Поточный кристаллизатор-охладитель для сгущенных молочных консервов с сахаром

В молочной промышленности процесс кристаллизации непосредственно связан с получением молочного сахара, производством сухого молока, мороженого, сухой молочной сыворотки и сгущенного молока с сахаром [1-3]. В технологических процессах последних продуктов неконтролируемая кристаллизация способствует формированию крупных кристаллических структур лактозы, что придает изделиям мучнистую и иногда песчанистую текстуру, сокращая сроки годности продукции. [4].

Факторы кристаллизации лактозы

Анализ компонентного состава сгущенного молока с сахаром показывает, что лактоза пребывает в состоянии пересыщения, что обусловливает ее способность к кристаллизации. Для снижения пересыщения и предотвращения неконтролируемого роста кристаллов лактозынеобходимосоздаватьусловия, способствующиевозникновению максимально возможного количества мелкодисперсных кристаллов с размером, не превышающим 10 мкм. К таким условиям относятся: температурный режим, режим перемешивания, а также использование затравки.

Температура кристаллизации оказывает в целом положительное влияние на скорость роста кристаллов. При более высокой температуре снижается вязкость раствора, что облегчает диффузию молекул. При этом значительное влияние температуры проявляется в увеличении числа ядер кристаллизации, что ведет к формированию более мелких кристаллов. При положительной температурной растворимости повышение температуры сопровождается уменьшением степени пересыщения раствора и, следовательно, снижением движущей силы процесса.

Значимое влияние на размер кристаллов оказывает интенсивность перемешивания раствора. С одной стороны, активное перемешивание способствует переносу вещества к граням кристаллов, стимулируя их рост, с другой — инициирует образование новых ядер, что приводит к накоплению мелкодисперсных кристаллов. Таким образом, перемешивание вызывает два противоположных явления. Подбор оптимальной скорости перемешивания, определяющей баланс между производительностью кристаллизатора и требуемым размером кристаллов, является критически важной задачей для рациональной организации массовой кристаллизации.

В производстве сгущенных молочных консервов, где часть лактозы находится в кристаллической форме, положительное воздействие механического воздействия на массовое зарождение кристаллов достигается за счет перемешивания мешалками и особенно распыления продуктаприподаченаохлаждениеввакуум-охладителе. Использование пластинчатого охладителя также способствует формированию мелких и однородных кристаллов [6-7].

Экспериментальные исследования применения механической вибрации и пропускания сгущенного молока с сахаром между вращающимися фарфоровыми вальцами подтвердили положительное влияние этих методов на инициирование кристаллизации лактозы.

Ультразвуковое воздействие ускоряет формирование центров кристаллизации с незначительным влиянием на линейную скорость роста кристаллов. Влияние ультразвука выражается в увеличении скорости кристаллизации в сотни раз. Аналогичное действие оказывает электрическое поле. При воздействии магнитного поля отмечается не только ускорение кристаллообразования, но и снижение дефектности формирующихся кристаллов.

Размер кристаллов также зависит от присутствия примесей. Наличие поверхностно-активных веществ в растворе, даже в следовых количествах, может существенно влиять как на форму, так и на размер кристаллов. Некоторые из этих веществ при определенных условиях могут приостанавливать рост крупных кристаллов или, напротив, способствовать ему.

Кроме перечисленных факторов, важное значение в процессе кристаллизации принадлежит затравке, играющей роль базисной поверхности кристаллизации в условиях гетерогенного механизма зародышеобразования, характерного для лактозы. Спонтанное образование зародышей в сложных растворах возможно лишь при высоких степенях пересыщения, сопряженных с большими энергетическими затратами.

В условиях гетерогенного механизма формообразования зародышей, присущего лактозе, необходима базисная поверхность — затравка из мелкокристаллической рафинированной лактозы. Суть процесса заключается в том, что при подаче продукта на охлаждение в вакуум-охладитель образуются локальные скопления растворенной лактозы, размеры которых приближаются к критическим для зарождения кристаллов, но не достигают их, и молекулы в растворе еще не располагаются в узлах кристаллической решетки. В подобных условиях спонтанная кристаллизация не происходит, поэтому обязательна затравка.

Введение затравки стимулирует образование множества центров кристаллизации, частично снижая степень пересыщения и замедляя последующий рос кристаллов [8-11].

Все вышеописанные процессы и факторы реализуются в технологии производства сгущенных молочных консервов с сахаром на этапе охлаждения продукта.

Известны различные режимы охлаждения сгущенных молочных консервов, реализуемые в кристаллизаторах-охладителях: 1) простейшие периодические кристаллизаторы с охлаждением раствора — вертикальные цилиндрические аппараты с охлаждающими змеевиками

(или рубашками) и механическими мешалками; 2) барабанные кристаллизаторы с воздушным или водяным охлаждением; 3) вальцовые кристаллизаторы; 4) вакуум-кристаллизаторы.

Современные усовершенствования кристаллизаторов направлены преимущественно на увеличение площади теплообмена, оптимизацию форм мешалок и повышение мощности при сохранении габаритных параметров, что особенно актуально для малых пищевых предприятий.

