Пастеризация и гомогенизация молока

ЛЕКЦИЯ № 22

тема Пастеризация и гомогенизация молока

ПЛАН:

Пастеризаторы молока и их классификация.

Основы расчета тепловых пастеризаторов.

Электропастеризация молока.

Гомогенизация молока.

Новые методы обработки молока.

ЛИТЕРАТУРА.

Белянчиков Н.Н. Механизация технологических процессов. - М.: Агропромиздат, 1989,Раздел 2.

Наний Е.П. Электропастеризация. – Кишинев, 1979 г.

1. Пастеризаторы молока и их классификация.

Пастеризация – процесс уничтожения в молоке бактерий (микроорганизмов). Аппараты, в которых проводят этот процесс, называются пастеризаторами.

К пастеризаторам предъявляются следующие основные требования:

Полное уничтожение микробов всех форм;

Аппарат должен быть универсальным;

Работа аппарата не должна вызывать изменения свойств обрабатываемого продукта;

Рабочие органы должны быть стойкими к химическому воздействию продукта и моющих жидкостей;

Быть простым по устройству и в эксплуатации.

Пастеризаторы классифицируются по следующим признакам:

По способу тепловой обработки – термические и холодные;

По источнику энергии - паровые, электрические (с омическим или индукционным нагревом), инфракрасной радиации, ультрафиолетовые облучатели и высокочастотные вибраторы;

По характеру протекания процесса - непрерывного и периодического действия.

Мы изучаем термическую пастеризацию, как наиболее распространенную.

Режимы термической пастеризации: длительная, кратковременная и мгновенная.

Длительная пастеризация – нагрев молока до 60 – 65 0С и выдержка в течение 30 минут.

Кратковременная – нагрев до 76 - 78 0С и выдержка в течение 20 секунд.

Мгновенная – нагрев до 87 – 89 0С без дальнейшей выдержки.

Решающим фактором, обеспечивающим гибель микроорганизмов в молоке, является длительность температурного воздействия на продукт. Зависимость между температурой и длительностью пастеризации показана на рисунке.

| - зона сохранения жизнедеятельности микроорганизмов

|| - нейтральная зона

||| - зона изменения свойств молока

Соотношение между температурой нагрева молока (t) и времени (Т) должно быть таковым, чтобы находится в нейтральной зоне.

Способы холодной пастеризации (без нагрева молока) заключаются в применении для этих целей ультрафиолетовых облучателей или магнитных вибраторов.

В ультрафиолетовых облучателях гибель бактерий происходит под воздействием УФлучей.

В вибрационных пастеризаторах обеззараживание молока происходит в поле колебания звуковой частоты. При частоте колебаний (8 - 10) 103 Гц достаточна секундная выдержка.

Перспектива за инфракрасными пастеризаторами (улучшается качество молока, резко снижаются затраты на строительство котельных, затраты на обслуживание).

Оборудование для термической пастеризации молока.

Для длительной пастеризации применяются ванны длительной пастеризации типа ВДП различной емкости (ВДП – 300; ВДП – 600; ВДП - 1000). Ванны оборудованы пароводяными рубашками и мешалкой для перемешивания молока.

Кратковременную пастеризацию проводят в автоматизированных пластичных пастеризационно - охладительных установках (ОПУ – 3МТ; Б6-ОП2-Ф-1).

Мгновенную пастеризацию осуществляют в пастеризаторах с вытесненным барабаном (ОПД – 1М).

Эффективность пастеризации – отношение количества погибших микроорганизмов к их общему числу до обработки. В современных аппаратах она достигает 99,99 %.

Однако, несмотря на высокий процент эффективности пастеризации, она не может дать гарантированного уничтожения микроорганизмов.

С целью гарантированного уничтожения микроорганизмов и их спор, проводят стерилизацию молока. Молоко сначала нагревают до 70 0С, а потом быстрый нагрев до 140 0С и выдерживают 4 секунды при высоком давлении (Выпускаются стерилизаторы непрерывного и периодического действия.). При стерилизации гибнут не только бактерии, но и их споры. Наиболее распространена тепловая стерилизация, однако можно использовать электричество и ультразвук.

Одним из способов уничтожения микроорганизмов является кипячение. Однако, при кипячении изменяется вкус, запах, разрушается часть витаминов и солей.

