Гомогенизаторы для молочной промышленности. Гомогенизатор: принцип работы, конструкция и применение в молочной промышленности. Механизм процесса диспергирования фазы в аппарате клапанного типа
Гомогенизация молока - процесс дробления жировых шариков путем воздействия на молоко значительных внешних усилий. Процесс гомогенизации применяется в производстве молока пастеризованного для повышения однородности и улучшения его стойкости при хранении. Цель гомогенизации - предотвращение самопроизвольного отстаивания жира в производстве и хранении молочных продуктов, сохранение однородной консистенции продукта без расслоения.
Количество и размер жировых шариков в молоке непостоянны и зависят от породы, условий кормления и содержания, стадии лактации, возраста животного и целого ряда других факторов. В среднем в 1 см 3 молока цельного находится около 3 млрд жировых шариков. Размеры жировых шариков колеблются в широких пределах _ от 0,1 до 20 мкм.
В процессе дробления жировых шариков при гомогенизации происходит перераспределение оболочного вещества. На построение оболочек образовавшихся мелких жировых шариков расходуются белки плазмы, что приводит к стабилизации высокодисперсной жировой эмульсии гомогенизированного молока.
В молоке средней жирности свободного жира практически не образуются, т.е. отсутствуют скопления мелких жировых шариков. При повышении массовой доли жира в молоке могут возникнуть скопления жировых шариков. Т. о. правильно проведенная гомогенизация исключает возможность появления свободного жира, тем самым увеличивая сроки хранения молочных продуктов: регулирует структурно-механические свойства молочно-белковых сгустков; улучшает вкусовые качества продуктов.
К нежелательным последствиям можно отнести пониженную термоустойчивость гомогенизированного молока; возникновение повышенной чувствительности к свету и как следствие "солнечного" привкуса; невозможность сепарирования гомогенизированного молока.
Условия эффективной гомогенизации:
- 1) Молочный жир должен находиться в жидком состоянии;
- 2) Дробление жировых шариков возможно только при внешнем воздействии;
- 3) Необходимо образование нового защитного слоя каждого жирового шарика.
В процессе производства молока пастеризованного молочный жир в основном сохраняет свои исходные состав и свойства. Тепловое и механическое воздействия не вызывают существенных изменений жировой фазы молока.
В настоящее время применяются следующие виды гомогенизации:
- 1) одноступенчатая - происходит образование мелких жировых шариков;
- 2) двухступенчатая - происходит разрушение этих агрегатов и дальнейшее диспергирование жировых шариков;
- 3) раздельная - обработке подвергается не все молоко, а только его жировая часть (сливки) 16-20 % жирности.
При одноступенчатой гомогенизации проводят дробление жировых шариков до размеров около 1 мкм, т.о. возникает однородная дисперсия жировой фазы, не способной к отстаиванию. Ее используют для выработки нежирных молочных продуктов (питьевого молока и т.п.).
Двухступенчатую гомогенизацию проводят при производстве высокожирных продуктов (сливки, смеси для мороженого и т.п.). Она позволяет разбивать образующиеся скопления жировых шариков.
Гомогенизацию нормализованного молока раздельно проводят следующим образом. Для этого нормализованное молоко, подогретое до температуры 55-65 °С, сепарируют. Полученные сливки с массовой долей жира 16-20 % гомогенизируют на двухступенчатом гомогенизаторе при давлении на первой ступени 8-10 МПа и на второй - 2-2,5 МПа. Гомогенизированные сливки смешиваются в потоке с обезжиренным молоком, выходящим из сепаратора-сливкоотделителя, и направляются в секцию пастеризации пастеризационно-охладителыюй установки. Сливки можно гомогенизировать также перед их смешиванием с обезжиренным молоком при составлении нормализованного молока. Разделительная гомогенизация позволяет значительно снизить энергозатраты.
При производстве различных молочных продуктов обычно применяют давление гомогенизации 5-25 МПа и температуру 55-70 О С. Давление и температура гомогенизации определяют ее режим. Давление и температура при гомогенизации избираются в зависимости от массовой доли жира смеси. Чем выше жирность смеси, тем ниже должно быть давление. Гомогенизацию стоит проводить при температуре не ниже 50-60 0 С. Например, при гомогенизации молока и низкожирных сливок (10-12 %) при температуре не ниже 70 0 С применяют давление 10-15 МПа, при выработке сметаны 25-30 %-ной жирности - 9-10 МПа.
В процессе гомогенизации возможно выделение свободного жира, как было сказано выше. В молоке, с повышением давления гомогенизации, количество свободного жира снижается, а в сливках - увеличивается. Повышение количества свободного жира связывают с недостатком белка, необходимого для формирования оболочки вновь образовавшихся жировых шариков. Одно из условий образования защитной оболочки - отношение сухого обезжиренного молока к жиру; в гомогенизированном продукте оно не должно быть ниже 0,6-0,8.
Эффективность гомогенизации определяют по отстаиванию жира, методом центрифугирования, по изменению оптической плотности и среднему размеру жировых шариков. В гомогенизированном молоке диаметр жировых шариков не должен превышать 2 мкм.
Повышение дисперсности молочного жира приводит к получению более однородной, гомогенной и устойчивой системы. Повышение устойчивости системы без отстоя сливок необходимо при производстве многих молочных продуктов. Кроме того, гомогенизация увеличивает вязкость молока, сливок и молочных смесей, что положительно влияет на консистенцию готовых продуктов и расширяет использование гомогенизации в молочном производстве.
