Курс лекций по ТОО молоко.3-4 курсы ИТФ
.pdf
В результате перераспределения оболочечного вещества, полностью покрывавшего жировые шарики до их разрушения, вновь образованные шарики имеют недостаточно прочные и толстые оболочки. В состав этих оболочек также входят адсорбированные белки плазмы молока.
Фокс вместе со своими коллегами *исследовал жиропротеиновый комплекс, полученный в результате гомогенизации молока. Он доказал, что казеин является протеиновым слагаемым комплекса и что он, возможно, связан с жировой фракцией через полярные силы притяжения. Он также установил, что казеиновые мицеллы активизируются в момент прохождения сквозь клапан гомогенизатора, вызывая предрасположенность к взаимодействию с жировой фазой.
Рис.4. В процессе гомогенизации шарики жира разбиваются на гораздо более мелкие
Требования к процессу
Физическое состояние и концентрация жировой фракции во время гомогенизации влияют на размеры жировых шариков. Гомогенизация холодного молока, в котором жир в основном присутствует в затвердевшем состоянии, практически неосуществима. Обработка молока при температуре 30–35°С приводит к неполной дисперсии жировой фракции. Гомогенизация по-настоящему эффективна, когда вся жировая фаза находится в жидком состоянии, причем в концентрациях, нормальных для молока. Продукты с повышенной массовой долей жира имеют тенденцию к образованию крупных скоплений жировых шариков, особенно при низкой концентрации протеинов сыворотки на фоне высокого содержания жира. Сливки с жирностью выше 12% не могут быть успешно гомогенизированы при стандартном повышенном давлении, потому что из-за недостатка
251
мембранного материала (казеина) шарики жира слипаются в гроздья. Для достаточно эффективной гомогенизации на один грамм жира должно приходиться 0,2 грамма казеина.
Процессы гомогенизации, проводящиеся под высоким давлением, приводят к образованию маленьких жировых шариков. С ростом температуры гомогенизации возрастает дисперсность жировой фазы – соразмерно с уменьшением вязкости молока при повышенных температурах.
Обычно гомогенизацию проводят при температуре от 55 до 80°С, под давлением от 10 до 25 МПа (100–250 бар), в зависимости от типа обрабатываемого продукта.
Характеристики потока
При прохождении потока по узкому каналу его скорость возрастает (см. рис. 5). Скорость будет расти до тех пор, пока статическое давление не снизится до такого уровня, при котором жидкость закипает. Максимальная скорость главным образом зависит от давления на входе. Когда жидкость покидает щель, скорость снижается, а давление начинает расти. Кипение жидкости прекращается, и паровые пузырьки взрываются.
Рис.5. В процессе гомогенизации молоко проталкивается через узкую щель, в которой происходит разрушение жировых шариков
Теории гомогенизации
За годы применения процесса гомогенизации возникло много теорий, объясняющих механизм гомогенизации при высоком давлении. Две теории, объяснящие дисперсную систему нефть – вода по аналогии с молоком, где диаметр большинства капель составляет меньше 1 мкм, не устарели до настоящего момента.
Они дают объяснение влияния различных параметров на эффективность гомогенизации. Теория разрушения шариков турбулентными водоворотами (“микровихрями”) основана на том, что в жидкости, движущейся с высокой скоростью, возникает большое количество турбулентных микропотоков.
252
Если турбулентный микропоток сталкивается с соразмерной ему каплей, последняя разрушается. Данная теория позволяет предвидеть изменения результатов гомогенизации при изменении применяемого давления. Эта связь была обнаружена во многих исследованиях.
С другой стороны, теория кавитации гласит, что капельки жира разрушаются ударными волнами, возникающими при взрывах паровых пузырьков. Согласно этой теории, гомогенизация происходит при покидании жидкостью щели. Таким образом, противодавление, необходимое для кавитации, имеет в этом случае большую значимость. Это было подтверждено на практике. Однако гомогенизация возможна и без кавитации, но в таком случае она менее эффективна.
