4. Технологическая схема производства мороженного

Для производства твёрдого молочного мороженного, в состав которого входят следующие компоненты:

Молоко, яйца куриные, сливки 35% жирности, фруктоза, крахмал, казеинат натрия, желатин;

Применяется следующая технологическая схема:

12

11

10

9

3

8

7

6

1

3

5

4

3

2

Рис. 1 – технологическая схема производства мороженного

1 – Пастеризатор – охладитель молока

2 – Ванна приготовления смеси

3 - Насос

4 – Фильтр смеси

5 – Уравнительный бак

6 – Пастеризатор-охладитель смеси

7 – Гомогенизатор

8 – Ванна для созревания мороженного

9 – Фризер

10 – Автомат фасования мороженного в стаканчики

11 – Камера закаливания

12 – Автомат упаковки мороженного

Этап 1: Приём, оценка, пастеризация и охлаждение молока.

Изначально производится приём и оценка качества молока, после чего, убедившись в соответственном качестве, молоко направляется в фильтра для очистки от возможных примесей, а затем в пастеризатор – охладитель, где осуществляется длительная пастеризация молока при температуре 68°С с выдержкой 30 минут, затем кратковременная - при 75°С с выдержкой 20 минут и высокотемпературная - при 85-90°С с выдержкой 50 секунд. После пастеризации молоко охлаждается до 4 °С в течении 3 часов, после чего молоко подаётся в ванну составления смеси.

Рассчитаем и подберём для данной технологической операции пастеризатор – охладитель:

После пастеризации молока в пастеризаторе-охладителе, происходит процесс регенерации тепла с целью снижения нагрузки на аппараты, это достигается путём снижения температуры инверсионным потоком с 85 градусов до 50 °С.

По справочнику принимаем величину теплоёмкости молока Ср = 3,97 кДж/кг*К при температуре 50 °С.

По технологии, на производство 20 000 кг мороженного, необходимо затратить 16 000 кг молока, следовательно G = 16 000 кг.

Определим количество тепла, которое необходимо отвести от молока, с целью понижения температуры от 50 °С до 4 °С:

Q = G*Cp*∆t = 16000*3,8*(50 – 4) = 2796800 кДж;

где: Cp – теплоёмкость молока, кДж /кг * К;

∆t – разность температур тёплой и охлаждённой смеси.

Определим холодопроизводительность установки:

По технологии, охлаждение молока осуществляется за 3 часа;

Q₀ = Q / (τ*3600) = 2796800 / (3*3600) = 259 кВт

где: Q – количество тепла, выделяемое смесью, кДж;

τ – время, за которое необходимо отвести тепло, ч;

По полученным результатам расчётов подбираем пастеризатор – охладитель ИПКС-013 – 5.5, производительностью 5500 кг/ч - рисунок 1.

Рис.1 - пастеризатор – охладитель ИПКС-013 – 5.5

Этап 2: Подготовка яиц и сыпучих компонентов.

Вначале проверяют свежесть куриных яиц, затем их моют в проточной воде, дезинфицируют 2% раствором хлорной извести и ополаскивают чистой водой. Освобожденные от скорлупы яйца, не более двух штук, помещают в небольшую посуду. Только после повторной проверки свежести их переливают в емкость, в которой полученную яичную массу, лучше с добавлением сыпучей фруктозы, перемешивают до получения однородной консистенции.

Все сыпучие виды сырья (фруктоза, крахмал, казеинат натрия) просеивают через сито с ячейками не более 2 миллиметров.

Этап 3: Составление смеси.

Процесс происходит в ваннах, имеющих тепловую рубашку и мешалку. Как правило, для этого используются сыродельные ванны. Для более полного и быстрого растворения и равномерного распределения компонентов смесь составляют в определенной последовательности. Первыми в смесительную ванну вносят жидкие продукты (молоко, сливки.), подогревая их до температуры 35-45°С. При постоянном перемешивании в ванну вносят сухие и яичные продукты. Казеинат натрия и желатин вносят в смесь при температуре 35-40°С в сухом виде. Для лучшего распределения их предварительно смешивают с одним из сухих компонентов.

Этап 4: Обработка смеси.

Обработка включает фильтрацию, пастеризацию и гомогенизацию.

Фильтрация смеси. Фильтрацией удаляются механические примеси и не растворившиеся частицы компонентов. Чтобы предупредить вторичное бактериальное обсеменение, фильтрация проводится перед процессом пастеризации.

Пастеризация смеси. Профильтрованная смесь с температурой не менее 45°С поступает в пастеризатор. Длительная пастеризация смеси для мороженого происходит при температуре 68°С с выдержкой 30 минут, кратковременная - при 75°С с выдержкой 20 минут и высокотемпературная - при 85-90°С с выдержкой 50 секунд.

Гомогенизация. Температура гомогенизации смеси должна быть не ниже 63°С.

Смесь для молочного мороженого гомогенизируют при давлении 15 МПа.