Наибольшее применение в молочной отрасли получили гомогенизаторы клапанного типа, представляющие собой многоплунжерные насосы высокого давления с гомогенизирующей головкой. При ходе плунжера создается высокое давление, в результате молоко (или смесь) с огромной скоростью продавливаются через щель гомогенизатора. При входе в клапанную щель скорость потока молока резко возрастает. Крупный жировой шарик, проходя через щель с огромной скоростью, вытягивается в цилиндр, который дробится на мелкие жировые капли, сразу же покрывающиеся белковой оболочкой из белков плазмы. При большой разности в скоростях дробление шариков может происходить путем последовательного отрыва частиц без промежуточного растягивания в цилиндр. Т.о. жир нормализованного молока при продавливании его через кольцевую клапанную щель гомогенизирующей головки, диспергируется. Необходимое давление создается насосом. При производстве цельного молока размер жировых шариков с 3-4 мкм уменьшается до 0,7-0,8 мкм.
Кроме гомогенизаторов клапанного типа применяют центробежные гомогенизаторы-кларификсаторы, имеющие специальную камеру с неподвижным гомогенизирующим диском. Сама конструкция диска обеспечивает активное механическое воздействие на частицы молока.
Определение эффективности гомогенизации.
Стабильность жировой эмульсии молока или сливок имеет большое значение в производстве молочных продуктов. При производстве одних продуктов желательно как можно дольше сохранять жировую эмульсию стабильной (пастеризованные и стерилизованные молоко и сливки, кисломолочные продукты, молочные консервы и мороженое). При производстве других продуктов (например коровье масло) желательно наиболее полно разрушить жировую эмульсию для агрегации жировых щариков.
В спокойном состоянии в свежем молоке через 20-30 минут после выдаивания появляется слой отстоявшихся сливок, что связано с разностью плотностей молочного жира (994-1025 кг/м 3) и молочной плазмы (1034-1040 кг/м 3). Скорость всплытия жирового шарика в условиях естественного отстоя выражают уравнением
н = 2*g*r 2 *(с п - с ж )/(9* µ) ,
н - скорость всплывания жирового шарика, м/с;
g - ускорение свободного падения, м/с 2 ;
r - радиус жирового шарика, м;
с п - плотность плазмы молока, кг/м3;
с ж - плотность жирового шарика, кг/м3;
µ - вязкость плазмы молока, Па·с.
Зависимость скорости разделения от радиуса жирового шарика в квадрате указывает на возможность предотвращения отстоя за счет уменьшения его радиуса, что и достигается гомогенизацией.
Эффективность гомогенизации определяют оптическим методом, методом отстаивания жира, методом центрифугирования и по среднему размеру жировых шариков, содержание жира - кислотным методом Гербера с трехкратным центрифугированием по 5 мин для гомогенизированного молока.
Оптический метод
Оптический метод определения эффективности гомогенизации распространяется на молоко и сливки с массовой долей жира от 2 до 6 %. Сущность метода заключается в измерении оптической плотности (мутности) образца при двух длинах волн - 400 и 1000 нм. Величина отношения оптических плотностей при различных длинах волн (Д400/Д1000) характеризует степень диспергирования жировой фазы молока или сливок.
Эффективность гомогенизации (ЭГ) определяют по соотношению величин оптических плотностей (Д400 и Д1000). Расчет среднего диаметра жировых шариков молока производят по формуле:
d ср = 2,82 - 2,58 lg Д 400 /Д 1000 ,
d ср - средний диаметр жировых шариков, мкм;
Д 400 и Д 1000 - величины оптических плотностей образца при длинах волн 400 и 1000 нм.
Определение эффективности гомогенизации
методом отстаивания жира.
Для определения эффективности гомогенизации методом отстаивания жира молоко выдерживают в течение 48 ч при температуре 8 О С без перемешивания в мерном цилиндре объемом 250 мл. Затем отбирают верхние 100 мл молока и определяют содержание жира в молоке, оставшемся в цилиндре. Отстаивание жира рассчитывают по формуле:
О ж =100*(Ж м -Ж н )/Ж м -К* Ж н ,
О ж - отстаивание жира, %;
Ж м, Ж н - массовые доли жира в исходном молоке и нижнем слое молока, оставшегося в цилиндре, %;
К - отношение объема нижнего слоя молока в цилиндре к общему объему молока (при отборе 100 мл верхнего слоя К = 0,6).
Метод центрифугирования ВНИМИ
Эффективность гомогенизации центрифугированием определяют при определенном режиме центрифугирования молока в специальной пипетке (см. рис. 6.1).
молокоперерабатывающий гомогенизация центрифугирование молоко
Рис. 6.1.
Центрифугирование производят в течение 30 мин. После центрифугирования пипетки вынимают и ставят вертикально на пробку. Затем из пипетки осторожно, не переворачивая и не встряхивая, сливают нижнюю часть продукта до отметки II в стакан, для чего закрывают пальцем левой руки верхнее отверстие пипетки, а правой снимают резиновую пробку с нижнего конца пипетки. В слитом продукте определяют содержание жира. Степень гомогенизации рассчитывают по формуле:
r = 100*Ж н /Ж м ,
r - степень гомогенизации, % (для гомогенизированного молока r=75-80 %);
Ж н -массовая доля жира в нижнем слое продукта, слитом из пипетки;
Ж м - массовая доля жира в исходном молоке, %.
Микроскопический метод
При определении эффективности гомогенизации микроскопическим методом определяют средний размер жировых шариков гомогенизированного молока (d ср). Для определения размеров жировых шариков молоко и сливки разбавляют водой. С помощью окуляр-микрометра определяют размеры жировых шариков при увеличении в 1350 раз (объектив 90, окуляр 15 с иммерсией).
Жировые шарики разделяют на фракции (группы) по размерам диаметров в зависимости от увеличения микроскопа и установленной цены деления окуляр-микрометра. Точность пределов этих фракций составляет одно или половину деления окуляр-микрометра. В одном образце молока определяют размер от 600 до 1000 жировых шариков и распределяют их по фракциям. Размеры жировых шариков каждой фракции выражают средним диаметром. Например, для фракции III средний диаметр будет (2+3)/2 = 2,5 мкм.
