Курс лекций по ТОО молоко.3-4 курсы ИТФ
.pdf
входе до давления гомогенизации 10-15 МПа (100-240 бар), в зависимости от вида продукции.
Рис. 8. Одноступенчатая гомогенизация. Схема гомогенизирующей головки:
1Клапан
2Ударное кольцо
3Седло
4Гидравлический привод.
Давление на входе в первую ступень перед механизмом (давление гомогенизации) автоматически поддерживается неизменным. Давление масла на гидравлический поршень и давление гомогенизации на клапан уравновешивают друг друга. Гомогенизатор оборудован одним общим масляным баком, независимо от того, одноступенчатый это вариант или двухступенчатый. Однако в двухступенчатом гомогенизаторе есть две гидросистемы, и у каждой свой насос. Новое давление гомогенизации устанавливается изменением давления масла. Давление гомогенизации указывается на манометре высокого давления.
Процесс гомогенизации происходит на первой ступени. Вторая главным образом служит двум целям:
•Созданию постоянного и управляемого противодавления в направлении первой ступени, обеспечивая тем самым оптимальные условия гомогенизации
•Разрушению слипшихся гроздьев жировых шариков, образующихся сразу после гомогенизации.
Детали гомогенизирующей головки обработаны на прецизионном шлифовальном станке. Ударное кольцо посажено на свое место таким образом, что его внутренняя поверхность перпендикулярна выходу из щели. Седло скошено под углом 5 градусов, чтобы продукт получал
271
контролируемое ускорение, предотвращая таким образом ускоренный износ, неизбежный в ином случае.
Рис. 9 Двухступенчатая гомогенизация.
1Первая ступень
2Вторая ступень.
Молоко под высоким давлением проникает между седлом и клапаном. Ширина щели составляет примерно 0,1 мм, что в 100 раз превышает диаметр жировых шариков в гомогенизированном молоке. Скорость прохождения жидкости сквозь узкий кольцевой зазор обычно находится в пределах 100— 400 м/с, и ее гомогенизация происходит за 10-15 микросекунд. За это время вся энергия давления, произведенного поршневым насосом, преобразуется в кинетическую энергию. Часть этой энергии после прохождения через механизм снова преобразуется в давление. Другая часть высвобождается в виде тепла; каждые 40 бар падения давления после прохождения через механизм поднимают температуру на 1°С. На гомогенизацию затрачивается менее 1% всей этой энергии, и все же гомогенизация с помощью высокого давления пока остается наиболее эффективным методом из всех имеющихся на сегодняшний день. Обратите внимание, что давление гомогенизации - это давление перед первой ступенью, а не перепад давлений.
Гомогенизаторы зарубежных фирм. Особенности отдельных моделей зарубежных гомогенизаторов следующие: большое количество плунжеров (до 7), высокие производительности — до 50 000 л/ч с рабочим давлением — до 600 кГ/см2, применение патентованных гомогенизирующих клапанов оригинальной конструкции, предназначенных только для продукта определенной вязкости; применение гидравлической системы контроля и регулирования рабочего давления, а также бесшестеренчатых передач, исключающих шум.
272
Техническая характеристика гомогенизаторов, выпускаемых за рубежом, приведена в табл. 2.
Таблица 2. Техническая характеристика гомогенизаторов, выпускаемых за рубежом.
ВОПРОС № 3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГОМОГЕНИЗАЦИЮ.
Эффективность гомогенизации зависит, прежде всего, от давления и температуры, при которых проводится гомогенизация. При повышении давления увеличивается механическое воздействие на продукт, при этом уменьшается средний диаметр жировых шариков. При давлении гомогенизации 15 МПа средний диаметр равен 1,43 мкм и эффективность гомогенизации составляет 74%. При давлении гомогенизации 20 МПа средний диаметр равен 0,97 мкм и эффективность гомогенизации равна 80 %. Достаточно наглядно зависимость размеров жировых шариков от давления гомогенизации показана на рис. 10.
273
Рис. 10. Дифференциальная кривая распределения жировых шариков по размерам в зависимости от давления гомогенизации молока:
1 — при давлении 20МПа; 2—при давлении 15МПа; 3— при давлении 10МПа; 4— при давлении 5 МПа; 5— молоко негомогенизированное.
