1, 2, 6, 7 – Кольцевые сборники; 3 – диск;

4 – загрузочный бун­кер; 5 – приводной вал

Магнитное сепарирование осуществляется за счет того, что многие металлы, полученные на основе железа, обладают маг­нитными свойствами. В устройствах для магнитного отделе­ния металлических примесей устанавливают постоянные маг­ниты или электромагниты, которые притягивают к себе эти примеси. Лучшими считаются сепараторы, снабженные элек­тромагнитами (рис. 42).

Рис. 42. Схема электромагнитного сепаратора:

1 – лента; 2 – ведомый барабан; 3 – загрузоч­ный бункер; 4 – разделяемый

материал; 5 – ве­дущий барабан; 6 – электромагнит; 7 – немаг­нитный материал; 8 – бункер для немагнит­ного материала; 9 – магнитный материал;

10 – бункер для магнитного материала; 11 – скребок

4. Тепловые процессы

4.1. Пастеризация

Назначение и сущность процесса пастеризации. Пастеризация пищевых продуктов является одним из важнейших специфических тепловых процессов, имеющих особое значение в санитарно-гигиенических целях. Она применяется для обработки различных жидких пищевых продуктов (молоко, соки, сиропы, бульоны, пиво, вино и т. п.), а также воды, которая поступает на предприятия пищевых отраслей промышленности и общест­венного питания не из централизованных городских водопро­водных сетей.

Основная цель пастеризации – уничтожение болезнетвор­ных микробов и подавление жизнедеятельности микроорганиз­мов, вызывающих порчу продукта. При пастеризации прежде всего погибают психрофильные бактерии. Не выдерживает вы­соких температур большинство болезнетворных микроорганизмов, вызывающих всевозможные заболевания людей. В качестве примера таких заболеваний можно привести следующие: тубер­кулез, дизентерия, тиф, дифтерит, различного рода желудочно-кишечные заболевания.

Однако при пастеризации погибают далеко не все микро­организмы. Так, остаются не уничтоженными споровые бакте­рии, выдерживают пастеризацию некоторые виды термофиль­ных бактерий.

Нужно подчеркнуть, что, хотя пастеризация и преследует цель уничтожения микроорганизмов, вызывающих порчу про­дуктов, эффективность процесса в первую очередь определя­ется степенью уничтожения болезнетворной, или, как ее назы­вают, патогенной, микрофлоры.

Теоретические основы пастеризации. Расчеты процессов па­стеризации основываются на данных зависимости продолжи­тельности выдержки продуктов от температуры среды.

В качестве конкретного примера такой зависимости можно привести формулу проф. Г.А. Кука:

lnτ = 36,84 – 0,48t, (6)

где τ – необходимая продолжительность выдержки продукта при заданной температуре пастеризации, с.

Это уравнение описывает оптимальную взаимосвязь темпе­ратуры пастеризации и продолжительность выдержки для мо­лока. Необходимо отметить, что в современной науке о пасте­ризации за нижний предел принята температура 60 °С. Только при температуре около 60 °С достигается пастеризующий бактерицидный эффект, это связано с термостойкостью туберку­лезной палочки.

Зависимость между температурой нагрева и продолжитель­ностью выдержки объясняется двумя причинами. Одна из них связана с тем, что денатурация, разрушение структуры веще­ства, из которого состоит микробная клетка, происходят во времени. Это время тем меньше, чем выше температура. Дру­гая причина вызвана закономерностями теплообмена. Нагрев микроорганизмов при любом виде пастеризации осуществля­ется не непосредственно, а через ту среду, в которой находятся бактерии. Потому для того, чтобы температура клетки бакте­рии достигала той же температуры, что и среда, требуется оп­ределенное время.

Эта фундаментальная зависимость позво­ляет определить необходимое условие достижения эффекта па­стеризации. Оно заключается в равенстве действительного вре­мени нахождения продукта при температуре пастеризации и теоретически необходимого.

В реальной действительности в каждом кубическом сантиметре жидкостей, подвергаемых пастеризации, содержатся сотни тысяч и даже миллионы бактерий. В связи с этим уста­новлена очень важная зависимость эффективности пастериза­ции от количества микроорганизмов в продукте до его пастеризации. Для этого введен так называемый коэффициент скорости гибели микроорганизмов. Он определяется по уравнению

С = (ln N_o – lnN_K)/θ, (7)

где С — коэффициент скорости гибели бактерий, 1/с; N_o – на­чальное количество бактерий в 1 см³ продукта; N_K – конечное количество бактерий в 1 см³; θ – продолжительность нахож­дения продукта при температуре пастеризации, с.

