Оборудование для гомогенизации молока и молочных продуктов. Гомогенизация молока

Гомогенизатор это устройство для получения гомогенных (однородных) дисперсных систем. Системы могут быть одно- или многофазными, т.е. в дисперсной среде, которой обычно является жидкость, находятся частицы (обычно – нерастворимые) одного или нескольких твердых либо жидких веществ, которые называются дисперсными фазами. Термин «гомогенный» значит, что фазы распределены равномерно, с одинаковой концентрацией в любом произвольно взятом единичном объеме среды. Полученная система должна быть относительно устойчивой. Для этого при гомогенизации, в подавляющем большинстве случаев, проводят диспергирование, то есть, измельчение частиц фазы.

Применение гомогенизаторов в молочной промышленности

Гомогенизатор для молока дробит жировые шарики. Скорость, с которой они всплывают на поверхность, зависит от квадрата их радиуса. Таким образом, после уменьшения в 10 раз, скорость падает в 100 раз. Благодаря этому, продукт не отстаивается, не разделяется на сливки и обрат. Срок его хранения значительно возрастает.

Кроме того, после гомогенизации:

При изготовлении маргарина или сливочного масла, в жировой среде равномерно распределяются вода и прочие компоненты. А в майонезах и салатных заправках – жиры в водной среде.
Сливки и пастеризованное молоко делаются однородными по цвету, вкусу и жирности.
У сгущенных молочных консервов, во время длительного хранения, не выделяется жировая фаза.
Кефир, сметана и другие кисломолочные продукты стабилизируются. Консистенция белковых сгустков улучшается. На поверхности не образуется жировая пробка.
В сухом цельном молоке уменьшается количество не защищенного белковой оболочкой свободного жира. За счет этого исключается его быстрое окисление под влиянием атмосферного воздуха.
У молока с какао или другим наполнителем улучшается вкус, оно становится более вязким. Снижается вероятность выпадения осадка.
У восстановленных кисломолочных напитков, сливок и молока нет водянистого привкуса. Естественный вкус становится более насыщенным.

Физические методы процесса и основные типы гомогенизаторов

Продавливание через узкую щель. Используются агрегаты клапанного типа, с плунжерными насосами высокого давления. Такие устройства в молочной промышленности - самые распространенные.
Механическое перемешивание. Применяются миксеры с ножами или лопаточными венчиками, в том числе, высоко оборотистые. Простейший пример – кофемолка или мясорубка с электроприводом. Сюда же можно отнести роторно-пульсационные аппараты (РПА). Хотя в них действие на комочки фазы более сложное, оно не ограничивается лишь ударными и истирающими нагрузками.
Воздействие ультразвуком. Здесь работают УЗ-установки, возбуждающие в дисперсной среде кавитацию, за счет которой фаза измельчается.

Плунжерный гомогенизатор

Устройство

Устройство гомогенизатора показано на рис. 1. Плунжерный цилиндр 1 соединяется с входным патрубком через всасывающий клапан 3, а с камерой высокого давления – через нагнетательный клапан 4. От камеры идет канал к гомогенизирующей головке 5, которая имеет седло 6, клапан 7, пружину 8 и регулировочный винт 11. Для контроля давления, к камере подключен манометр 10. Канал имеет ответвление на предохранительный клапан 9. Плунжер приводится в движение насосом 2.

В укрупненном виде гомогенизирующая головка показана на рис.2. В ней имеется калиброванное отверстие (канал) 1 в седле 5, пружина 2, клапан 4 со стержнем 3 и регулировочный винт 6. Седло и клапан притерты друг к другу.

Клапан имеет плоскую, конусную с небольшим углом или тарельчатую форму рабочей поверхности. В первом случае, на ней могут быть рифли (проточки). Если они есть, то на седле делаются такие же. Это повышает степень дробления фазы.

Встречаются модели, в которых клапан и седло расположены в подшипниках, установленных в неподвижном корпусе. В этом случае они, под напором струи продукта, вращаются в разные стороны.

Поскольку проходящая с большой скоростью жидкость достаточно сильно действует на клапан и седло, то они быстро изнашиваются. Поэтому указанные элементы делают из особо прочных сталей. Кроме того, их форма симметричная. При заметном износе, достаточно перевернуть их на другую сторону, тем самым увеличив срок службы в два раза.

Насос применяется не обязательно плунжерный, можно выбрать винтовой или роторный. Главное, чтобы он создавал высокое давление. Поскольку плунжерный механизм не обеспечивает равномерную подачу, то в гомогенизаторы ставят их по несколько штук, с разнесением начала циклов по времени. Самыми популярными являются трехплунжерные агрегаты. В них на валу колена повернуты на 120 град, чтобы цилиндры работали поочередно. В этом случае коэффициент неравномерности подачи, то есть, отношение ее максимального значения к среднему, равен 1,047.

Близкий к единице показатель значит, что поток, идущий через гомогенизирующую головку, с небольшой погрешностью может считаться стабильным. Таким образом, в процессе гомогенизации клапан находится все время во взвешенном (открытом) положении. Между ним и седлом имеется щель для прохода жидкости. Размер ее тоже можно принимать постоянным, не учитывая незначительного отклонения от среднего уровня. У многих современных аппаратов поток с каждого плунжера идет на «свою» головку. После дробления фазы они соединяются в выходном коллекторе.

Манометр оборудован дросселирующим устройством. Это уменьшает колебания стрелки прибора.

