Современные физические методы обработки сырья в производстве молочных продуктов

 

1.6.3 Стерилизация молока

Стерилизация молока —  это тепловая обработка молока (при  температурах выше 100 °С) с целью  повышения стойкости в хранении путем уничтожения как вегетативных, так и споровых форм микроорганизмов.

Эффективность стерилизации определяется по разности десятичных логарифмов первоначальной концентрации спорообразующих микроорганизмов в исходном молоке и конечной концентрации спор в продукте после тепловой обработки:

 

Она должна быть в пределах от 9 до 10. Эффективность стерилизации находится в такой же прямой зависимости от температуры и продолжительности ее воздействия, как и при пастеризации. Стерилизацию по сравнению с пастеризацией проводят при более высоких температурах, но с менее продолжительной выдержкой, поэтому физико-химические свойства молока претерпевают почти такие же изменения, как при пастеризации.

В зависимости от особенностей производства и фасования продукта различают периодическую и непрерывную стерилизацию в таре и в потоке с асептическим розливом.

Периодическую стерилизацию в таре осуществляют после фасования и герметического укупоривания продукта при 110... 120 °С в течение 15...30 мин. Для периодической стерилизации в таре служат стерилизаторы периодического действия — автоклавы. При периодической стерилизации продукт в таре загружают в стерилизатор, нагревают паром, выдерживают определенное время и охлаждают водой или воздухом до 40...50 "С. Периодическая стерилизация обеспечивает высокую стойкость продукта при хранении даже в неблагоприятных условиях (при 50 °С) в течение 12мес и более. Однако этот способ малопроизводителен и вызывает физико-химические изменения составных частей молока вследствие продолжительного теплового воздействия. В результате этих изменений молоко приобретает сильно выраженный кипяченый вкус, буровато-кремовую окраску.

Наиболее распространена непрерывная стерилизация с одноступенчатым и двухступенчатым режимами. При стерилизации с одноступенчатым режимом в потоке продукт подвергают кратковременной ультравысокотемпературной обработке (УВТ) при температуре 130...150 °С в течение нескольких секунд, после чего фасуют в асептических условиях в стерильную тару. Стерилизацию в потоке проводят прямым или косвенным нагревом. Прямой нагрев осуществляют путем смешивания теплоносителя (пара) с продуктом, а косвенный нагрев — через теплопередающую поверхность. При смешивании с паром продукт нагревается практически мгновенно, что позволяет использовать молоко более низкой термоустойчивости. Кроме того, мгновенное тепловое воздействие вызывает наименьшие физико-химические изменения. К существенным недостаткам описанного способа относятся низкий коэффициент регенерации теплоты, повышенные требования к качеству пара, используемого для нагревания продукта.

Для стерилизации продукта способом косвенного нагрева применяют трубчатые, пластинчатые, а для вязких продуктов — скребковые теплообменники. Теплообменники косвенного нагрева характеризуются надежностью в работе, простотой обслуживания и высокой степенью использования теплоты. Однако при стерилизации в таких теплообменниках быстрее образуется пригар на теплопередающих поверхностях.

Непрерывную стерилизацию с двухступенчатым режимом осуществляют в такой последовательности: первоначально продукт стерилизуют в потоке при 130...150°С в течение нескольких секунд, затем после розлива и укупоривания вторично стерилизуют продукт в таре при 110...118 °С в течение 15...20 мин. Двухступенчатый режим стерилизации предназначен для уничтожения микроорганизмов, не только имеющихся в сырье, но и попавших в продукт при его фасовании. Продукт, полученный при двухступенчатом режиме стерилизации, имеет высокую стойкость при длительном хранении.

При выборе способа стерилизации и типа установок следует учитывать  условия эксплуатации, качество исходного  сырья, вид вырабатываемого продукта и экономическую целесообразность.

 

2. Спецификация оборудования

 

Техническая реализация процесса пастеризации молока нашла своё выражение  в различных типах аппаратов, получивших название пастеризаторы, ванны для пастеризации или пастеризационно-охладительные установки. Схема классификации оборудования для пастеризации молока показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема классификации оборудования для пастеризации молока.      

 

Стерилизацию молока осуществляют в таре и потоке. Аппараты для  стерилизации молока в таре называют автоклавами или стерилизаторами, а в потоке – стерилизационно-охладительными становками. Классификация оборудования для стерилизации молока приведена  на рис. 7.