Следует отметить, что средний размер жировых шариков при гомогенизации цельного молока и сливок с повышением давления гомогенизации не одинаков. В цельном молоке он больше, чем в сливках. Некоторые исследователи объясняют это явление более высокой турбулентностью потока цельного молока в клапанной щели гомогенизатора, чем у сливок. Это обеспечивает более высокую частоту столкновений первичных (образовавшихся из исходных) жировых шариков в цельном молоке и более высокую вероятность их коалесценции с образованием вторичных (фиксируемых после гомогенизации) жировых шариков. Вместе с тем дисперсность сливок с массовой долей жира выше 20 % с увеличением давления гомогенизации растет медленно. Это связано с возрастанием вероятности коалесценции первичных жировых шариков, еще не покрытых адсорбционными оболочками, при увеличении их концентрации.
Седиментационная устойчивость молочных эмульсий с повышением давления гомогенизации увеличивается до определенного значения, после которого она приобретает стабильное значение либо может начать снижаться. В связи с этим рекомендовано использование давления гомогенизации до значения 25 МПа (оптимальное в диапазоне 10—20 МПа). Существует зависимость давления гомогенизации от массовой доли жира в молочном сырье, повергаемом гомогенизации. С повышением массовой доли жира в сырье образуются скопления первичных жировых шариков из-за их высокой концентрации в сочетании с низкой концентрацией плазменных
274
ПАВ, которые участвуют в построении адсорбционной оболочки. Такие скопления трудноразрушаются даже при применении второй ступени гомогенизации. Наличие скоплений жировых шариков снижает термоустойчивость гомогенизированного молочного сырья. На это нужно обращать внимание, выбирая значения давлений гомогенизации при производстве стерилизованного молока и особенно — стерилизованных сливок. Т. В. Владыкиной предложены формулы для расчета давления гомогенизации сливок с различной массовой долей жира:
(1)
где р—-давление в одноступенчатом гомогенизаторе, МПа; жсл — массовая доля жира в сливках в интервале 6—25 % (преимущественно 12—18 %);
(2)
где р1 — давление на первой ступени двухступенчатого гомогенизатора, МПа; р2 — давление на второй ступени гомогенизатора, МПа; жсл — массовая доля жира в сливках в интервале 6—30 % (преимущественно 12— 25 %).
Рекомендуемое давление при гомогенизации различных молочных эмульсий зависит от состава молочного сырья и вида получаемых молочных продуктов. С повышением массовой доли жира и сухих веществ давление гомогенизации необходимо снижать. Это связано с тем, что при гомогенизации формирование оболочек жировых шариков идет медленнее, чем в молоке, так как компонентов, требуемых для построения оболочечного вещества, меньше и часть свободного жира может остаться незащищенной оболочкой. Чтобы не допустить появления «свободного» жира и повысить эффективность гомогенизации, рекомендуется проводить гомогенизацию молочных смесей с различной массовой долей жира под разным давлением. В зависимости от массовой доли жира в готовом продукте рекомендуемое давление гомогенизации сливок, предназначенных для производства сметаны, находится в пределах 7—12 МПа. С повышением массовой доли жира давление снижают.
Для образования новых оболочек жировых шариков в сливках соотношение СОМО/жир должно быть больше 0,6—0,85.
При добавлении СОМО к гомогенизируемому молочному сырью повышается стабильность белков к нагреванию, что объясняется возрастанием отношения СОМО/жир. Образование жировых скоплений, или «гроздьев», значительно снижается при двухступенчатой гомогенизации. Давление на второй ступени должно быть невысоким, иначе снижается устойчивость белков молока к нагреванию (p2/P1 = 0,2).
275
При производстве мороженого давление гомогенизации (7— 15 МПа) смесей, предназначенных для производства мороженого, также находится в зависимости от массовой доли жира, уменьшаясь по мере возрастания последней.
При производстве сгущенных и сухих молочных консервов гомогенизация — необходимая технологическая операция, проводимая для повышения стойкости консервов при хранении. Давление гомогенизации варьируется в широких пределах: от 5—6 МПа (сгущенная молочная смесь для производства сухих сливок) до 17—19 МПа. При производстве стерилизованных молочных продуктов рекомендуемое давление гомогенизации находится в диапазоне 20—25 МПа.
На эффективность гомогенизации оказывает влияние температура, при которой она проводится. Считается, что молочные смеси можно гомогенизировать в широком диапазоне температур, начиная с температуры плавления молочного жира (37 °С) и заканчивая высокими температурами пастеризации (85—90 °С). Эффективность гомогенизации возрастает с повышением температуры до определенного предела. Оптимальной температурой гомогенизации можно считать 60—70 °С, при которой образуется тонкая прочная адсорбционная оболочка жировых шариков, не имеющая активных поверхностных зон и не тяготеющая к скоплению образований жировых шариков между собой. Особенно заметно повышение эффективности гомогенизации с повышением температуры при гомогенизации высокожирных молочных смесей.
