57. Оборудование для механической обработки молока и молочных продуктов.

Под механической обработкой молока и молочных продуктов обычно понимаются технологические процессы, не приводящие к изменению химического состава исходного продукта, но изменяющие физические свойства и структурно-механические характеристики продукта (размер частиц, вязкость, стабильность эмульсии, отделение фаз, удаление примесей).

Оборудование для удаления из молока механических примесей. Различные механических и естественные примеси из молока и молочных продуктов удаляют с помощью фильтра, способного пропускать жидкость, но задерживать взвешенные в ней твердые частицы.

Основной частью любого фильтра является фильтровальный элемент, в качестве которого используются ткани из волокон растительного и животного происхождения, а также из синтетических, стеклянных, керамических и металлических материалов. Фильтровальные элементы, изготовленные из синтетических волокон (поливинилхлоридные, полиамидные, лавсановые), по своим свойствам во многих отношениях превосходят хлопчатобумажные и шерстяные, так как сочетают высокую механическую прочность с термоустойчивостью и невосприимчивостью к воздействию микроорганизмов. Металлические элементы выполняют в виде сеток и тканей из нержавеющих сталей, а также перфорированных листов. Последние обычно используются при разделении систем, содержащих грубодисперсные частицы, и в качестве опорных перегородок для фильтровальных тканей.

Фильтры бывают периодического и непрерывного действия. Большинство из них работает в закрытом потоке под вакуумом или при избыточном давлении в системе. В зависимости от конструкции фильтрующего элемента фильтры делятся на цилиндрические и дисковые.

Цилиндрические фильтры периодического действия бывают с одноразовыми и многоразовыми фильтрующими элементами.

Помимо классов фильтры делятся и на подклассы: фильтры периодического действия (картриджные (патронные), пластинчатые) и фильтры непрерывного действия (ленточные вакуум-фильтры, барабанные вакуум-фильтры (используются, например, для творожной сыворотки)).

Дисковый фильтр периодического действия состоит из корпуса, закрытого сверху крышкой и имеющего клапан. Сбоку корпуса размещен патрубок для входа молока, снизу – патрубок с трубой для выхода молока из фильтра. Внутри корпуса установлен набор дисков с отверстиями, между которыми зажаты фильтрующие элементы.

Дисковый фильтр: 1 – корпус; 2, 5 – патрубки для молока; 3 – кран для спуска остатков молока; 4 – опора; 6 – прокладки; 7 – отверстия; 8 – фильтрующие диски; 9 – воздушный клапан; 10 – крышка; 11 – обойма; 12 – внутренний стакан.

Молоко поступает под давлением внутрь центрального цилиндрического стакана через патрубок, проходит через отверстия в дисках и фильтрующие элементы и выводится из стакана по трубе.

При средней загрязненности молока (содержание примесей 0,05–0,07%) цилиндрические фильтры могут работать без разборки 1,5–2 ч, дисковые дольше – 2,5–3 ч. Поэтому для длительной непрерывной работы фильтров их выполняют двухкамерными с возможностью поочередной работы каждой из них.

Фильтры обладают преимуществом перед центробежными молокоочистителями в том случае, если молоко очищается от частиц с плотностью ниже, чем плотность плазмы молока. Фильтр задерживает частицы определенного размера независимо от их плотности. Поэтому если скот содержится на торфяной подстилке, то фильтры задерживают легкие торфяные частички, чего нельзя достичь с помощью центробежных молокоочистителей. Центробежные очистители эффективнее удаляют тяжелые примеси (песок, металлические частицы) и бактериальные клетки/сомы за счет центробежной силы, а также работают непрерывно с большей производительностью. Фильтры же лучше для волокнистых загрязнений (подстилка, шерсть).

Оборудование для разделения гетерогенных систем. Физическая сущность процесса разделения (сепарирования) молока, как и любой гетерогенной системы, заключается в осаждении дисперсной фазы в поле действия гравитационных и центробежных сил.

При сепарировании молоко разделяется на две фракции различной плотности: высокожирную (сливки) и низкожирную (обезжиренное молоко).

