Технология и оборудования для производства масла способом преобразования высокожирных сливок

Технологический процесс производства сливочного масла способом преобразования высокожирных сливок (ПВЖС) включает приемку молока, охлаждение, хранение, подогревание, сепарирование молока (получение сливок средней жирности), тепловую обработку сливок, сепарирование сливок (получение высокожирных сливок), посолку (только для соленого масла), нормализацию высокожирных сливок по влаге, термомеханическую обработку высокожирных сливок, фасование и термостатирование масла, хранение масла.

Получение и нормализация высокожирных сливок. Высокожирные сливки получают путем сепарирования сливок средней жирности (32–37%). Для этого сливки средней жирности после пастеризации направляют на сепаратор для высокожирных сливок, где под действием центробежной силы жировые шарики максимально концентрируются. Температуру сепарирования поддерживают на уровне 65–70 °С, при этом жир находится в жидком состоянии, а оболочки жировых шариков сильно гидратированы и несмотря на максимальное сближение их, самопроизвольного разрушения оболочек жировых шариков не происходит. Более высокая температура сепарирования приводит к быстрому испарению влаги с поверхности продукта, снижению стабильности оболочек жировых шариков и увеличению количества деэмульгированного жира.

При сепарировании следует получать высокожирные сливки с заданным содержанием влаги, что позволяет исключить их последующую нормализацию. Нормализация приводит к ухудшению консистенции масла и понижению производительности маслообразователя.

Полученные высокожирные сливки с температурой 60–70 °С поступают в емкости для нормализации. Сливки нормализуют обычно по содержанию влаги, а в ряде случаев – по жиру и СОМО, пахтой, молоком, сливками, молочным жиром и др. Массовая доля влаги, жира и СОМО в нормализованных сливках должна соответствовать массовой доле влаги, жира и СОМО в получаемом масле.

Если содержание влаги в высокожирных сливках ниже требуемого, их нормализуют пахтой, пастеризованным цельным молоком или сливками. Для нормализации высокожирных сливок не следует использовать обезжиренное молоко или воду, так как это приводит к увеличению вязкости, а также к снижению СОМО в высокожирных сливках, а, следовательно, и в масле при одновременном увеличении в них эмульгированного жира и повышению стабильности эмульсии жира, что затрудняет процесс преобразования высокожирных сливок в масло и тем самым вызывает понижение производительности маслообразователя.

Данные по влиянию способа нормализации высокожирных сливок на содержание в них СОМО, эмульгированного жира и вязкость приведены в табл..

Если массовая доля влаги в высокожирных сливках больше, чем требуется, их нормализуют молочным жиром или высокожирными сливками с более низкой массовой долей влаги, чем в нормализуемых сливках.

Если требуется нормализация высокожирных сливок по СОМО, то используют сгущенное (или сухое) обезжиренное молоко либо пахту, которые предварительно восстанавливают в натуральном обезжиренном молоке или пахте.

Каротин вносят в высокожирные оливки тонкой струей при непрерывном перемешивании в течение 4–8 мин.

После нормализации и тщательного перемешивания сливок емкости для нормализации закрывают крышками во избежание испарения и загрязнения, а высокожирные сливки направляют в маслообразователь для термомеханической обработки, при этом сливки перемешивают через каждые 10–15 мин, чтобы избежать расслаивания фаз (жир–плазма), т. е. отстоя сливок. В маслообразователе сливки охлаждаются и подвергаются механическому воздействию для получения масла.

Термомеханическая обработка высокожирных сливок. Высокожирные сливки являются высококонцентрированной эмульсией молочного жира в плазме молока. Массовая доля в них жира (61, 5–83 %) превышает предел концентрации, при котором жировые шарики могут сохранять шарообразную форму. Однако, неоднородность размеров жировых шариков допускает такую возможность. По структуре высокожирные сливки представляют концентрат плотно упакованных жировых шариков с ненарушенными оболочками.

При температуре, когда жир находится в расплавленном состоянии, такая эмульсия обладает достаточно высокой устойчивостью. Охлаждение высокожирных сливок до температуры ниже точки отвердевания основной массы глицеридов и интенсивная механическая обработка приводят к необратимому разрушению их структуры. Это свойство используется при термомеханической обработке высокожирных сливок для преобразования их в масло.

В процессе термомеханической обработки высокожирных сливок создаются условия, необходимые для кристаллизации триглицеридов молочного жира и смены фаз (разрушение эмульсии высокожирных сливок жир/вода и образование эмульсии вода/жир – масло).

