Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Технологические основы производства восстановленного молока 8
1.1. Обще предпосылки 8
1.1.2. Состав сухого молока 9
1.1.3. Свойства сухого молока, предопределяющие его растворимость 11
1.1.4. Структура сухого молока 14
1.1.5. Воздушные включения 15
1.2. Упрощенный механизм процесса растворения сухих молочных продуктов 16
1.3. Технология и техника восстановления сухого молока 17
1.3.1. Технология восстановления сухого молока 17
1.3.2. Краткая характеристика аппаратов для растворения сухого молока 20
1.3.3. Аппараты для растворения сухого молока, разработанные при участии автора . 40
1.3.4. Обобщенная оценка известных аппаратов для растворения сухого молока 47
Выводы 50
ГЛАВА 2. Разработка эксперименталшого аппарата и лабораторного стенда для растворения сухого молока . 51
2.1. Разработка аппарата и лабораторного стенда для исследования процесса растворения 51
2.2. Разработка узла смачивания сухого молока . 56
2.3. Разработка конструкции камеры растворения . 57
2.3.1. Конструктивные элементы перемешивающего органа 60
2.4. Разработка узла отделения нерастворившихся комков сухого молока и линии рециркуляции ГЛАВА 3. Техника и методика проведения исследований 62
3.1. Методика определения показателя полноты растворения 62
3.1.1. Анализ существующих методов оценки эффективности растворения сухого молока 62
3.1.2. Выбор метода оценки полноты растворения 65
3.1.3. Отработка методики определения полноты растворения 68
3.1.4. Описание методики определения показателя полноты растворения сухого молока 74
3.2. Методика исследования работы узла смачивания 76
3.3. Методика исследования конструктивных параметров перемешивающего органа 77
3.3.1. Методика определения оптимального геометрического профиля мешалок 78
3.3.2. Методика определения оптимального количества мешалок и лопастей 80
3.4. Методика исследования узла отделения нерастворившихся комочков 81
3.5. Методика определения мощности, потребляемой аппаратом 81
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 84
4.1. Исследование работы узла смачивания 84
4.2. Исследование оптимального геометрического профиля мешалок 85
4.3. Определение оптимального количества мешалок навалу аппарата, их диаметра и количества лопастей 95
4.4. Исследование узла отделения нерастворившихся комочков 98
4.5. Определение мощности, потребляемой экспериментальным аппаратом 100
4.6. Оптимизация технологических режимов процесса растворения сухого молока в проточном аппарате с мешалкой 103
4.6.1. Выбор плана эксперимента. Расчетные формулы 103
4.6.2. Исследование уравнения регрессии 108
4.7. Изучение влияния механического воздействия на процесс растворения сухого молока 113
Выводы 117
ГЛАВА 5. Кинетика процесса растворения сухого молока в аппарате с мешалкой 119
5.1. Зависимость концентрации раствора от продолжительности перемешивания 123
Выводы 131
ГЛАВА 6. Разработка опытно-промбшленного аппарата для растворения сухого молока. Расчет экономической эффективности 132
6.1. Методика проектировочного расчета аппарата 132
6.1.1. Технологический расчет 132
6.1.2. Технический расчет аппарата . 133
6.2. Испытания опытно-промышленного образца аппарата.. 144
6.2.1. Проверка правильности выбора типа мешалок 148
6.2.2. Расчет мощности, потребляемой опытно-промышленным аппаратом 150
6.3. Пример расчета проточного аппарата горизонтального типа с мешалкой для растворения сухого молока 151
6.4. Производственные испытания опытно-промышленного образца аппарата 156
6.5. Расчет экономической эффективности от внедрения опытно-промышленного образца аппарата . 159
Выводы 161
Основные выводы
Список использованной литературы 165
Приложения 178
- Аппараты для растворения сухого молока, разработанные при участии автора
- Анализ существующих методов оценки эффективности растворения сухого молока
- Определение оптимального количества мешалок навалу аппарата, их диаметра и количества лопастей
- Зависимость концентрации раствора от продолжительности перемешивания
Введение к работе
ХХУІ съезд КПСС, выдвигая широкую программу социального развития и повышения народного благосостояния, на первый план поставил задачу повысить эффективность производства и качество продуктов питания. Для решения этой задачи разработана Продовольственная программа СССР на период до 1990 года, которая является важнейшей составной частью экономической стратегии партии на ближайшее время.
