2015-04-01
9659
Физическая сущность процесса сепарирования молока, как и любой гетерогенной системы, заключается в осаждении дисперсной фазы в поле действия гравитационных и центробежных сил. Дисперсной фазой в молоке являются частицы молочного жира сферической формы.
Жировые шарики имеют меньшую плотность, чем молоко, поэтому они стремятся всплыть на поверхность. Процесс разделения, учитывающий микроскопические размеры и сферическую форму жировых шариков, хорошо моделируется уравнением Стокса в поле действия центробежных сил.
(1)
где V - скорость подъема жирового шарика, м/с;
r -радиус жирового шарика, м;
pпи pж - плотности плазмы и жирового шарика, кг/м3;
m - вязкость молока, Па×с;
n -частота вращения барабрана, с –1;
R-средний радиус рабочей части тарелки сепаратора, м.
В соответствии с этим законом скорость выделения жировой фракции из молока находится в прямой зависимости от размеров и плотности жировых шариков, габаритов и скорости вращения барабана и в обратно пропорциональной зависимости от вязкости молока. Приведенная формула не характеризует весь процесс разделения, она только демонстрирует скорость движения жировой частицы при выделении ее из общей массы молока в межтарелочном пространстве барабана сепаратора. В сыром молоке этот процесс происходит быстрее, благодаря более активной агглютинации жировых шариков, в пастеризованном - медленнее.
Жировые шарики в межтарелочном пространстве вращающегося барабана сепаратора участвуют в сложном движении,потому что движение потока молока - ламинарное, а частиц в молоке - плоскопараллельное, без завихрений.
Факторы, влияющие на эффективность процесса сепарирования
На процесс сепарирования молока в первую очередь оказывает влияние чистота и свежесть молока. Чем меньше в молоке механических примесей и ниже титруемая кислотность, тем дольше работает сепаратор без остановки; кислотность молока перед сепарированием не должна превышать 22 °Т. Существует мнение, что с повышением кислотности молока нарастает вязкость, что затрудняет сепарирование. Однако, если проследить процесс сепарирования молока с разной кислотностью, можно наблюдать, что в начале сепарирования молоко с повышенной кислотностью обезжиривается также, как и свежее, но с увеличением продолжительности процесса сепарирования степень разделения ухудшается, хотя вязкость молока при повышении кислотности до 30°Т практически не повышается. Процессы, происходящие с белковой частицей в этот период, не нарушают её первоначальной структуры в такой степени, чтобы она оказывала влияние на внутрижидкостное трение, вплоть до начала видимого образования сгустка (40 °Т).
При сепарировании молока с повышенной кислотностью в грязевом пространстве сепаратора накапливаются, кроме обычной грязевой массы, также и взвешенные частицы белка. Чем выше кислотность, тем быстрее и больше выделяется белка в грязевое пространство в процентном отношении к просепарированному молоку.
Процесс обезжиривания в этот момент (пока идет заполнение грязевого пространства белком) не ухудшается, только незначительная часть жира с белком уносится в грязевое пространство. После заполнения грязевого пространства взвешенные частицы белка начинают накапливаться в межтарелочном пространстве, в результате чего сепарирующий объем барабана уменьшается, качество сепарирования значительно ухудшается. Происходит косвенное влияние кислотности молока на обезжиривание, как при сепарировании подогретого, так и холодного молока.
Нарастание кислотности молока приводит к изменению химических и физических свойств молока коллоидного состояния его белков, сопровождающемуся иногда выпадением хлопьев. В результате нарастает вязкость, что затрудняет сепарирование.
Одним из необходимых условий разделения молока на фракции является возможность проникновения жирового шарика через слой жидкости в межтарелочном пространстве, при этом, чем больше диаметр жирового шарика, тем этот процесс идет быстрее.
В этом случае на жировой шарик действуют сила потока новых порций молока, центробежные силы, отбрасывающие его к периферии, и силы выделившихся жировых шариков, двигающихся к центру. Более крупный жировой шарик достигает поверхности быстрее. Шарики диаметром менее 1,5 мкм большей частью, двигаясь по кривой, не успевают приблизиться к поверхности тарелки и уносятся потоком обезжиренного молока, ухудшая степень обезжиривания. Таким образом, чем больше в молоке будет шариков диаметром менее 1,5 мкм, тем хуже степень обезжиривания его.
Существенное влияние на процесс сепарирования оказывает плотность жировых шариков. С увеличением размеров жировых шариков и плотности молока ускоряется процесс сепарирования и отделения сливок. В то же время повышение вязкости молока приводит к снижению скорости выделения жировой фазы, так как вязкость среды препятствует движению шарика к поверхности низлежащей тарелки. Следует отметить, чем вязкость больше, тем больше времени требуется шарику для преодоления этого пространства.