Гомогенизаций называется механическая обработка прошедшего через молочные фильтры сырья, в результате которой шарики жира диспергируют (измельчаются) под действием внешней силы - давления, тока высокой частоты, ультразвука и прочее.
Зачем нужна гомогенизация?
При хранении налитого в молочные бидоны продукта, жир всплывает на поверхность за счет того, что он легче плазмы (обрата). Сырье отстаивается. Крупный комочек жира, поднимаясь в верхние слои, сталкивается с ему подобными. Под влиянием иммуноглобулинов, происходит агглютинация (склеивание отдельных элементов и выпадение их в осадок из однородной смеси). В результате, меняется консистенция и снижается качество, что не желательно. Если жировые шарики разбить на мелкие части, они не будут слипаться в пленку на поверхности.
Скорость всплытия жирового шарика зависит от его размеров – чем больше, тем быстрее. По формуле Стокса, она прямо пропорциональна квадрату радиуса комочка. Величина шариков жира лежит в пределах от 0,5 до 18 мкм. После гомогенизации, она уменьшается приблизительно в 10 раз (средний размер на выходе – 0,85 мкм). Это значит, что всплывать они будут в 100 раз медленнее. К тому же, у небольших комочков, размером меньше 1 мкм, силы взаимного отталкивания больше, чем притяжения.
Во время дробления жира, вещество его оболочки перераспределяется. Часть фосфатидов переходит в плазму, а на внешний покров мелких шариков идут плазменные белки. Благодаря перечисленным факторам, в молоке стабилизируется жировая эмульсия. При высокой степени дисперсности, процесс отстаивания не наблюдается, жир не всплывает, фляги для молока наполняются более качественным продуктом. Сливки, творог, масло и прочее, сделанные из гомогенизированного (однородного) сырья, имеют лучшие органолептические показатели и консистенцию, питательные вещества быстрее и полнее усваиваются организмом.
Гомогенизация способствует тому, чтобы:
- Пастеризованные молоко или сливки, разлитые по емкостям из нержавеющей стали , приобрели однородную жирность, цвет и вкус.
- Стерилизованные молоко и сливки – лучше хранились.
- На кисломолочных продуктах не образовывалась жировая пленка, а белковые сгустки были прочнее и с лучшей консистенцией.
- В молочных сгущенных консервах, при длительном хранении, не выделялась жировая фаза.
- В цельном сухом молоке оказалось меньше свободного жира, без оболочек из белка – это приводит к окислению.
- У восстановленных кисломолочных напитков, сливок и молока не появился водянистый привкус, а вкус продукта стал более насыщенным.
- Молоко с наполнителем (например, какао), получилось более вязким, без осадка, с лучшим вкусом.
Механизм гомогенизации
Гомогенизацию рекомендуется делать после того, как молоко прошло через ванну длительной пастеризации .
Для этого применяются разные виды устройств. Самые распространенные – агрегаты клапанного типа. По своей сути они являются плунжерными насосами высокого давления. Жидкость пропускается сквозь очень маленькие отверстия. При этом резко увеличивается скорость потока. Жировые шарики дробятся, образовавшиеся мелкие комочки сразу покрываются белковой оболочкой. О том, почему так происходит, будет рассказано во второй части статьи.
Гомогенизаторы предназначены для дробления жировых шариков в молоке, жидких молочных продуктах и смесях мороженного. Они применяются в различных технологических линиях для молока и молочных продуктов. Для гомогенизации молока известно и другое оборудование (эмульгаторы, эмульсоры, вибраторы и др.), но оно менее эффективно.
Наибольшее применение в молочной отрасли получили гомогенизаторы клапанного типа К5 - ОГ2А - 1,25; А1 - ОГМ 2,5 и А1 - ОГМ, представляют собой многоплунжерные насосы высокого давления с гомогенизирующей головкой. Гомогенизаторы состоят из следующих основных узлов: кривошипно - шатунного механизма с системой смазки и охлаждения, плунжерного блока с гомогенизирующей и манометрическими головками и предохранительным клапанном, станины. Привод осуществляется от электродвигателя с помощью клиноременной передачи. Кривошипно - шатунный механизм преобразует вращательное движение, передаваемое клиноременной передачей от электродвигателя, в возвратно - поступательное движение плунжеров. Последние посредством манжетных уплотнений входят в рабочие камеры плунжерного блока и совершая всасывающие и нагнетательные ходы, создают необходимое давление гомогенизируемей жидкости. Кривошипно - шатунный механизм описываемых гомогенизаторов состоит из коленчатого вала, установленного на двух конических роликоподшипниках; крышек подшипников; шатунов с крышками и вкладышами; ползунов, шарнирно соединенных с шатунами с помощью пальцев; стаканов; уплотнений; крышки корпуса и ведомого шкива, консольно закрепленного на конце коленчатого вала. Внутренняя полость кривошипно - шатунного механизма - масляная ванна. Задней стенки корпуса смонтированы маслоуказатель и сливная пробка. В гомогенизаторе К5 - ОГ2А - 1,25 смазка трущихся деталей кривошипно -шатунного механизма производится путем разбрызгивания масла вращающимся коленчатым валом. Конструкция корпуса и сравнительно небольшие нагрузки на кривошипно - шатунный механизм гомогенизатора К5 - ОГ2А - 1,25 позволяет охладить масло, помещенное внутри корпуса, за счет теплоотдачи с поверхности в окружающую среду. Водопроводной водой охлаждаются только плунжеры. В гомогенизаторах А1 - ОГМ - 2,5 и А1 - ОГМ в сочетании с разбрызгиванием масла в нутрии корпуса применяют принудительную систему смазки наиболее нагруженных трущихся пар, что увеличивает теплоотдачу. Масло в этих гомогенизаторах охлаждается теплопроводной водой которая поступает в змеевик охлаждающего устройства, уложенного на дне корпуса, а плунжеры водопроводной водой, подающей на них через отверстие в трубе. В системе установлено реле протока для контроля за протеканием воды. К корпусу КШМ с помощью