Исследование применения диатомитового фильтрующего средства в процессе очистки пищевого масла

1. Характеристики диатомитовых фильтрующих добавок и спрос на фильтрацию пищевых масел

Диатомитовые фильтрующие добавки, являясь природным неорганическим фильтрующим материалом, играют незаменимую роль в процессе рафинации пищевых масел. Этот материал получают из древних ископаемых диатомовых водорослей путем дробления, сортировки, прокаливания и других процессов. Он обладает уникальными физико-химическими свойствами: пористой структурой (пористость 80–93%), большой удельной поверхностью (15–40 м²/г), высокой химической инертностью и хорошей термической стабильностью. В масложировой промышленности диатомитовые фильтрующие добавки в основном используются в таких ключевых процессах, как дегуммирование сырого масла, фильтрация после отбеливания и тонкая фильтрация готового масла. Они способны эффективно удалять из масел и жиров такие примеси, как фосфолипиды, соапстоки и глинистые частицы, а также улучшать прозрачность и окислительную стабильность масел и жиров.

По сравнению с традиционными фильтрующими материалами фильтрующие материалы на основе диатомита обладают значительными преимуществами: точность фильтрации достигает 0,1–1 мкм, что позволяет задерживать более 99% взвешенных частиц; образующийся фильтрационный осадок обладает низким сопротивлением, а скорость фильтрации в 3–5 раз выше, чем у обычной фильтровальной ткани; степень адсорбции питательных веществ в масле (таких как витамин Е, фитостеролы и т. д.) составляет менее 2%, что значительно ниже, чем у активированной глины (8–15%). Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) включили фильтрующие материалы на основе диатомита в список безопасных для пищевой промышленности, что обеспечивает нормативную защиту для широкого применения в масложировой промышленности. В реальных условиях производства фильтрующие материалы на основе диатомита обычно используют комбинацию предварительной очистки и фильтрации в основном слое для достижения эффективной очистки масла благодаря тройному механизму: механическому улавливанию, глубокой фильтрации и поверхностной адсорбции.

2. Применение фильтрующих добавок на основе диатомита в процессе обесцвечивания

В процессе обесцвечивания пищевых масел скоординированное использование фильтрующих добавок на основе диатомита и активированной глины стало отраслевым стандартом. Обесцвеченная смесь масла и грязи должна быть разделена высокоэффективной фильтрацией, и фильтрующие добавки на основе диатомита демонстрируют превосходную эффективность в этом процессе. В некоторых случаях на поверхности фильтра (обычно рамного фильтр-пресса или пластинчатого фильтра) сначала формируется предварительный слой диатомита толщиной 5–10 мм, расход которого обычно составляет 0,8–1,5 кг/м² площади фильтрации. Затем в процессе фильтрации непрерывно добавляется фильтрующий добавок на основе диатомита в качестве основного фильтрующего слоя, количество которого регулируется в зависимости от содержания глины, обычно составляя 30–50% от дозировки глины.

Исследования показали, что выбор диатомитового фильтрующего материала с соответствующим распределением размеров частиц (рекомендуемое соотношение грубой, средней и тонкой фракций составляет 2:5:3) позволяет стабилизировать скорость фильтрации обесцвеченного масла на уровне 15–25 л/м²·мин, а содержание загрязнений в масле после фильтрации снижается до менее 50 мг/кг. Особого внимания заслуживает тот факт, что диатомитовый фильтрующий материал, прошедший специальную кальцинацию (температура кальцинации 800–1100 °C), избирательно улавливает следовые частицы глины в обесцвеченном масле, пропуская при этом молекулы пигмента, что позволяет избежать потери питательных веществ, вызванной чрезмерным обесцвечиванием. Фактические производственные данные показывают, что нефтеперерабатывающие заводы, использующие оптимизированные системы фильтрующих материалов на основе диатомита, могут увеличить выход обесцвеченного масла на 1,2–1,8 процентных пункта и снизить количество активированной глины на 15–20%.

При обесцвечивании и фильтрации наливных растительных масел, таких как пальмовое и соевое, фильтрующие материалы на основе диатомита также демонстрируют отличную термостойкость. Даже при высоких температурах (100–120 °C) высококачественные фильтрующие материалы на основе диатомита сохраняют стабильную пористую структуру и эффективность фильтрации, а период индукции окисления отфильтрованного масла может быть увеличен на 20–30%, что значительно повышает срок годности продукта.