Этап 5: Охлаждение смеси.

С целью подготовки смеси мороженного к созреванию, её необходимо охладить в пастеризаторе – охладителе до 4 °С

Рассчитаем и подберём для данной технологической операции пастеризатор – охладитель смеси мороженного:

После пастеризации смеси в пастеризаторе-охладителе, происходит процесс регенерации тепла с целью снижения нагрузки на аппараты, это достигается путём снижения температуры инверсионным потоком с 85 градусов до 50 °С.

По справочнику принимаем величину теплоёмкости смеси молочного мороженного Ср = 4 кДж/кг*К при температуре 50 °С.

Масса смеси мороженного G = 20 000 кг.

Определим количество тепла, которое необходимо отвести от смеси, с целью понижения температуры от 50 °С до 4 °С:

Q = G*Cp*∆t = 20000*4*(50 – 4) = 3680000 кДж;

где: Cp – теплоёмкость молока, кДж /кг * К;

∆t – разность температур тёплой и охлаждённой смеси.

Определим холодопроизводительность установки:

По технологии, охлаждение смеси осуществляется за 3 часа;

Q₀ = Q / (τ*3600) = 3680000 / (3*3600) = 341 кВт

где: Q – количество тепла, выделяемое смесью, кДж;

τ – время, за которое необходимо отвести тепло, ч;

По полученным результатам расчётов подбираем пастеризатор – охладитель ИПКС-013 – 3.5, производительностью 3500 кг/ч - рисунок 1, в количестве 2 штук.

Рис.2 пастеризатор-охладитель «ИПКС-013 – 3.5»

Этап 6: Созревание смеси мороженного.

После процесса охлаждения смесь, при 4 °С направляется в созревательную ванну, где созревает при постоянной температуре 4°С.

Рассчитаем и подберём для данной технологической операции ванну для созревания:

Определим коэффициент теплопередачи:

К = 1 / ( 1 / α_{н ­} + δ₁ / λ₁ + δ₂ / λ₂ + 1 / α_в ) = 1 / ( 1 / 2500 + 0,003 / 17,5 +

+ 0,1 / 0,035 + 1 / 1500 ) = 0,35 Вт/м²*К

где:

α_н – коэффициент теплоотдачи от стенки ванны к окружающей среде, Вт/м²*К;

α_в - коэффициент теплоотдачи от смеси к стенке, Вт/м²*К;

δ₁ – толщина стальной стенки аппарата , м;

λ₁ – коэффициент теплопроводности нержавеющей стали, Вт/м*К;

δ₂ – толщина изоляции – пенополиуретан, м;

λ₂ - коэффициент теплопроводности пенополиуретана, Вт/м*К

Принимаем значения α_н , α_в , δ₁ , δ₂ , λ₁ , λ₂ по сравочнику:

α_н = 2500 Вт/м²*К;

α_в = 1500 Вт/м²*К;

δ₁ = 0,003 м;

δ₂ = 0,1 м;

λ₁ = 17,5 Вт/м*К;

λ₂ = 0,035 Вт/м*К.

Определим количество тепла, которое необходимо отводить от ванны созревания для поддержания температуры смеси, с которой она поступила в ванну :

Q = К*F*∆t = 0.35*10*(20 – 4)*20*10^-3 = 1,12 кВт

где:

Q – теплопритоки из окружающей среды к ванне, Вт;

F – площадь ванны, м²;

∆t – разность температур охлаждённой смеси и окружающей среды, °С ;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м²*К ;

20 – количество ванн

Определим площадь поверхности ванны (F), м² :

форма ванны – цилиндр

F = 2*п*R*(h+R) = 2*3,14*0,62*(1,95+0,62) = 10 м²

где: R – радиус = D/2 = 1,23/2 = 0,62 м

h = высота ванны = 1,95 м

Для производства 20 т / сутки мороженного устанавливаем 20 ванн ВСМ – 600 ПС – рис. 3, ёмкостью = 1000 литров для созревания смеси марки.

Рис. 3 – ванна для созревания смеси мороженного ВСМ – 600 П

Этап 7: Фризерование смеси.

Процесс производится от температуры 4°С до температуры замораживания

-4°С с целью замораживания не связанной воды в смеси и получения кристаллов льда не более 100 мкм для того, чтобы получить плотную и кремообразную структуру. Фризерование производится в течении 2-х часов.