Свежевыдоенное молоко имеет свою истинную ненарушенную структуру и характеризуется определенным числовым значением истинной вязкости, которая зависит от массовой доли жира, СОМО, степени дисперсности жира. В процессе хранения и переработки молока структура его изменяется, изменяется и численное значение вязкости. Изменение структуры молока в производстве связано с дестабилизацией и кристаллизацией жира, агрегированиемжировых шариков, свертыванием и денатурацией белков.
При механическом или тепловом воздействии на хранившееся молоко образовавшаяся структура его разрушается, и вязкость понижается почти до первоначальной. К обратимым процессам относятся: кристаллизация жира, агрегирование жировых шариков и кислотное свертывание белка в начальный период - до образования сгустка. Изменение структуры молока, в котором участвует дестабилизация жира и денатурация белка, необратимо, и вязкость молока уже не восстанавливается до истинной. Процессы, которые способствуют образованию структурной вязкости, ухудшают сепарирование. Обратимые процессы можно направить на улучшение качества разделения молока на фракции при сепарировании.
При повышении температуры обработки и при механическом воздействии на молоко происходит разрушение структуры, приобретенной сырым молоком за время хранения. При повышении температуры до 40°С жировые шарики молока переходят в жидкое состояние, вязкость его понижается почти до первоначальной (как у свежевыдоенного), что способствует улучшению процесса сепарирования.
Оптимальной температурой сепарирования является 35-45°С, что обеспечивает хорошее обезжиривание. Иногда применяют высокотемпера-турное сепарирование при температуре 60-85 °С. При увеличении темпера-туры сепарирования повышается производительность сепарирования. Однако высокотемпературное сепарирование имеет ряд недостатков: увеличение содержания жира в обезжиренном молоке вследствие частичного выпадения альбумина, препятствующего выделению жира; сильное вспенивание сливок и обезжиренного молока; возрастание раздробления жировых шариков. Процесс сепарирования осуществляют и при низких температурах(так называемое холодное сепарирование характеризуется значительно меньшими энергетическими затратами). Но сепарирование при низких температурах на обычных сепараторах приводит к снижению их производительности почти в 2 раза из-за повышения вязкости и частичной кристаллизации жира.
При сепарировании холодного молока на обычных сепараторах возникают трудности, которые препятствуют нормальному разделению молока на фракции - сливки и обезжиренное молоко:
1) возрастающая вязкость молока;
2) увеличивающаяся жирность и вязкость сливок и «залипание» сливками барабана сепаратора.
С понижением температуры молока до (4±2)°Сабсолютная вязкость его возрастает, в результате чего повышается сопротивление продвижению жирового шарика в слое молока межтарелочного пространства сепаратора. Для преодоления возросшего сопротивления необходимо увеличить действие центробежной силы в барабане сепаратора на жировой шарик за счет повышения числа оборотов или увеличения диаметра барабана.
Увеличение диаметра тарелок необходимо произвести до таких размеров, чтобы произошло выделение жировых шариков диаметром 1,5 мкм при низких температурах в такой же степени, как при сепарировании молока с температурой (40±5) °С. Если увеличивать скорость вращения барабана сепаратора, исходя из расчетной формулы с учетом вязкости молока, то для развития требуемой центростремительной силы, позволяющей преодолеть возросшее сопротивление, потребуется увеличить число оборотов барабана сепаратора в минуту с 6500 до 9500. Это практически невозможно.
Вторая трудность состоит в том, что в процессе сепарирования холодного молока межтарелочное пространство барабана сепаратора и канал выхода сливок постепенно заполняются сливками повышенной вязкости и жирности 45-60 % и разделение прекращается. Механизм «залипания» состоит в том, что первые порции сливок, выделенные в межтарелочном пространстве сепаратора, двигаясь наружу, задерживаются на холодных стенках тарелок и каналах выхода, образуя пристенный слой, толщина которого увеличивается за счет притока новых порций. Из слоя сливок выпрессовывается влага, жирность их увеличивается, возрастает вязкость. Проход для выхода сливок уменьшается, происходит самоторможение, и через несколько минут после начала сепарирования межтарелочное пространство постепенно от центра к перифирии заполняется сливками повышенной жирности, тарелки «залипают». Молоко в этом случае движется по промытому каналу в барабане без разделения.
