Хомогенизатори за млечната промишленост. Хомогенизатор: принцип на действие, дизайн и приложение в млечната промишленост. Механизмът на фазовия дисперсионен процес в вентилен апарат
Хомогенизиране на млякото- процесът на раздробяване на мастните топчета чрез излагане на млякото на значителни външни сили. Процесът на хомогенизиране се използва при производството на пастьоризирано мляко за повишаване на хомогенността и подобряване на срока на годност. Целта на хомогенизирането е да се предотврати спонтанното утаяване на мазнините при производството и съхранението на млечните продукти, да се поддържа хомогенна консистенция на продукта без разслояване.
Броят и размерът на мастните топчета в млякото са променливи и зависят от породата, условията на хранене и отглеждане, периода на лактация, възрастта на животното и редица други фактори. Средно 1 cm 3 пълномаслено мляко съдържа около 3 милиарда мастни топчета. Размерът на мастните топчета варира в широки граници – от 0,1 до 20 микрона.
В процеса на раздробяване на мастните глобули по време на хомогенизирането се получава преразпределение на черупковото вещество. Плазмените протеини се изразходват за изграждане на обвивките на получените малки мастни глобули, което води до стабилизиране на високо диспергирана мастна емулсия на хомогенизирано мляко.
В млякото със средна масленост свободната мазнина практически не се образува, т.е. няма натрупвания на малки мастни топчета. С увеличаване на масовата част на мазнините в млякото могат да се появят натрупвания на мастни топчета. Че. Правилно извършената хомогенизация елиминира възможността за появата на свободна мазнина, като по този начин увеличава срока на годност на млечните продукти: регулира структурните и механичните свойства на съсиреците на млечния протеин; подобрява вкуса на продуктите.
Нежеланите последици включват намалена термична стабилност на хомогенизираното мляко; появата на свръхчувствителност към светлина и в резултат на "слънчев" вкус; невъзможност за отделяне на хомогенизираното мляко.
Условия за ефективна хомогенизация:
- 1) Млечната мазнина трябва да е в течно състояние;
- 2) Раздробяването на мастните топчета е възможно само с външно въздействие;
- 3) Необходимо е да се образува нов защитен слой на всяка мастна топка.
По време на производството на пастьоризирано мляко млечната мазнина основно запазва първоначалния си състав и свойства. Термичните и механичните ефекти не предизвикват значителни промени в мастната фаза на млякото.
Понастоящем се използват следните видове хомогенизиране:
- 1) едноетапно - възниква образуването на малки мастни топчета;
- 2) двуетапен - има разрушаване на тези агрегати и по-нататъшно разпръскване на мастни глобули;
- 3) разделно - не се преработва цялото мляко, а само маслената му част (сметаната) 16-20% масленост.
При едноетапна хомогенизация мастните топчета се раздробяват до размер около 1 μm, т.е. има хомогенна дисперсия на мастната фаза, която не може да се утаи. Използва се за производство на нискомаслени млечни продукти (питейно мляко и др.).
При производството на високомаслени продукти (сметана, сладоледени смеси и др.) се извършва двустепенна хомогенизация. Позволява ви да разбиете получените натрупвания на мастни топчета.
Хомогенизирането на нормализираното мляко се извършва отделно, както следва. За целта се отделя нормализирано мляко, загрято до температура 55-65 ° C. Получената сметана с масова част на мазнини 16-20% се хомогенизира в двустепенен хомогенизатор при налягане 8-10 МРа в първия етап и 2-2,5 МРа във втория. Хомогенизираната сметана се смесва на потока с обезмасленото мляко, излизащо от сметаноотделителя и се изпраща в пастьоризационната част на пастьоризационно-охладителната инсталация. Сметаната може също да се хомогенизира, преди да се смеси с обезмаслено мляко, за да се получи нормализирано мляко. Разделящата хомогенизация може значително да намали разходите за енергия.
При производството на различни млечни продукти обикновено се използва налягане на хомогенизиране от 5-25 MPa и температура от 55-70 ° C. Налягането и температурата на хомогенизиране определят неговия режим. Налягането и температурата по време на хомогенизирането се избират в зависимост от масовата част на мазнините в сместа. Колкото по-високо е съдържанието на мазнини в сместа, толкова по-ниско трябва да бъде налягането. Хомогенизирането трябва да се извършва при температура не по-ниска от 50-60 0 С. Например, при хомогенизиране на мляко и сметана с ниско съдържание на мазнини (10-12%) при температура не по-ниска от 70 0 С, налягане от 10-15 Използва се MPa, когато се произвежда заквасена сметана 25-30% съдържание на мазнини - 9-10 MPa.
По време на процеса на хомогенизиране може да се освободи свободна мазнина, както е споменато по-горе. В млякото с увеличаване на налягането на хомогенизиране количеството на свободната мазнина намалява, а в сметаната се увеличава. Увеличаването на количеството свободна мазнина е свързано с липсата на протеин, необходим за образуването на обвивка от новообразувани мастни топчета. Едно от условията за образуване на защитна обвивка е съотношението на обезмасленото мляко на прах към мазнините; в хомогенизиран продукт не трябва да бъде по-нисък от 0,6-0,8.
Ефективността на хомогенизирането се определя от утаяването на мазнините, чрез центрофугиране, от промяната в оптичната плътност и средния размер на мастните глобули. В хомогенизираното мляко диаметърът на мастните топчета не трябва да надвишава 2 микрона.
Увеличаването на дисперсията на млечните мазнини води до по-хомогенна, хомогенна и стабилна система. Повишаването на стабилността на системата без утайки от сметана е необходимо при производството на много млечни продукти. В допълнение, хомогенизацията повишава вискозитета на млякото, сметаната и млечните смеси, което влияе положително на консистенцията на готовите продукти и разширява използването на хомогенизация в млекопроизводството.
