Мембранные методы обработки молока

Для выделения из молока и молочных продуктов биологически ценных компонентов всё шире используются способы разделения с помощью полупроницаемых мембран, которые позволяют наиболее экономично решить проблему переработки обезжиренного молока и сыворотки в диетические пищевые продукты.

Д ля этих целей используются ультрафильтрационные установки, установки с применением обратного осмоса, электродиализные установки. Ультрафильтрационная установка состоит из ультрафильтрационного модуля 1, насосов (2 – подающего; 3 – питательного) и буферной ёмкости 4. 5 – регулирующий вентиль, 6 – мембрана.

В ультрафильтрационном модуле высокомолекулярные соединения задерживаются на мембране, а фильтрат (низкомолекулярные вещества и растворитель) свободно проходит через фильтр.

Модули собираются из комплексов полупроницаемых мембран. По консистенции они бывают трубчатые и пластинчатые. Подобные установки применяют для обработки сыворотки. На поверхности мембраны выделяется концентрат с массовой долей белка 60..65%.

Использование обратного осмоса в мембранных процессах позволило создать установки, в которых концентрируются не только высокомолекулярные соединения, но и низкомолекулярные, а через фильтр проходит чистый растворитель. Они применяются для выделения молочных белков.

В электродиализных установках создаётся электрическое поле между электродами (катодом и анодом), погружёнными в продукт. Катионы солей перемещаются к катоду, а анионы солей к аноду. Такие установки используются для деминерализации сыворотки.

Лекция № 6

Тепловая обработка молока

Тепловая обработка (охлаждение, нагревание) – одна из основных и необходимых технологических операций переработки молока и молочных продуктов с целью обеззараживания.

Охлаждение проводится с целью понижения температуры продукта, а это в свою очередь, замедляет рост развития микроорганизмов и окислительных процессов.

На молочных фермах свежевыдоенное молоко охлаждают до низкой температуры, чтобы сохранить его качество. Развитие большинства микроорганизмов в молоке резко замедляется при охлаждении ниже 10° С и почти полностью приостанавливается при температуре 2…4° С. На фермах охлаждают до 7…8° С. Они состоят из компрессора, двух ванн с мешалками, сетчатых фильтров. На наружной стороне ванной смонтирован змеевик, по которому циркулирует хладагент.

На заводах для охлаждения молока применяются пластинчатые и трубчатые охладители.

В пластинчатом охладителе имеются две секции, в которых молоко последовательно охлаждается сначала водой, а затем рассолом. Температура молока, выходящего из теплообменника, не превышает 4…6° С. Процесс охлаждения происходит непрерывно в закрытых каналах теплообменника, что способствует получению высокого качества молока.

Для вязких и вязкопластичных продуктов применяются цилиндрические охладители открытого или закрытого типов.

Ц илиндрический охладитель для творога имеет цилиндр с теплообменной камерой, в которую подаётся рассол. Внутри цилиндра вращается вытеснительный барабан, на поверхности которого навиты транспортирующие витки.

Тепловая обработка молока представляет собой комбинацию режимов воздействия температуры и продолжительности выдержки при этой температуре. В молочной отрасли тепловая обработка проводится при температуре до 100° С- пастеризация и свыше 100° С – стерилизация.

Пастеризация молока проводится с целью уничтожения болезнетворных микроорганизмов. Бактерицидное действие пастеризации определяется эффективностью подавления возбудителя туберкулёза, обладающего высокой тепловой устойчивостью и не менее теплоустойчивой кишечной палочки. Подавление микроорганизмов при воздействии температуры протекает во времени. Поэтому температура и продолжительность нагревания продукта являются основными факторами, определяющими эффективность пастеризации. В зависимости от этих факторов, различают следующие режимы пастеризации.

1. Длительный – температура нагревания 60…63° С и продолжительность нагрева τ = 30 с;

2. Кратковременный – 72…76° С и τ = 15…20 с;

3. Моментальный – 100° С и τ = 1…2 с.

Для пастеризации молока на заводах применяют поточные аппараты и установки закрытого типа, а также пастеризационно-охладительные установки пластинчатого типа и пастеризационные установки трубчатого типа. Пастеризационные охладительные установки пластинчатого типа предназначены для тепловой обработки молока при выработке питьевого молока и молока, используемого при выработке кисломолочных продуктов.

В состав пастеризационной охладительной установки пластинчатого типа входят: 1) пластинчатый теплообменный аппарат; 2) уравнительный бак с поплавковым регулятором уровня молока в баке; 3) центробежный насос; 4) сепаратор-молокоочиститель; 5) выдерживатель; 6) установка для подготовки теплоносителя; 7) пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой.

