Способ гомогенизации молока и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 19) В 2 Изобретен мышлен ности могенизиров продуктов, и фармацевтич ской и других где необходим повышение с ежов 1 1 си ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Институт технической теплофизики АН УССР(56) Обзорная информация М.И,Андреева и А;А.Мухин. Современные способы и устройства для гомогенизации молока и молочных продуктов. М.: ЦНИИТЭИ, 1982,Авторское свидетельство СССР М 1389028, кл. А 01 3 11/16, 1987.(54) СПОСОБ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОЛОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛ ЕНИЯ(57) Изобретение относится к молочной промышленности, в частности к получению гомогенизированного молока и молочных продуктов, и может быть использовано в фармацевтической, химической, медицинской и других отраслях промышленности, где необходимо повышение однородности и степени дисперсности эмульсии. Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса гомогенизации. Для получения гомогенизированного молока последнее нагревают до 75 - 95 С и дисие относится к молочной пров частности к получению гонного молока и молочных может быть использовано в ской, химической, медицин- отраслях промышленности, о повышение однородности и епени дисперсности эмуль 1780660 А 1(я)5 А 01 3 11/16, А 23 С пергируют путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, н первой из которых по 5 ддерживают давление (0,15 - 0,3) 10 Па, а во второй (0,03-0;15) 10 Па с последующей конденсацией выделившейся паровой фазы охлажденного до 2 - 8 С исходного молока в камеры конденсации с давлением (0,03 - 0,15) 10 Па и (0,15 - 0,3) 10 Па. Устройство для гомогенизации молока содержит вакуумную камеру с патрубками подвода и отвода молока, хладагента, патрубок выхода неконденсирующихся газов и диспергаторы на патрубках подвода молока. Вакуумная камера вйполнена из двух равных секций гомогенизации, каждая из которых разделена перегородкой из камеры вскипания и камерыконденсации, причем в верхней части перегородкй камер вскипания и конденсации установлен патрубок выхода паров молока из камеры вскипания, направленный к осйованию камеры конденсации, в верхней части общей перегородки камер конденсации размещен регулятор перепада давления, а диспергаторы на патрубках подвода молока выполнены в виде конусной диафрагмы с углом конуса 140 - 160, 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл. Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса гомогенизации,В устройстве для гомогенизации молока, содержащем вакуумную камеру с патрубками подвода и отвода молока, патрубок выхода неконденсирующихся газов и диспергаторы на патрубках подвода молока, вакуумная камера выполнена из двух секцийгомогенизации, каждая из которых разделена перегородкой на камеры вскипания и конденсации, в верхней части которой установлен патрубок выхода паров молока из камеры вскипания, направленный к основа нию камеры конденсации, в верхней части общей перегородки камер конденсации размещен регулятор перепада давления, а диспергаторы на патрубках подвода молока выполнены в виде конусной диафрагмы с 10 углом конуса 140-160 и центральным отверстием.Способ осуществляется следующим образом.Молоко нагревают до температуры 75- 15 95 Си проводятдиспергирование путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, в первой из которых поддерживают давление (О 15 - 0,3) 10 Па, а во второй (0,03-0,15) 10 Па. Затем про водят конденсацию выделившейся паро-вой фазы молока путем одновременной подачи ее и хладоагента в камеры конденсации с давлениями (0,15-0,3) 10 Па и (0,03 - 0,15) 10 Па. 25В известных способах, где используется высокое давление, процесс гомогенизации осуществляют при температурах до 85 С в связи с тем, что материалы, из которых выполнены диспергирующие устройст ва, не .могут работать при более высоких температурах, Поэтому нагрев молока до температуры пастеризации осуществляют либо после гомогенизации, что снижает ее эффект, либо до гомогенизации с последую щим снижением до температуры гомогенизации, Предлагаемый способ позволяет вести процесс гомогенизации при температуре пастеризации 75 - 95 С, что ведет к сокращению всего технологического 40 процесса обработки молока, и, следовательно его экономичности.