Одноступенчатая и двухступенчатая гомогенизация
Гомогенизаторы могут быть оснащены одной гомогенизирующей головкой или двумя, последовательно соединенными. Отсюда название: одноступенчатая гомогенизация и двухступенчатая гомогенизация.
При одноступенчатой гомогенизации весь перепад давления используется в единственной ступени. При двухступенчатой гомогенизации суммарное давление замеряется перед первой ступенью Р1, и перед второй ступеньюР2. Для достижения оптимальной эффективности гомогенизации обычно используется двухступенчатый вариант. Но желаемые результаты удается получить, если соотношение Р2 : Р1 равняется примерно 0,2.
Одноступенчатый вариант используется для гомогенизации
–продукции с низкой жирностью,
–продукции, требующей высокой вязкости (образования определенных агломератов).
Двухступенчатая гомогенизация используется прежде всего для разрушения скоплений жировых шариков:
–в продуктах с высоким содержанием жира
–в продуктах с высоким содержанием сухих веществ
–в продуктах, для которых требуется низкая вязкость
–для достижения максимальной эффективности гомогенизации (микронизации).
На рис.6 показано образование и разрушение скоплений жировых шариков на второй ступени гомогенизации.
253
Рис.6. Разрушение жировых шариков на первой и второй ступенях гомогенизации.
1- после первой ступени; 2-после второй ступени
Гомогенизатор
Для обеспечения максимальной эффективности гомогенизации обычно требуются гомогенизаторы высокого давления. Продукт поступает в насосный блок, где его давление повышается поршневым насосом. Уровень возникшего давления зависит от противодавления, определяемого расстоянием между поршнем и седлом в гомогенизирующей головке. Давление Р1 всегда означает давление гомогенизации. Р2 – это противодавление первой ступени гомогенизации или давление на входе во вторую ступень.
Эффективность гомогенизации
Цель гомогенизации зависит от способа ее применения. Соответственно меняются и методы оценки эффективности. В соответствии с законом Стокса, растущая скорость частицы определяется по следующей формуле, где:
v – скорость
g – ускорение свободного падения p – размер частицы
ηhp – плотность жидкости ηlp – плотность частицы
t – вязкость
v = ( p2 × (ηhp- ηlp ) / 18× t ) × q
Или v = константа × p2
254
Из формулы следует, что уменьшение размера частицы является эффективным способом уменьшения возрастания скорости. Следовательно, уменьшение размера частиц в молоке приводит к замедлению скорости отстаивания сливок.
Аналитические методы
Аналитические методы определения эффективности гомогенизации можно разделить на две группы:
I. Определение скорости отстаивания сливок
Самый старый способ определения времени отстаивания сливок – это взять образец, выдержать его определенное время и затем проанализировать содержание жира в различных его слоях. На этом принципе построен метод USPH. Например, образец объемом в один литр выдерживается 48 часов, после чего определяется содержание жира в верхнем слое (100 мл), а также и во всем остальном молоке. Гомогенизация считается удовлетворительной, если массовой доли жира в нижнем слое в 0,9 раза меньше, чем в верхнем слое.На этом же принципе построен метод NIZO. В соответствии с этим методом образец объемом, скажем, в 25 мл подвергается центрифугированию в течение 30 минут на скорости 1000 об/мин при температуре 40°С и радиусе 250 мм. После этого жирность 20 мл нижнего слоя делится на жирность всего образца и полученный результат умножается на 100. Это соотношение называется значением NIZO. Для пастеризованного молока оно обычно составляет 50–80%.
II. Фракционный анализ
Распределение размеров частиц или капель в образце можно определить хорошо разработанным методом с применением установки лазерной дифракции (см. рис.7), которая посылает лазерный луч в образец, находящийся в кювете. Степень рассеивания света будет находиться в зависимости от размеров и количества частиц, содержащихся в исследуемом молоке.
