Технологическое оборудование для кристаллизации, декристаллизации и пластификации жировой продукции

4.1. Устройства и способы кристаллизации, декристаллизации и пластификации жировой продукции

Кристаллизация, декристаллизация и пластификация как технологические процессы широко используются при производстве жировых смесей и жиросодержащих эмульсий различной жирности (масла сливочного, жиров свиного и говяжьего, маргаринов, а также жиров кулинарных, хлебопекарных, кондитерских и др.).

Процесс кристаллизации жировых продуктов связан с образованием центров кристаллизации и ростом кристаллов. Способность жировых продуктов кристаллизоваться в значительной мере зависит от температуры кристаллизации (плавления). Механизм образования центров кристаллизации (зарождения кристаллов) в объеме охлажденных или переохлажденных жировых компонентов имеет объяснение, основанное на теории гетерофазных флуктуаций вблизи точки плавления вещества. При охлаждении возникают местные и временные флуктуации, которые представляют собой скопления с ориентированным расположением молекул – наподобие кристаллической решетки. Состояние этих скоплений неустойчивое: наряду с образованием наблюдается и их распад. Возникшее структурное образование становится зародышем для роста кристалла.

Кристаллизации подвергаются молекулы триглицеридов, состоящие из жирных кислот с прямыми цепями из 12–22 атомов углерода, а в основном – из 16–18 атомов углерода.

Основные элементы жировых кристаллов строятся из расположенных друг возле друга молекул триглицерида, различающихся модификацией кристаллов и температурой кристаллизации (плавления). В числе форм кристаллов две являются метастабильными, их называют модификациями  и , и одна стабильной – модификация .

Модификация  представляет собой гексагональные кристаллы с рыхлой структурой, модификация  – орторомбические кристаллы, модификация  – триклиновые кристаллы.

Наряду с полиморфным характером, триглицериды обладают монотропными свойствами перехода в другие полиморфные формы только в одном направлении – только в направлении образования более стабильных форм в виде перехода  →  → , а не наоборот. В первой фазе кристаллизации, когда в процессе переохлаждения частицы из жидкотекучего состояния переходят в вязкотекучее, из трех основных модификаций кристаллов жиров в большей степени склонны к переохлаждению с высокой точкой затвердевания кристаллы  и . Выделение кристаллов начинается сразу же, как только в процессе охлаждения достигается температура затвердевания. Однако моди-фикация  очень нестабильна и довольно быстро преобразуется в . Эта модификация кристаллов имеет более высокую температуру затвердевания и наиболее характерна для маргариновой продукции в обычном состоянии. Значительно медленнее происходит преобразование из -формы в -форму.

Рассмотренные преобразования в значительной степени влияют на свойства жировой продукции при ее производстве и хранении. В процессе быстрого охлаждения (переохлаждения) жировых смесей и эмульсий и образования кристаллической структуры за 1–2 мин следует преобразование  в  (преобразование может длиться от нескольких секунд до нескольких минут).

Процесс кристаллизации связан с режимами полиморфного пре-образования в зависимости от скорости охлаждения, а также скорости и степени кристаллизации.

В представлении построения кристаллической решетки для комбинированных видов жировой продукции следует учитывать наличие значительного числа жировых компонентов, имеющих разную температуру кристаллизации (плавления), а также многообразие триглицеридного состава каждого жирового компонента и свойственный только им кристаллизационный рост при различных режимах полиморфного преобразования в зависимости от скорости охлаждения, скорости и степени кристаллизации.

Процесс перехода жиров, жировых смесей и эмульсий из жидкого в твердообразное состояние в целях получения определенного вида кристаллической структуры осуществляется при кристаллизации жирового компонента или жировой составляющей продукции в трубчатых кристаллизаторах и кристаллизаторах-выдерживателях.

Пластификация как процесс технологического обеспечения качества консистенции вязких и высоковязких пищевых дисперсных систем используется на линиях непрерывного и периодического производства.

Согласно схемам производства жировой продукции различного назначения, для кристаллизации и декристаллизации, пластификации и гомогенизации жирового сырья применяются динамические и статические типы оборудования в виде обработников маслоизготовителей, структурообразователей, кристаллизаторов и де-кристаллизаторов, а также гомогенизаторы-пластификаторы.

Так, в схемах (рис. 4.1 и 4.2) производства жировой продукции с последующей расфасовкой в полимерные баночки по 250–500 г или короба с расфасовкой в блоки по 10–25 кг используется оборудование в виде промежуточного кристаллизатора 3, в котором процесс массовой кристаллизации интенсифицируется, и одно- или многоцилиндрового декристаллизатора 4, в котором продукт подвергается пласти-фикации перед операцией расфасовки.

