I.2.2 Сепарирование

Сепарирование – это процесс разделения продукта на фракции с различной плотностью во вращающемся сепарирующем устройстве – барабане. В молочной промышленности сепарирование используют для разделения молока на сливки и обезжиренное молоко в сепараторах-сливкоотделителях (рис. 1), а также для нормализации молока в потоке, для получения высокожирных сливок (в производстве сливочного масла), для выделения тяжелой фракции (сепараторы-творогоотделители – рис. 2, сепараторы-отделители белка от сыворотки).

Процесс выделения жировой фракции из молока в сепараторах-сливкоотделителях основан на использовании центробежной силы и может быть описан законом Стокса:

ν = 8, 77 R n² r² (ρ ₁ – ρ ₂) / μ,

где ν – скорость выделения жировых шариков, см/с;

R – средний радиус рабочей части тарелки сепаратора, см;

n – частота вращения барабана сепаратора с^-1;

r – радиус жировых шариков, см;

ρ ₁ – плотность плазмы молока, кг/м³;

ρ ₂ – плотность молочного жира, кг/м³;

μ – динамическая вязкость молока, Па·с.

Из формулы следует, что скорость выделения жировых шариков из молока прямо пропорциональна их размерам, частоте вращения барабана и его габаритам и обратно пропорциональна вязкости молока, которая в свою очередь зависит от температуры. Оптимальная температура сепарирования 35…45^оС, вязкость при этом снижается почти в 2 раза. Однако еще более высокие температуры приводят к вспениванию сливок и обезжиренного молока, увеличению содержания жира в обезжиренном молоке (дробятся жировые шарики). Сепарировать можно также холодное молоко (3…4^оС и даже 1^оС), при этом снижают производительность сепаратора в 2-3 раза; массовая доля жира в обезжиренном молоке при этом 0, 04 и 0, 06 %. Сливки, полученные при холодном сепарировании, имеют более высокое содержание жира и повышенную вязкость.

Скорость выделения жировых шариков в значительной степени зависит от размеров жировых шариков. При сепарировании можно выделить жировые шарики с размером не менее 0, 8…1 мкм. С повышением температуры увеличиваются размеры жировых шариков; мелкие жировые шарики сливаются, в результате чего улучшается обезжиривание. От размера зависит плотность жировых шариков. Плотность крупных жировых шариков значительно меньше плотности плазмы, а у мелких жировых шариков – приближается к плотности плазмы и их невозможно выделить из плазмы. В связи с этим молоко, направляемое на сепарирование, нельзя подвергать сильному тепловому и механическому воздействию: перекачивание молока насосами, высокотемпературная обработка перед сепарированием, длительное хранение, повышенная кислотность приводят к нарушению дисперсности жировых шариков, что ведет к сверхнормативному отходу жира в обезжиренное молоко.

На качество обезжиривания молока также влияют размеры тарелок (R), точность их изготовления и расстояние между ними (0, 6…0, 8 мм).

На процесс сепарирования существенно влияет кислотность молока. При длительном хранении молока при температуре более 8^оС кислотность нарастает, изменяются физико-химические свойства молока, в частности коллоидное состояние белков (образуются микроскопические хлопья белка); в результате повышаются вязкость и плотность молока, что снижает степень обезжиривания.

На качество сепарирования влияют также механические примеси и, следовательно, бактериальная обсемененность. При сепарировании загрязненного молока механические примеси и частицы белка отбрасываются к стенкам барабана и отлагаются в виде сепараторной слизи. Заполнив грязевое пространство, слизь начинает откладываться и на тарелках, что ведет к нарушению движения молока в барабане и, следовательно, к ухудшению обезжиривания. Поэтому при сепарировании загрязненного молока чаще моют барабан (через 1…1, 5 ч).

О результатах сепарирования судят по степени обезжиривания и максимальной величине жировых шариков в обезжиренном молоке. Определяют технологический КПД сепаратора, или эффективность сепарирования η _сеп:

100 (М_м Ж_м – М_о Ж _о)

η _сеп = ––––––––––––––––––––,

М_м Ж_м

где М_м, М _о – масса цельного и обезжиренного молока, соответственно, кг;

Ж_м, Ж _о – массовая доля жира в цельном и обезжиренном молоке, соответственно, %.

То есть, эффективность сепарирования (степень обезжиривания) представляет собой отношение количества жира, перешедшего в сливки, ко всему количеству жира, находящемуся в молоке.

Пользуясь уравнениями материального баланса, можно рассчитать массу образующихся при сепарировании сливок и обезжиренного молока, или массу цельного молока для получения определенной массы сливок или обезжиренного молока.

Разделение молока на сливки и обезжиренное молоко происходит следующим образом. Молоко поступает в центральную трубку барабана. Через отверстия в трубке оно попадает в каналы тарелкодержателя, а затем в канал, образованный отверстиями в тарелках, и движется вверх. По мере подъема молоко растекается между тарелками, где происходит разделение. При этом жировые шарики, как более легкие, перемещаются к центру, а обезжиренное молоко, как более тяжелая фракция, устремляется к периферии в грязевое пространство. В зазоре между тарелками частицы с разной плотностью движутся в разных направлениях (рис. 3): жировые шарики движутся вместе с потоком молока вниз, а затем оседают на нижней тарелке и направляются по ее поверхности к оси вращения.

Рис.3. Траектория движения жирового шарика в межтарелочном пространстве барабана сепаратора

I стадия – проникновение жировых шариков через толщу плазмы и осаждение его на верхней поверхности тарелки.

II стадия – перемещение жировых шариков по наружной поверхности тарелки от периферии к центру.

Из грязевого пространства обезжиренное молоко проходит между крышкой сепаратора и разделительной тарелкой к отверстию для выхода. Сливки сначала поступают в верхнюю часть барабана, а затем в напорную камеру с напорным диском, откуда под напором удаляются из сепаратора. Потоки сливок и обезжиренного молока не смешиваются, т.к. они разделены глухой перегородкой, образованной верхней и разделительной тарелками пакета тарелок.

По конструкции различают сепараторы открытого, полузакрытого и закрытого типов. Открытого типа: ввод продукта и выход фракций свободен; полузакрытого: вывод фракций герметизирован; закрытого: ввод продукта и вывод фракций герметизирован.

Жирность сливок в сепараторах открытого типа регулируется специальным винтом, установленным на выходе сливок. При ввинчивании винта ближе к оси получают сливки большей жирности. При вывинчивании винт удаляется от центральной трубки, тогда через отверстие регулировочного винта будет выходить больше сливок и они будут меньшей жирности.

Для регулирования жирности сливок в сепараторах других типов на сливочном трубопроводе установлены регулировочный вентиль и измеритель количества сливок (ротаметр). При постоянных количестве и массовой доле жира в поступающем молоке увеличение расхода сливок приводит к уменьшению массовой доли жира в них и, наоборот, уменьшение количества выходящих сливок увеличивает массовую долю жира в них.