Исследование процессов криоконцентрирования молочной сыворотки

Показатель	Молочная сыворотка
	подсырная	творожная	казеиновая
Сухие вещества, %	4,5-7,2	4,2-7,4	4,5-7,5
В том числе: лактоза	3,9-4,9	3,2-5,1	3,5-5,2
минеральные вещества	0,3-0,8	0,5-0,8	0,6-0,9
молочный жир	0,2-0,5	0,05-0,4	0,02-0,1
Кислотность, ° Т	15-20	50-85	50-120
Плотность, кг/м3	1018-1027	1019-1026	1020-1025

Состав молочной сыворотки варьируется в относительно широком интервале в зависимости от ряда факторов: для подсырной – от вида вырабатываемого сырья и его жирности; творожной – от способа производства творога и его жирности; казеиновой – от вида вырабатываемого казеина [3]. Из-за низкого содержания сухих веществ (4,2–7,5 %), а также вследствие высокой микробиологической обсемененности, данный вид сырья является скоропортящимся продуктом, требующим дополнительной переработки с целью про- дления сроков его хранения. Для этой задачи используются различные виды технологической переработки. Например, в последние годы достаточно широкое распространение получило вакуумное выпаривание. Несмотря на некоторые преимущества, данный технологический процесс достаточно сложен технически, энергоемок и сопровождается необратимыми изменениями продуктов в процессе переработки.

Анализ существующих в настоящее время способов концентрирования показывает, что разделительное вымораживание является одним из наиболее перспективных способов переработки и консервирования молочной сыворотки. Криоконцентрирование проводится при низких температурах, что позволяет исключить денатурацию белковых фракций молочной сыворотки и сохранить ценные термолабильные компоненты [4–6].

На степень эффективности криоконцентрирования влияет множество факторов, таких, как вид кристаллизатора, температура, время вымораживания и т.д. Подбор режимов криоконцентрирования направлен на повышение степени концентрирования продукта с минимальными энергетическими и временными затратами.

Цель исследований . Изучение процессов разделительного вымораживания молочной сыворотки для выявления оптимальных режимов технологического процесса данного вида переработки.

Материалы и методы исследований . Для проведения исследований был использован криоконцентратор емкостного типа, разработанный на кафедре теплохладотехники Кемеровского технологического института пищевой промышленности. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Лабораторный криоконцентратор емкостного типа:

1 – электродвигатель мешалки; 2 – теплоизолированная крышка; 3 – мешалка; 4 – заливная горловина; 5 – цилиндрическая емкость; 6 – хладоноситель; 7 – теплоизоляция; 8 – змеевик испарителя; 9 – сливное отверстие; 10 – сливной трубопровод; 11 – запорный вентиль; 12 – капиллярная трубка;

13 – фильтр-осушитель; 14 – герметичный компрессор; 15 – воздушный конденсатор; 16 – вентилятор конденсатора; 17 – кожух вентилятора; 18 – электродвигатель вентилятора

Хладоснабжение лабораторного стенда осуществляется одноступенчатой холодильной машиной. Перед началом эксперимента молочная сыворотка (творожная) объемом 3 л, предварительно охлажденная до температуры 6 ° С, заливалась в рабочую емкость, охлаждаемую испарителем (9) до заданной температуры, после чего начинался процесс кристаллизации влаги на стенках емкости. С интервалом в 60 мин производился замер плотности незамерзшего раствора (концентрата) с помощью набора ареометров. Регистрация и контроль температуры в рабочей емкости производились с помощью хромель-копелевых термопар, измерителя-регулятора ТРМ202 и аналогового модуля ввода МВА8. Схема расположения термопар представлена на рис. 2.

Температура хладоносителя регулировалась по термопаре №2, температурный дифференциал был установлен в 0,5°С. Эксперименты проводились при температурах -2, -4, -6°С. Опыт завершался в момент, когда количество вымороженного льда достигало 60 % от первоначального количества сыворотки. Температурные зависимости обрабатывались в программе Microsoft Excel.

Рис. 2. Схема расположения термопар в рабочей емкости

Результаты исследований и их обсуждение . На рисунке 3 представлены графики изменения температур в рабочей емкости криоконцентратора в процессе разделительного вымораживания при установленных температурах -2, -4, -6 ° С.

Время, час.

