Способ гомогенизации молока и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к молочной промышленности, в частности к получению гомогенизированного молока и молочных продуктов, и может быть использовано в фармацевтической, химической , медицинской и других отраслях промышленности, где необходимо повышение однородности и степени дисперсности эмульсии. Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса гомогенизации. Для получения гомогенизированного молока последнее нагревают до 75-95°С и диспергируют путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, в первой из которых поддерживают давление

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОП

К АВТ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ ССР) (21) 4472427/13 (22) 02.09.88 (46) 15.12.92. Бюл. М 46 (71) Институт технической теплофизики АН

УССР (72) А.А,Долинский, Ю.А,Шурчкова, Ю.Д.Николаев и А.П.Гартвиг (56) Обзорная информация М.И,Андреева и

А;А.Мухин. Современные способы и устройства для гомогенизации молока и молочных продуктов. M.: ЦНИИТЭИ, 1982.

Авторское свидетельство СССР

N 1389028, кл. А 01 J 11/16, 1987. (54) СПОСОБ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОЛОКА

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛ ЕНИЯ (57) Изобретение относится к молочной промышленности, в частности к получению гомогенизированного молока и молочных продуктов, и может быть использовано в фармацевтической, химической. медицинской и других отраслях промышленности, где необходимо повышение однородности и степени дисперсности эмульсии. Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса гомогенизации.

Для получения гомогенизированного молока последнее нагревают до 75 — 95 С и дисИзобретение относится к молочной промышленности, в частности к получению гомогенизированного молока и молочных продуктов, и может быть использовано в фармацевтической, химической, медицинской и других отраслях промышленности, где необходимо повышение однородности и повышение степени дисперсности эмульсии.

„„ Ы,, 1780660 A1 (я)5 А 01 J 11/16, А 23 С 7/00 пергируют путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, н первой из которых поддерживают давление (0,15 — 0,3) 10 Па, а во второй (0,03-0;15). 10 Па с последующей конденсацией выделившейся паровой фазы охлажденного до 2 — 8 С исходного молока в камеры конденсации с давлением (0,03 — 0,15) 10 Па и (0,15 — 0,3) 10 Па. Устройство для гомогенизации молока содержит вакуумную камеру с патрубками подвода и отвода молока, хладагента, патрубок выхода неконденсирующихся газов и диспергаторы на патрубках подвода моло ка. Вакуумная камера вйполнена из двух равных секций гомогенизации, каждая из которых разделена перегородкой из камеры вскипания и камеры конденсации, причем в верхней части перегородкй камер вскипания и конденсации установлен патрубок выхода паров молока из камеры вскипания, направленный к осйованию камеры конденсации, в верхней части общей перегородки камер конденсации размещен регулятор перепада давления, а диспергаторы на патрубках подвода молока выполнены в виде конусной диафрагмы с углом конуса

140 — 160 . 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса гомогенизации.

В устройстве для гомогенизации молока, содержащем вакуумную камеру с патрубками подвода и отвода молока, патрубок выхода неконденсирующихся газов и диспергаторы на патрубках подвода молока, вакуумная камера выполнена из двух секций

1780660 гомогенизации, каждая из которых разделена перегородкой на камеры вскипания и конденсации, в верхней части которой установлен патрубок выхода паров молока из камеры вскипания, направленный к основа- 5 нию камеры конденсации, в верхней части общей перегородки камер конденсации размещен регулятор перепада давления, а диспергаторы на патрубках подвода молока выполнены в виде конусной диафрагмы с 10 углом конуса 140 -160 и центральным отверстием.

Способ осуществляется следующим образом.

Молоко нагревают до температуры 75- 15

95 Си проводятдиспергирование путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, в первой из которых поддерживают давление (О 15 — 0,3) 10 Па, а во второй (0,03-0,15) 10 Па. Затем про- 20 водят конденсацию выделившейся паро- вой фазы молока путем одновременной подачи ее и хладоагента в камеры конденсации с давлениями (0,15-0,3) 10 Па и (0,03 — 0,15) 10 Па, 25

В известных способах, где используется высокое давление, процесс гомогенизации осуществляют при температурах до

85 С в связи с тем, что материалы, из которых выполнены диспергирующие устройст- 30 ва, не .могут работать при более высоких температурах. Поэтому нагрев молока до температуры пастеризации осуществляют либо после гомогенизации, что снижает ее эффект, либо до гомогенизации с последую- 35 щим снижением до температуры гомогенизации. Предлагаемый способ позволяет вести процесс гомогенизации при температуре пастеризации 75 — 95 С, что ведет к сокращению всего технологического 40 процесса обработки молока, и, следовательно его экономичности.