Принцип действия

Принцип работы гомогенизатора следующий. Когда плунжер работает на всасывание (на рисунке – движется влево), молоко поступает в цилиндр 1 через клапан 3. Затем плунжер работает на нагнетание (перемещается вправо) и проталкивает продукт в камеру через клапан 4. После этого жидкость по каналу попадает из камеры в гомогенизирующую головку 5.

Когда клапан находится в нерабочем положении, пружина 8 плотно прижимает его к седлу. Поступающее под давлением молоко приподнимает клапан так, что между ним и седлом образуется небольшая щель. Проходя через нее, жировые шарики измельчаются, продукт гомогенизируется, после чего уходит в выпускной патрубок.

Щель обычно имеет размер не более 0,1 мм. Частицы молока движутся в этой зоне со скоростью около 200 м/с (в нагнетательной камере - всего 9 м/с). Размер жировых комочков уменьшается с 3,5-4,0 мкм до 0,7-0,8 мкм.

Давление, создаваемое плунжерным насосом, очень большое. Поэтому засорение канала в седле может привести к разрушению деталей. Чтобы избежать поломки, ставится предохранительный клапан 9.

Регулируют агрегат винтом 11. Одной из основных характеристик гомогенизации является давление. При затягивании винта, пружина сильнее прижимает клапан к седлу. Из-за этого уменьшается размер щели, так как возрастает гидравлическое сопротивление. Настройку аппарата проводят по показаниям манометра 10.

Согласно инструкции к гомогенизатору, температура молока должна быть в пределах от 50 до 65 град С. Если она окажется ниже этого диапазона, ускорится процесс отстаивания жировых комочков. Если выше – начнут осаждаться сывороточные белки.

Повышение кислотности продукта отрицательно влияет на эффективность процесса, так как в этом случае стабильность белков снижается. Образуются агломераты, дробление жировых комочков затрудняется.

В момент прохождения жидкости через клапанную щель, из-за резкого сужения поперечного сечения канала, наблюдается эффект дросселирования. Скорость потока многократно увеличивается, а давление падает из-за того, что потенциальная энергия преобразуется в кинетическую.

После прохождения молока через головку, какая-то часть раздробленных частиц опять слипается в более крупные конгломераты. Эффективность процесса падает. Для борьбы с этим явлением, используют двухступенчатую гомогенизацию. Устройство показано на рис. 3. Принципиальное отличие от одноступенчатой заключается в наличии двух пар рабочих органов, первой ступени 4 и второй – 12. У каждой есть своя прижимная пружина с регулирующим вентилем 6.

Вторая ступень, вспомогательная, еще более повышает степень дробления фазы. Она предназначена для создания управляемого и постоянного противодавления в головке первой ступени, которая является основной. Это оптимизирует условия процесса. А также для разрушения относительно неустойчивых образований. Давление в ней устанавливается меньшее, чем в первой.

Одноступенчатая гомогенизация предназначена для продуктов с низкой жирностью или высокой вязкостью. Двухступенчатая – при высоком содержании жира либо сухих веществ и малой вязкости. А также в тех случаях, когда надо обеспечить максимально возможное дробление фазы.

Раздельная технология

В молочной промышленности гомогенизация может быть полной или раздельной. В первом случае все имеющееся сырье пропускают через агрегат. Во втором, его сначала сепарируют. Полученные сливки 16-20% жирности гомогенизируют, после чего смешивают с обратом. И отправляют на следующий этап переработки. Этот способ дает значительную экономию энергии.

Механизм процесса диспергирования фазы в аппарате клапанного типа

По Н. В. Барановскому, на основании изучения гидравлических факторов, влияющих на дробление жировых комочков при гомогенизации молока на аппарате клапанного типа, предложена следующая схема процесса (рис. 4).

В точке перехода потока из канала седла в щель, между седлом и клапаном резко снижается площадь сечения потока. А значит, согласно одному из основных законов гидравлики, также быстро возрастает скорость его движения U. Если более конкретно, то U0 на подходе составляет несколько метров в секунду. А U1 на входе в щель – на 2 порядка выше, несколько сотен м/с.

Жировая капля не переходит из зоны малых в зону больших скоростей одномоментно «вся сразу». В поток, двигающийся в щели с огромной скоростью, входит сначала передняя часть шарика. Под действием быстро текущей жидкости, она вытягивается (задняя часть – все еще движется медленно) и отрывается. Оставшийся комок продолжает неторопливо (разумеется, понятие «неторопливо» в данном случае относительное, так как весь цикл прохождения капли сквозь щель занимает 50 микросекунд) продвигаться к границе раздела скоростей, и часть, теперь оказавшаяся передней, вытягивается так же, как и предыдущая, и тоже отрывается. Таким образом, вся жировая капля постепенно разрывается на кусочки, проходя через пограничное сечение. Это происходит при достаточно большой разности скоростей U0 и U1.

Если указанная разность окажется меньше определенного порога, то, перед отрывом частиц, имеет место промежуточный этап – капля сначала растягивается в шнур. Если разность будет еще меньше, то жировой комочек пройдет через границу раздела скоростей без разрушения. Но воздействие большой скорости потока все равно приведет его в неустойчивое состояние, вследствие образования внутренних деформаций. Поэтому, из-за сил поверхностного натяжения и механических ударов струй потока, шарик все равно распадется на более мелкие фракции.

Гомогенизатор для масла

Для получения однородной консистенции сливочного масла или плавленых сыров, используют гомогенизатор пластификатор. В процессе обработки, водная фаза диспергируется и равномерно распределяется по всему объему. В итоге, продукт дольше хранится, его вкусовые качества улучшаются. Кроме того, сокращаются затраты времени на размораживание, при упаковке снижаются потери воды.