Если в продукте помимо микроорганизмов содержится ка­кая-то дисперсная фаза, то процесс пастеризации в определен­ной мере затрудняется. Это объясняется тем, что микроорга­низмы, которые адсорбированы на поверхности частиц дисперс­ной фазы, будут менее доступны для прогрева. Особенно трудно достигнуть достаточного эффекта пастеризации жидких продуктов, имеющих высокую способность пенообразования. Пена или воздушные пузырьки являются прекрасным теплоизолятором и затрудняют прогрев микроорганизмов.

Режимы пастеризации. Как было показано выше, режимы пастеризации предопределяются температурой и продолжи­тельностью выдержки продукта при этой температуре. В на­стоящее время выделяют три режима пастеризации: 1) дли­тельная пастеризация; 2) кратковременная пастеризация; 3) мгновенная, или моментальная, пастеризация.

При длительной пастеризации температура среды состав­ляет 63-65 °С, выдержка – 30 мин; при кратковременной па­стеризации – соответственно 72-76 °С и 20-30 с; при мгно­венной пастеризации – 85-95 °С и 1-2 с.

Выбор режимов пастеризации предопределяется техноло­гическими условиями и свойствами продукта. Если продукт содержит какие-то компоненты, отличающиеся низкой термо­устойчивостью (под действием высоких температур быстро раз­рушаются), то следует применять длительную пастеризацию.

В подавляющем большинстве случаев пастеризацию сле­дует проводить по кратковременному или мгновенному ре­жиму.

В заключение рассмотрения режимов пастеризации следует еще раз отметить, что этот процесс позволяет уничтожить да­леко не все микроорганизмы и в продукте остается какое-то количество бактериальных клеток. В связи с этим пастеризо­ванный продукт необходимо сохранять в условиях, препятст­вующих развитию остаточной микрофлоры. Одним из таких ус­ловий является охлаждение продукта после пастеризации. Наи­лучшая температура охлаждения 2-4 °С. Во всяком случае она не должна быть выше 6-8 °С.

Аппаратура, используемая при пастеризации. Она может быть самой разнообразной. В настоящее время наибольшее распространение получили пастеризационные установки (па­стеризаторы) непрерывного действия. Для пастеризации неболь­ших количеств продуктов используют аппараты периодического действия.

Пастеризаторы периодического действия, называемые ван­нами длительной пастеризации (ВДП), представляют собой теплообменные аппараты с рубашками. В качестве греющего агента используется горячая вода. Поддержание нужной темпе­ратуры воды осуществляется барботированием в нее пара.

Пастеризационные установки непрерывного действия можно подразделить на два основных типа: трубчатые и пластинчатые. В трубчатом аппарате (рис. 43) продукт движется по коллектору труб, а в межтрубное пространство поступает грею­щий агент, в качестве которого могут быть использованы горячая вода или пар. В последнее время трубчатые пастеризаторы применяются главным образом для высокотемпературной пастеризации.

Рис. 43. Схема трубчатого пастеризатора:

1 – патрубок для входа продукта; 2 – трубная решетка; 3 – трубы;

4 – патрубок для входа грею­щего агента; 5 – корпус пастери­затора;

6 – патрубок для выхода пастеризованного продукта;

7 – патрубок для выхода греющего агента или конденсата

Наибольшее значение в настоя­щее время имеют пластинчатые ап­параты (рис. 44), в которых грею­щие поверхности выполнены в виде рифленых пластин (44, б). Каж­дая пластина имеет четыре отвер­стия: два для входа и выхода па­стеризуемого продукта, два для входа и выхода теплоносителя. Про­дукт движется по одной стороне пластины, а теплоноситель по дру­гой. Рабочая часть пластины окан­тована резиновыми прокладками, которые при сборе пластин в па­кеты позволяют образовать герме­тически изолированные плоские пространства, по которым дви­жется продукт или теплоноситель.

Для увеличения поверхности теплообмена и интенсифика­ции процесса пластины делают, как уже указывалось, рифлеными. Рифли бывают самого различного профиля, но обяза­тельно должны обеспечивать турбулизацию потока. Зазор ме­жду пластинами зависит от высоты резиновых прокладок. В подавляющем большинстве расстояние между пластинами составляет в различных аппаратах от 3 до 10 мм. Пластины собираются в пакеты. Из пакетов на общей раме образуются секции и специальными стягивающими устройствами плотно прижимаются друг к другу (рис. 44, а).

Рис. 44. Схема пластинчатой пастеризационной установки:

а – схема аппарата: 1 – неподвижная опорная плита; 2 – пластины;

3 – на­жимная плита; 4 – стягивающие устройства; б – схема пластины;

1 – ос­нова пластины; 2 – резиновая прокладка; 3 – рифли

В настоящее время пластинчатые пастеризационные уста­новки являются универсальными или комбинированными теплообменными аппаратами. В них осуществляются не только па­стеризация продукта и его выдерживание, но и регенерация теплоты. Кроме того, в универсальных установках производят охлаждение продукта. Для проведения всех указанных процес­сов пластинчатые аппараты подразделяют на секции. Типичной является пятисекционная универсальная пастеризационная установка.