двух шпилек прикрепляется плунжерный блок, предназначенный для всасывания продукта из подающей магистрали и нагнетания его под высоким давлением в гомогенизирующую головку. Плунжерный блок включает в себя корпус, плунжеры манжетные уплотнения, нижнее, верхнее и передние крышки, всасывающие и нагнетательные клапаны, седла клапанов, прокладки, втулки, пружины, фланец, штуцер, фильтр во всасывающем канале блока. На торцевой плоскости плунжерного блока имеет гомогенизирующая головка, предназначенная для выполнения двухступенчатой гомогенизации продукта за счет его прохода под высоким давлением через щель между клапанном и седлом клапана в каждой системе ступени. На верхней плоскости плунжерного блока закреплена манометрическая головка для контроля давления гомогенизации. Манометрическая головка имеет дросселирующее устройство дающее возможность эффективно уменьшать амплитуду колебания стрелки манометра. Манометрическая головка состоит из корпуса, иглы, уплотнения, поджимающей гайки, шайбы и манометра с мембранным разделителем. В торцевой плоскости плунжерного блока со стороны, противоположной крепления гомогенизирующей головки, распложен предохранительный клапан, который предотвращает повышение давления гомогенизации по сравнению с номинальным. Предохранительный клапан включает в себя винт, контргайку, пяту, пружину, клапан и седло клапана. На максимальное давление гомогенизации предохранительный клапан настраивают, вращая прижимной винт, который воздействует на клапан через пружину. Станина гомогенизатора представляет собой литую или сварную конструкцию из швеллеров, облитой листовой сталью. На верхней плоскости станины установлен КШМ. Внутри на двух кронштейнах шарнирно закреплена плита с размещенной на ней эл. двигателем. Кроме того плита поддерживается винтами, регулирующие клиновых ремней. Станина имеет четыре регулируемые по высоте опоры. Боковые окна станины закрываются съемными крышками. Молоко или молочный продукт подается с помощью насоса во всасывающий канал плунжерного блока. Из рабочей полости блока продукт под давлением попадает через нагнетательный клапан гомогенизирующую головку с большой скорости проходит через лицевой зазор, образующийся между притертыми поверхностями гомогенизирующего клапана и его седлом. При этом происходит диспергирование жидкой фазы продукта. Из гомогенизатора продукт направляется по молокопроводу на дальнейшую переработку или предварительное хранение.
Гомогенизирующие головки подвергались тем или другим мало существующим изменениям, однако, принцип устройства их сохраняющихся до сих пор без изменения. Форма рабочей поверхности клапана обычно плоская, тарельчатая или конусная с небольшим углом конусности. У гомогенизатора с плоскими клапанами с концентрическими рифлями располагаются такие же рифли на поверхности седла. Следовательно, форма прохода для молока в радиальном направлении изменяется, что должно способствовать лучшей гомогенизации. Жидкий продукт в головку может нагнетаться любым насосом, обладающим равномерной подачей и способна создавать высокое давление. Для этой цели применимы многоплунжерные, ротационные и винтовые насосы. Наибольшее распространение нашли гомогенизаторы высокого давления с трехплунжерными насосами.
Схема устройства плунжерного гомогенизатора клапанного типа показана на рис. 3
Молоко при ходе плунжера влево проходит через всасывающий клапан 3 в цилиндр, а при ходе плунжера вправо проталкивается через клапан 4 в нагнетательную камеру, на которой установлен манометр 10 для контроля давления. Далее молоко по каналу в головку 5,в которой поджимает клапан 7, прижимаемый к седлу 6 пружиной 8. Натяжение пружины регулируется винтом 11. Клапан и седло притерты друг к другу. В нерабочем положении клапан плотно прижат к седлу пружиной 8, которая стала регулировочным винтом 11, а в рабочем, когда нагнетается жидкость, клапан приподнят давлением жидкости и находится в «плавающем» состоянии. Характерным показателем режимы гомогенизации, играющим большую роль при регулировке машины, является давление гомогенизации. Чем оно выше, тем эффективнее процесс диспергирования. Давление регулируют винтом 11, руководствуясь показаниями манометра 10. При завинчивании винта давления пружины на клапан увеличивается следовательно, высота клапанной щели увеличивается. Это приводит к увеличению гидравлических сопротивлений при движении жидкости через клапан, т. е. к увеличению давления, необходимого для проталкивания данного количества жидкости.
Способность плунжерного насоса создавать высокое давление ставит под угрозу сохранность деталей в случаи, если канал засориться в седле клапана. Поэтому гомогенизатор снабжен предохранительным клапаном 9, через который жидкость выходит наружу, когда давление в машине выше установленного. Придельное давление, при котором предохранительный клапан открывается, регулируют, затягивая винтом пружину.
На рис. 4 приведен гомогенизатор с двойным дросселированием, в котором жидкость проходит последовательно через две рабочие головки. В каждой головки давление пружины на клапан регулируется отдельно, своим винтом. В таких головках гомогенизация происходит в две ступени.
Рабочее давление в нагнетательной камере равно сумме обоих перепадов. Применение двухступенчатой гомогенизации обусловлено преимущественно тем, что во многих эмульсиях после гомогенизации в первой ступени наблюдается на выходе обратное слипание диспергированных частиц и образование «гроздьев», которые ухудшают эффект диспергирования.
Задача второй ступени состоит в раздроблении, рассеиваний таких сравнительно неустойчивых образований.
Для этого требуется уже ни столь значительное механическое воздействие, поэтому перепад давлений во второй вспомогательной ступени гомогенизатора значительно меньше, чем в первой, от работы которой в основном и зависит степень гомогенизации.
