Характеристика сырья кисломолочных продуктов и технологической линии их производства. Процесс гомогенизации или диспергирования молока. Описание данного процесса в гомогенизаторах разных типов. Подбор и расчет основного технологического оборудования.
При низкой оригинальности работы "Исследование гомогенизатора в производстве кисломолочных продуктов", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Продукт в кольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемым многоплунжерным насосом. В гомогенизаторе клапанного типа продукт в кольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемым многоплунжерным насосом. Клапан снабжен рядом концентрических желобков, соответственно которым на наружной стенке выходного отверстия имеются выступы, дающие возможность очень плотно прикрыть выходное отверстие клапаном. Сильная пружина прижимает клапан к выходному отверстию, и только под очень сильным давлением молоко имеет возможность пробиться между стенками клапана и камеры, в результате чего происходит распыление жировых шариков. В нерабочем положении клапан плотно прижат к седлу пружиной 8, которая сжата регулировочным винтом 11, а в рабочем, когда нагнетается жидкость, клапан приподнят давлением жидкости и находится в «плавающем» состоянии.N = Вт, (1.6) где р0 - давление, развиваемое плунжерами гомогенизатора (давление перед клапаном), Н/м2; Повышение температуры продукта в гомогенизаторе можно рассчитать по формуле Пружина гомогенизирующей головки должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить необходимое давление гомогенизации, зависящее от усилия Р, с которым пружина действует на клапан. Связь между этим усилием, параметрами пружины и возникающим в пружине наибольшим касательным напряжением ?макс выражается формулой ?макс = Н/м2, (1.9) где Р - усилие, действующее на пружину, Н; Наибольшая теоретическая скорость сливок, подвергающихся гомогенизации может быть вычислена по формуле Торричелли и составит ?1 = = = 143 м/с, где ?р = р0 - р2 - давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2;Расчет показывает, что при переработке молока и сливок (соответственно для кефира и сметаны) гидродинамические характеристики потоков примерно одинаковы: максимальная скорость для сливок 143 м/с, для молока 171,8 м/с за счет меньшей по сравнению со сливками вязкостью; высота клапанной щели для сливок 0,09 мм, для молока 0,06 мм; значение числа Рейнольдса для сливок 14793 получилось большим, нежели для молока 11848, что связано со значительным различием в высотах клапанных щелей; мощность, необходимая для работы гомогенизатора, как для молока, так и для сливок одинакова; температура продукта в гомогенизаторе повышается примерно одинаково - молока на 3,60С, а сливок на 4,40С; усилие затяжки пружины гомогенизирующей головки в случае молока незначительно больше 47,1 Н, чем в случае сливок 31,4 Н; диаметр проволоки пружины соответственно для молока и сливок равен 1,2 мм и 1,0 мм, а диаметр витков пружины 6,3•10-3м и 5•10-3м.
Введение
Кисломолочные продукты играют важную роль в питании людей, особенно детей, лиц пожилого возраста и больных. Диетические свойства кисломолочных продуктов заключаются, прежде всего, в том, что они улучшают обмен веществ, стимулируют выделение желудочного сока и возбуждают аппетит. Наличие в их составе микроорганизмов, способных приживаться в кишечнике и подавлять гнилостную микрофлору, приводит к торможению гнилостных процессов и прекращению образования ядовитых продуктов распада белка, поступающих в кровь человека.
Немаловажной стадией при выработке кисломолочных продуктов является механическое воздействие на исходное сырье, т.е. гомогенизация. Она не только предотвращает отстаивание жира, но и способствует получению качественных кисломолочных продуктов с улучшенными консистенцией и вкусовыми свойствами, повышению его усвояемости организмом и более полному использованию содержащихся в нем жира и витаминов.
Диспергирование молока проводят в клапанных и ротационных гомогенизаторах, устройствах для ультразвуковой и электрогидравлической гомогенизации, быстроходных механических мешалках, гидродинамических ультразвуковых аппаратах, кавитационных и суперкавитирующих динамических смесителях-эмульсорах, центробежных струйных гомогенизаторах, но по эффективности воздействия на молоко без значительных нежелательных изменений его свойств все другие устройства уступают клапанным гомогенизаторам высокого давления.
Гомогенизаторы клапанного типа. Продукт в кольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемым многоплунжерным насосом. Дробление жировых шариков и увеличение их дисперсности происходит при истечении молока через канал со скоростью 200 м/с, при этом количество жировых шариков увеличивается в 200-500 раз, а их суммарная поверхность в 6-10 раз. Гомогенизаторы клапанного типа относятся к энергоемким и металлоемким: в зависимости от давления и производительности расход электроэнергии изменяется от 36 до 140 КВТ/ч, общая масса гомогенизатора может находиться в пределах от 600 до 4000 кг. Клапанными двухступенчатыми гомогенизаторами в настоящее время оснащены все комбинаты, заводы и цеха, вырабатывающие сухие и жидкие продукты питания.