Выбортемпературы нагрева молока 75- 95 С, при которой ведут процесс диспергации, определяется следующими 45 соображениями. Диспергирование жирового компонента в молоке происходит в результате воздействия растущих паровых пузырей, которые возникают при вскипании, на жировые шарики. Интенсивность 50 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 55 над жидкос гью. Известно, что оптимальным решением вскипания является перегрев 20 - 25 оС. 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 оС) и равный 25 оС 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 вторую ступень равна 55 оС (температура насыщения при давлении 0,15 Па - также равна 55 С), а температура поступающего молока равна 75 оСПоскольку 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 Па, что соответствует температуре насыщения 54-69 С и перегрев составляет 20-25 оС. В результате адиабатного вскипания в вакууме молоко охлаждается до 1 = Ь + (10-13)С. Т.о. на первой стадии оно охлаждается до температуры 64-79 С. На второй стадии проц 5 есса поддерживают давление (0,3-0,15) 10 Па, что соответствует температуре насыщения 24-54 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, которая может поступать без дополнительных технических средств в атмосферных условиях в гомогениэатор составляет 95-98 С(температура кипения при 1 атмосфере), Перегрев относительно температуры насыщения должен составлять неоменее 20 С, т,е, температура насыщениядолжна быть не более 70 С, что соответствует давлению 0,3 10 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 сухих веществ в молоке. Для того, чтобы сохранить исходную концентрацию в готовом продукте, эту влагу необходимо вернуть в молоке. 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 веществ, а в камерах вскипания эта концентрация восстанавливается, Давление в камерах конденсации поддерживают таким же, как и в камерах вскипания, поскольку они соединены патрубкамидля 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 перепададавлений между смежными камерами.Установка 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 5 процесса гомогенизации. Наличие патрубкавыхода паров и его размещение позволяет повысить качество гомогенизации и уменьшить затраты на создание вакуума. Кроме того, патрубок, введенный в камеру конден сации, дополнительно выполняет функциюконденсатора поверхностного типа, улучшая тем самым энергетические показатели установки.Выполнение диспергаторов в виде ко нусных диафрагм с углом конуса 140 О - 160и соотношением толщины диафрагмы к ди 1 1аметру центрального отверстия5 50что позволяет оптимизировать условие про цесса диспергации молока, т,к, при соответствующем перепаде давленйя в патрубке подвода молока до диафрагмы и в вакуумной камере и определенной температуре перегрева молока, фронт вскипания и дис пергирования молока находится на срезесопла, т.е, отверстия в диафрагме, а выполнение диспергаторов с вышеперечисленными параметрами позволяет вести процессдиспергации с наибольшим градиентом 30 энергии, тем самым получить наибольшийэффект гомогенизации,Выполнение диафрагмы конусной позволяет повысить эффективность гомогенизации за счет получения максимального 35 градиента энергии. При угле конуса более160 факел распыла ограничивается диафрагмой и в пограничном слое имеет место малый эффект дробления жировой фазы молока. Угол менее 140 приводит к заметному 40 расширению фронта вскипания и, соответственно, к ухудшению процесса гомогенизации.Заявляемые соотношения толщины диафрагмы к ее центральному отверстию как 451 1--- оптимизирует условия диспергиро 50вания, т.к. обеспечивают наличие практически острой кромки сопла. При толщине большей чем 5 диаметра сопла дисперга 1ция ухудшается, фронт вскипания становится шире и, следовательно, уменьшается используемый градиент энергии и ухудшается эффект гомогенизации, При толщине .55диафрагма менее - диаметра сопла эф-.150фект острой кромки не улучшается, но усложня ются вопросы изготовлениядиафрагмы и ее прочности, потому они обеспечивают заявляемому техническому-"решению соответствие критерию "существенные отличия",П р и м е р 1. Исходное молоко с температурой +4 С из емкости самотеком посту.