Устройство аппарата можно рассмотреть на примере одной из наиболее популярных моделей М6-ОГА (рис. 5). Он состоит из корпуса и станины (рис. 6), приемного бункера, под которым расположены подающие шнеки, и ротора с 12-ю, 16-ю или 24-мя лопастями. В качестве привода используется электродвигатель. Частота вращения шнеков регулируется вариатором. Угловая скорость ротора – постоянна.

Работа гомогенизатора выглядит следующим образом. Сливочное масло большими кусками кладется в бункер. Шнеки вращаются в разных направлениях, если смотреть сверху – один навстречу другому. С их помощью масло продавливается через ротор, после чего, через насадку прямоугольного сечения, выходит в приемный бункер (на рисунке не показан). Чтобы масло не налипало на рабочие органы, их смазывают горячим раствором.Роторно-пульсационный аппарат

В последнее время для обработки молока все чаще используют роторно-пульсационные аппараты (РПА). Такой гомогенизатор по конструкции и принципу действия похож на центробежный насос. Главное отличие – в рабочих органах.

РПА устроен следующим образом. В качестве привода служит электродвигатель. На его удлиненном валу жестко закреплен ротор в виде перфорированного цилиндра. С торца цилиндра, со стороны крышки, может стоять крыльчатка. Перфорация на ней не обязательна. Внутри крышки имеется аналогичный цилиндр, неподвижный, он играет роль статора.

Молоко подается через осевой патрубок на крышке и попадает на крыльчатку. Эта деталь производит первичное дробление фазы и придает рабочей смеси ускорение. Последняя затем проходит сквозь перфорацию подвижного цилиндра, снова частично диспергируется, под действием срезающих и истирающих нагрузок, и оказывается в гомогенизирующей полости между ротором и статором. Здесь, кроме ударных, на жировые шарики действуют еще и другие силы.

В турбулентном потоке, движущемся с большой скоростью (именно такой наблюдается в рабочей зоне РПА), возникают микровихревые течения. Если небольшой сферический водоворот сталкивается с каплей жира, он ее разрушает. Также имеет место гидроакустическое воздействие. Интенсивная кавитация, приводящая к схлопыванию пузырьков воздуха, порождает ударные волны, против которых комочки фазы тоже не могут устоять.

Максимальное воздействие аппарата на частицы достигается в тот момент, когда между ротором и статором возникают резонансные колебания. Чтобы обеспечить данный эффект, надо рассчитать диаметр подвижного цилиндра, скорость его вращения, а также зазор между ним и статором.

После рабочей зоны молоко проходит сквозь отверстия статора и, уже гомогенизированное, выводится через тангенциальный выпускной патрубок, направленный обычно вверх, чтобы проще было подключать трубопроводы для повторной загрузки бункера в рециркуляционной системе.

Для повышения степени дробления, в аппарате может быть несколько пар «ротор-статор» . После установки крышки, они располагаются поочередно. Есть модели, в которых, вместо крыльчатки, ставится перфорированный диск. Гомогенизаторы РПА также могут быть погружными. Опционально агрегат комплектуется следующими приспособлениями:

Защита от сухого пуска.
Взрывозащищенный двигатель.
Корпус с рубашкой нагрева / охлаждения.
Регулятор плавного изменения частоты вращения мотора.
Загрузочное устройство (шнековый питатель), для вязких, плохо растворимых, неоднородных эмульсий и суспензий или сыпучих компонентов.
Разгрузочный узел, для слива в стороннюю емкость при работе по циркуляционной схеме.
Торцевое сильфонное уплотнение вала из карбидо-кремниевой керамики – увеличивает срок службы агрегата, даже при работе с жидкостями агрессивными или содержащими абразивные включения.

РПА бывают одно- или трехфазные. Все детали, вступающие в контакт с продуктами питания, сделаны из пищевой нержавеющей стали AISI 304, AISI 316 или их отечественных аналогов. Поскольку диспергированная жидкость выходит из аппарата под давлением, то гомогенизатор РПА одновременно работает как центробежный насос.

Ультразвуковые гомогенизаторы

Устройство (на примере BANDELIN). УЗ гомогенизатор состоит из (на рис. 15 – сверху вниз) ВЧ-генератора, УЗ-преобразователя, «рогов» и зондов (волноводов). ВЧ-генератор включают в бытовую сеть с током частотой 50 или 60 Гц. Он усиливает этот параметр до 20 кГц. УЗ-преобразователь, оборудованный осциллирующей схемой с измерительным пьезоэлектрическим элементом, трансформирует вырабатываемую генератором энергию тока в колебания УЗ волн той же частоты. Генерируемая амплитуда остается постоянной. Ультразвуковая – увеличивается, за счет использования «рогов» специальной формы. В них вставляются зонды, передающие колебания в сосуд с жидкостью. В зависимости от объема рабочей среды, они могут быть плоскими, в виде конусов или «микро», диаметром от 2 до 25 мм.

Отечественная промышленность также выпускает УЗ гомогенизаторы. Из последних моделей можно отметить разработку 2015 года И100-6/840 (рис. 16). Аппарат имеет цифровое управление, импульсный режим, контроль амплитуды и набор зондов.

