Современные физические методы обработки сырья в производстве молочных продуктов

Министерство сельского хозяйства  Российской Федерации

Департамент научно-технологической  политики и образования

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Красноярский государственный аграрный университет»

Институт прикладной биотехнологии  и ветеринарной медицины

 

Кафедра «Технология переработки  и хранения продуктов животноводства»

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

СОВРЕМЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ  СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

01.02.304.10

 

 

 

Выполнил:

студент группы Т-51

специальности 110305. 65

институт  ПБиВМ               _______________  Витт О.Л.

 

Проверил:

к.с.-х.н., доцент      _______________  Федорова Е.Г.

 

 

 

Красноярск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1 Физические  методы обработки сырья…………………………………………4

   1.2 Сепарирование ………………………………………………...……………4

   1.3 Нормализация молока………………………………………………………7

   1.4 Гомогенизация молока……………………………………………………...8

   1.5 Мембранные методы разделения и концентрирования молока………...12

   1.6 Тепловая обработка молока……………………………………………….15

         1.6.1 Влияние тепловой обработки на свойства молока………………...15

         1.6.2 Пастеризация молока………………………………………………..16

         1.6.3 Стерилизация молока………………………………………………..18

2. Спецификация  оборудования ………………………………………………..21

Заключение……………………………………………………………………….32

Список  литературы………………………………………………………………33

 

 

Введение

Рациональное и эффективное  использование сырья, в том числе  сухого, в молочной промышленности является актуальной проблемой современного производства. Поэтому активно проводятся работы по внедрению новых физических методов обработки молочного  сырья.

Цель данной работы изучить  современные физические способы  обработки сырья для молочного  производства.

 

1 Физические методы обработки сырья

1.2 Сепарирование

Сепарирование молока —  это разделение его на две фракции  различной плотности: высокожирную (сливки) и низкожирную (обезжиренное молоко). Осуществляется сепарирование под действием центробежной силы в барабане сепаратора. Молоко, распределяясь в барабане между тарелками в виде тонких слоев, перемещается с небольшой скоростью, что создает благоприятные условия для наиболее полного отделения высокожирной фракции (жировых шариков) за короткое время. Процесс сепарирования молока подчиняется закону Стокса:

 

где — скорость выделения жировых шариков, см/с; — средний радиус рабочей части тарелки сепаратора, см; радиус жирового шарика, см; — частота вращения барабана сепаратора, ; —плотность плазмы и жира, кг/м3; — динамическая вязкость, .

В соответствии с этим законом  скорость выделения жировой фракции  из молока находится в прямой зависимости  от размеров жировых шариков, плотности  плазмы молока, габаритов и частоты вращения барабана и в обратно пропорциональной зависимости от вязкости молока. С увеличением размеров жировых шариков и плотности плазмы молока ускоряется процесс сепарирования и отделения сливок. Чем выше содержание сухих обезжиренных веществ в молоке, тем выше плотность плазмы и цельного молока. Следовательно, молоко большей плотности будет иметь лучшие условия для сепарирования. Повышение вязкости молока приводит к снижению скорости выделения жировой фракции.

Кроме того, существенное влияние  на сепарирование оказывают кислотность и температура молока.

Повышение кислотности  молока приводит к изменению коллоидного состояния его белков, сопровождающемуся иногда выпадением хлопьев; в результате нарастает вязкость, что затрудняет сепарирование.

Повышение температуры молока способствует снижению его вязкости и переходу жира в жидкое состояние, что улучшает сепарирование. Оптимальная температура сепарирования 35...45 °С. Нагревание молока до этой температуры обеспечивает хорошее обезжиривание.

Наряду с сепарированием при 35...45 °С иногда применяют высокотемпературное сепарирование при 60...85 °С. С увеличением температуры сепарирования повышаются производительность сепаратора и качество обезжиривания. Однако высокотемпературное сепарирование имеет и ряд недостатков: увеличение содержания жира в обезжиренном молоке вследствие частичного выпадения альбумина, препятствующего выделению жира; сильное вспенивание сливок и обезжиренного молока; возрастание раздробления жировых шариков.

Рис. 1. Схема работы сепарирующего  устройства:

а — молокоочистителя; б— сливкоотделителя; 1 — исходное молоко; 2 — легкая фракция (очищенное молоко или сливки); 3— частицы, образующие осадок; 4— осадок (слизь); 5—тяжелая фракция (обезжиренное молоко)

Большое внимание уделяют  сепарированию при низких температурах, так называемому сепарированию холодного молока. Однако сепарирование при низкой температуре на обычных сепараторах приводит к снижению их производительности почти вдвое из-за повышения вязкости и частичной кристаллизации жира.