Центробежные гомогенизаторы по конструкции проще клапанных, менее металлоемки, в них нет быстроизнашивающихся деталей, но они дают недостаточно высокую степень гомогенизации.
Электрогидравлическая гомогенизация молока и влияние на молочные системы электрогидравлического удара исследовались в МАПБ (Московская академия прикладной биотехнологии). В основу этого способа гомогенизации положен электрогидравлический эффект, являющийся результатом возникновения в жидкости импульсных сверхвысоких давлений, вызывающих образование ударных волн.
Достигнутый общий гомогенизирующий эффект весьма высок - раздробление жировых шариков в 7-8 раз. Кратковременный электрогидравлический эффект не влияет на технологические свойства молока, но очень длительное его воздействие изменяет вкус продукта.
Ультразвуковые гомогенизаторы - это электромеханические и гидродинамические устройства, создающие упругие звуковые и ультразвуковые колебания в гомогенизируемой смеси. Наиболее известный из них - так называемый гидродинамический свисток. Принцип действия его основан на прохождении потока жидкости через зону максимального воздействия ультразвукового поля, создаваемого самим же потоком. Поток дробится на струи, которые, многократно взаимно пересекаясь с большой скоростью, создают интенсивные вихри и акустические колебания высоких частот. При выходе из сопла закрученного потока возникают наиболее интенсивные вихри, создающие колебания, еще более усиливаемые установленной на выходе трубки - резонатора, образующей в потоке жидкости кавитационные полости.
Ультразвуковой метод эмульгирования весьма эффективен: полнота эмульгирования составляет 95%. Метод обеспечивает высокую степень дисперсности (0,1-0,5 мкм) и устойчивость эмульсии при длительном хранении. Металлоемкость и энергоемкость ультразвукового гомогенизатора по сравнению с гомогенизатором ОМ такой же производительности, используемым в настоящее время в отечественной молочной промышленности, ниже в 5-7 раз.
Работы по оптимизации режимов ультразвуковой гомогенизации, изучению механизма эмульгирования в ультразвуковом поле проводились многими учеными в нашей стране и за рубежом, но в них не раскрыто или недостаточно раскрыто влияние ультразвукового облучения на изменения физико-химических свойств молока и его компонентов. Известно лишь, что в молоке может появиться привкус топленого молока. Предполагается, что это результат взаимодействия с жирами атомарного кислорода, выделившегося при распаде. Значительно уменьшается вязкость молока, что указывает на деструкцию молекул белка.
Как отмечалось выше, наибольшее распространение получили гомогенизаторы клапанного типа. В связи, с чем и рассмотрим их в данной работе.
Целью данной работы является исследование гомогенизатора в производстве кисломолочных продуктов, характеристика сырья кисломолочных продуктов и технологическая линия производства, изучение и расчет основного технологического оборудования. В гомогенизаторе клапанного типа продукт в кольцевой канал между седлом и клапаном подается под давлением, создаваемым многоплунжерным насосом. Дробление жировых шариков и увеличение их дисперсности происходит при истечении молока через канал со скоростью 200 м/с, при этом количество жировых шариков увеличивается в 200-500 раз, а их суммарная поверхность в 6-10 раз.
Задачей данной курсовой работы является аналитический обзор гомогенизатора, дать характеристику сырью кисломолочных продуктов, охарактеризовать технологическую схему производства и сделать расчет по выбранному технологическому оборудованию. гомогенизатор диспергирование молоко оборудование
1. Аналитический обзор
Стерилизованное молоко и сливки при хранении дают отстой, который постепенно настолько уплотняется, что его иногда трудно и даже невозможно равномерно размешать с остальной массой. В результате стерилизации внешний вид молока ухудшается вследствие его неоднородности.
Для избежания этих недостатков в настоящее время пользуются особым аппаратом - гомогенизатором, в котором производится раздробление жировых шариков молока на чрезвычайно мелкие шарики, почти неуловимые при самом сильном увеличении микроскопа. Такие мелкие жировые шарики, имея по отношению к своему весу и объему очень большую поверхность, испытывают в молоке сопротивление в отношении трения, препятствующее подниманию их кверху. Поэтому гомогенизированное молоко и сливки не дают отстоя.
Еще в 1892 г. французский инженер Жюльен предложил изобретенный им аппарат для измельчения жировых шариков в молоке. Но этот аппарат имел большие дефекты в конструкции, быстро портился, а потому практического применения не получил.
В 1902 г. французский инженер Гален предложил более совершенную конструкцию гомогенизатора, довольно близкую к конструкции Жюльена. Этот гомогенизатор измельчает жировые шарики при пропускании нагретого молока через капиллярные каналы.
Молоко под давлением 240 атм протекает по трубке, в середине которой имеется металлическая пробка с капиллярами длиною 15 мм. По другую сторону пробки помещена пришлифованная к ней агатовая пластинка или клапан, насаженный на вращающуюся ось и плотно прижатый сильной пружиной к пробке. Молоко под давлением проходит по капиллярам и по выходе встречает агатовую пластинку. Пробиваясь между стенками агатовой пластинки и пробки, жировые шарики молока перетираются и распыляются до чрезвычайно мелких размеров.