Принцип действия. Когда УЗ волны проходят через жидкость, они попеременно, 20 000 раз в секунду, создают в ней, то высокое, то низкое давление. Последнее практически равно внутреннему давлению паров жидкости, в результате чего в ней появляются пузырьки, наполненные паром, жидкость закипает. Когда пустоты схлопываются, возникает перепад давлений, образовываются быстротекущие турбулентные микропотоки, разрушающие жировые капли.

Некоторые специалисты считают, что, при УЗ воздействии, комочки диспергируют не от кавитации, а из-за того, что волна, проходя через жировую каплю в разных точках, вызывает различные по величине и направлению ускорения. В результате возникают разнонаправленные силы, старающиеся разорвать шарик.

Гомогенизация – важный этап процесса переработки молока и других продуктов. С ее помощью улучшается структура и увеличивается срок хранения, а вкусовые качества становятся более насыщенными.

Гомогенизация - это раздробление (диспергирование) жировых шариков путем воздействия на молоко или сливки значительных внешних усилий. В процессе обработки уменьшаются размеры жировых шариков и скорость их всплывания при хранении. Происходит перераспределение оболочечного вещества жирового шарика, стабилизируется жировая эмульсия, и гомогенизированное молоко не отстаивается.

Гомогенизаторы клапанного типа служат для обработки молока и сливок с целью предотвращения их расслаивания при хранении.

Гомогенизаторы-пластификаторы роторного типа применяют для изменения консистенции таких молочных продуктов, как плавленые сыры и сливочное масло. В обработанном с их помощью сливочном масле водная фаза диспергируется, в результате чего продукт лучше хранится.

Принцип действия гомогенизаторов клапанного типа, получивших наибольшее распространение, заключается в следующем.

В цилиндре гомогенизатора на молоко оказывается механическое воздействие при давлении 15...20 МПа. При подъеме клапана, приоткрывающего узкую щель, молоко выходит из цилиндра. Это возможно при достижении в цилиндре рабочего давления. При проходе через узкую круговую щель между седлом и клапаном скорость молока возрастает от нулевой до превышающей 100 м/с. Давление в потоке резко падает, и капля жира, попавшая в такой поток, вытягивается, а затем в результате действия сил поверхностного натяжения дробится на более мелкие капельки-частицы.

При работе гомогенизатора на выходе из клапанной щели часто наблюдается слипание раздробленных частичек и образование «гроздьев», снижающих эффективность гомогенизации. Во избежание этого применяют двухступенчатую гомогенизацию (рис. 3.17). На первой ступени создается давление, равное 75% рабочего, на второй - устанавливается рабочее давление. Для проведения гомогенизации температура молочного сырья должна быть 60...65°С. При более низкой температуре усиливается отстаивание жира, при более высокой могут осаждаться сывороточные белки.

Рис. 3.17.

1 - седло клапана; 2 - клапан; 3 - шток; 4 - нажимной винт; 5 - стакан;
6 - пружина; 7,8 - корпусы

Гомогенизатор с двухступенчатой гомогенизирующей головкой состоит из станины (рис. 3.18), корпуса, плунжерного блока, гомогенизирующей головки, привода и кривошипно-шатунного механизма.

Станина изготовлена из швеллеров и снаружи обшита листовой сталью. Внутри ее установлен электродвигатель на плите, которая крепится к станине шарнирно на двух кронштейнах.

Плунжерный блок состоит из корпуса, манжетных уплотнений, всасывающих и нагнетательных клапанов и седел клапанов. При работе одной плунжерной пары жидкость поступает к гомогенизирующей головке пульсирующим потоком. Для его выравнивания в гомогенизаторах обычно применяют трехплунжерные насосы, приводимые в действие коленчатым валом, у которого колена смещены на 120 град относительно друг друга.

К плунжерному блоку болтами крепят двухступенчатую плунжерную головку, манометрическую головку и предохранительный клапан, расположенный с противоположной стороны гомогенизирующей головки. Манометрическая головка снабжена дросселирующим устройством, позволяющим уменьшать амплитуду колебаний стрелки манометра во время работы гомогенизатора.

Рис. 3.18.

1 - электродвигатель; 2 - станина с приводом; 3 - кривошипношатунный механизм с системой смазки и охлаждения; 4 - блок плунжерный с гомогенизирующей и манометрической головками и предохранительным клапаном; 5 - манометрическая головка; 6 - гомогенизирующая головка

Кривошипно-шатунный механизм состоит из коленчатого вала, установленного на двух конических роликовых подшипниках, шатунов и ведомого шкива. Шатуны соединены с ползунами шарнирно.

Привод гомогенизатора включает в себя электродвигатель и ременную передачу.

Промышленность выпускает гомогенизаторы различной производительности (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Основные технические данные гомогенизаторов для молока и жидких молочных продуктов

Если при гомогенизации необходимо исключить доступ микроорганизмов к обрабатываемому продукту, применяют специальные асептические гомогенизирующие головки. В таких головках в пространство, ограниченное двумя уплотнительными элементами, подается горячий пар под давлением 30...60 кПа. Эта высокотемпературная зона служит барьером, препятствующим попаданию бактерий в цилиндр гомогенизатора.

Гомогенизаторы-пластификаторы по принципу действия и устройству отличаются от гомогенизаторов клапанного типа. Рабочим органом в них служит ротор, который может иметь разное число лопастей - 12, 16 или 24.

Гомогенизатор-пластификатор (рис. 3.19) состоит из станины, корпуса со шнеками, приемного бункера и привода, который позволяет регулировать частоту вращения подающих шнеков (при помощи вариатора) в пределах 0,2. ..0,387 с -1 . Частота вращения ротора с лопастями не регулируется и составляет 11,86 сг 1 .