С выбором температуры гомогенизации косвенно связан вопрос о месте гомогенизации в технологической схеме того или иного молочного продукта. Гомогенизация молочных смесей до пастеризации имеет преимущества с точки зрения микробной чистоты получаемого готового продукта, так как устраняет возможность повторного бактериального обсеменения. При этом молочные смеси нагреваются в секции регенерации пастеризационноохладительной установки до температуры 60—65 °С, направляются на гомогенизацию и затем вновь поступают на пастеризационно-охладительную установку для пастеризации. Эта схема предпочтительнее других схем гомогенизации, но имеет свои недостатки. В результате гомогенизации стабильность белков плазмы молока к нагреванию снижается, так как изменяется соотношение казеина и сывороточных белков в сторону последних. Этот факт нужно учитывать при производстве молочных продуктов с высокотемпературной обработкой (стерилизованное молоко, кисломолочные напитки и т. д.). Там, где используется высокотемпературная обработка молочных смесей, гомогенизацию лучше проводить после пастеризации или высокотемпературной обработки. В первом случае она проводится либо при температуре 60—65 °С, либо при температуре пастеризации; во втором — на асептическом гомогенизаторе при температуре около
70 °С.
276
Гомогенизация молочных смесей после пастеризации приводит к повышению эффективности процесса, так как дисперсность молочного жира выше, чем при гомогенизации до пастеризации.
Кроме давления и температуры на эффективность гомогенизации влияют такие свойства молочного сырья, как плотность, вязкость, кислотность. Гомогенизация молочного сырья с повышенной массовой долей жира, с рН ниже 6,6 значительно снижает ее эффективность. При гомогенизации молочного сырья повышенной плотности и вязкости для повышения эффективности процесса необходимо снижать давление гомогенизации либо повышать температуру.
ВОПРОС № 4. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГОМОГЕНИЗАТОРОВ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ.
Электродвигатели, гомогенизаторы и пусковая аппаратура должны быть тщательно заземлены; необходимо систематически проверять состояние заземляющих устройств.
Во время эксплуатации у приводов должны быть защитные кожухи. Запрещается проводить ремонт, смазку, чистку и мойку на ходу
машины.
Исправность предохранительного клапана и его регулирование на максимально допустимое рабочее давление надо обязательно проверять каждый раз перед работой.
Рабочее давление в нагнетательной камере регулируют штурвалом гомогенизирующей головки. Оно не должно превышать паспортного значения.
У пусковой кнопки электродвигателя привода гомогенизатора обязательно должна быть вывешена табличка с надписью «Перед включением электродвигателя пусти воду на охлаждение плунжеров».
Останавливать машины необходимо только после разжатия до отказа пружины гомогенизирующей головки. При несоблюдении этого требования диафрагмы манометров выходят из строя.
После работы блок цилиндра промывают на ходу машины, пропуская через него сначала теплую, потом горячую воду до тех пор, пока вода не будет выходить чистой. Затем разбирают гомогенизирующую часть и хорошо промывают в горячей воде, сушат и собирают блок.
Определение эффективности гомогенизации. Для установления эффективности диспергирования молочного жира при гомогенизации используют методы центрифугирования и оптический. Этими методами исследуют молоко, предназначенное для производства всех видов пастеризованного и стерилизованного молока, жидких молочных продуктов, сливок, различных видов заменителей цельного молока.
Эффективность гомогенизации методом центрифугирования определяют с использованием специальной пипетки и жиромеров. Сущность метода с использованием пипетки состоит в определении процентного соотношения массовой доли жира в части гомогенизированного продукта, содержащей жировые шарики диаметром менее 2мкм, к массовой доле жира в продукте.
277
Для проведения анализа используют специальную пипетку (рис. 3.13), резиновые пробки №20, аппаратуру и реактивы для определения массовой доли жира по ГОСТ 5867 применительно к молоку, штатив и стаканы вместимостью 100 см3. Пробы молока отбирают сразу после гомогенизации без подготовки. Пипетку через нижний капиллярный конец заполняют образцом продукта до верхней границы. Верхний конец пипетки закрывают пальцем, а на нижний конец надевают резиновую пробку № 20 с отверстием диаметром, равным диаметру нижнего конца пипетки, на глубину 2/3 длины пробки. Заполненную молоком пипетку вставляют симметрично в патроны лабораторной центрифуги пробками к периферии и центрифугируют 30 мин при температуре 38—40 °С и частоте вращения 18,3с-1.