Продовольственная программа предусматривает ряд мероприятий, направленных на выполнение больших задач, стоящих перед молочной промышленностью и общественным питанием, по удовлетворению потребности населения в цельномолочных продуктах.
В силу сезонности получения натурального молока в сельском хозяйстве, нехватки или полного отсутствия молока в ряде регионов страны, цельномолочные продукты производятся из сухого молока путем восстановления последнего.
В настоящее время около половины производимого в стране сухого молока используется для промышленной переработки с целью обеспечения населения восстановленными молочными продуктами (питьевым молоком, кисломолочными напитками, творогом, сметаной и т.д.).
По пищевой ценности восстановленные молочные продукты, полученные из сухого цельного или обезжиренного молока, практически не отличаются от продуктов, выработанных из натурального молока
/I/.
Восстановленные молочные продукты, безусловно, должны найти
свое место в ассортименте кулинарных изделий, приготовляемых предприятиями общественного питания, обеспечивающими большое ко-
личество людей, находящихся в экстремальных условиях.
Анализ развития отечественной и зарубежной молочной промышленности показывает, что объемы производства восстановленных молочных продуктов имеют установившуюся тенденцию к увеличению, В связи с этим, процессы, связанные с восстановлением сухого молока в последнее время привлекают к себе все большее внимание ученых и специалистов молочной промышленности и общественного питания.
Известно, что в технологических линиях производства восстановленных молочных продуктов основное место занимают аппараты и различные приспособления для растворения сухого молока. Однако, используемые для этой цели аппараты и устройства имеют ряд существенных конструктивных и технологических недостатков. Они не могут быть признаны оборудованием, удовлетворяющим современному уровню развития техники.
Задачей настоящей диссертационной работы явилось создание новых аппаратов для растворения сухого молока и обоснование режимов процесса растворения сухого молока.
Аппараты для растворения сухого молока, разработанные при участии автора
Как показывают результаты электронного микроскопирования частицы сухого молока распылительной сушки содержат одну или несколько вакуолей, заполненных воздухом / 28 /. Небольшая часть воздуха присутствует также в качестве растворенного компонента в воде и жире.
Данные исследований о количестве вкрапленного внутри частиц сухого молока воздуха разноречивы, что свидетельствует об отсутствии единой методики для определения этого показателя.
Так, по данным работы / 30 /, содержание воздуха в частицах в летний период достигает 17,8$, однако, другие данные / I / определяют эту величину в пределах 50$. От количества включенного внутри воздуха зависит способность сухого продукта к быстрому растворению. Сухое молоко с большим содержанием воздуха, как правило, труднее восстанавливается. Совокупность частиц сухого молока образует порошкообразную систему, в которой между частицами заключен воздух. Пространство между частицами принято называть пустотами, а показатель, характеризующий объем этих пустот - порозностью. От вида укладки (кубическая или гексогональная) зависит величина и форма поровых проходов (каналов) между частицами. Имеются данные о том, что порозность обычного сухого цельного молока составляет 0,537, а агломерированного - 0,653. С некоторым приближением можно считать / I /, что диаметр норового канала между частицами и диаметр самих частиц находятся в соотношении: dH-0t dz Механизм растворения сухого молока представляет собой процесс, сопровождающийся множеством различных физико-химических явлений, которые до настоящего времени достаточно полно не исследованы. Упрощенно модель этого механизма можно рассматривать сначала на примере одиночной частицы сухого молока, а затем - в совокупности полидисперсных частиц слоя порошка в спокойных условиях, так и с наложением механического воздействия. Процесс растворения начинается с момента контакта частицы сухого молока с водой. В силу поверхностного взаимодействия на границе контакта фаз вода будет смачивать определенную поверхность частицы. И чем выше гидрофильность порошка, тем большая площадь поверхности частиц окажется смоченной водой. Одновременно с этим вода по различного рода капиллярам, порам и трещинам, имеющимся в частицах, будет проникать в их толщу, заполняя внутренние полости и вытесняя из них воздух. Можно предположить, что движение воды по капиллярам и порам в сухой частице сопровождается растворением стенок этих капилляров и пор, что может привести к их сужению и закупорке и, как следствие, к замедлению процесса ее увлажнения.
