Спосіб гомогенізації молока та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к молочной промышленности, в частности к получению гомогенизированного молока и молочных продуктов, и может быть использовано в фармацевтической, химической, медицинской и други х отраслях промышленности, где необходимо повышение однородности и повышение степени дисперсности эмульсии. Известен способ гомогенизации молока, включающий нагрев молока, а затем нагнетание его под высоким давлением через канал, содержащий узкую кольцевую щель [1]. Проведение процесса гомогенизации при высоком давлении приводит к повышенному расходу электроэнергии. Недостатком гомогенизаторов клапанного типа является их высокая металлоемкость, 9 также наличие быстроизнашивающихся деталей. Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ, включающий нагрев молока и подачу его в вакуумную камеру перегретым по отношению к температуре насыщения, соответствующей давлению в камере, и проведение процесса гомогенизации молока при его вскипании и затем при последующем барботаже уже вскипевшего молока подаваемым исходным молоком [2]. Недостатком известного способа является недостаточная эффективность гомогенизации за счет слабого эффекта гомогенизации при барботаже уже вскипевшего молока подаваемым исходным молоком. Практически осуществляется одноступенчатый процесс гомогенизации, что позволяет получить дисперсность молока 1-5 мкм. Задачей изобретения является создание способа гомогенизации молока, в котором путем изменения режима диспергирования в вакууме возможно достижение повышения эффективности и экономичности процесса гомогенизации. Задачей изобретения является также создание устройства для гомогенизации молока, в котором путем изменения конструкции вакуумой камеры возможно достижение повышения эффективности и экономичности процесса гомогенизации. Поставленная задача достигается тем, что в способе гомогенизации молока, предусматривающем нагрев исходного молока и диспергирование его в вакууме, согласно изобретению нагрев молока ведут до температуры 75-95°С, а диспергирование проводят путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, в первой из которых поддерживают давление (0,15 - 0,03) × 10 5 , а во второй (0,03 - 0,15) × 10 5 Па с последующей конденсацией выделившейся паровой фазы молока путем одновременной подачи ее и охлажденного до температуры 2~8°С исходного молока в камеры конденсации с давлением (0,03 - 0,15) × 10 5 Па и (0,15 - 0,3 ) × 10 5 Па. Поставленная задача достигается также и тем, что в устройстве для гомогенизации молока, содержащем вакуумную камеру с патрубками подвода и отвода молока, патрубком выхода неконденсирующи хся газов и диспергаторы, укрепленные на патрубках подвода молока, согласно изобретению вакуумная камера выполнена двухсекционной, каждая из секций разделена перегородкой на камеры вскипания и камеру конденсации, связанные между собой при помощи патрубка выхода паров молока, вход которого расположен в верхней части перегородки, а выход - у основания камеры конденсации, при этом в верхней части перегородки между секциями размещен регулятор перепада давления, а каждый диспергатор выполнен в виде конусной диафрагмы с углом конуса 140-160° и центральным отверстием с соотношением толщины диафрагмы к диаметру отверстия от 1/5 до 1/50. Выбор температуры нагрева молока 75-95°С, при которой ведут процесс диспергации, определяется следующими сообра жениями. Диспергирование жирового компонента в молоке происходит в результате воздействия растущих паровых пузырей которые возникают при вскипании, на жировые шарики. Интенсивность адиабатного вскипания, т. е. количество и скорость роста паровых пузырей, зависит от величины перегрева жидкости, т. е. разности температуры жидкости и температуры насыщения, соответствующей давлению над жидкостью. Известно, что оптимальным решением вскипания является перегрев 20-25°С. При более низких перегревах происходит недостаточное раскрытие факела и диспергирование потока. При более высоких перегревах увеличивается интенсивность парообразования при практически неизменной дисперсности факела диспергированной жидкости. На основании этих данных был выбран перегрев жидкости, равный 20°С .