Крупный недостаток гомогенизатора Галена - это необходимость иметь очень чистое молоко, так как капиллярные отверстия легко и быстро засоряются, останавливая работу гомогенизатора. Кроме того к недостаткам следует отнести необходимость очень высокого давления, которое должны развивать нагнетательные насосы, и быстрое изнашивание медных частей гомогенизатора, окисляющихся от соприкосновения с молоком под сильным давлением.
Позднее д-ром Верберихом был сконструирован новый гомогенизатор, в котором капиллярные трубки отсутствуют. Нагретое молоко под давлением 120- 150 атм протекает по особой трубке и при выходе в расширенную часть встречает стуненьчато-конический клапан (веретено), крепко прижатый сильной пружиной к выходному отверстию. Под сильным давлением молоко прогоняется между пришлифованными стенками веретена и трубки. Вследствие вращательного движения веретена жировые шарики при этом как бы растираются и распыляются. Гомогенизаторы бывают производительностью от 50 до 2000 л/час. В последнее время за границей выпущены гомогенизаторы Вербериха несколько измененного типа для эмульгирования тощего молока посторонним жиром для замены приготовленными таким образом искусственными сливками и жирным молоком естественных сливок и молока. Перед пуском гомогенизатора необходимо озаботиться, чтобы подшипники были хорошо смазаны и масленки правильно работали. Затем нагнетают через гомогенизатор чистую воду, нагретую до 75° С, и основательно прогревают цилиндры. Для этой цели машину временно приводят в движение. Далее, нужно следить за тем, чтобы вентиль гомогенизатора был совсем открыт. Открытие это производится отвинчиванием второго ручного колеса (вентиля) и обратным вращением первого вентиля.
После предварительного нагрева гомогенизатора молоко пускают в машину, вентиль гомогенизатора очень медленно закрывают, наблюдая за манометром, пока указатель последнего не станет на 100-150 атм давления, и тогда вывинчивают второе ручное колесо.
По окончании работы через гомогенизатор пропускают для промывки раствор соды при 85° С и затем прополаскивают вентили и цилиндры горячей водой в 75° 0. Кроме того нужно машину основательно вычистить снаружи и снять масленки.
В последнее время датская фирма Иенсен и Андерсен выпустила гомогенизаторы различной производительности (от 100 до 1000 л) для молока и сливок, несколько измененные, но в принципе устройства сходные с системой Бербериха.
Молоко под давлением 200-225 атм подается в толстостенную камеру эмульгатора, несколько суженное выходное отверстие которого прикрывается металлическим клапаном.
Клапан снабжен рядом концентрических желобков, соответственно которым на наружной стенке выходного отверстия имеются выступы, дающие возможность очень плотно прикрыть выходное отверстие клапаном. Сильная пружина прижимает клапан к выходному отверстию, и только под очень сильным давлением молоко имеет возможность пробиться между стенками клапана и камеры, в результате чего происходит распыление жировых шариков.
Технологический процесс производства гомогенизированного стерилизованного молока в бутылках обычно состоит в следующем. Отсортированное высококачественное молоко очищается от механических загрязнении при помощи пластинчатого фильтра или центробежного грязеочистителя. После этого молоко подогревается до 60-65° С, пропускается через гомогенизатор, разливается в бутылки, закупоривается капсулами «Идеал» и в корзинках ставится в стерилизатор. Для непрерывности процесса следует иметь несколько стерилизаторов, чтобы иметь возможность их последовательно загружать и разгружать. После выемки из стерилизатора горячие бутылки с молоком подносятся к купору и еще раз закупориваются капсулами «Идеал».
2. Технологическая часть
2.1 Характеристика сырья, материала и готовой продукции
Кисломолочные продукты - группа молочных продуктов, вырабатываемых из цельного коровьего молока, молока овец, коз, кобыл и других животных или его производных (сливок, обезжиренного молока и сыворотки) путем ферментации. Кисломолочные продукты вырабатывают на основе молочнокислого брожения молока. Кисломолочные продукты обладают диетическими и лечебными свойствами, которые обусловлены содержанием молочной кислоты, подавляющей развитие гнилостных бактерий в человеческом организме, богатым витаминным составом, так как многие витамины синтезируются микрофлорой закваски. Кисломолочные продукты усваиваются легче по сравнению с молоком за счет частичного распада основных компонентов (белков, лактозы) при молочнокислом брожении, а также активного воздействия молочной кислоты на секреторную деятельность пищеварительного тракта.