Надо полагать, что сначала происходит растворение минеральных солей и молочного сахара, содержащихся в продукте. В результате чего каркас частицы становится пористым и затем разрушается.
В воде, вокруг частицы образуется раствор молока, концентрация которого за счет молекулярного взаимодействия (диффузии) будет постепенно выравниваться по всему объему растворителя (воды). На этом процесс растворения частицы сухого молока заканчивается и желательно, чтобы его продолжительность была минимальной. Процесс растворения отдельных порций сухого молока, состоящих из множества как одиночных, так и связанных в агломераты частиц, протекает несколько сложнее. Вначале смачиваются частицы, контактирующие непосредственно с водой. Затем вода под действием капиллярных сил по порам и каналам, образовавшимся в результате агломерации частиц, начинает проникать к центру агломерата. Удаление находящегося вокруг частиц воздуха в результате сужения каналов происходит не полностью и поэтому, некоторая часть воздушных пузырьков остается между увлажненными частицами. Это препятствует проникновению воды во внутрь агломерата.
Снаружи агломерата образуется липкий высококонцентрированный, студнеобразный слой, который приводит к образованию комочков сухого молока влажных снаружи и сухих внутри. Такие нераство-рившиеся комочки могут очень долго находиться в воде и их полное растворение затруднительно даже при интенсивном перемешивании.
Анализ существующих методов оценки эффективности растворения сухого молока
В настоящее время Донецкий завод продовольственного машиностроения серийно выпускает установку мешалочного типа для восстановления сухого молока ИІ-0ВМ, разработанную конструкторским бюро Московского производственного объединения "Молоко" / 52 /.
Установка (рис. 1.7) состоит из горизонтального цилиндрического корпуса 2, внутри которого проходит вал 3 с насаженными на него мешалками 4. Лопасти мешалок приварены так, что их плоскости составляют с осью вала угол 45. По мнению создателей этой установки для достижения эффективности смешения сухого молока с водой, лопасти одних мешалок должны направлять перемешиваемую смесь к выходной части корпуса установки, а другие мешалки - в противоположную сторону. Перемешивающий орган приводится во вращение электродвигателем 8 с установочной мощностью 7,5 кВт.
Работа установки осуществляется следующим образом. Мешки с сухим молоком подают по ленточному транспортеру 9 на разгрузочную площадку 10, где их опорожняют. Молочный порошок поступает в зону перемешивания из бункера-накопителя I. Подача воды производится через входной патрубок 7 расположенный сбоку корпуса смесителя. После перемешивания восстанавливаемое молоко из аппарата перекачивается крыльчаткой 6, жестко укрепленной на валу мешалки и выполняющей функцию центробежного насоса, через выходной патрубок 5.
В последствии эта конструкция установки была усовершенствована, в результате чего появилась установка ИІ-0ВМ ПС. Она отличается от описанной выше тем, что на валу мешалки 3, перед крыльчаткой 6, устанавливается шнек для обеспечения надежной работы перекачивающей смесь крыльчатки 6.
Следует отметить, что установки подобной конструкции (рис. 1,7) имеют большую производительность (до 25 т/ч по готовому молоку), но при этом в полученной смеси остается большое количество нерастворившихся комочков сухого молока, что приводит к неполному использованию сырья.
Затем на Красноярском ГМЗ Jfc І, Наливайко А.А. предложил и изготовил машину для восстановления сухого молока, которая по устройству подобна установке ИІ-0ВМ. Отличие ее состоит лишь в том, что вместо ленточного транспортера для подачи мешков с сухим молоком в зону разгрузки, применяется шнековый транспортер-дозатор, а также, над корпусом аппарата устанавливается смесительная ванна для горячей и холодной воды / 53 /. Производительность такой установки 20 тонн в час по восстановленному молоку.