Известен двухступенчатый режим охлаждения , при котором на первой стадии температура сгущенного молока снижается с 60 °С до 33±2 °С за 2 минуты с выдержкой при данной температуре в течение 30 минут, а на второй — с 33±2 °С до 20 °С за 2 минуты с последующей выдержкой 60 минут. При температуре активной кристаллизации 33±2 °С в продукт вводится затравка в виде суспензии кристаллов лактозы в растительном масле в количестве 0,02% от массы продукта. Быстрое охлаждение на первой стадии вызывает значительный рост степени пересыщения, стимулируя интенсивную начальную кристаллизацию и формирование большого количества мелких кристаллов, что способствует эффективному снижению пересыщения и замедлению последующего роста кристаллов. Образующиеся при этом кристаллы не ощущаются органолептически, что повышает качество продукции.

Цель и объекты исследования

Цель работы — разработка кристаллизатора для сгущенных молочных консервов с сахаром, обеспечивающего реализацию двухступенчатого режима охлаждения и повышение качества продукции за счет оптимизации процесса поточной кристаллизации лактозы.

Материалы и методы

Для реализации двухступенчатого режима охлаждения разработана конструкция кристаллизатора (рисунок 1), включающая две основные части: спиральную и шнековую.

Выбор спирального аппарата обусловлен его минимальным гидравлическим сопротивлением и, как следствие, сниженным энергопотреблением при перекачке вязких жидкостей, таких как сгущенное молоко с вязкостью 1-3 Па×с.

Главное преимущество шнекового аппарата — его компактность. Особенности конструкции позволяют использовать комбинацию вложенных лент и формировать несколько рабочих камер.

Рисунок 1 – Схема кристаллизатора-охладителя: 1 – спиральная часть, 2 -шнековая часть

Спиральная часть (1) состоит из двух спиралей, образующих каналы для изолированного перемещения продукта и хладоносителя, заключенных во внешнюю обечайку. Верхняя часть обечайки оснащена фланцем для крепления эллиптической крышки с герметичным болтовым соединением. Центр крышки снабжен патрубком с фланцем для подачи продукта, а боковая поверхность обечайки — патрубком для подвода хладоносителя. В днище размещены прямоугольный люк для выгрузки охлажденного продукта и патрубок для вывода отработанного хладоносителя. Нижняя часть обечайки крепится через фланец к верхней крышке промежуточной камеры шнековой части.

Шнековая часть (2) включает три камеры: одну промежуточную и две рабочие. Основная функция промежуточной камеры — размещение вывода трубопровода хладоносителя из спиральной части, передача вращения на вал шнека нижней рабочей камеры, а также установка трубопровода с форсункой для внесения затравки. Конструкция камеры выполнена из торцевых и боковых стенок и крышек, соединенных болтовыми соединениями с герметичными прокладками.

Рабочая камера имеет двухъярусную конструкцию для повышения компактности. Каждый ярус представляет собой желоб с расположенным в нем ленточным шнеком, который состоит из вложенных одна в другую лент полого сечения. Вал шнека в рабочей части — полый цилиндр, соединенный цилиндрическими перегородками с лентами шнека и предназначенный для движения хладоносителя внутри вала и лент.

Желоб укреплен ребрами жесткости, приваренными к боковым стенкам. Торцевые крышки рабочих камер обеспечивают вращение вала и служат камерами-бобышками для подвода хладоносителя к валу шнека. Торцевая крышка со стороны спиральной части имеет отдельные камеры, а с противоположной стороны — объединенную камеру для подачи хладоносителя с нижнего яруса в верхний. Для предотвращения протечек валы шнеков установлены в подшипниковых узлах с сальниковыми уплотнениями. Между камерами и ярусами размещены промежуточные металлические прокладки-крышки. Все соединения выполнены болтовыми с герметичными прокладками.

Для охлаждения выбран пропиленгликолевый хладоноситель, обладающий рядом преимуществ: отсутствие осадкообразования, отсутствие коррозии металлических поверхностей, высокая термостойкость и отличные смазочные свойства. Важным условием является нетоксич-ность, что делает возможным использование в пищевой промышленности без ущерба для окружающей среды и здоровья.

Результаты и выводы

Разработанная конструкция кристаллизатора способствует значительному улучшению качества сгущенного молочного продукта за счет реализации двухступенчатого режима охлаждения с контролем роста кристаллов лактозы. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики гранулометрического состава кристаллов лактозы в процессе хранения при температуре не выше 10ºС

Способ	Продолжительность хранения	Показатели Средний размер кри- Коэффициент сталлов лактозы, мкм однородности
Традиционный способ охлаждения	2 суток	6,35±0,32	0,65
	2 мес	6,80±0,32	0,60
	6 мес	7,30±0,32	0,56
	13 мес	7,80±0,32	0,50
Двухступенчатый способ охлаждения	2 суток	4,80±0,20	0,75
	2 мес	4,95±0,20	0,72
	6 мес	5,75±0,20	0,65
	13 мес	6,00±0,20	0,60

В результате опытно-промышленной апробации установлено, что использование двухступенчатого режима охлаждения положительно сказываетсянакачествахготовойпродукциипосравнениюсклассическим подходом, прежде всего благодаря снижению среднего линейного размера кристаллов лактозы на 18–25%, что также подтверждено результатами органолептической экспертизы. Применение данного способаспособствуетсокращениюпродолжительноститехнологического цикла кристаллизации на 65%.

С экономической точки зрения внедрение двухступенчатого метода охлаждения позволяет уменьшить производственные затраты на 10% по сравнению с традиционными вакуум-охладителями, обусловлено более эффективным использованием энергетических и материальных ресурсов.

Вывод

Разработанный кристаллизатор охладитель может быть рекомендован на предприятиях молочно-консервной промышленности.