсорбции следует добавить еще некоторые: непосредственный перехват мелких частиц волокнами, находящимися на их пути; осаждение достаточно тяжелых частиц на горизонтальных частях фильтра; механическое сцепление частиц, которые в извилистых потоках вина в каналах фильтра оседают на переборках или в углублениях; образование мостиков при одновременном «заклинивании» многих частиц в одном канале; турбулентность микрочастиц, подверженных броуновскому движению, которые наталкиваются на волокна и пристают к ним. Эти механизмы подчинены очень медленной циркуляции вина.
При резком увеличении давления и пропускной способности могут исчезнуть явления задержания частиц и, таким образом, существенно снизится эффективность фильтрования.
Использование диатомита.
На фильтровальное полотно намывают инфузорную землю, т. е., пропуская через эту ткань суспензию диатомита, создают фильтрующий слой. Для этого фильтр наполняют жидкостью. Затем суспензию намывающего вещества заставляют циркулировать. Когда слой будет образован, через него пропускают мутное вино. После фильтрования вино собирают, как и в предыдущем случае, последовательными фракциями по 100 см3. Масса используемого диатомита составляет от 0,5 до 1 г на поверхность, равную 63 см2, что соответствует дозе от 80 до 160 г/см2.
При исследовании дрожжей, как и других помутнений, было установлено, что помимо первой фракции (100 см3), которая имела легкое помутнение, все другие в продолжение всего опыта были совершенно прозрачными. Казалось, что в данном случае фильтрация происходит так же, как и с чистым асбестом, т. е. как простая фильтрация.
При использовании диатомита также наблюдаются явления абсорбции.
Разработано много схем фильтрации в зависимости от природы фильтрующего слоя, а также от величины и природы задерживаемых частиц. На рис. 6.14 изображена схема фильтрации с более или менее быстрым забиванием поверхности, на рис. 6.15—схема фильтрации (два случая задержания частиц в глубине), когда основную роль играет абсорбция.
Влияние вида помутнений. Вина, содержащие дрожжи, после повторного брожения ведут себя при фильтрации по-разному, т. е. так, как суспензии дрожжей в предыдущих опытах.
Рис. 6.14. Схема фильтрования по Зейц-Верке: а — механическое задержание частиц мути, имеющих диаметр больше, чем диаметр каналов, и накапливание их на поверхности фильтра. Если текстура частиц обладает достаточной жесткостью (гранулированные частицы, фильтрующие добавки, кристаллические осадки, дрожжи), возникает пористая лепешка на поверхности фильтра. Пропускная способность фильтра уменьшается пропорционально толщине лепешки; б — механическое разделение на поверхности фильтра сжимаемых и деформируемых частиц, имеющих диаметр больше, чем диаметр каналов. Эти частицы образуют на поверхности фильтра непроницаемую пленку, которая вызывает забивание поверхности слоя и быстрое уменьшение пропускной способности фильтра. Это относится к жидкостям, содержащим грубые коллоиды: полисахариды, пектины, слизи, флокулируемые белки и т. п.
Рис. 6.15. Схема фильтрования по Зейц-Верке: а — частицы, имеющие диаметр меньше, чем диаметр каналов, частично улавливаются механически в лабиринте проходов в глубине или абсорбируются внутренней поверхностью. Свободный объем медленно заполняется, пока не наступит забивание фильтра. Глубина проникновения и скорость забивания зависят от величины частиц. Продолжительность действия фильтра относительно большая. Этот способ применяют для удаления бактерий и тонко диспергированных аморфных веществ; б — частицы, имеющие диаметр меньше, чем диаметр пор, задерживаются в результате абсорбции на большой внутренней поверхности волокон целлюлозы и асбеста. На проницаемости пластины это отражается мало: фильтрацию продолжают до исчерпания всех возможностей абсорбции.
Если брожение не остановлено внесением сернистого ангидрида, при фильтрации на асбесте увеличивается степень помутнения. Это происходит в результате выделения вокруг иммобилизованных дрожжей в глубине асбестового фильтра углекислого газа, который нарушает фильтрующий слой. Таким образом, оправдывается обычная рекомендация производить сульфитирование бродящих вин до фильтрации. При значительном количестве углекислого газа требуется проведение фильтрации под противодавлением.
