Концентрирование творожной сыворотки разделительным вымораживанием

Введение. Развитие технологий переработки пищевого сырья всегда являлось актуальной задачей пищевой промышленности. Разделительное вымораживание является одним из наиболее щадящих способов переработки жидких пищевых продуктов, позволяющих повысить их концентрацию для продления сроков хранения либо для выделения определенных компонентов [1–3]. На эффективность данного процесса влияет ряд технологических факторов: продолжительность процесса, геометрические размеры и форма кристаллизатора, температура теплообменной поверхности, а также индивидуальные особенности химического состава и строения самого концентрируемого продукта [4].

Цель работы . Исследование процессов, происходящих при криоконцентрировании молочной сыворотки.

Задачи : установить динамику изменения массы вымороженного льда от продолжительности процесса криоконцентрирования; исследовать динамику изменения концентрации сухих веществ в процессе разделительного вымораживания молочной сыворотки.

Результаты и их обсуждение . В рамках исследования были проведены опыты по разделительному вымораживанию молочной сыворотки в кристаллизаторе емкостного типа при температурах теплообменной поверхности от минус 2 до минус 10 °С с шагом в 2 градуса. Концентрированию подвергалась молочная сыворотка в объеме 3,5 л.

В ходе проведения экспериментов определяли количество образовавшейся кристаллической фазы и проводили расчет толщины слоя льда. Для этого вначале был произведен расчет ее высоты (м) по следующей формуле:

4 • V h = 4 ⋅ Vсм , л2

где V см – объем водоледяной смеси, м³; D – диаметр рабочей емкости вымораживателя (0,174 м).

При определении объема водоледяной смеси учитывались значения плотности воды и льда, составляющие соответственно 0,9982 и 0,917 г/см³.

Далее проводился расчет внутреннего диаметра замерзшего ледяного массива, м

^D л.м.

D ² - 4 ⋅ V л π ⋅ h _л

где V л – объем образовавшегося льда, м³.

Толщина намороженного слоя льда (мм) определялась по следующей формуле:

S = ^{D - D л.м.} ⋅ 1000 .         (3)

На рисунке 1 представлена динамика изменения массы образующегося льда, а на рисунке 2 – динамика изменения толщины слоя льда, а также скорости изменения толщины слоя льда, которая рассчитывалась по следующей формуле:

ν = ^{δ 1 - δ 2} ,               (4)

τ где δ1 и δ2 – толщина слоя льда в заданные моменты времени, м; τ – время между измерениями толщины льда δ1 и δ2, часов.

Установлено, что наибольшая скорость льдообразования наблюдается на протяжении первых минут разделительного вымораживания. При температуре минус 2 °С через 5 минут процесса скорость льдообразования составляла 22 мм/ч, а при температуре теплообменной поверхности минус 10 °С это значение составляло 72 мм/час. На протяжении дальнейшего процесса вымораживания, с увеличением толщины слоя льда, повышается термическое сопротивление между теплообменными поверхностями кристаллизатора и ледяного массива, при этом площадь внутренней теплообменной поверхности ледяного цилиндра сокращается, а криоскопическая температура незамерзшего раствора понижается. Все это обуславливает снижение интенсивности образования льда: через 60 мин процесса скорость льдообразования составляла от 4 до 13 мм/ч. В течение последующих 2 часов вымораживания это значение снижается до 3– 8 мм/ч в зависимости от температуры теплообменной поверхности.

Продолжительность, мин

Температура, °C

Рис. 1. Динамика изменения массы вымороженной влаги в процессе криоконцентрирования молочной сыворотки на внутренней поверхности кристаллизатора

Через 180 мин процесса при температуре теплообменной поверхности минус 2 °С вымораживается 1,07 кг влаги, что составляет около 30 % от исходной массы сыворотки. Снижение температуры теплообменной поверхности до минус 6 и минус 10 °С влечет за собой увеличе- ние массы вымороженной влаги до 2,08 и 2,63 кг, что соответствует 60 и 75 % от массы исходной сыворотки.