В млекопреработвателната промишленост най-голямо приложение са получили хомогенизаторите от вентилен тип, които представляват многобутални помпи с високо налягане и хомогенизираща глава. По време на движението на буталото се създава високо налягане, в резултат на което млякото (или сместа) се изтласква през процепа на хомогенизатора с голяма скорост. На входа на празнината на клапана дебитът на млякото се увеличава рязко. Голяма мастна топка, преминаваща през празнината с голяма скорост, се изтегля в цилиндър, който се раздробява на малки мастни капки, които веднага се покриват с протеинова обвивка от плазмени протеини. При голяма разлика в скоростите раздробяването на топките може да стане чрез последователно отделяне на частици без междинно разтягане в цилиндър. Че. мазнината на нормализираното мляко, когато се изтласка през пръстеновидния клапан на хомогенизиращата глава, се диспергира. Необходимото налягане се генерира от помпа. При производството на пълномаслено мляко размерът на мастните топчета намалява от 3-4 микрона до 0,7-0,8 микрона.
Освен хомогенизатори от вентилен тип се използват центробежни хомогенизатори-избистрители, които имат специална камера с фиксиран хомогенизиращ диск. Самият дизайн на диска осигурява активно механично въздействие върху млечните частици.
Определяне на ефективността на хомогенизирането.
Стабилността на мастната емулсия на мляко или сметана е от голямо значение при производството на млечни продукти. При производството на някои продукти е желателно мастната емулсия да се запази стабилна възможно най-дълго (пастьоризирано и стерилизирано мляко и сметана, ферментирали млечни продукти, млечни консерви и сладолед). При производството на други продукти (например краве масло) е желателно мастната емулсия да се разбие възможно най-пълно, за да се агрегират мастните топчета.
В покой в прясното мляко 20-30 минути след издояването се появява слой от утаена сметана, което се свързва с разликата в плътността на млечната мазнина (994-1025 kg/m3) и млечната плазма (1034-1040 kg/m3). ). Скоростта на изкачване на мастната топка при условия на естествена утайка се изразява с уравнението
n \u003d 2 * g * r 2 * (s П -с и )/(9*µ) ,
n - скоростта на издигане на мастната топка, m / s;
g - ускорение на свободно падане, m/s 2 ;
r е радиусът на мастната топка, m;
с n е плътността на млечната плазма, kg/m3;
cg - плътност на мастните глобули, kg/m3;
µ - вискозитет на млечна плазма, Pa s.
Зависимостта на скоростта на разделяне от квадрата на радиуса на мастната топка показва възможността за предотвратяване на утаяването чрез намаляване на нейния радиус, което се постига чрез хомогенизиране.
Ефективността на хомогенизирането се определя чрез оптичния метод, метода на утаяване на мазнините, метода на центрофугиране и средния размер на мастните глобули, съдържанието на мазнини се определя чрез киселинния метод на Gerber с трикратно центрофугиране за 5 минути за хомогенизирано мляко.
Оптичен метод
Оптичният метод за определяне на ефективността на хомогенизиране се отнася за мляко и сметана с масова част на мазнини от 2 до 6%. Същността на метода се състои в измерване на оптичната плътност (мътност) на пробата при две дължини на вълната – 400 и 1000 nm. Стойността на съотношението на оптичните плътности при различни дължини на вълната (D400/D1000) характеризира степента на дисперсия на мастната фаза на млякото или сметаната.
Ефективността на хомогенизирането (EG) се определя от съотношението на оптичните плътности (D400 и D1000). Изчисляването на средния диаметър на топчетата млечна мазнина се извършва по формулата:
д ср \u003d 2,82 - 2,58 lg D 400 /Д 1000 ,
d cf - среден диаметър на мастните топчета, микрони;
D 400 и D 1000 са оптичните плътности на пробата при дължини на вълните 400 и 1000 nm.
Определяне на ефективността на хомогенизация
метод за задържане на мазнини.
За да се определи ефективността на хомогенизиране чрез утаяване на мазнини, млякото се държи 48 часа при температура 8 °C без разбъркване в 250 ml мерителен цилиндър. След това се вземат горните 100 ml мляко и се определя съдържанието на мазнини в млякото, останало в цилиндъра. Утаяването на мазнините се изчислява по формулата:
ОТНОСНО и \u003d 100 * (W м -И н )/И м -К* Ф н ,
Около w - утаяване на мазнини,%;
F m, F n - масови фракции на мазнини в изходното мляко и долния слой мляко, останал в цилиндъра,%;
K е отношението на обема на долния слой мляко в цилиндъра към общия обем на млякото (при вземане на проба от 100 ml от горния слой, K = 0,6).
Метод на центрофугиране VNIMI
Ефективността на хомогенизиране чрез центрофугиране се определя при определен режим на центрофугиране на млякото в специална пипета (виж фиг. 6.1).
преработка на мляко хомогенизиране центрофугиране мляко
Ориз. 6.1.
Центрофугирането се извършва в продължение на 30 минути. След центрофугиране пипетите се изваждат и се поставят вертикално върху тапата. След това внимателно, без да се обръща или разклаща, долната част на продукта се излива от пипетата до знака II в чаша, за което горният отвор на пипетата се затваря с пръст на лявата ръка и гумата запушалката се отстранява от долния край на пипетата с дясната ръка. Определя се маслеността на отцедения продукт. Степента на хомогенизация се изчислява по формулата:
r = 100*W н /И м ,
r - степен на хомогенизация, % (за хомогенизирано мляко r=75-80%);
W n - масовата част на мазнините в долния слой на продукта, изцедена от пипетата;
F m - масов дял на мазнини в изходното мляко,%.
Микроскопски метод
При определяне на ефективността на хомогенизиране чрез микроскопски метод се определя средният размер на мастните глобули на хомогенизираното мляко (d cf). За да се определи размерът на мастните топчета, млякото и сметаната се разреждат с вода. С помощта на окулярен микрометър се определя размерът на мастните топчета при увеличение 1350 пъти (обектив 90, окуляр 15 с потапяне).