Классификация кисломолочных продуктов осуществляется в зависимости от вида закваски, используемой для сбраживания молока, а также от характера биохимических процессов, происходящих при брожении. В качестве закваски могут использоваться чистые или смешанные культуры молочнокислых бактерий (мезофильные молочнокислые стрептококки, имеющие оптимум роста при температуре 25-35°С, термофильные молочнокислые стрептококки, имеющие оптимум роста при температуре 40-45°С, болгарская палочка, ацидофильная палочка, ароматообразующие бактерии, бифидобактерии и др.), а также дрожжи, кефирный грибок, который представляет собой симбиотическую закваску. При производстве творога и творожных изделий помимо закваски используют сычужный фермент (ренин), который обладает высокой свертывающей способностью.
2.2 Выбор и обоснование технологической линии производства
Технология изготовления кисломолочных продуктов состоит из подготовки сырья, нормализации молока или сливок по жиру, тепловой обработки, гомогенизации, охлаждения до температуры сквашивания, процесса заквашивания, сквашивания и охлаждения до температуры не выше 8 °С.
Имеются два способа производства кисломолочных продуктов: термостатный и резервуарный.
При термостатном способе молоко очищают, нормализуют, пастеризуют или стерилизуют, подвергают гомогенизации, охлаждают до температуры заквашивания и затем заквашивают. Заквашенное молоко (или сливки) разливают в упаковку (бутылки, банки и др.), укупоривают и помещают в термостатные камеры для сквашивания. Затем продукт охлаждают в хладостатной камере до 8 °С и выдерживают для созревания от 6 до 12 ч.
При производстве кисломолочных продуктов из обезжиренного молока или пахты не производят их нормализацию и гомогенизацию.
При использовании резервуарного способа заквашивание и сквашивание молока, охлаждение и созревание продукта происходит в больших резервуарах (танках) и в упаковку разливается уже готовый продукт. При этом способе очищенное молоко нагревают до 72...75 °С и направляют на пастеризацию. Затем его выдерживают 10 мин и подают в гомогенизатор, в котором обрабатывают под давлением.
Гомогенизированное молоко охлаждают до 22 °С и направляют для сквашивания. В зависимости от вида закваски сквашивание продолжается от 2,5 до 7 ч. После образования сгустка и достижения требуемой кислотности продукты немедленно охлаждают до температуры не выше 8 °С, а затем разливают в упаковку. Резервуарный способ получения кисломолочных продуктов более экономичен, чем термостатный, качество продукции выше.
Кисломолочные продукты подразделяются по характеру брожения, протекающего при сквашивании молока (сливок, сыворотки, пахты).
3. Описание, подбор и расчет технологического оборудования
3.1 Описание и подбор технологического оборудования
Гомогенизаторы обладают высокой эффективностью действия. Например, при гомогенизации цельного молока средний размер жировых шариков уменьшается с 3,5-4 до 0,7-0,8 мкм.
Первоначально рабочим органом гомогенизатора был пучок капиллярных трубок, через которые под давлением нагнеталось молоко, нагретое до 50-60°С. Гомогенизатор этого типа был несовершенен и часто засорялся, поэтому было предложено использование головки с пружинным клапаном. Гомогенизирующие головки подвергались тем или другим малосущественным изменениям, однако принцип устройства их сохранился до сих пор без изменения.
Принцип действия гомогенизирующей головки (рис. 1) основан на том, что гомогенизируемая жидкость нагнетается под большим давлением в канал и, поднимает прижатый пружиной 2 и стержнем 3 клапан 4 и с большой скоростью движется через узкую щель между клапаном и седлом 5. Высота клапанной щели при работе гомогенизатора не превышает 0,1 мм, а скорость молока при движении его в щели обычно достигает 150-200 м/сек. При этом молоко подвергается в зоне клапана сильному механическому воздействию, которое и приводит к раздроблению жировых шариков, т.е. к гомогенизации.
Форма рабочей поверхности клапана обычно плоская, тарельчатая или конусная с небольшим углом конусности. У гомогенизатора с плоскими клапанами с концентрическими рифлями (проточками) располагаются такие же рифли на поверхности седла. Следовательно, форма прохода для молока в радиальном направлении извилистая, что должно способствовать лучшей гомогенизации.
Кроме того, в результате патентного обзора можно отметить, что седло и клапан могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны под действием движущегося потока продукта и установлены в подшипниках, расположенных в неподвижном корпусе [3].
Жидкий продукт в головку может нагнетаться любым насосом, обладающим равномерной подачей и способным создать высокое давление. Для этой цели применимы многоплунжерные, роторные и винтовые насосы. Наибольшее распространение нашли гомогенизаторы высокого давления с трехплунжерными насосами. Схема устройства плунжерного гомогенизатора клапанного типа показана на рис. 2.