Рис.7. Анализ частиц методом лазерной дифракции
Результат приведен в виде графиков гранулометрического состава. Процент массовой доли жира представлен как функция размера частицы (размер жирового шарика). На рис. 8 показаны три типовых графика
255
распределения размеров жировых шариков. Обратите внимание на то, что при повышении давления гомогенизации график смещается влево.
Рис.8. График гранулометрического состава |
|
|||
Расход энергии и его влияние на температуру |
|
|
||
Подводимая |
электрическая |
мощность, |
необходимая |
для |
гомогенизации, выражается следующей формулой |
|
|
||
Пример: |
|
|
|
|
Е – потребляемая энергия |
|
|
|
|
Qвх– пропускная способность, |
л/ч 18 000 л/ч |
|
|
|
Р1 – давление гомогенизации, бар |
20 МПа (200 бар) |
|
||
Рвх– давление насоса, бар |
200 кПа (2 бара) |
|
||
ηн– кпд насоса |
|
0,85 |
|
|
ηдв– кпд электродвигателя |
0,95 |
|
|
|
E= Qвх × ( P1 - Рвх) / 36000 × ηн× ηдв кВт
При условиях, приведенных сверху справа, необходимая электрическая мощность составит 123 кВт. Как уже было отмечено, часть вырабатываемой энергии давления преобразуется в тепло. Если температура поступающего молока – Твх , давление гомогенизации – Р1, давление после гомогенизации – Pвых , и если каждое снижение давления на 4 МПа (40 бар) повышает температуру на один градус, можно применить следующую формулу:
Tвых= (P1 – Pвых / 40 ) + Tвх
Расход энергии, рост температуры и снижение давления проиллюстрированы на рис. 9.
Tвх=65°С
P1 = 20 МПа (200 бар)
Pвых= 400 кПа (4 бара)
получается
Tвых=70°С
256
Рис.9. Параметров гомогенизации (энергия, темпертура, давление)
Гомогенизатор в технологической линии
Обычно гомогенизатор устанавливается в начале линии, то есть до секции окончательного нагрева в теплообменнике. В большинстве пастеризационных установок по производству питьевого молока для потребительского рынка гомогенизатор стоит после первой регенеративной секции.
При производстве стерилизованного молока гомогенизатор обычно помещается в начале процесса высокотемпературной обработки, протекающей в системе с косвенным нагревом продукта, и всегда в конце процесса, проходящего в системе с прямым нагревом продукта, т.е. в асептической части установки после участка стерилизации продукта. В таком случае используется асептический вариант гомогенизатора, оснащенный специальными поршневыми уплотнениями, прокладками, стерильным конденсатором и специальными асептическими демпферами.
Асептический гомогенизатор устанавливается после секции стерилизации установок с прямым обогревом продукта в случаях производства молочных продуктов с массовой долей жира более 6–10% и/или с повышенным содержанием белка. Дело в том, что при очень высоких температурах обработки в молоке с высоким содержанием жира и/или протеинов образуются скопления жировых шариков и мицелл казеина. Расположенный после секции стерилизации асептический гомогенизатор разрушает эти агломерированные частицы.
Полная гомогенизация
Полная гомогенизация – наиболее распространенный способ гомогенизации питьевого молока и молока, предназначенного для производства кисломолочных продуктов. Жирность молока, а иногда и содержание сухого обезжиренного остатка (при производстве йогурта, например) нормализуются до гомогенизации.
Раздельная гомогенизация
Раздельная гомогенизация означает, что основная часть обезжиренного молока ей не подвергается. Гомогенизируются сливки и небольшое количество обезжиренного молока. Этот способ гомогенизации обычно используется для пастеризованного питьевого молока. Основное достоинство раздельной гомогенизации – ее относительная экономичность. Общий расход энергии снижается примерно до 65% вследствие меньшего
257
количества молока, проходящего через гомогенизатор. Поскольку наибольшая эффективность гомогенизации может быть достигнута в случае, если в молоке содержится не менее 0,2 г казеина на 1 г жира, рекомендуемая максимальная жирность составляет 12%. Часовая производительность установки, в которой проводится раздельная гомогенизация, может быть определена по далее приведенной формуле.
