5. Двухступенчатая гомогенизация

На рис. 1.6 приведен гомогенизатор с двойным дросселированием, в котором жидкость проходит последовательно через две рабочие головки. В каждой головки давление пружины на клапан регулируется отдельно, своим винтом. В таких головках гомогенизация происходит в две ступени.

Рабочее давление в нагнетательной камере равно сумме обоих перепадов. Применение двухступенчатой гомогенизации обусловлено преимущественно тем, что во многих эмульсиях после гомогенизации в первой ступени наблюдается на выходе обратное слипание диспергированных частиц и образование «гроздьев», которые ухудшают эффект диспергирования.

Задача второй ступени состоит в раздроблении, рассеиваний таких сравнительно неустойчивых образований.

Для этого требуется уже ни столь значительное механическое воздействие, поэтому перепад давлений во второй вспомогательной ступени гомогенизатора значительно меньше, чем в первой, от работы которой в основном и зависит степень гомогенизации.

Рис. 1.6. Схема двухступенчатой гомогенизации

В общем конструктивном оформлении современных гомогенизаторов находит применение основные принципы и положения технической эстетики, санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям развития оборудования молочных предприятий, новые конструкции гомогенизаторов выполняют обтекаемой формы, облицовывают и закрывают кожухами из нержавеющей стали с полированной поверхностью.

Исходя из производительности гомогенизатора и конструктивных соображений, за прототип выбираем гомогенизатор марки А1-ОГМ [8].

Выводы:

1.Одним из наиболее важных процессов в переработке молока явля­ется гомогенизация.

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 примерно в 10 раз (раз­мер 1,0 мкм) и равномерное распределение их по всему объему, что способст­вует улучшению качества, а именно консистенции и вкуса.

2. В настоящее время существует большое разнообразие машин для гомогени­зации молочных продуктов российского и иностранного производства. К ним относятся гомогенизаторы, с одно- и двухступенчатой гомогенизирующей го­ловкой, а также клапанные и плунжерные, с высоким и низким давлением го­могенизации.

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

4. Установили, что процесс гомогенизации оказывает наибольшее влияние на качество и срок годности продуктов молочной промышленности.

2. Аналитический раздел

1. Оборудование для гомогенизации молока

Известно, что при хранении свежего молока из-за разницы в плотности молочного жира и плазмы происходит всплывание жировой фракции, или ее отстаивание. Скорость отстаивания жира зависит от размеров жировых шариков, вязкости, от возможности соединения жировых шариков друг с другом. Для получения, однородной по структуре жидкости, в молочной промышлен­ности применяется операция гомогенизации пастеризованного молока. Данная обработка, заключается в дроблении (диспергировании) жировых шариков пу­тем воздействия на продукт значительных внешних усилий. Этот процесс спо­собствует стабилизации высокодисперсной жировой эмульсии гомогенизиро­ванного молока. Поэтому при высокой дисперсности жировых шариков гомо­генизированное молоко практически не отстаивается [7].

Диспергирование молока проводят в клапанных гомогенизаторах, устройствах для ультразвуковой и электрогидравлической гомогенизации, гомоге­низаторах роторно-пульсационного типа, быстроходных механических ме­шалках, гидродинамиче­ских ультразвуковых аппаратах, кавитационных и суперкавитирующих динамических смесителях-эмульсорах, центробежных струйных гомогенизаторах, но по эффективности воздействия на молоко без значительных нежелательных изменений его свойств все другие устройства уступают клапанным гомогенизаторам высокого давления.

Гомогенизатор роторно-пульсационного типа (рис. 2.1) представляет собой гид­родинамическое устройство, сочетающее в себе свойства роторно-пульсацион­ного аппарата и центробежного насоса.

