Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние механизации изготовления сливочного масла, цель и задачи исследований 8
1.1 Существующие способы изготовления сливочного масла 8
1.2 Классификация и анализ конструкций для изготовления сливочного масла 14
1.2.1 Маслоообразователи 14
1.2.2 Маслоизготовители 18
1.3 Состояние исследований маслоизготовления 29
1.4 Выводы по разделу 36
1.5 Цель и задачи исследований 37
2 Теоретический анализ работы и обоснование параметров маслоизготовителя 38
2.1 Определение потребной мощности маслоизготовителя 38
2.2 Определение оптимального угла установки направляющих лопаток 46
3 Лабораторные исследования рабочего органа маслоизготовителя 51
3.1 Цели и задачи эксперимента 51
3.2 Методика оценки физико-механических свойств сливочного масла 52
3.2.1 Определение влаги в масле 52
3.2.2 Определение жирности масла 54
3.2.3 Определение содержания воздуха 55
3.2.4 Определение кислотности масла 57
3.2.5 Оценка консистенции пробой на срез 58
3.2.6 Определение жирности пахты 59
3.3 Поисковые лабораторные опыты 60
3.4 Лабораторные исследования маслоизготовителя 67
3.4.1 Методика и результаты отсеивающего эксперимента 67
3.4.1.1 Исследование влияния параметров устройства по проценту использования жира. Отсеивающий эксперимент 74
3.4.1.2 Исследование влияния параметров устройства по проценту выхода масла. Отсеивающий эксперимент 77
3.4.1.3 Исследование влияния параметров устройства на производительность маслоизготовителя. Отсеивающий эксперимент 81
3.4.2 Методика и результаты четырехфакторного эксперимента 87
3.4.2.1 Определение влияния параметров устройства на процент использования жира. Четырехфакторный эксперимент 88
3.4.2.2 Определение влияния параметров устройства на процент выхода масла. Четырехфакторный эксперимент 92
3.4.2.3 Определение влияния параметров устройства на производительность маслоизготовителя. Четырехфакторный эксперимент 96
3.4.2.4 Определение влияния параметров устройства на мощность привода маслоизготовителя. Четырехфакторный эксперимент 100
3.4.2.5 Определение влияния параметров устройства на энергоемкость процесса изготовления сливочного масла. Четырехфакторный эксперимент 104
3.5 Выводы по разделу 108
4 Опытно-производственная проверка. рекомендации по использованию и экономическая оценка маслоизготовителя 110
Общие выводы 117
Список используемой литературы 119
Приложение 129
- Существующие способы изготовления сливочного масла
- Определение потребной мощности маслоизготовителя
- Исследование влияния параметров устройства по проценту использования жира. Отсеивающий эксперимент
- Определение влияния параметров устройства на процент выхода масла. Четырехфакторный эксперимент
Существующие способы изготовления сливочного масла
Сливочное масло-энергетически ценный пищевой продукт, который вырабатывают из молока. На выработку сливочного масла в мире используется порядка 18% производимого молока (в России - 6%). Наиболее крупными производителями сливочного масла в мире являются США (11%), Германия, Франция (по 10%), Россия и Новая Зеландия (по 8%). По 3% объема мирового производства приходится на Австралию, Украину, Польшу, Ирландию, Великобританию и Нидерланды. В России потребление сливочного масла составляет в среднем 560...600 тыс.т. в год. [29]
Вопросами исследования получения сливочного масла занимались такие ученые как Р.П. Асейкин, Н.Н. Баранов, Н.Н. Белянчиков, Ф.А. Вышемир-ский, П.Л. Гордиенко, А.Д. Грищенко, М.Н. Казанский, В.И. Карнаух, О.Г. Котова, Г.А. Кук, А.А. Курочкин, В.Д. Сурков, В.Н. Шувалов и другие. Они провели исследования по обоснованию процесса получения масляного зерна в маслообразователях и маслоизготовителях непрерывного действия.
Молоко, предназначенное к переработке на масло, должно соответствовать требованиям ГОСТ 13264-70 «Молоко коровье. Требования при заготовке.». Помимо стандартных требований при производстве сливочного масла к молоку выдвигают особые требования: содержание жира в молоке, степень дисперсности жировых шариков, химический состав молочного жира.
Для маслоделия весьма существенное значение имеет концентрация и физическое состояние молочного жира, в частности, его дисперсность и состояние оболочки жировых шариков. Чем крупнее жировые шарики, тем выработка идет быстрее, а, следовательно, экономичнее, рентабельнее, ведь к тому же уменьшается отход жира в пахту. Более крупные жировые шарики наблюдаются в молоке в начале и в середине лактации, в летний пастбищный период, при соблюдении режима доения.
