автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Стабилизация влажности в технологических процессах производства творога

Введение

Глава I. Анализ аппаратурно-технологических факторов процесса производства творога, определяющих формирования параметра влажности

1.1 Характеристики аппаратурно-технологических схем производства творога

1.2 Аппаратурно-технологический анализ процесса производства мягкого творога

1.3 Аппаратурно-технологический анализ процесса производства творога традиционной консистенции

Глава И. Выбор метода и анализ физико-химических характеристик творога применительно к задачам экспрессного контроля влажности

2.1 Обзор методов контроля влажности и анализ физико-химических характеристик творога

2.2 Исследование электрофизических характеристик творога

2.3 Исследование физико-механических характеристик творога

Глава III. Разработка системы стабилизации влажности в технологических процессах производства творога

3.1 Формирование структуры системы стабилизации влажности творога

3.2 Определение статических и динамических характеристик объекта регулирования

Выводьт

Вода содержится во всех пищевых продуктах, и определение ее содержания является одним из основных и наиболее важных анализов в пищевой промышленности.

Влагосодержание - это один из основных показателей качества продукции, который регламентируется государственными стандартами.

Исследовательские работы по разработке методов и средств определения влагосодержания пищевых продуктов начали проводиться в начале XX века. Необходимость их была вызвана тем, что в первую очередь количество влаги определяет качество продукта (совокупность физических, биологических, мет ханических и технологических свойств), а во вторую очередь - влияет на его сохранность и на производительность оборудования. В результате развития пищевых технологий и производств, а также под влиянием исторических событий возникали все новые и новые причины в расширении возможностей влаго-метрии.

При существующей в настоящее время тенденции на внедрение непрерывно-поточных линий для производства пищевых продуктов и обеспечения режимов ресурсосберегающих технологий невозможно обойтись без технических средств экспрессного получения информации о влажности сырья, полуфабриката, готовой продукции для решения задач управления.

Особенно остро встал вопрос о необходимости экспрессного (оперативного) контроля и управления параметром влажности молочных продуктов, когда в условиях резкого сокращения сырьевых ресурсов производство цельномолочных продуктов по-прежнему является ведущей подотраслью страны, а производство творога составляет почти 25% от ее объема.

Творог представляет собой традиционный белковый кисломолочный продукт, обладающий высокими пищевыми и лечебно-диетическими свойствами. Его вырабатывают путем сквашивания пастеризованного цельного или обезжиренного молока и удаления из полученного сгустка части сыворотки.

Существующие аппаратурно-технологические решения обеспечивают обработку творожного сгустка, включая этапы механического измельчения, тепловой обработки и обезвоживания, в непрерывном потоке. На этих этапах процес-^ са обеспечивается формирование параметра влажности, имеются приемлемые технологические зоны отбора информации по конечной влажности готового продукта и необходимые каналы по ее принудительной стабилизации в нормируемых пределах.

Для определения характера и зон формирования влажности творога в процессе его производства в работе проведен аппаратурно-технологический анализ процесса и предложена математическая модель зависимости влажности творога от основных технологических факторов.

Предложенная зависимость обеспечивает базу для формирования структуры и выбора принципов управления по стабилизации влажности готового продукта в непрерывном потоке, а структура системы стабилизации, в свою очередь, требует экспрессной информации о влажности готового продукта.

В настоящее время имеется ряд методов контроля влажности продуктов, на основе которых построены и разрабатываются технологические средства контроля. Задача выбора метода измерения влажности значительно усложняется различием форм связи влаги, влиянием окружающей среды, адсорбирующими добавками, изменяющими структурно-механические свойства продуктов и определяющими их индивидуальные свойства. Особую сложность для экспрессного контроля представляют продукты с высоким содержанием влаги (свыше 50%), производство которых составляет значительный объем.

В представленной работе также исследовались возможности экспрессного контроля влажности творога, который является характерным продуктом с высоким содержанием влаги.

