2. Обзор конструкций – аналогов проектируемой машины.

Гомогенизаторы находят применение в различных технологических линиях для тепловой и механической обработки молока и молочных продуктов.

Процесс обработки молока на гомогенизаторах относится к технологиче­ским операциям, улучшающим консистенцию и качество жидких молочных про­дуктов. В сочетании с тепловой обработкой гомогенизация позволяет увеличить срок их хранения без изменения качества, так как в результате этого процесса достигается раздробление жировых шариков в молоке и равномерное распределение их по всему объему.

Предотвращение быстрого отстаивания жира в результате гомогенизации особенно важно при производстве питьевого молока на линиях высокотемпера­турной обработки, при выработке кисломолочных напитков резервуарным спо­собом, производстве молочных консервов и мороженого, где требуется сохра­нить достигнутую мелкодисперсную жировую фазу.

Для гомогенизации можно использовать различные центробежные установки, ультразвуковое и другое устройства, но по эффективности воздействия на продукт без значительных нежелательных изменений свойств эти установки уступают применяемым в отечественной и зарубежной молочной промышленности клапанным гомогенизаторам с использованием высокого давления.

Во ВНИЭКИпродмаш разработаны гомогенизаторы с рабочим давлением 20 МПа следующих марок: гомогенизатор А1-ОГС для высоковязких молочных продуктов типа плавленых и сливочных сыров производительностью 600 кг/ч; гомогенизатор К5-ОГА-1,2 применяемый для смесей мороженого про­изводительностью 1200 л/ч; гомогенизатор А1-ОГМ для молока и молочных про­дуктов производительностью 5000 л/ч; гомогенизатор К5-ОГА для молока про­изводительностью 10000 л/ч и гомогенизатор А1-ОГМ-15 для молока производи­тельностью 15000 л/ч с давлением 25 МПа.

Дальнейшее внедрение и расширение области применения гомогенизации, оснащение предприятий высокопроизводительными установками для комплекс­ной обработки молока выдвигают задачи по созданию гомогенизаторов с вы­сокими технологическими и эксплуатационными показателями. Проводится боль­шая работа по созданию машин современных моделей для молочных продуктов различных вязкостей с унифицированными узлами и деталями, а также с повышенными эксплуатационными показателями.

2.1 Сущность обработки продуктов в гомогенизаторах и механизм гомогенизации

Воздействие на жировую фазу и белок молока при гомогени­зации основывается на том, что нагретый до температуры, превы­шающей температуру плавления молочного жира, продукт под давлением 5—25 МПа пропускается о большой скоростью через кольцевую щель между клапаном и седлом в гомогенизирующей головке. В результате действия на продукт различных гидродина­мических факторов, возникающих при прохождении нагретой жидкости со скоростью около 200 м/с через щель малой высоты, происходит дробление жировых шариков молока и интенсивная механическая обработка его белковой фазы.

После гомогенизации количество жировых шариков в зависи­мости от жирности молока увеличивается примерно в 200— 500 раз, а их суммарная поверхность — в 6—8 раз. Эффективность гомогенизации считается достаточной, если более 85% жировых шариков имеют размер 1—1,5 мим. После гомогенизации изме­няется также дисперсность белковых частиц молока. Кроме того, гомогенизация влияет на физико-химические свойства молока (плотность, вязкость и др.).

Механизм дробления жировых шариков молока при гомогени­зации до настоящего времени окончательно не выяснен. Разреше­ние вопроса о механизме гомогенизации, выявление всех сторон процесса «мели (бы большое практическое значение для конструи­рования гомогенизирующих устройств и гомогенизаторов.

Схемы конструкций современных гомогенизирующих головок, практически используемых в различных типах отечественных и за­рубежных гомогенизаторов, приведены на рисунке 2.1.

Основными рабочими органами гомогенизирующей головки яв­ляются седло и клапан, от конструкции которых в известной мере зависит степень дисперсности молока при гомогенизации. Разно­образие конструктивных исполнений гомогенизирующих устройств обусловлено стремлением повысить гомогенизирующий эффект за счет повышения турбулентности потока гомогенизируемой жидко­сти, усиления явлений кавитации, повышения скорости движения жидкости на входе в клапанную щель.

Определение степени дис­персности жира в молоке, или эффективности процесса гомо­генизации, ведется одним из известных методов: по отстаи­ванию жира, методом микроскопирования и методом цен­трифугирования.

Работают современные клапанные гомогенизирующие устрой­ства следующим образом.

Жидкость подают в головку под клапан. Усилие от давления жидкости на клапан воспринимает на себя устройство противо­давления, включающее шток с нажимной гайкой и пружиной и служащее для обеспечения зазора между клапаном и седлом. Противодавлением нажимной гайки клапан прижимается к седлу, однако возрастающее давление жидкости в гомогенизаторе не дает ему возвратиться на посадочное место, и он работает в «пла­вающем» состоянии. Через оставшуюся кольцевую щель малой высотой (0,05—2,5 мм) про­пускается жидкость с высокой скоростью движения и при этом она гомогенизируется.