Мастните глобули се разделят на фракции (групи) според размера на диаметрите в зависимост от увеличението на микроскопа и зададената стойност на делението на микрометъра на окуляра. Точността на границите на тези фракции е едно или половината деление на микрометъра на окуляра. В една проба от мляко се определя размерът на 600 до 1000 мастни топчета и се разпределя на фракции. Размерът на мастните топчета на всяка фракция се изразява чрез средния диаметър. Например за фракция III средният диаметър ще бъде (2+3)/2 = 2,5 µm.
Хомогенизацията е механична обработка на суровини, преминали през млечни филтри, в резултат на което мастните топчета се диспергират (раздробяват) под действието на външна сила - налягане, високочестотен ток, ултразвук и др.
Защо е необходима хомогенизация?
При съхранение се излива в кутии за млякопродукт, мазнината изплува на повърхността поради факта, че е по-лека от плазмата (обратно). Суровината се защитава. Голяма бучка мазнина, издигаща се до горните слоеве, се сблъсква с други подобни. Под въздействието на имуноглобулините възниква аглутинация (слепване на отделни елементи и тяхното утаяване от хомогенна смес). В резултат на това консистенцията се променя и качеството намалява, което не е желателно. Ако мастните топчета се натрошат на малки парчета, те няма да се слепят във филм на повърхността.
Скоростта на изкачване на мастната топка зависи от нейния размер - колкото по-голяма, толкова по-бърза. Според формулата на Стокс тя е право пропорционална на квадрата на радиуса на бучката. Размерът на мастните топчета варира от 0,5 до 18 микрона. След хомогенизиране, той се редуцира с фактор приблизително 10 (среден размер на изхода 0,85 µm). Това означава, че те ще плават 100 пъти по-бавно. В допълнение, в малки бучки, по-малки от 1 микрон, силите на взаимно отблъскване са по-големи от силите на привличане.
По време на раздробяването на мазнините веществото на обвивката му се преразпределя. Част от фосфатидите преминава в плазмата, а плазмените протеини отиват във външната обвивка на малки глобули. Благодарение на тези фактори мастната емулсия се стабилизира в млякото. При висока степен на дисперсия процесът на утаяване не се наблюдава, мазнината не изплува, млечните колби се пълнят с по-висококачествен продукт. Сметаната, изварата, маслото и др., произведени от хомогенизирани (хомогенни) суровини, имат по-добри органолептични показатели и консистенция, хранителните вещества се усвояват по-бързо и пълноценно от организма.
Хомогенизирането помага за:
- Пастьоризирано мляко или сметана, изсипва се в контейнери от неръждаема стоманапридобити еднаква масленост, цвят и вкус.
- Стерилизираното мляко и сметана се съхраняват по-добре.
- Върху ферментиралите млечни продукти не се образува мастен филм, а протеиновите съсиреци са по-здрави и с по-добра консистенция.
- В консервите от кондензирано мляко по време на дългосрочно съхранение мастната фаза не се откроява.
- В пълномасленото мляко на прах имаше по-малко свободни мазнини, без черупки от протеин - това води до окисление.
- Реконституираните ферментирали млечни напитки, сметана и мляко не развиват воднист послевкус и вкусът на продукта става по-интензивен.
- Млякото с пълнител (например какао) се оказа по-вискозно, без утайка, с по-добър вкус.
Механизъм за хомогенизиране
Хомогенизирането е препоръчително да се направи след преминаване на млякото дълготрайна пастьоризираща баня.
За това се използват различни видове устройства. Най-често срещаните са единици от клапанен тип. В основата си те са бутални помпи с високо налягане. Течността преминава през много малки отвори. В същото време скоростта на потока рязко се увеличава. Мастните глобули се раздробяват, получените малки бучки веднага се покриват с протеинова обвивка. Защо това се случва ще обсъдим във втората част на статията.
Хомогенизаторите са предназначени за раздробяване на мастни топчета в мляко, течни млечни продукти и смеси за сладолед. Използват се в различни технологични линии за мляко и млечни продукти. Друго оборудване (емулгатори, емулгатори, вибратори и др.) също е известно за хомогенизиране на мляко, но е по-малко ефективно.
Най-голямо приложение в млечната промишленост получиха вентилните хомогенизатори K5 - OG2A - 1.25; A1 - OGM 2.5 и A1 - OGM са многобутални помпи за високо налягане с хомогенизираща глава. Хомогенизаторите се състоят от следните основни възли: колянов механизъм със система за смазване и охлаждане, бутален блок с хомогенизиращи и манометрични глави и предпазен клапан, рамка. Задвижването се осъществява от електродвигателя с помощта на клиновиден ремък. Коляно-мотовилковият механизъм преобразува въртеливото движение, предавано от предаването на клиновия ремък от електрическия мотор, в възвратно-постъпателното движение на буталата. Последните чрез уплътнения навлизат в работните камери на плунжерния блок и чрез извършване на смукателни и нагнетателни ходове създават необходимото налягане на хомогенизираната течност. Коляновият механизъм на описаните хомогенизатори се състои от колянов вал, монтиран върху два конусни ролкови лагера; капачки за лагери; биели с капаци и втулки; плъзгачи, шарнирно свързани към свързващите пръти с пръсти; очила; уплътнения; капак на корпуса и задвижвана шайба, конзолно разположени в края на коляновия вал. Вътрешната кухина на коляновия механизъм е маслена баня. На задната стена на корпуса са монтирани индикатор за масло и пробка за източване. В хомогенизатор К5 - ОГ2А - 1.25 триещите се части на коляновия механизъм се смазват чрез разпръскване на масло с въртящ се колянов вал. Дизайнът на корпуса и сравнително малкото натоварване на коляновия механизъм на хомогенизатора K5 - OG2A - 1.25 ви позволява да охладите маслото, поставено вътре в корпуса, поради пренос на топлина от повърхността към околната среда. Само буталата се охлаждат с чешмяна вода. В хомогенизаторите А1 - ОГМ - 2.5 и А1 - ОГМ, в комбинация с разпръскване на масло във вътрешността на тялото, се използва система за принудително смазване на най-натоварените триещи се двойки, което увеличава топлообмена. Маслото в тези хомогенизатори се охлажда