Оборудование для баромембранной обработки молочных продуктов

 

Оборудование для баромембранной обработки молочных продуктов (ультрафильтрация, обратный осмос, микрофильтрация, электродиализ)

Мембранная обработка молочного сырья — это разделение или концентрирование растворов с помощью полупроницаемых мембран, осуществляемое на молекулярном и ионном уровнях. Главными достоинствами мембранного разделения молочного сырья являются возможность направленного регулирования его состава и свойств с сохранением их нативного состояния, а также создание на этой основе новых молочных продуктов.

Во всех методах мембранной обработки используют поперечную мембранную фильтрацию потока, при которой обрабатываемый раствор пропускается под давлением через мембрану. При этом часть компонентов раствора (концентрат) задерживается, а остальная часть в виде фильтрата (пермеат) удаляется. Мембраной (в зависимости от размера пор) задерживаются компоненты молочного сырья и бактерии, в фильтрате остаются в первую очередь растворитель (вода) и растворенные в ней низкомолекулярные вещества. От традиционной фильтрации (очистка молока от механических примесей) мембранная фильтрация отличается тем, что с ее помощью отделяются частицы размерами меньше 10 мкм.

В зависимости от характеристики частиц, которые необходимо сконцентрировать, применяют различные методы мембранного разделения:

- обратный осмос (00) — для концентрации почти всех компонентов молока, молочной сыворотки и фильтрата, полученного после ультрафильтрации сыворотки;

- нанофильтрация (НФ) — для частичного обессоливания (деминерализации) молочной сыворотки, а также фильтрата, полученного в результате ультрафильтрации молочной сыворотки;

- ультрафильтрация (УФ) — для концентрации белков молока или молочной сыворотки, а также для нормализации по массовой доле белка при производстве сыров, йогуртов и некоторых других молочных продуктов с повышенной массовой долей СОМО;

- микрофильтрация (МФ) — в основном для холодной стерилизации обезжиренного молока, молочной сыворотки и рассола, предназначенного для посолки сыров, а также для обезжиривания молочной сыворотки при производстве концентрата сывороточных белков методом ультрафильтрации. Применение микрофильтрации цельного молока затруднительно из-за того, что вместе с бактериями на мембранах будет задерживаться и молочный жир. При необходимости можно подвергать микрофильтрации гомогенизированное цельное молоко.

Обратный осмос — концентрация почти всех компонентов молочного сырья при пропускании его под давлением через полупроницаемые мембраны. Размеры пор мембран составляют от 0,001 до 0,0001 мкм. Поэтому процесс фильтрации при обратном осмосе идентичен процессу удаления воды из молочного сырья выпариванием. Сквозь мембраны могут проходить лишь вода и одновалентные ионы Na+, K+, С1~. Процесс обратного осмоса осуществляется под давлением 3—6 МПа и температуре 20°С. Применение высокого давление при обратном осмосе объясняется тем, что в этом случае приходится преодолевать осмотическое давление раствора, которое резко возрастает для низкомолекулярных соединений.

Нанофильтрация — концентрация молекул и макромолекул молочного сырья — происходит при пропускании его под давлением через полупроницаемые мембраны. Размеры пор этих мембран составляют от 0,01 до 0,001 мкм, поэтому на них концентрируются молочный жир, казеиновые мицеллы и сывороточные белки, а также лактоза и частично минеральные соли; размер частиц до 0,001 мкм и молекулярная масса до 1000. Чаще всего нанофильтрацию используют после ультрафильтрации молочного сырья для частичного обессоливания (деминерализации) подсырной сыворотки, а также частичной деминерализации фильтрата, полученного после ультрафильтрации. Нанофильтрацию проводят под давлением 2—4 МПа и температуре 50°С.