Рис. 4.1. Схема производства низкожирного сливочного масла:

1 – насос высокого давления; 2 – теплообменник-охладитель; 3 – промежуточный кристаллизатор; 4 – декристаллизатор одноцилиндровый; 5 – труба вызревания

Рис. 4.2. Схема производства топленого масла и кулинарного маргарина:

1 – насос высокого давления; 2 – теплообменник-охладитель; 3 – промежу- точный кристаллизатор; 4 – декристаллизаторы двухцилиндровые; 5 – короба; 6 – автомат для наполнения и взвешивания коробов

В соответствии с технологическим регламентом при производстве жировых смесей и паст, жиросодержащих эмульсий на линиях производительностью 1,0–5,0 т/ч температура сырья при поступлении в кристаллизатор или декристаллизатор должна находиться в пределах 10–14 С  (при выработке продукции для расфасовки в пачки) или 14–20 С (при расфасовке блоками в короба либо пластиковую тару – баночки, коробочки и т. д.).

Трубчатые кристаллизаторы предназначены для окончательного формирования и выдержки жировых и жиросодержащих композиций в целях придания им требуемой однородной кристаллической структуры и консистенции перед расфасовкой.

Кристаллизатор представляет собой цилиндрическую конструкцию, в состав которой входят: входной патрубок, корпус (труба), фильтры, буферное устройство, колено и переходник (рис. 4.3).

В кристаллизатор поступает охлажденная или переохлажденная жировая композиция, которая представляет собой, как правило, вязкотекучую жировую или водно-жировую дисперсию с взвешенными в ней центрами кристаллизации.

Входной патрубок выполнен в виде расширяющегося конуса и предназначен для резкого увеличения проходного сечения. За счет резкого увеличения проходного сечения на входе в кристаллизатор скорость движения кристаллизуемого продукта уменьшается, что способствует формированию определенной кристаллической структуры жирового продукта (маргарина кулинарного, кондитерского или животного жира) в зависимости от времени нахождения в кристаллизаторе. В результате начинается интенсивный рост кристаллов жира, между ними образуются вторичные смеси. Эта сложная кристаллическая конфигурация связывает жидкие составляющие жировых смесей и эмульсий (воду, растительные и животные жиры и масла).

Рис. 4.3. Кристаллизатор с компенсирующим устройством:

1 – патрубок для поступления переохлажденной эмульсии; 2 – опоры кристаллизатора; 3 – цилиндр компенсирующего устройства; 4 – коническая насадка; 5 – патрубок для отвода излишков жировой продукции; 6 – корпус компенсирующего устройства; 7 – воздушный регулятор давления; 8 – неподвижный шпиндель; 9 – подвижный поршень; 10, 12 – цилиндры кристаллизатора; 11 – сетчатый фильтр;

13 – входной патрубок кристаллизатора

Поступающая в кристаллизатор жировая смесь (или переохлажденная маргариновая эмульсия) представляет собой метастабильную дисперсную систему с кристаллообразной структурой, состоящей из модификаций кристаллов  и . Модификация  в течение 1–2 мин (иногда больше) в значительной степени преобразуется в , которая характерна для мелкокристаллической структуры. Процесс массовой кристаллизации сопровождается повышением температуры за счет выделения тепла, и при определенных температурных условиях модификация  способна переходить в  с образованием грубо-кристаллической структуры, которая приводит к значительному ухудшению показателей вырабатываемой продукции.

Корпус рабочего устройства представляет собой цилиндр или набор цилиндрических унифицированных секций, устанавливаемых, как правило, горизонтально. В некоторых случаях кристаллизаторы располагают и вертикально перед приемным соединением фасовочного автомата или другого устройства для расфасовки жировой продукции. Известны также технологические схемы комбинированного расположения устройств для кристаллизации жировой продукции.

Длина корпуса подбирается из условия затвердевания жировой основы до консистенции, необходимой для фасовки. Между секциями, как правило, установлены один или несколько фильтров, обеспечивающих пластификацию дисперсной системы и равномерный рост кристаллов. В комплект кристаллизатора входит сетчатый фильтр-гомогенизатор для улавливания посторонних примесей и придания продукту первичных пластических свойств и однородности структуры.

Кристаллизатор снабжен рубашкой для обогрева водой с температурой 22–30 С. В межрубашечном пространстве имеется спиральная вставка (трубчатый змеевик), предназначенная для обеспечения равномерного движения потока обогревающей воды. В кристаллизаторах применяется, как правило, прямоточная система обогрева.

Поступающая в кристаллизатор через патрубок 1 (см. рис. 4.3) переохлажденная эмульсия медленно продвигается к выходу и через коническую насадку 4 выдавливается в формовочную камеру фасовочного автомата, с которой она непосредственно соединена.

