Сепарирование и нормализация молока

Сепарирование молока — это разделение его на две фракции раз­личной плотности: высокожирную (сливки) и низкожирную (обезжиренное молоко). Осуществляется сепарирование под дей­ствием центробежной силы в барабане сепаратора. Молоко, рас­пределяясь в барабане между тарелками в виде тонких слоев, пере­мещается с небольшой скоростью, что создает благоприятные ус­ловия для наиболее полного отделения высокожирной фракции (жировых шариков) за короткое время. Процесс сепарирования молока подчиняется закону Стокса:

v = (2/9)(2 π /60) Rr ² n ² ( ρ - ρ ₁ / μ )

где v — скорость выделения жировых шариков, см/с; R — средний радиус рабочей части тарелки сепаратора, см; r—радиус жирового шарика, см; n — частота вра­щения барабана сепаратора, С^-1; ρ, ρ ₁ , — плотность плазмы и жира, кг/м3; μ — ди­намическая вязкость, Па * с.

    В соответствии с этим законом скорость выделения жировой фракции из молока находится в прямой зависимости от размеров жировых шариков, плотности плазмы молока, габаритов и часто­ты вращения барабана и в обратно пропорциональной зависимос­ти от вязкости молока. С увеличением размеров жировых шариков и плотности плазмы молока ускоряется процесс сепарирования и отделения сливок. Чем выше содержание сухих обезжиренных ве­ществ в молоке, тем выше плотность плазмы и цельного молока. Следовательно, молоко большей плотности будет иметь лучшие условия для сепарирования. Повышение вязкости молока приво­дит к снижению скорости выделения жировой фракции.

    Кроме того, существенное влияние на сепарирование оказыва­ют кислотность и температура молока.

Повышение кислотности молока приводит к изменению кол­лоидного состояния его белков, сопровождающемуся иногда вы­падением хлопьев; в результате нарастает вязкость, что затрудняет сепарирование.

Повышение температуры молока способствует снижению его вязкости и переходу жира в жидкое состояние, что улучшает сепа­рирование. Оптимальная температура сепарирования 35...45 °С. Нагревание молока до этой температуры обеспечивает хорошее обезжиривание. Схема работы сепарирующего устройства показана на рисунке 1.

    Наряду с сепарированием при 35...45 °С иногда применяют вы­сокотемпературное сепарирование при 60...85 °С. С увеличением температуры сепарирования повышаются производительность се­паратора и качество обезжиривания. Однако высокотемпературное сепарирование имеет и ряд недостатков: увеличение содержания жира в обезжиренном молоке вследствие частичного выпадения альбумина, препятствующего выделению жира; сильное вспенива­ние сливок и обезжиренного молока; возрастание раздробления жировых шариков.

Рис. 1. Схема работы сепарирующего устройства

а — молокоочистителя; б — сливкоотделителя; / — исходное молоко; 2 — легкая фракция (очи­щенное молоко или сливки); 3— частицы, образующие осадок; 4— осадок (слизь); 5— тяжелая фракция (обезжиренное молоко)

    Большое внимание уделяют сепарированию при низких темпе­ратурах, так называемому сепарированию холодного молока. Од­нако сепарирование при низкой температуре на обычных сепарато­рах приводит к снижению их производительности почти вдвое из-за повышения вязкости и частичной кристаллизации жира.

    Процесс сепарирования в сепараторе осуществляется в такой последовательности (рис. 1, б). Цельное молоко по центральной трубке поступает в тарелкодержатель, из которого по каналам, об­разованным отверстиями в тарелках, поднимается в верхнюю часть комплекта тарелок и растекается между ними. В межтаре­лочном пространстве жировые шарики как более легкая фракция молока движутся к центру барабана, далее по зазору между кром­кой тарелки и тарелкодержателем поднимаются вверх и поступают в камеру для сливок. Затем под напором сливки поступают в пат­рубок, на котором установлены измеритель количества сливок (ротаметр) и регулировочный вентиль. Обезжиренное молоко как более тяжелая фракция направляется к периферии барабана (в грязевое пространство), поднимается вверх и поступает в патру­бок, на котором установлены манометр и регулировочный вен­тиль (кран).

    Регулировочный вентиль предназначен для регулирования жирности получаемых сливок, которая изменяется в зависимости от количества сливок и обезжиренного молока. При постоянных количестве и массовой доле жира в поступающем молоке умень­шение количества выходящих сливок приводит к повышению массовой доли жира в них и, наоборот, увеличение количества сливок снижает в них массовую долю жира.