Необходимость исследований обусловлена тем, что существующие методы измерения или не обеспечивают достаточной точности, или требуют больших затрат времени, что заставляет в условиях производства приближенно оценивать содержание влаги для сохранения ритмичности технологических процессов. Так как приближенная оценка производится с подстраховкой, продукт по-% лучают с заниженным содержанием влаги, что свидетельствует о больших издержках производства.

Использование известных решений по влагометрическим системам, а также создание новых методов и разработка на их основе технических средств измерения, как правило, связаны с особенностями продукта и аппаратурно-Ф технологической схемой его производства.

Из электрических методов контроля влажности, получивших широкое применение вследствие обеспечения быстрого контроля и создания предпосылок для комплексной автоматизации технологических процессов, емкостный метод является наиболее предпочтительным для контроля влажности пищевых продуктов. Однако, особенности пищевых продуктов, а также то обстоятельство, что объектом исследования данной работы является продукт с высоким содержанием влаги, затрудняют применение известных измерительных схем для контроля влажности.

Колебания плотности, переменность химического состава, неравномерное! распределения влаги, наличие связанной влаги вызывают большие диэлектрические потери при измерении влажности творога емкостным методом.

Одним из способов, облегчающих измерение влажности таких продуктов, является предварительная подготовка исследуемой пробы, заключающаяся в изменении фазового состояния содержащейся в продукте влаги.

Для творога, отличающегося высоким значением электропроводимости, которая в обычных условиях исключает применение емкостного метода, обоснована принципиальная возможность увеличения его удельного сопротивления путем перевода содержащейся в продукте влаги в твердую фазу - лед. Такой способ предварительной подготовки пробы, как показали исследования электрофизических характеристик творога, обеспечивает возможность контроля его влажности емкостным методом.

Наряду с емкостным методом, в работе исследовалась возможность применения метода основанного на том, что вода при переходе в твердую фазу -лед, резко изменяет свою плотность.

На основе предложенного метода измерения влажности разработаны два типа измерительных преобразователей, один из которых построен на основе манометрической схемы, а другой - на основе дилатометрической схемы.

Результаты исследований подтвердили, что этот метод обеспечивает возможность контроля влажности продуктов с высоким содержанием влаги и показали предпочтительность использования измерительного преобразователя, построенного на основе дилатометрической схемы, так как он дает более стабильные результаты и более прост для практической реализации.

Таким образом, целью настоящей работы является разработка системы стабилизации влажности готового продукта в технологическом процессе производства творога.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- исследовать влияние аппаратурно-технологических факторов процесса производства творога на содержание влаги и получить математические зависимости применительно к задачам стабилизации параметра влажности готового продукта в технологическом потоке;

- выбрать метод экспрессной оценки параметра влажности готового продукта;

- исследовать влажностные характеристики творога с учетом требований используемого метода измерений, особенностей производства и физикохимических свойств готового продукта и предложить структуру системы экспрессного контроля влажности;

- разработать структуру системы стабилизации влажности творога на этапах тепловой обработки и обезвоживания творожного сгустка.

Научная новизна работы заключается в том, что: » - установлены основные аппаратурно-технологические факторы, определяющие формирование параметра влажности в технологическом процессе производства творога, определен уровень их влияния и предложена математическая модель формирования параметра влажности на стадии тепловой обработки сгустка, позволяющая количественно оценить влияние 9 потенциально управляемых факторов;

- определены предельно допустимые временные интервалы получения информации о влажности в технологическом процессе производства творога;

- предложены и теоретически обоснованы процедуры измерения влажности, включающие операции предварительного изменения диэлектрических характеристик влажного продукта путем изменения агрегатного состояния его влаги. Экспериментально определены оптимальные температурные режимы замораживания пробы и частотные диапазоны измерения влажности творога;

- экспериментально обоснован дилатометрический метод измерения влажно сти, включающий операцию перевода влаги пробы продукта в лед и опреде щ лены температурные режимы замораживания с учетом форм связи влаги;

- предложена и разработана структура системы автоматического регулирования влажности творога, включающая внесение взаимосвязанных регулирующих воздействий по каналам аппаратов тепловой обработки сгустка и механического обезвоживания. Получены параметры для синтеза системы автоматического регулирования.