3. Ключевые технологии применения фильтрующих материалов на основе диатомита при фильтрации рафинированного масла

Фильтрация рафинированного масла является последним ключевым процессом в производстве пищевого масла и оказывает решающее влияние на качество внешнего вида продукта. На этом этапе фильтрующие материалы на основе диатомита используются в основном для удаления следов воска, кристаллических жиров и мелких частиц, образующихся в процессе обработки остаточного масла. В отличие от процесса обесцвечивания, фильтрация рафинированного масла требует более точного фильтрующего материала на основе диатомита. Обычно выбираются пищевые продукты с проницаемостью 0,1–0,5 Дарси, что позволяет снизить мутность рафинированного масла до уровня ниже 0,5 NTU, что соответствует стандартным требованиям к высококачественному кулинарному и салатному маслу.

Современные нефтеперерабатывающие заводы обычно используют многоступенчатую систему фильтрации с использованием диатомита: на первой ступени используется фильтрующий материал из диатомита средней и тонкой очистки (проницаемостью 1,0–2,0 Дарси) для удаления крупных частиц; на второй ступени используется фильтрующий материал из диатомита тонкой очистки (проницаемостью 0,3–1,0 Дарси) для основной фильтрации; на последней ступени используется специально обработанный ультратонкий фильтрующий материал из диатомита (проницаемостью 0,1–0,3 Дарси) для финишной тонкой фильтрации. Этот процесс градиентной фильтрации позволяет сохранять масло прозрачным и без осадка более 72 часов при испытании на хранение при температуре 25 °C, контролируя при этом перепад давления фильтрации в разумном диапазоне 0,2–0,4 МПа.

Для специальных масел (таких как оливковое, ореховое и др.) применение фильтрующих добавок на основе диатомита более рационально. Учитывая особые требования к защите ароматических веществ, предъявляемые к этим высококачественным маслам, необходимо выбирать фильтрующие добавки на основе диатомита с низкой адсорбцией (обычно это протравленные продукты), содержанием тяжелых металлов менее 5 мг/кг и содержанием растворимых ионов менее 0,1%. Практика показывает, что при использовании такого типа фильтрующих добавок на основе диатомита степень удержания ароматических веществ в специальных маслах может достигать более 95%, при этом эффективно удаляются взвешенные частицы, влияющие на внешний вид.

4. Расширение применения фильтрующих добавок на основе диатомита при фильтрации биодизеля

С развитием биодизельной промышленности фильтрующие добавки на основе диатомита находят все более широкое применение в этой области. Жидкость для конверсии глицеридов при производстве биодизеля содержит примеси, такие как частицы катализатора, продукты омыления и непрореагировавший метанол, с которыми трудно эффективно справиться с помощью традиционных фильтрующих материалов. Фильтрующие материалы на основе диатомита стали идеальным выбором для фильтрации биодизеля благодаря своей устойчивости к органическим растворителям и щелочам (pH 8–10).

В процессе производства биодизеля фильтрующие материалы на основе диатомита в основном используются в двух процессах: фильтрация сырого продукта после реакции переэтерификации для удаления более 90% частиц катализатора (размер частиц 1–10 мкм); тонкая фильтрация готового продукта для снижения зольности биодизеля до уровня менее 0,02%, что соответствует требованиям стандарта ASTM D6751. В реальных условиях эксплуатации рекомендуется использовать фильтрующие материалы на основе диатомита, прокаленные при высокой температуре (температура прокалки >900 °C), потери при прокаливании которых составляют менее 1%, и которые не вносят дополнительных примесей в биодизель. Данные показывают, что оптимизированная система фильтрации диатомита позволяет увеличить скорость фильтрации биодизеля до 30–40 л/м²·мин, что в 2–3 раза выше, чем при традиционном методе.

Следует особо отметить, что диатомитовые фильтрующие добавки оказывают умеренное адсорбционное действие на свободный глицерин в биодизеле (степень адсорбции составляет около 15–25%), что способствует снижению нагрузки на последующие процессы промывки водой. Кроме того, фильтрационный кек, образуемый диатомитовым фильтрующим средством, обладает хорошей сжимаемостью и может достигать содержания сухого остатка более 95% в рамном фильтр-прессе, что значительно сокращает объемы переработки отходов.