Рис. 7. Схема классификации оборудования для стерилизации молока. 

 

Ультрапастеризация осуществляется в потоке, и для нее установлен рабочий диапазон температур, расположенный в интервале 125 – 140 °С для поверхностных теплообменников и в интервале температур 135 – 140 °С для теплообменников смешения с выдержкой не менее 2 сек в обоих случаях. Технически процесс реализуется на установках для ультрапастеризации.

Принцип работы теплообменников  смешения основан на непосредственном смешивании двух сред: греющей и  нагреваемой. Данные теплообменники нашли применение в технологиях стерилизации и ультрапастеризации, где непосредственно в продукт подается теплоноситель – острый очищенный пар (технология «пар в продукт») либо продукт распыляется в облако пара (технология «продукт в пар»). Технология нагрева «пар в продукт» также широко используется при подогреве высоковязких продуктов, в процессах производства плавленых сыров, майонез, кетчупов и пр. В данном случае очищенный пар подают непосредственно в зону перемешивания т.к. другие способы подвода тепла затруднены в силу физико-механических свойств обрабатываемых продуктов.

Основным достоинством теплообменников смешения является высокая скорость нагрева продукта, что положительно сказывается на органолептических качествах готовой  продукции.

К недостаткам данных теплообменных  аппаратов нужно отнести необходимость  использования дополнительного  оборудования для очистки пара, а  также учета и регулирования  влаги, попавшей вместе с ним в  продукт. Для теплообменников смешения необходимы также большие затраты  энергии на единицу выпускаемой  продукции в сравнении с поверхностными теплообменниками.

Поверхностные теплообменные  аппараты представляют группы машин, работающих с мешалками и без мешалок. К первой группе относятся теплообменники скребкового типа, которые, в свою очередь, делятся на барабанные и пластинчатые. Данная группа характеризуется полуразборными конструкциями, в которых к теплообменным поверхностям, соприкасающимся с продуктом возможен доступ для их ручной чистки и мойки, а каналы, по которым двигаются хладо-, теплоносители неразборные и герметичные. Типичными представителями этой группы являются теплообменники на базе конструктивных элементов маслообразователей Я7-ОМ-3-ТМ и Р3-ОУА-М.

Аппараты с поверхностью теплообмена, образованной стенками представляют собой емкостные теплообменники различной конструкции с теплообменной рубашкой (рис. 8). Эти аппараты преимущественно периодического действия нашли широкое применение в молочной промышленности.

Рис. 8. Аппараты с теплообменной рубашкой: 1 – корпус; 2 – теплоизоляция; 3 – теплообменная рубашка; 4 – крышка; 5 – привод; 6 – люк; 7 – мешалка;

8 – опоры;9 – ТЭНы; 10 – устройство для опорожнения. 

 

В зависимости от назначения различают аппараты для тепловых процессов (ванны длительной пастеризации, пастеризационные ванны, универсальные  ванны), для физико-химических процессов (ванны созревания сливок, сливкосозревательные аппараты, ванны нормализации высокожирных сливок, кристаллизаторы – охладители) для биохимических процессов (заквасочные установки, аппараты для производства кисломолочных продуктов и напитков). Иногда они взаимозаменяемы. В аппаратах для физико-химических и биохимических процессов тепловая обработка является основной.

Технологическое назначение этих аппаратов определяет их конструктивные особенности, к которым относятся конструкция теплообменной рубашки, дна, наличие или отсутствие перемешивающего устройства, расположение приводного механизма и устройства для слива продукта. Теплоноситель в этих аппаратах может подогреваться электрическими нагревателями (ТЭНами) или паром, через системы подготовки на базе барботеров или теплообменников.

Теплообменная рубашка  бывает сплошной, секционной или унифицированной с анкерными связями.

В зависимости от расположения резервуара теплообменная рубашка  бывает вертикальной, горизонтальной или наклонной. Также для универсальности  и повышения эффективности теплообмена  в аппаратах устанавливают змеевик.

Дно в этих аппаратах  бывает горизонтальным (рис. 8, а, г, е) или наклонным (рис. 8, б, в, д, ж, з).  Наклон дна выполнен в сторону слива продукта, что способствует более полному и эффективному опорожнению аппаратов.

Конструкция перемешивающего  устройства в аппаратах зависит  от вида обрабатываемого

продукта. Одним из основных свойств, определяющих выбор конструкции  мешалки, является

вязкость продукта.