Температура жирового продукта на выходе из кристаллизатора несколько повышается (с 10–15 до 13–19 С) за счет выделения тепла в ходе кристаллизации жирового продукта при структурообразовании.

К последней секции кристаллизатора фланцами присоединено компенсирующее (буферное) устройство для синхронизации непрерывного процесса кристаллизации продукта с работой всей линии и с циклической работой формующего устройства фасовочной машины.

В период между циклами заполнения фасовочной камеры поршень компенсирующего устройства поднимается и принимает небольшой запас жирового продукта, который в период очередного цикла формования передается в приемную емкость фасовочного автомата; излишек продукта через отводной канал направляется в бак возврата.

Компенсирующее устройство (см. рис. 4.3) состоит из корпуса 6 с крышкой, подвижного поршня 9 и неподвижного шпинделя 8 со специальной шайбой. Шпиндель может быть соединен с воздушным регулятором давления 7, к которому подведен сжатый воздух, поступающий через шпиндель в подвижной поршень. В зависимости от консистенции жирового продукта давление воздуха внутри поршня колеблется от 0,2 до 0,3 МПа (2–3 кгс/см²).

В случае остановки фасовочного автомата и при превышении расчетного давления на выходе из кристаллизатора поднимается подвижный поршень 9, открывается выходной канал 5 в корпусе компенсирующего устройства и продукт отводится через трубопровод в емкость возврата.

На рис. 4.4 показано компенсирующее устройство, в котором противодавление над поршнем создается не сжатым воздухом, как на рис. 4.3, а при помощи пружины.

Решетки кристаллизатора 11 (см. рис. 4.3) устанавливаются в фланцевых соединениях цилиндрических секций 10 и 12 кристаллизатора и предназначены для формирования пластичной структуры маргарина при расфасовке его в пачки по 100–500 г.

Для пластификации жировых и жиросодержащих продуктов в кристаллизаторах могут быть установлены насадки в виде решеток с диаметром отверстий 2,0; 2,5; 3,0; 3,5 мм.

Рис. 4.4. Компенсирующее устройство пружинного типа:

1 – корпус; 2 – поршень; 3 – пружина; 4 – выходной канал для отвода излишков жирового продукта; 5 – фланец соединения с кристаллизатором

Основные технические параметры решеток для кристаллизатора диаметром 178 мм приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Параметры	Решетки с диаметром отверстий, мм
	2,0	2,5	3,0	3,5
Площадь сечения кристаллизатора при dвн = 178 мм	24 884	24 884	24 884	24 884
Количество отверстий в решетке, шт.	1960	980	980	800
Площадь живого сечения решетки, мм2	9624	4812	6860	7680
Отношение площади живого сечения решетки к площади живого сечения кристалли-затора, %	38,6	19,3	27,5	30,8
Шаг отверстий решетки, мм	2,5	5,0	5,0	6,0
Толщина решетки, мм	3,5	3,0	3,0	2,5
Твердость жировой продукции при 15 °С, г/см	50–60	40–50	40	30–40
Твердость жировой основы продукции при 15 °С, г/см	40–160	120–140	100–120	50–100

Для подсоединения кристаллизатора к расфасовочному автомату используются переходниковые устройства в виде насадки.

Кристаллизаторы изготавливаются из нержавеющей стали и других материалов, разрешенных к применению в пищевой промышлен-ности.

На линиях производительностью до 5,0 т/ч, разработанных в Англии, для производства жировой продукции в виде смесей животных жиров и маргариновой продукции используются кристаллизаторы, имеющие следующие технические и рабочие характеристики:

Максимальная производительность, л/ч ………………...	3300
Рабочее давление жирового продукта на входе, МПа (кгс/см2) …………………………………..	Не более 0,6(6)
Рабочее давление воздуха внутри поршня компенсирующего устройства, МПа ……………	0,14–0,18
Температура жировой смеси или эмульсии, ºС:
на входе …………………………………………………...	10–13
на выходе ............................................................................	14–16
Температура обогреваемой воды, ºС ……………………..	22–28
Габариты, мм:
длина (общая) ………………………………….................	4612
диаметр секции……………………………………...........	200

На технологических линиях фирмы «Schrödеr» (Германия) при производстве сверхпластичных жировых паст и других продуктов для бутербродов используется кристаллизатор для окончательного формирования и получения однородной структуры маргарина. Кристаллизатор выполнен с двойной стенкой и при необходимости может обогреваться. Внутри цилиндрического корпуса кристаллизатора закреплено сферическое сито для пластификации кристаллизуемого продукта и предотвращения попадания в него посторонних механических примесей. Габариты (диаметр и длина) такого устройства составляют 177  1100 мм.