В ходе вымораживания молочной сыворотки определялось также содержание сухих веществ в образуемом концентрате.

Продолжительность, мин

—♦—-2 —■—4 —*—6 —X—8 — —10

Температура, °C

а

Рис. 2. Динамика изменения толщины слоя льда (а) и скорости роста толщины слоя льда (б) в процессе криоконцентрирования молочной сыворотки на внутренней поверхности кристаллизатора

Для определения концентрации сухих веществ во льду использовали уравнение баланса [5]

Из уравнения (5) концентрация сухих веществ во льду определялась следующим образом [5]:

C 0 • m 0 = C K • ^тк + ^Сл • ^тл ,       (5)                  _С _ C 0 • m 0 - C K • ^тк .         (6)

л mл где С0 – содержание сухих веществ в исходном растворе, %; m0 – масса исходного раствора, кг;     На рисунке 3 приведена динамика изменения

С к – содержание сухих веществ в концентрате, %; _сод_ер_{жания с}у_{хих ве}щ_{еств в кон}ц_ентр_{ате и в} m к – масса концентрата, кг; С л – содержание образующемся льду.

сухих веществ во льду, %; mл – масса льда, кг.        Установлено, что чем выше температура те плообменной поверхности, тем более пологий характер имеет динамика изменения содержания сухих веществ в концентрате. То же самое относится к концентрации сухих веществ в образующемся льду. Во всех случаях наибольшая скорость повышения концентрации сухих веществ наблюдалась в течение первых 5–10 мин.

При температурах теплообменной поверхности ниже минус 6 °С через 30 мин после начала процесса наблюдается значительное снижение скорости повышения концентрации сухих веществ. Снижение эффективности криоконцентрирования в этом случае обусловлено слишком высокой скоростью льдообразования и как следствие – повышением интенсивности схватывания образующейся кристаллической фазой молекул сухих веществ концентрата.

При температуре теплообменной поверхности минус 2 °С через 180 мин процесса концентрация незамерзшего раствора составила 9,78 % при степени вымораживания 30 %. Снижение температуры теплообменной поверхности до минус 4 °С влечет за собой повышение концентрации незамерзшего раствора через 180 мин процесса до 10,3 %. Однако при этом также возрастает содержание сухих веществ в образующемся льду (рис. 3, б). При дальнейшем снижении температуры теплообменной поверхности наблюдается аналогичная динамика: при температуре теплообменной поверхности минус 10 °С содержание сухих веществ в концентрате и во льду составило соответственно 9,2 и 6,47 % при степени вымораживания 75 %.

а

б

Рис. 3. Динамика изменения содержания сухих веществ в концентрате (а) и в образующемся льду (б) в процессе криоконцентрирования молочной сыворотки на внутренней поверхности кристаллизатора

На рисунке 4 приведена динамика потерь сухих веществ во льду, значение которых определялось как отношение абсолютного содержания сухих веществ в концентрате к абсолютному содержанию сухих веществ в исходном растворе.

Через 180 мин наименьшие потери сухих веществ наблюдались при наиболее высокой температуре процесса (в данном случае при минус 2°С) и составляли около 5 %. Снижение температуры поверхности кристаллизатора до минус 6 и минус 10 °С влечет за собой повышение потерь сухих веществ до 42 и 66 % (через 180 мин процесса).

Продолжительность, ллин

-8 -•—10

Температура, °C

Рис. 4. Динамика зависимости потерь сухих веществ от продолжительности разделительного вымораживания молочной сыворотки на внутренней поверхности кристаллизатора

Выводы . Таким образом, были исследованы процессы разделительного вымораживания творожной сыворотки на внутренней теплообменной поверхности. Установлено изменение сухих веществ в процессе криоконцентрирования. Обнаружено, что наибольшая эффективность процесса наблюдается при температуре поверхности кристаллизатора минус 2 °С. При данной температуре вымораживается порядка 30 % исходного раствора, концентрация сухих веществ в незамерзшем растворе составляет 9,78, а критерий эффективности равен 0,95 (через 180 мин процесса).