Практическая ценность работы заключается в разработке научно-технических решений, обеспечивающих стабилизацию параметра влажности готового продукта в непрерывном потоке при обеспечении оптимальной производительности оборудования.

Предложенные технические решения по экспрессному контролю влажности могут быть реализованы для различных видов пищевых продуктов с нормированным высоким содержанием влаги. т На защиту выносятся:

1. Результаты исследований аппаратурно-технологических факторов, определяющих параметр влажности с учетом основных стадий технологического процесса производства творога.

2. Результаты экспериментальных исследований влажностных характеристик творога применительно к предложенным методам экспрессного контроля влажности.

3. Результаты исследований и разработка схемных решений по стабилизации влажности творога в непрерывном потоке.

I. Анализ аппаратурно-технологических факторов процесса производства творога, определяющих формирование параметра влажности

1.1. Характеристика аппаратурно-технологических схем производства творога В настоящее время наибольшее промышленное распространение имеют г периодический и комбинированный способы производства творога. При комбинированном способе основные операции, связанные с обработкой сгустка | (тепловая обработка и механическое обезвоживание), осуществляется в аппара тах непрерывного действия.

Нормированный уровень содержания жира в готовом продукте обеспечи-^ вается или путем нормализации исходного сырья (молока), или внесением необходимого количества жира (сливок) в творог, выработанный из обезжиренного молока, т.е. производство творога раздельным способом.

При производстве творога независимо от способа его производства можно выделить две основные группы технологических процессов.

В первую группу технологических процессов входят процессы, предше-т ствующие образованию сгустка (первичная обработка, пастеризация, охлаждение, нормализация молока и т.п.). Эта группа процессов характерна для произ водства почти всех молочных продуктов.

Вторая группа технологических процессов включает процессы, специфические для производства творога (начиная с заквашивания молока и кончая * расфасовкой творога).

В общем виде схема технологических процессов производства творога представлена на рис. 1.1

Анализ приведенной схемы показывает, что при любом способе производства творога рассмотрение технологических связей основных специфических процессов можно начинать с операции внесения необходимых компонен-' тов в молоко для сквашивания.

При кислотно-сычужном способе производства творога, характерном для непрерывного процесса, для заквашивания в молоко вносят сычужный фермент, хлористый кальций.

При производстве творога раздельным способом технологическая схема, # приведенная на рис. 1.2 принципиально отличается от схемы, приведенной на рис.1.1.

Анализ стадий процесса производства творога подчинен выявлению технологических зон формирования влажности готового продукта и выбору каналов для внесения стабилизирующих воздействий, обеспечивающих поддержание нормированных значений влажности.

Ф Так, например, режимы пастеризации при производстве творога предопределяют интенсивность развития культурной микрофлоры, вносимой в молоко и, соответственно, выход готового продукта. Интенсивность образовани; сгустка, качество и выход творога зависят от дозы вносимых компонентов, : также от техники и приемов внесения их.

Получение молока I

Первичная обработка молока на ферме I

Транспортировка I

Приемка I

Охлаждение I

Хранение I

Подогревание I

Очистка I

Нормализация Пастеризация I

Охлаждение до температуры сквашивания I

Внесение необходимых компонентов для сквашивания молока i

Образование сгустка (сквашивание) I

Обработка сгустка I

Предварительное удаление сыворотки и самопрессование

Прессование (или обезвоживание) творога

Охлаждение Ф

Расфасовка и упаковка I

Пастеризация молока I

Сепарирование молока 4

Внесение необходимых компонентов для сквашивания молока I

Образование сгустка I

Обработка сгустка I

Отделение сыворотки

Розлив сгустка в мешочки

Самопрессование

Прессование I

Вальцевание обезжиренного творога

Размешивание сгустка 1

Сепарирование сгустка 1

Охлаждение сливок I

Дозирование сливок

Смешивание обезжиренного творога со сливками 1

Охлаждение творога >1

Расфасовка творога

Процесс образования сгустка, до некоторой степени, самопроизвольный, а его свойства зависят от условий подготовки молока, внесения закваски и других компонентов и от аппаратурного оформления этого процесса.