Некоторые данные о геометрических параметрах других типов кристаллизаторов приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Кристаллизатор	Параметры
	Lкр, мм	Dкр, мм	Vкр, л
А1-МЛМ-8 линии производительностью 2,0–2,5 т/ч (Россия)	2118	178	52,7
201 (Германия)	2600	177	64,0
Линии производительностью 5,0 т/ч (Англия)	4600	200	144,4

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­^{___________________}

^L_кр – длина кристаллизатора; D_кр – диаметр кристаллизатора; V_кр – рабочий объем

В схемах производства низкожирного сливочного масла, топленого масла и кулинарного маргарина используется промежуточный кристаллизатор 3 (см. рис. 4.1 и 4.2) , который представляет собой, как правило, цилиндрическую камеру без внутренних насадок для зарождения и выдержки процесса массовой кристаллизации жировой основы (аналогичен по конструкции секции кристаллизатора, показанного на рис. 4.3).

В промышленном производстве сливочного масла применяется оборудование в виде обработников маслоизготовителей непрерывного действия известных фирм Франции, Германии, Дании и Швеции, таких, как «Simon Freres», «Vestfalia», «Silkeborg», «Alfa-Laval» и дру-гих, широкого диапазона производительности (до 6,0 т/ч).

Для пластификации маргариновой и другой жировой продукции во многих типах конструкций скребковых теплообменников-охлади-телей, изготовленных в Англии («Chemetator»), Германии («Kombi-nator»), Швеции («Contherm») и других странах, используются узлы декристаллизации.

На Украине при производстве сливочного масла и маргарина используются структурообразователи для формирования жидкообразной или твердообразной консистенции продукта таких марок, как Я5-ОУБ, Я5-ОМС.

В России разработаны и используются маслообразовательные устройства и узлы для пластификации производимого жирового продукта на линиях непрерывного производства сливочного масла, мягкого маргарина, кулинарных и кондитерских жиров, такие, как А1-ОЛО, А1-ОЛО-3, П8-ОЛФ, А1-ЖЛУ производительностью до 2500–3000 кг/ч.

Основными марками устройств пластификации, гомогенизации, декристаллизации, маслообработки и структурообразования являются А1-ОЛО/1, Р3-ОУА, Р3-ОУА-М, Я7-ОМ-3Т-М, А1-ЖЛУ/1, М6-ОГА и др.

Согласно современным технологиям производства жировых продуктов, перед расфасовкой в крупную тару или розливом в пластиковые стаканчики жировое сырье должно подвергаться переохлаждению в декристаллизаторе 4 (см. рис. 4.1 и 4.2), т. е. процесс декристаллизации позволяет продукт пластифицировать перед расфасовкой.

Известно также влияние механических воздействий на эффективность процесса декристаллизации. Они могут вызывать изменение такой характеристики продукта, как вязкость, и влиять на диффузионные процессы, связанные с возникновением центров кристаллических образований. Повышение пластичности достигается путем перетирания или измельчения крупных конгломератов твердых триглицеридов. На производстве этот процесс называют рекристаллизацией.

В технологиях производства жировых продуктов используются одно- или многоцилиндровые декристаллизаторы, в которых жировое сырье подвергается пластификации перед операцией расфасовки.

Декристаллизатор (рис. 4.5) представляет собой устройство в виде рабочего цилиндра 1 с валом 6, на корпусе цилиндра расположены штыри 7, а на вращающемся валу установлены пальцы-била 4.

Устройство для декристаллизации и пластификации жиров состоит из двух горизонтальных пустотелых цилиндров 1, установленных на опорной плите 2. Торцы цилиндров плотно закрыты крышками 3. Через крышки проходит уложенный в подшипники 5 горизонтальный вал 6, на котором по всей его длине укреплены 37 штук пальцев 4. При вращении пальцы проходят между неподвижными штырями 7, закрепленными на поверхности цилиндра при помощи усиливающей планки 8.

Вал цилиндра приводится в движение от индивидуального элект-родвигателя через редуктор с частотой вращения 2,08 с^–1 (125 об/мин). Продукт проходит последовательно оба цилиндра и тщательно плас-тифицируется.

Рис. 4.5. Декристаллизатор для кристаллизации и пластификации

жировых продуктов:

1 – рабочий цилиндр; 2 – узел крепления к опоре; 3 – крышка; 4 – пальцы; 5 – узел подшипниковый; 6 – горизонтальный вал; 7 – штыри; 8 – узел крепления штырей

Агрегат механической обработки и кристаллизации (декристаллизатор) маргарина на линии фирмы «A.Johnson  Co» производительностью 5,0 т/ч состоит из трех горизонтальных цилиндров, смонтированных на опорной раме и снабженных рядом игл (пальцев). В каждом цилиндре установлен вал, также снабженный рядом пальцев. Вал приводится во вращение от двигателя с редуктором. Пальцы вала имеют зазор с неподвижными пальцами цилиндра около 4 мм.