Курс лекций по ТОО молоко.3-4 курсы ИТФ

Рис. 7. Камера с введением продукта в область, заполненную паром.

Рис. 8. Пластинчатый теплообменник для нагрева и охлаждения.

Установки для ВТО

Тепловая обработка при высоких температурах является непрерывным процессом, и ее применение, следовательно, ограничено объемом продукта, который можно подать в систему. Высокотемпературную обработку можно применять для широкого ряда молочных и пищевых продуктов. Приведенный список не является исчерпывающим. Многие другие жидкие пищевые продукты, по всей вероятности, будут также представлять в будущем большой интерес для молочных заводов.

Установки для высокотемпературной обработки часто имеют универсальную конструкцию, позволяющую обрабатывать на одной и той же установке широкий ряд продуктов. На установке, производящей высокотемпературную обработку, можно обрабатывать продукты как с пониженной кислотностью (рН >4,5), так и с повышенной кислотностью (рН<4,5). Однако высокотемпературная обработка необходима только для продуктов с пониженной кислотностью для достижения ими состояния промышленной стерильности. В продуктах с высоким содержанием кислоты, таких как соки, споры развиваться не могут, и, следовательно, тепловая обработка подразумевает только уничтожение дрожжей и плесеней. Для обеспечения промышленной стерильности продуктов с высоким содержанием

491

кислоты достаточна обычная пастеризация при высокой температуре(90–95°С в течение 15–30 секунд).

Установки для высокотемпературной обработки полностью автоматизированы и имеют четыре рабочих режима: предварительная стерилизация установки, производство, AIC (промежуточная асептическая очистка) и CIP (безразборная чистка). При конструировании установки для высокотемпературной обработки в первую очередь рассматриваются вопросы безопасности. Должна быть исключена возможность подачи нестерилизованного продукта на асептическую упаковочную машину. Взаимные блокировки в программировании управления должны обеспечить защиту от ошибок оператора и несанкционированного вмешательства в процесс. Например, невозможно начать производство, если установка не прошла предварительную стерилизацию надлежащим образом.

Все последовательности действий, связанных с запуском, эксплуатацией и мойкой установки, приводятся в действие с пульта управления, который содержит все необходимое оборудование для управления, контроля и записи процесса.

Рис. 9. Трубчатый теплообменник для нагрева и охлаждения.

492

Рис. 10. Шнековый теплообменник для нагрева и охлаждения.

Различные системы ВТО

На рынке имеются два основных типа систем высокотемпературной обработки.

Всистемах прямого воздействия продукт вступает в прямое соприкосновение с нагревающей средой с последующим охлаждением в вакуумной камере и в конечном итоге с заключительным косвенным охлаждением до температуры упаковки. Системы прямой обработки подразделяются на:

•Системы с инжекцией пара (пар впрыскивается в продукт), рис. 6.

•Системы с введением продукта в камеру, наполненную паром, рис. 7.

Всистемах с косвенным нагревом продукта тепло передается от нагревательной среды к продукту через перегородку (пластину или трубчатую стенку). Системы с косвенным нагревом могут базироваться на:

•Пластинчатых теплообменниках, рис. 8.

•Трубчатых теплообменниках, рис. 9.

•Шнековых теплообменниках, рис. 10.

493

Более того, в системах с косвенным нагревом можно сочетать теплообменники в соответствии с требованиями, предъявляемыми к продукту и технологическому процессу.

Основные рабочие режимы процесса ВТО

Эти фазы работы являются общими для всех систем высокотемпературной обработки и, следовательно, для каждой системы отдельно описаны не будут.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ СТЕРИЛИЗАЦИЯ

Во избежание возникновения вторичного бактериального обсеменения обработанного продукта перед началом производства установка должна пройти предварительную стерилизацию. Предварительная стерилизация включает в себя:

•Стерилизацию горячей водой при той же температуре, при которой продукт будет обработан.

Минимальное время стерилизации горячей водой составляет 30 минут с момента достижения соответствующей температуры во всей асептической части установки.

•Охлаждение установки до температуры, требуемой для производства.

ПРОИЗВОДСТВО

Режимы производства изменяются согласно характеру протекающих процессов, как описано ниже.

АСЕПТИЧЕСКАЯ ПРОМЕЖУТОЧНАЯ МОЙКА (AIC)

Полный цикл CIP занимает от 70 до 90 минут и обычно выполняется сразу же после производственного цикла. Асептическая промежуточная очистка (AIC) полезна в тех случаях, когда установка используется в течение длительного периода производства. 30-минутную AIC можно выполнять в любой момент, когда необходимо удалить загрязнения в производственной линии без потери асептических условий. После AIC установка не должна подвергаться повторнойстерилизации. Этот метод сокращает время простоя и позволяет осуществлять производство более длительное время.

БЕЗРАЗБОРНАЯ МОЙКА (CIP)

Безразборная мойка установок, работающих по принципу прямого и косвенного нагрева продукта, может включать в себя последовательность действий по предварительному ополаскиванию, мойке каустической содой, ополаскиванию горячей водой, мойке кислотой и заключительному ополаскиванию, которые контролируются автоматически в соответствии с программой предварительно установленных времени/температуры. Программа CIP должна быть оптимизирована для рабочих условий конкретного молочного завода.

494

ВОПРОС № 3.1. С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

На блок-схеме рис. 11 продукт при температуре около 4°С подается в балансный бак (1а) и направляется с помощью подающего насоса (2) в секцию предварительного нагрева пластинчатого теплообменника (3). После предварительного нагрева приблизительно до 80°С давление продукта увеличивается с помощью насоса (4) примерно до 4 бар, а затем продукт подается на инжектор пара с кольцевым патрубком (5). Пар, впрыскиваемый в продукт, мгновенно поднимает температуру продукта до140°С (давление 4 бара предотвращает кипение продукта). Продукт выдерживается при температуре тепловой обработки в трубе для выдержки (6) в течение нескольких секунд перед тем, как он будет мгновенно охлажден.