Рис. 3.13. Специальная пипетка для определения эффективности гомогенизации молока и жидких молочных продуктов
После центрифугирования пипетку вынимают и помещают в штатив. Затем пальцем закрывают верхний конец пипетки, а другой рукой осторожно снимают пробку с нижнего конца пипетки (не переворачивая и не встряхивая), сливают часть продукта (от верхней до нижней границыотметки на пипетке) в стакан вместимостью 100 см3 и определяют массовую долю жира.
Эффективность гомогенизации (%) рассчитывают по следующей формуле:
278
где Жн — массовая доля жира в нижнем слое продукта, слитом из пипетки, %; Жп — массовая доля жира в продукте, %.
В табл. 3 приведены значения эффективности гомогенизации молока при различных значениях рабочего давления в гомогенизаторе, по данным из Инструкции по техническому контролю на предприятиях молочной промышленности.
Таблица 3. Эффективность гомогенизации молока при различном давлении в гомогенизаторе.
Примечание. В данных, приведенных по массовой доле жира, в числителе — исходное молоко, в знаменателе — нижний слой молока, слитого из пипетки.
Для определения эффективности гомогенизации сливок с массовой долей жира более 12 % их разводят обезжиренным молоком с массовой долей жира 0,05 % и в смесь добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве ПАВ применяют синтанол ДТ-7 по ТУ 6-14-1037—69 или синтанол ДС-10 по ТУ 6-14-577—77. Массовую долю жира в исходных гомогенизированных сливках определяют по ГОСТ 5867.
Гомогенизированные сливки разводят обезжиренным молоком в следующих соотношениях: сливки с массовой долей жира 12—15% — 1:3 (на 50см3 сливок — 150см3 обезжиренного молока); сливки с массовой долей жира 15—20 % — 1: 5 (на 50 см3 сливок — 250 см3 обезжиренного молока); сливки с массовой долей жира 20—30 % — 1: 8 (на 50 см3 сливок — 400 см3 обезжиренного молока). После тщательного перемешивания сливок с обезжиренным молоком в смеси определяют массовую долю жира в соответствии с ГОСТ 5867 применительно к молоку. Затем в смесь добавляют 1 см3 синтанола ДТ-7 или 0,5 см3 ДС-10, перемешивают в течение 2 мин и выдерживают 10 мин при температуре 18—20 °С. Далее анализ
279
эффективности и расчет гомогенизации проводят по вышеописанной методике для молока. В табл. 4 приведены значения эффективности гомогенизации сливок для различного рабочего давления в гомогенизаторе.
Таблица 4. Эффективность гомогенизации, %.
Сущность метода определения эффективности гомогенизации с помощью жиромеров состоит в установлении процентного отношения выделившейся в жиромере недостаточно диспергированной жировой фазы гомогенизированного и негомогенизированного молока. Для проведения анализа применяют аппаратуру и реактивы для определения массовой доли жира по ГОСТ 5867 применительно к молоку; стаканы вместимостью 1, 2, 20 см3, цилиндры мерные вместимостью 50 см3, дистиллированную воду, сухой препарат для определения эффективности диспергирования жира (ПСЭГ) по ТУ 49-986-83.
Для подготовки проб молоко с массовой долей жира более 3 % и сливки до и после гомогенизации нормализуют обезжиренным молоком или дистиллированной водой по жиру до 2,5 %. Перед проведением анализа готовят рабочий раствор ПСЭГ путем разведения содержимого одной упаковки в дистиллированной воде объемом 1000 см3.
Подготовленные образцы молока (сливок) разводят рабочим* раствором (ПСЭГ) в соотношении 1:3 и перемешивают. Затем отбирают 20 см3 полученной смеси и вносят в молочный жиро-мер. Оставшуюся часть жиромера заполняют дистиллированной водой в количестве 1—1,5 см3 (т. е. наливают столько, чтобы выделившийся слой недостаточно диспергированной жировой фазы находился в градуированной части жиромера) и закрывают пробкой. Жиромеры перевертывают, ставят в водяную баню, выдерживают 10 мин, после чего помещают в центрифугу и центрифугируют в течение 5 мин.
После остановки центрифуги (без применения тормоза) жи-ромеры вынимают и, не переворачивая, отсчитывают по шкале количество недостаточно диспергированной жировой фазы. На каждую пробу делают по два параллельных определения и находят среднее арифметическое показаний жиромеров. Расхождение показаний не должно превышать одного целого деления, т.е. 0,1 % по жиромеру.
Эффективность гомогенизации ЭГ (%) определяют по следующей формуле:
(3)
280