Установка мешалочного типа была также предложена венгерскими учеными / 54 /. Установка предназначена для непрерывного восстановления сухого молока с производительностью 1500 литров в час. Устройство установки представляет собой горизонтальную трубу с четырьмя рядами зубьев, в виде гребней, на внутренней поверхности. По геометрической оси трубы смонтирована вращающаяся мешалка с такими же зубьями, при этом между неподвижными вращающимися зубьями имеется зазор в I мм.
Французские специалисты провели проверку возможности растворения сухого молока в аппарате такой конструкции и отметили, что восстановленное молоко удовлетворительного качества получается лишь при смешении с водой, имеющей температуру I0-I5C / 55 /. При этом отмечена низкая производительность этого устройства.
Для перемешивания таких систем как жидкость - порошок применяются также и магнитные аппараты циркуляционного типа, содержащие магнитопровод с постоянными магнитами / 56,57,58,59 /.
Один из таких аппаратов представлен на рис. 1.8. Магнито-провод этого устройства / 60 / вьшолнен в виде двух полумуфт. Ведущая полумуфта 5 находится под дном корпуса аппарата І, в котором происходит перемешивание компонентов, и укреплена на валу привода 6, Ведомая полумуфта 3 расположена во внутренней полости аппарата.
Для повышения эффективности перемешивания постоянные магниты 4 на ведомой полумуфте выполнены в виде пластин, закрепленных под углом 15-30 к оси вращения магнитной мешалки. Кроме того, в ведомой полумуфте 3 между пластинками магнитов 4 и осью вращения имеются отверстия 7, усиливающие насосный эффект при перемешивании.
Процесс растворения сухого молока в воде и аппараты для его осуществления не остались без внимания и зарубежных исследователей.
Например, в Японии был предложен аппарат с постоянным увлажнителем для растворения порошкообразного продукта в воде / 61 /. Аппарат (рис, 1,9) имеет канал для подачи порошка I, который, попадая на вращающийся конус 3 разбрасывается. Вода, поступая по патрубку II, и, переливаясь через горловину патрубка 2, выполненного в виде усеченного конуса, тонкой пленкой стекает в зону интенсивного перемешивания. Интенсивность перемешивания достигается за счет взаимодействия ударных выступов 4, укрепленных на мешалке 6 и ответных выступов 8, расположенных на станине камеры смешения 10. Этому способствует также и наличие отражательных перегородок 9. Готовая смесь выходит из патрубка 5. Мешалка приводится в движение при помощи электродвигателя 7. Подобная конструкция была предложена также в ФРГ / 62 /.
Определение оптимального количества мешалок навалу аппарата, их диаметра и количества лопастей
Таким образом рассмотрении наиболее известные аппараты, применяемые и рекомендуемые для осуществления процессов смешения и растворения сухого молока в воде. Это позволяет достаточно обоснованно дать обобщенную оценку этим аппаратам, то есть показать достоинства и недостатки основных типов аппаратов для растворения сухих молочных продуктов.
Учитывая требования, предъявляемые к молочной промышленности, имеющие тенденцию к созданию непрерывных автоматизированных технологических процессов, когда все производство осуществляется по принципу единого потока (сырье-готовый продукт), аппараты периодического действия не могут быть признаны перспективными. Их целесообразно применять на предприятиях с небольшими объемами производства восстановленных молочных продуктов.
Будущее за непрерывнодействующими аппаратами разной производительности. В связи с этим, в настоящее время, наиболее актуальной задачей на пути интенсификации производства восстановленного молока является создание и совершенствование аппаратов для растворения сухого молока непрерывного действия. Именно их обобщенная оценка наиболее важна, так как она позволит определить наиболее перспективный тип аппаратов.
Рассматривая аппараты непрерывного действия для растворения сухого молока можно отметить, что каждый из представленных типов аппаратов имеет свои достоинства и недостатки.
Так, аппараты циркуляционного типа создают многократное турбулизационное воздействие на продукт. Однако, эффективность и интенсивность процесса растворения при этом невелика. Это объясняется отсутствием механического воздействия, а также тем, что в циркуляционный поток включается не вся масса смеси, а лишь ее часть.