от топлопроводима вода, която постъпва в намотката на охлаждащото устройство, положено на дъното на корпуса, а буталата се охлаждат от чешмяна вода, която се подава към тях през отвор в тръбата . В системата е монтиран превключвател на потока, който контролира потока на водата. Към тялото на KShM с помощта на два щифта е прикрепен бутален блок, предназначен да засмуква продукта от захранващия тръбопровод и да го изпомпва под високо налягане в хомогенизиращата глава. Блокът на буталото включва тяло, бутала, уплътнения на устните, долен, горен и преден капак, смукателни и изпускателни клапани, легла на клапани, уплътнения, втулки, пружини, фланец, фитинг, филтър в смукателния канал на блока. В крайната равнина на блока на буталото има хомогенизираща глава, предназначена да извършва двустепенна хомогенизация на продукта поради преминаването му под високо налягане през пролуката между клапана и седлото на клапана във всяка степенна система. Манометрична глава е фиксирана върху горната равнина на блока на буталото, за да контролира налягането на хомогенизиране. Главата на манометъра има дроселиращо устройство, което позволява ефективно намаляване на амплитудата на трептенето на стрелката на манометъра. Манометричната глава се състои от тяло, игла, уплътнение, затягаща гайка, шайба и манометър с диафрагмен уплътнител. В крайната равнина на плунжерния блок от страната, противоположна на монтирането на хомогенизиращата глава, има предпазен клапан, който предотвратява повишаване на налягането на хомогенизиране спрямо номиналното. Предпазният клапан включва винт, контрагайка, пета, пружина, клапан и седло на клапана. Предпазният клапан се настройва на максимално налягане на хомогенизиране чрез завъртане на затягащия винт, който действа върху клапана чрез пружина. Рамката на хомогенизатора е лята или заварена конструкция от канали, покрити с листова стомана. KShM е монтиран в горната равнина на рамката. Вътре на две скоби табела с ел. двигател. В допълнение, плочата се поддържа от винтове, регулиращи V-ремъци. Леглото е с четири регулиращи се на височина опори. Страничните прозорци на леглото се затварят с подвижни капаци. Млякото или млечните продукти се изпомпват в смукателния канал на буталния блок с помощта на помпа. От работната кухина на блока продуктът под налягане навлиза през изпускателния клапан, хомогенизиращата глава преминава с висока скорост през предната междина, образувана между шлифованите повърхности на хомогенизиращия клапан и неговото гнездо. Когато това се случи, дисперсията на течната фаза на продукта. От хомогенизатора продуктът се изпраща през млекопровода за по-нататъшна обработка или предварително съхранение.
Хомогенизиращите глави бяха подложени на едни или други малки промени, но принципът на тяхното разположение остава непроменен. Формата на лицето на клапана обикновено е плоска, кулисна или конична с малък ъгъл на конус. Хомогенизатор с плоски клапани с концентрични канали има същите канали на повърхността на седалката. Следователно формата на млечния канал в радиална посока се променя, което трябва да допринесе за по-добра хомогенизация. Течният продукт може да се изпомпва в главата от всяка помпа, която има равномерен поток и е способна да създава високо налягане. За тази цел са приложими многобутални, ротационни и винтови помпи. Най-широко използваните хомогенизатори с високо налягане с трибутални помпи.
Схемата на клапанния бутален хомогенизатор е показана на фиг. 3
Когато буталото се движи наляво, млякото преминава през смукателния клапан 3 в цилиндъра, а когато буталото се движи надясно, то се избутва през клапана 4 в изпускателната камера, на която е монтиран манометър 10 за контрол налягането. Освен това, млякото през канала в главата 5, в която клапанът 7 се притиска, притиска се към седалката 6 от пружината 8. Напрежението на пружината се регулира от винта 11. Клапанът и седалката се притискат към всяка друго. В неработно положение клапанът е плътно притиснат към седлото от пружината 8, която се е превърнала в регулиращ винт 11, а в работно положение, когато течността се изпомпва, клапанът се повдига от налягането на течността и се в "плаващо" състояние. Характерен показател за режима на хомогенизиране, който играе важна роля при настройката на машината, е налягането на хомогенизиране. Колкото по-високо е, толкова по-ефективен е процесът на дисперсия. Налягането се регулира от винта 11, ръководен от показанията на манометъра 10. Когато винтът се завинти, налягането на пружината върху клапана се увеличава, следователно височината на празнината на клапана се увеличава. Това води до увеличаване на хидравличното съпротивление, когато течността се движи през клапана, т.е. до увеличаване на налягането, необходимо за изтласкване на дадено количество течност.
Способността на буталната помпа да генерира високо налягане компрометира целостта на частите в случай, че портът се запуши в леглото на клапана. Поради това хомогенизаторът е оборудван с предпазен клапан 9, през който течността излиза, когато налягането в машината е по-високо от зададеното. Налягането, при което се отваря предпазният клапан, се регулира чрез затягане на пружината с винт.
На фиг. Фигура 4 показва хомогенизатор с двойно дроселиране, в който течността преминава през две работни глави последователно. Във всяка глава налягането на пружината върху клапана се регулира отделно, със собствен винт. В такива глави хомогенизирането протича на два етапа.
Работното налягане в изпускателната камера е равно на сумата от двете разлики. Използването на двустепенна хомогенизация се дължи главно на факта, че в много емулсии след хомогенизиране в първия етап се наблюдава обратно агрегиране на диспергирани частици и образуване на „клъстери” на изхода, които влошават дисперсионния ефект.
Задачата на втория етап е да разбие и разпръсне такива относително нестабилни образувания.
Това не изисква толкова значително механично въздействие, така че спадът на налягането във втория спомагателен етап на хомогенизатора е много по-малък, отколкото в първия, от работата на който основно зависи степента на хомогенизиране.