Выбортемпературы нагрева молока 7595 С, при которой ведут процесс диспергации, определяется следующими 45 соображениями. Диспергирование жирового компонента в молоке происходит в результате воздействия растущих паровых пузырей, которые возникают при вскипании, на жировые шарики. Интенсивность 50 адиабатного вскипания, т.е. количество и скорость роста паровых пузырей, зависит от величины перегрева жидкости, т.е. разности температуры жидкости и температуры насыщения, соответствующей давлению 55 над жидкос гью. Известно, что оптимальным решением вскипания является перегрев 20—

25 С. При более низких перегревах происходит недостаточное раскрытие факела и диспергирование потока. При более высоких перегревах увеличивается интенсивность парообразования при практически неизменной дисперсности факела диспергированной жидкости.

На основании этих данных был выбран перегрев жидкости, равный 20ОC при давле- . нии 0,15 Па (температура насыщения при

0,15 Па — 55ОC) и равный 25ОС при давлении

0,3 Па, По тем же соображениям выбрано давление в 1-й и второй ступенях гомогенизации (температура насыщения, соответствующая 0,03 Па -35 С), а температура молока, поступающего во вторую ступень равна 55ОС (температура насыщения при давлении 0,15 Па — также равна 55 С) ° а температура поступающего молока равна

75 С.

Поскольку в предложенном способе эффект гомогенизации достигается за счет адиабатного вскипания перегретой жидкости (молока), интенсивность которого определяют величиной перегрева относительно температуры насыщения, то необходимо, чтобы на каждой стадии перегрев составлял не менее 20 С. Поэтому на первой стадии поддерживают более высокое давление:

0„15-0,3 10 Па, что соответствует темпе5 ратуре насыщения 54-69 С и перегрев составляет 20-25 С. В результате адиабатного вскипания в вакууме молоко . охлаждается до t = ts + (10-13)DC. Т.о. на первой стадии оно охлаждается до температуры 64-79 C. На второй стадии процесса поддерживают давление (0,3-0,15) 10 Па, что соответствует температуре насыщения

24-54 С и перегрев составляет 40 — 25 С; в результате вскипания молоко охлаждается до температуры 35-65 С. В результате двукратного интенсивного вскипания достигается высокий эффект гомогенизации.

Нижний предел давления на второй стадии процесса 0,03 10 Па определяется тем, что при более низких давлениях температура насыщения, соответствующая этим давлениям, становится настолько низкой, что охлаждение молока во второй ступени становится экономически невыгодным, Верхний предел давления процесса определяется тем, что максимальная температура молока, которая может поступать без дополнительных технических средств в атмосферных условиях в гомогениэатор составляет95-98 С(температура кипения при

1 атмосфере). Перегрев относительно температуры насыщения должен составлять не о менее 20 С, т.е, температура насыщения

1780660 должна быть не более 70 С, что соответствует давлению 0,3 10 Па.

Температура охлажденного молока, которое поступает в конденсатор (2 — 8 С), выбрана из условий создания максИмального перепада температур между охлажденным молоком и парами с целью наиболее интенсивной конденсации. К тому же снижать температуру ниже 2 С и повышать более

8 С не рекомендуется.

При вскипании молока выделяется паровая фаза, т.е, удаляется часть жидкости, в результате чего повышается концентрация сухих веществ в молоке. Для того, чтобы сохранить исходную концентрацию в готовом продукте, эту влагу необходимо вернуть в молоке. Этот возврат происходит в камерах конденсации, Паровая фаза, поступая в камеру конденсации и контактируя с холодным исходным молоком, конденсируется на нем и растворяется в нем, понижая концентрацию сухих веществ, а в камерах вскипания эта концентрация восстанавливается, Давление в камерах конденсации поддерживают таким же, как и в камерах вскипания, поскольку они соединены патрубками для паровой фазы. . Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с известными техническими решениями является выполнение вакуумной камеры с двумя равными секциями гомогенизации, что позволяет получить высокое качество продукта, т.к. наибольший эффект гомогенизации достигается при двух-трехкратной обработке.