при давлении 0,15 Па (температура насыщения при 0,15 Па - 55°С) и равный 25°С при давлении 0,3 Па. По тем же соображениям выбрано давление в 1-й и второй ступенях гомогенизации (температура насыщения, соответствующая 0,03 Па - 35°С), а температура молока, поступающего во втор ую ступень, равна 55°С (температура насыщения при давлении 0,15 Па также равна 55° С), а температура поступающего молока равна 75°С. Поскольку в предложенном способе эффект гомогенизации достигается за счет адиабатного вскипания перегретой жидкости (молока), интенсивность которого определяют величиной перегрева относительно температуры насыщения, то необходимо, чтобы на каждой стадии перегрев составлял не менее 20°С. Поэтому на первой стадии поддерживают более высокое давление; 0,15 - 0,3 × 10 5 Па, что соответствует температуре насыщения 54-69°С, и перегрев составляет 20-25°С. В результате адиабатного вскипания в вакууме молоко охлаждается до t = ts + (10-13)°С. Т. о. на первой стадии оно охлаждается до температуры 64-79°С. На второй стадии процесса поддерживают давление (0,03 - 0,15) × 10 5 Па, что соотве тствуе т температуре насыщения 2454°С, и перегрев составляет 40-25°С; в результате вскипания молоко охлаждается до температуры 35-65°С. В результате двукратного интенсивного вскипания достигается высокий эффект гомогенизации. Нижний предел давления на второй стадии процесса 0,03-10 Па определяется тем, что при более низких давлениях температура насыщения, соответствующая этим давлениям, становится настолько низкой, что охлаждение молока во второй ступени становится экономически невыгодным. Верхний предел давления процесса определяется тем, что максимальная температура молока, которое может поступать без дополнительных технических средств в атмосферных условиях в гомогенизатор, составляет 95-98°С (температура кипения при 1 атмосфере). Перегрев относительно температуры насыщения должен составлять не менее 20°С, т.е. температура насыщения должна быть не более 70 С, что соответствует давлению 0,3 • 105 Па. Температура охлажденного молока, которое поступает в конденсатор (2-8°С), выбрана из условий создания максимального перепада температур между охлажденным молоком и парами с целью наиболее интенсивной конденсации. К тому же снижать температуру ниже 2°С и повышать более 8°С не рекомендуется. При вскипании молока выделяется паровая фаза, т. е. удаляется часть жидкости, в результате чего повышается концентрация сухи х ве ществ в молоке. Для того, чтобы сохранить исходную концентрацию в готовом продукте, эту влагу необходимо вернуть в молоко. Этот возврат происходит в камерах конденсации. Паровая фаза, поступая в камеру конденсации и контактируя с холодным исходным молоком, конденсируется на нем и растворяется в нем, понижая концентрацию сухих ве ществ, а в камерах вскипания эта концентрация восстанавливается. Давление в камерах конденсации поддерживают таким же, как и в камерах вскипания. поскольку они соединены патрубками для паровой фазы. Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с известными техническими решениями является выполнение вакуумной камеры с двумя равными секциями гомогенизации, что позволяет получить высокое качество продукта, т.к. наибольший эффект гомогенизации достигается при двух-трехкратной обработке. Кроме того, выполнение вакуумной камеры со смежными конденсаторами в ее средней части повышает экономичность установки за счет уменьшения тепловых потерь и сокращает металлоемкость за счет организации общих стенок камер и малой толщины перегородок ввиду небольшого перепада давлений между смежными камерами. Установка регулятора перепада давления на перегородке между двумя ступенями гомогенизации позволяет поддерживать постоянным перепад давления между первой и второй ступенью гомогенизации и обеспечивает оптимальное использование энергии, расходуемой на процесс гомогенизации молока, тем самым поддерживая наивысшим при данных условиях коэффициент гомогенизации, т.