Фигура 4 - Схема на двустепенна хомогенизация
В общия дизайн на съвременните хомогенизатори се прилагат основните принципи и разпоредби на техническата естетика, санитарията и хигиената. Следвайки новите тенденции в развитието на оборудването за млечни продукти, новите дизайни на хомогенизаторите са опростени, облицовани и покрити с корпуси от неръждаема стомана с полирана повърхност.
Въз основа на производителността на хомогенизатора и конструктивните съображения, за прототип избираме марката хомогенизатор A1 - OGM - 2.5.
Хомогенизаторът е устройство за получаване на хомогенни (хомогенни) дисперсни системи. Системите могат да бъдат еднофазни или многофазни, т.е. в дисперсна среда, която обикновено е течност, има частици (обикновено неразтворими) от едно или повече твърди или течни вещества, които се наричат дисперсни фази. Терминът "хомогенен" означава, че фазите са разпределени равномерно, с еднаква концентрация във всяка произволно взета единица обем на средата. Получената система трябва да бъде относително стабилна. За да направите това, по време на хомогенизирането в по-голямата част от случаите се извършва диспергиране, т.е. смилане на фазови частици.
Използването на хомогенизатори в млечната промишленост
Хомогенизаторът за мляко раздробява мастните топчета. Скоростта, с която изплуват на повърхността, зависи от квадрата на радиуса им. Така след намаляване с 10 пъти скоростта пада със 100 пъти. Благодарение на това продуктът не се утаява, не се разделя на крем и обезмаслено. Срокът на годност се увеличава значително.
В допълнение, след хомогенизиране:
- При производството на маргарин или масло водата и другите компоненти се разпределят равномерно в мастната среда. А в майонеза и дресинги за салати - мазнини във водна среда.
- Сметаната и пастьоризираното мляко се изравняват по цвят, вкус и масленост.
- В консервите от кондензирано мляко при дългосрочно съхранение мастната фаза не се отделя.
- Кефир, заквасена сметана и други ферментирали млечни продукти се стабилизират. Консистенцията на протеиновите съсиреци се подобрява. На повърхността не се образува мазна тапа.
- В пълномасленото мляко на прах количеството свободни мазнини, незащитени от протеинова обвивка, е намалено. Поради това е изключено бързото му окисление под въздействието на атмосферния въздух.
- Млякото с какао или друг пълнител подобрява вкуса, става по-вискозно. Намалява вероятността от валежи.
- Реконституираните ферментирали млечни напитки, сметана и мляко нямат воднист вкус. Естественият вкус става по-интензивен.
Физични методи на процеса и основните видове хомогенизатори
- Прокарване през тесен процеп. Използват се вентилни агрегати с бутални помпи с високо налягане. Такива устройства в млечната промишленост са най-често срещаните.
- механично смесване. Използват се миксери с ножове или шпатула, включително високоскоростни миксери. Най-простият пример е кафемелачка или месомелачка с електрическо задвижване. Това също включва ротационен пулсационен апарат (RPA). Въпреки че ефектът върху фазовите бучки е по-сложен при тях, той не се ограничава до ударни и абразивни натоварвания.
- Въздействие на ултразвук. Тук работят ултразвукови инсталации, които възбуждат кавитация в дисперсна среда, поради което фазата се раздробява.
Бутален хомогенизатор
устройство
Устройството за хомогенизиране е показано на фиг. 1. Плунжерният цилиндър 1 е свързан към входящата тръба през смукателния клапан 3 и към камерата за високо налягане през нагнетателния клапан 4. От камерата има канал към хомогенизиращата глава 5, която има седло 6, клапан 7, пружина 8 и регулиращ винт 11. За контрол на налягането към камерата е свързан манометър 10. Каналът има разклонение към предпазния клапан 9. Буталото се задвижва от помпата 2.
Увеличен изглед на хомогенизиращата глава е показан на фиг.2. Има калибриран отвор (канал) 1 в седлото 5, пружина 2, клапан 4 с стебло 3 и регулиращ винт 6. Седлото и клапанът са шлифовани един към друг. 
Вентилът има плоска, конична с малък ъгъл или тарторова форма на работната повърхност. В първия случай върху него може да има рифове (жлебове). Ако са, значи същите се правят на седлото. Това увеличава степента на фазово разделяне.
Има модели, при които клапанът и седлото са разположени в лагери, монтирани в неподвижен корпус. В този случай те, под натиска на струята на продукта, се въртят в различни посоки.
Тъй като течността, преминаваща с висока скорост, действа достатъчно силно върху клапана и седалката, те бързо се износват. Следователно тези елементи са изработени от особено здрави стомани. Освен това формата им е симетрична. При забележимо износване е достатъчно да ги обърнете от другата страна, като по този начин удвоите експлоатационния живот.
Помпата не е задължително да се използва бутало, можете да изберете винт или ротационен. Основното е, че създава високо налягане. Тъй като плунжерният механизъм не осигурява равномерно подаване, няколко от тях се поставят в хомогенизатори, като началото на циклите е раздалечено във времето. Най-популярни са агрегатите с три бутала. При тях, на вала, колената се завъртат на 120 градуса, така че цилиндрите да работят редуващо се. В този случай коефициентът на неравномерност на захранването, т.е. съотношението на максималната му стойност към средната, е 1,047.
Индикатор, близък до единица, означава, че потокът през хомогенизиращата глава може да се счита за стабилен с малка грешка. По този начин, по време на процеса на хомогенизиране, вентилът винаги е в претеглено (отворено) положение. Между него и седалката има празнина за преминаване на течност. Размерът му също може да се приеме постоянен, без да се взема предвид леко отклонение от средното ниво. В много съвременни устройства потокът от всяко бутало отива към „своята“ глава. След разделяне на фазите те се свързват в изходния колектор.
Манометърът е оборудван с дроселиращо устройство. Това намалява трептенето на стрелката на инструмента.
Принцип на работа
Принципът на действие на хомогенизатора е следният. Когато буталото работи за засмукване (на фигурата се движи наляво), млякото влиза в цилиндър 1 през клапан 3. След това буталото работи за изпомпване (движи се надясно) и избутва продукта в камерата през клапан 4. След това , течността влиза през канала от камерата към хомогенизиращата глава 5.