Для молока и жидких молочных продуктов используют лопастные, рамные и пропеллерные мешалки, а для  вязких и высоковязких молочных продуктов  — рамные, скребковые и шнековые.

Перемешивающие устройства могут быть вертикальным (рис. 8, а, в, д, е) и наклонным (рис. 8, б, г, ж, з). Приводной механизм в этих аппаратах бывает верхнего (рис. 8, а, б, г, д, е, з)и нижнего (рис. 8, в, ж) исполнения.

Устройство для слива  продукта в таких аппаратах может  быть расположено сбоку или снизу (в днище). Теплообменное оборудование без мешалок, т.е. не требующее подвода механической энергии для перемешивания в зону теплообмена по праву считается самым распространенным оборудованием в пищевой промышленности. В преобладающем большинстве оно представлено трубчатыми и пластинчатыми аппаратами и имеет широчайший спектр применения.

Пластинчатые аппараты молочной промышленности представляют собой разновидность теплообменников непрерывного действия. Определяющий признак пластинчатого аппарата – конструкция его теплопередающей поверхности. Основной элемент разборной теплопередающей поверхности вместе с уплотнениями и другими вспомогательными деталями по традиции называют просто пластиной. Формы пластин и профили поверхностей очень разнообразны, а конструкции их довольно сложны, поэтому принятое название, строго говоря, следует рассматривать как условное, по крайней мере, по отношению к некоторым конструктивным формам.

Важнейшие особенности  пластинчатых аппаратов – это  приспособленность конструкции  аппарата в целом к частой разборке и сборке и доступность всей поверхности теплообмена для очистки.

Принцип построения разборного пластинчатого аппарата состоит  в том, что пластины одинакового  размера расположены в пространстве параллельно друг другу, причем между  рабочими поверхностями двух смежных  пластин образуется небольшой зазор, который выполняет функцию канала для жидкости, подлежащей нагреву  или охлаждению.

В простейшем случае (рис.9) пластина может быть плоской и прямоугольной, а теплообменник — состоять из трех пластин, формирующих два канала, по одному из которых течет продукт, а по другому — рабочая среда, играющая роль тепло- или хладоносителя.

 

 

Рис. 9. Пластинчатый теплообменник: а – элемент; б – условная схема. 

 

Зазоры между пластинами выбираются в зависимости от вида обрабатываемого продукта и определяются толщиной резиновых прокладок (2,3...6 мм). Уплотнительные прокладки выполнены  таким образом, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются две изолированные системы каналов  для обрабатываемого продукта и  тепло- или хладоносителя. Одна система состоит из нечетных проходов между пластинами, другая — из четных, поэтому потоки нагреваемой жидкости и теплоносителя чередуются.

Пластины прямоугольной  формы изготовляют методом холодной штамповки из нержавеющей тонколистовой  стали толщиной 0,7...1 мм. Они имеют  специальные пазы для установки  на горизонтальные штанги-носители. Поверхность  пластин гофрированная для создания искусственной турбулентности потока молока с целью повышения эффективности теплопередачи. В пластинах сетчато-поточного типа гофрирование поверхности несет в себе дополнительную функцию увеличения жесткости собранного пакета, что достигается множественным точечным контактом гофр соседних пластин. Площадь поверхности теплопередачи в аппарате зависит от размера и числа пластин.

Наибольшее распространение  получили ленточно - и сетчато-поточные пластины (рис. 10), различающиеся направлением гофр: первые имеют горизонтальное направление, а вторые - наклонное (под углом 60 ° по отношению к продольной оси симметрии пластины). При сборке две сомкнутые ленточно-поточные пластины образуют извилистый канал, двигаясь по которому молоко подвергается искусственной турбулизации, что повышает эффективность теплообмена при сравнительно небольшой (0,3-0,9 м/с) скорости движения жидкости. 

 

Рис. 10. Теплообменные пластины: а – ленточно-поточного типа; б – сетчато-поточного типа. 

 

При сборке каналов сетчато-поточных пластин «елки» гофр одной пластины должны быть направлены вверх, а соседней — вниз. В результате такой сборки наклонные гофры взаимно пересекаются и образуют равномерно распределенную сетку опор, но в поверхности пластины. Это придает пакету достаточную жесткость, предотвращает деформацию пластин при большом перепаде давлений по обе стороны пластины и создает турбулизацию потока.