Содержание к диссертации
Введение
1. Роль и место процессов пастеризации и гомогенизации в производстве молока и молочных продуктов 7
2. Аналитический обзор процесса пастеризации 11
2.1. Теоретический аспект процесса пастеризации 11
2.2. Практический аспект процесса пастеризации 17
3. Аналитический обзор процесса гомогенизации 47
3.1. Теоретический аспект процесса гомогенизации 47
3.2. Практический аспект процесса гомогенизации 52
4. Обоснования процесса гидротермической обработки молока , 69
4.1. Современное состояние вопроса гидротермической обработки молока 69
4.2. Основания использования пароинжекторного пастеризатора-гомогенизатора 71
5. Аналитическое исследование пароинжекторного пастеризатора-гомогенизатора 84
5,1.Определение расхода пара 84
5.2. Определение условий истечения пара 88
5.3. Определение времени конденсации пара 94
5.4. Исследование условий кавитации 101
5.4.2. Определение условий «охлопывания» кавитационных пузырьков 101
5.4.1. Определение условий возникновения кавитационных пузырьков 105
5.5. Идентификация эффектов пастеризации и гомогенизации 110
6. Экспериментальное исследование практического использования пароинжекторного пастеризатора-гомогенизатора 113
6.1. Аппаратурное оформление и методика проведения эксперимента 113
6.2. Определение эффективности пастеризации , 118
6.3. Определение эффективности гомогенизации 120
7. Методика проектировочного расчета пароинжекторного пастеризатора-гомогенизатора профилированного под сопло лаваля 127
Основные результаты и выводы 128
8. Список использованных источников
- Практический аспект процесса пастеризации
- Практический аспект процесса гомогенизации
- Определение времени конденсации пара
- Определение эффективности пастеризации
Введение к работе
Потребность в пище всегда считалась одной из приоритетных в ряду потребностей человека. Среди продуктов питания, пожалуй, два, по мнению большинства, занимают главенствующее положение на протяжении всей истории развития человечества - это хлеб и молоко.
Такая почетная роль, отводимая молоку, обусловлена его исключительно высокой биологической ценностью. Белок молока по ценности занимает второе место после белка куриного яйца, опережая по этому показателю мясо и рыбу. Вместе с тем, пищевая ценность молока также обусловлена наличием в нем легкоусвояемого молочного жира, комплекса витаминов и минеральных элементов при относительно низкой энергетической ценности (264 кДж при жирности 3,8%), что немаловажно в векалиментарного ожирения значительной части населения.
В последнее время наблюдается нестабильность в закупках молока как сырья для производства молочных продуктов с выявлением общей тенденции к их снижению. В первую очередь, это связано с сокращением молочного поголовья скота ввиду нехватки и низкого качества кормов, общей неблагоприятной экологической обстановкой, непродуманной дотационной политикой государства.
Таким образом, потребность населения в молочных продуктах фактически не удовлетворяется.
Следует отметить, что качество молока и молочных продуктов напрямую связано с технической оснащенностью предприятий-производителей, с уровнем организации на них производственного процесса.
В большинстве случаев молочное производство сосредоточено на крупных предприятиях, увязанных системой технологических линий, в состав которых входит высокопроизводительное технологическое оборудование. В этом случае качество выпускаемой продукции зависит от логики технологических связей, от использования нестандартных новаторских технологических решений, от эффективности применяемого технологического оборудования.
Технологические цепочки производства питьевого молока и практически всех молочных продуктов объединяют ряд стадий, на которых при помощи технологических аппаратов реализуются те или иные технологические процессы. Данный факт формализуется в аппаратурно-процессовых схемах производства продуктов. Анализ аппаратурно-процессовых схем показывает, что практически для всех них (за редким исключением) начальными стадиями являются охлаждение, сепарирование, гомогенизация и пастеризация поступающего на предприятие молока. При этом наиболее «ответственными» и энергоемкими стадиями являются гомогенизация и пастеризация, ввиду того, что они непосредственно связаны с безопасностью и качеством готовой продукции.
Следуя общему концептуальному подходу, связывающему качество готовой продукции и ее безопасность с эффективностью производства, в целом, и эффективностью каждой стадии производства, в отдельности, работу, направленную на исследование процессов пастеризации и гомогенизации с последующим практическим использованием результатов исследований следует признать актуальной.