е. качество продукта. Наличие патрубка выхода паров из камер вскипания в камеры конденсации, установленного в верхней части перегородки между камерами и направленного в нижнюю часть камеры конденсации, позволяет осуществлять противоток в конденсаторе смешивающего типа между конденсирующимися парами молока и факелом распыляемого хладоагента, тем самым увеличивая перепад температур для осуществления процесса гомогенизации. Наличие патрубка выхода паров и его размещение позволяет повысить качество гомогенизации и уменьшить затраты на создание вакуума. Кроме того, патрубок, введенный в камеру конденсации, дополнительно выполняет функцию конденсатора поверхностного типа, улучшая тем самым энергетические показатели установки. Выполнение диспергаторов в виде конусных диафрагм с углом конуса 140-160° и соотношением толщины 1 1 диафрагмы к диаметру центральногоотверстия зволяет оптимизировать условие процесса диспергации 5 50 молока, т.к. при соответствующем перепаде давления в патрубке подвода молока до диафрагмы и в вакуумной камере и определенной температуре перегрева молока фронт вскипания и диспергирования молока находится на срезе сопла, т. е. отверстия в диафрагме, а выполнение диспергаторов с вышеперечисленными параметрами позволяет вести процессдиспергации с наибольшим градиентом энергии, тем самым получить наибольший эффект гомогенизации. Выполнение диафрагмы конусной позволяет повысить эффективность гомогенизации за счет получения максимального градиента энергии. При угле конуса более 160° факел распыла ограничивается диафрагмой и в пограничном слое имеет место малый эффект дробления жировой фазы молока. Угол менее 140° приводит к заметному расширению фронта вскипания и, соответственно, к ухудшению процесса гомогенизации. Заявляемые соотношения толщины диафрагмы к ее центральному отверстию как 1/5-1 /50 оптимизирует условия диспергирования, т.к. обеспечивают наличие практически острой кромки сопла. При толщине большей 1 чем диаметра сопла диспергация ухудшается, фронт вскипания становится шире и, следовательно, 5 уменьшается используемый градиент энергии и ухудшается эффект гомогенизации. При толщине диафрагмы 1 менее диаметра сопла эффект острой кромки не улучшается, но усложняются вопросы изготовления 50 диафрагмы и ее прочности потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "Существенные отличия". Примеры осуществления. Пример 1. Исходное молоко с температурой +4°C из емкости самотеком поступает в камеру конденсации второй ступени, где поддерживается давление 0,03 × 10 5 Па, разбрызгивается через форсунку в камеру, где подогревается за счет конденсируемых паров до температуры 34°С. Затем через выходной патрубок этой камеры поступает в насос и подается насосом в камеру конденсации первой ступени, где поддерживается давление 0,15 × 10 5 Па, разбрызгипается, подогревается до температуры 44°С. через выходной патрубок поступает в насос, подается насосом на молокоочиститель, затем в пастеризатор где нагревается до температуры 75°С, и поступает в камеру вскипания первой ступени, где поддерживается давление 0,15 × 10 5 Па, в результате вскипаний охлаждается до температуры 65°С, через выходной патрубок поступает в насос и подается насосом в камеру вскипания второй ступени, где поддерживается давление 0,03 × 10 5 Па, в результате вскипания охлаждается до температуры 35°С, через выходной патрубок поступает в наcoc, который подает гомогенизированное молоко на охлаждение и хранение. Эффективность гомогенизации, отстой жира не более 30%, средний размер жировых шариков 1,9-2,2 мкм. Пример 2. Исходное молоко с температурой +4°С из емкости самотеком поступает в камеру конденсации второй ступени, где поддерживается давление 0,15 × 10 5 Па. разбрызгивается через форсунку, подогревается за счет конденсируемых паров до температуры 19°С, через выходной патрубок камеры поступает в насос, подается насосом в камеру конденсации первой ступени, где поддерживается давление 0,3 × 10 5 Па, разбрызгивается, подогревается до температуры 35°С, через выходной патрубок поступает в насос, подается насосом на молокоочиститель, затем в пастеризатор. где нагревается до температуры 95°С, поступает в камеру вскипания первой ступени, где поддерживается давление 0,3 × 10 5 Па, в результате вскипания охлаждается до температуры 79°С, через выходной патрубок поступает о насос и подается насосом в камеру вскипания