Курс лекций по ТОО молоко.3-4 курсы ИТФ

тахометр; 12 — чаша; 13— стопорный винт; 14— прижимная планка; 15 — пакет тарелок; 16, 17— приемники соответственно для пахты и высокожирных сливок; 18 — уплотнительное кольцо

Рис. 9. Барабан сепаратора для высокожирных сливок:

1 — разделительная тарелка; 2 — регулирующий винт; 3 — пакет тарелок; 4

— тарелко-держатель; 5, 8 — уплотнительные кольца; 6 — нижняя тарелка; 7, 11, 13 — штифты; 9 — корпус барабана; 10 — соединительная гайка; 12 — крышка барабана

ВОПРОС 5. СЕПАРАТОРЫ КОЛАРИФИКСАТОРЫ И КЛАРИФИКАТОРЫ

Сепаратор-кларификатор ВСМ (рис. 10) предназначен для тонкого осветления различных пищевых суспензий: соков, морсов, мелассы.

Сепаратор состоит из станины 5, приводного механизма, барабана 4, приемно-выводного устройства 2 и тахометра.

В верхней части станины 5 крепится барабан 4, на котором смонтированы тормозные устройства 3. Внутренняя часть станины является масляной ванной зубчатых передач приводного механизма.

Приводной механизм состоит из электродвигателя 1, упругой и фрикционно-центробежной муфт, горизонтального и вертикального валов.

Барабан является основным рабочим органом сепаратора, в котором под действием центробежной силы происходит осветление суспензии.

Приемно-выводное устройство служит для подачи сепарируемого продукта в барабан и отвода осветленной жидкости из барабана.

Сепаратор-кларификатор ВСМ работает следующим образом.

Для промывки, подогрева и проверки герметичности барабана в приемно-выводное устройство перед началом сепарирования через барабан пропускают воду, подогретую до температуры 40...60 °С. После этого по подводящему трубопроводу во вращающийся барабан подают продукт, подлежащий осветлению. Под действием центробежной силы взвешенные

241

частицы отбрасываются к внутренним поверхностям вставок барабана и осаждаются на них.

Рис. 10. Сепаратор-кларификатор ВСМ

Осветленная жидкость под давлением выводится из барабана по отводящему трубопроводу.

Кларификсаторы (рис.11) относятся к тарельчатым сепараторам.

Рис. 11. Кларификсатор:

242

1 — станина; 2 — корпус барабана; 3 — тарелкодержатель; 4 — тарелки; 5 — крышка

барабана; 6 — сопловые трубки; 7 — камера очищенного молока; 8 — пробоотборник;

9 — центральная трубка; 10 — патрубок отвода очищенного молока; 11 — напорный

диск; 12 — гомогенизирующий диск; 13 —рабочая камера; 14 —корпус

Молоко подается в барабан 1 по центральной трубке (рис.12) и далее, проходя по реберной вставке 4, оно через каналы в тарелкодержателе 3 поступает в комплект тарелок 5, 6, 7. Тарелки кларификсатора имеют отверстия, которые при сборке комплекта образуют канал. По каналу молоко поднимается в верхнюю часть барабана и растекается по межтарелочным зазорам, где происходит выделение сливок. Сливки, как более легкая фракция, оттесняются к центру барабана и по каналу, образованному тарелкодержателем и верхними кромками тарелок, попадают в гомогенизирующую камеру 10 с гомогенизирующим диском 11.

Рис. 12. Барабан кларификсатора:

1 — корпус барабана; 2 — крышка барабаыа; 3 — тарелкодержатель; 4 — реберная вставка; 5 — нижняя тарелка; 6 — промежуточная тарелка; 7 — верхняя тарелка; 8 — разделительная тарелка; 9 — центральная трубка; 10 — гомогенизирующая камера; 11 — гомогенизирующий диск; 12 — трубка для отвода сливок; 13 — напорный диск; 14 — патрубок для отвода молока

243

Из камеры 10 сливки через сопловые трубки направляются во внутреннее пространство гомогенизирующего диска 11, откуда под напором они поступают в кольцевой зазор между центральной трубкой 9 и трубкой 12. Опускаясь, сливки в тарелкодержателе смешиваются с молоком и поступают на повторное сепарирование. В результате прохождения сливок через гомогенизирующие камеру и диск крупные жировые шарики раздробляются. Образовавшиеся мелкие жировые шарики при повторном сепарировании уже не выделяются к центру, а вместе с молоком направляются к периферии.