Пластинчатый теплообменный аппарат имеет секции, в которых осуществляются следующие процессы: пастеризация (нагрев продукта до температуры пастеризации); охлаждение водой, охлаждение рассолом, рекуперация (теплообмен между горячим и холодным продуктом).

1 – уравнительный бак с поплавковой камерой;

2 – центробежный насос подаёт молоко в I рекуперационную камеру первого теплообменника, где молоко нагревается до 40…45° С. Установленный за центробежным насосом регулятор потока 3 обеспечивает постоянный расход молока. Нагретое молоко поступает в сепаратор-молокоочиститель 4, где очищается от механических загрязнений, а затем подаётся во II секцию, где нагревается до 65…70° С. Далее молоко по внутреннему каналу переходит в III секцию пастеризации, где нагревается до 76…78° С, выдерживается, а затем направляется на охлаждение сначала в секции рекуперации I и II, а затем в секцию IV водяного и секцию V рассольного охлаждения. Охлаждённое молоко до 4…6° С через обратный клапан направляется в ёмкость для хранения или повторную пастеризацию в уравнительный бак 1.

Стерилизация молока проводится с целью уничтожения всех микроорганизмов и спор. При стерилизации продукт подвергается тепловой обработке при температуре выше 100° С. Стерилизованные продукты могут храниться длительное время, при этом сохраняя вкусовые и питательные свойства.

В производственных условиях молок и молочные продукты стерилизуются или в таре, или в потоке с последующей фасовкой и упаковкой. В зависимости от этого различают стерилизаторы и стерилизационно-охладительные установки. Стерилизаторы (в таре) бывают периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Периодического типа представляют собой камеру прямоугольной или цилиндрической формы, герметично закрывающейся крышки. Молоко в стеклянных бутылках загружается в корзины, которые стоят на тележках и подаются в камеру. Камера герметизируется и туда подаётся острый пар. При достижении заданной температуры, происходит выдержка на заданное время. По окончании выдержки в режиме стерилизации в камеру подаётся сжатый воздух, а затем охлаждающая вода.

Стерилизатор полунепрерывного действия представляет из себя туннель прямоугольной формы, куда помещаются тележки с корзинами-этажерками. В процессе стерилизации продукт проходит 11 зон обработки. В каждой зоне продукт находится 8 минут. В I и II зонах продукт нагревается горячей водой до 90° С, в III-IV зонах происходит процесс стерилизации острым паром до температуры 118…120° С; в VII-IX зонах продукт охлаждается тёплой водой до 40° С и в X-XI зонах холодной водой и с температурой около 20° С бутылки выходят из стерилизатора.

Д ля производства стерилизационного питьевого молока применяются стерилизационно-охладительные установки пластинчатого, трубчатого типов и пароконтактные.

1 – промежуточный бак-уравнитель; 2 – насос для молока; 3 – теплообменник-рекуператор; 4 – наос высокого давления; 5 – стерилизатор; 6 – выдерживатель; 7 – гомогенизатор; 8 – ёмкость для асептического хранения молока; 9 – аккумулятор.

Молоко подаётся в уравнительный бак 1, откуда с помощью центробежного насоса 2 переправляется в рекуперативную секцию III, где нагревается горячим молоком до 60° С. Затем насосом высокого давления 4 молоко направляется в секцию I стерилизации, где нагревается горячей водой до 137° С и выдерживается в течение 4 с. Из выдерживателя молоко направляется в рекуперационную секцию II, где охлаждается горячей водой до 70° С. Охлаждённое молоко до такой температуры поступает в гомогенизатор 7, а из гомогенизатора в рекуперативную секцию 3, III, где охлаждается холодным молоком до температуры 20° С. Горячая вода для нагревания молока в стерилизаторе сначала проходит через аккумулятор 9, где нагревается до 147° С, отдаёт своё тепло молоку, а затем направляется в рекуперационные секции теплообменника IV; V и охлаждённая до 63° С возвращается в рекуперационную секцию II, где охлаждает молоко, поступившее из стерилизатора, и через аккумулятор 9 возвращается в стерилизатор.

Все аппараты установки связаны автоматизированной системой контроля и управления технологическим процессом.

1 – тележка;

2 – этажерка с бутылками;

3 – вентилятор;

4 – изоляция;

5 – калориферы;

6 – вентиляторы горячего воздуха;

7 – трубопроводы холодной воды.

Расчёт тепловых аппаратов

Расчёт любого теплообменного аппарата, в котором теплообмен происходит через разделяющую стенку, производится по уравнению:

где (1)

m – масса нагреваемой жидкости, кг/°;

с – теплоёмкость жидкости, Дж/кг∙°;

t₁ и t₂ – начальная и конечная температуры жидкости, ° С;

F – поверхность теплопередачи, м²;

k – общий коэффициент теплопередачи, Вт/м²∙°;

∆t_cp – средняя разность температур между температурами сред по обе стороны.