Рисунок 4 - Схема двухступенчатой гомогенизации
В общем конструктивном оформлении современных гомогенизаторов находит применение основные принципы и положения технической эстетики, санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям в развитиям оборудования молочных предприятий, новые конструкции гомогенизаторов выполняют обтекаемой формы, облицовывают и закрывают кожухами из нержавеющей сталью с полированной поверхностью.
Исходя из производительности гомогенизатора и конструктивных соображений, за прототип выбираем гомогенизатор марки А1 - ОГМ - 2,5.
Гомогенизатор это устройство для получения гомогенных (однородных) дисперсных систем. Системы могут быть одно- или многофазными, т.е. в дисперсной среде, которой обычно является жидкость, находятся частицы (обычно – нерастворимые) одного или нескольких твердых либо жидких веществ, которые называются дисперсными фазами. Термин «гомогенный» значит, что фазы распределены равномерно, с одинаковой концентрацией в любом произвольно взятом единичном объеме среды. Полученная система должна быть относительно устойчивой. Для этого при гомогенизации, в подавляющем большинстве случаев, проводят диспергирование, то есть, измельчение частиц фазы.
Применение гомогенизаторов в молочной промышленности
Гомогенизатор для молока дробит жировые шарики. Скорость, с которой они всплывают на поверхность, зависит от квадрата их радиуса. Таким образом, после уменьшения в 10 раз, скорость падает в 100 раз. Благодаря этому, продукт не отстаивается, не разделяется на сливки и обрат. Срок его хранения значительно возрастает.
Кроме того, после гомогенизации:
- При изготовлении маргарина или сливочного масла, в жировой среде равномерно распределяются вода и прочие компоненты. А в майонезах и салатных заправках – жиры в водной среде.
- Сливки и пастеризованное молоко делаются однородными по цвету, вкусу и жирности.
- У сгущенных молочных консервов, во время длительного хранения, не выделяется жировая фаза.
- Кефир, сметана и другие кисломолочные продукты стабилизируются. Консистенция белковых сгустков улучшается. На поверхности не образуется жировая пробка.
- В сухом цельном молоке уменьшается количество не защищенного белковой оболочкой свободного жира. За счет этого исключается его быстрое окисление под влиянием атмосферного воздуха.
- У молока с какао или другим наполнителем улучшается вкус, оно становится более вязким. Снижается вероятность выпадения осадка.
- У восстановленных кисломолочных напитков, сливок и молока нет водянистого привкуса. Естественный вкус становится более насыщенным.
Физические методы процесса и основные типы гомогенизаторов
- Продавливание через узкую щель. Используются агрегаты клапанного типа, с плунжерными насосами высокого давления. Такие устройства в молочной промышленности - самые распространенные.
- Механическое перемешивание. Применяются миксеры с ножами или лопаточными венчиками, в том числе, высоко оборотистые. Простейший пример – кофемолка или мясорубка с электроприводом. Сюда же можно отнести роторно-пульсационные аппараты (РПА). Хотя в них действие на комочки фазы более сложное, оно не ограничивается лишь ударными и истирающими нагрузками.
- Воздействие ультразвуком. Здесь работают УЗ-установки, возбуждающие в дисперсной среде кавитацию, за счет которой фаза измельчается.
Плунжерный гомогенизатор
Устройство
Устройство гомогенизатора показано на рис. 1. Плунжерный цилиндр 1 соединяется с входным патрубком через всасывающий клапан 3, а с камерой высокого давления – через нагнетательный клапан 4. От камеры идет канал к гомогенизирующей головке 5, которая имеет седло 6, клапан 7, пружину 8 и регулировочный винт 11. Для контроля давления, к камере подключен манометр 10. Канал имеет ответвление на предохранительный клапан 9. Плунжер приводится в движение насосом 2.
В укрупненном виде гомогенизирующая головка показана на рис.2. В ней имеется калиброванное отверстие (канал) 1 в седле 5, пружина 2, клапан 4 со стержнем 3 и регулировочный винт 6. Седло и клапан притерты друг к другу.
Клапан имеет плоскую, конусную с небольшим углом или тарельчатую форму рабочей поверхности. В первом случае, на ней могут быть рифли (проточки). Если они есть, то на седле делаются такие же. Это повышает степень дробления фазы.
Встречаются модели, в которых клапан и седло расположены в подшипниках, установленных в неподвижном корпусе. В этом случае они, под напором струи продукта, вращаются в разные стороны.
Поскольку проходящая с большой скоростью жидкость достаточно сильно действует на клапан и седло, то они быстро изнашиваются. Поэтому указанные элементы делают из особо прочных сталей. Кроме того, их форма симметричная. При заметном износе, достаточно перевернуть их на другую сторону, тем самым увеличив срок службы в два раза.
Насос применяется не обязательно плунжерный, можно выбрать винтовой или роторный. Главное, чтобы он создавал высокое давление. Поскольку плунжерный механизм не обеспечивает равномерную подачу, то в гомогенизаторы ставят их по несколько штук, с разнесением начала циклов по времени. Самыми популярными являются трехплунжерные агрегаты. В них на валу колена повернуты на 120 град, чтобы цилиндры работали поочередно. В этом случае коэффициент неравномерности подачи, то есть, отношение ее максимального значения к среднему, равен 1,047.
Близкий к единице показатель значит, что поток, идущий через гомогенизирующую головку, с небольшой погрешностью может считаться стабильным. Таким образом, в процессе гомогенизации клапан находится все время во взвешенном (открытом) положении. Между ним и седлом имеется щель для прохода жидкости. Размер ее тоже можно принимать постоянным, не учитывая незначительного отклонения от среднего уровня. У многих современных аппаратов поток с каждого плунжера идет на «свою» головку. После дробления фазы они соединяются в выходном коллекторе.