Белки могут находиться в винах в различных состояниях. Те белки, которые существуют от природы в простом растворе, абсорбируются асбестом или диатомитом, но не целлюлозой. Белки же, имеющие склонность к флокуляции после нагревания, в противоположность этому абсорбируются целлюлозой.
При интенсивных помутнениях вина, вызываемых железным кассой, можно констатировать такой же процесс, как и при белковых помутнениях. Одновременное осуществление на чистой целлюлозе абсорбции и процеживания было подтверждено тем фактом, что в этих опытах мутность достигала максимума на четвертой фракции и затем уменьшалась, совершенно исчезая к двенадцатой фракции. У вин, больных медным кассом, развитие помутнения обычно полностью прекращается.
Как правило, для молодых вин, которые больше, чем другие, содержат дрожжей или флокулирующих белков и представляют собой благоприятную среду для развития железного касса, при фильтрации через целлюлозу наблюдают все возрастающее, иногда, постоянное по интенсивности помутнение. Если хотят получить эти вина прозрачными путем фильтрации на целлюлозе, то необходимо использовать ее в больших объемах или же проводить фильтрование несколько раз и каждый раз на новом слое. Применяя очищенный асбест или диатомит, можно всегда получать фильтрат высокой прозрачности.
Целлюлоза абсорбирует также осадки железистосинеродистого железа (III). После обработки желтой кровяной солью и фильтрования вино приобретает голубой оттенок. Такая абсорбция очень хорошо наблюдается в экспериментах с прохождением последовательных фракций. В двух первых фракциях вино выходит из фильтра прозрачным и без окраски, начиная с третьей оно становится все более и более голубым.
Защитные коллоиды в вине способны видоизменить осветление и пропускную способность. Когда помутнение приостанавливается в результате абсорбции, характеризующейся резким возрастанием помутнения в последующих фракциях, добавленный гуммиарабик не меняет ход этого усиления мутности. С другой стороны, когда частицы задерживаются путем процеживания, добавленный гуммиарабик мешает получению такой же хорошей прозрачности. Защитные коллоиды, когда они вступают в контакт с фильтрующей перегородкой, действовали бы так, как если бы они препятствовали агглютинации частиц. В нормальных случаях получение прозрачности могло бы быть облегчено флокуляцией частиц примесей на поверхность фильтра и эту флокуляцию могли бы затормозить камеди и слизи. Эти вещества могли бы также исключить взаимные помехи частиц и облегчить их естественное прохождение сквозь поры. Обычно вина, богатые защитными коллоидами, трудно сделать прозрачными путем фильтрации, по крайней мере, одной фильтрацией.
Рис. 6.16. Вертикальные диски из нержавеющей сетки в фильтрах, работающих по способу намывания диатомита.
Подложки для фильтрующих добавок.
Фильтрующие слои создают на ситах с помощью подложек. В зависимости от конструкции сита слои могут находиться в горизонтальном или вертикальном положении. В последнем случае значительно труднее обеспечить плотное прилегание слоя к своей основе. Эти подложки могут быть различных типов: опорные сетки из тонкой проволоки нержавеющей стали (рис. 6.16), из хлопчатобумажной или синтетической ткани, нейлона, тергаля и т. п., опорные пластины из металла с защитным покрытием, из пластмасс, подложки из пористого картона. Эти тонкие ткани или пластины, достаточно прочные, чтобы удерживать на своей поверхности фильтрующие добавки, часто имеют в свою очередь жесткие опоры в виде рам из профилированного металла или сит с крупными ячейками, которые служат также для дренажа профильтрованной жидкости. Для металлических сит такие опоры обычно состоят из металлических решеток. Для картонных фильтров подложки могут быть выполнены из перфорированных листов из нержавеющей стали, из легких сплавов, покрытых эмалью, или из жестких пластмасс.