Кроме того, выполнение вакуумной камеры со смежными конденсаторами в ее средней части повышает экономичность установки за счет уменьшения тепловых потерь и сокращает металлоемкость за счет организации общих стенок камер и малой толщины перегородок ввиду небольшого перепада давлений между смежными камерами.

Установка перепада давления на перегородке между двумя ступенями гомогенизации позволяет поддерживать постоянным перепад давления между первой и второй ступенью гомогенизации и обеспечивает оптимальное использование энергии, расходуемой на процесс гомогенизации молока, тем самым поддерживая наивысшим при - данных условиях коэффициент гомогенизации, т.е. качество продукта.

Наличие патрубка выхода паров из камер вскипания в камеры конденсации, установленного в верхней части перегородки между камерами и направленного в нижнюю часть камеры конденсации позволяет осуществлять противоток в конденсаторе смешивающего типа между конденсирующимися парами молока и факелом распыляемого хладоагента, тем самым увеличивая перепад температур для осуществления

5 процесса гомогенизации. Наличие патрубка выхода паров и его размещение позволяет повысить качество гомогенизации и уменьшить затраты на создание вакуума. Кроме того, патрубок, введенный в камеру конден10 сации, дополнительно выполняет функцию конденсатора поверхностного типа, улучшая тем самым энергетические показатели установки.

Выполнение диспергаторов в виде ко15 нусных диафрагм с углом конуса 140Π— 160 и соотношением толщины диафрагмы к ди1 1 аметру центрального отверстия

5 50 что позволяет оптимизировать условие про20 цесса диспергации молока, т,к. при соответствующем перепаде давленйя в патрубке подвода молока до диафрагмы и в вакуумной камере и определенной температуре перегрева молока, фронт вскипания и дис25 пергирования молока находится на срезе сопла, т.е. отверстия в диафрагме, а выполнение диспергаторов с вышеперечисленны ми параметрами позволяет вести процесс диспергации с наибольшим градиентом

30 энергии, тем самым получить наибольший эффект гомогенизации, Выполнение диафрагмы конусной позволяет повысить эффективность гомогенизации за счет получения максимального

35 градиента энергии. При угле конуса более

160 факел распыла ограничивается диафрагмой и в пограничном слое имеет место малый эффект дробления жировой фазы молока. Угол менее 140 приводит к заметному

40 расширению фронта вскипания и, соответственно, к ухудшению процесса гомогенизации.

Заявляемые соотношения толщины диафрагмы к ее центральному отверстию как

451 1 — — — оптимизирует условия диспергиро5 50 вания, т.к. обеспечивают наличие практически острой кромки сопла. При толщине

1 большей чем — диаметра сопла дисперга" ция ухудшается, фронт вскипания становится шире и, следовательно, уменьшается используемый градиент энергии и ухудшается эффект гомогенизации. При толщине .

55 диафрагма менее — диаметра сопла эф-.

50 фект острой кромки не улучшается, но усложняются вопросы изготовления диафрагмы и ее прочности, потому они обеспечивают заявляемому техническому

1780660

-="решению соответствие критерию "существенные отличия".

Пример 1. Исходное молоко с температурой +4 С из емкости самотеком поступает в камеру конденсации второй ступени, где поддерживается давление 0,03 10 Па разбрызгивается через форсунку в камеру, где подогревается эа счет конденсируемых паров до температуры 34 С. Затем через выходной патрубок этой камеры поступает в насос и подается насосом в камеру концентрации первой ступени, где поддерживается давление . 0,15 10 Па разбрызгивается, подогревается до температуры 44 С, через выходной патрубок поступает в насос, подается насосом на молокоочиститель, затем в пастеризатор, гце нагревается до температуры 75 С и поступает в камеру вскипания первой ступени, где поддер>кивается давление 0,15 . 10 Па, в результате вскипания

5 охлаждается до температурь . 65 С, через выходной патрубок поступает в насос и подается насосом в камеру вскипания второй ступени, где поддерживается давление

0,03 10 Па, в результате вскипания охлаждается до температуры 35 С через выходной патрубок поступает в насос, который подает гомогенизированное молоко на охлаждение и хранение. Эффективность гомогениэации: отстой жира не более 307 „ средний размер жировых шариков 1,9-2,2 мкм.