Обработка сгустка заключается в разрезке и термической обработке его перед обезвоживанием. Несоблюдение режимов обработки может привести к ухудшению качества творога и увеличению потери сухих веществ.

На конечные результаты выработки творога существенно влияет разрезка сгустка. Своевременная разрезка и установление правильных размеров кубиков сгустка, образуемых при разрезке, обеспечивают эффективность самопрес-j сования и прессования.

При обработке сгустка необходимо учитывать способы дальнейшего его ^ обезвоживания, которое определяет конечное содержание влаги в готовом продукте. В случае обезвоживания сгустка на сепараторе требуется предварительное размешивание для получения гомогенной массы, а при прессовании творогг на других обезвоживателях непрерывного действия крайне нежелательно обра зовавшийся сгусток подвергать излишним механическим воздействиям. В этог случае творог хорошей консистенции удается получить при условии миш мального дробления сгустка.

1. Для задач исследования определены технологические процессы произ водства творога, имеющие аппаратурно-технологическое оформление с потенциальными зонами формирования влажности в непрерывном пото ке.2. По результатам исследований аппаратурно-технологических факторов процесса производства творога подтверждено влияние температуры на грева сгустка на интенсивность отделения сыворотки. При этом отмечена необходимость учета кислотности исходного сгустка.3. Предложена математическая модель формирования параметра влажности творога, включающая обоснованно управляемые факторы на стадиях процесса тепловой обработки сгустка и его принудительного обезвожи вания, и позволяющая дать количественную оценку влияния указанных факторов.4. На основе исследований обоснованы предельно допустимые временные интервалы получения информации о влажности в процессе производства творога, обеспечивающие возможность выбора метода контроля влажно сти в технологическом потоке с временным циклом процедуры измерения в пределах ЮООс.5. Предложены и теоретически обоснованы методы измерения влажности творога, включающие процедуру предварительного изменения агрегатно го состояния влаги пробы путем замораживания с последующим ее измерением емкостным или дилатометрическим методом. Экспериментально определены оптимальные частотные и температурные диапазоны с уче том форм связи влаги.6. По результатам исследований предложена и разработана структура сис темы автоматического регулирования влажности творога в технологиче ском потоке, включающая внесение взаимосвязанных регулируюпщх воздействий по каналам аппаратов тепловой обработки сгустка и его ме ханического обезвоживания. Получены параметры для синтеза системы автоматического регулирования и сформирован алгоритм управления.

1. Смит О. «Биологическое действие замораживания и переохлаждения». -М.: Иностранная литература, 1963. - 499с.

2. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. «Процессы и аппараты пищевых производств». М.: Агропромиздат, 1985. - 512с.

3. Стенли Г. «Фазовые переходы и критические явления». -М,: Мир, 1973. -419с.

4. Степанова Л.И. «Совершенствование технологии производства молочно-белковых продуктов непрерывным способом». Автореферат, дис. К.т.н. -Л., 1982.

5. Стучебников В.М., Трухачев Б.С. «Интегральные датчики механических величин на современном этапе». Приборы и системы управления, 1985, №8.

6. Сурков В.Д., Липатов Н.Н., Золотин Ю.П. «Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности». М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. -432с.

7. Техническая инструкция по производству творога мягкого диетического. М.: 1982.

8. Техническая инструкция по производству творога на линии Я9-ОПТ-«.%. М.: 1992.-26с.

