Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Гомогенизация -- обязательный технологический процесс при производстве питьевого молока, кисломолочных продуктов, сливок и мороженого. Цель процесса -- механическое дробление жировых шариков для получения стабильной жировой эмульсии, не расслаивающейся при хранении. В молочной промышленности наибольшее распространение получили клапанные гомогенизаторы высокого давления, обеспечивающие уменьшение среднего диаметра жировых шариков с 3-4 мкм до 0,7-0,8 мкм.
В негомогенизированном молоке жировые шарики имеют диаметр от 0,5 до 18 мкм (средний -- 3-4 мкм). Согласно закону Стокса, скорость всплывания частицы пропорциональна квадрату её радиуса. Поэтому крупные жировые шарики быстро поднимаются к поверхности, образуя слой сливок (отстой).
После гомогенизации средний диаметр шариков уменьшается до 0,7-0,8 мкм (при давлении 15-20 МПа). Скорость их всплывания снижается примерно в 100 раз, что практически исключает образование сливочной пробки в течение гарантийного срока хранения. Количество жировых шариков увеличивается в 200-500 раз, а суммарная площадь их поверхности -- в 6-10 раз.
Клапанный гомогенизатор высокого давления состоит из многоплунжерного насоса и одной или двух гомогенизирующих головок. Принцип действия:
1. Молоко, нагретое до 50-65 °C, поступает в нагнетательную камеру плунжерного блока, где создаётся давление 10-25 МПа (в зависимости от продукта и режима).
2. Под действием давления молоко продавливается через узкую кольцевую щель между клапаном и седлом гомогенизирующей головки. Высота щели не превышает 0,1 мм.
3. При прохождении через щель скорость потока возрастает до 150-200 м/с (в нагнетательной камере -- около 9 м/с). В зоне клапана действуют одновременно несколько факторов диспергирования:
-- Градиент скорости: резкий перепад скоростей на границе ламинарного и турбулентного потоков вызывает вытягивание и отрыв частиц от жирового шарика. -- Кавитация: при выходе из щели давление резко падает, образуются пузырьки пара, которые при схлопывании создают мощные микроударные волны, дробящие шарики. -- Турбулентность: высокоинтенсивная турбулентность в зоне за клапаном обеспечивает дальнейшее измельчение.
Весь перепад давления реализуется в одной гомогенизирующей головке. Применяется для продуктов с низкой жирностью (питьевое молоко 1,5-3,2%) или с повышенной вязкостью (йогурт, кефир). Обеспечивает достаточную степень диспергирования при простоте конструкции.
Молоко последовательно проходит через две гомогенизирующие головки. Основное дробление жировых шариков происходит на первой ступени (высокое давление). На второй ступени (низкое давление) разбиваются агломераты (скопления) мелких жировых шариков, образовавшихся после первой ступени.
Рекомендуемое соотношение давлений: P2 / P1 ≈ 0,2
Пример: общее давление P1 = 20 МПа, давление второй ступени P2 = 4 МПа.
Суммарное давление на манометре перед первой ступенью: P = P1 = 20 МПа (давление второй ступени создаёт противодавление для первой).
Двухступенчатая гомогенизация обязательна при производстве сливок, смесей мороженого и других высокожирных продуктов (жирность более 10%), где склонность к агломерации жировых шариков особенно высока.
Рабочее давление -- главный технологический параметр, определяющий степень диспергирования жировых шариков:
С увеличением давления степень дисперсности возрастает, однако одновременно увеличивается расход энергии и ускоряется износ клапанной пары. Поэтому для каждого продукта устанавливается оптимальное давление, обеспечивающее требуемое качество при разумном ресурсе оборудования.
-- Устранение отстоя сливок при хранении. -- Более белый цвет молока (мелкие шарики лучше рассеивают свет). -- Улучшение вкуса и консистенции -- продукт воспринимается как более "сливочный". -- Повышенная устойчивость жира к окислению (жир защищён белковой оболочкой). -- Улучшение усвояемости молочного жира организмом. -- Более плотная и однородная структура кисломолочных сгустков.