Рис. 3.19.

1 - ротор; 2 - станина; 3 - корпус; 4 - крепление насадки; 5 - насадка;
6 - замок; 7 - шнековая камера; 8 - бункер; 9 - пульт управления

Принцип работы машины заключается в следующем. Сливочное масло подается в бункер, откуда при помощи двух шнеков, вращающихся в противоположных направлениях, продавливается через ротор и из насадки с диафрагмой выходит в бункер фасовочного аппарата. Для предотвращения налипания масла рабочие органы гомогенизатора смазывают перед началом работы специальным горячим раствором. Производительность гомогенизатора зависит от частоты вращения подающих шнеков и составляет 760... 1520 кг/ч. Мощность привода машины 18,3 кВт.

Гомогенизатор ЯЗ-ОГЗ предназначен для обработки расплавленной сырной массы при производстве плавленых сыров и состоит из следующих частей: основания, корпуса, комплекта гомогенизирующего инструмента, бункера, выгрузного устройства и привода.

Основание служит для крепления на нем составных частей гомогенизатора. В корпусе размещены рабочие узлы и уплотняющие устройства.

Гомогенизирующий инструмент (рис. 3.20) для подачи, измельчения и перемешивания расплавленной сырной массы выполнен в виде подвижных и неподвижных ножей, разделенных распорными кольцами, а также загрузочного лопастного колеса и выгрузного ротора. Специальные пазы в подвижных ножах, выполненные под определенным углом к торцевой поверхности, способствуют перемещению измельчаемого продукта к выгрузному устройству. Вал гомогенизирующего инструмента вращается с частотой 49 с -1 .

Рис. 3.20.

1 - неподвижное кольцо; 2 - подвижное кольцо; 3 - лопастное колесо;
4 - бункер; 5 - подвижный нож; 6 - корпус; 7 - неподвижный нож;
8 - выгрузной ротор; 9 - вал гомогенизатора

Выгрузное устройство в виде двух труб, соединенных между собой при помощи крана, предназначено для отвода гомогенизированной массы в дозатор фасовочного автомата.

Привод состоит из двигателя мощностью 11 кВт, предназначенного для передачи вращения от вала к подвижной части гомогенизирующего инструмента.

Обработка продукта на гомогенизаторе ЯЗ-ОГЗ осуществляется следующим образом. Расплавленная сырная масса периодически или непрерывно подается в бункер гомогенизатора. Под действием разрежения, создаваемого загрузочным лопастным колесом, продукт поступает в гомогенизирующий инструмент, в котором, проходя последовательно через подвижные и неподвижные ножи, гомогенизируется и подается к выгрузному устройству.

Использование гомогенизатора позволяет отказаться от технологической операции процеживания сырной массы для удаления ее нерасплавленных частиц.

Гомогенизация - это раздробление (диспергирование) жировых шариков путем воздействия на молоко или сливки значительных внешних усилий. В процессе обработки уменьшаются размеры жировых шариков и скорость всплывания. Происходит перераспределение оболочечного вещества жирового шарика, стабилизируется жировая эмульсия, и гомогенизированное молоко не отстаивается.

Принцип действия гомогенизаторов клапанного типа, получивших наибольшее распространение, заключается в следующем. В цилиндре гомогенизатора на молоко оказывается механическое воздействие при давлении 15...20 МПа. При подъеме клапана, приоткрывающем узкую щель, молоко выходит из цилиндра. Это возможно при достижении в цилиндре рабочего давления. При проходе через узкую круговую щель между седлом и клапаном скорость молока возрастает от нулевой до величины, превышающей 100 м/с. Давление в потоке резко падает, и капля жира, попавшая в такой поток, вытягивается, а затем в результате действия сил поверхностного натяжения дробится на мелкие капельки-частицы.

При работе гомогенизатора на выходе из клапанной щели часто наблюдаются слипание раздробленных частичек и образование «гроздьев», снижающих эффективность гомогенизации. Во избежание этого применяют двухступенчатую гомогенизацию На первой ступени создается давление, равное 75 % рабочего, на второй ступени устанавливается рабочее давление.

Рис. 2.22. Гомогенизирующая головка

Для проведения гомогенизации температура молочного сырья должна быть 60...65 °С. При более низкой температуре усиливается отстаивание жира, при более высокой могут осаждаться сывороточные белки.

Гомогенизатор с двухступенчатой гомогенизирующей головкой состоит из станины, корпуса, плунжерного блока, гомогенизирующей головки, привода и кривошипно-шатунно-го механизма.

Рис.2.23. Гомогенизатор А1-ОГМ-5:

1 - электродвигатель; 2 - станина с приводом; 3 - кривошипно-шатунный механизм с системами смазки и охлаждения; 4 - блок плунжерный с гомогенизирующей и манометрической головками и предохранительным клапаном; 5 - манометрическая головка; 6- гомогенизирующая головка; 7- клиноременная передача

В том случае, когда при гомогенизации необходимо исключить доступ микроорганизмов к обрабатываемому продукту, применяют специальные асептические гомогенизирующие головки. В таких головках в пространство, ограниченное двумя уплотнительными элементами, подается горячий пар под давлением 30...60 кПа. Эта высокотемпературная зона служит барьером, препятствующим попаданию бактерий в цилиндр гомогенизатора.