Манометр оборудован дросселирующим устройством. Это уменьшает колебания стрелки прибора.
Принцип действия
Принцип работы гомогенизатора следующий. Когда плунжер работает на всасывание (на рисунке – движется влево), молоко поступает в цилиндр 1 через клапан 3. Затем плунжер работает на нагнетание (перемещается вправо) и проталкивает продукт в камеру через клапан 4. После этого жидкость по каналу попадает из камеры в гомогенизирующую головку 5.
Когда клапан находится в нерабочем положении, пружина 8 плотно прижимает его к седлу. Поступающее под давлением молоко приподнимает клапан так, что между ним и седлом образуется небольшая щель. Проходя через нее, жировые шарики измельчаются, продукт гомогенизируется, после чего уходит в выпускной патрубок.
Щель обычно имеет размер не более 0,1 мм. Частицы молока движутся в этой зоне со скоростью около 200 м/с (в нагнетательной камере - всего 9 м/с). Размер жировых комочков уменьшается с 3,5-4,0 мкм до 0,7-0,8 мкм.
Давление, создаваемое плунжерным насосом, очень большое. Поэтому засорение канала в седле может привести к разрушению деталей. Чтобы избежать поломки, ставится предохранительный клапан 9.
Регулируют агрегат винтом 11. Одной из основных характеристик гомогенизации является давление. При затягивании винта, пружина сильнее прижимает клапан к седлу. Из-за этого уменьшается размер щели, так как возрастает гидравлическое сопротивление. Настройку аппарата проводят по показаниям манометра 10.
Согласно инструкции к гомогенизатору, температура молока должна быть в пределах от 50 до 65 град С. Если она окажется ниже этого диапазона, ускорится процесс отстаивания жировых комочков. Если выше – начнут осаждаться сывороточные белки.
Повышение кислотности продукта отрицательно влияет на эффективность процесса, так как в этом случае стабильность белков снижается. Образуются агломераты, дробление жировых комочков затрудняется.
В момент прохождения жидкости через клапанную щель, из-за резкого сужения поперечного сечения канала, наблюдается эффект дросселирования. Скорость потока многократно увеличивается, а давление падает из-за того, что потенциальная энергия преобразуется в кинетическую.
После прохождения молока через головку, какая-то часть раздробленных частиц опять слипается в более крупные конгломераты. Эффективность процесса падает. Для борьбы с этим явлением, используют двухступенчатую гомогенизацию. Устройство показано на рис. 3. Принципиальное отличие от одноступенчатой заключается в наличии двух пар рабочих органов, первой ступени 4 и второй – 12. У каждой есть своя прижимная пружина с регулирующим вентилем 6.
Вторая ступень, вспомогательная, еще более повышает степень дробления фазы. Она предназначена для создания управляемого и постоянного противодавления в головке первой ступени, которая является основной. Это оптимизирует условия процесса. А также для разрушения относительно неустойчивых образований. Давление в ней устанавливается меньшее, чем в первой.
Одноступенчатая гомогенизация предназначена для продуктов с низкой жирностью или высокой вязкостью. Двухступенчатая – при высоком содержании жира либо сухих веществ и малой вязкости. А также в тех случаях, когда надо обеспечить максимально возможное дробление фазы.
Раздельная технология
В молочной промышленности гомогенизация может быть полной или раздельной. В первом случае все имеющееся сырье пропускают через агрегат. Во втором, его сначала сепарируют. Полученные сливки 16-20% жирности гомогенизируют, после чего смешивают с обратом. И отправляют на следующий этап переработки. Этот способ дает значительную экономию энергии.
Механизм процесса диспергирования фазы в аппарате клапанного типа
По Н. В. Барановскому, на основании изучения гидравлических факторов, влияющих на дробление жировых комочков при гомогенизации молока на аппарате клапанного типа, предложена следующая схема процесса (рис. 4).
В точке перехода потока из канала седла в щель, между седлом и клапаном резко снижается площадь сечения потока. А значит, согласно одному из основных законов гидравлики, также быстро возрастает скорость его движения U. Если более конкретно, то U0 на подходе составляет несколько метров в секунду. А U1 на входе в щель – на 2 порядка выше, несколько сотен м/с.
Жировая капля не переходит из зоны малых в зону больших скоростей одномоментно «вся сразу». В поток, двигающийся в щели с огромной скоростью, входит сначала передняя часть шарика. Под действием быстро текущей жидкости, она вытягивается (задняя часть – все еще движется медленно) и отрывается. Оставшийся комок продолжает неторопливо (разумеется, понятие «неторопливо» в данном случае относительное, так как весь цикл прохождения капли сквозь щель занимает 50 микросекунд) продвигаться к границе раздела скоростей, и часть, теперь оказавшаяся передней, вытягивается так же, как и предыдущая, и тоже отрывается. Таким образом, вся жировая капля постепенно разрывается на кусочки, проходя через пограничное сечение. Это происходит при достаточно большой разности скоростей U0 и U1.
Если указанная разность окажется меньше определенного порога, то, перед отрывом частиц, имеет место промежуточный этап – капля сначала растягивается в шнур. Если разность будет еще меньше, то жировой комочек пройдет через границу раздела скоростей без разрушения. Но воздействие большой скорости потока все равно приведет его в неустойчивое состояние, вследствие образования внутренних деформаций. Поэтому, из-за сил поверхностного натяжения и механических ударов струй потока, шарик все равно распадется на более мелкие фракции.
Гомогенизатор для масла
Для получения однородной консистенции сливочного масла или плавленых сыров, используют гомогенизатор пластификатор. В процессе обработки, водная фаза диспергируется и равномерно распределяется по всему объему. В итоге, продукт дольше хранится, его вкусовые качества улучшаются. Кроме того, сокращаются затраты времени на размораживание, при упаковке снижаются потери воды.