2. Основы расчета тепловых пастеризаторов.

Расход пара на пастеризацию молока определяется по формуле:

где, М - массовый расход молока, кг/с;

С - теплоемкость молока, Дж/кг0К;

- конечная и начальная температура молока, 0К;

- теплосодержание пара, Дж/кг;

- теплосодержание конденсата, Дж/кг;

- тепловой КПД пастеризатора.

Важным показателем пастеризаторов с вытеснительным барабаном является возможная высота подъема продукта (то есть, напор, который обеспечивает барабан пастеризатора). Эту величину называют высотой «собственного подъема»; определяется она по формуле:

где, V - скорость молока в напорном патрубке пастеризатора, равная окружной скорости лопасти барабана, м/с;

- суммарные потери пара в напорном молокопроводе ().

Потребная мощность электродвигателя для привода пастеризатора с вытеснительным барабаном равна:

где, - постоянный коэффициент, ;

- плотность молока, кг/м3;

- к.п.д. привода барабана ();

- средняя окружная скорость барабана, м/с;

- рабочая поверхность барабана, м2.

Средняя окружная скорость барабана:

, м/с

где, - угловая скорость (), 1/с;

- диаметр барабана в верхней и нижней его части, м.

Практически все технологические схемы поточных линий обработки молока, после пастеризации предусматривают охлаждение молока. Для снижения затрат тепла и холода в процессе обработки молока применяют регенеративные теплообменники–регенераторы.

Процесс возращения тепла от нагретого продукта к холодному называется регенерацией тепла. Использование этого процесса приносит большую экономию в расходах тепла и холода.

Отношение возращенного количества теплоты к общему затраченному на пастеризацию называется коэффициентом регенерации и определяется по формуле:

где, - температура молока после регенерации, 0С.

Чем она больше, тем эффективнее процесс регенерации, и на оборот. Регенераторы обеспечивают от 20 до 45% экономии тепла или холода.

Механическая характеристика пастеризаторов с вытеснительным барабанам напоминает собой вентиляторную характеристику.

3. Электропастеризация молока.

Большинство пищевых продуктов как растительного, так и животного происхождения, не может долго сохранятся свежем виде.

Наиболее благоприятный интервал температуры для жизнедеятельности микроорганизмов 20-400С. Низкие температуры не убивают микробов. При t=70…1000С большинство микробов погибает.

Для обработки пищевых продуктов, с целью предохранения их от порчи, при длительном хранении применяют консервирование. Основными и самыми распространенными методами консервирования являются стерилизация и пастеризация.

Стерилизация (от французского sterilis - бесплодный) обеспложивание, полное освобождение различных предметов, жидкостей, пищевых продуктов от живых микроорганизмов (t=100…1200С и выше).

Пастеризация – тепловая обработка продуктов при температуре не выше 1000С.

Пастеризации подвергаются те продукты, нагревание которых до более высоких температур приводит к нежелательному изменению их качества.

Дробная пастеризация – неоднократная, после прорастание спор проводят повторную пастеризацию.

В большинстве случаев в пастеризации тепловую энергию получают в котельных от сжигания топлива (несовершенная технология, низкий к.п.д.).

Применение для пастеризации в качестве источника тепла, электричество позволяет:

Повысить качество продукции (за счет точного поддерживания температуры и равномерному нагреву);

Полностью автоматизировать производство;

Повысить санитарно-гигиеническое условие работы и культуру производства;

Избежать загазованности и запыленности воздуха;

Сократить потребность в специальных котельных, складских помещениях;

Сократить транспортные расходы (транспортировка золы и топлива);

Сократить потребность в производственных площадках.

Рис. Принципиальная схема электропастеризатора.

	приемный бак	—————	спрос молоко
	насос	– – – – – –	пастеризованное молоко
	напорный бак	— • — • —	недопастеризованное молоко
	бак постоянного уровня
	регулировочный вентиль
	теплообменник (регениратор)
	электропастеризатор
	трехходовый вентиль
	охладитель

4. Гомогенизация молока.

Гомогенизация – процесс механической обработки молока с целью раздробления молочного жира.

Питательная ценность гомогенизированного молока повышается, так как тонко диспергированный молочный жир легче усваивается в организме человека.