Аппараты протирочного типа обеспечивают достаточно высокую эффективность процесса растворения сухого молока, но при этом протирочные сита быстро забиваются сухим молоком, что приводит к резкому снижению производительности аппаратов подобного типа.
Аппараты пульсационного типа отличаются повышенной энергоемкостью, низкой производительностью и сложностью конструкции.
Аппараты тонкослойного типа выгодно отличаются от предыдущих тем, что в этих аппаратах стадия смачивания осуществляется в тонком слое жидкости. Это способствует быстрому и достаточно полному смачиванию частиц сухого молока, что предопределяет эффективность процесса растворения. Однако, недостаточная интенсивность механического воздействия и низкая производительность подобного типа аппаратов ограничивает их применение.
Говоря об аппаратах для растворения сухого молока традиционного мешалочного типа, следует отметить, что, они весьма экономичны и высокопроизводительны. Недостатком подобного типа аппаратов является необоснованный выбор геометрических параметров как самого аппарата, так и перемешивающего органа, а также технологических параметров проведения процесса. Только этим можно объяснить большое количество конструкций аппаратов для растворения мешалочного типа. Все перечисленные недостатки, присущие тому или иному типу аппаратов для растворения сухого молока непрерывного действия, отрицательно влияют на проведение процесса, приводя к неполному растворению сухого молока, образованию нерастворившихся комков продукта, дополнительным энергетическим и трудовым затратам, а также к потере ценного сырья (сухого молока).
Обобщенная оценка известных непрерывнодействующих аппаратов для растворения сухого молока позволяет однозначно сделать вывод, что наиболее перспективными являются проточные аппараты ме-шалочного типа, небольшого объема со скоростной многорядной мешалкой.
При перемешивании сухого молока в аппарате небольшого объема со скоростной многорядной мешалкой одинаково интенсивная турбулентность достигается очень быстро и во всем объеме аппарата, и смесь постоянно находится в зоне интенсивного механического воздействия. Эти выводы хорошо согласуются с рекомендациями ряда авторов / 83,84,85,86,87 /. На наш взгляд, подобное заключение является достаточным обоснованием актуальности научно-исследовательских работ, посвященных созданию новых и совершенствованию уже апробированных аппаратов подобного типа, а также определению оптимальных технологических параметров процесса растворения сухого молока.
Эта задача и явилась основанием исследований данной диссертационной работы, в программу которых входило: - анализ конструктивных особенностей существующих аппаратов для растворения сухого молока и выявление основных путей совершенствования их конструкций; - разработка метода определения полноты растворения сухого молока, позволяющего оценить качество работы аппарата, предназначенного для этого; - разработка экспериментального аппарата для растворения сухого молока; - выявление оптимальных конструктивных параметров перемешивающего органа аппарата; - экспериментальное исследование влияния основных параметров процесса растворения, влияющих на его эффективность и определение оптимальных технологических режимов проведения процесса; - определение времени растворения сухого молока в аппарате с мешалкой при интенсивном перемешивании; - разработка методики инженерного расчета аппарата для растворения сухого молока; - разработка промышленного образца аппарата.
Зависимость концентрации раствора от продолжительности перемешивания
Совершенно очевидно, что для оценки эффективности растворения сухого молока необходимы надежные методы, позволяющие качественно и количественно охарактеризовать завершенность процесса.
Следует указать, что до настоящего времени нет достаточно точных методов, с помощью которых можно было оценить эффективность растворения сухого молока, В этой связи необходимо отметить также, что известные методы определения растворимости или восстановительных свойств сухих молочных продуктов также не могут быть признаны достаточно точными и общепринятыми.
Ниже кратко описаны существующие методы определения растворимости сухого молока и эффективности процесса растворения,
В основе большинства методов определения растворимости сухих молочных продуктов лежит определение содержания концентрации сухих веществ в растворе или по количеству осадка нерастворившего-ся продукта. Осадок по своему химическому составу содержит в основном белково-жировой комплекс / 107,108,109,110 /. Получение осадка может быть осуществлено в поле сил тяжести или в поле центробежных сил.