Ультрафильтрация — концентрация молекул и макромолекул при пропускании молочного сырья под небольшим давлением через полупроницаемые мембраны. К крупным молекулам относятся казеиновые мицеллы с размером частиц от 0,01 до 0,1 мкм и молекулярной массой 10000—100000. К макромолекулам относятся сывороточные белки с размером частиц от 0,001 до 0,01 мкм и молекулярной массой от 1000 до 10000. Кроме того, к макромолекулам можно отнести витамины, имеющие почти такие же размеры и молекулярную массу, что и сывороточные белки, а также лактозу с частицами размером от 0,0001 до 0,001 мкм и молекулярной массой от 100 до 1000. Поэтому при ультрафильтрации молочного сырья размер пор мембран составляет от 0,01 до 0,1 мкм, в результате чего на мембранах концентрируются молочные белки, молочный жир, витамины и частично лактоза. В фильтрате, проходящем сквозь мембраны, остаются ионы, минеральные соли и в основном лактоза и вода. Процесс ультрафильтрации осуществляется при температурах 50—55 °С и давлении 0,1—1,0 МПа.

Для более полной очистки белкового концентрата, получаемого в результате ультрафильтрации, от лактозы применяют диафильтрацию. Это частный случай ультрафильтрации, при котором полученный в результате ультрафильтрации белковый концентрат разбавляют деминерализованной водой и вновь подвергают ультрафильтрации до исходной массовой доли сухих веществ. Некоторая часть лактозы и минеральных веществ при этом вымывается из белкового концентрата и проходит вместе с растворителем через мембрану. Сывороточный белковый концентрат, полученный методом ультрафильтрации, имеет высокую растворимость в воде, хорошие эмульгирующие, пенообразующие и гелеобразующие свойства.

Ультрафильтрацию молочного сырья применяют также в производстве детского творога, сыров, йогуртов и некоторых других молочных продуктов для повышения массовых долей белка или СОМО при нормализации по этим компонентам.

Микрофильтрация — это концентрация посторонних частиц и высокомолекулярных соединений, например бактерий, с последующим их удалением, которая происходит при пропускании молочного сырья сквозь полупроницаемые мембраны. При этом мембраны имеют размер пор соответственно размеру и молекулярной массе задерживаемой частицы (в данном случае — бактериям). Бактерии имеют размеры от 1,0 до 10 мкм (гнилостные бактерии — 5-8 мкм, уксуснокислые и флюоресцирующие бактерии — 1-2 мкм, кокки — 0,75-1,25 мкм) с молекулярной массой свыше 500000; дрожжи и плесени имеют размеры от 10,0 до 100,0 мкм с молекулярной массой свыше 500000. Соответственно мембраны, применяемые при микрофильтрации, имеют такой размер пор, при котором эти частицы будут задерживаться, а именно от 0,1 до 10,0 мкм.

Процесс микрофильтрации молочного сырья сводит к минимуму высокотемпературное воздействие на белковые вещества молока, так как обработку осуществляют при температурах ниже   порога  денатурации   сывороточных   белков   (50—55   °С).   Эффективность  холодной стерилизации увеличивается при отсутствии мицелл казеина, которые способствуют быстрому образованию гелевого слоя при микрофильтрации из-за оседания на мембрана, что влечет за собой снижение скорости фильтрации. Более эффективно в целях стерилизации подвергать микрофильтрации молочную сыворотку перед ультрафильтрацией, что необходимо при производстве концентратов сывороточных белков, используемых  в  качестве  добавок для продуктов детского и диетического питания, а также при производстве молочного сахара.

Мембраны, применяемые при микрофильтрации, задерживают кроме бактерий молочный жир. Размеры задерживаемых жировых шариков от 0,1 до 5,0 мкм (в молочной сыворотке — от 0,1 до 1,0 мкм) и молекулярная масса от 100 000 до 500 000.

Главной частью фильтрующего аппарата является полупроницаемая мембрана, которая представляет собой тонкую пористую пленку, размеры пор которой менее 0,5 мкм. Пленка помещается на макропористую подложку, усиливающую ее механическую прочность.

Наилучшим материалом для подложки является пористая нержавеющая листовая сталь толщиной 0,5—3 мм с порами диаметром 0,5—10 мкм.