Формулы расчета: |
|
1. Qsm = Qp × (fcs - frm) / fcs – fsm |
|
2. Qh = Qsm × fsm / fch |
|
Пример: |
|
Qp = производительность установки, л/ч |
10 000 |
Qsm = производство нормализованного молока, л/ч |
|
Qh = производительность гомогенизатора, л/ч |
|
frm = жирность цельного молока, % |
4% |
fsm = жирность нормализованного молока, % |
3% |
fcs = жирность сливок на выходе из сепаратора, % |
35% |
fch = жирность сливок, подготовленных для гомогенизации, % 10% Производство пастеризованного нормализованного молока (Qsm) в час
составит приблизительно 9690 л. Если мы подставим эту цифру в формулу 2, то получим, что часовая производительность гомогенизатора равняется примерно 2900 л, то есть около трети его полной производительности.
Схема потоков в установке для частично гомогенизированного молока приведена на рис. 10.
Влияние гомогенизированных молочных продуктов на организм человека
258
В начале 1970-х годов американский ученый К. Остер (K. Oster) выступил с гипотезой о том, что гомогенизация молока позволяет ферменту ксантин оксидаза проникать через кишечник в кровеносную систему. (Оксидаза – это фермент, который катализирует присоединение кислорода к субстрату вещества или отщепление от него водорода.)
По утверждению Остера, оксидаза ксантина способствует процессу повреждения кровеносных сосудов и ведет к атеросклерозу. Эта гипотеза была отвергнута учеными на том основании, что человеческий организм сам вырабатывает в тысячи раз большие количества этого фермента, чем теоретически могло бы привнести в него гомогенизированное молоко.
Итак, никакого вреда от гомогенизации молока быть не может. С точки зрения питательности гомогенизация никаких особых изменений не привносит, за исключением, пожалуй, того, что в гомогенизированных продуктах жир и протеин расщепляются быстрее и легче. Тем не менее Остер прав в том, что процессы окисления могут приносить вред человеческому организму и что диета важна для здоровья.
259
ЛЕКЦИЯ № 15
ГОМОГЕНЕЗАТОРЫ
Литература:
1.Курс лекций «Технологическое оборудование молочной промышленности». Сост. Раицкий Г.Е., Гродно, 2008.
2.Технология молока. Книга о технологии и технике молочной промышленности.
3.Справочник по оборудованию предприятий молочной промышленности. Томбаев Н.И. Пищевая промышленность.; М.:1972,
с.543: ил.
План лекции:
1.Оборудование для гомогенизации молока и молочных продуктов.
2.Конструкция и технические характеристики гомогенизаторов.
3.Влияние различных факторов на эффективность гомогенизации.
4.Эксплуатация гомогенизаторов и техника безопасности.
Контрольные вопросы:
1.Как устроены гомогенизаторы клапанного типа?
2.Как устроены гомогенизаторы – пластификаторы?
3.В чем состоит принцип ультразвуковой гомогенизации молока и как устроен такой гомогенизатор?
4.Какие факторы влияют на эффективность гомогенизации молока?
ВОПРОС №1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ.
Основным узлом современных гомогенизаторов клапанного типа является гомогенизирующая головка. Она может быть одно или двухступенчатой. Вторая ступень обычно работает при более низком давлении, чем первая. Применение одноили двухступенчатой гомогенизации зависит от вида вырабатываемых молочных продуктов.
Двухступенчатую гомогенизацию с большим перепадом давления на обеих ступенях применяют при производстве высокожирных молочных продуктов (сливки, смеси мороженого и т.п.). Она позволяет рассеивать (разбивать) образующиеся скопления жировых шариков. Для выработки других видов молочных продуктов, в том числе для питьевого молока, можно использовать одноступенчатую гомогенизацию.
На рис. 1. показана схема одно- и двухступенчатой гомогенизирующих головок гомогенизатора клапанного типа. При движении плунжера влево в цилиндре создается разрежение и через
260