-- Пониженная термоустойчивость гомогенизированного молока (особенно при высоких давлениях). -- Повышенная чувствительность к свету (фотоокисление, "солнечный" привкус). -- Непригодность для производства полутвёрдых и твёрдых сыров: мелкие жировые шарики с белковой оболочкой удерживаются в сыворотке, а не в сырном зерне, что нарушает синерезис. -- Невозможность сепарирования после гомогенизации: мелкие шарики не разделяются в сепараторе.
Основные узлы клапанного гомогенизатора:
Плунжерный блок -- многоплунжерный (обычно 3 или 5 плунжеров) насос высокого давления. Плунжеры совершают возвратно-поступательное движение от кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Создаёт давление до 25 МПа (в некоторых моделях -- до 40 МПа). Плунжеры и манжетные уплотнения -- основные изнашиваемые детали.
Гомогенизирующая головка -- узел, в котором происходит дробление жировых шариков. Состоит из клапана, седла, пружины и регулировочного винта. Усилие прижатия клапана к седлу регулируется пружиной (механически) или гидравлически. Настройка давления -- через изменение усилия прижатия (регулировочный винт). Контролируется по манометру.
Предохранительный клапан -- защищает систему от превышения максимального давления при заклинивании гомогенизирующего клапана или блокировке выпускного канала.
Станина с приводом -- электродвигатель, клиноремённая передача, КШМ. Мощность электродвигателя зависит от производительности и давления; для крупных гомогенизаторов достигает 75-140 кВт.
Производительность гомогенизатора подбирается в соответствии с производительностью технологической линии. Гомогенизатор должен обеспечивать непрерывную обработку всего потока молока без создания "узкого места".
При подборе учитывают: максимальное рабочее давление (должно соответствовать продукту), количество плунжеров (3 или 5 -- влияет на равномерность подачи), наличие одной или двух ступеней, материал клапанной пары (керамика, карбид вольфрама или стеллит для повышения ресурса).
Пуск и остановка. Пуск гомогенизатора осуществляется на воде (без давления) до выхода на рабочий режим, после чего переключаются на продукт и плавно повышают давление до рабочего значения. Остановка -- в обратном порядке: снижение давления, переключение на воду, промывка (CIP).
Износ клапанной пары. Клапан и седло -- наиболее нагруженные детали. Под действием высоких скоростей потока и кавитации поверхности изнашиваются (эрозия). Признак износа -- невозможность достижения рабочего давления при полном затягивании регулировочного винта. Ресурс клапанной пары составляет от 500 до 2000 часов в зависимости от материала и условий эксплуатации.
Износ плунжерных уплотнений. Манжеты (уплотнительные кольца) плунжеров подвержены износу; при их нарушении появляются утечки молока из блока. Периодичность замены зависит от интенсивности эксплуатации.
Мойка (CIP). После каждого рабочего цикла гомогенизатор промывается в составе линии CIP (безразборная мойка). Все поверхности, контактирующие с продуктом, выполняются из нержавеющей стали (AISI 316) или пищевой керамики.
Помимо клапанных гомогенизаторов, в молочной промышленности применяются и другие методы диспергирования:
Несмотря на разнообразие методов, клапанные гомогенизаторы остаются основным оборудованием молочной промышленности благодаря стабильности результатов, предсказуемости процесса и большому промышленному опыту.
Питьевое молоко с жирностью 2,5-3,2% гомогенизируют при давлении 15-17 МПа на первой ступени и 3-4 МПа на второй. Это обеспечивает уменьшение среднего диаметра жировых шариков до 0,7-1,0 мкм и устранение отстоя сливок в течение срока хранения. Для молока с более высокой жирностью давление первой ступени может быть снижено до 12-15 МПа.
На первой ступени жировые шарики дробятся, но часть из них слипается в грозди (агломераты). Вторая ступень при более низком давлении (3-5 МПа) разбивает эти агломераты, обеспечивая равномерное распределение мелких шариков. Это особенно важно для высокожирных продуктов (сливки, мороженое), где склонность к агломерации выше. Для молока с жирностью до 3,2% часто достаточно одноступенчатой гомогенизации.