Термомеханическая обработка осуществляется на двух темперетурных стадиях: первая – интенсивное охлаждение высокожирных сливок от 60–70°С до температуры ниже начала кристаллизации основной массы глицеридов молочного жира 20–23 °С; вторая – охлаждение от температуры 20–23 °С до 11–17 °С. Молочный жир отвердевает в температурной зоне от 6 до 23 °С, но основная масса глицеридов кристаллизуется при охлаждении сливок до 11°С. Дальнейшее понижение температуры до 8 °С не оказывает существенного влияния на консистенцию масла, тогда как увеличение вязкости продукта осложняет работу маслообразователя. На практике конечную температуру охлаждения определяют с учетом содержания в молочном жире высокоплавких глицеридов и выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить максимально возможную степень их отвердевания во время обработки в маслообразователе.

Преобразование высокожирных сливок в масло во время термомеханической обработки является сложным физико-химическим процессом, включающим обращение фаз, массовую кристаллизацию глицеридов, формирование пространственной структуры масла (первичное структурообразование).

Обращение фаз эмульсии высокожирных сливок является главным физическим процессом маслообразования. Обращение фаз происходит на первой температурной стадии, то есть при охлаждении высокожирных сливок от 60–70 º С до температуры ниже точки кристаллизации молочного жира (20–23 º С). Скорость охлаждения на этой стадии наиболее интенсивная. Быстрое охлаждение высокожирных сливок способствует кристаллизации высоко- и среднеплавких глицеридов в объеме неразрушенного жирового шарика с образованием мелких кристаллов. При быстром охлаждении наряду со снижением разрушения эмульсии происходит повышение степени переохлаждения жира, так как жир в состоянии эмульсии способен к большему переохлаждению, чем находящийся в свободном состоянии.

Обращение жировой фазы начинается с момента появления деэмульгированного (свободного от оболочки) жира, выделившегося через поврежденные оболочки жировых шариков. Дисперсионной (сплошной) средой становится жидкий жир, в котором в виде дисперсной фазы находится отвердевший жир, капельки воды, пузырьки воздуха и отдельные жировые шарики с ненарушенными оболочками. Таким образом происходит обращение жировой фазы, то есть превращение эмульсии типа «жир в воде» (высокожирные сливки) в эмульсию типа «вода в жире» (масло). Степень обращения жировой фазы характеризуется содержанием деэмульгированного жира. На первой температурной стадии массовая доля деэмульгированного жира в сливках составляет 80–94%, а твердого жира – 1, 5–2 %.

Массовая кристаллизация глицеридов молочного жира происходит во второй температурной зоне, то есть при охлаждении от 22–23 º С до 10–16 º С. Начало массовой кристаллизации характеризуется резким возрастанием вязкости продукта. На этой стадии скорость обращения жировой фазы постепенно снижается, и дестабилизация практически заканчивается. В состоянии неразрушенной эмульсии сохраняется лишь незначительная часть жира (2–6 %) в виде наиболее мелких жировых шариков, а доля деэмульгированного жира составляет 94–98 %.

Формирование пространственной структуры. Первичное структурообразование молочного жира происходит во второй температурной зоне (охлаждение от 22–23 º С до 10–16 º С) практически уже после обращения фаз жировой эмульсии. Первичное структурообразование начинается при массовой доле твердого жира 4–7%.

Интенсивное механическое перемешивание предупреждает образование крупных кристаллов жира и раздробляет ранее образовавшиеся, обусловливает равномерное распределение жидкой и твердой фаз жира и всех других компонентов.

В процессе термомеханической обработки первичная структура частично разрушается, продукт находится в текучем состоянии и в таком виде поступает из маслообразователя в тару. Свежевыработанное масло содержит сравнительно высокую массовую долю твердого жира 30–38 %. При этом часть жира находится в переохлажденном состоянии, вследствие чего продукт, попадая в тару, быстро (за 20–90 с) отвердевает.

Следует отметить, что степень завершенности формирования первичной структуры при термомеханической обработке имеет определяющее значение для консистенции сливочного масла. Наиболее полное завершение структурообразования при термомеханической обработке положительно сказывается на консистенции продукта.

Во время термомеханической обработки начинается формирование структуры масла, но полностью не завершается, оно продолжается во время термостатирования и хранения масла.

При термостатировании свежевыработанного масла необходимо создать условия, благоприятные для завершения формирования структуры сливочного масла. Различают две стадии формирования структуры сливочного масла после окончания термомеханической обработки: стадию вторичного структурообразования и стадию окончательного формирования структуры сливочного масла.

Продолжительность стадии вторичного структурообразования зависит от температуры. Чем выше температура термостатирования (14–16 º C), тем интенсивнее и полнее происходят процессы образования высокоплавких групп глицеридов в твердой фазе, стабильных полиморфных форм в процессе фазовых изменений глицеридов молочного жира и формирование коагуляционной структуры продукта. Стадия вторичного структурообразования завершается в основном через 3–4 ч при температуре 14 º C и через 2–3 ч при 16 º C.