Когато вентилът е в неработно положение, пружина 8 го притиска плътно към седлото. Млякото под налягане повдига клапата, така че между нея и седлото се образува малка междина. Преминавайки през него, мастните топчета се раздробяват, продуктът се хомогенизира и след това постъпва в изходящата тръба.
Пролуката обикновено е с размер не повече от 0,1 mm. Млечните частици се движат в тази зона със скорост около 200 m/s (само 9 m/s в инжекционната камера). Размерът на мастните бучки намалява от 3,5-4,0 микрона до 0,7-0,8 микрона.
Налягането, генерирано от плунжерната помпа, е много високо. Следователно запушването на канала в седалката може да доведе до разрушаване на части. За да се избегне счупване, е монтиран предпазен клапан 9.
Устройството се регулира с винт 11. Една от основните характеристики на хомогенизацията е налягането. Когато винтът е затегнат, пружината притиска клапана по-силно към седлото. Поради това размерът на празнината намалява, тъй като хидравличното съпротивление се увеличава. Настройката на устройството се извършва според показанията на манометъра 10.
Според инструкциите на хомогенизатора температурата на млякото трябва да бъде в диапазона от 50 до 65 градуса С. Ако е под този диапазон, процесът на утаяване на мастните бучки ще се ускори. Ако е по-висок, суроватъчните протеини ще започнат да се утаяват.
Увеличаването на киселинността на продукта се отразява негативно на ефективността на процеса, тъй като в този случай стабилността на протеините намалява. Образуват се агломерати, раздробяването на мастните бучки е затруднено.
По време на преминаване на течността през процепа на клапана, поради рязкото стесняване на напречното сечение на канала, има дроселиращ ефект. Дебитът се увеличава многократно, а налягането пада поради факта, че потенциалната енергия се преобразува в кинетична.
След преминаването на млякото през главата част от натрошените частици отново се слепват в по-големи конгломерати. Ефективността на процеса намалява. За борба с това явление се използва двустепенна хомогенизация. Устройството е показано на фиг. 3. Основната разлика от едностепенния е наличието на две двойки работни органи, първата степен 4, а втората - 12. Всеки има собствена пружина за налягане с контролен клапан 6.
Вторият етап, спомагателен, допълнително повишава степента на раздробяване на фазите. Предназначена е за създаване на контролирано и постоянно обратно налягане в главата на първата степен, която е основната. Това оптимизира условията на процеса. А също и за унищожаване на относително нестабилни образувания. Налягането в него е зададено по-ниско, отколкото в първия.
Едностепенната хомогенизация е предназначена за продукти с ниско съдържание на мазнини или висок вискозитет. Двустепенен - с високо съдържание на мазнини или твърди вещества и нисък вискозитет. А също и в случаите, когато е необходимо да се осигури максимално възможно фазово разделяне.
Отделна технология
В млечната промишленост хомогенизацията може да бъде пълна или отделна. В първия случай всички налични суровини преминават през агрегата. При втория първо се отделя. Получената сметана 16-20% масленост се хомогенизира и след това се смесва с обезмаслено мляко. И се изпраща на следващия етап на обработка. Този метод осигурява значителни икономии на енергия.
Механизмът на фазовия дисперсионен процес в вентилен апарат
Според Н. В. Барановски, въз основа на изследването на хидравличните фактори, влияещи върху раздробяването на мастните бучки по време на хомогенизирането на млякото в апарат с клапан, е предложена следната схема на процеса (фиг. 4).
В точката на преминаване на потока от канала на седлото към пролуката между седлото и клапана площта на напречното сечение на потока рязко намалява. Така че, според един от основните закони на хидравликата, скоростта на неговото движение U също бързо се увеличава.По-конкретно, U0 по пътя е няколко метра в секунда. А U1 на входа на слота е с 2 порядъка по-висок, няколкостотин m/s.
Мастната капка не се премества от зоната на ниска към зоната на висока скорост наведнъж "всичко наведнъж". Предната част на топката първо влиза в потока, движещ се в пукнатините с голяма скорост. Под действието на бързо течащата течност се издърпва (гърбът все още се движи бавно) и се откъсва. Останалата бучка продължава да се движи бавно (разбира се, понятието "бавно" в този случай е относително, тъй като целият цикъл на преминаване на капката през слота отнема 50 микросекунди), за да се придвижи към границата на скоростта и частта, сега оказа се отпред, удължава се по същия начин като предишния и също се отделя. Така цялата мастна капка постепенно се разкъсва на парчета, преминавайки през граничния участък. Това се случва при достатъчно голяма разлика между скоростите U0 и U1.
Ако тази разлика се окаже по-малка от определен праг, тогава преди отделянето на частиците се извършва междинен етап - капката първо се разтяга във влакно. Ако разликата е още по-малка, тогава мастната бучка ще премине през границата на скоростта без разрушаване. Но въздействието на висок дебит все пак ще го доведе до нестабилно състояние, поради образуването на вътрешни деформации. Следователно, поради силите на повърхностното напрежение и механичните удари на струите на потока, топката все пак ще се разпадне на по-малки фракции.
Маслен хомогенизатор
За получаване на хомогенна консистенция на масло или топени сирена се използва пластификатор хомогенизатор. По време на обработката водната фаза се диспергира и разпределя равномерно в целия обем. В резултат на това продуктът се съхранява по-дълго, вкусът му се подобрява. В допълнение, времето, прекарано в размразяването, е намалено и загубата на вода по време на опаковането.
Дизайнът на устройството може да се разгледа на примера на един от най-популярните модели M6-OGA (фиг. 5). Състои се от корпус и рамка (фиг. 6), приемен бункер, под който са разположени захранващите шнекове, и ротор с 12, 16 или 24 лопатки. Като задвижване се използва електрически мотор. Скоростта на шнека се контролира от вариатор. Ъгловата скорост на ротора е постоянна.