Практическое применение мембран можно уяснить на примере переработки сыворотки, которая содержит в определенных количествах белок, жир, лактозу и соли. Растворителем является вода.

С помощью мембранных установок сыворотка перерабатывается в две стадии (рис. 1, а). На первой стадии осуществляется ультрафильтрация, в результате чего получают белковый концентрат, содержащий от 3 до 15 % белка и лактозно-солевой раствор. На второй стадии лактозно-солевой раствор пропускают через обратноосмотическую мембрану и получают концентрированный раствор лактозы (10—20 %-ный) и фильтрат, который представляет собой 1 %-ный раствор солей.

Наиболее простым аппаратом является фильтр-пресс (рис. 1, б)

 

Рис. 1. Мембранная установка:

а - рабочая схема: 1 - ультрафильтрационная мембрана; 2 -обратноосмотическая мембрана;

б – устройство:  1 - мембрана;  2 - подложка из пористой нержавеющей стали; 3 - прокладка; 4 - канавка; 5 – корпус

Ультрафильтрационная установка А1-ОУС предназначена для выделения белков из подсырной сыворотки с целью получения белкового концентрата, а также лактозного раствора (сахара) для пищевых целей.

Устройство:

1 - резервуары для сыворотки (2шт);

2 - циркуляционный насос;

3 - фильтр;

4 - пластинчатая установка;

5 - центробежный насос;

6 - модуль ультрафильтрационной установки (до 6 секций);

7 - резервуар для фильтрата.

Принцип действия: исходная подсырная сыворотка насосом из резервуара проходит фильтр, где очищается от примесей, далее поступает в пластинчатую установку, где подогревается до t=45°C и подаётся на модули ультрафильтрационной установки, где происходит увеличение концентрации сухих веществ в исходной сыворотке. Готовый продукт собирается в резервуаре для сбора фильтрата, а отработанный продукт идёт по своей технологической схеме. 
Вопрос 8. Б Фризеры периодического и непрерывного действия (конструкции, принцип действия, сравнительная оценка)

Фризеры классифицируют следующим образом.

По принципу действия:

- периодического действия;

- непрерывного действия.

По системе охлаждения:

- с рассольным охлаждением;

- аммиачным охлаждением;

- фреоновым охлаждением.

Фризер ОФА-М периодического действия предназначен для сбивания, насыщения воздухом и частичного замораживание смеси мороженого при выработке сливочного, молочного и фруктового мороженого.

Q = 120 -.200кг/ч; Vцил = 70 л; Vванны= 48 л; m = 770 кг

Устройство:

1-электродвигатель; 2-КРП; 3-редуктор; 4-рама; 5-рабочий цилиндр; 6-теплообменная рубашка; 7-теплоизоляция; 8-мерная ванна; 9-мешалка; 10-система  движения аммиака; 11-крышка; 12-спусковой  кран.

Аммиачная система охлаждения состоит из трубопроводов для жидкого и газообразного аммиака, где имеется дроссель, манометр, фильтр, запорные вентили.

 

Принцип действия: готовая смесь мороженого, предварительно охлажденная до температуры 4±2°С, поступает в мерную ванну, где наполняется до определенного уровня. Здесь срабатывает поплавковый клапан, перекрывающий поступление. Порцию смеси поворотом рукоятки крана вручную переливают в цилиндр, в котором происходит технологический процесс фризерования в течение 3-5 мин. Во время работы мешалки ножи снимают намораживаемый слой смеси со стенки цилиндра, отбрасывают его к центру, перемешивают и сбивают воздух с массой. При готовности мороженого на передней крышке цилиндра открывают спусковой продуктовый кран и выпускают мороженое в гильзы, которые направляют в морозильную камеру. Затем наливают в цилиндр новую порцию смеси и цикл повторяется (tKCM = -3...-6 °С.