Молоко при ходе плунжера влево проходит через всасывающий клапан 3 в цилиндр, а при ходе плунжера вправо проталкивается через клапан 4 в нагнетательную камеру, на которой установлена манометрическая головка 10 для контроля давления. Она имеет дросселирующее устройство, дающее возможность эффективно уменьшить амплитуду колебания стрелки манометра. Далее молоко по каналу поступает в головку 5, в которой поднимает клапан 7, прижимаемый к седлу 6 пружиной 8. Натяжение пружины регулируется винтом 11. Клапан и седло притерты друг к другу. В нерабочем положении клапан плотно прижат к седлу пружиной 8, которая сжата регулировочным винтом 11, а в рабочем, когда нагнетается жидкость, клапан приподнят давлением жидкости и находится в «плавающем» состоянии.
Характерным показателем режима гомогенизации, играющим большую роль при регулировке машины, является давление гомогенизации. Чем оно выше, тем эффективнее процесс диспергирования.
Давление регулируют винтом 11, руководствуясь показаниями манометра 10. При завинчивании винта давление пружины па клапан увеличивается, следовательно, высота клапанной щели уменьшается. Это приводит к увеличению гидравлических сопротивлений при движении жидкости через клапан, т.е. к увеличению давления, необходимого для проталкивания данного количества жидкости.
Способность плунжерного насоса создавать высокое давление ставит под угрозу сохранность деталей в случае, если канал засорится в седле клапана. Поэтому гомогенизатор снабжен предохранительным пружинным клапаном 9, через который жидкость выходит наружу, когда давление в машине выше установленного. Предельное давление, при котором предохранительный клапан открывается, регулируют, затягивая винтом пружину.
Недостаток простого плунжерного насоса одинарного действия заключается в крайне неравномерной подаче жидкости на протяжении одного оборота кривошипа. При ходе всасывания такой насос совсем не подает жидкости, а при ходе нагнетания подача изменяется от 0 до максимума аналогично изменению скорости плунжера, т.е. по синусоиде. В гомогенизаторах используют трехплунжерные насосы со сравнительно равномерной подачей, что достигается смещением кривошипов коленчатого вала на 120° и поочередной работой цилиндров.
Степень неравномерности подачи, представляющая собой отношение максимальной подачи к средней, для трехплунжерного насоса составляет 1,047, т.е. близка к единице. Поэтому в подаче жидкости через клапан не только нет полных перерывов, но и сам поток приблизительно постоянен, что обусловливает непрерывно «взвешенное» положение при работе и лишь небольшие его колебания относительно среднего положения.
Двигаясь с большой скоростью, жидкость оказывает сильное механическое действие на седло и клапан, что вызывает быстрый износ их. Клапан и седло изготовляют из стали высокой твердости. Они обычно имеют симметричную форму и рабочие поверхности с обеих сторон. Это позволяет после заметного износа рабочих поверхностей с одной стороны перевернуть седло и клапан другой стороной, использовать вторую пару рабочих поверхностей и продлить в 2 раза срок службы гомогенизатора.
Оригинальным способом решения этой задачи следует считать также применение клапанных конусов, изготовленных прессованием в специальных формах комков нержавеющей тонкой проволоки. Клапан представляет собой конус, пронизанный тонкими капиллярами извилистой формы. Такой клапан в рабочем положении плотно прижат к седлу, и гомогенизация происходит благодаря прохождению продукта под давлением через капилляры. После одного цикла работы клапан засоряется, и его заменяют другим. Действие такого клапана хорошо согласуется с приведенным ниже объяснением механизма процесса гомогенизации.
На рис. 3 приведен гомогенизатор ОГБ-М производительностью 1200 л/ч. Станина 1 (рис. 3а) литая, чугунная, снабжена съемными крышками. На ней расположен электродвигатель 2, от которого движение передается на шкив 5 тремя клиновыми ремнями 3. Для натягивания ремней по мере их вытяжки служит натяжной винт 4, посредством которого электродвигатель перемещают по пазам. Шкив 5 насажен на конец коленчатого вала 6, который приводит в движение три шатуна 7 и соединенные с ними ползуны 8, передающие движение плунжерам 9.
Кривошипно-шатунный механизм расположен в картере в верхней части станины. Нижняя часть картера заполнена маслом, которое разбрызгивается во время работы машины и смазывает поверхности трения в головках шатунов и ползунах. Уровень масла в ванне контролируют по маслоуказателю.
Блок цилиндров (рис. 3б) изготовлен из нержавеющей стали. Вдоль блока проходит всасывающий канал 1, из которого гомогенизируемый продукт через свободные всасывающие клапаны 2 поступает в цилиндры. При работе плунжеров молоко выталкивается через нагнетательные клапаны 3 в нагнетательный канал 4, который проходит вдоль всего блока цилиндров. Он сообщен с гомогенизирующей головкой предохранительным клапаном и манометром.
Для уплотнения мест входа плунжеров в цилиндры имеются сальники с нажимными гайками.
Манометр 5 установлен на специальном штуцере, внутри которого расположен патрон, играющий роль мембраны. Она препятствует попаданию продукта внутрь манометра.
Плунжеры при работе сильно нагреваются от горячего продукта. Продукт, проникающий через уплотнение, присыхает к поверхности плунжеров, если не принимать меры к его удалению. Поэтому в гомогенизаторах находится специальное смывное приспособление, через которое на плунжеры подается вода, смывающая продукт.