““Термопара №2         ^“Термопара №3

““ Термопара №4          ^^"Термопара №1

а                                            б

в

Рис. 3. Графики изменения температуры в рабочей емкости криоконцентратора в процессе разделительного вымораживания при заданной температуре -2 (а), -4 (б), -6 ⁰ С (в)

Из представленных графиков на рис. 3 следует, что в начале процесса разделительного вымораживания происходит охлаждение молочной сыворотки от температуры 6 ° С до криоскопической температуры, после чего наблюдается значительное снижение скорости изменения температуры. Поскольку в криоконцентраторе используется верхняя подача хладоносителя, то наиболее низкая температура фиксировалась термопарой №1. Переохлаждение в данной точке от установленной температуры к концу процесса вымораживания составило 0,45; 0,6; 2,55 ° С при установленных температурах -2, -4, -6 ° С соответственно. Во всех случаях наблюдалось сходство температурных кривых термопар №3 и №4. При установленной температуре -2 ° С общее время вымораживания составило 11 ч, в этом случае наблюдалось наибольшее соответствие температур термопар №2, №3 и №4 заданному значению на протяжении всего эксперимента. В случае, когда вымораживание происходило при заданной температуре -4 и -6 ° С, время вымораживания составляло 9 и 5 ч соответственно, а температура в точках термопар №3 и №4 не достигала установленного значения к концу эксперимента.

Графики изменения плотности концентрата молочной сыворотки в процессе разделительного вымораживания представлены на рис. 4.

а       б              Время, ч

Рис. 4. Графики изменения плотности концентрата молочной сыворотки в процессе разделительного вымораживания при температуре -2 (а), -4 (б), -6 ⁰ С (в)

Исходная молочная сыворотка характеризовалась плотностью 1028–1029 г/см³. К концу процесса вымораживания наибольшая плотность концентрата (1045 г/см³) наблюдалась при установленной температуре -6 ° С. Криоконцентрирование при более низкой температуре, несмотря на сокращение продолжительности процесса, нецелесообразно вследствие повышения потерь сухих веществ. Вымораживание при температуре выше -6 ° С характеризуется значительным уменьшением плотности концентрата молочный сыворотки. Скорость увеличения концентрации в незамерзшей сыворотке определялась по следующей формуле:

ν ρ

ρ _i

-

^ρ i - 1

τ

где ν – скорость увеличения концентрации, г/(см³·ч); ρ – плотность концентрата в i-час времени от начала кристаллизации, г/см³; τ – время, ч.

По расчетным данным были построены графики скорости изменения плотности концентрата в зависимости от времени (рис. 5) и от плотности (рис. 6).

Время, ч

- ♦ - а И б А в

Рис. 5. График зависимости скорости изменения плотности концентрата молочной сыворотки в процессе разделительного вымораживания от времени при температуре -2 (а), -4 (б), -6 ⁰ С (в)

Плотность концентрата, г/м3

- ♦ - а И б А в

Рис. 6. График зависимости скорости изменения плотности концентрата молочной сыворотки в процессе разделительного вымораживания от плотности при температуре -2 (а), -4 (б), -6 0 С (в)

В случае, когда температура хладоносителя составляла -4 и -6 ° С, наибольшая скорость изменения плотности концентрата наблюдалась в первые 2 ч вымораживания и составляла соответственно 1,7 и 2,3 г/см³·ч. При температуре -2ºС наиболее высокая скорость концентрирования наблюдалась через 3 ч после начала кристаллизации (1,36 г/см³·ч). В дальнейшем данные показатели снижались и через 11 ч достигали значения в 1–1,35 г/см³·ч. Максимум скорости изменения плотности концентрата молочной сыворотки приходился на интервал плотности 1030–1033 г/см³ (рис. 6).

Заключение . Таким образом, в ходе настоящей работы был исследован процесс криоконцентрирования молочной сыворотки при различных температурах. Установлено, что при разделительном вымораживании 60 % раствора общее время данного процесса при температурах -2, -4, -6ºС составляет соответственно

• 11,    9 и 5 ч. Наибольшая скорость концентрирования наблюдается в первые 2–3 ч от начала процесса кристаллизации и приходится на интервал плотности 1030–1033 г/см³. Анализируя результаты экспериментов, можно заключить, что оптимальная температура разделительного вымораживания молочной сыворотки в емкостном криоконцентраторе составляет -6 ° С, при этом имеется возможность получить концентрат плотностью 1045 г/см³, объемом 40 % от исходной сыворотки, остальная часть которой может направляться на вторичное концентрирование для уменьшения потерь сухих веществ. Криоконцентрирование при более высокой температуре нецелесообразно вследствие увеличения продолжительности процесса, а также снижения концентрата молочной сыворотки, а при более низкой температуре в процессе концентрирования увеличиваются потери сухих веществ. Исходя из анализа проведенных исследований, следует сделать вывод, что криоконцентрирование наиболее выгодно производить в течение 2–3 ч, когда скорость изменения плотности концентрата максимальна.