Рассчитаем и подберём для данной технологической операции фризер:

Определим количество тепла, которое необходимо отвести от смеси:

Q = G*Cp₊₄*∆t_4-0+r*G+G* Cp_-4*∆t_0-(-4) = 20000*3,6*

*(4 – 0)+330*20000+20000*2,85*(0- (-4)) = 7116000 кДж;

где:

G – масса смеси;

Cp₊₄ – теплоёмкость смеси при температуре 4°С;

Cp_-4 – теплоёмкость смеси при температуре -4°С;

∆t_4-0 – разность температур смеси тёплой 4°С и смеси охлаждённой 0°С;

∆t_0-(-4) – разность температур смеси охлаждённой 0°С и смеси замороженной

-4°С;

r – скрытая теплота фазового перехода = 330 кДж/кг;

Определим холодопроизводительность установки:

Q₀ = Q / (τ*3600)*10³ = 7116000 / (2*3600) = 988.3 кВт

где:

Q – количество тепла, выделяемое смесью, кДж;

τ – время, за которое необходимо отвести тепло, с;

По полученным результатам расчётов подбираем фризер Торнадо FC1000 производительностью 1000 л/час в количестве 10 шт

Рис. 4 – Фризер Торнадо FC100

Этап 8: Фасовка и закаливание.

После выхода мороженного из фризера, оно поступает на автомат фасовки в стаканчики, после чего производится процесс закалки мороженного для улучшения качества, товарного вида и наибольшей сохранности при температуре -25°С. Процесс производится непосредственно в камере хранения для того, чтобы упростить и удешевить технологическую схему.

После того как мороженное выходит из фризера, по рецептуре оно подвергается закалке для улучшения качества и возможности наибольшей сохранности. Для упрощения и удешевления схемы, закалка при температуре -25 °С производится, непосредственно в камере хранения. Процесс производится в течении 1 часа.

Для данного технологического процесса рассчитаем камеру закалки:

Определим количество тепла, которое необходимо отвести от мороженного:

Q = G*Cp*∆t = 20000*2*(- 4 - (- 25) ) = 840000 кДж;

где:

G – масса мороженного, кг;

Cp – теплоёмкость мороженного, кДж/кг*К;

∆t – разность температур охлаждённого мороженого и замороженного.

Определим холодопроизводительность установки:

Q₀ = Q / (τ*3600)*10^-3 = 1160000 / 3600 = 233,3 кВт

где:

Q – количество тепла, выделяемое смесью, кДж;

τ – время, за которое необходимо отвести тепло, с;

Этап 9: Упаковка и хранение.

После процесса закаливания мороженное отправляют на упаковку, в картонные ящики, по 10 кг в каждый и после на хранение в камеру, в которой производилась закалка продукции.

Учитывая тот факт, что продукция уходит на реализацию примерно через 3 дня, то камеру рассчитываем на 60 т мороженного.

Определим объём камеры и габариты через норму загрузки камеры g_w, т/м³:

V = (G*3)/g_w = (20*3)/0,17 = 353 м³;

где: G = производительность мороженного, т/сутки;

3 – три дня, за каждый из которых производится по 20 т мороженного;

g_w – норма загрузки мороженного, т/м³

Учитывая расстояния между ящиками, принимаем объём камеры V = 360 м³;

Принимаем размеры камеры:

a = 4 м

b = 18 м V = 360 м³

h = 5 м

b

h

a h

Определим площадь камеры, м²:

Площадь стен, м²:

F₁ = (a*h)*2 = (4*5)*2 = 40 м²;

F₂ = (b*h)*2 = (18*5)*2 = 180 м²;

Площадь крыши, м²:

F₃ = a*b = 4*18 = 72 м²

Общая площадь камеры, м²:

F = F₁ + F₂ + F₃ = 40 + 180 + 72 = 292 м²

Определим коэффициент теплопередачи через стены камеры:

К = 1 / ( 1 / α_{н ­} + δ₁ / λ₁ + δ₂ / λ₂ + 1 / α_в );

где:

α_н – коэффициент теплоотдачи от стены к окружающей среде, Вт/м²*К;

α_в - коэффициент теплоотдачи от мороженного к стенке, Вт/м²*К;

δ₁ – толщина стены камеры , м;

λ₁ –коэффициент теплопроводности кирпича, Вт/м*К;

δ₂ – толщина изоляции – пенополиуретан, м;

λ₂ - коэффициент теплопроводности пенополиуретана, Вт/м*К

Принимаем значения α_н , α_в , δ₁ , δ₂ , λ₁ , λ₂ по сравочнику:

α_н = 2500 Вт/м²*К;

α_в = 1500 Вт/м²*К;

δ₁ = 0,5 м;

δ₂ = 0,1 м;

λ₁ = 0,8 Вт/м*К;

λ₂ = 0,035 Вт/м*К;

К = 1 / ( 1 / α_{н ­} + δ₁ / λ₁ + δ₂ / λ₂ + 1 / α_в ) = 1 / ( 1 / 2500 + 0,5 / 0,8 +

+ 0,1 / 0,035 + 1 / 1500 ) = 0,29 Вт/м²*К

Определим количество тепла, которое необходимо отводить от камеры с целью поддержания в ней температуры -25 °С:

Q = K*F*∆t = 0,29*292*(20 – (-25) ) = 3810 Вт = 3,8 кВт

где:

F – площадь камеры, м²;

∆t – разность температур камеры и окружающей среды, °С ;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м²*К ;