Процесс сепарирования  в сепараторе осуществляется в такой  последовательности (рис. 1, б). Цельное  молоко по центральной трубке поступает  в тарелкодержатель, из которого по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимается в верхнюю часть комплекта тарелок и растекается между ними. В межтарелочном пространстве жировые шарики как более легкая фракция молока движутся к центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимаются вверх и поступают в камеру для сливок. Затем под напором сливки поступают в патрубок, на котором установлены измеритель количества сливок (ротаметр) и регулировочный вентиль. Обезжиренное молоко как более тяжелая фракция направляется к периферии барабана (в грязевое пространство), поднимается вверх и поступает в патрубок, на котором установлены манометр и регулировочный вентиль (кран).

Регулировочный вентиль  предназначен для регулирования  жирности получаемых сливок, которая  изменяется в зависимости от количества сливок и обезжиренного молока. При  постоянных количестве и массовой доле жира в поступающем молоке уменьшение количества выходящих сливок приводит к повышению массовой доли жира в них и, наоборот, увеличение количества сливок снижает в них массовую долю жира.

Исходя из соотношения  масс сливок и обезжиренного молока можно найти требуемую жирность сливок. Определив расчетным путем соотношение между массами сливок и обезжиренного молока, устанавливают это соотношение при помощи регулировочного устройства.

На молочные предприятия молоко поступает с разным содержанием жира и сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО), а в готовом продукте жир и СОМО должны быть в определенном количестве или соотношении. В связи с этим необходима нормализация сырья.

 

1.3 Нормализация молока

Нормализация — это  регулирование состава сырья  для получения готового продукта, отвечающего требованиям стандарта.

При нормализации исходного (цельного) молока по жиру могут быть два варианта: жира в цельном молоке больше, чем требуется в производстве, и жира в цельном молоке меньше, чем требуется. В первом варианте жир частично отбирают путем сепарирования или к исходному молоку добавляют обезжиренное молоко. Во втором варианте для повышения жирности исходного молока добавляют к нему сливки. Массы сливок и обезжиренного молока, необходимых для добавления к исходному молоку, рассчитывают по уравнениям материального баланса, который можно составить для любой составной части молока.

Один из простейших способов нормализации по жиру — нормализация путем смешивания в емкости рассчитанных количеств нормализуемого молока и нормализующего компонента (сливок или обезжиренного молока). Нормализующий компонент добавляют при тщательном перемешивании смеси в емкости.

Рис. 2. Схема нормализации с применением  сепаратора-сливкоотделителя, снабженного нормализующим устройством:

а — при Ж_м > Ж_я_ _м; б — при Ж_м < Ж_н. _м. Здесь Ж,,, Ж_{н м} — соответственно массовые доли жира в исходном и нормализованном молоке

 

Нормализацию смешиванием  можно осуществить в потоке (рис. 2, а), когда непрерывный поток  нормализуемого молока смешивается в определенном соотношении с потоком нормализующего продукта.

Нормализация молока с  использованием сепаратора-сливкоотделителя осуществляется в таком порядке: нормализуемое молоко подается на сепаратор-сливкоотделитель, где разделяется на сливки и обезжиренное молоко. Затем полученные сливки и обезжиренное молоко смешиваются в потоке в требуемом соотношении, а часть сливок (при Жм > Жн м) или обезжиренного молока (при Жи < Жн м) отводится как избыточный продукт (рис. 2, б).

Массовая доля жира в  молоке, нормализованном в потоке, регулируется автоматически с помощью систем управления УНП (управление нормализацией в потоке) и УНС (управление нормализацией в потоке с применением сепаратора-сливкоотделителя). Основная задача систем управления процессом нормализации заключается в получении стабильных заданных значений массовой доли жира или другого параметра нормализованного молока.

 

1.4 Гомогенизация молока

Гомогенизация — это  обработка молока (сливок), заключающаяся в дроблении (диспергировании) жировых шариков путем воздействия на молоко значительных внешних усилий. Известно, что при хранении свежего молока и сливок из-за разницы в плотности молочного жира и плазмы происходит всплывание жировой фракции, или ее отстаивание. Скорость отстаивания жира зависит от размеров жировых шариков, вязкости, от возможности соединения жировых шариков друг с другом. Как известно, размеры жировых шариков колеблются в широких пределах — от 0,5 до 18 мкм. Согласно формуле Стокса скорость выделения (всплывания) жирового шарика прямо пропорциональна квадрату его радиуса. В процессе гомогенизации размеры жировых шариков уменьшаются примерно в 10 раз (размер -1,0 мкм), а скорость всплывания их соответственно становится примерно в 100 раз меньше. В процессе дробления жирового шарика перераспределяется его обол очечное вещество. На построение оболочек образовавшихся мелких шариков мобилизуются плазменные белки, а часть фосфатидов переходит с поверхности жировых шариков в плазму молока. Этот процесс способствует стабилизации высокодисперсной жировой эмульсии гомогенизированного молока. Поэтому при высокой дисперсности жировых шариков гомогенизированное молоко практически не отстаивается.