второй ступени, где поддерживается давление 0,15 × 10 5 Па, в результате вскипания охлаждается до температуры 64°С, через выходной патрубок поступает в насос, который подает гомогенизированное молоко на охлаждение и хранение. Эффективность гомогенизации: отстой жира не более 20%, средний размер жировых шариков 1,6-2 мкм. Данные по проведенным опытам сведены в таблицу. На чертеже изображен общий вид устройства для гомогенизации молока в разрезе. Устройство для гомогенизации молока состоит из вакуумной камеры 1 с патрубками 2, 3, 4 подвода и отвода молока. В первой части камеры имеется патрубок выхода неконденсирующи хся газов 5, а патрубки подвода молока заканчиваются диспергаторами 6. Вакуумная камера 1 выполнена из двух равных секций гомогенизации, каждая из которых разделена перегородкой 7 на камеры вскипания 8, 9 и камеры конденсации 10, 11. В верхней части перегородок 7 между камерой вскипания и конденсации установлены патрубки 12 выхода паров молока, вход которого расположен в верхней части, а выход - у основания камер конденсации. Секции гомогенизации разделяет перегородка 13, в верхней части которой установлен регулятор перепада давлений 14. Диспергатор 6 на патрубках подвода молока 2 выполнен в виде конусной диафрагмы 15 с углом конуса 140-160°С с центральным отверстием 16, диаметр которого относится к толщине диафрагмы как 1/5 1/50. На пагрубках подвода хладоагент в камеры конденсации распыляют через форсунки 17, установленные на патрубках подвода холодного молока 1. Устройство включает молочные насосы 18, вакуумный насос 19 и подогреватель молока 20. Устройство для гомогенизации молока работает следующим образом. Исходное молоко с температурой 28°С подается через патрубок 4 и форсуну 17 на распыление в камеру конденсации 11 второй секции гомогенизации, где поддерживается давление 0,03 - 0,15 × 10 5 Па. В процессе тепломассообмена с парами молока, поступающими по патрубку 12 из камеры вскипания 9, происходит подогрев исходного молока и конденсация паров молока. Затем молоко перекачивается молочным насосом 18 в камеру конденсации 10 первой ступени гомогенизации с давлением 0,15 - 0,3 × 10 5 Па, где распыляется через форсунку 17 и конденсирует пары молока, поступающие по патрубку 12 из камеры вскипания 8. Далее подогретое молоко насосом 18 подается в подогреватель 20 (может использоваться заводской пастеризатор) и подогревается до температуры пастеризации. Пастеризованное молоко с температурой 75-95°С подается через диспергатор 6 в камеру вскипания первой ступени гомогенизации 8, где поддерживается давление 0,15 - 0,3 × 10 5 Па. В результате в процессе взрывного вскипания происходит диспергация молока с выделением паровой фазы. По степени дисперсности жировой фазы молока глубина диспергирующего воздействия соответствует границе "хорошая - слабая". Затем молоко из камеры вскипания первой ступени подается молочным насосом 18 через диспергатор 6 в камеру вскипания второй ступени гомогенизации 9, где поддерживается давление 0,03 - 0,15 × 10 5 Па. При этом температура подаваемого молока выше температуры насыщения при данном давлении на 20-30°С. Происходит процесс диспергации, в результате чего после второй ступени гомогенизации полученная дисперсность жировой фазы молока соответствует области "хорошей" глубины диспергирующего воздействия, а также осуществляется стабилизация диспергированной жировой фазы. Далее, охлажденное почти до температуры насыщения при данном давлении гомогенизированное молоко молочным насосом 18 откачивается из камеры вскипания второй ступени гомогенизации 9. проходит охлаждение в заводской охладительной установке и выдается потребителю. Дополнение к технико-экономическим показателям. Кроме того, учитывая универсальность установки, предложенный способ и конструкция позволяют получить примерно на 10% обогащенное белками молоко за счет его упарки в случае применения в конденсаторах установки воды в качестве хладоагента. Использование предлагаемого способа получения гомогенизированного молока и конструкция для его реализации позволяет по сравнению с прототипом повысить качество гомогенизации молока. Одновременно снижаются энергозатраты и металлоемкость установки.