В процессе работы в гидродинамическом режиме осуществляется пульсационное преобразование акустического поля в кавитационную энергию. При этом на эффективность обработки жидкости оказывает влияние время нахож­дения продукта в акустическом поле и профиль расщепляющего так называе­мого («стригущего») градиента скоростей перемещения частиц, который зави­сит от скорости вращения ротора насоса и создаваемого напора. Таким обра­зом, комплексное воздействие на обрабатываемую среду позволяет использо­вать насос-гомогенизатор для приготовления гомогенных многокомпонентных и высокопластичных эмульсий и суспензий самого различного назначения [8].

Рис. 2.1. Роторно-пульсационный гомогенизатор

Конструктивно насос состоит из гомогенизирующей головки, подшипникового узла и электродвигателя, которые установлены на общей опорной раме. В свою очередь ротор головки закреплен на рабочем валу с радиально-упор­ными шарикоподшипниками. Передача вращения от двигателя к рабочему валу головки осуществляется с помощью специальной кулачково-дисковой муфты со скользящим «сухарем» из текстолита. При этом подвод рабочей среды – осе­вой, а отвод приготовленного продукта – тангенциальный.

Процесс эмульгирования происходит следующим образом. Через входной патрубок крышки гомогенизирующей головки рабочая среда с помощью крыльчатки засасывается и отбрасывается лопастями крыльчатки на периферию вращающегося ротора. Далее рабочая среда последовательно переходит через пазы статорного диска и пазы ротора. При этом продукт подвергается не­обхо­димой обработке в пазах и зазорах между статором и ротором и отбрасы­вается в тангенциальный отводящий патрубок обечайки [5].

Размер частиц конечного продукта на выходе от 3 мкм, что не позволяет использовать его для гомогенизации пастеризованного и стерилизованного молока.

Центробежные гомогенизаторы (рис. 2.2). Многокомпонентная разнородная масса из смесителя поступает в гомогенизатор, где захватывается вращающейся пропеллерной крыльчаткой, предварительно дробится и смешивается и подается в гомогенизирующее-измельчительный узел [16].

Рис. 2.2. Центробежный гомогенизатор

В гомогенизирующем узле происходит их раздробление между вращающимся и стационарным откалиброванными цилиндрическими ножами ротора и статора. Попадающие в гомогенизирующий узел частицы (например, жировые шарики) центробежной силой выбрасываются между ротором и статором гомо­генизатора, проходя через отверстия. Центробежные гомогенизаторы по конст­рукции проще клапанных, менее металлоемки, в них нет быстроизнашиваю­щихся деталей, но они дают недостаточно высокую степень гомогенизации.

Электрогидравлическая гомогенизация молока и влияние на молоч­ные системы электрогидравлического удара исследовались в МАПБ (Москов­ская академия прикладной биотехнологии). В основу этого способа гомогени­зации положен электрогидравлический эффект, являющийся результатом возникновения в жидкости импульсных сверхвысоких давлений, вызывающих об­разова­ние ударных волн [8].

Достигнутый общий гомогенизирующий эффект весьма высок – раздробление жировых шариков в 7–8 раз. Кратковременный электрогидравличе­ский эффект не влияет на технологические свойства молока, но очень длитель­ное его воздействие изменяет вкус продукта.

Ультразвуковые гомогенизаторы (рис. 2.3) – это электромеханиче­ские и гидродинамические устройства, создающие упругие звуковые и ультразвуковые колебания в гомогенизируемой смеси.

Рис. 2.3. Ультразвуковой гомогенизатор

Наиболее известный из них – так называемый гидродинамический свисток. Принцип действия его основан на прохождении потока жидкости через зону максимального воздействия ультразвукового поля, создаваемого самим же по­током. Поток дробится на струи, которые, многократно взаимно пересекаясь с большой скоростью, создают интенсивные вихри и акустические колебания вы­соких частот. При выходе из сопла закрученного потока возникают наиболее интенсивные вихри, создающие колебания, еще более усиливаемые установ­ленной на выходе трубки-резонатора, образующей в потоке жидкости кавита­ционные полости.