Работата на хомогенизатора е както следва. Маслото се поставя на едри парчета в бункера. Шнековете се въртят в различни посоки, погледнати отгоре - един към друг. С тяхна помощ маслото се изтласква през ротора, след което през правоъгълна дюза преминава в приемния бункер (не е показан на фигурата). Така че маслото не се придържа към работните органи, те се смазват с горещ разтвор. 
Напоследък ротационно-пулсационните апарати (RPA) все повече се използват за преработка на мляко. Такъв хомогенизатор е подобен по дизайн и принцип на работа на центробежна помпа. Основната разлика е в работните органи.
RPA е организирана по следния начин. За задвижване служи електрически мотор. Ротор под формата на перфориран цилиндър е здраво закрепен върху удължения му вал. От края на цилиндъра, от страната на капака, може да има работно колело. Не е необходима перфорация. Вътре в капака има подобен цилиндър, фиксиран, той играе ролята на статор.
Млякото се подава през аксиалната дюза на капака и влиза в работното колело. Тази част произвежда раздробяване на първичната фаза и ускорява работната смес. След това последният преминава през перфорацията на подвижния цилиндър, отново се разпръсква частично под действието на срязващи и абразивни натоварвания и завършва в хомогенизираща кухина между ротора и статора. 
Тук, в допълнение към шока, други сили действат върху мастните топчета.
В турбулентен поток, движещ се с висока скорост (точно това се наблюдава в работната зона на RPA), възникват микровихрови потоци. Ако малък сферичен водовъртеж се сблъска с капка мазнина, той я унищожава. Има и хидроакустичен ефект. Интензивната кавитация, която води до колапс на въздушни мехурчета, генерира ударни вълни, срещу които бучките на фазата също не могат да устоят.
Максималното въздействие на апарата върху частиците се постига в момента на възникване на резонансни вибрации между ротора и статора. За да се осигури този ефект, е необходимо да се изчисли диаметърът на подвижния цилиндър, скоростта на неговото въртене, както и пролуката между него и статора.
След работната зона млякото преминава през отворите на статора и вече хомогенизирано се изхвърля през тангенциална изходяща тръба, обикновено насочена нагоре, за да се улесни свързването на тръбопроводи за презареждане на бункера в рециркулационната система. 
За да се увеличи степента на смачкване, апаратът може да има няколко двойки "ротор-статор". След монтиране на капака те се подреждат последователно. Има модели, в които вместо работно колело е поставен перфориран диск. RPA хомогенизаторите могат да бъдат и потопяеми. Опционално уредът е оборудван със следните устройства:
- Защита от работа на сухо.
- Взривозащитен двигател.
- Корпус с нагревателна/охлаждаща риза.
- Регулатор за плавна промяна на честотата на въртене на двигателя.
- Устройство за зареждане (шнеково захранващо устройство), за вискозни, слабо разтворими, нехомогенни емулсии и суспензии или свободно течащи компоненти.
- Разтоварващо устройство, за източване в контейнер на трета страна при работа по циркулационна схема.
- Механично маншонно уплътнение на вала от силициево-карбидна керамика - увеличава експлоатационния живот на уреда, дори при работа с агресивни течности или такива, съдържащи абразивни включвания.
RPA са едно- или трифазни. Всички части, които влизат в контакт с храна, са изработени от неръждаема стомана AISI 304, AISI 316 или техни вътрешни аналогове. Тъй като диспергираната течност напуска апарата под налягане, RPA хомогенизаторът работи едновременно като центробежна помпа.
Ултразвукови хомогенизатори
Устройство (използвайки BANDELIN като пример). Ултразвуковият хомогенизатор се състои от (отгоре надолу на фиг. 15) RF генератор, ултразвуков преобразувател, „клаксони“ и сонди (вълноводи). RF генераторът е свързан към битова мрежа с текуща честота 50 или 60 Hz. Той усилва този параметър до 20 kHz. Ултразвуковият преобразувател, снабден с осцилиращ кръг с измервателен пиезоелектричен елемент, трансформира текущата енергия, генерирана от генератора, в трептения на ултразвукови вълни със същата честота. Генерираната амплитуда остава постоянна. Ултразвуков - увеличава се поради използването на "рога" със специална форма. В тях се вкарват сонди, предаващи вибрации на съд с течност. В зависимост от обема на работната среда те могат да бъдат плоски, под формата на конуси или "микро", с диаметър от 2 до 25 mm. 
Домашната индустрия също произвежда ултразвукови хомогенизатори. От най-новите модели може да се отбележи развитието на 2015 I100-6 / 840 (фиг. 16). Апаратът има цифрово управление, импулсен режим, амплитуден контрол и набор от сонди.
Принцип на работа. Когато ултразвуковите вълни преминават през течност, те последователно, 20 000 пъти в секунда, създават високо и ниско налягане в нея. Последното е практически равно на вътрешното налягане на парите на течността, в резултат на което в нея се появяват мехурчета, пълни с пара, течността кипи. Когато кухините се срутят, настъпва спад на налягането, образуват се бързо течащи турбулентни микропотоци, които унищожават мастните капки.
Някои експерти смятат, че при ултразвуково излагане бучките се разпръскват не от кавитация, а поради факта, че вълната, преминаваща през мастната капка в различни точки, предизвиква ускорения с различна големина и посока. В резултат на това възникват многопосочни сили, които се опитват да счупят топката.
Хомогенизирането е важна стъпка в преработката на мляко и други продукти. С негова помощ структурата се подобрява и срокът на годност се увеличава, а вкусът става по-наситен.
Този метод на механична обработка на мляко и течни млечни продукти служи за увеличаване на дисперсията на мастната фаза в тях, което позволява да се изключи утаяването на мазнини по време на съхранение на млякото, развитието на окислителни процеси, дестабилизация и разбиване по време на интензивно смесване и транспорт.