Гомогенизированное и очищенное молоко поднимается между разделительной тарелкой 8 крышкой барабана 2, попадает в камеру для молока; напорным диском 13 через патрубок 14 отводится из барабана.

244

ЛЕКЦИЯ 14

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Литература:

1.Курс лекций «Технологическое оборудование молочной промышленности». Составитель Раицкий Г.Е., Гродно, 2008.

2.Технология молока. Книга о технологии молока и техника молочной промышленности.

План лекции:

1.Задачи гомогенизации молока и молочных продуктов.

2.Сущность гомогенизации молока и молочных продуктов.

3.История развития представлений о гомогенизации.

Контрольные вопросы:

1.Перечислите основные задачи гомогенизации.

2.Как выглядит теоретический процесс механической гомогенизации?

a.В клапанном механизме.

b.В роторно-дисковых устройствах.

3.В чем состоят основные требования к процессу?

4.В чем назначение и различие одно- и двухступенчатых процессов.

5.Как влияет процесс на структуру и свойства молока.

ВОПРОС 1. ЗАДАЧИ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Гомогенизация молока Этот способ механической обработки молока и жидких молочных

продуктов служит для повышения дисперсности в них жировой фазы, что позволяет исключить отстаивание жира во время хранения молока, развитие окислительных процессов, дестабилизацию и подсбивание при интенсивном перемешивании и транспортировании. Гомогенизация сырья способствует:

при производстве пастеризованного молока и сливок— приобретению однородности (вкуса, цвета, жирности);

стерилизованного молока и сливок — повышению стойкости при хранении;

245

кисломолочных продуктов (сметаны, кефира, йогурта и др.) — повышению прочности и улучшению консистенции белковых сгустков и исключению образования жировой пробки на поверхности продукта;

сгущенных молочных консервов — предотвращению выделения жировой фазы при длительном хранении;

сухого цельного молока — снижению количества свободного молочного жира, не защищенного белковыми оболочками, что приводит к быстрому его окислению под действием кислорода атмосферного воздуха;

восстановленных молока, сливок и кисломолочных напитков— созданию наполненности вкуса продукта и предупреждению появления водянистого привкуса;

молока с наполнителями (какао и др.) — улучшению вкуса, повышению вязкости и снижению вероятности образования осадка.

Диспергирование жировых шариков, т. е. уменьшение их размеров и равномерное распределение в молоке, достигается воздействием на молоко значительного внешнего усилия (давление, ультразвук, высокочастотная электрическая обработка и др.) в специальных машинах — гомогенизаторах. Наибольшее распространение в молочной отрасли получила гомогенизация молока при продавливании его через кольцевую клапанную щель гомогенизирующей головки машины. Жировые шарики, проходя через эту щель, диспергируются. Необходимое давление создается насосом. При производстве цельного молока размер жировых шариков с 3—4 мкм уменьшается до 0,7—0,8 мкм.

ВОПРОС 2. СУЩНОСТЬ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Гомогенизация молока и молочных продуктов осуществляется в специальных аппаратах — гомогенизаторах. Основным способом гомогенизации в молочной промышленности является продавливание молока через узкую щель с помощью определенного давления. При этом применяются гомогенизаторы низкого и высокого давления. Наибольшее применение нашли гомогенизаторы высокого давления, или клапанные гомогенизаторы, создающие максимальный эффект гомогенизации.

Клапанный гомогенизатор — это аппарат высокого давления, на нагнетательной линии которого установлен гомогенизирующий клапан. Последний с помощью пружины или гидравлического поршня прижат к седлу клапана. Для проведения гомогенизации молоко поступает в насосный блок гомогенизатора, где поршневым насосом, совершающим возвратнопоступательное движение, создается высокое давление р0. Уровень этого давления зависит от противодавления р1, определяемого расстоянием между клапаном и седлом в гомогенизирующей головке. Поршни насоса изготовлены из высокопрочного материала и оснащены двойными уплотнениями. В пространство между уплотнениями подается либо вода для

246

охлаждения поршней, либо горячий конденсат для сохранения асептических условий при производстве стерилизованного молока.

