Гомогенізатори

В сучасних технологічних процесах виробництва молочної продукції одним з нормативних є гомогенізація. Цей процес представляє собою подрібнення жирових кульок молока або молочного продукту (дисперсна фаза) та одночасний рівномірний їх розподіл у плазмі молочного продукту (дисперсійна фаза). Гомогенізація використовується як для обробки сировини для молочної промисловості: незбираного або знежиреного молока та вершків, яку планується направити на подальшу обробку, так і для обробки кінцевого молочного продукту. Мета гомогенізації – механічна стабілізація дисперсної фази, для перешкоджання процесам розділення фаз тобто утворення відстою вершків на поверхні продукту. Процес цей для молочної промисловості вкрай небажаний, а в деяких її галузях – навіть недопустимий. При розшаруванні продукту зростає швидкість його скисання, погіршуються (або припиняються) тривалі процеси дозрівання та ферментації при виробництві кисломолочної продукції, зменшуються строки зберігання отриманого продукту, що особливо важливе при зберіганні молочних консервів. Згідно з рівнянням Стокса, під час розділення діаметр частки відіграває найбільшу роль на швидкість розділення, яка пропорційна квадрату діаметра частки. Отже після гомогенізації, що зменшує діаметр жирової кульки, час з’явлення відстою зменшується. До гомогенізації середній розмір жирової кульки молока коливається за оцінками різних авторів в межах 2, 5 – 4 мкм, після неї – менше 1 мкм.

Крім зменшення розшарування продукту використання гомогенізації має такі переваги:

– Зменшуються відходи жиру у сироватку при виробництві сиру у 8 – 10 разів, що дозволяє значно зменшити витрати цінного компонента молока – молочного жиру;

– Гомогенізовані молочні та вершкові суміші для морозива легше збиваються та дають готовий продукт з кращим смаком та більш ніжною консистенцією;

– Збільшення поверхні жирової фази полегшує засвоєння молочного жиру організмом людини;

– Смакові та сенсорні властивості покращуються завдяки одночасному збільшенню в’язкості та покращенню консистенції.

Найбільш розповсюдженими на виробництві ще з радянських часів залишаються клапанні (щілинні) гомогенізатори. В таких гомогенізаторах (рисунок 15.14) необхідний тиск (15 - 25 МПа), створюється багатосекційним плунжерним насосом з приводом від електродвигуна потужністю 10 – 40 кВт.

Молоко через всмоктуючий клапан 9 подається у плунжерний насос. При нагнітальному русі плунжера 10 відкривається нагнітальний клапан 8 і молоко під тиском потрапляє у вузький кільцевий зазор, що утворюється між сідлом та клапаном 6, при підніманні клапана, долаючи силу стиснення пружини 5. Ця сила і, як слід, розмір кільцевого зазору регулюється гвинтом 4. Тиск контролюється за манометром 7. Ширина кільцевого зазору дорівнює приблизно 0, 1 мм. Швидкість проходження молока крізь нього 150 – 200 м/с. Продуктивність цих машин 800 – 2000 кг/год.

Переваги клапанних гомогенізаторів:

- висока ступінь гомогенізації;

- широка освоєність та масовий промисловий випуск.

Недоліки клапанних гомогенізаторів:

- висока вартість (більше 5000 грн.);

- дуже низький технологічний коефіцієнт корисної дії (0, 0018%);

- дуже високі питомі витрати енергії (6, 5 – 7, 6 кВт/т);

- відсутність конструкцій з продуктивністю менше 800 л/год.;

- висока маса, металомісткість та габаритні розміри;

- високі вимоги до якості очищення продукту;

- складна конструкція;

- необхідність у двоступінчастій обробці.

Іншим відомим способом гомогенізації є ультразвукова гомогенізація. Вона заснована на кавітації рідини, що викликається у машин з електромеханічним збудником, за допомогою віброелемента 1 (рисунок 15.15). Цим елементом звичайно є лопать, встановлена у резонансному блоці 3.

Рисунок 15.14. – Схема гомогенізатора клапанного типу

1-запобіжний клапан; 2- вихідний патрубок; 3- корпус; 4- гвинт; 5- пружина;

6- клапан гомогенізуючої головки; 7- манометр; 8- нагнітальний клапан;

9- всмоктуючий клапан; 10- плунжер; 11- привідний механізм

Рисунок 15.15 – Схема процеса ультразвукової гомогенізації

1- віброелемент; 2- контрольно-регулюючий пристрій; 3- резонансний блок

Таблиця 15.6. Технічна характеристика гомогенізаторів для молока і рідких молочних продуктів

Переваги ультразвукової гомогенізації:

- легкість регулювання ступеню гомогенізації;

- можливість створити машини практично з будь–якою продуктивністю;

- невибагливість до забруднення оброблюваного продукту;

- поєднання гомогенізації з бактеріальним очищенням.

Недоліки ультразвукової гомогенізації:

- недостатня вивченість ультразвукової гомогенізації;

- невелика ступінь гомогенізації, мінімальний діаметр жирових кульок не перевищує 1, 48 мкм;

- складна конструкція машин з електромеханічним збудником;

- висока чутливість до пульсації насосу.

Вакуумний гомогенізатор працює з використанням метода вводу енергії в потік рідини на основі процесів адіабатного скипання перегрітої рідини. Метод емульгування заключається в наступному. Попередньо нагрітий продукт з температурою 75 – 95 ⁰С подається в вакуумну камеру, де підтримується тиск 0, 01 – 0, 02 МПа. Потрапивши в вакуумну камеру продукт опиняється перегрітим, в результаті чого виникає вибухоподібне скипання, яке призводить до руйнування жирових кульок.