Фризер А1-ОФФ непрерывного действия с аммиачным охлаждением. Q = 100... 150 кг/ч; Vцил - 100 л; m = 800кг

Устройство:

1-уравнительный  бак с поплавковым регулятором  уровня; 2-насос для смеси мороженого (2шт.); 3-рама; 4-электродвигатель; 5-КРП; 6-теплоизоляция; 7-теплообменная рубашка; 8-рабочий цилиндр; 9-мешалка; 10-продуктовый  клапан; 11-клапан противодавления; 12-система  движения аммиака; 13-щит управления.

 

Принцип действия: из бака смесь мороженого, предварительно охлаждённая до температуры 4±2 С, засасывается насосом первой ступени и подается в насос второй ступени и далее в цилиндр. В линии между насосами образуется вакуум, вследствие чего в рабочий цилиндр засасывается также воздух. В нем смесь подвергается интенсивному перемешиванию и сбиванию с одновременным её замораживанием. Намерзающий слой мороженого непрерывно снимается с рабочей поверхности цилиндра вращающимися ножами мешалки. Фризерованная смесь мороженого под давлением, создаваемым насосом второй ступени, выгружается через выпускное устройство и направляется на фасовку.

 

Задача №1

 Определить  конструктивные размеры вертикального  или горизонтального резервуара  для хранения молочных продуктов, продолжительность опорожнения, мощность  установленной в ней мешалки, степень нагрева продукта за  время Z по исходным данным таблицы 1.

Расчет произвести, приняв: коэффициент расхода (0,7- 0,8), диаметр сливного патрубка d=50 мм, коэффициент теплопередачи К=1,5 Вт/(м2К).

Представить эскиз резервуара с мешалками (в масштабе).

Дано:

Тип резервуара: горизонтальный

М = 5 т = 5000 кг,

τ = 7ч = 25200 с,

продукт: смесь для сливочного

dм= 0,3 м, лопастная мешалка

μ= 0,7-0,8,

dn = 50мм = 0,05м,   К=1,5Вт/м2*К.

L-?,D-?,N-?, tK-?, τ -?

Решение:

1)  Определим объем продукта в  резервуаре:

где  =1100 кг/м3- плотность продукта

2)  Найдем длину резервуара:

L /D = 1 -1,2 — для горизонтальных.

Для горизонтальных:

Тогда длина L= 1,1*1,73=1,9 м.

3) Уровень  воды: Н = 0,8D = 0,8*1,73=1,38 м

4) Толщина  стенок аппарата: δ = 0,02D = 0,02*1,73=0,035 м

5) Время  опорожнения резервуара:

 

где = 0,75 — коэффициент расхода;

        f – площадь поперечного сечения продукта, м2;

6) Максимально допустимая частота вращения мешалки:

7)  Критерий Рейнольдса:

где   =54*10-6 м2/с- динамическая вязкость продукта

8)  Мощность, потребляемая мешалкой  в рабочий период:

NP = KN  d5n3ρ = 0,238*0,35*9,63*1100=564 Вт

где KN - коэффициент мощности, определяемый по зависимости:

где - при Re>2300 - для пропеллерной (для лопастной при Re > 100)

9) Степень  нагрева продукта:

где F - поверхность резервуара,

tc= 20 °C - температура окружающего воздуха;

tH = 5 °C - начальная температура продукта;

с - теплоёмкость продукта, с = 3260 Дж/(кг-К)

 

 

Рис. 1. Схема резервуара горизонтального

1)    кожух;

2)    теплоизоляция;

3)    рабочий  резервуар;

4)    наливная  труба;

5)    мешалка;

6)    привод  мешалки;      

7)    опорные  ножки;

8)    сливной  патрубок;

9)    люк; 

10) термометр;     

11) смотровое  окно;

12)   рубашка.

 

Задача№2

Дать технологическую схему и описание работы пластинчатой пастеризационно - охладительной установки для заданного продукта и производительности.

Произвести тепловой, гидравлический и конструктивный расчеты секции пастеризации пастеризационно - охладительной установки (ПОУ) для заданного продукта по производительности G т/ч, температура продукта: tH - исходная (до секции рекуперации); tn - температура пастеризации; tK - конечная температура (на выходе из ПОУ), ε - коэффициент рекуперации.