Кроме этого, на эффективность сепарирования влияет интенсивность поступления молока. Уменьшение поступления молока в сепаратор по сравнению с паспортными данными способствует более полному его обезжириванию и наоборот.
Изменение частоты вращения барабана сепаратора, особенно ее уменьшение, снижает эффективность сепарирования в результате уменьшения центробежной силы.
Эффективность сепарирования возрастает при сепарировании молока приблизительно одной жирности; при сепарировании более жирного молока необходимо уменьшать приток молока в барабан сепаратора и повышать температуру исходного молока.
Содержание жира в сливках влияет на протекание процесса сепарирования: нормальный процесс осуществляется при получении сливок 30-35 % жирности; при более высокой жирности возрастает жирность обезжиренного молока. Ухудшение обезжиривания с повышением жирности сливок объясняется тем, что на выходе сливок из барабана создается сопротивление. Плывущий вверх по касательной к тарелке слой сливок растягивается от цента к перифирии, к большому диаметру тарелки. Здесь и происходит унос части жировых шариков с потоком обезжиренного молока.
Процесс сепарирования в сепараторе определяется в следующей последовательности и схематично представлен на рис. 3.
Цельное молоко по центральной трубке поступает в тарелкодержатель, из которого по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимается в верхнюю часть комплекта тарелок и растекается между ними. В межтарелочном пространстве жировые шарики, как более легкая фракция молока, движутся к центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимаются вверх и поступают в камеру для сливок. Затем под напором сливки поступают в патрубок, на котором установлен измеритель количества сливок (ротаметр) и регулировочный вентиль. Обезжиренное молоко, как более тяжелая фракция, направляется к периферии барабана (в грязевое пространство), поднимается вверх и поступает в патрубок, на котором установлен манометр и регулировочный вентиль.
1 - исходное молоко; 2 - легкая фракция (сливки); 3 - тяжелая фракция (обезжиренное молоко)
Рисунок 3- Схема работы сепаратора-сливкоотделителя
Регулировочный вентиль предназначен для регулирования массовой доли жира в получаемых сливках, которая изменяется в зависимости от количества сливок и обезжиренного молока. При постоянных количествах и массовой доле жира в поступающем молоке уменьшение количества выходящих сливок приводит к повышению массовой доли жира в них, и, наоборот, увеличение количества сливок снижает в них массовую долю жира.
По конструктивным признакам различают сепараторы открытого, полузакрытого и закрытого типа. В сепараторах открытого типа ввод продукта и выход фракций осуществляют свободной струей, т.е. вход и выход не герметизированы, полузакрытого - вывод отсепарированных фракций герметизирован, закрытого - ввод продукта и вывод фракций герметизирован.
По способу выгрузки осадка различают сепараторы с ручной выгрузкой осадка (периодической), центробежной пульсирующей выгрузкой осадка, центробежной непрерывной выгрузкой осадка.
Производительность сепараторов зависит от конструкции и технологического назначения и достигает 50 000 л/час. Для обеспечения высокой эффективности разделения продукта сепарирующее устройство работает на сверх критической частоте вращения 100-120 об/сек, температура сепарирования должна быть 35-45 °С.
По назначению сепараторы бывают следующих видов: сепараторы-молокоочистители, сепараторы-бактериоотделители, сепараторы-сливк-оотделители, сепараторы-нормализаторы, сепараторы для высокожирных сливок, сепараторы-диспергаторы, сепараторы-творогоотделители, сепараторы-отделители белка от сыворотки.
Сепаратор-сливкоотделитель предназначен для разделения молока на сливки и обезжиренное молоко. Качество работы сепаратора оценивается по массовой доле жира, остающегося в обезжиренном молоке (0,01-0,05 %). Массовая доля жира в сливках составляет 10-40 %.
Сепаратор-нормализатор предназначен для получения сливок и нормализации молока по жиру в соответствии с требованиями нормативной документации. Количество сливок контролируется ротаметром и регулируется краном. На выходе сливок и обезжиренного молока устанавливаются дополнительные устройства, которые позволяют часть выводимых сливок из сепаратора направлять в поток обезжиренного молока. При смешивании получается нормализованная смесь.
Сепаратор для получения высокожирных сливок предназначен для получения сливок с высокой массовой долей жира (70,0-85,0 %) и эксплуатируется обычно в поточных линиях производства масла. Сепаратор-диспергатор предназначен не только для очистки молока, но и для частичной его гомогенизации.
Сепаратор-творогоотделитель открытого типа с непрерывной выгрузкой творога через сопла предназначен для обезвоживания творога и входит в линию по производству творога раздельным способом.