Как видно из таблицы 1.1 размер жировых шариков оказывает существенное влияние на процесс маслообразования и на степень использования жира при сбивании.
Дисперсность жировых шариков зависит от породы животных, стадии лактации, условий содержания скота. Большой размер жировых шариков в молоке коров любых пород отмечается в середине лактации, при рациональном кормлении и в летний пастбищный период. Обычно к концу лактационного периода размер жировых шариков уменьшается . [68]
При выборе жирности сливок исходят из требования обеспечить наименьший отход жира в обезжиренное молоко и пахту и наилучшую консистенцию масла при максимальном сокращении затрат времени, рабочей силы и энергии на единицу вырабатываемого продукта. Если масло вырабатывается из сливок пониженной жирности, оно обычно более ароматно, что объясняется высоким содержанием плазмы. Однако использование сливок более высокой жирности способствует значительному увеличению пропускной способности предприятия, повышению производительности труда.[30]
В состав получаемого сливочного масла входит до 83% молочного жира, около 16% воды, 1...2% белков, лактозы, минеральных веществ, образующих плазму масла. В масле насчитывается около 50 различных химических компонентов (за исключением триглицеридов различных жирных кислот). В нем в очень малых количествах, но содержатся белки, молочный сахар, соли. В масле содержатся жирорастворимые (А — до 7,5мг/кг, Е — 20, каротина — 5мг/кг) и водорастворимые витамины (В„ В2, РР и др.), полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая — до 4%; линоленовая — 2,7; арахидоновая — 0,2%), фосфатиды и минеральные вещества.Сливочное масло обладает высокой энергетической ценностью 2728...3130 кДж/ЮОг и усвояемостью 95...98%. [30] - способ преобразования высокожирных сливок - для Вологодского, Слад-косливочного, Длительного хранения, Любительского, Крестьянского, Сливочного с белком, Бутербродного; - способ непрерывного сбивания - для Сладко- и кислосливочного в мелкой фасовке, Любительского, Крестьянского, Сливочного-диетического; - способ периодического сбивания - для Сладко- и Кислосливочного. При производстве сливочного масла путем преобразования высокожирных сливок производится получение сливок, жирность которых равна жирности сливочного масла (83%) и придания им структуры и консистенции сливочного масла. В процессе приготовления, сливки жирностью 35...40%, предназначенные для выработки масла, подвергают пастеризации при температуре 85...90С. Затем их сепарируют и получают сливки жирностью 83%. Высо-кожирньте сливки подают в маслообразователь, где быстро охлаждают до температуры 12...14С и подвергают механической обработке. В результате обработки происходит кристализация молочного жира, образуется однородная структура масла с равномерно распределенной влагой. [45,68] Сущность преобразования высокожирных сливок заключается в обращении фаз жировой эмульсии типа М/В (масло в воде) в эмульсию В/М (вода в масле) посредством интенсивной термомеханической обработки высокожирных сливок. Высокожирные сливки охлаждаются в результате контакта с охлаждаемой стенкой аппарата при продавливании их насосом через маслообразователь. При этом происходит интенсивное образование центров кристаллизации, отвердевание значительной части жира, обращение фаз жировой эмульсии и диспергирование образующихся кристаллоагрегатов жира. [45,68]
Определение потребной мощности маслоизготовителя
На основе вышеизложенного нами предложена принципиальная конструктивно-технологическая схема маслоизготовителя периодического действия. В её основу положено следующее техническое решение: -образование масляного зерна производится за счёт придания сливкам различных скоростей, что приводит к разрушению белковой оболочки жиро вых шариков и последующей их агрегации. Исследуемый маслоизготовитель периодического действия (рис.2.1) состоит из рамы 1, на которой на стойках с помощью крепежных болтов 3, установлена неподвижная емкость 4. По оси емкости, на приводном валу 5 с возможностью вращения в подшипниковых узлах 6, закреплен механизм сбивания. Он выполнен в виде двух конусов 7 сопряженных одной поверхностью. На двух конусах 7 зафиксированы 12 по-парно"расположенныхнаправляющихлопатотгог ДлЯ залива (слива; сливок и визуального наблюдения в емкости 2 имеется окно 9. Привод рабочих органов осуществляется от электродвигателя 10, посредством клинового ремня 11, ведомого 12 и ведущего 13 шкивов. Двигатель 10 закреплен на раме 1 крепежными болтами 14. Включение и выключение производится с помощью пульта 15. Устройство работает следующим образом. В неподвижную емкость 4 через окно 9 заливают сливки. При включении пультом 15 двигателя 10 крутящий момент через клиноременную передачу передается приводному валу 5. Закрепленный на валу 5 механизм сбивания приходит во