В связи с этим, целью настоящей работы явилась разработка аппарата, совмещающего проведение процессов пастеризации и гомогенизации молока за счёт его гидротермической обработки путём введения пара в молоко и обеспечения условий для дробления дисперсной фазы молока.
В рамках поставленной цели решались задачи: В рамках поставленной цели решались задачи:
- критический анализ литературных и патентных источников, производительного опыта, касающихся процессов пастеризации и гомогенизации и технологического оборудования для их проведения;
- выбор и обоснование принципа работы и схемы аппарата для гидротермической обработки молока;
- аналитическое исследование тепловых и гидротермических процессов, протекающих в выбранной модели аппарата, и получения расчетных формул и опытных данных для конструирования аппарата;
- разработка экспериментального стенда для апробации в производственных условиях опытного образца аппарата для пастеризации и гомогенизации молока;
- анализ результатов экспериментальной проверки работы опытного образца аппарата для гидротермической обработки молока;
- выработка рекомендаций практического использования результатов аналитических и экспериментальных исследований.
При проведении исследований использовались фундаментальные работы отечественных и зарубежных авторов в областях молочного дела, процессов и аппаратов молочного, пищевого и химического производств, термодинамики, теплотехники, теплообмена, газодинамики и гидромеханики: Г.А. Кука, Н.Н. Липатова, А.Г. Касаткина, Ю.П. Золотина, А.С. Ястржембского, Г.С. Инихова, Н.З. Френкеля, P.P. Чугаева, М. Лонцина, Р. Мерсона, Г. Бартона и др.
Практический аспект процесса пастеризации
Практический аспект связан с используемым технологическим оборудованием, его конструктивными особенностями и технологическими параметрами.
Для пастеризации молока применяются аппараты как отдельные конструктивные единицы (пастеризаторы), так и пастеризационно-охладительные установки, в состав которых обычно включаются сепараторы-сливкоотделители [63, 86, 89, 94].
В соответствии с организацией производственного процесса и технологической схемой могут использоваться аппараты периодического и поточного действия.
Аппараты периодического действия, как правило, применяются при производстве продуктов по технологии, требующей значительного времени выдержки при температуре пастеризации (например, топленое молоко), или при совмещении в рамках одного аппарата нескольких технологических процессов (например, при производстве кисломолочных продуктов реализуется цепочка: пастеризация молока - охлаждение молока до температуры сквашивания -сквашивание молока - охлаждение готового продукта).
К аппаратам периодического действия относятся аппараты емкостного типа.
Ванна длительной пастеризации ИПКС-011 предназначена для пастеризации молока, сливок и других жидких продуктов, а также для проведения процессов сквашивания, обработки творожного и сырного сгустков, смешивания многокомпонентных составов. Все соприкасающиеся с продуктом детали в аппарате выполнены из нержавеющей стали марки 12 18 Н1 ОТ.
Ванна оснащена съемной мешалкой рамного типа, имеет одностенную крышку, встроенные электронагреватели и электронный блок управления, позволяющие автоматически поддерживать, регулировать и контролировать температуру продукта и теплоносителя.
В отличие от ванны ИПКС-011 ванна ИПКС-072 имеет двустенную крышку с теплоизоляцией и коническое днище, обеспечивающее полный слив продукта.
Кроме упомянутых ванн длительной пастеризации компанией НГЖ «Прогрессивные технологии» совместно с заводом «Продтехмаш» изготавливаются емкости для производства кисломолочных напитков и продуктов, созревания смеси мороженого в общероссийском исполнении и серии «Протемол ТМ».
Мешалка изготавливается из трубопроводов и отводов с плавными закруглениями. Внутри емкости размещена моющая головка, обеспечивающая возможность безразборной мойки.