    Исходя из соотношения масс сливок и обезжиренного молока можно найти требуемую жирность сливок. Определив расчетным путем соотношение между массами сливок и обезжиренного мо­лока, устанавливают это соотношение при помощи регулировоч­ного устройства.

    На молочные предприятия молоко поступает с разным содер­жанием жира и сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО), а в готовом продукте жир и СОМО должны быть в опре­деленном количестве или соотношении. В связи с этим необходи­ма нормализация сырья.

    Нормализация — это регулирование состава сырья для получе­ния готового продукта, отвечающего требованиям стандарта.

    При нормализации исходного (цельного) молока по жиру мо­гут быть два варианта: жира в цельном молоке больше, чем требу­ется в производстве, и жира в цельном молоке меньше, чем требу­ется. В первом варианте жир частично отбирают путем сепариро­вания или к исходному молоку добавляют обезжиренное молоко. Во втором варианте для повышения жирности исходного молока добавляют к нему сливки. Массы сливок и обезжиренного молока, необходимых для добавления к исходному молоку, рассчитывают по уравнениям материального баланса, который можно составить для любой составной части молока.

    Один из простейших способов нормализации по жиру — нор­мализация путем смешивания в емкости рассчитанных количеств нормализуемого молока и нормализующего компонента (сливок или обезжиренного молока). Нормализующий компонент добав­ляют при тщательном перемешивании смеси в емкости.

    Нормализацию смешиванием можно осуществить в потоке (рис. 2, а), когда непрерывный поток нормализуемого молока сме­шивается в определенном соотношении с потоком нормализую­щего продукта.

    Нормализация молока с использованием сепаратора-сливкоот­делителя осуществляется в таком порядке: нормализуемое молоко подается на сепаратор-сливкоотделитель, где разделяется на слив­ки и обезжиренное молоко. Затем полученные сливки и обезжи­ренное молоко смешиваются в потоке в требуемом соотношении, а часть сливок (при Жм > Жн м) или обезжиренного молока (при Жи < Жн м) отводится как избыточный продукт (рис. 2, б).

    Массовая доля жира в молоке, нормализованном в потоке, ре­гулируется автоматически с помощью систем управления УНП (управление нормализацией в потоке) и УНС (управление нор­мализацией в потоке с применением сепаратора-сливкоотдели­теля). Основная задача систем управления процессом нормали­зации заключается в получении стабильных заданных значений массовой доли жира или другого параметра нормализованного молока.

Рис. 2. Схема нормализации с применением сепаратора-сливкоотделителя, снабжен­ного нормализующим устройством

а - при Жм > ЖИ. м; б - при Жч < Жн, „. Здесь Жм, Жн. м - соответственно массовые доли жира в исходном и нормализованном молоке

Гомогенизация молока

    Гомогенизация — это обработка молока (сливок), заключающая­ся в дроблении (диспергировании) жировых шариков путем воз­действия на молоко значительных внешних усилий. Известно, что при хранении свежего молока и сливок из-за разницы в плотности молочного жира и плазмы происходит всплывание жировой фракции, или ее отстаивание. Скорость отстаивания жира зависит от размеров жировых шариков, вязкости, от воз­можности соединения жировых шариков друг с другом. Как из­вестно, размеры жировых шариков колеблются в широких преде­лах — от 0,5 до 18 мкм. Согласно формуле Стокса скорость выде­ления (всплывания) жирового шарика прямо пропорциональна квадрату его радиуса. В процессе гомогенизации размеры жиро­вых шариков уменьшаются примерно в 10 раз (размер -1,0 мкм), а скорость всплывания их соответственно становится примерно в 100 раз меньше. В процессе дробления жирового шарика перерас­пределяется его оболочечное вещество. На построение оболочек образовавшихся мелких шариков мобилизуются плазменные бел­ки, а часть фосфатидов переходит с поверхности жировых шари­ков в плазму молока. Этот процесс способствует стабилизации вы­сокодисперсной жировой эмульсии гомогенизированного молока. Поэтому при высокой дисперсности жировых шариков гомогени­зированное молоко

Рис. 3. Схема дробления жировых шари­ков в клапанной щели гомогенизатора

d — диаметр отверстия в седле клапана; v₀ — скорость движения молока в клапане; v'₀ — скорость в пограничном сечении; р₀— дав­ление в клапане; v₁— скорость движения в шели клапана; р₁ — давление в шели клапа­на; h— высота шели клапана