Гомогенизаторы-пластификаторы по принципу действия и устройству отличаются от гомогенизаторов клапанного типа. Рабочим органом в них является ротор, который может иметь различное число лопастей - 12, 16 или 24.

Гомогенизатор-пластификатор состоит из станины, корпуса со шнеками, приемного бункера и привода.

Рис.2.24. Комплект гомогенизирующего инструмента гомогенизатора:

1-неподвижное кольцо; 2- подвижное кольцо; 3 - лопастное колесо; 4- бункер; 5 -подвижной нож; 6- корпус; 7- неподвижный нож; 8- выгрузной ротор; 9- вал гомогенизатора

Привод позволяет регулировать частоту вращения подающих шнеков (с помощью вариатора) в пределах 0,2...0,387 с 1 . Частота вращения ротора с лопастями не регулируется и составляет 11,86 с".

Принцип работы машины заключается в следующем. Сливочное масло подается в бункер, откуда с помощью двух шнеков, вращающихся в противоположных направлениях, продавливается через ротор и из насадки с диафрагмой выходит в бункер фасовочного аппарата. Для предотвращения налипания масла рабочие органы гомогенизатора смазывают перед началом работы специальным горячим раствором. Производительность гомогенизатора зависит от частоты вращения подающих шнеков и составляет 0,76...1,52 м 3 /ч- Мощность привода машины 18,3 кВт.

Гомогенизирующий инструмент для подачи, измельчения и перемешивания расплавленной сырной массы выполнен в виде подвижных и неподвижных ножей, разделенных распорными кольцами, а также загрузочного лопастного колеса и выгрузного ротора. Подвижные ножи имеют специальные пазы, выполненные под определенным углом к торцевой поверхности, что способствует перемещению измельчаемого продукта к выгрузному устройству. Вал гомогенизирующего инструмента вращается с частотой 49с 1 .

Бункер для приема и накопления сырной массы имеет теплоизоляционную рубашку.

Выгрузное устройство в виде двух труб, соединенных между собой с помощью крана, служит для отвода гомогенизированной массы в дозатор фасовочного автомата.

Использование гомогенизатора позволяет отказаться от технологической операции процеживания сырной массы с целью удаления ее нерасплавленных частиц.

Наибольшее распространение получили клапанные гомогенизаторы, основными узлами которых являются насос высокого давления и гомогенизирующая головка.

На рис. показана двухступенчатая гомогенизирующая головка, состоящая из корпуса 3 и клапанного устройства, основными частями которого являются седло клапана 1 и клапан 2. Клапан связан со штоком, на выступ которого давит пружина 6. Сила сжатия пружины регулируется путем перемещения накидной гайки 5 со штурвалом, которая вместе с пружиной, штоком 7 и стаканом 8 образует нажимное устройство 4.

Рис. Двухступенчатая гомогенизирующая головка:

I - первая ступень; II - вторая ступень

Жидкость, нагнетаемая насосом под тарелку клапана, давит на тарелку и отодвигает клапан от седла, преодолевая сопротивление пружины. В образующуюся между клапаном и седлом щель высотой от 0,05 до 2,5 мм проходит с большой скоростью жидкость и при этом гомогенизируется. На следующей ступени процесс повторяется.

По типу гомогенизирующей головки гомогенизаторы можно подразделить на одно-, двух- и многоступенчатые. На практике применяют только одно- и двухступенчатые, так как многоступенчатые не оправдывают себя, поскольку приводят к громоздкости конструкции, неудобству в эксплуатации и незначительному улучшению эффекта гомогенизации по сравнению с двухступенчатыми.

Основными показателями работы гомогенизаторов являются универсальная рабочая и кавитационная характеристики. Универсальная характеристика гомогенизатора представляет зависимость между его производительностью, затрачиваемой мощностью и КПД. Она дает представление об уровне совершенства конструкции гомогенизатора и его техническом состоянии.

Снятие кавитационной характеристики требует установления мановакуумметра на всасывающей стороне гомогенизатора. Начало кавитации определяют по началу снижения подачи более чем на 2 %.

Кавитационная кривая показывает особенности работы гомогенизатора на его всасывающей стороне и позволяет решить вопрос об улучшении условий работы в конкретном случае.

Гомогенизатор А1-ОГМ (рис.), предназначенный для получения тонкоизмельченного однородного продукта, состоит из электродвигателя 1, станины 2, кривошипно-шатунного механизма 3 с системами смазки 7 и охлаждения, плунжерного блока 4 с гомогенизирующей 6 и манометрической 5 головками и предохранительным клапаном.

Рис. Гомогенизатор А1-ОГМ

Принцип работы гомогенизатора заключается в нагнетании продукта через узкую щель между седлом и клапаном гомогенизирующей головки. Давление продукта перед клапаном 20...25 МПа, после клапана - близко к атмосферному. При таком резком перепаде давления наряду со значительным увеличением скорости продукт измельчается.

Гомогенизатор представляет собой трехплунжерный насос. Каждый из трех плунжеров, совершая возвратно-поступательное движение, всасывает жидкость из приемного канала, закрытого всасывающим клапаном, и нагнетает ее через нагнетательный клапан в гомогенизирующую головку под давлением 20...25 МПа.

Гомогенизирующая головка является наиболее важной и специфической частью гомогенизатора. Она представляет собой стальной корпус, в котором находится цилиндрический центрируемый клапан. Под давлением жидкости клапан поднимается, образуя кольцевую щель, через которую жидкость проходит с большой скоростью и затем выводится через штуцер из гомогенизатора.