Емкости «Протемол ТМ» изготовляются в герметическом исполнении и различных типоразмеров. Ниже приводятся их технические характеристики (таблица 3):
Сырое молоко поступает в уравнительный бак 1, в котором с помощью поплавкового регулятора 2 поддерживается постоянный уровень продукта. Центробежным насосом 3 продукт из бака подается в первую рекуперационную секцию I теплообменного аппарата 5, где нагревается до 40-45С. Установленный за центробежным насосом регулятор потока 4, обеспечивает постоянный расход молока, поступающего в теплообменник. Нагретое молоко поступает в сепаратор-молокоочиститель (или сливкоотделитель) 6, где очищается от механических примесей (в случае использования сепаратора-сливкоотделителя разделяется на сливки и обезжиренное молоко), и затем подается во вторую секцию рекуперации //, где нагревается до 65-70С. Далее молоко по внутреннему каналу переходит в секцию пастеризации ///, где нагревается горячей водой до 76-78С. Молоко выдерживается при температуре пастеризации в выдержива-теле 7 и направляется на охлаждение сначала в секции рекуперации // и /, затем в секции водяного IV и рассольного V охлаждения или секцию охлаждения ледяной водой. Охлажденное до 4-6С молоко проходит через возвратный клапан 15, который направляет поток молока или в емкости хранения (при соблюдении режимов обработки), или на повторную пастеризацию в уравнительный бак (при нарушении режимов пастеризации).
Практический аспект процесса гомогенизации
Гомогенизатор имеет более высокую степень защиты от потерь продукта через уплотнения, а также возможность подключения к однофазной или трехфазной сети.
Кроме обычного исполнения гомогенизаторы могут иметь асептическое исполнение гомогенизирующих головок. В таких гомогенизирующих головках в ограниченное двумя уплотнительными элементами пространство подается пар под давлением (30—60) кПа и, таким образом создается температурный барьер, препятствующий проникновению в продукт микроорганизмов извне.
Асептические гомогенизаторы устанавливаются в технологических линиях после стерилизационной установки.
Государственным объединением ВНИМИ разработаны гомогенизаторы серии ОГВ, отличительной особенностью которых от классических плунжерно-клапанных гомогенизаторов является конструкция гомогенизирующей головки, представляющей собой центробежную механическую форсунку.
Гомогенизатор предназначен для обработки жидких молочных продуктов с температурой до 90С и кинематической вязкостью не более 5,0-10"6 м2/с.
Гомогенизатор состоит из следующих основных сборных единиц: насоса; гомогенизирующей головки; предохранительного клапана; регулятора давления; манометра; разделителя манометра: вентиля манометра; защитного кожуха.
Гомогенизатор представляет собой трехплунжерный насос высокого давления, снабженный гомогенизирующей головкой, действующей по принципу центробежной форсунки. Молоко поступает в головку под давлением 9,0 МПа. Гомогенизация происходит благодаря высокой турболизации потока в форсунке.
Регулирование давления осуществляется при повороте рукоятки вентиля регулятора. При закрывании вентиля регулятора, молоко начинает поступать в головку и давление возрастает. Для снятия резких пульсаций стрелки манометра служит вентиль на разделителе манометра. Для предохранения узлов гомогенизатора от поломки в случае непредвиденных перегрузок на гомогенизаторе установлен предохранительный клапан, который отрегулирован на давление (12,0-13,0) МПа, При достижении этого давления происходит сброс продукта из линии нагнетания в линию всасывания.
Помимо гомогенизаторов молока и сливок, предназначенных для увеличения дисперсности жировой фазы продукта, на практике используются гомогенизаторы-пластификаторы, назначением которых является улучшение физико-химических показателей продукта путем придания им более однородной консистенции.
Рабочим органом в гомогенизаторах-пластификаторах является ротор, который может иметь различное число лопастей: 12, 16 или 24.
На рисунке 25 изображен общий вид гомогенизатора М6-ОГА для сливочного масла, предназначенный для его обработки перед закладкой на хранение или мелкой фасовкой.
Привод гомогенизатора позволяет осуществлять регулировку частоты вращения шнеков (с помощью вариатора) в пределах 0,2-0,387 с " . На выходном конце шнеков расположен ротор с лопастями, частота которого не регулируется и составляет 11,86 с .
Принцип работы гомогенизатора заключается в следующем. Масло подается в бункер, откуда с помощью двух шнеков, вращающихся в противоположных направлениях, продавливается через ротор и из насадки с диафрагмой, выходит в бункер фасовочного аппарата. Для предотвращения налипания масла на рабочие органы гомогенизатора, последние смазываются перед началом работы специальным горячим раствором.
Гомогенизирующий инструмент для подачи, измельчения и перемешивания расплавленной сырной массы выполнен в виде подвижных и неподвижных ножей, разделенных распорными кольцами, а также загрузочного лопастного колеса и выгрузного ротора.