По назначению различают сепараторы-молокоочистители и сепараторы-сливкоотделители.

По способу подачи молока и отвода продуктов сепарирования они бывают открытые, полузакрытые и закрытые.

В открытых сепараторах подача молока, отвод сливок и обрата происходят в соприкосновении с воздухом. В этом случае образуется молочная пена, ухудшающая условия эксплуатации сепараторов. Производительность таких аппаратов обычно не превышает 0,3 кг/с.

В полузакрытых сепараторах производительностью 0,5-1,0 кг/с молоко подается открытым способом, а отвод продуктов – закрытым под напором.

В закрытых (герметических) сепараторах производительностью свыше 1,0 кг/с подача молока и отвод продуктов сепарирования происходят без доступа воздуха под давлением по трубам. Давление на входе создается насосом, а давление на выходе сливок/обрата обеспечивается напорными дисками (или гидрозатворами), создающими противодавление в закрытой системе. Это позволяет встраивать сепаратор в закрытую технологическую линию.

По способу удаления из барабана механических примесей и белкового сгустка сепараторы могут быть с ручной выгрузкой осадка (остановка сепаратора, разборка и очистка барабана), с периодической выгрузкой через окна в корпусе барабана (саморазгружающиеся) и с непрерывной выгрузкой осадка через сопла по периферии корпуса барабана (творожные).

В зависимости от типа привода сепараторы могут быть с ручным и с электроприводом. Передача вращения от электродвигателя к барабану у сепараторов второй группы осуществляется с помощью винтовой пары или ременной передачи. Барабаны сепараторов небольшой производительности устанавливают непосредственно на валу двигателя.

Один из основных технологических параметров, характеризующих работу сепараторов – температура очищаемого или сепарируемого продукта. Молоко, направляемое на очистку или сепарирование должно иметь температуру 40-45°С.

Сепараторы для получения высокожирных сливок предназначены для сепарирования сливок с массовой долей жира 30-40% и температурой 65-95°С. При очистке или сепарировании холодного молока продукт может иметь температуру 4-10°С. Однако обычно молоко обязательно подогревается (до температуры 40-45°С) перед сепарированием для снижения вязкости и повышения разницы плотности жира и плазмы, что резко увеличивает эффективность разделения.

Основными узлами сепаратора любого типа являются станина, состоящая из корпуса и чаши, барабан, приемно-выводное устройство и приводной механизм, включающий в себя вертикальный вал (веретено) и горизонтальный вал с зубчатым колесом.

Молокоочиститель полузакрытого типа с ручной выгрузкой осадка: 1 – корпус станины; 2 – тормоз; 3 – приемно-выводное устройство; 4 – крышка сепаратора; 5 – чаша станины; 6 – стопор барабана; 7 – барабан; 8 – вертикальный вал (веретено); 9 – зубчатое колесо горизонтального вала.

В корпусе станины размещен приводной механизм, на вертикальном валу которого установлен барабан. Чаша станины закрыта крышкой, служащей для размещения приемно-выводного устройства.

У саморазгружающихся и сопловых сепараторов имеется приемник осадка или сгущенной фракции (например, творожного сгустка). Электродвигатель фланцевого исполнения расположен сбоку станины, и его вал соединяется с приводным механизмом через разгонную центробежную фрикционную муфту. Выгрузка осадка происходит без остановки сепаратора через специальные окна в корпусе барабана под действием центробежной силы в момент кратковременного опускания подвижного днища (поршня) гидравлической системой.

В зависимости от технологического назначения сепараторов их барабаны работают по различным схемам:

Технологические схемы барабанов сепараторов различных типов: а – барабан сепаратора-разделителя (сливкоотделителя); б – барабан сепаратора-осветлителя (молокоочистителя); в – барабан соплового сепаратора (творожного); г – барабан сепаратора с периодической центробежной выгрузкой осадка: 1 – тарельчатые вставки; 2 – осадок (сепараторная слизь); 3 – тяжелая фракция (обезжиренное молоко); 4 – легкая фракция (сливки); 5 – осветленная жидкость (чистое молоко); 6 – творожная сыворотка; 7 – приемник творога; 8 – творожный сгусток; 9 – сопло; 10 – напорный диск сливок; 11 – напорный диск обезжиренного молока; 12 – разгрузочные окна; 13 – подвижное днище (поршень); 14 – клапан управления движением поршня; 15 – приемник осадка.