Давление гомогенизации автоматически поддерживается неизменным и может достигать 10—20 МПа в зависимости от вида молочного продукта, подвергающегося гомогенизации.

Диспергирование жировых шариков происходит в гомогенизирующем устройстве гомогенизатора высокого давления в щели, образующейся между седлом и клапаном за счет того, что давление гомогенизации р0 начинает превышать давление масла на гидравлический поршень (рис. 1). Поток молока проникает в эту щель под высоким давлением. Размер щели в сто раз превышает размер жировых шариков, а скорость течения потока молока (ЮО—400 м/с) очень велика за счет высокого давления, поэтому гомогенизация происходит за 10—15 мкс.

Рис. 15. Схема прохождения жировых шариков молока через щель клапанного гомогенизатора размером 0,01 мм

Рис. 2. Схема гомогенизации по Н. В. Барановскому:

р0 — давление на жировой шарик, создаваемое поршневым насосом; р1 — противодавление, оказываемое на жировой шарик в гомогенизирующей щели; v0 — скорость жирового шарика в канале седла клапана; v´0—скорость жирового шарика между седлом и клапаном; v1 —скорость жирового шарика в клапанной щели гомогенизатора; d — диаметр канала седла; h — высота клапанной щели

247

Теоретически механизм гомогенизации в клапанном гомогенизаторе объясняли многие исследователи. По Н. В. Барановскому, жировой шарик в канале седла диаметром d (рис.2) движется с малой начальной скоростью v0 (несколько метров в секунду). Затем он изменяет направление и двигается к пограничному сечению между седлом и клапаном с несколько большей скоростью v'0. В клапанной щели жировой шарик приобретает еще более высокую скорость v1 (v1 > V´0 > v0), составляющую несколько сотен метров в секунду. Градиент скорости при ламинарном потоке больше, чем при турбулентном.

При переходе от малых скоростей к высоким в жировых шариках происходят внутренние деформации. Шарики могут постепенно вытягиваться в нити преимущественно на входе в клапанную щель и разрываться там на мелкие капельки либо совершать вращательное движение, в результате чего возникают центробежные силы, достаточные для преодоления сил поверхностного натяжения.

Быстрое вытягивание жировой капли происходит благодаря перепаду давлений между давлением гомогенизации ро и давлением р1, действующим на жировые шарики в зоне высоких скоростей, причем ро значительно больше р1. Происходит сдавливание жирового шарика, и жидкий молочный жир выдавливается из него в виде капли.

По теории Н. В. Барановского, эффективность гомогенизации зависит прежде всего от скорости потока v1 при входе жидкости в клапанную щель. Чем выше скорость v1 тем интенсивнее вытягивается жировая капля в нить, тем тоньше эта нить и, следовательно, меньше по размерам образующиеся капли. В свою очередь, скорость потока v1 зависит от перепада давлений ( р =Р0-Р1). При повышении давления скорость увеличивается пропорционально квадратному корню из перепада давлений. Н. В. Барановским предложена формула приближенного расчета давления гомогенизации для получения заданного размера жирового шарика: dcp =12/ p .

Теория разрушения жировых шариков турбулентными водоворотами («микровихрями») основана на том, что в жидкости, движущейся с высокой скоростью, возникает большое количество микропотоков. Если турбулентный микропоток сталкивается с соразмерной ему каплей, последняя разрушается.

Кавитационная теория объясняет механизм дробления жировых шариков в клапанном гомогенизаторе следующим образом. Капельки жира разрушаются ударными волнами, возникающими при взрывах паровых пузырьков. Согласно этой теории гомогенизация происходит при выходе молока из гомогенизирующей щели.

Скорость потока молока при прохождении по узкой гомогенизирующей щели резко возрастает. Она будет возрастать до тех пор, пока статическое давление не снизится до такого уровня, при котором жидкость закипает. Максимальная скорость потока зависит главным образом от давления на входе в гомогенизирующую щель. Когда молоко покидает щель, скорость

248

потока снижается, а давление начинает расти. Кипение жидкости прекращается, и паровые пузырьки взрываются.

