Расчет параметров и разработка гомогенизатора молока
1. Основные сведения о процессе гомогенизации и способах его осуществления
Гомогенизация -- это раздробление (диспергирование) жировых шариков путем воздействия на молоко или сливки значительных внешних усилий. В процессе обработки средний размер шариков уменьшается с 3,5…4 до 0,7…0,8 мкм и уменьшается скорость всплывания. Происходит перераспределение оболочечного вещества жирового шарика, стабилизируется жировая эмульсия, и гомогенизированное молоко не отстаивается [2].
Наибольшее распространение получили клапанные гомогенизаторы, основными узлами которых являются насос высокого давления и гомогенизирующая головка [1]. Гомогенизаторы этого типа служат для обработки молока и сливок с целью предотвращения их расслаивания при хранении [2].
На рис. 1 показана двухступенчатая гомогенизирующая головка, состоящая из корпуса 3 и клапанного устройства, основными частями которого являются седло клапана 7 и клапан 2. Клапан связан со штоком, на выступ которого давит пружина 6. Сила сжатия пружины регулируется путем перемещения накидной гайки 5 со штурвалом, которая вместе с пружиной, штоком 7 и стаканом 8 образует нажимное устройство 4. Жидкость, нагнетаемая насосом под тарелку клапана, давит на тарелку и отодвигает клапан от седла, преодолевая сопротивление пружины [1].
Рисунок 1 - Двухступенчатая гомогенизирующая головка (I - первая ступень; II - вторая ступень)
Этот способ механической обработки (гомогенизация) 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 белковыхсгустков 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 и др.) -- 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 и др.) в специальных машинах -- гомогенизаторах. [4]
Принцип действия гомогенизаторов клапанного типа, заключается в следующем. В цилиндре гомогенизатора на молоко оказывается механическое воздействие при давлении 15...20 МПа [2]. В образующуюся между клапаном и седлом щель высотой от 0,05 до 2,5 мм проходит с большой скоростью жидкость и при этом гомогенизируется [1]. Это возможно при достижении в цилиндре рабочего давления. При проходе через узкую круговую щель между седлом и клапаном скорость молока возрастает от нулевой до величины, превышающей 100 м/с. Давление в потоке резко падает, и капля жира, попавшая в такой поток, вытягивается, а затем в результате действия сил поверхностного натяжения (рис. 2) дробится на мелкие капельки - частицы. [2]
Рисунок 2 - схема процесса дробления жирового шарика
По типу гомогенизирующей головки гомогенизаторы можно подразделить (рис. 3) на одно-, двух- и многоступенчатые. На практике применяют только одно- и двухступенчатые, так как многоступенчатые не оправдывают себя, поскольку приводят к громоздкости конструкции, неудобству в эксплуатации и незначительному улучшению эффекта гомогенизации по сравнению с двухступенчатыми [1].
Рисунок 3 - Схема гомогенизирующей головки:
а - одноступенчатой; б - двухступенчатой; 1 - кривошипно-шатунный механизм- 2 - плунжерный насос; 3-предохранительный клапан; 4, 12- гомогенизирующие клапаны первой и второй ступеней; 5 - пружина; 6-регулировочные винты; 7 - седло; 8 - манометр 9 - нагнетательная камера; 10, 11 -- нагнетательный и всасывающий клапан.
При работе гомогенизатора на выходе из клапанной щели часто наблюдаются слипание раздробленных частичек и образование "гроздьев", снижающих эффективность гомогенизации. Во избежание этого применяют двухступенчатую гомогенизацию (рис. 1). На первой ступени создается давление, равное 75 % рабочего, на второй ступени устанавливается рабочее давление. Для проведения гомогенизации температура молочного сырья должна быть 60...65°С. При более низкой температуре усиливается отстаивание жира, при более высокой могут осаждаться сывороточные белки.
Промышленность выпускает гомогенизаторы различной производительности (табл. 1).
Таблица 1 - Техническая характеристика гомогенизаторов для молока и жидких молочных продуктов
Показатель |
К5-ОГА-1,2 |
А1-ОГМ-2,5 |
А1-ОГМ-5 |
|
Производительность, м3/ч |
1,2 |
2,5 |
5 |
|
Рабочее давление, МПа |
20 |
20 |
20 |
|
Температура обрабатываемого продукта, °С |
45.. .85 |
45.. .85 |
45...В5 |
|
Число плунжеров |
3 |
3 |
3 |
|
Ход плунжеров, мм Частота вращения коленчатого вала, с-1 |
40 5,65 |
40 4,33 |
60 5,65 |
|
Число ступеней гомогенизатора |
2 |
2 |
2 |
|
Мощность электродвигателя, кВт |
16,7 |
18,5 |
37 |
|
Габаритные размеры, мм |
965?930?1400 |
1430?1110?1640 |
1480?1110?1640 |
|
Масса, кг |
850 |
1610 |
1710 |
В том случае, когда при гомогенизации необходимо исключить доступ микроорганизмов к обрабатываемому продукту, применяют специальные асептические гомогенизирующие головки. В таких головках в пространство, ограниченное двумя уплотнительными элементами, подается горячий пар под давлением 30...60 кПа. Эта высокотемпературная зона служит барьером, препятствующим попаданию бактерий в цилиндр гомогенизатора.
Гомогенизаторы - пластификаторы роторного типа применяют для изменения консистенции таких молочных продуктов, как плавленые сыры и сливочное масло. В обработанном с их помощью сливочном масле водная фаза диспергируется, в результате чего продукт лучше хранится.
Гомогенизаторы-пластификаторы по принципу действия и устройству отличаются от гомогенизаторов клапанного типа. Рабочим органом в них является ротор, который может иметь различное число лопастей -- 12, 16 или 24.
Гомогенизатор - пластификатор (рис. 4) состоит из станины, корпуса со шнеками, приемного бункера и привода. Привод позволяет регулировать частоту вращения подающих шнеков (с помощью вариатора) в пределах 0,2...0,387 с-1. Частота вращения ротора с лопастями не регулируется и составляет 11,86 с-1.
Рисунок 4 - Гомогенизатор М6-ОГА для сливочного масла:
1 - колесо; 2 - станина; 3 - корпус; 4 - крепление насадки; 5 - насадка; 6 - замок; 7 - шнековая камера; 8 - бункер; 9 - пульт управления; 10 - шнеки.
Принцип работы машины заключается в следующем. Сливочное 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 рабочие органы гомогенизатора смазывают перед началом работы специальным горячим раствором. Производительность гомогенизатора зависит от частоты вращения подающих шнеков и составляет 0,76...1,52 м3/ч. Мощность привода машины 18,3 кВт [2].
Основными показателями работы гомогенизаторов являются универсальная рабочая и кавитационная характеристики. Универсальная характеристика гомогенизатора представляет зависимость между его производительностью, затрачиваемой мощностью и КПД. Она дает представление об уровне совершенства конструкции гомогенизатора и его техническом состоянии.
Снятие навигационной характеристики требует установления моновакууметра на всасывающей стороне гомогенизатора. Начало кавитации определяют по началу снижения подачи более чем на 2 %.
Эффективность гомогенизации молока определяется рабочим давлением, температурой, скоростью движения продукта при прохождении через гомогенизирующую головку, конструктивными особенностями последней, составом и свойствами компонентов, образующих оболочку жировых шариков, кислотностью, а также последовательностью технологических операций. [4]