Устройство аппарата можно рассмотреть на примере одной из наиболее популярных моделей М6-ОГА (рис. 5). Он состоит из корпуса и станины (рис. 6), приемного бункера, под которым расположены подающие шнеки, и ротора с 12-ю, 16-ю или 24-мя лопастями. В качестве привода используется электродвигатель. Частота вращения шнеков регулируется вариатором. Угловая скорость ротора – постоянна.
Работа гомогенизатора выглядит следующим образом. Сливочное масло большими кусками кладется в бункер. Шнеки вращаются в разных направлениях, если смотреть сверху – один навстречу другому. С их помощью масло продавливается через ротор, после чего, через насадку прямоугольного сечения, выходит в приемный бункер (на рисунке не показан). Чтобы масло не налипало на рабочие органы, их смазывают горячим раствором.Роторно-пульсационный аппарат 
В последнее время для обработки молока все чаще используют роторно-пульсационные аппараты (РПА). Такой гомогенизатор по конструкции и принципу действия похож на центробежный насос. Главное отличие – в рабочих органах.
РПА устроен следующим образом. В качестве привода служит электродвигатель. На его удлиненном валу жестко закреплен ротор в виде перфорированного цилиндра. С торца цилиндра, со стороны крышки, может стоять крыльчатка. Перфорация на ней не обязательна. Внутри крышки имеется аналогичный цилиндр, неподвижный, он играет роль статора.
Молоко подается через осевой патрубок на крышке и попадает на крыльчатку. Эта деталь производит первичное дробление фазы и придает рабочей смеси ускорение. Последняя затем проходит сквозь перфорацию подвижного цилиндра, снова частично диспергируется, под действием срезающих и истирающих нагрузок, и оказывается в гомогенизирующей полости между ротором и статором. 
Здесь, кроме ударных, на жировые шарики действуют еще и другие силы.
В турбулентном потоке, движущемся с большой скоростью (именно такой наблюдается в рабочей зоне РПА), возникают микровихревые течения. Если небольшой сферический водоворот сталкивается с каплей жира, он ее разрушает. Также имеет место гидроакустическое воздействие. Интенсивная кавитация, приводящая к схлопыванию пузырьков воздуха, порождает ударные волны, против которых комочки фазы тоже не могут устоять.
Максимальное воздействие аппарата на частицы достигается в тот момент, когда между ротором и статором возникают резонансные колебания. Чтобы обеспечить данный эффект, надо рассчитать диаметр подвижного цилиндра, скорость его вращения, а также зазор между ним и статором.
После рабочей зоны молоко проходит сквозь отверстия статора и, уже гомогенизированное, выводится через тангенциальный выпускной патрубок, направленный обычно вверх, чтобы проще было подключать трубопроводы для повторной загрузки бункера в рециркуляционной системе.
Для повышения степени дробления, в аппарате может быть несколько пар «ротор-статор» . После установки крышки, они располагаются поочередно. Есть модели, в которых, вместо крыльчатки, ставится перфорированный диск. Гомогенизаторы РПА также могут быть погружными. Опционально агрегат комплектуется следующими приспособлениями:
- Защита от сухого пуска.
- Взрывозащищенный двигатель.
- Корпус с рубашкой нагрева / охлаждения.
- Регулятор плавного изменения частоты вращения мотора.
- Загрузочное устройство (шнековый питатель), для вязких, плохо растворимых, неоднородных эмульсий и суспензий или сыпучих компонентов.
- Разгрузочный узел, для слива в стороннюю емкость при работе по циркуляционной схеме.
- Торцевое сильфонное уплотнение вала из карбидо-кремниевой керамики – увеличивает срок службы агрегата, даже при работе с жидкостями агрессивными или содержащими абразивные включения.
РПА бывают одно- или трехфазные. Все детали, вступающие в контакт с продуктами питания, сделаны из пищевой нержавеющей стали AISI 304, AISI 316 или их отечественных аналогов. Поскольку диспергированная жидкость выходит из аппарата под давлением, то гомогенизатор РПА одновременно работает как центробежный насос.
Ультразвуковые гомогенизаторы
Устройство (на примере BANDELIN). УЗ гомогенизатор состоит из (на рис. 15 – сверху вниз) ВЧ-генератора, УЗ-преобразователя, «рогов» и зондов (волноводов). ВЧ-генератор включают в бытовую сеть с током частотой 50 или 60 Гц. Он усиливает этот параметр до 20 кГц. УЗ-преобразователь, оборудованный осциллирующей схемой с измерительным пьезоэлектрическим элементом, трансформирует вырабатываемую генератором энергию тока в колебания УЗ волн той же частоты. Генерируемая амплитуда остается постоянной. Ультразвуковая – увеличивается, за счет использования «рогов» специальной формы. В них вставляются зонды, передающие колебания в сосуд с жидкостью. В зависимости от объема рабочей среды, они могут быть плоскими, в виде конусов или «микро», диаметром от 2 до 25 мм.
Отечественная промышленность также выпускает УЗ гомогенизаторы. Из последних моделей можно отметить разработку 2015 года И100-6/840 (рис. 16). Аппарат имеет цифровое управление, импульсный режим, контроль амплитуды и набор зондов.
Принцип действия. Когда УЗ волны проходят через жидкость, они попеременно, 20 000 раз в секунду, создают в ней, то высокое, то низкое давление. Последнее практически равно внутреннему давлению паров жидкости, в результате чего в ней появляются пузырьки, наполненные паром, жидкость закипает. Когда пустоты схлопываются, возникает перепад давлений, образовываются быстротекущие турбулентные микропотоки, разрушающие жировые капли.
Некоторые специалисты считают, что, при УЗ воздействии, комочки диспергируют не от кавитации, а из-за того, что волна, проходя через жировую каплю в разных точках, вызывает различные по величине и направлению ускорения. В результате возникают разнонаправленные силы, старающиеся разорвать шарик.