Внутри станины шарнирно закреплена плита, положение которой регулируется винтами. На плите установлен электродвигатель 1, приводящий в движение кривошипно-шатунный механизм 3 через клиноременную передачу. В корпусе 2, представляющем собой резервуар с наклонным дном, размещены кривошипно-шатунный механизм 3, система охлаждения и масляный сетчатый фильтр. Система охлаждения предназначена для подвода холодной воды к плунжерам. Она включает в себя змеевик, уложенный на дне корпуса 2, перфорированную трубку над плунжерами и патрубки для подвода и отвода воды. Система смазки служит для подачи масла к шейкам коленчатого вала для уменьшения трения.

Техническая характеристика гомогенизатора А1 -ОГМ приведена в табл.

Гомогенизатор К5-ОГА-Ю (рис.) предназначен для дробления и равномерного распределения жировых шариков в молоке и жидких молочных продуктах, а также в смесях для мороженого.

Рис. Гомогенизатор К5-ОГА-Ю

Он представляет собой пятиплунжерный насос высокого давления с гомогенизирующей головкой. Он состоит из станины 1 с приводом, кривошипно-шатунного механизма 5 с системами смазки и охлаждения, плунжерного блока 14 с гомогенизирующей 13 и манометрической 12 головками и предохранительным клапаном. Внутри плунжерного блока 14 имеется плунтер 15, соединенный с ползуном 11. Привод гомогенизатора осуществляется от электродвигателя 17 через ведущий 20 и ведомый 21 шкивы и клиноременную передачу. Внутри станины 1 шарнирно закреплена плита 18, положение которой регулируется винтами 2. Станина установлена на шести варьируемых по высоте опорах 19.

Кривошипно-шатунный механизм 5 состоит из литого чугунного корпуса, коленчатого вала 7, установленного на двух роликоподшипниках, шатунов 8 с крышками 6 и вкладышами 9, ползунов 11, шарнирно соединенных с шатунами 8 при помощи пальцев 10, стаканов и уплотнений. Внутренняя полость корпуса кривошипно-шатунного механизма является масляной ванной. В задней стенке корпуса смонтированы указатель уровня масла 4 и сливная пробка 3. В корпусе, представляющем собой резервуар с наклонным дном, размещены кривошипно-шатунный механизм 5, система охлаждения, масляный сетчатый фильтр и маслонасос 22.

Гомогенизатор имеет принудительную систему смазки наиболее нагруженных трущихся пар, которая применяется в сочетании с разбрызгиванием масла внутри корпуса. Охлаждение масла проводится водопроводной водой посредством змеевика 16 охлаждающего устройства, уложенного на дне корпуса, а плунжеры охлаждаются водопроводной водой, попадающей на них через отверстия в трубе. В системе охлаждения установлено реле протока, предназначенное для контроля за протеканием воды.

Регулированием давления пружины на клапан достигается оптимальный режим гомогенизации для различных продуктов.

Техническая характеристика гомогенизатора К5-ОГА-10 приведена в табл.

Таблица. Техническая характеристика гомогенизаторов

Показатель
Производительность, л/ч
Рабочее давление, МПа
Температура продукта, поступающего на
гомогенизацию, °С
Электродвигатель:
мощность, кВт
частота вращения, мин"
Частота вращения коленчатого вала, мин
Количество плунжеров
Ход плунжера, мм
Число ступеней гомогенизации
Габаритные размеры, мм
Масса, кг

Гомогенизатор А1-ОГ2-С (рис.) предназначен для механической обработки вязких молочных продуктов типа сливочных, плавленых и пластических сыров для придания однородности продукту с целью улучшения его качества.

Рис. Гомогенизатор А1-ОГ2-С

Гомогенизатор представляет собой горизонтально расположенный трехплунжерный насос высокого давления с гомогенизирующим устройством 8.

Привод насоса осуществляется от электродвигателя 4 с помощью клиноременной передачи, ведомого 15 и ведущего 16 шкивов. Гомогенизатор состоит из следующих основных узлов: кривошипно-шатунного механизма 1, привода, плунжерного блока 9, гомогенизирующего устройства 8, предохранительного клапана 7, бункера, кожуха, станины 13.

Кривошипно-шатунный механизм 1 включает литой чугунный корпус, коленчатый вал 14, установленный на двух роликоподшипниках, шатуны 12 с крышками 2 и вкладышами, ползуны 10, шарнирно соединенные с шатунами 12 пальцами 11, стаканы и уплотнение. Внутренняя полость корпуса кривошипно-шатунного механизма является масляной ванной.

В задней стенке корпуса установлены указатель уровня масла и сливная пробка. Смазка трущихся деталей проводится разбрызгиванием масла. Корпус кривошипно-шатунного механизма закрыт крышкой, в которой имеется горловина с фильтрующей сеткой для залива масла. Привод гомогенизатора осуществляется от электродвигателя 4, который установлен на качающейся подмоторной плите 3, укрепленной на корпусе кривошипно-шатунного механизма 1. Натяжение клиновых ремней обеспечивается с помощью натяжных винтов 5.

Кривошипно-шатунный механизм крепится при помощи шпилек к станине 13, которая представляет собой сварную конструкцию, облицованную листовой сталью. На станине имеется съемная крышка 17, предназначенная для ограждения вращающихся и перемещающихся механизмов. В нижней части станины 13 установлена клеммная коробка 18.

