Разделительное вымораживание при переработке обезжиренного молока

Введение. Одной из первостепенных задач государственной политики в нашей стране является задача обеспечения населения полноценными в биологическом плане продуктами питания. Многие потребляемые пищевые продукты относятся к разряду скоропортящихся. В связи с этим решение вопросов по сохранению их в должном качестве для потребителей является одним из основных направлений в научных исследованиях [1, 2].

При хранении молока, его транспортировке и предварительной обработке могут происходить структурные изменения его основных компонентов – белков и жира, а также могут изменяться его физико-химические, технологические и органолептические показатели. Изменяя содержание свободной воды в молоке и молочном сырье, можно регулировать активность и состав микрофлоры, а также ограничить разрушительное действие ферментов и микроорганизмов. Современные технологические и технические методы обезвоживания позволили решить проблему сохранения должного качества скоропортящихся пищевых продуктов на длительный срок [3].

Концентрирование молочных продуктов осуществляется не только в целях продления сроков годности и выделения из них определенных компонентов для их последующего использования, но и для уменьшения их объема и сокращения расходов по упаковке, хранению и транспортировке с целью более полного соответствия производства пищевых продуктов имеющимся экономическим условиям.

Рассматривают разные способы удаления воды: в виде пара (выпаривание), в жидком виде (молекулярная фильтрация), а также в замороженном виде (криоконцентрирование). При любом способе концентрирования молочных продуктов сгущение должно происходить без необратимых изменений свойств и состава исходного сырья [1, 4].

Метод криоконцентрирования (концентрирование вымораживанием) является перспективным методом, уже применяющимся в промышленности. Криоконцентрирование состоит из двух последовательных этапов: кристаллизация влаги, которая осуществляется в специальном оборудовании (кристаллизаторах), и сепарирование, то есть отделение льда от концентрированного раствора. Основным преимуществом концентрирования молока и молочных продуктов при пониженных температурах является максимально возможное сохранение исходных свойств, ценных термолабильных компонентов (углеводов, белков, витаминов), ароматических и вкусовых соединений, а также высокая степень сохранности качественных показателей продуктов, так как процесс полностью протекает при температурах ниже 0о С. При вымораживании биохимические изменения в продукте незначительны, вследствие чего получаются концентраты высокого качества, а отделенная по окончании криоконцентрирования чистая вода может быть использована в последующих технологических процессах [5].

При использовании криоконцентрирования имеется возможность применения более дешевого конструкционного материала, так как в условиях низких температур медленнее проходят процессы коррозии технологического оборудования [6]. При переводе одного килограмма воды в лед необходимо отвести всего 334 кДж теплоты. Если использовать для отвода теплоты холодильные машины, имеющие эффективный холодильный коэффициент 2 ^ 2,5, то, соответственно, можно уменьшить и эти затраты. В странах с холодным климатом, где имеется возможность использования естественного холода, что позволяет на порядок снизить расходы электроэнергии, концентрирование вымораживанием приобретает особую ценность [7].

Таким образом, в совокупности с достаточно высоким качеством получаемого продукта и сравнительно низкой стоимостью используемого технологического оборудования, необходимого для реализации данного метода концентрирования, применение разделительного вымораживания представляется эффективным методом концентрирования молока и вторичного молочного сырья.

Цель работы. Исследование влияния разных температурных режимов на процесс разделительного вымораживания молока с содержанием жира 1 %.

Методы и объекты исследований. Экспериментальные исследования проводились на базе НОЦ кафедры «Теплохладотехника» ФГБОУ ВО «КемТИПП (университет)». Использовалось молоко производства ОOО «Анжерское молоко» (Кемеровская область) с массовой долей жира 1%. Перед криоконцентрированием исходное молоко предварительно охлаждали до 3,5^о С.

Концентрирование молока осуществлялось в емкостном криоконцентраторе вместимостью 3,5 л. Схема емкостной цилиндрической установки разделительного вымораживания представлена на рисунке 1. Конструкция криоконцентратора защищена Патентом РФ [8].

Рис. 1. Схема установки для разделительного вымораживания:

1 – электродвигатель мешалки; 2 – теплоизолированная крышка; 3 – венчик; 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; 17 – кожух вентилятора; 18 – электродвигатель вентилятора

Разделительное вымораживание осуществляется на внутренней поверхности цилиндрической емкости. После достижения заданной толщины льда на теплообменной поверхности производится удаление молочного концентрата через сливной патрубок 10 . Затем производится плавление вымороженной фракции, намерзшей на внутренней поверхности емкости, встроенным ТЭНом, размещенным в коаксиальном пространстве между двумя цилиндрическими емкостями. После чего осуществляется удаление образовавшейся водной фракции через тот же сливной патрубок 10 .