5. Оптимизация процесса и стратегия устойчивого развития

Для повышения экономической эффективности использования диатомитового фильтрующего материала при фильтрации пищевых масел современные масложировые заводы применяют различные стратегии оптимизации: во-первых, разрабатывают технологию композитного предварительного покрытия, смешивая диатомитовый фильтрующий материал с небольшим количеством целлюлозного фильтрующего материала (около 5–10%), что позволяет улучшить качество удаления осадка на фильтре на 30–40%; во-вторых, осуществляют точный контроль добавления, динамически регулируя количество добавляемого диатомитового фильтрующего материала (обычно 0,1–0,3% от массы масла) посредством онлайн-мониторинга мутности, чтобы избежать чрезмерного расхода; в-третьих, оптимизируют температуру фильтрации. Большинство температур фильтрации растительных масел контролируются в диапазоне 70–90 °C. В этом диапазоне температур вязкость масла умеренная (20–40 сП), а эффективность фильтрации диатомитового фильтрующего материала наилучшая.

С точки зрения устойчивого развития, масложировая промышленность активно продвигает переработку диатомитового фильтрующего материала. Основные подходы включают в себя: термическую регенерацию отработанного диатомита (прокаливание при 600–800 °C для удаления органических веществ); кислотно-щелочную регенерацию (с восстановлением 70–80% исходной фильтрующей способности); и вторичное использование отработанного диатомита в качестве добавки к строительным материалам или почвоулучшителя. Эти меры позволяют повысить комплексную эффективность использования диатомитовых фильтрующих добавок на 40–50% и сократить выбросы твердых отходов более чем на 30%.

С точки зрения контроля качества диатомитовые фильтрующие добавки для пищевого масла должны соответствовать строгим стандартам: значение pH 6,5–8,5 (10% водная суспензия); влажность ≤0,5%; содержание кислоторастворимых веществ ≤3,0%; содержание тяжелых металлов должно соответствовать национальным стандартам безопасности пищевых продуктов GB 2762. Высококачественная продукция также должна сопровождаться отчетами о микробиологических испытаниях (общее количество колоний <1000 КОЕ/г) и данными испытаний на остаточные количества минеральных масел (<50 мг/кг).

6. Тенденции развития технологий и инновационные применения

Технология диатомитовых фильтрующих добавок для очистки пищевых масел развивается в направлении функционализации и повышения точности. Новые модифицированные диатомитовые фильтрующие добавки проявляют селективную адсорбцию благодаря поверхностной обработке (например, модификации силановым связующим) или композитной обработке (композит с молекулярными ситами и активированным оксидом алюминия) и способны одновременно удалять множество примесей из масел и жиров (таких как фосфолипиды, свободные жирные кислоты, пигменты и т. д.). Этот тип многофункциональных диатомитовых фильтрующих добавок был опробован на некоторых высокопроизводительных линиях нефтепереработки, и результаты показывают, что он позволяет сократить количество вспомогательных материалов на 20–30% при одновременном повышении качества продукта.

Интеллектуальное применение — ещё одна важная тенденция. Благодаря встроенным датчикам давления и устройствам контроля расхода современные системы фильтрации на основе диатомита позволяют осуществлять оценку производительности в режиме реального времени и проводить предиктивное обслуживание. В сочетании с анализом больших данных можно точно определить оптимальное время замены диатомитовых фильтрующих материалов, чтобы избежать отходов, вызванных преждевременной заменой, или рисков для качества, вызванных поздней заменой. Практика показала, что эта интеллектуальная система может повысить эффективность использования диатомитовых фильтрующих материалов на 15–20% и снизить энергопотребление на фильтрацию на 10–15%.

В будущем, с развитием нанотехнологий и «зелёной» химии, ожидается, что следующее поколение диатомитовых фильтрующих материалов обеспечит более точный контроль размера пор и более экологичные производственные процессы. Можно прогнозировать, что диатомитовые фильтрующие материалы продолжат играть ключевую роль в области рафинации пищевых масел, предлагая эффективные, безопасные и экологичные решения для фильтрации для мировой масложировой промышленности.