пает в камеру конденсации второй ступени,где поддерживается давление 0,03 10 Паразбрызгивается через форсунку в камеру,где подогревается эа счет конденсируемыхпаров до температуры 34 С. Затем черезвыходной патрубок этой камеры поступаетв насос и подается насосом в камеру концентрации первой ступени, где поддерживаетсядавление . 0,15 10 Па разбрызгивается,подогревается до температуры 44 С, черезвыходной патрубок поступает в насос, пода"ется насосом на молокоочиститель, затем впастеризатор, гце нагревается до температуры 75 С и поступает в камеру вскипанияпервой ступени, где поддерживается давление 0,15 10 Па, в результате вскипания5охлаждается до температуры 65 С, черезвыходной патрубок поступает в насос и подается насосом в камеру вскипания второйступениэ где поддерживается давление0,03 10 Па, в результате вскипания охлаждается до температуры.35 С через выходной патрубок поступает в насос, которыйподает гомогенизированное молоко на охлаждение и хранение. Эффективность гомогениэации: отстой жира не более 30,средний размер жировых шариков 1,9-2,2мкм,П р и м е р.2. Исходное молоко с температурой +4 С из емкости самотеком поступает в камеру конденсации второй ступени,где поддерживается давление 0,15 10 Па,разбрызгивается через форсунку, подогревается эа счет конденсируемых паров дотемпературы 19 С, через выходной патрубок камеры поступает в насос, подаетслнасосом в камеру конденсации первойступени, где поддеркивается давление0,3 10 Па, раэбрызгивается, подогревает 5ся до температуры 35 ОС, через выходнойпатрубок поступает в насос, подается насосом на молокоочиститель, затем в пастеризатор, где нагревается до температурыо95 С, поступает в камеру вскипания первойступени, где поддеркивается давление50,3 10 Па, в результате вскипания охлаждается до температуры 79"С, через выходной патрубок поступает в насос и подаетсянасосом в камеру вскипания второй ступени, где поддерживается давление 0,15 10Па, в результате вскипания охлаждается дотемпературы 64 С через выходной патрубокпоступает в насос, который подает гомогенизированное молоко на охлаждение и хранение, Зффективность гомогенизации. отстой жира не более 20 , средний размержировых шариков 1,6-2 мкм.Данные по проведенным опьтам приведены в таблице,5 На чертеже изображено устройство длягомогенизации молока, общий вид, разрез.,Устройство для гомогенизации молокасостоит иэ вакуумной камеры 1 с патрубка-,ми 2, 3, 4 подвода и отвода молока. В верх 10 ней части камеры имеется патрубок выходанеконденсирующихся газов 5, а патрубкиподвода молока заканчиваются диспергаторами 6; Вакуумная камера 1 выполнена издвух равных секций гомогенизации, каждая15 из которых разделена перегородкой 7 накамеры вскипания 8, 9 и камеры конденсации 10, 11, В верхней части перегородок 7между камерой вскипания и конденсацииустановлены патрубки 12 выхода паров мо 20 лака, вход которого расположен в верхней .части, а выход - у основания камер конденсации. Секции гомогенизации разделяет перегородка 13, вверхней части которойустановлен регулятор перепада давлений.25 14. Диспергатор 6 на патрубках подвода молока 2 выполнен в виде конусной диафрагмы 15 с углом конуса 140 160 сцентральным отверстием 16, диаметр которого соотносится к толщине диафрагмы как301 1--- . На патрубках подвода хладоагент в5 50камеры конденсации распыляют через фор-,сунки 17, установленные на патрубках подвода холодного молока 4, Устройство35 включает молочные насосы 18, вакуумныйнасос 19 и подогреватель молока 20,Устройство для гомогениэации молокаработает следующим образом, Исходноемолоко с температурой 2 - 8 С подается че 40 рез патрубок 4 и форсунку 17 на распылениев камеру конденсации 11 второй секции гомогенизации; где поддерживается давление0,03-0,15 10 Па. В процессе тепломассо 5обмена с парами молока, поступающими по45 патрубку 12 из камеры вскипания 9 происходит подогрев исходного молока и конденсация паров молока. Затем молокоперекачивается молочным насосом 18 в камеру конденсации 10 первой ступени гомо генизации с давлением 0,15-0,3 10 Па,где распыляется через форсунку 17 и конденсирует пары молока, поступающие попатрубку 12 из камеры вскипания 8. Далее подогретое молоко насосом 18 подается вподогреватель 20 (может использоваться заводской пастеризатор) и подогревается дотемпературы пастеризации. Пастеризованное молоко с температурой 75 - 95 ОС подается через диспергатор 6 в камеру вскипания первой ступени гомогенизации 8, где под1780660 10 Опыт Режим Ог 01 020,15 о,з015 о,г015 0,15 о.