Рис. 11. Установка для ВТО включает процесс высокотемпературной обработки с нагревом прямой инжекцией пара в сочетании с пластинчатым теплообменником.

495

496

Сверхбыстрое охлаждение осуществляется в расширительной камере, оборудованной конденсатором (7), в которой с помощью насоса (8) поддерживается частичный вакуум. Уровень вакуума регулируется, так что количество испарений, выходящих из продукта, соответствует количеству пара, предварительно впрыснутого в него. Центробежный насос (9) подает термообработанный при высокой температуре продукт на асептический двухступенчатый гомогенизатор (10).

После гомогенизации продукт охлаждается приблизительно до 20°С в пластинчатом теплообменнике (3), а затем поступает на асептическую упаковочную машину или в асептический танк для предварительного хранения перед упаковкой.

Охлаждающая вода, используемая для конденсации, направляется из балансного бака (1б) и после выхода из расширительной камеры (7) используется в качестве предварительно нагревающей среды после прохождения через инжектор пара. При предварительном охлаждении температура воды падает приблизительно до 11°С; таким образом, она может использоваться в качестве охладителя для продукта, поступающего из гомогенизатора.

В случае падения температуры во время производства продукт после дополнительного охлаждения отводится в танк для сброса продукта. Одновременно установка промывается водой. Вслед за промывкой водой установка моется (CIP) и стерилизуется перед повторным запуском.

Имеются установки с производительностью 2000–30 000 л/час.

ВОПРОС № 3.2. С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

В качестве варианта вышеописанная конструкция пластинчатого теплообменника (3 на рис. 11) может быть заменена трубчатыми теплообменниками, где обрабатываются продукты с низкой или средней вязкостью, содержащие или не содержащие частицы или волокна.

После предварительной стерилизации и охлаждения установки до 25°С молоко при температуре 4°С направляется в трубчатый теплообменник (3) для предварительного нагрева приблизительно до 95°С (в секциях 3а и 3с). После выдержки (4а) для стабилизации белков молоко далее нагревается косвенным способом (3d).

Инжекция пара (5) мгновенно повышает температуру до 140–150°С. Молоко находится при этой температуре несколько секунд (4b), а затем охлаждается. Предварительное охлаждение осуществляется в трубчатом теплообменнике (3е), где тепловая энергия используется для регенеративного нагрева. Впрыснутый пар мгновенно вскипает в вакуумной камере (6), в результате чего температура молока падает до 80°С.

497

Рис. 12. Система, сочетающая прямую и косвенную высокотемпературную обработку.

Система предварительного охлаждения перед вскипанием увеличивает экономию тепла, а также сводит к минимуму потерю ароматообразующих соединений молока.

После асептической гомогенизации (8) молоко охлаждается регенеративно (3f) до температуры упаковки, приблизительно 20°С, и направляется в асептический танк для промежуточного хранения перед асептической упаковкой.

Нагревательная и охладительная среды циркулируют в замкнутом водяном контуре, который переносит тепловую энергию между секциями теплообменников в ходе процесса обработки. Пар впрыскивается для

498

добавления небольшого количества дополнительной энергии, требуемой во время обычного производства.

При падении температуры во время производства продукт отводится в танк для сбора продукта, а установка промывается водой. Перед повторным запуском установку необходимо помыть и простерилизовать.

Рис. 13. Камера, в которой продукт нагревается путем впрыскивания его в пар.

ВОПРОС № 4. СТЕРИЛИЗАЦИЯ В ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ.

Установки высокотемпературной обработки с нагревом косвенного типа сконструированы для получения производительности 30 000 л/час; типовая блок-схема приведена на рис. 14. Продукт при температуре около 4°С подают насосом из танка для хранения в балансный бак (1) установки для высокотемпературной обработки и далее питательным насосом (2) в регенеративную секцию пластинчатого теплообменника (3). В этой секции продукт нагревается до температуры приблизительно 75°С уже прошедшим стерилизацию молоком, которое одновременно охлаждается.

Предварительно нагретый продукт затем гомогенизируют (4) при давлении18–25 МПа (180–250 бар). Гомогенизация перед тепловой обработкой возможна на установках с косвенным нагревом, что позволяет использовать неасептические гомогенизаторы. Однако для улучшения структуры и стабильности системы некоторых продуктов типа сливок предпочтителен асептический гомогенизатор, установленный после секции высокотемпературной обработки.

499

Рис. 14 Установка для высокотемпературной обработки, основанная на использовании косвенного нагрева в пластинчатом теплообменнике.

1 Балансный бак

2 Питающий насос

3Пластинчатый

теплообменник

4Неасептический

гомогенизатор

5Головка для инжекции пара

6Труба для выдержки

7Асептический танк

8Асептический розлив

Предварительно нагретый гомогенизированный продукт направляют в секцию нагрева пластинчатого теплообменника, где его температура повышается до 137°С. Теплоносителем является вода, находящаяся в замкнутом контуре, при температуре, регулируемой путем инжекции в воду пара (5). После нагрева продукт проходит через трубу для выдержки (6), размер которой подобран так, что время прохождения продукта через нее составляет 4 секунды.

Охлаждение выполняется регенеративно в два этапа: первый – от охлажденной части контура горячей воды, второй – от холодного поступающего продукта. Продукт, который выходит из секции регенеративного охлаждения, направляется на асептическую упаковку или в асептический танк для промежуточного хранения.

500