Подвижные ножи имеют специальные пазы, выполненные под определенным углом к торцевой поверхности, что способствует перемещению измельчаемого продукта в гомогенизирующем инструменте к выгрузному устройству. Вал гомогенизирующего инструмента вращается с частотой 49 с" .
Бункер для приема и накопления сырной массы имеет теплоизоляционную рубашку.
Выгрузное устройство в виде двух труб, соединенных между собой с помощью крана, предназначено для отвода гомогенизированной массы.
Привод состоит из двигателя мощностью 11 кВт, предназначенного для вращения подвижной части гомогенизирующего инструмента посредством вала гомогенизатора.
Обработка продукта на гомогенизаторе ЯЗ-ОГЗ осуществляется следующим образом. Расплавленная сырная масса периодически или непрерывно подается в бункер гомогенизатора. Под действием разрежения, создаваемого загрузочным лопастным колесом, продукт поступает в гомогенизирующий инструмент, в котором, проходя последовательно через подвижные и неподвижные ножи, гомогенизируется и подается к выгрузочному устройству.
Использование гомогенизатора позволяет отказаться от технологической операции процеживания сырной массы с целью удаления ее нерасплавленных частиц.
Определение времени конденсации пара
Расписав значения Q\, Q2, Q3, Q4 и подставив в (41), получим: со М t0 + W і = с, М t, + W ск tKl (42) где М - расход молока, кг/с; W - расход вторичного пара, кг/с; со ci — удельная изобарная массовая теплоемкость молока на входе в подогреватель и на выходе из подогревателя, Дж/(кгК); ск - удельная изобарная массовая теплоемкость конденсата, Дж/ (кгК); t0, ti - начальная и конечная температура молока, С; tK - температура конденсата, С; і - энтальпия вторичного пара, Дж/кг. Учитывая, что W = D; со = с і и решая (42) относительно tb получим При расчетах по формуле (43) начальная температура молока принимается равной 6С.
Теплоемкость молока «с» берется при начальной температуре. Энтальпия вторичных паров принимается при их давлении 50 кПа. Расход пара - в соответствии с таблицей 19. Результаты расчетов температуры молока t сведены в таблицу 22.
Результаты расчетов показывают, что эффективность работы подогревателя практически не зависит от расхода молока и давления пара, но достаточно высока (молоко нагревается на 35С) В таблице 23 приведены результаты расчета времени конденсации по формуле (38),
При расчете по формуле (38) конечная температура молока tK принимается в соответствии с таблицей 22.
Диаметр сопла d - по данным таблицы 21.
Коэффициент теплоотдачи а не рассчитывается, а принимается в соответствии с литературными источниками. Так, по данным Кутателадзе коэффициенты теплоотдачи при непосредственной конденсации пара в потоке жидкости при-нимают высокие значения, порядка 200000 Вт/(м К) [38].
С целью получения определенного запаса нами при расчетах принято значе-ние а = 50 000 Вт//(м К), что находит упоминание в работе [27]. На основе данных таблиц 20, 23 определена длина участка, необходимого для конденсации пара.
Численные значения длины участка в метрах приведены в таблице 24.
На рисунке 43 даны графические зависимости для длины участка конденсации, построенные в соответствии с расчетными значениями.
Приблизительное значение давления, необходимого для «схлопывания» кавитационных пузырьков, можно определить посредством следующих рассуждений. Предположим, что суммарная масса пара, заключенного в кавитационных пузырьках образующихся в единицу времени, пропорциональна массовому расходу продукта: Мп = R, М. (54) Массовый расход инжектируемого пара также пропорционален массовому расходу продукта D = R2 М, (55) В оценочных рассуждениях в первом приближении можно допустить, что Rj = R2, тогда, приравнивая (54) и (55), получим Mn=D, (56) т.е. в первом приближении принимаем, что суммарная масса пара, заключенного в кавитационных пузырьках образующихся в единицу времени, пропорциональна массовому расходу пара. Тепловая энергия образующегося «кавитационного» пара Q = DiH (57) где ін — энтальпия пара при температуре насыщения, Дж/кг.
Предположим, что для «схлопывания» кавитационных пузырьков должна быть затрачена такая же тепловая энергия.