Рисунок 2.1. –Современные гомогенизирующие головки: а — клапан конический; б — клапан с малым углом конуса; в — клапан и седло с перфо­рированными колпачками; г — клапан с коль­цевыми проточками; д — клапан плоский; е— клапан

Жидкость, гомогенизирован­ная на первой ступени, посту­пает под клапан второй сту­пени, которая работает анало­гично первой; она повторно го­могенизируется и выходит из гомогенизирующей головки.

Метод определения эффек­тивности гомогенизации по от­стаиванию жира сводится к выдерживанию законсервиро­ванного одним из консерван­тов гомогенизированного мо­лока при низкой температуре (4—5° С) без перемешивания в мерных цилиндрах в течение 48 ч. После выдерживания проб отбирают 100 мл молока из верхнего слоя и определяют содержание жира в отобранном количестве молока и остав­шемся в цилиндре. Разница в содержании жира этих слоев не должна превышать 10% к общему содержанию жира. Увеличе­ние разницы свидетельствует о снижении эффективности гомоге­низации. В хорошо гомогенизированном молоке после выдержи­вания в течение 48 ч нельзя обнаружить видимый слой отстояв­шегося жира.

С помощью метода микрокопирования определяют размеры жировых шариков молока при увеличении их на микроскопе. На­блюдение и измерение жировых шариков, особенно диаметром 1 мкм и меньше, затрудняются броуновским движением. Объект можно фиксировать введением в препарат 2—3%-ного раствора желатина, к которому прибавляют фенол для консервирования в количестве 1% или водно-глицериновый раствор (1:1). Но при­менение раствора желатина при разведении гомогенизированного молока способствует слипанию жировых шариков. В водно-глице­риновом растворе жировые шарики не слипаются, но ухудшается видимость их под микроскопом. Чтобы не вызывать нежелатель­ных изменений продукта для разведения образца пользуются ди­стиллированной водой в соотношении 1 : 20, хотя это создает 'не­которые трудности при подсчете шариков из-за броуновского дви­жения. По этой же причине, а также ввиду недостаточной мел­козернистости фотопленки (за исключением пленки типа «Микрат» и др.) и освещенности объекта затрудняется микрофотосъемка и полностью исключается длительная выдержка (более 1 с).

Подсчет количества жировых шариков производят с помощью счетной камеры Горяева. Чтобы определить количество жировых шариков в единице объема при подсчете непосредственно под ми­кроскопом, подсчитывают их в 5—6 квадратах окулярной сетки. Измерение величины жировых шариков на препарате и при микрокопировании производится с помощью окулярмикрометра. Цена нанесенных на нем делений устанавливается в каждом от­дельном случае с учетом масштаба увеличения по объектмикрометру. После установления цены деления окулярмикрометра с до­статочно большой точностью определяют диаметры жировых ша­риков, содержащихся в исследуемой пробе молока, непосредствен­но на препарате под микроскопом и на проекции негатива фото­графической пленки с кадром 24X36 мм на миллиметровую бумагу, предварительно установив цену ее деления, или на белый экран.

Характеризовать распределение жировых шариков с макси­мально возможной точностью можно на основании подсчета и из­мерения не менее чем 800 жировых шариков, что соответствует подсчету примерно 9 полей.

Дисперсность жира в молоке рассчитывают с помощью мате­матической обработки данных. Средний диаметр жировых шари­ков для данной пробы определяют по формуле

, (2.1)

где d₁, d_2,..., d—средние диаметры шариков для каждом группы, мм; n₁, n₂,..., n_n — число жировых шариков в каждой группе

Математическая обработка полученных данных производится по соответствующим эмпирическим формулам и графикам, изло­женным Н. Н. Липатовым в брошюре "Графические методы ха­рактеристики дисперсности жира молока"-

Метод определения эффективности гомогенизации с помощью центрифугирования является наиболее быстрым и достаточно точным для практических целей. При этом методе, предложенным ВНИМИ для контроля степени гомогенизации в молоке, замени­телях цельного молока и детских молочных продуктах, увеличи­вается Объективность в оценке эффективности гомогенизации.

Метод основан на центрифугировании молочных продуктов при определенном режиме в специальной пипетке. В нижней части пи­петки остается продукт, содержащий жировые шарики диамет­ром менее 2 мкм. Содержание жира показывает степень его гомо­генизации.

Для выполнения анализа необходимы специальная пипетка для контроля степени гомогенизации, аппаратура, а также реак­тивы для определения содержания жира по ГОСТ 5867—59 при­менительно к молоку.

Гомогенизированное молоко берется непосредственно после го­могенизации и заливается пипетку до верхней отметки. На ниж­ний конец пипетки надевают резиновую пробку № 20. После цен­трифугирования в продолжение 30 мин при 38—40° пипетки вы­нимают. Затем нижнюю часть продукта сливают без встряхива­ний. В слитом продукте определяют содержание жира.