Давление гомогенизации регулируют винтом 6, который нажимает на пружину 7, стержень 8 и клапан 9. Клапан и седло 10 симметричные, двусторонние. Перед работой винт послабляют, начинают работу при малом давлении по манометру, а затем плавно доводят его, вращая винт, до требуемого.
В клапане гомогенизатора резко падает давление жидкости в результате перехода потенциальной энергии давления в кинетическую в месте перехода жидкости из канала в седле в клапанную щель, где скорость потока увеличивается во много раз.
Применение двухступенчатой гомогенизации обусловлено преимущественно тем, что во многих эмульсиях после гомогенизации в первой ступени наблюдается на выходе обратное слипание диспергированных частиц и образование «гроздьев», которые ухудшают эффект диспергирования.
Задача второй ступени состоит в раздроблении, рассеивании таких сравнительно неустойчивых образований. Для этого требуется уже не столь значительное механическое воздействие, поэтому перепад давлений во второй вспомогательной ступени гомогенизатора значительно меньше, чем в первой, от работы которой в основном и зависит степень гомогенизации. С той же целью применяют и трехступенчатую гомогенизацию.
В общем, конструктивном оформлении современных гомогенизаторов находят применение основные принципы и положения технической эстетики, санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям в развитии оборудования молочных предприятий, новые конструкции гомогенизаторов выполняют обтекаемой формы, облицовывают и закрывают кожухами из нержавеющей стали с полированной поверхностью.
Одним из важных в санитарном отношении решений следует считать также установку этих машин не на фундаменте, а на регулируемых по высоте ножках, обеспечивающих возможность легкой уборки и мойки пола под машиной.
Рисунок 4 - Схема двухступенчатой гомогенизации
3.2 Расчет основного технологического оборудования
Эффективность гомогенизации зависит от гидравлических условий в зоне клапанной щели. Эти условия в основном определяются давлением гомогенизации, от которого зависит скорость движения жидкости в щели и высота клапанной щели (она определяет гидравлический радиус потока).
В радиально расходящейся клапанной щели (рис. 4) скорость потока ?1 имеет наибольшее значение в начале щели на радиусе r. По мере расширения потока к выходу скорость уменьшается до величины ?2. На основании уравнения неразрывности скорость на радиусе R ?2 = ?1 (1)
Наибольшая теоретическая скорость зависит от давления гомогенизации и может быть вычислена по формуле Торричелли ?1 = , (1.1) где ? р = р0-р2 - давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м2;
? - объемный вес жидкости, Н/м3.
Действительная скорость истечения ?1 меньше теоретической, причем величина отклонения зависит от вязкости жидкости и высоты клапанной щели. Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широких пределах в зависимости от расхода жидкости через клапан, размеров клапана, давления гомогенизации и вязкости жидкости. Ее можно определить по формуле h = = м, (1.2)
где V - расход жидкости через клапан (производительность гомогенизатора), мз/сек;
? - коэффициент расхода при истечении через клапан;
d - внутренний диаметр клапанной щели, м;
? - объемный вес жидкости, Н/м3;
т - удельный расход на единицу длины окружности клапанной щели, м3/ (сек•м).
Коэффициент истечения не является постоянной величиной и зависит от высоты клапанной щели и вязкости жидкости. При давлении от 3 до 40 МН/м2 (примерно 30-400 кгс/см2) в случае гомогенизации молока коэффициент истечения колеблется от 0,96 до 0,80.
Несмотря на изменение скорости под клапаном и высоты клапанной щели при изменении давления гомогенизации, число Re для потока жидкости не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы: , (1.3) где d - внутренний диаметр клапанной щели, м;
? - кинематическая вязкость жидкости, м2/сек.
Следовательно, число Re для потока в клапанной щели зависит от производительности машины, размеров клапана и вязкости жидкости. Обычно при работе гомогенизаторов число Re = 25000-35000.
Давление в клапанной щели зависит в первую очередь от давления гомогенизации. Резкое падение давления в головке происходит на входе в клапанную щель, причем основная часть энергии давления (до 80-90%) расходуется на сообщение жидкости кинетической энергии, а остальная - на преодоление сопротивления под клапаном. Относительно малая величина давления в начале щели обусловлена тем, что большая часть сопротивления трения преодолевается в результате уменьшения скоростного напора при падении скорости расширяющегося потока от ?1 до ?2.
Анализируя условия, в которых происходит процесс дробления жидкой фазы, можно сделать вывод, что он начинается с первоначальной деформации жидких капель, взвешенных в жидкой среде. Степень деформации в начальной стадии дробления характеризует интенсивность действия механических факторов.