Свяжем тепловую энергию, необходимую для «схлопывания» пузырьков с разностью давлений (Р - Рн), где Р - давление «схлопывания»; Рн - давление пара при температуре насыщения, т.е. при температуре пастеризации, с тепловой энергией образования пузырьков, используя метод анализа размерностей.
Идентификация эффекта пастеризации, в данном случае, сводится к выявлению дополнительного пастеризационного эффекта, связанного с феноменом кавитации и проявляющимся при «охлопывании» кавитационных пузырьков.
Ранее было сделано предположение о возможности вычисления тепловой энергии образующегося «кавитационного» пара по формуле (57).
При «схлопывании» кавитационных пузырьков эта энергия может использоваться, в том числе, на дополнительный нагрев молока, тогда:
Определение эффективности пастеризации
Эффективность гомогенизации определялась методом центрифугирования и по методу Культера.
Сущность метода центрифугирования состоит в определении процентного соотношения массовой доли жира в части гомогенизированного продукта, содержащей жировые шарики диаметром менее 2 мкм к массовой доле жира в продукте. Метод предполагает использование специальной пипетки.
Анализируется гомогенизированное молоко сразу после гомогенизации без его предварительной подготовки.
Пипетку через нижний капиллярный конец заполняют образцом продукта до верхней отметки. Верхний конец пипетки закрывают пальцем, а на нижний конец одевают резиновую пробку с отверстием диаметром равным диаметру нижнего конца пипетки на глубину 2/3 длины пробки. Заполненную молоком пипетку вставляют симметрично в патроны центрифуги пробками к периферии и центрифугируют 30 мин при температуре 38-40 С при 1100 об/мин. После центрифугирования пипетку вынимают и помещают в штатив на пробку. Затем пальцем руки закрывают верхний конец пипетки, а другой рукой снимают пробку с нижнего конца пипетки (не переворачивая и не встряхивая) и сливают в стакан вместимостью 100 см часть продукта (от верхней до нижней отметки на пипетке) и в ней определяют массовую долю жира. Эффективность гомогенизации в % определяется по формуле ЭГ= --100, Жп где Жн - массовая доля жира в нижнем слое продукта, слитом из пипетки %; Жп - массовая доля жира в продукте %. Метод Культера основан на использовании для анализа дисперсности жировой фазы молока счетчика Культера (Франция).
Счетчик КУЛЬТЕР ТА II с приставкой «PCА» специально разработан для изучения гранулометрического распределения частиц. Это 16-канальный анализатор, производящий анализ частиц по размерам, начиная с 0,4 мкм и до нескольких сотен микрон. Счетчик обеспечивает анализ образца, выдает результаты на цифровом индикаторе, на печатающем устройстве или графопостроителе.
Принцип КУЛЬТЕР основан на разнице проводимости между частицами и жидкостью, использованной для разведения этих частиц. Частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в электролите проходят в капиллярную трубку через микроотверстие. С обеих сторон этого отверстия имеются платиновые электроды, на которые приложено постоянное напряжение постоянного тока. Частица, проходящая через отверстие, замещает объем электролита, равный ее объему и вызывает изменение сопротивления между электродами. Возникают электрические импульсы, которые можно усиливать, считать и измерять. Измерение не зависит от формы, плотности, цвета частиц. Принцип КУЛЬТЕР позволяет провести измерения, непосредственно связанные с объемом частиц, то есть прямо пропорциональные массе частиц. Репрезентативность этих измерений высока, поскольку они выполняются на нескольких сотнях тысяч элементов.
Информация распределяется по 16 каналам в геометрической прогрессии -1,26 по диаметру, с динамикой обнаружения — 32 по диаметру или больше 32.000 по объему. После обработки импульсов можно получить два вида информации: - информацию о процентном содержании объема частиц в зависимости от их диаметра; - с приставкой «РСА» (Population Counter Accessory), информацию о числе частиц в зависимости от их диаметра. При определении эффекта гомогенизации на исследование были представлены три образца молока: - молоко сырое негомогенизированное; - молоко пастеризованное гомогенизированное по традиционной схеме (раздельная пастеризация и гомогенизация); - молоко пастеризованное гомогенизированное по нетрадиционной схеме (совмещенная пастеризация и гомогенизация в разработанном аппарате).
Результаты измерений дисперсности жировой фазы молока по методу Куль-тера представлены в форме таблицы 32 и гистограмм (рисунки 51, 52, 53).