При температуре ниже 40 °C часть молочного жира находится в твёрдом (кристаллическом) состоянии, что затрудняет дробление шариков и ухудшает эффективность гомогенизации. При 50-65 °C весь жир расплавлен, вязкость молока оптимальна, а казеиновые мицеллы достаточно активны для формирования новой оболочки вокруг вновь образованных мелких шариков. Гомогенизация при температуре выше 70 °C может привести к денатурации сывороточных белков и снижению термоустойчивости.
При гомогенизации мелкие жировые шарики покрываются оболочкой из казеина. При сычужном свёртывании эти шарики оказываются встроенными в белковую сетку сгустка, нарушая его структуру. Сгусток плохо отделяет сыворотку (нарушается синерезис), сырное зерно получается слабым. В результате выход сыра снижается, а текстура ухудшается. Поэтому для сыроделия используют негомогенизированное или частично гомогенизированное молоко.
Основной признак -- невозможность достижения рабочего давления при максимальном затягивании регулировочного винта. Также о износе свидетельствуют: видимые борозды и канавки на рабочих поверхностях клапана и седла (при визуальном осмотре), увеличение среднего диаметра жировых шариков в готовом продукте (контроль микроскопией), появление отстоя сливок в продукции. Ресурс клапанной пары зависит от материала: керамика и карбид вольфрама служат дольше, чем стеллит.
Мощность зависит от производительности и рабочего давления. Для малых гомогенизаторов (1 000-1 500 л/ч) -- 11-15 кВт. Для средних (2 500-5 000 л/ч) -- 18-55 кВт. Для крупных промышленных установок (10 000-25 000 л/ч) -- от 55 до 160 кВт. Удельное энергопотребление клапанного гомогенизатора составляет примерно 3-8 кВт на 1000 л/ч при давлении 20 МПа.
Технически -- да, но на практике гомогенизацию всегда совмещают с пастеризацией. Гомогенизатор обычно встраивается в линию пастеризации между секциями рекуперации и пастеризации: молоко нагревается до 55-65 °C в рекуператоре, гомогенизируется, затем дополнительно нагревается до температуры пастеризации (72-85 °C). Такая схема эффективна, так как температура после рекуперации уже находится в оптимальном диапазоне для гомогенизации.
Эффективность гомогенизации оценивают по доле жира, не отстоявшегося после центрифугирования в стандартных условиях. Чем она выше, тем качественнее диспергирование. Для питьевого молока эффективность должна быть не ниже 70-80%. Контроль выполняют методом центрифужной пробы или микроскопией (подсчёт размеров жировых шариков). Также используют турбидиметрические методы (оценка мутности) и лазерную дифрактометрию для определения распределения частиц по размерам.
Отказ от ответственности. Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и образовательный характер. Представленная информация основана на общедоступных справочных данных и не заменяет инструкции производителя оборудования и действующие технологические регламенты. Автор и издатель не несут ответственности за последствия использования данных материалов. Параметры технологических режимов должны устанавливаться в соответствии с документацией на конкретное оборудование и нормативными требованиями.
1. Бредихин С.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника переработки молока. -- М.: Колос. 2. Крусь Г.Н., Тиняков В.Г., Фофанов Ю.Ф. Технология молока и молочных продуктов. -- М.: Колос. 3. Шалыгина А.М., Калинина Л.В. Общая технология молока и молочных продуктов. -- М.: Колос. 4. Твердохлеб Г.В. и др. Технология молока и молочных продуктов. -- М.: Агропромиздат. 5. Тёпел А. Химия и физика молока. -- М.: Пищевая промышленность (перевод с нем.). 6. Bylund G. Dairy Processing Handbook. -- Tetra Pak Processing Systems AB. 7. GEA Group. Homogenization Technology. Technical Documentation. 8. SPX FLOW (APV). Homogenizer Operating Principles. Technical Bulletin.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.