Механизм процесса гомогенизации

На основании исследования влияния различных гидравлических факторов на степень дисперсности жира при гомогенизации молока Барановским предложена следующая схема механизма дробления жидкой внутренней фазы эмульсии при проходе ее через рабочий орган (рис. 5).

Рисунок 5 – Схема процесса гомогенизации

В каждом гомогенизирующем клапане имеется место резкого изменения сечения потока на переходе из канала седла в клапанную щель, а, следовательно, и место резкого изменения скорости. На подходе к щели скорость потока равна υ₀, а при входе – υ₁, причем первая представляет собой величину порядка нескольких метров в секунду, а вторая – нескольких сот метров в секунду.

При переходе жировой капли из зоны малых скоростей в зону высоких передние части капли включаются в поток в щели с огромной скоростью υ₁, вытягиваются и отрываются от нее, а оставшаяся часть, еще принадлежащая к потоку со скоростью υ₀, продолжает проходить через пограничное сечение и постепенно отдавать свой материал вновь образованным частицам.

При большой разности υ₁ и υ₀ капля может расчленяться последовательным отрывом частиц без промежуточного растягивания всей капли в цилиндр или шнур. При малой разности скоростей υ₁ и υ₀ вся капля может миновать пограничное сечение, не успев расчлениться, но окажется деформированной до неустойчивого состояния, поэтому возвращение ее к первоначальному виду в условиях потока в щели окажется невозможным. Под механическим действием потока и сил поверхностного натяжения произойдет расчленение капли на более мелкие частицы.

Такое толкование механизма дробления капель объясняет экспериментально установленную зависимость степени дисперсности эмульсии от скорости в начале клапанной щели. Чем выше скорость υ₁, тем интенсивнее вытягивается жидкая нить из капли в пограничной зоне, тем тоньше эта нить и мельче частицы после ее распада.

Зависимость дисперсности от скорости υ₁ объясняет связь, установленную практикой между эффектом гомогенизации и давлением, так как для любых данных условий скорость определяется давлением гомогенизации. Это позволяет с достаточным основанием построить для любого гомогенизатора зависимость дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления ∆ р, которая действительна для других гомогенизаторов того же типа при условии работы на продукте с теми же свойствами.

Рисунок 6 – График зависимости дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления

График на рис. 6 показывает, как зависит от давления гомогенизации дисперсность натурального молока при температуре гомогенизации 60°С. Средний диаметр жировых шариков (d_cp) быстро уменьшается при повышении давления до 12–14 МН/м². В интервале 14–20 МН/м² средний диаметр уменьшается медленнее, при давлении выше 20 МН/м² дисперсность почти не улучшается. Это вполне объяснимо с точки зрения гидравлических предпосылок процесса.

Основной фактор процесса – скорость υ₁– с повышением давления увеличивается пропорционально квадратному корню из перепада давления ∆р и его изменение при давлениях выше 20 МН/м²выражено сравнительно слабо. Технологические результаты процесса гомогенизации находятся, следовательно, в соответствии с гидравлическими закономерностями.

После перенесения зависимости d_cp = f (∆р) на логарифмическую сетку можно получить эмпирическую формулу, действительную для обычных условий гомогенизации цельного молока при температуре 60°С и для диапазона давлений 3–20 МН/м²:

d _ср = мкм, (2.5)

где ∆р – перепад давления в гомогенизаторе, МН/м².

По формуле (2.5) можно ориентировочно определить давление гомогенизации для получения заданной степени дисперсности гомогенизированного молока [6].