Механизм дробления жировых  шариков, схематично показанный на рисунке 3, заключается в следующем.

 

Рис. 3. Схема дробления жировых  шариков в клапанной щели гомогенизатора:

—диаметр отверстия в седле  клапана; — скорость движения молока в клапане; — скорость в пограничном сечении; — давление в клапане; — скорость движения в щели клапана; — давление в шели клапана; — высота щели клапана

 

В гомогенизирующем клапане на границе седла гомогенизатора и клапанной щели имеется порог резкого изменения сечения потока, а следовательно, и изменения скорости движения. При переходе от малых скоростей движения к высоким жировой шарик деформируется: его передняя часть, включаясь в поток в гомогенизирующей щели с большой скоростью, вытягивается в нить и дробится на мелкие капельки. Таким образом, степень раздробленности, или эффективность гомогенизации, зависит прежде всего от скорости потока при входе в гомогенизирующую щель, а следовательно, от давления гомогенизации, которое всегда определяет скорость.

С повышением давления усиливается механическое воздействие на продукт, возрастает дисперсность жира, а средний диаметр жировых шариков уменьшается. По данным ВНИКМИ, при давлении 15 МПа средний диаметр жировых шариков составляет 1,43 мкм, а эффективность гомогенизации 74 %, при давлении 20 МПа средний диаметр шариков уменьшается до 0,97 мкм, а эффективность возрастает до 80 %. Повышения давления можно достигнуть, снабдив гомогенизатор двумя или тремя клапанами.

С повышением давления усиливается механическое воздействие на продукт, возрастает дисперсность жира, а средний диаметр жировых шариков уменьшается. По данным ВНИКМИ, при давлении 15 МПа средний диаметр жировых шариков составляет 1,43 мкм, а эффективность гомогенизации 74 %, при давлении 20 МПа средний диаметр шариков уменьшается до 0,97 мкм, а эффективность возрастает до 80 %. Повышения давления можно достигнуть, снабдив гомогенизатор двумя или тремя клапанами. Такие гомогенизаторы называют двух- или трехступенчатыми. Однако повышение давления приводит к увеличению расхода электроэнергии, поэтому оптимальное давление составляет 10...20 МПа. Рекомендуемое давление гомогенизации зависит от вида и состава изготовляемого продукта. С повышением содержания жира и сухих веществ в продукте следует применять более низкое давление гомогенизации, что обусловлено необходимостью снижения энергетических затрат.

Интенсивность гомогенизации  возрастает с повышением температуры, так как при этом жир переходит полностью в жидкое состояние и уменьшается вязкость продукта. При повышении температуры снижается также отстаивание жира. При температурах ниже 50 °С отстаивание жира усиливается, что приводит к ухудшению качества продукта. Наиболее предпочтительной считают температуру гомогенизации 60...65 °С. При чрезмерно высоких температурах сывороточные белки в гомогенизаторе могут осаждаться.

Кроме того, эффективность  гомогенизации зависит от свойств  и состава продукта (вязкость, плотность, кислотность, содержание жира и сухих  веществ). С повышением кислотности  молока эффективность гомогенизации уменьшается, так как в кислом молоке снижается стабильность белков и образуются белковые агломераты, затрудняющие дробление жировых шариков. При повышении вязкости и плотности молока эффективность гомогенизации также снижается.

В настоящее время применяют  два вида гомогенизации: одно- и двухступенчатую. При одноступенчатой гомогенизации могут образовываться агрегаты мелких жировых шариков, а при двухступенчатой происходит разрушение этих агрегатов и дальнейшее диспергирование жировых шариков.

Иногда при производстве молочных напитков и сыров используют раздельную гомогенизацию. Раздельная гомогенизация предназначена для получения гомогенизированного молока с требуемым содержанием жира, повышенной стабильностью жировой дисперсной фазы и белков. Раздельная гомогенизация отличается от полной тем, что при ней механическому воздействию подвергается лишь высококонцентрированная жировая эмульсия (сливки определенной жирности). Сущность раздельной гомогенизации заключается в том, что молоко вначале сепарируют, а полученные сливки гомогенизируют, после гомогенизации их смешивают с обезжиренным молоком, нормализуют, пастеризуют и охлаждают. При производстве раздельно гомогенизированного молока с использованием двухступенчатой гомогенизации массовая доля жира в сливках не должна превышать 25 %, а при одноступенчатой гомогенизации 16 %.