Кавитационная теория объясняет механизм гомогенизации на сепараторах-кларификаторах, предназначенных для одновременной очистки и гомогенизации молока. Попадающее в сепаратор молоко растекается по межтарелочным пространствам, где происходит отделение сливок. Последние попадают в камеру с гомогенизирующим неподвижным диском, где происходит дробление жировых шариков. Между отверстиями — шипами гомогенизирующего диска — образуются характерные кавитационные зоны. В гомогенизирующей камере возникает вакуум, который приводит к кипению жидкости и возникновению паровых пузырьков. При мгновенном разрушении пузырьков создается сверхвысокое давление, которое и является причиной дробления жировых шариков. Дисперсность молочного жира после обработки на сепараторахкларификаторах невелика, поэтому этот способ дробления жировых шариков не нашел широкого применения.

Повысить дисперсность эмульсии молочного жира можно с помощью эмульсоров, в которых происходит тонкое диспергирование жидкости. Действуют эмульсоры либо по принципу центробежного насоса, либо по типу устройства для диспергирования струйного типа. Такой способ можно применять для гомогенизации жирных смесей, например сливок при производстве сметаны, т. е. там, где рекомендуется низкое давление, чтобы не оказывать значительного механического воздействия на продукт во избежание появления «свободного» молочного жира. Эффективность гомогенизации таким способом невелика.

Диспергирование жировых шариков может происходить и при ультразвуковой обработке молока. Достаточно интенсивные ультразвуковые колебания вызывают кавитацию — разрывы сплошной среды и образование пустот, закрывающихся при больших перепадах давления. Ультразвуковые колебания могут являться причиной диспергирования жировых шариков, причем эффективность гомогенизации зависит от числа кавитационных ударов и количества жировых шариков,

проходящих через зону воздействия этих ударов. Существует другое мнение, что диспергирование жировых шариков при обработке молока ультразвуком происходит не от явления кавитации, а от того, что ультразвуковая волна, пронизывая жировой шарик в разных его точках, вызывает различные ускорения, приводящие к возникновению силы, стремящейся разорвать жировой шарик.

В настоящее время разрабатываются аппараты — роторно-пуль- сационные стерилизаторы-гомогенизаторы, обладающие одновременно и тепловым, и гомогенизирующим эффектом. В корпусе аппарата на валу установлен ротор в виде диска, на торцах которого имеются коаксиальные цилиндры с прорезями. Ротор с двух сторон охватывает статор, установленный таким образом, чтобы создавать акустические воздействия различной частоты и амплитуды на обрабатываемый продукт. Эти

249

акустические воздействия и являются причиной диспергирования жировых шариков при прохождении молочного сырья в зазоре между ротором и статором. При этом наибольшая эффективность процесса достигается при возникновении резонансных колебаний ротора и статора, что обеспечивается подбором скорости вращения ротора, его диаметра и зазора (рис. 3) между ротором и статором. На торцах статора, обращенных к ротору, установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами.

Рис. 3. Элемент зазора между статором и ротором в стерилизаторегомогенизаторе:

1 — ротор; 2 — статор; δ — зазор между ротором и статором; ω — угловая скорость вращения ротора; (Р—ωр— О) — эпюра скоростей

движения жидкости в зазоре между ротором и статором

ВОПРОС 3. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ГОМОГЕНИЗАЦИИ

Технология разрушения жировых шариков

Гомогенизация стала стандартным производственным процессом, повсеместно практикуемым в качестве средства удерживания жировой эмульсии от разделения под действием силы тяжести. Голен (Gaulin), который разработал этот процесс в 1899 г., дал ему следующее определение на французском языке: “Fixer la composition des liquides”.

Сначала гомогенизация приводит к расщеплению жировых шариков на гораздо более мелкие (см. рис. 4). В результате уменьшается образование сливок и может также быть снижена тенденция шариков к слипанию или образованию крупных агломератов. В основном гомогенизированное молоко производится механическим способом. Оно на высокой скорости прогоняется сквозь узкий канал. Разрушение жировых шариков достигается сочетанием таких факторов, как турбулентность и кавитация. В результате диаметр шариков уменьшается до 1 мкм, и это сопровождается четырехшестикратным увеличением площади промежуточной поверхности между жиром и плазмой.

250