Основним елементом апарата (рисунок 15.16) є вакуумна камера 2, яка представляє собою полий резервуар діаметром 300 мм та висотою 800 мм. Ввід продукту здійснюється через трубопровід 1, який закінчується сопловим пристроєм. Вихід отриманого продукту здійснюється через патрубок 3 у нижньому днищі. Пари та повітря всмоктуються через бічний патрубок 4 водокільцевим вакуумним насосом. Продуктивність – 1 т/год.

В двохкамерному вакуумному гомогенізаторі необхідна температура знижена до 60 – 80 ⁰С. Такий пристрій представляє собою дві вакуумні камери, в першій підтримується тиск 0, 15× 10⁵ – 0, 3× 10⁵ Па, в другій – 0, 03× 10⁵ – 0, 15× 10⁵ Па. Молоко підігріте до 60 – 80 ⁰С розпилюється послідовно в першій та другій вакуумних камерах.

Переваги вакуумних гомогенізаторів:

– зниження кислотності та збільшення термостійкості молока;

– дезаерація та дезодорація продукту;

– часткове знищення шкідливої мікрофлори молока;

– можливість створити машини з широким діапазоном продуктивностей;

– невеликі питомі витрати енергії;

– можливість поєднання з пастеризатором (стерилізатором).

Недоліки вакуумних гомогенізаторів:

– невисока ступінь перемішування продукту;

– мінімальна ступінь гомогенізації, діаметр жирових кульок не перевищує 2, 3 – 2, 4 мкм;

– великі габаритні розміри машини;

– необхідність у підігріванні продукту до 60 – 95 ⁰С, що викликає незворотні наслідки в структурі продукту та вимагає додаткових енерговитрат.

Роторні гомогенізатори застосовуються для зміни консистенції таких молочних продуктів як плавлені сири і вершкове масло. У обробленому з їх допомогою продукті, водна фаза диспергується, внаслідок чого продукт краще зберігається.

Рисунок 15.16 – Вакуумний однокамерний гомогенізатор.

1- патрубок з сопловим пристроєм для вводу продукту; 2- вакуумна камера;

3- патрубок для вводу емульсії; 4- патрубок для відводу парів та повітря;

5- водокільцевий вакуумний насос

Принцип роботи роторного гомогенізатора полягає у наступному. Продукт подається в бункер, звідки за допомогою двох шнеків, що обертаються в протилежних напрямках, продавлюється через ротор і з насадки з діафрагмою виходить у бункер фасовочного апарату. Для запобігання налипання продукту на робочі органи машини, останні змащуються перед початком роботи спеціальним гарячим розчином.

Переваги роторних гомогенізаторів:

- простота конструкції;

- широкий діапазон продуктивностей;

- широка промислова освоєність;

- невеликі розміри та металомісткість.

Недоліки роторних гомогенізаторів:

- застосовуються тільки для продуктів з високою густиною;

- диспергується лише водяна фаза, ступінь подрібнення жирових кульок мінімальний;

- необхідність у періодичному змащенні робочих органів.

Відцентровий гомогенізатор (рисунок 15.17) представляє собою два диски, один з яких 2 – нерухомий, а інший 8 – обертовий, з’єднаний з валом двигуна 9. Рухомий диск має кільцеобразні виступи з отворами 4, 5, 6. Ці виступи входять у пази на нерухомому диску.

Рисунок 15.17 – Відцентровий гомогенізатор.

1-корпус; 2- кришка; 3- патрубок для виходу емульсії; 4–6- кільця з отворами; 7- патрубок для виходу емульсії; 8- обертовий диск;

9- електродвигун; 10- станина

Продукт подається у вхідний патрубок 3 та потрапляє на перше внутрішнє кільце з отворами 4, що прикріплене до обертового диску. Крізь наявні на периферії цього кільця отвори суміш потрапляє на друге нерухоме кільце на кришці та переливається на друге обертове кільце 5, а потім на третє 6. При відповідній частоті обертання валу двигуна у міждисковому просторі виникають зони зі зниженим та підвищеним тиском: утворюються бульбашки пари, які періодично захлопуються, що призводить до гідравлічного удару. Це явище відоме як кавітація. Кавітація призводить до руйнування жирових кульок молока та інтенсивного перемішування продукту. Але поряд з цим поверхні, які зазнають гідравлічного удару, швидко руйнуються. Відводиться продукт під дією відцентрових сил через патрубок 7.

Переваги відцентрового гомогенізатора:

- невеликі питомі витрати енергії;

- широкий діапазон продуктивностей;

- невисока маса, габаритні розміри та металомісткість;

- невибагливість до забруднення твердими частками;

- можливість його використання як насоса для перекачування молока.

Недоліки відцентрового гомогенізатора:

- невелика ступінь гомогенізації;

- швидке зношування робочих органів машини, внаслідок чого забруднюється оброблюваний продукт;

- необхідність у зміцненні поверхневого шару робочих органів спеціальною обробкою або використання спеціальних твердих сплавів, що збільшує вартість машини.

Питання по розділу

1. Назвіть устаткування для механічної обробки молока.

2. Яке устаткування застосовують для транспортування молока.

3. Насоси, основні типи, будова та принцип дії.

4. Назвіть устаткування для зберігання молока.

5. Сепаратори, будова та принцип дії.

6. Гомогенізатор, будова та принцип дії.

7. Назвіть устаткування для теплової обробки молока.

8. Призначення та принцип дії пастеризатора, стерилізатора.