После гомогенизации значительно замедляется отстаивание жира: скорость всплытия жировых шариков определяется по формуле Стокса:

где, - коэффициент динамической вязкости молока.

При гомогенизации уменьшается приблизительно в 10 раз, следовательно величена уменьшается приблизительно в 100 раз.

Сущность процесса:

Чем выше величина давления, тем меньше средний диметр жировых частиц после гомогенизации:

Осуществляют гомогенизацию в центробежно-распылительных эмульсорах, клапанных гомогенизаторах и ультразвуковых гомогенизаторах.

Мощность на привод центробежно–распылительного эмульсора:

, кВт

где, N1 – мощность на сообщение кинетической энергии выбрасываемой жидкости;

N2 – мощность, расходуемое на трение в приводном механизме;

N3 – мощность, расходуемое на трение вращающейся поверхности (поверхность головки) о воздух.

Величина N1 – основная, она равна:

, кВт

где, - производительность эмульсора, кг/с;

- скорость движения частиц молока, кг/с.

Мощность на преодоление сопротивления воздуха для боковой поверхности вращающегося цилиндра:

, кВт

где, с – коэффициент (с=0,002);

- плотность воздуха ( = 0,132 кг·с2/м4);

- окружная скорость головки, м/с;

F – боковая поверхность трения, м2.

(, кг/с).

Величину N2 принимаем равной 25 % от N1 + N3, тогда N = 1,25 (N1 + N3).

Механическая характеристика эмульсора:

Мощность, потребляемая плунжерным гомогенизатором:

, кВт

где, - производительность, м3/ч;

- давление гомогенизации, Па;

- механический к.п.д.

5. Новые методы обработки молока.

А. Актинизация молока.

Это новый процесс пастеризации молока за счет применения лучистой энергии.

Машины для осуществления этого процесса называются актинаторами (лучевой пастеризатор). Он состоит из прозрачных кварцевых труб по которым молоко прокачивается молочным насосом со скоростью 2,5 м/с.

Молоко попадает под воздействие ламп с ультрафиолетовым спектром светового потока (лампы ДБ и ЛЭ или ДРТ).

Источником ИК – излучение может служить спираль из нихромового провода, намоточного на кварцевые трубки, внутри которых протекает молоко.

Расход мощности на 1л молока 12…16 Вт.

Сравнительные данные пастеризации молока паровым пастеризатором ОПУ –3М и электропастеризатором ИК - излучения.

Показатели	ОПУ – 3М	ИК - излучения
Пропускная способность, л/ч; Кап. вложения, руб; Эксплуатационные расходы, руб; приведенные затраты, руб; средние затраты, руб/л.	3000 6400 1800 3100 0,085	3000 5200 950 2000 0,055

Под влиянием инфракрасных лучей в молоке погибают все микроорганизмы и их споры, а ультрафиолетовое облучение способствует обогащению молока витамином D3.

В зарубежных странах такие аппараты выпускают под маркой «Актинатор» производительность которых находится в широком диапазоне (от 150 до 25000 л/ч).

Установки не нуждаются в горячей воде и в паре для пастеризации и очень экономичны (расходуют 22 Вт электроэнергии на 1л молока).

Б. Механические пастеризаторы, использующие энергию молекулярного трения (молекулярные пастеризаторы).

Нагрев происходит превращением электрической энергии в механическую, а затем в тепловую, т.е. в энергию молекулярного трения. Общий к.п.д. их не ниже 75 % n=4000…5000 об/мин.

Здесь молоко подается под давлением 2-3 атм в зазор между кожухом и диском. За счет трения оно нагревается до t1400С.

Центробежные силы резко увеличивают давление на молоко, вследствие чего оно не пригорает. Молоко из пастеризатора выводится под давлением, что можно использовать для его транспортировки.

Такой пастеризатор можно использовать для обработки воды, сиропов, соков, дрожжей, фармоцептических продуктов.

В. Ультразвуковые пастеризаторы.

Различают два типа источников ультразвуковых колебаний – электрические и механические.

Электрические – преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания при помощи различных преобразователей: электродинамических, пьезоэлектрических, магнитострикционных (наиболее распространенных) и др.

Ультразвуковые пастеризаторы – дороги, и имеют низкую производительность и низкий К.П.Д.