Результаты исследований и их обсуждение. Проводилось тестирование работы установки для разделительного вымораживания при температурных режимах, -2, -4, -6 и -8^оС, выбранных для изучения процессов вымораживания молока, с шагом изменения температуры Δ t=0,5^о С. Контролировали изменение следующих параметров: температура вымораживаемого молока, температура охлаждающей жидкости криоконцентратора (водный раствор пропиленгликоля). Понижение температуры молока при всех температурных режимах происходило однотипно, постоянное значение температуры вымораживаемого молока устанавливалось примерно через 30 минут. На рисунке 2 приведена зависимость изменения температуры охлаждающей жидкости и молока при -8^оС в течение 180 минут.

Колебания температуры охлаждающей жидкости (водный раствор пропиленгликоля) при температурных режимах -2, -4, -6 и -8^оС происходили в среднем в интервале ± 0,5^о С, что позволяет сделать вывод о стабильности поддержания заданной температуры в криоконцентраторе при всех вышеуказанных температурных режимах.

Рис. 2. Зависимость температуры охлаждающей жидкости

(-▲ -) и молока (-■-) при -8оС от времени

На рисунке 3 представлены зависимости массовой доли (ω) и толщины слоя (h) вымороженной фракции молока от времени при -8оС. Толщина слоя вымороженной фракции молока увеличивается с течением времени практически линейно.

Рис. 3. Зависимость толщины слоя (h -▲ -) и массовой доли (ш -■-) вымороженной фракции молока от времени

Процесс вымораживания обезжиренного молока происходил неравномерно: по мере вымораживания воды концентрация раствора повышалась, что в свою очередь сопровождалось снижением температуры замерзания.

Исследовалось влияние температурных режимов (-2о, -4о, -6о и -8о С) на толщину слоя и массовую долю вымороженной фракции молока (рис. 4–6).

Время, час

Рис. 4. Зависимость толщины слоя вымороженной фракции от времени: 1 – -2оС; 2 – -4о С; 3 – -6о С; 4 – -8о С

Рис. 5. Схематичное изображение слоя вымороженной фракции, полученной в цилиндрическом сосуде криоконцентратора

Зависимость массовой доли вымороженной фракции молока от толщины ее слоя и диаметра цилиндра (рис. 5), а также от плотности, изменяющейся в зависимости от температуры и времени вымораживания исходного молока, может быть описана формулой nhp (D 8 - 82 )

т =--------, т0

где m 0 – исходная масса вымораживаемого молока;

• h – высота полого цилиндра вымороженной фракции;

• D – диаметр внешнего цилиндра;

• δ – толщина слоя вымороженной фракции молока; δ =0,5·(D-d) , где d – внутренний диаметр слоя вымороженной фракции;

• ρ – плотность полученной вымороженной фракции.

Рис. 6. Зависимость массовой доли вымороженной фракции от времени:

1 – -2оС; 2 – -4о С; 3 – -6о С; 4 – -8о С

Анализ данных, представленных на рисунке 6, показывает, что понижение температуры вымораживания заметно влияет как на количество вымороженной из исходного продукта влаги, так и на качество получаемого концентрата. Увеличение скорости вымораживания вследствие применения более низких температур влияет на размер и скорость образования кристаллов льда. При температуре -2оС вымораживание происходит медленно и равномерно, что обеспечивает более полное разделение составных частей молока, однако процесс вымораживания до достижения нужной концентрации требует большого количества времени. При температурных режимах -6о С и -8о С вымораживание происходит слишком быстро, вследствие чего в вымороженный лед попадают составные части молока в значительном количестве, что сказывается на качестве получаемого концентрата. Наиболее оптимально процесс концентрирования (с учетом затраченного времени и качества полученного концентрата) происходит при -4о С.

Выводы. В ходе проведения экспериментальных исследований в емкостном криоконцентраторе вместимостью 3,5 л получены данные об изменении массовой доли и толщины слоя вымороженной фракции молока с массовой долей жира 1% в зависимости от времени и температуры вымораживания. Полученные результаты говорят о том, что для криоконцентрирования молока с содержанием жира 1% оптимальной является температура минус 4^оС.