Исходный продукт поступает в секцию регенерации, где он нагре­вается за счет пастеризованного. Да­лее продукт переходит в секцию пас­теризации, где осуществляется его нагрев паром или горячей водой. На­гретый до температуры пастеризации продукт из секции пастеризации по­ступает в секцию выдерживания. За­тем он переходит в секции регенерации и охлаждения водой и далее в секцию охлаждения ледяной водой (t = 0-1 ºС) или рассолом. Из этой секции про­дукт идет или на резервирование, или на дальнейшую переработку.

Современные пластинчатые универ­сальные или комбинированные пастеризационные аппараты снабжены ав­томатическими устройствами, называемыми обратными клапа­нами. Эти устройства позволяют возвращать продукт, не на­гретый до температуры пастеризации, на повторную пастериза­цию. Возвратный клапан устанавливают или после секции пастеризации, или после выдерживателя.

Выше подробно рассмотрены пастеризаторы, работа кото­рых основана на применении теплового воздействия на про­дукт. К таким пастеризаторам относятся и так называемые электропастеризаторы, в которых нагрев продукта осуществля­ется за счет преобразования электрической энергии в тепловую. Их подразделяют на два типа: косвенного действия и прямого действия. В электропастеризаторах косвенного действия элек­троэнергия используется для нагрева воды, которая затем используется для пастеризации продукта. В электропастериза­торах прямого действия электроэнергия трансформируется в тепловую непосредственно в продукте. В том и другом типе пастеризаторов расход электроэнергии сравнительно высок, и поэтому они не нашли применения.

Возможно применение ультразвуковой пастеризации, пастеризации путем ультрафиолетового облучения, пастеризации радиоактив­ным облучением и пастеризации механической.

Ультразвуковая пастеризация основана на том, что про­дукт озвучивается ультразвуком с частотой колебаний более 25 кГц. Бактерицидный эффект достигается за счет того, что под действием ультразвука в жидкости возникает кавитация, связанная с возникновением гидравлических ударов огромной силы, под действием которых клетки микроорганизмов разры­ваются.

Определенное распростране­ние получили установки для па­стеризации жидких продуктов за счет ультрафиолетового облуче­ния. В этих ус­тановках происходит облучение тонкого слоя продукта. Тонкослойность обусловлена тем, что ультрафиолетовые лучи имеют небольшую проницаемость.

В установках конического типа продукт стекает по конической поверхности, в центре помещен источник ультрафиолетового из­лучения. В качестве источника служит кварцевая лампа, запол­ненная парами ртути. В цилиндрических установках ультрафио­летового пастеризатора трубка, расположенная внутри, представ­ляет собой кварцевую лампу, также заполненную ртутными па­рами.

Установлено, что бактерицидными свойствами обладают ультрафиолетовые лучи в диапазоне длин волн 3х10³ – 22х10³ А. Ультрафиолетовое облучение жиросодержащих продуктов при­водит к образованию в нем витамина D. Этот факт находит практическое применение для обогащения продукта витами­ном D. В частности, выпускают питьевое молоко, обработанное ультрафиолетовыми лучами.

Применяют для пастери­зации многих жидких продуктов (молоко, соки) так называе­мые актинизаторы. Принцип работы актинизаторов заключается в следующем. Продукт проходит последовательно первую трубку, в которой он нагревается до температуры 70-80 °С за счет инфракрасного облучения. Это излучение исходит от кварцевой трубки, которая снаружи имеет электротеп­ловую обмотку. Из этой трубки продукт переходит во вторую трубку, где он обрабатывается ультрафиолетовыми лучами.

Известен способ пастеризации продуктов за счет использо­вания ионизирующего облучения. Суть работы подобного рода пастеризационных установок заключается в том, что продукт в тонком слое (2 мм) подвергается облу­чению гамма-лучами. В качестве источ­ника излучения используют кобальт-60, цезий-137.

Мощность излучения невелика и со­ставляет около 2х10^-3 Дж. Этим путем можно по­лучить не только эффект пастеризации, но и эффект стерилизации.

Наконец, известен еще один способ пастеризации – механи­ческий, при котором выделение микроорганизмов достигается за счет центробежной силы. Сейчас в некоторых отраслях пище­вой промышленности применяют так называемые бактофуги, которые представляют собой центробежные сепараторы, имею­щие достаточно большие частоты вращения. При помощи бактофуг выделяют микроорганизмы из пива, соков, бульонов, молока. Однако бактофуги не могут заменить полностью теп­ловую пастеризацию, так как некоторые микроорганизмы имеют плотность или равную продукту, или меньшую, чем плотность продукта, и полностью не выделяются.