Пример.2. Исходное молоко с температурой +4 С из емкости самотеком поступает в камеру конденсации второй ступени, где поддерживается давление 0,15 10 Па, раэбрызгивается через форсунку, подогревается эа счет конденсируемых паров до температуры 19 С, через выходной патрубок камеры поступает в насос, подаетсл насосом в камеру конденсации первой ступени, где поддер>кивается давление

0,3 10 Па, раэбрызгивается, подогревает5 ся до температуры 35 С, через выходной патрубок поступает в насос, подается насосом на молокоочиститель, затем в пастеризатор, где нагревается до температуры о

95 С, поступает в камеру вскипания первой ступени, где поддер>кивается давление

r>

0,3 10 Па, в результате вскипания охлаждается до температуры 79"С, через выходной патрубок поступает в насос и подается насосом в камеру вскипания второй ступени, где поддерживается давление 0,15 10

Па, в результате вскипания охлаждается до температуры 64 С через выходной патрубок поступает в насос, который подает гомогенизированное молоко на охлаждение и хранение, Зффективность гомогенизации: отстой жира не более 20 », средний размер жировых шариков 1,6-2 мкм.

Данные по проведенным опытам приведены в таблице, 5 На чертеже изображено устройство для гомогенизации молока, общий вид, разрез., Устройство для гомогенизации молока состоит иэ вакуумной камеры 1 с патрубка-, ми 2, 3, 4 подвода и отвода молока. В верх10 ней части камеры имеется патрубок выхода неконденсирующихся газов 5, а патрубки подвода молока заканчиваются диспергаторами 6; Вакуумная камера 1 выполнена из двух равных секций гомогенизации, каждая

15 из которых разделена перегородкой 7 на камеры вскипания 8, 9 и камеры конденсации 10, 11, B верхней части перегородок 7 между камерой вскипания и конденсации установлены патрубки 12 выхода паров мо20 лака, вход которого расположен в верхней . части, а выход — у основания камер конденсации. Секции гомогенизации разделяет перегородка 13, в верхней части которой установлен регулятор перепада давлений.

25 14. Диспергатор 6 на патрубках подвода молока 2 выполнен в виде конусной диафрагмы 15 с углом конуса 140 — 160 с центральным отверстием 16, диаметр которого соотносится к толщине диафрагмы как

30 1 1 — — —. На патрубках подвода хладоагент в

5 50 камеры конденсации распыляют через фор- . сунки 17, установленные на патрубках подвода холодного молока 4. Устройство

35 включает молочные насосы 18, вакуумный насос 19 и подогреватель молока 20.

Устройство для гомогениэации молока работает следующим образом, Исходное молоко с температурой 2 — 8 С подается че40 рез патрубок4 и форсунку17 на распыление в камеру конденсации 11 второй секции гомогенизации; где поддерживается давление

0,03-0,15 10 Па. В процессе тепломассо5 обмена с парами молока, поступающими по

45 патрубку 12 из камеры вскипания 9 происходит подогрев исходного молока и конденсация паров молока. Затем молоко перекачивается молочным насосом 18 в камеру конденсации 10 первой ступени гомо50 генизации с давлением 0,15-0,3 10 Па, где распыляется через форсунку 17 и конденсирует пары молока, поступающие по патрубку 12 из камеры вскипания 8. Далее подогретое молоко насосом 18 подается в

55 подогреватель 20 (может использоваться заводской пастеризатор) и подогревается до температуры пастеризации. Пастеризованное молоко с температурой 75 — 95ОС подается через диспергатор 6 в камеру вскипания первой ступени гомогенизации 8, где под1780660