Известен метод, при котором через постоянный слой молочного порошка пропускают воду, В результате получается раствор (смыв), содержащий большее или меньшее количество сухих веществ / III /,
В работе / 112 / описан ускоренный метод, который заключает - 63 -ся в том, что контролируют электрическую проводимость полученного раствора, пропорциональную содержанию сухих веществ в нем Для увеличения скорости фильтрования под фильтрующей перегородкой создают разряжение / 113 /
В целях создания условий при растворении сухих молочных продуктов, по возможности исключающих слипание отдельных частиц продукта и образование труднорастворимых агломератов, было предложено / 114 / вводить в слой порошка перед фильтрованием стеклянные шарики малого диаметра. Этим достигается максимальное разделение частиц порошка, т.е. увеличение порозности системы без увеличения размеров отдельных частиц.
Один из методов для определения растворимости молочного порошка был предложен американским институтом сухого молока / 115 /, который заключается в смешении 52 г продукта с 400 мл воды при температуре 23,9 С в течение 20 с. При этом частота вращения мешалки должна составлять 192 об/мин. По окончании перемешивания смесь сливают из чаши смесителя и пропускают через фильтр. Полученный на фильтре осадок высушивают и определяют его количество.
Этот метод также имеет ряд модификаций, которые заключаются в изменении частоты вращения мешалки, продолжительности перемешивания и применения различных смесителей / 116,117.
В Швеции, например, для определения растворимости сухого молока используют следующий метод / 118 /. Сухой молочный порошок перемешивают с водой в стеклянной посуде емкостью 250 мл при температуре 23 С в течение 15-30 с, после чего смесь медленно переливают в другую стеклянную посуду. Молоко, имеющее хорошую растворимость, не должно иметь на стенках сосуда нерастворивших-ся частиц и комков.
Наибольший интерес представляет методика определения растворимости сухого молока / 119 /, которая повсеместно используется в нашей стране для оценки качества сухих молочных продуктов (ГОСТ 8764-73), она основана на определении объема нерастворившегося осадка в пробе анализируемого продукта. Для этого 1,25 г сухого цельного молока смешивают в центробежной пробирке с 4-5 мл дистиллированной воды, имеющей температуру 65-70 С. Затем доливают воду до 10 мл и, перемешав, ставят на 5 мин в водяную баню температурой 65-70 С. После чего, пробирки энергично встряхивают в течение I мин, а потом центрифугируют в течение 5 мин при частоте вращения 1000 об/мин.
По окончании центрифугирования часть жидкости осторожно сливают и снова доливают водой до 10 мл. Затем снова перемешивают содержимое и центрифугируют в течение 5 мин. Растворимость при этом выражают в миллилитрах сырого осадка и определяют по градуировке пробирки / 120 /. Проведение анализа по этой методике занимает около 30 минут.
Представляет также интерес метод определения относительной скорости растворения (0СР) сухих молочных продуктов, разработанный во ВЙИМЙ / 121 /, характеризующий процентное содержание порошка, перешедшего в раствор при незначительном механическом перемешивании с водой комнатной температуры. Для реализации этого метода Н.Н. Липатовым и В.Д. Харитоновым был предложен прибор / 122 /, который работает следующим образом. Пробу сухого порошка в количестве 5 г вносят в смесительный стакан, после чего наливают 35 мл воды. Затем включают мешалку, которой в течение 5 с размешивают смесь. После отключения мешалки, вакуум-насосом производят фильтрование полученного раствора через лавсановую ткань. Затем рефрактометром определяют содержат - 65 -ниє сухих веществ в фильтрате. Следует подчеркнуть, что все эти методы и методики определения смачиваемости, растворимости и относительной скорости растворения сухого молока предназначены исключительно для оценки способности молочного порошка к восстановлению и не позволяют получить сравнительную оценку эффективности работы технологического оборудования, используемого для восстановления сухого молока, В связи с этим возникла необходимость создания простой, точной и оперативной методики для оценки полноты растворения сухого молока.