Для масла с недостаточно твердой консистенцией рекомендуется термостатирование в течение первых 5 дней при температуре 5 °С.

Масло с достаточно высокой твердостью рекомендуется термостатировать в течение 3–5 дней после выработки при температуре 10–15°С.

Стадия окончательного формирования структуры завершается в процессе холодильного хранения масла и составляет 3–4 недели при +5 ÷ –10 °С.

Получение масла на различных маслообразователях. Высокожирные сливки преобразуют в масло на специальных аппаратах – маслообразователях, которые включаются в технологическую линию.

Схема технологической линии производства масла способом преобразования высокожирных сливок приведена на рисунок -52

Рисунок- 52. Технологическая линия производства масла способом преобразования высокожирных сливок

1 — весы; 2 — приемная ванна; 3 — пластинчатый теплообменник; 4 — сепаратор-сливкоотделитель; 5 — трубчатый пастеризатор; 6 — дезодорационная установка; 7 — насос для сливок; 8 — напорный бак; 9 — сепаратор для высокожирных сливок; 10 — ванна для высокожирных сливок; 11 — ротационный насос; 12 — маслообразователь; 13 — стол и весы; 14 — охладитель пластинчатый; 15 — емкость для резервирования сливок.

Сливки средней жирности пастеризуются на установке трубчатого типа и подаются на сепаратор для высокожирных сливок. Полученные высокожирные сливки поступают в емкость для нормализации. Для создания непрерывного процесса маслообразования обычно устанавливают три емкости для нормализации. Нормализованные сливки подаются насосом-дозатором в маслообразователь, где они преобразуются в масло.

Для получения масла из высокожирных сливок предназначены цилиндрический и пластинчатый маслообразователи, вакуум-маслообразователь.

Цилиндрический маслообразователь состоит из трех последовательно сообщающихся цилиндров с рубашками, в которые подается хладоноситель (рассол или ледяная вода) (рисунок 53).

Рисунок 53 - Трехцилиндровый маслообразователь

Он состоит из станины 22, унифицированных цилиндров одинаковой конструкции. Каждый из цилиндров включает фланцы передний 7 и задний 13, обшивку 9, обечайки наружную 10 и внутреннюю 12, вытеснительный барабан, крышку 5, втулку направляющую 3, кран воздушный 4, кронштейн 1, кольцо уплотнительное 6 и 14, подшипники 16, 17, шестерни 18, 19, редуктор и рубашку для охлаждения продукта водой.

В рубашке проложена и закреплена спираль 11. Задней стенкой цилиндра является торцевой диск редуктора 15, а передней — крышка 5.

Вытеснительный барабан 8 изготовлен из нержавеющей стали с ребрами жесткости. На нем размещены два ножа 21, оснащенных пластинками из пластмассы. Ножи свободно поворачиваются над плоскостями вытеснительного барабана. При вращении барабана ножи под действием центробежной силы отбрасываются и прижимаются лезвием к внутренней поверхности цилиндра.

Для удаления воздуха и контроля за наполнением цилиндра сливками в верхней части крышек расположены воздушные краны, которые открываются при пуске маслообразователя. В нижней части крышки верхнего цилиндра размещен кран 2 для выпуска продукта. На выходе продукта установлены выпускной кран 2 и термометр сопротивления для контроля за температурой выходящего масла.

От электродвигателя 20 маслообразователь приводится в движение через редуктор 15.

Высокожирные сливки с температурой 80...90 °С подаются в нижний барабан маслообразователя, а рассол и ледяная вода — в охлаждающую рубашку. При работе слой сливок срезается ножами и перемешивается.

Температура масла на выходе обычно не превышает 10...12 °С.

Масло, перемещаясь к выпускному патрубку, выходит из него.

Продолжительность нахождения продукта в маслообразователе 3...6 мин.

В нижнем цилиндре высокожирные сливки, охлаждаясь до температуры кристаллизации глицеридов (22...23 °С), сохраняют свойства эмульсии.

Температура рассола в нижнем цилиндре -1...-3 °С, в среднем -3...-5 °С. В среднем цилиндре начинается процесс структурообразования: жир из жидкого состояния переходит в вязкопластичное и отвердевает в течение 5...20 с.

Продукт в среднем цилиндре охлаждается до 11... 13 °С. В верхнем цилиндре вследствие механического воздействия в течение 150...250 с продукт приобретает мелкокристаллическую структуру и пластическую консистенцию.

Температура продукта в верхнем цилиндре вследствие охлаждения водой при температуре 7...9 °С даже повышается на 1...2 °С. Выделение тепла при механическом воздействии превышает отвод через стенку цилиндра к охлаждающей воде.