    Механизм дробления жировых шариков, схематично показан­ный на рисунке 3, заключается в следующем. В гомогенизирую­щем клапане на границе седла гомогенизатора и клапанной щели имеется порог резкого изменения сечения потока, а следователь­но, и изменения скорости движения. При переходе от малых ско­ростей движения к высоким жировой шарик деформируется: его передняя часть, включаясь в поток в гомогенизирующей щели с большой скоростью, вытягива­ется в нить и дробится на мел­кие капельки. Таким образом, степень раздробленности, или эффективность гомогенизации, зависит прежде всего от скорос­ти потока при входе в гомоге­низирующую щель, а следова­тельно, от давления гомогени­зации, которое всегда опреде­ляет скорость.

    С повышением давления уси­ливается механическое воздей­ствие на продукт, возрастает дис­персность жира, а средний диа­метр жировых шариков умень­шается. По данным ВНИКМИ, при давлении 15МПа средний диаметр жировых шариков составляет 1,43 мкм, а эффективность гомогенизации 74 %, при давлении 20 МПа средний диаметр ша­риков уменьшается до 0,97 мкм, а эффективность возрастает до 80 %. Повышения давления можно достигнуть, снабдив гомоге­низатор двумя или тремя клапанами. Такие гомогенизаторы на­зывают двух- или трехступенчатыми. Однако повышение давле­ния приводит к увеличению расхода электроэнергии, поэтому оптимальное давление составляет 10...20 МПа. Рекомендуемое давление гомогенизации зависит от вида и состава изготовляе­мого продукта. С повышением содержания жира и сухих ве­ществ в продукте следует применять более низкое давление го­могенизации, что обусловлено необходимостью снижения энергетических затрат.

    Интенсивность гомогенизации возрастает с повышением тем­пературы, так как при этом жир переходит полностью в жидкое со­стояние и уменьшается вязкость продукта. При повышении темпе­ратуры снижается также отстаивание жира. При температурах ниже 50 "С отстаивание жира усиливается, что приводит к ухудшению ка­чества продукта. Наиболее предпочтительной считают температуру гомогенизации 60...65 °С. При чрезмерно высоких температурах сы­вороточные белки в гомогенизаторе могут осаждаться.

    Кроме того, эффективность гомогенизации зависит от свойств и состава продукта (вязкость, плотность, кислотность, содержание жира и сухих веществ). С повышением кислотности молока эф­фективность гомогенизации уменьшается, так как в кислом моло­ке снижается стабильность белков и образуются белковые агломе­раты, затрудняющие дробление жировых шариков. При повыше­нии вязкости и плотности молока эффективность гомогенизации также снижается.

    В настоящее время применяют два вида гомогенизации: одно-и двухступенчатую. При одноступенчатой гомогенизации могут образовываться агрегаты мелких жировых шариков, а при двухсту­пенчатой происходит разрушение этих агрегатов и дальнейшее диспергирование жировых шариков.

Иногда при производстве молочных напитков и сыров исполь­зуют раздельную гомогенизацию. Раздельная гомогенизация пред­назначена для получения гомогенизированного молока с требуе­мым содержанием жира, повышенной стабильностью жировой дисперсной фазы и белков. Раздельная гомогенизация отличается от полной тем, что при ней механическому воздействию подверга­ется лишь высококонцентрированная жировая эмульсия (сливки определенной жирности). Сущность раздельной гомогенизации заключается в том, что молоко вначале сепарируют, а полученные сливки гомогенизируют, после гомогенизации их смешивают с обезжиренным молоком, нормализуют, пастеризуют и охлаждают. При производстве раздельно гомогенизированного молока с ис­пользованием двухступенчатой гомогенизации массовая доля жира в сливках не должна превышать 25 %, а при одноступенчатой гомогенизации 16 %.

    Раздельную гомогенизацию применяют для того, чтобы уве­личить производительность гомогенизации и ограничить неже­лательное механическое воздействие на молочный белок при вы­работке питьевого молока, кисломолочных продуктов и сыров. Полученное при раздельной гомогенизации молоко по своим физико-химическим и органолептическим свойствам не отличает­ся от обычного гомогенизированного молока при условии, если массовая доля жира в сливках, используемых при гомогенизации, не превышает 12 %. В молоке, полученном из сливок с повышен­ным содержанием жира и гомогенизированном раздельным спо­собом, наблюдается усиленное отстаивание жира.