Барабан сепаратора-сливкоотделителя открытого типа с ручной выгрузкой осадка состоит из основания, уплотнительного кольца, тарелкодержателя, пакета тарелок, разделительной тарелки, корпуса и стяжной гайки.

Основание барабана имеет сложную форму и представляет собой днище с центральной трубкой.

Тарелкодержатель предназначен для фиксации тарелок в виде пакета и распределения молока по трем каналам. В основании тарелкодержателя выполнено отверстие для фиксации его относительно основания барабана.

Пакет из 48-56 тарелок служит для образования межтарелочного пространства, в котором происходит разделение молока на сливки и обезжиренное молоко.

Зазор межтарелочного пространства создается тремя шипами высотой 0,4 мм, которые расположены на внешней стороне каждой тарелки. Последняя тарелка имеет шипики с обеих сторон, что позволяет образовать зазор не только с соседней тарелкой, но и с основанием барабана. В каждой тарелке по три отверстия; при сборке тарелок в пакет формируются вертикальные каналы, через которые молоко распределяется в межтарелочном пространстве.

Разделительная тарелка служит для разделения обезжиренного молока и сливок на два потока. На ее верхней поверхности выполнены три ребра, обеспечивающие необходимый зазор между внутренней поверхностью корпуса барабана и разделительной тарелкой. В верхней цилиндрической части разделительной тарелки есть отверстие для отвода сливок.

Корпус барабана имеет коническую форму с некоторым расширением в основании, которое образует грязевое пространство. В нижней части корпуса с наружной стороны расположен фиксатор, входящий при сборке в вырез основания барабана. В верхней части шейки корпуса имеются два щелевых выходных канала для отвода обезжиренного молока, отверстие для выхода сливок и регулировочный винт, представляющий собой втулку с резьбой.

Основными силами, дробящими жировой шарик, являются:

1) гидродинамические силы сдвига при прохождении через узкую щель с высокой скоростью;

2) кавитация - образование и схлопывание пузырьков пара/газа при резком падении давления за щелью;

3) удары о твердую поверхность при столкновении со стенкой после выхода из щели.

Количественное соотношение между сливками и обезжиренным молоком в сепараторах может изменяться в весьма широких пределах (от 1:3 до 1:12). При этом необходимое соотношение достигается с помощью регулировочных устройств, принцип действия которых основан либо на изменении скорости истечения сливок или обезжиренного молока путем изменения напора, либо изменении сечения выходного отверстия.

При первом способе регулировочный винт с отверстием неизменного сечения ввертывают внутрь. Скорость истечения сливок снижается, так как центробежная сила по мере приближения винта к оси вращения уменьшается, а с ней уменьшается и напор. Сливок при этом будет выходить меньше, но они будут более вязкими и содержать больше жира.

Второй способ регулирования жирности сливок реализован в полузакрытых сепараторах-сливкоотделителях.

В современных сепараторах часто используется комбинированный принцип: регулировка жирности осуществляется изменением радиуса сливного отверстия (регулировочной тарелкой/кольцом/винтом), а регулировка производительности по сливкам - дросселированием на выходе (вентилем).

Отличительной особенностью барабана сепаратора такого типа является конструкция разделительной тарелки, в верхней части которой размещены две напорные камеры. В одной камере находится напорный диск сливок приемно-выводного устройства сепаратора. В камере, расположенной в горловине крышки барабана, размещен напорный диск обезжиренного молока.

В полузакрытых сепараторах-сливкоотделителях соотношение количества сливок и обезжиренного молока регулируется вентилями (дросселями), установленными на патрубках приемно-выводного устройства.