Оптимальным углом установки ножей является угол 35, а кольцевой зазор при производительности 450, 650 и 850 кг/ч соответственно 15, 22 и 29 мм.
В пластинчатом маслообразователе можно проводить термомеханическую обработку высокожирных сливок более интенсивно. Он состоит из теплообменного аппарата (охладителя) и камеры для кристаллизации молочного жира и механической обработки продукта (рисунок 54).

Он состоит из станины 16 с опорами 21, охладителя 13, маслообработника 12 и системы трубопроводов.

Электродвигатель 20 с помощью клиновых ремней 3 и 9, редуктора 4 и шкивов 2, 5, 6, 7, 10, 17 приводит во вращение вал охладителя 13 и вал маслообработника 12. Натяжение клиноременной передачи осуществляется винтом 1 и натяжным роликом 8. Привод вала 15 маслообработника осуществляется двухступенчатой клиноременной передачей от того же электродвигателя. Ведомый шкив 17 первой ступени клиноременной передачи является сменным. При замене его другим, входящим в комплект маслообразователя, меняется скорость вращения вала охладителя и вала маслообработника. На конце приводного вала 19 редуктора имеется паз для рукоятки, при помощи которой производится холостое вращение маслообразователя.

Рисунок 54 - Пластинчатый маслообразователь

Подача высокожирных сливок в маслообработник 12 осуществляется через трубопровод 11 и трехходовой кран 14.

Охладитель 13 представляет собой сжатый пакет пластин в комплекте с ножами, надетыми на приводной вал редуктора. Уплотнение пластин между собой осуществляется резиновыми кольцами, сжатие пакета пластин — с помощью нажимной плиты 18 специальными гайками.

Хладоноситель по каналам, образованным втулками продуктовых пластин, поступает во внутреннюю полость охлаждающих пластин, омывает торцовые стенки этих пластин изнутри и через такие же каналы выводится из них.

В первой части охладителя продукт поступает в полость, образуемую продуктовой пластиной, через центральное отверстие охлаждающей пластины, откуда по щели, образуемой охлаждающей пластиной и вращающимся диском, к периферии диска. Затем продукт огибает диск и движется в зазоре между диском и стенкой следующей охлаждающей пластины от периферии диска к центру, после чего направляется в следующую секцию через центральное отверстие охлаждающей пластины.

Во второй части охладителя в зоне температур, где интенсивно повышается вязкость продукта, с целью уменьшения гидравлического сопротивления предусмотрено движение продукта в зазоре между каждой парой охлаждающих пластин в одном направлении: либо от центра к периферии, либо от периферии к центру. Для этого установлены специальные охлаждающие пластины со сквозными отверстиями для прохода продукта, расположенными по окружности в зоне, прилегающей к продуктовой пластине. Зазоры по центральной части между этими пластинами и вращающимся валом уплотнены с помощью специальных втулок, которые прижимаются к пластине гидравлическим давлением.

В этой части охладителя вместо дисков на валу установлены лопастные турбули-заторы (крестовины) со скребковыми ножами. Ножи, беспрерывно вращаясь, перемешивают продукт и счищают его с торцовых поверхностей охлаждающих пластин, чем интенсифицируют процесс теплообмена.
Вакуум-маслообразователь (рисунок -55) состоит из вакуум-камеры и шнекового текстуратора.

Рисунок 55 - Вакуум-маслообразователь

В состав вакуум-камеры входит трубопровод, заканчивающийся распылительной форсункой. Внутри камеры имеется лопастная мешалка. Масло со стенок снимается ножами лопастной мешалки Текстуратор представляет собой шнековый пресс и состоит из двух шнеков, вращающихся навстречу один другому, и конической насадки. Для отвода тепла, выделяющегося при механической обработке масла, текстуратор снабжен рубашкой, где циркулирует холодная вода.

Высокожирные сливки температурой 70–75 °С под действием вакуума засасываются в камеру и, проходя через форсунку, распыляются. Сливки, попадая в камеру с глубоким вакуумом, оказываются перегретыми, вследствие чего вскипают, теряя 6–8 % влаги. Испарение сопровождается потерей значительного количества тепла, в результате чего каждая частица охлаждается до 8–3 °С. Происходят быстрое отвердение около 50 % жира, разрыв оболочек и агрегирование жировых комочков в масляные зерна.

Масляное зерно направляется на шнеки текстуратора. Захваченное шнеками текстуратора масло уплотняется, продавливается через отверстия решеток и перемешивается крыльчатками, насаженными на концы шнеков. Из аппарата выходит пласт масла, который направляют на упаковку.

Создан маслообразователь для получения масла из высокожирных сливок с охлаждением их в атмосфере азота в распыленном состоянии и последующей механической обработкой.

Маслообразователи с вакуумным охлаждением и с охлаждением в атмосфере азота конструктивно оформляются одинаково. Различие состоит в том, что в первом случае из маслообразователя отсасывается воздух, а во втором – подается азот.