Ультразвуковой метод эмульгирования весьма эффективен: полнота эмульгирования составляет 95%. Метод обеспечивает высокую степень дисперсности (0,1 – 0,5 мкм) и устойчивость эмульсии при длительном хранении.

Работы по оптимизации режимов ультразвуковой гомогенизации, изучению механизма эмульгирования в ультразвуковом поле проводились многими учеными в нашей стране и за рубежом, но в них не раскрыто или недостаточно раскрыто влияние ультразвукового облучения на изменения физико-химиче­ских свойств молока и его компонентов. Известно лишь, что в молоке может появиться привкус топленого молока. Предполагается, что это результат взаи­модействия с жирами атомарного кислорода, выделившегося при распаде. Зна­чительно уменьшается вязкость молока, что указывает на деструкцию молекул белка [9].

Кавитационные динамические смесители. Кавитационное воздействие не только способствует повышению дисперсности эмульсии, но и уничтожает вредные микроорганизмы. При обработке молока при температуре 70ºС общее микробное число снижается в 103 – 105 раз. При этом происходит полное уничтожение вегетативных форм дрожжей и плесеней, а также патогенных микро­организмов группы кишечной палочки и нейтрализация фосфатазы [15].

Такая обработка позволяет увеличить сроки хранения молока при температуре 9…12ºС в неасептической упаковке не менее 5 суток без признаков его скисания.

На входе в каналы поток изменяет направление движения на 90º, при этом возрастает гидродинамическое сопротивление, что ведет к значительной потере давления и соответственно скорости потока. Поэтому в пристеночном слое жидкости, примыкающего к неподвижной стенке канала, сосредотачиваются наиболее плотные, имеющие повышенную вязкость, а возле поверхности, вращающегося ротора, концентрируются более легкие фракции. Недостаточное сопротивление движению потока, в пристеночных областях канала, приводит к ослаблению взаимодействия между молекулами жидкости. Следовательно, при недостаточном напряжении в слоях, переход потока жидкостей, в турбулент­ный режим течения, не произойдет [10].

Механическая лопастная мешалка (рис. 2.4). В промышленности для перемешивания в используют механические мешалки с вращательным движением. При работе таких мешалок возникает сложное трехмерное течение жидкости. Среди основных достоинств мешалок лопастного типа это, относительно небольшая стоимость изготовления и несложность конструкции, удоб­ство и простота в обслуживании. Недостаток лопастных мешалок это слабый осевой поток, который не обеспечивает полное перемешивание всего объёма жидкости в ёмкости или аппарате. Из-за незначительного создания осевого по­тока, лопастная мешалка перемешивает в основном те слои жидкости, которые расположены в близости от лопастей мешалки [11].

Рис. 2.4. Механическая лопастная мешалка

Гомогенизаторы клапанного типа получили наибольшее распространение в молочной промышленности. Принцип действия этих гомогенизаторов за­ключается в следующем. В цилиндре гомогенизатора на молоко оказы­вается механическое воздействие при давлении 15…20 МПа. При подъ­еме кла­пана, приоткрывающем узкую щель, молоко выходит из цилиндра. При про­ходе через узкую круговую щель между седлом и клапаном скорость мо­лока возрастает отнулевой до величины, превышающей 100 м/с. Давление в потоке резко падает, и капля жира, попавшая в такой поток, вытягивается, а затем в ре­зультате действия сил поверхностного натяжения дробится на мелкие капельки-частицы [8].

В молочной промышленности для гомогенизации жидких молочных продуктов применяют гомогенизаторы почти исключительно клапанного типа. В них осуществляется одно и двухступенчатая гомогенизация. При одноступенчатой гомогенизации могут образовываться агрегаты мелких жировых шари­ков, а при двухступенчатой происходит разрушение этих агрегатов и дальней­шее диспергирование жировых шариков.

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, именно поэтому в данной бакалаврской работе будет рассматриваться гомогенизатор клапанного типа.