В клапанных гомогенизаторах поток эмульсии подвергается в зоне клапана последовательным механическим воздействиям, при которых диспергирующую роль могут играть следующие, наиболее вероятные факторы: относительное смещение жидких частиц с резкой переменой скорости в связи с переформированием потока в месте перехода жидкости из клапана в седле в клапанную щель;
относительное смещение жидких частиц при наличии высокого градиента скорости поперек потока эмульсии в узкой клапанной щели;
удар плоской струи, выходящей с большой скоростью изпод клапана, о металлическую стенку, окружающую клапан на близком расстоянии.
Эмульсия подвергается механическому действию в цилиндре гомогенизатора, в нагнетательном и всасывающем клапанах, однако интенсивность этого действия незначительна в сравнении с той, которая имеет место в гомогенизирующем клапане.
Экспериментальные исследования, проведенные в МТИММПЕ H.В. Барановским, позволили установить, что основным фактором, определяющим дисперсность вторичной эмульсии, является скорость потока в начале клапанной щели, где и происходит решающая стадия процесса в результате резкой деформации капель при переформировании потока.
Последующее механическое действие на эмульсию при ее движении в щели и при ударе струи за пределами клапана заметно не влияет на дисперсность эмульсин, несмотря на изменение градиента скорости при движении потока в щели и скорости выходящей струи, в широком диапазоне. На дисперсность эмульсии не влияет также изменение длины пути, проходимого эмульсией под клапаном.
Отсутствие выраженного действия скорости удара на выходе струи и поперечного градиента скорости в щели на дисперсность объясняется тем, что они действуют в то время, когда процесс раздробления частиц уже завершен в результате их деформации при входе в клапанную щель, поэтому последующее влияние вторичных факторов не может проявиться [10].
Механизм процесса гомогенизации
На основании исследования влияния различных гидравлических факторов на степень дисперсности жира при гомогенизации молока Барановским предложена следующая схема механизма дробления жидкой внутренней фазы эмульсии при проходе ее через рабочий орган (рис. 5).
Рисунок 5 - Схема процесса гомогенизации
В каждом гомогенизирующем клапане имеется место резкого изменения сечения потока на переходе из канала седла в клапанную щель, а, следовательно, и место резкого изменения скорости. На подходе к щели скорость потока равна ?0, а при входе - ?1, причем первая представляет собой величину порядка нескольких метров в секунду, а вторая - нескольких сот метров в секунду.
При переходе жировой капли из зоны малых скоростей в зону высоких передние части капли включаются в поток в щели с огромной скоростью ?1, вытягиваются и отрываются от нее, а оставшаяся часть, еще принадлежащая к потоку со скоростью ?0, продолжает проходить через пограничное сечение и постепенно отдавать свой материал вновь образованным частицам.
При большой разности ?1 и ?0 капля может расчленяться последовательным отрывом частиц без промежуточного растягивания всей капли в цилиндр или шнур. При малой разности скоростей ?1 и ?0 вся капля может миновать пограничное сечение, не успев расчлениться, но окажется деформированной до неустойчивого состояния, поэтому возвращение ее к первоначальному виду в условиях потока в щели окажется невозможным. Под механическим действием потока и сил поверхностного натяжения произойдет расчленение капли на более мелкие частицы.
Такое толкование механизма дробления капель объясняет экспериментально установленную зависимость степени дисперсности эмульсии от скорости в начале клапанной щели. Чем выше скорость ?1, тем интенсивнее вытягивается жидкая нить из капли в пограничной зоне, тем тоньше эта нить и мельче частицы после ее распада.
Зависимость дисперсности от скорости ?1 объясняет связь, установленную практикой между эффектом гомогенизации и давлением, так как для любых данных условий скорость определяется давлением гомогенизации. Это позволяет с достаточным основанием построить для любого гомогенизатора зависимость дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления ? р, которая действительна для других гомогенизаторов того же типа при условии работы на продукте с теми же свойствами.
Рисунок 6 - График зависимости дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления
График на рис. 6 показывает, как зависит от давления гомогенизации дисперсность натурального молока при температуре гомогенизации 60°С. Средний диаметр жировых шариков (dcp) быстро уменьшается при повышении давления до 12-14 МН/м2. В интервале 14-20 МН/м2 средний диаметр уменьшается медленнее, при давлении выше 20 МН/м2 дисперсность почти не улучшается. Это вполне объяснимо с точки зрения гидравлических предпосылок процесса.
Основной фактор процесса - скорость ?1- с повышением давления увеличивается пропорционально квадратному корню из перепада давления ?р и его изменение при давлениях выше 20 МН/м2 выражено сравнительно слабо. Технологические результаты процесса гомогенизации находятся, следовательно, в соответствии с гидравлическими закономерностями.
После перенесения зависимости dcp = f(?р) на логарифмическую сетку можно получить эмпирическую формулу, действительную для обычных условий гомогенизации цельного молока при температуре 60°С и для диапазона давлений 3-20 МН/м2: dcp = мкм, (1.4)
где ?р - перепад давления в гомогенизаторе, МН/м2.