Опыт

Режим

0.2

0.1

0.2

0,15

0,3

0.15

0,2

0,15

0,15

0.03

0.15

0.03

0.15

О.1

0,15

0,10

Давление в I-й ступени, 10 Па

Давление в И-й ступени. 10 Па

Температура на входе в конденсатор II-й ступени

Температура на выходе иэ конденсатора Il-й ступени

Температура на входе в конденсатор I-A ступени

Температура на выходе иэ конденсатора I.й ступени

Температура на входе в камеру вскипзния I-й ступени

Температура на выходе иэ камеры ескипания I-» ступени

Температура на входе в камеры вскипания, И-й ступени

Температура на выходе иэ камеры вскипания II-й ступени

Эффективность гомогениэзции: отстой жира. средний раэмер жировых шариков, мкм

19

34

19

34

17

47

34

35

75

95

95

75

70, 70

70

65

65

70

70

65 .

65

65

65

65

52

25-30

25-30 25-30

25-28

15-20

1.5-2

l0-15

28-30

20-25

1.5

2,0

2,0

2.0

2.0

2,0

2.0 держивается давление 0,15-0,3 10 Па. В результате в процессе взрывного вскипания происходит диспергация молока с выделением паровой фазы. По степени дисперсности жировой фазы молока глубина 5 диспергирующего воздействия соответствует границе "хорошая — слабая".

Затем молоко из камеры вскипания первой ступени подается молочным насосом 18 через диспергатор 6 в камеру вскийания 10 второй ступени гомогенизации 9, где поддерживается давление 0,03-0,15 10 ° Па.

При этом температура подаваемого молока выше температуры насыщения при данном давлении на 20-30 С. Происходит процесс 15 диспергации, в результате чего после второй ступени гомогенизации полученная дисперсность жировой фазы молока соответствует области "хорошей" глубины диспергирующего воздействия, а также 20 осуществляется стабилизация диспергированной жировой фазы.

Далее охлажденное почти до температуры насыщения при данном давлении гомогенизированное молоко, молочным 25 насосом 18 откачивается из камеры вскипания второй ступени гомогенизации 9, проходит охлаждение в заводской охладительной установке и выдается потребителю.

Кроме того, учитывая универсальность 30 установки, предложенный способ и конструкция позволяет получить примерно на "

10;4 обогащенное белками молоко за счет его упарки в случае применения в конденсаторах установки воды в качестве хладоаген- 35 та.

Использование предлагаемого способа получения гомогенизированного молока и конструкция для его реализации позволяет по сравнению с прототипом повысить каче- 40 ство гомогенизации молока. Одновременно снижаются энергозатраты и металлоемкость установки.

Формула изоб ретения

1. Способ гомогенизации молока, предусматривающий нагрев исходного молока и диспергирование его в вакууме, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения эффективности и экономичности процесса гомогенизации, нагрев молока ведут до 7595, а диспергирование проводят путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, в первой из которых поддерживаютдавление(0 15-0,3) 10 Па, а во второй (0,03-0,15) 10 Па с последующей конденсацией выделившейся паровой фазы молока путем одновременной йодачи ее и охлажденного до 2-8 С исходного молока в камеры кондейсации с давлением (0,03 — 0,15) 10 Па и(0,15-0,3) 10 Па.

2. Устройство для гомогенизации молока, содержащее вакуумную камеру с патрубками подвода и отвода молока, патрубком выхода неконденсирующихся газов и диспергаторы, укрепленные йа патрубках под-. вода молока, о т л и ч а ю @ е е с-я тем, что, с целью повышения эффективности и экономичности процесса гомогенизации, вакуумная камера выполнена двухсекционной, каждая из секций разделена перегородкой на камеры вскипания и камеру конденсации, связанные между собой при помощи патрубка выхода паров молока, вход которого расположен в верхней части перегородки, а выход — у основания камеры конденсации, при этом в верхней части перегородки между секциями размещен регулятор перепада давления, а каждый диспергатор выполнен в виде конусной диафрагмы с углом конуса 140-160 и центральным отверстием с соотношением толщины диафрагмы к диаметру отверстия

1/5-1/50.

Составитель Н, Абрамова

Редактор Т. Полионова Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Н. Кешеля

Заказ 4224 Тираж, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101