вращение, придавая сливкам турбулентный режим движения. При этом сливки, направляемые лопатками 8, движутся по образующим двух конусов сопряженных одной поверхностью. У вершины конуса скорость частиц сливок меньше, к основанию - больше. Жировые шарики движутся с различными скоростями, в результате чего увеличивается градиент скорости между отдельными слоями, и возрастают силы трения, что приводит к разрушению белковой оболочки жировых шариков и последующей их агрегации (слипании). Полученное таким образом сливочное масло свободно отделяется от пахты и выгружается через окно 9. В теоретических исследованиях рассматривался вопрос по определению мощности необходимой для привода маслоизготовителя. Передача энергии сливкам с вала маслоизготовителя осуществляется механизмом сбивания. Механизм сбивания состоит из двух конусов сопряженных одной поверхностью с закрепленными двенадцатью, попарно расположенными лопатками. Движение сливок происходит за счет окружной скорости двух конусов, сопряженных одной поверхностью (называемыми в дальнейшем два конуса), и за счет действия закрепленных на двух конусах направляющих лопаток. Рассмотрим силы, действующие на частицы сливок. Сливки, попадая под направляющие лопатки, вращаются вокруг оси двух конусов. Работа сил на пути от входа на направляющие лопатки до выхода с них приводит к увеличению энергии потока. Применим к потоку в межлопаточных каналах, вращающихся двух конусов с горизонтальной осью, и постоянной шириной направляющей лопатки уравнение Бернулли, полагая потери энергии равной нулю, тогда Введем следующие ограничения: 1)поток сливок имеет струйчатую структуру, т.е. состоит из множества струй; 2)плотность потока сливок одинакова. Первое предположение можно полагать осуществимым только при бесконечно большом количестве направляющих лопаток. Поэтому в последующем изложении параметры маслоизготовителя, вычисляемые с учетом указанных предположений, обозначаются индексом оо. Применим к потоку, проходящему через два конуса, уравнение моментов количества движения: импульс момента внешних сил, действующих на массу, состоящую из любых материальных частиц, равен изменению момента количества движения этой массы. Пусть через два конуса проходит расход Q сливок с постоянной плотностью р; моменты количества движения, отнесенные к 1с, составят pQc lel на входе и pQc 2е2 на выходе с направляющей лопатки. Здесь pQ - массовый расход через два конуса; cj и с2 - абсолютные средние скорости потока на входе и на выходе с направляющих лопаток; е\ и е2 - плечи векторов скоростей Сі и С2 (рис.2.2). Если обозначить Мт ю теоретический момент, передаваемый потоку с ва- jra \ь лтредіголшсенші %есконечштго количества ігшшстеи и ігри "агсугствии потерь в процессе преобразования механической энергии в гидравлическую), то уравнение моментов количества движения для времени At, с, будет иметь вид:
Исследование влияния параметров устройства по проценту использования жира. Отсеивающий эксперимент
Проведение отсеивающего эксперимента на лабораторной установке маслоизготовителя периодического действия показало, что производительность установки, степень использования жира и процент выхода масла описываются линейной моделью, так как множественный коэффициент корреляции уравнений составляет 0,94586...0,99989. Наиболее значимыми факторами, существенно влияющих на производительность маслоизготовителя являются степень заполнения ёмкости, время сбивания, количество направляющих лопаток и частота вращения. В последующих опытах значения факторов Х5, Х6, Х8 следует принимать по верхнему уровню, а Х7 по нижнему уровню интервала варьирования. Учитывая, что неучтенные остатки при получении линейных моделей не попадают под нормальный закон распределения, а так же с целью отыскания оптимальных параметров следует использовать планы оптимизации высших порядков.
В качестве критерия оптимизации следует использовать степень использования жира, так как рекомендуется, чтобы его значения были не менее 99,6 (т.к. выход жира в пахту не более 0,4%). Процент выхода масла, производительность и энергоемкость при этом выступают в качестве ограничений.
Для определения конкретных рациональных значений был использован четырёхфакторный план эксперимента Нартли-Коно (На-Ко-4). В результате обработки опытных данных компьютерной программой Statistica 5.5 получены уравнения регрессии 2-ого порядка для процента использования жира, процента выхода масла, производительности маслоизготовителя, энергоёмкости процесса изготовления масла и затрачиваемой мощности. Множественный коэффициент корреляции составил 0,94568...0,99889. Множественная мера определенности-89,432...98,880. Остатки, не учтённые уравнением регрессии, попадают под закон нормального распределения. Уравнения регрессии достоверно описывают рабочий процесс маслоизготовления.