По формуле (1.4) можно ориентировочно определить давление гомогенизации для получения заданной степени дисперсности гомогенизированного молока [6].
Вывод
Итак, наиболее эффективными и распространенными в промышленности являются гомогенизаторы клапанного типа, дающие необходимую степень диспергирования продукта не оказывая каких-либо значительных негативных изменений его свойств. Эти гомогенизаторы применяются при переработке сырья, идущего на выработку всевозможных кисломолочных напитков и сметаны.
Расчет показывает, что при переработке молока и сливок (соответственно для кефира и сметаны) гидродинамические характеристики потоков примерно одинаковы: максимальная скорость для сливок 143 м/с, для молока 171,8 м/с за счет меньшей по сравнению со сливками вязкостью; высота клапанной щели для сливок 0,09 мм, для молока 0,06 мм; значение числа Рейнольдса для сливок 14793 получилось большим, нежели для молока 11848, что связано со значительным различием в высотах клапанных щелей; мощность, необходимая для работы гомогенизатора, как для молока, так и для сливок одинакова; температура продукта в гомогенизаторе повышается примерно одинаково - молока на 3,60С, а сливок на 4,40С; усилие затяжки пружины гомогенизирующей головки в случае молока незначительно больше 47,1 Н, чем в случае сливок 31,4 Н; диаметр проволоки пружины соответственно для молока и сливок равен 1,2 мм и 1,0 мм, а диаметр витков пружины 6,3•10-3м и 5•10-3м.
Список литературы
1. Бредихин С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. - М.: Колос, 2001. - 420 с.
2. Галат Б.Ф. Справочник по технологии молока / Б.Ф. Галат, Н.И. Машкин, Л.Г. Козага. - 2-е изд., перераб. и доп. - К.: Урожай, 1990. - 192 с.
3. Курочкин А.А. Технологическое оборудование для переработки продуктов животноводства / А.А. Курочкин, В.В. Лященко; Под ред. В.М. Баутина. - М.: Колос, 2001. - 440 с.
4. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. - 9-е изд. перераб. и доп. - Л.: Химия, 1981. - 560 с.
5. Пат. 2142331 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Устройство для гомогенизации и гомогенизирующая головка / В.Е. Карачевский, И.В. Карачевский, В.В. Карачевский.
6. Пат. 2170504 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Гомогенизирующая головка / А.А. Шевцов, В.В. Горяйнов, О.Н. Федорова; Воронежская государственная технологическая академия.
7. Пат. 2138158 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Устройство для гомогенизации жидкостей / В.Я. Грановский.
8. Принципы синтеза технологических схем: учебное пособие по выполнению технологической системы в дипломных и курсовых проектах / К.Ф. Красильникова, Э.И. Уютова, Ю.В. Попов, В.А. Навроцкий; ВОЛГГТУ. - Волгоград: РПК «Политехник», 2001. - 107 с.
9. Степанова Л.И. Справочник технолога молочного производства. В 3 т. Т.1. Цельномолочные продукты/ Л.И. Степанова. - СПБ.: ГИОРД, 2000. - 384 с.
10. Сурков В.Д. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности / В.Д. Сурков, И.Н. Липатов, Н.В. Барановский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Пищевая промышленность, 1970. - 552 с.
17. ГОСТ 23651-79 Продукция молочная консервированная. Упаковка и маркировка.
18. ГОСТ Р 51917-2002* Продукты молочные и молокосодержащие. Термины и определения.
19. ГОСТ Р 52090-2003* Молоко питьевое. Технические условия.
Определения
Брожение спиртовое - сбраживание молочного сахара дрожжами с образованием спирта и углекислоты.
Гомогенизация молока - интенсивная механическая обработка молока или молочной смеси, сливок с целью раздробления жировых шариков на более мелкие.
Простокваша - кисломолочный продукт с ненарушенным сгустком, вырабатываемый из молока с добавлением вкусовых и ароматических веществ сквашиванием его чистыми культурами молочнокислых бактерий.
Стерилизация молока - тепловая обработка молока при температуре выше 100 градусов с целью уничтожения всех микроорганизмов и их спорю
Молоко нормализованное - пастеризованное молоко, доведенное до требуемого содержания жира.
Закваска- бактериальный состав, вызывающий брожение. Используется для сквашивания молока с целью получения кисломолочных продуктов.
Обозначения и сокращения
В настоящей курсовой работе использованы следующие обозначения и сокращения : D-наружный диаметр клапана;
d-внутренний диаметр;
R-наружный радиус клапана;
r-внутренний радиус;
h-высота щели; l-длина щели;
р0-давление перед клапаном;
?0 - скорость потока перед клапаном;
?1 - скорость потока в начале щели; ?2 - скорость выходящего потока
V - расход жидкости через клапан (производительность гомогенизатора), мз/сек;
? - коэффициент расхода при истечении через клапан;
? - объемный вес жидкости, Н/м3;
т - удельный расход на единицу длины окружности клапанной щели, м3/ (сек•м).
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