Гомогенизация – важный этап процесса переработки молока и других продуктов. С ее помощью улучшается структура и увеличивается срок хранения, а вкусовые качества становятся более насыщенными.
Этот способ механической обработки молока и жидких молочных продуктов служит для повышения дисперсности в них жировой фазы, что позволяет исключить отстаивание жира во время хранения молока, развитие окислительных процессов, дестабилизацию и подсбивание при интенсивном перемешивании и транспортировании.
Гомогенизация сырья способствует:
при производстве пастеризованного молока и сливок --приобретению однородности (вкуса, цвета, жирности);
стерилизованного молока и сливок -- повышению стойкости при хранении;
кисломолочных продуктов (сметаны, кефира, йогурта и др.) -- повышению прочности и улучшению консистенции белковых сгустков и исключению образования жировой пробки на поверхности продукта;
сгущенных молочных консервов -- предотвращению выделения жировой фазы при длительном хранении;
сухого цельного молока -- снижению количества свободного молочного жира, не защищенного белковыми оболочками, что приводит к быстрому его окислению под действием кислорода атмосферного воздуха;
восстановленных молока, сливок и кисломолочных напитков -- созданию наполненности вкуса продукта и предупреждению появления водянистого привкуса;
молока с наполнителями (какао идр.) -- улучшению вкуса, повышению вязкости и снижению вероятности образования осадка.
Диспергирование жировых шариков, т. е. уменьшение их размеров и равномерное распределение в молоке, достигается воздействием на молоко значительного внешнего усилия (давление, ультразвук, высокочастотная электрическая обработка идр.) в специальных машинах -- гомогенизаторах.
Наибольшее распространение в молочной отрасли получила гомогенизация молока при продавливании его через кольцевую клапанную щель гомогенизирующей головки машины. Жировые шарики, проходя через эту щель, диспергируются. Необходимое давление создается насосом. При производстве цельного молока размер жировых шариков с 3--4 мкм уменьшается до 0,7--0,8 мкм.
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 одно- или 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.
Тепловая обработка молока
Тепловая обработка -- одна из основных и необходимых технологических операций переработки молока, проводимых с целью обеззараживания. Эффективность тепловой обработки связана с термоустойчивостью молока, обусловливаемой его белковым, солевым составом и кислотностью, которые, в свою очередь, зависят от времени года, периода лактации, физического состояния и породы животных, режимов и рациона кормления и др.
При тепловой обработке молоко и молочные продукты претерпевают сложные изменения биохимических и физико-химических свойств, а также видоизменения составных частей молока. Цель тепловой обработки многообразна, а именно: снижение общего количества микроорганизмов и уничтожение патогенных форм, инактивация (разрушение) ферментов молока для повышения стойкости при длительном хранении, обеспечение специфических вкуса, запаха, цвета и консистенции, создание благоприятных температурных условий для проведения заквашивания, выпаривания, хранения, а также процессов механической обработки и др.
Тепловая обработка молока представляет собой комбинацию режимов воздействия температуры (нагрева или охлаждения) и продолжительности выдержки при этой температуре. Причем продолжительность выдержки при заданной температуре должна быть такой, чтобы был получен необходимый эффект. В молочной отрасли тепловая обработка проводится при температуре до 100 и свыше 100 °С.
При нагревании до 100 "С в молоке погибают только вегетативные формы, а при температуре более 100 "С -- вегетативные и споровые формы. Основными процессами тепловой обработки молока, вызывающими подавление жизнедеятельности микроорганизмов, являются пастеризация и стерилизация. В качестве теплоносителя для пастеризации применяют горячую воду и водяной насыщенный пар, а для стерилизации -- водяной насыщенный пар.
Кроме того, при тепловой обработке молоко подвергают охлаждению, подогреву (нагреву), термовакуумной обработке.
Режим тепловой обработки молока для выработки каждого вида продукции определен технологической инструкцией. При этом молоко нагревают до температуры пастеризации, а затем выдерживают и быстро охлаждают до требуемой температуры. Совмещение операций нагрева и охлаждения продиктовано технологическими и санитарными требованиями, а также возможностью использования теплоты горячего продукта.
Для этого горячий продукт направляется в специальную секцию аппарата (пластинчатого или трубчатого) для предварительного нагрева холодного продукта, поступающего на пастеризацию. Эту операцию называют регенерацией теплоты, а аппараты или их части -- регенераторами или секциями регенерации. Применение этой операции позволяет получить определенную экономию тепловой энергии, расходуемой на пастеризацию.
Эффективность работы регенератора характеризуется коэффициентом регенерации. Он представляет собой отношение количества теплоты, возвращенной регенератором, к количеству теплоты, необходимой для нагревания продукта от начальной до конечной температуры, т. е. при которой продукт начинает обратное движение через регенератор.
Охлаждение и нагрев
Молочное сырье на предприятиях охлаждают с целью сохранения его качества и ограничения роста количества микроорганизмов перед обработкой. В табл. 4.1 приведены данные, показывающие рост количества микроорганизмов в молоке в зависимости от температуры охлаждения и продолжительности хранения.
Хранение молока при температуре выше 4,5 °С приводит к росту числа микроорганизмов. На практике молоко для кратковременного хранения охлаждают до 6--8 °С. Для длительного хранения (10--14 ч) молоко пастеризуют, а затем охлаждают. С целью увеличения сроков хранения молочные продукты охлаждают в процессе изготовления.
Нагревание (подогрев) не играет основной роли, а чаще всего выполняет вспомогательную (подготовительную) функцию в процессе переработки молока. Подогрев молока применяют перед сепарированием, гомогенизацией, а также в производстве различных молочных продуктов. При сепарировании нагревание молока снижает его вязкостные свойства, что положительно сказывается на отделении жировых шариков от плазмы молока и образовании сливок.