Степень нагрева или охлаждения жидкости обозначим δt, а безразмерный симплекс kτ.

тогда уравнение (1) запишем так:

В промышленных условиях приходится решать две задачи:

1. Определение производительности, когда аппарат имеется определённых размеров;λ

2. Определение площади теплообменника, когда аппарата нет, но задана производительность и температурный режим.

При решении любой из этих задач необходимо найти k и безразмерный симплекс kτ.

∝₁ – коэффициент теплоотдачи от среды.

Лекция №7

Производство кисломолочных продуктов

К кисломолочным продуктам относятся: кисломолочные напитки, творог, творожные продукты, сметана.

Кисломолочные продукты получают путём сквашивания пастеризованного, стерилизованного или топлёного молока, сливок, пахты и сыворотки заквасками, в состав которых входят различные молочнокислые бактерии, иногда дрожжи.

Технологический процесс производства кисломолочных напитков.

К кисломолочным напиткам относятся: простокваша, кефир, кумыс, ацидофильные напитки, кисломолочные напитки с солодовым экстрактом.

Существует два способа производства кисломолочных напитков – резервуарный и термостатный.

Резервуарный способ

Технологический процесс производства кисломолочных напитков резервуарным способом состоит из следующих технологических операций: подготовка сырья, нормализация, пастеризация, гомогенизация, охлаждения, заквашивания, сквашивания в специальных ёмкостях, охлаждение сгустка, созревания сгустка (кефир, кумыс), фасовка.

Для производства кисломолочных напитков используется молоко не ниже 2го сорта и кислотностью не выше 19° Т, которые предварительно подвергается очистке. Кисломолочные напитки вырабатывают с различной массовой долей жира: 6; 4; 3,2; 2,5; 1,5; 1%. Поэтому исходное молоко соответственно нормализуется до требуемой массовой доли жира. Нормализация осуществляется или в потоке с помощью сепараторов-нормализаторов или смешением.

Нормализованное молоко подвергается тепловой обработке. В результате пастеризации уничтожается микроорганизмы в молоке и создаются условия благоприятные для развития микрофлоры закваски. При производстве всех кисломолочных напитков (кроме ряженки и варенца) исходное сырьё пастеризуется при температуре 85…87° С с выдержкой 5…10 мин, или при t = 90…92° С с выдержкой 2…3 мин.

После пастеризации и гомогенизации молоко охлаждается до температуры заквашивания. В охлажденное до температуры заквашивания в молоко должна быть немедленно внесена закваска, соответствующая виду продукта.

Окончание сквашивания определяют по образованию достаточно плотного сгустка и достижению определённой кислотности.

Кисломолочные продукты, вырабатываемые без созревания, немедленно направляются на охлаждение. Кефир, вырабатываемый с созреванием, после сквашивания охлаждают до t = 14…16° С и при этой температуре созревает 10…12 часов.

Технологическая линия производства кисломолочных напитков резервуарным способом.

С ырое молоко из ёмкости 1 с помощью насоса 2 подаётся в балансировочный бачок 3 откуда насосом 2 направляется в рекуперативную секцию 4 пастеризационно-охладительной установки, где подогревается до 55…57° С. Подогретое молоко направляется сначала в сепаратор-нормализатор 7, а затем на гомогенизатор 8. Из гомогенизатора молоко сначала поступает в секцию пастеризации, далее через пульт управления 5 в ёмкость 9 для выдерживания и в рекуперативную секцию для охлаждения до температуры заквашивания. Если на выходе из пастеризатора молоко не достигло заданной температуры, то оно с помощью возвратного клапана 6 направляется в балансировочный бачок 3 для повторной пастеризации.

Охлаждённое молоко поступает в смеситель 11, где перемешивается с закваской и направляется в ёмкость 10 для производства кисломолочного напитка.

Термостатный способ.

Технологический процесс производства кисломолочных напитков термостатным способом состоит из тех же технологических операций, что и резервуарный способ, т.е. – подготовка сырья, нормализация, пастеризация, гомогенизация, охлаждение, заквашивание, фасовка, сквашивание в термостатных камерах, охлаждение сгустка, созревание сгустка.

Резервуарный способ по сравнению с термостатным имеет преимущества: он позволяет уменьшить производственные площади за счёт ликвидации термостатных камер и сокращения площади холодильный камер. За счёт этого увеличивается съём продукции с 1 м² производственной площади и снижается расход энергии.