оз 015 о,оз О,150,1 0,15 О,1 О Давление в 1.й ступени, 10 ПаДавление в И й ступени, 10 ПаТемпература на входе в конденсатор И.й ступениТемпература на выходе иэ конден. сатора И.й ступениТемпература на входе в конденсатор 1.й ступениТемпература на выходе иэ конденсатора 1 й ступениТемпература на входе в камерувскипзник 1-й ступениТемпература на выходе иэ камерыескипанив 1 й ступениТемпература на входе в камерывскипанил, И-й ступениТемпература на выходе иэ камерывскипанив И-й ступениЭффективность гомогениэзции;отстой жира.средний раэмер жировых шариков, мкм 19 17 34 17 19 19 34 34 17 17 47 24 34 24 35 27 95 95 95 95 70,70 79 70 65 65 65 65 70 70 79 70 65 65 65 65 65 65 65 35 52 52 25.30 25.30 25.30 25-26 15-201,5-2 10-15 26.30 20-25 1.5 2,0 2,0 2.0 2,0 2,0 2,0 держивается давление 0,15-0,3 10 Па. В результате в процессе взрывного вскипания происходит диспергация молока с выделе- нием паровой фазы, По степени дисперсности жировой фазы молока глубина 5 диспергирующего воздействия соответствует границе "хорошая - слабая".Затем молоко из камеры вскипания первой ступени подается молочным насосом 18 через диспергатор 6 в камеру вскийания 10 второй ступени гомогенизации 9, где поддерживается давление 0,03-0,15 10 Па, При этом температура подаваемого молоках выше температуры-насыщения при данномдавлении на 20-30 С, Происходит процесс 15 диспергации, в результате чего после второй ступени гомогенизации полученная дисперсность жировой фазы молока соответствует области "хорошей" глубины диспергирующего воздействия, а также 20 осуществляется стабилизация диспергированной жировой фазы.Далее охлажденное почти до температуры насыщения при данном давлении гомогенизированное молоко, молочным 25 насосом 18 откачивается из камеры вскипания второй ступени гомогенизации 9, проходит охлаждение в заводской охладительной установке и выдается потребителю.Кроме того, учитывая универсальность 30 установки, предложенный способ и конструкция позволяет получить примернона 10;4 обогащенное белками молоко за счет его упарки в случае применения в конденсаторах установки воды в качестве хладоаген та.Использование предлагаемого способа получения гомогенизированного молока и конструкция для его реализации позволяет по сравнению с прототипом повысить каче ство гомогенизации молока. Одновременно снижаются энергозатраты и металлоемкость установки. Ф о р мул а и зоб рете н ия 1. Способ гомогенизации молока, предусматривающий нагрев исходного молока и диспергирование его в вакууме, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности и экономичности процесса гомогенизации, нагрев молока ведут до 75- 95, а диспергирование проводят путем последовательной подачи молока в две камеры вскипания, в первой из которых поддерживаютдавление(0 15-0,3) 10 Па, а во второй 0,03-0,15) 10 Па с последующей конденсацией выделившейся паровой фазы молока путем одновременной йодачи ее и охлажденного до 2-8 С исходного молока в камеры кондейсации с давлением (0,03 - 0,15) 10 Па и(0,15-0,3) 10 Па,2. Устройство для гомогенизации молока, содержащее вакуумную камеру с патрубками подвода и отвода молока, патрубком выхода неконденсирующихся газов и диспергаторы, укрепленныейа патрубках под-. вода молока, о т л и ч а ю сц е е с я тем, что, с целью повышения эффективности и экономичности процесса гомогенизации, 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 1/5-1/50.1780680 Составитель Н, АбрамоваТехред М.Моргентал Коррек Кеше дактор Т. Полион Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,з 4224 Тираж , ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5