Максимальное значение затрачиваемой мощности наблюдается при (максимальной) частоте вращения 700 мин , степени заполнения 40%, количестве лопаток-10 шт. На рассматриваемом интервале значений факторов максимальная производительность маслоизготовителя наблюдается при максимальном значении частоты вращения рабочего органа-700мин , количестве лопастей-бшт, степени заполнения-40% и времени сбивания-7мин (минимальное его значение). Максимальная энергоемкость наблюдается при максимальных значениях факторов: частота вращения-700минч и степень заполнения 40%, времени вбивание-9мин; количество лопастей-Юшт. Минимальная энергоемкость при 12 или 6 лопастях и минимальных значениях других факторов. При частоте вращения рабочих органов 600 мин" , степени заполнения 35%, количестве лопаток-бшт и времени сбивания 7..8мин имеется выраженный минимум процента выхода масла-58%. Максимальное значение процента выхода жира (99,615) наблюдается при частоте вращения рабочего органа 630...640 мин" ; степени заполнения 37%; количестве лопастей-12шт; времени сбивания-7...7,5мин. Таким образом, рациональными значениями следует считать частоту вращения рабочего органа 630...640 мин-1 при количестве лопастей-12 шт., степени заполнения емкости-37% и времени сбивания-7...7,5мин.
Определение влияния параметров устройства на процент выхода масла. Четырехфакторный эксперимент
Определение консистенции (твердость, плотность, упругость, связность структуры) изготовленного сливочного масла, проведённая по методике описанной в третей главе, позволила сделать вывод о качестве полученного продукта.
На основании сравнения среза полученного сливочного масла и шкалы определения консистенции масла методом срезов можно сказать, что изготовленный продукт имеет хорошую консистенцию - пластинка имеет плотную ровную поверхность и края, при легком нажиме прогибается.
Перспективность использования на предприятиях с небольшими объёмами переработки молока подтверждена на примере замены одной серийно выпускаемой промышленностью машины (маслоизготовителя периодического действия ММ-1000).
В основу оценки экономической эффективности результатов проведённых исследований были положены методы определения экономических показателей согласно требованиям ГОСТ 23728-88, ГОСТ 23730-88, ГОСТ 23729-88, а также общероссийские и отраслевые методики и нормативно-справочные материалы. Методика экономических показателей приведена в приложении.
При малых объёмах производства предпочтение следует отдавать маслоизготовителям периодического действия. Наиболее перспективными являются маслоизготовители с лопастными рабочими органами, которые позволяют снизить время сбивания при соблюдении технологических требований на отход жира в пахту. В связи с чем предложен маслоизготови-тель периодического действия, с рабочим органом в виде двух конусов сопряжённых одной поверхностью, с закреплёнными лопатками. Агрегация жировых шариков (образование масляного зерна), в котором ведется за счет придания частицам сливок различных скоростей, в результате чего увеличивается градиент скорости между отдельными слоями и возрастают силы трения, что приводит к разрушению белковой оболочки жировых шариков и позволяет проводить сбивание с минимальными затратами времени.
2.В результате теоретических исследований определено влияние угловой скорости рабочего органа и размеров его конуса, физико-механических свойств сливок на величину затрачиваемой мощности на привод маслоизготовителя периодического действия. Получены уравнения регрессии для определения процента использования жира, выхода масла, производительности маслоизготовителя, энергоемкости технологического процесса;
3.Проведённые экспериментальные исследования на опытном образце позволили определить рациональные конструктивно-режимные параметры маслоизготовителя: частота вращения рабочего органа - бЗОмин"1, количество лопаток - 12шт, степень заполнения ёмкости - 37%, угол конуса при основании - 30, угол установки направляющей лопатки - 45. Процент использования жира при этом составляет 99,61%, процент выхода масла 59,5%, производительность маслоизготовителя 21кг, энергоёмкость процесса 350... 370Дж/кг.
4.В процессе производственных испытаний были подтверждены данные лабораторных исследований, определена производительность масло-изготовителя -21кг/ч и процент выхода масла-59,5%. Выявлено, что при указанных параметрах устройства, длительность сбивания должна составлять 7 минут. Использование рекомендуемого устройства при суточном объёме производства масла 40 кг позволяет получить годовой экономический эффект 40819руб.