В герметичных сепараторах молоко подается через полый вертикальный вал, на котором установлен барабан. Далее оно попадает под тарелкодержатель, а затем по вертикальным каналам, образованным отверстиями тарелок, распределяется в межтарелочное пространство пакета тарелок. Сливки в таком барабане собираются в центральной трубке и выводятся из нее за счет давления, создаваемого на входе в сепаратор.

Принцип работы барабана сепаратора-сливкоотделителя с центробежной периодической выгрузкой осадка основан на создании определенного перепада давления между молоком в барабане и жидкостью (буферной водой) под подвижным днищем (поршнем).

Барабан сепаратора-сливкоотделителя с центробежной периодической выгрузкой осадка: 1 – основание барабана; 2 – подвижное днище (поршень); 3, 5 – уплотнительные кольца; 4 – окно для выгрузки осадка; 6 – затяжное кольцо; 7 – крышка барабана; 8 – клапан разгрузки; 9 – сопло; 10 – распределительное кольцо буферной воды.

Для этого сепаратор снабжен гидравлической системой управления разгрузкой, которая может работать в ручном и автоматическом режимах. Основными элементами системы являются гидроузел и щит управления.

Оборудование для гомогенизации молока и молочных продуктов. Гомогенизация – это раздробление (диспергирование) жировых шариков путем воздействия на молоко или сливки значительных внешних усилий. В процессе обработки уменьшаются размеры жировых шариков и скорость их всплывания при хранении. Происходит перераспределение оболочечного вещества жирового шарика, стабилизируется жировая эмульсия, и гомогенизированное молоко не отстаивается.

Гомогенизаторы клапанного типа служат для обработки молока и сливок с целью предотвращения их расслаивания при хранении.

Принцип действия гомогенизаторов клапанного типа, получивших наибольшее распространение, 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 (это возможно при достижении в цилиндре рабочего давления), при проходе через узкую круговую щель между седлом и клапаном, скорость молока возрастает от нулевой 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 более мелкие капельки-частицы.

При работе гомогенизатора на выходе из клапанной щели часто наблюдается слипание раздробленных частичек и образование «гроздьев», снижающих эффективность гомогенизации. Во избежание этого применяют двухступенчатую гомогенизацию. На первой ступени создается давление, равное 75% рабочего, на второй ступени устанавливается рабочее давление.

Для проведения гомогенизации температура молочного сырья должна быть 60–65°С. При более низкой температуре усиливается отстаивание жира, при более высокой могут осаждаться сывороточные белки. После гомогенизации продукт необходимо быстро охладить до 4-6°C для предотвращения повреждения мембран жировых шариков и роста микрофлоры.

Гомогенизатор с двухступенчатой гомогенизирующей головкой состоит из станины, корпуса, плунжерного блока, гомогенизирующей головки, привода и кривошипно-шатунного механизма.

Гомогенизатор А1-ОГМ-5: 1 – электродвигатель; 2 – станина с приводом; 3 – кривошипно-шатунный механизм с системами смазки и охлаждения; 4 – плунжерный блок; 5 – манометрическая головка; 6 –гомогенизирующая головка; 7 – клиноременная передача.

Станина изготовлена из швеллеров и снаружи обшита листовой сталью. Внутри ее установлен электродвигатель на плите, которая крепится к станине шарнирно на двух кронштейнах.

Плунжерный блок состоит из корпуса, манжетных уплотнений, всасывающих и нагнетательных клапанов и седел клапанов. При работе одной плунжерной пары жидкость поступает к гомогенизирующей головке пульсирующим потоком.

С целью его выравнивания в гомогенизаторах обычно применяются трехплунжерные насосы, приводимые в действие коленчатым валом, у которого колена смещены на 120° относительно друг друга.

К плунжерному блоку болтами крепятся двухступенчатая плунжерная головка, манометрическая головка и предохранительный клапан, расположенный с противоположной стороны гомогенизирующей головки. Манометрическая головка имеет дросселирующее устройство, позволяющее уменьшить амплитуду колебаний стрелки манометра во время работы гомогенизатора.