Станина устанавливается на четырех регулируемых по высоте опорах 19. К корпусу кривошипно-шатунного механизма при помощи двух шпилек крепится плунжерный блок 9, который предназначен для всасывания продукта из бункера и нагнетания его под высоким давлением в гомогенизирующее устройство 8. Плунжерный блок 9 состоит из блока, плунжеров 6, полых цилиндрических стаканов с отверстиями в стенках. Всасывающие клапаны и уплотнения отсутствуют, в рабочие камеры плунжерного блока продукт непосредственно из бункера засасывается через полые цилиндрические стаканы.

Уплотнение плунжеров, учитывая малую текучесть расплавленной сырной массы, достигается путем точного изготовления с небольшими допусками сопряженных поверхностей плунжеров и отверстий стаканов.

К плунжерному блоку при помощи шпилек крепится гомогенизирующее устройство, предназначенное для осуществления гомогенизации продукта за счет прохода его с большой скоростью под высоким давлением через щель между клапаном и седлом.

Гомогенизирующее устройство 8 состоит из корпуса, прокладок, нагнетательных клапанов, седел клапанов, пружин, гомогенизирующего клапана с седлом, стакана, рукоятки.

Для контроля давления гомогенизации служит манометр, который крепится к торцу корпуса гомогенизирующего устройства. Сверху на гомогенизирующем устройстве расположен предохранительный клапан 7, предназначенный для ограничения повышения давления выше заданного. Он состоит из стакана, фланца, клапана, седла клапана, пружины, нажимного винта и колпака. Предохранительный клапан регулируется на рабочее давление гомогенизации с помощью винта.

Продукт, подлежащий гомогенизации, подается в бункер гомогенизатора, представляющий собой сварную емкость из нержавеющей стали.

При возвратно-поступательном перемещении плунжеров в рабочей полости плунжерного блока создается разрежение и продукт из бункера засасывается в рабочую полость, а затем плунжеры выталкивают продукт в гомогенизирующее устройство, где он под давлением 20 МПа с большой скоростью проходит через кольцевой зазор, образующийся между притертыми поверхностями гомогенизирующего клапана и его седлом. При этом продукт становится более однородным. Из гомогенизирующего устройства через патрубок он направляется по трубопроводу на дальнейшую обработку. На гомогенизаторе установлен амперметр, с помощью которого контролируются показания манометра.

Техническая характеристика гомогенизатора А1-ОГ2-С приведена в табл.

Гомогенизаций называется механическая обработка прошедшего через молочные фильтры сырья, в результате которой шарики жира диспергируют (измельчаются) под действием внешней силы - давления, тока высокой частоты, ультразвука и прочее.

Зачем нужна гомогенизация?

При хранении налитого в молочные бидоны продукта, жир всплывает на поверхность за счет того, что он легче плазмы (обрата). Сырье отстаивается. Крупный комочек жира, поднимаясь в верхние слои, сталкивается с ему подобными. Под влиянием иммуноглобулинов, происходит агглютинация (склеивание отдельных элементов и выпадение их в осадок из однородной смеси). В результате, меняется консистенция и снижается качество, что не желательно. Если жировые шарики разбить на мелкие части, они не будут слипаться в пленку на поверхности.

Скорость всплытия жирового шарика зависит от его размеров – чем больше, тем быстрее. По формуле Стокса, она прямо пропорциональна квадрату радиуса комочка. Величина шариков жира лежит в пределах от 0,5 до 18 мкм. После гомогенизации, она уменьшается приблизительно в 10 раз (средний размер на выходе – 0,85 мкм). Это значит, что всплывать они будут в 100 раз медленнее. К тому же, у небольших комочков, размером меньше 1 мкм, силы взаимного отталкивания больше, чем притяжения.

Во время дробления жира, вещество его оболочки перераспределяется. Часть фосфатидов переходит в плазму, а на внешний покров мелких шариков идут плазменные белки. Благодаря перечисленным факторам, в молоке стабилизируется жировая эмульсия. При высокой степени дисперсности, процесс отстаивания не наблюдается, жир не всплывает, фляги для молока наполняются более качественным продуктом. Сливки, творог, масло и прочее, сделанные из гомогенизированного (однородного) сырья, имеют лучшие органолептические показатели и консистенцию, питательные вещества быстрее и полнее усваиваются организмом.

Гомогенизация способствует тому, чтобы:

Пастеризованные молоко или сливки, разлитые по емкостям из нержавеющей стали , приобрели однородную жирность, цвет и вкус.
Стерилизованные молоко и сливки – лучше хранились.
На кисломолочных продуктах не образовывалась жировая пленка, а белковые сгустки были прочнее и с лучшей консистенцией.
В молочных сгущенных консервах, при длительном хранении, не выделялась жировая фаза.
В цельном сухом молоке оказалось меньше свободного жира, без оболочек из белка – это приводит к окислению.
У восстановленных кисломолочных напитков, сливок и молока не появился водянистый привкус, а вкус продукта стал более насыщенным.
Молоко с наполнителем (например, какао), получилось более вязким, без осадка, с лучшим вкусом.

Механизм гомогенизации

Гомогенизацию рекомендуется делать после того, как молоко прошло через ванну длительной пастеризации .

Для этого применяются разные виды устройств. Самые распространенные – агрегаты клапанного типа. По своей сути они являются плунжерными насосами высокого давления. Жидкость пропускается сквозь очень маленькие отверстия. При этом резко увеличивается скорость потока. Жировые шарики дробятся, образовавшиеся мелкие комочки сразу покрываются белковой оболочкой. О том, почему так происходит, будет рассказано во второй части статьи.