Хомогенизирането на суровините допринася за:
при производството на пастьоризирано мляко и сметана - придобиване на еднородност (вкус, цвят, масленост);
стерилизирано мляко и сметана - повишаване на стабилността при съхранение;
ферментирали млечни продукти (заквасена сметана, кефир, кисело мляко и др.) - увеличаване на силата и подобряване на консистенцията на протеиновите съсиреци и елиминиране на образуването на мастна тапа на повърхността на продукта;
консерви от кондензирано мляко - предотвратяване на освобождаването на мастната фаза при дългосрочно съхранение;
пълномаслено мляко на прах - намаляване на количеството свободна млечна мазнина, незащитена от протеинови черупки, което води до бързото му окисляване под действието на атмосферния кислород;
разтворено мляко, сметана и ферментирали млечни напитки - за създаване на пълен вкус на продукта и предотвратяване на появата на воднист послевкус;
мляко с пълнители (какао и др.) - подобряване на вкуса, увеличаване на вискозитета и намаляване на вероятността от образуване на утайка.
Разпръскването на мастните топчета, т.е. намаляването на техния размер и равномерно разпределение в млякото, се постига чрез излагане на млякото на значителна външна сила (налягане, ултразвук, високочестотна електрическа обработка и др.) в специални машини - хомогенизатори.
Най-широко разпространено в млечната промишленост е хомогенизирането на млякото чрез принудителното му прокарване през пръстеновидния вентилен процеп на хомогенизиращата глава на машината. Мастните топчета, преминавайки през тази празнина, се разпръскват. Необходимото налягане се генерира от помпа. При производството на пълномаслено мляко размерът на мастните топчета намалява от 3-4 микрона до 0,7-0,8 микрона.
Основният възел на съвременните хомогенизатори от вентилен тип е хомогенизиращата глава. Може да бъде един или два етапа. Вторият етап обикновено работи при по-ниско налягане от първия.
Използването на едно- или двустепенна хомогенизация зависи от вида на произвежданите млечни продукти.
Двустепенна хомогенизация с голям спад на налягането и на двата етапа се използва при производството на високомаслени млечни продукти (сметана, сладоледени смеси и др.).
Позволява ви да разпръснете (разбиете) получените натрупвания на мастни топчета. За производството на други видове млечни продукти, включително мляко за пиене, може да се използва едностепенна хомогенизация.
Термична обработка на мляко
Топлинната обработка е една от основните и необходими технологични операции на млекопреработката, извършвана с цел дезинфекция. Ефективността на термичната обработка е свързана с топлоустойчивостта на млякото, която се определя от неговия протеинов, солев състав и киселинност, които от своя страна зависят от сезона, периода на лактация, физическото състояние и породата на животните, режимите на хранене и диетата. и т.н.
При топлинна обработка млякото и млечните продукти претърпяват сложни промени в биохимичните и физикохимичните свойства, както и модификации на компонентите на млякото. Целта на топлинната обработка е разнообразна, а именно: намаляване на общия брой микроорганизми и унищожаване на патогенни форми, инактивиране (унищожаване) на млечните ензими за повишаване на стабилността при дългосрочно съхранение, осигуряване на специфичен вкус, мирис, цвят и текстура, създаване на благоприятни температурни условия за ферментация, изпаряване, съхранение, както и процеси на механична обработка и др.
Топлинната обработка на млякото е комбинация от режими на температурно излагане (нагряване или охлаждане) и време на излагане при тази температура. Освен това продължителността на излагане при дадена температура трябва да бъде такава, че да се получи желаният ефект. В млечната промишленост термичната обработка се извършва при температури до 100 и над 100 °C.
При нагряване до 100 °C в млякото загиват само вегетативните форми, а при температури над 100 °C загиват вегетативните и споровите форми. Основните процеси на топлинна обработка на млякото, причиняващи потискане на жизнената активност на микроорганизмите, са пастьоризацията и стерилизацията. Като топлоносител за пастьоризация се използват гореща вода и наситена водна пара, а за стерилизация - наситена водна пара.
Освен това по време на топлинна обработка млякото се подлага на охлаждане, нагряване (нагряване), термична вакуумна обработка.
Режимът на топлинна обработка на млякото за производството на всеки вид продукт се определя от технологичната инструкция. В този случай млякото се нагрява до температурата на пастьоризация, след което се поддържа и бързо се охлажда до необходимата температура. Комбинацията от операции за отопление и охлаждане е продиктувана от технологични и санитарни изисквания, както и от възможността за използване на топлината на горещ продукт.
За да направите това, горещият продукт се изпраща в специална секция на апарата (плоча или тръбна) за предварително загряване на студения продукт, който влиза в пастьоризацията. Тази операция се нарича регенерация на топлина, а апаратите или частите от тях се наричат регенератори или секции за регенерация. Използването на тази операция ви позволява да постигнете някои спестявания на топлинна енергия, изразходвана за пастьоризация.
Ефективността на регенератора се характеризира с коефициента на регенерация. Той представлява съотношението на количеството топлина, върнато от регенератора, към количеството топлина, необходимо за загряване на продукта от началната до крайната температура, т.е., при която продуктът започва да се движи обратно през регенератора.
Охлаждане и отопление
Млечните суровини се охлаждат в предприятията, за да се запази качеството им и да се ограничи растежа на броя на микроорганизмите преди преработка. В табл. 4.1 показва данни, показващи нарастването на броя на микроорганизмите в млякото в зависимост от температурата на охлаждане и продължителността на съхранение.
Съхранението на млякото при температури над 4,5 °C води до увеличаване на броя на микроорганизмите. На практика млякото за краткотрайно съхранение се охлажда до 6--8 °C. За дългосрочно съхранение (10-14 часа) млякото се пастьоризира и след това се охлажда. За да се увеличи срокът на годност на млечните продукти, те се охлаждат по време на производствения процес.
Нагряването (нагряването) не играе основна роля, а най-често изпълнява спомагателна (подготвителна) функция в процеса на преработка на млякото. Загряването на млякото се използва преди сепариране, хомогенизиране, както и при производството на различни млечни продукти. По време на сепарирането нагряването на млякото намалява неговите вискозитетни свойства, което има положителен ефект върху отделянето на мастните глобули от млечната плазма и образуването на крем.