9. Тышкевич С. «Вопросы технологии пищевых продуктов». М.: Пищевая промышленность, 1972.

10. Тюльпанов М.С. «Исследование процесса выработки сгустка при производстве творога методом коагуляции белков молока в штоке с целью разработки системы управления». Автореферат. Дис. к.т.н. -М., 1975.

11. Тюльпанов М.С., Карпычев В. А. «Приближенный метод расчета температурного поля продукта, движущегося в канале коагулятора». Труды ВНИМИ, 1975, вып. 41, с.41-48.

12. Усиков С.В. «Электрометрия жидкостей». Л., Химия, 1974. - 144с.

13. Федоткин И.М., Клочков В.П. «Физико-технологические основы влаго-метрии в пищевой промышленности». Киев: Техника, 1974.

14. Федоткин КМ., Ткаченко С.И. «Теплогидродинамические процессы в выпарных аппаратах». Киев: Техника, 1975. - 212с.

15. Филиппов В.И. «Влияние льдообразования на теплофизические свойства замороженных пищевых продуктов». Дис. К.т.н. Л.,1978.

16. Фирсов В.К., Иванова Т.В., Ковалева Т.Ю. «Моделирование при создании и производстве кисломолочных продуктов». Молочная промышленность РФ, 1999,№5, с.37.

17. Фриденберг Г.В., Панкова Р.И., Коваленко Л.Г. и др. «Исследование некоторых технологических параметров производства творога непрерывным способом из обезжиренного молока». Труды ВНИМИ, 1975, вып. 41, с.11-17.

18. Фриденберг Г.В., Панкова Р.И. «Исследование взаимосвязи основных реологических синеретических характеристик сгустка и творога, получаемых по методу коагуляции белков молока в потоке». Труды ВНИМИ, 1975, вып. 41, с. 18-23.

19. Хиппель А.Р. «Диэлектрики и волны». М.: Иностранная литература, 1960.

20. Хлебников Ю.А. «Процесс гравитационного обезвоживания творожного сгустка в аппаратах колонного типа». Автореферат дис. К.т.н. Л., 1985.

21. Цкитишвилли З.М. «Исследование процессов и разработка технологии непрерывного способа производства творога из восстановленного молока на основе коагуляции белков в потоке». Автореферат дис. К.т.н. -М., 1978.

22. Чайковский 8.Ф. Шмыгля А.А. «Методы регистрации изменения давления при испытании компрессоров». Холодильная техника, 1962, №5.

23. Черевичный В. В. «Исследование процесса и разработка оборудования для непрерывного производства творога из подсквашенного молока». Автореферат дис. к.т.н. -М.31978.

24. Чижов Г.Б., Кулманова Н.К. «Связь исходного состояния тканей мяса и изменений, вызываемых замораживанием», 1966, №2.

25. Чижов Г.Б. «Вопросы теории замораживания пищевых продуктов». М: Пшцепромиздат, 1956- 142с.

26. Чижов Г.Б. «Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов». -М.: Пищевая промышленность, 1979. 271с.

27. Шинкарик М.Н.»Обезвоживание сгустка прессованием при производстве мягкого сыра и творога», Автореферат дис. к.т.н. Jl.s 1986.

28. Шленский В. А. «Исследование процесса обезвоживания творожного сгустка и разработка конструкции обезвоживателя непрерывного действия». Автореферат дис. к.т.н. М., 1977.

29. Шленский В.А., Есина Г.И., Фриденберг Г.Ф. «Сравнительная оценка методов и устройств непрерывного обезвоживания творожного сгустка». -Труды ВНИМИ, 1975, вып.41, с. 68-76.

30. Элстон П.Д. «Обезвоживание казеинового сгустка способом декантации». М.:ХХТ Международный молочный конгресс. Том.1, кн.2, 1982. - с.42.

31. Berlin Е., Anderson A., Pallansch J. "Water Vapor Sorption Properties of Varions Dried milks and Whegs". J.Daiyj Sch, SI, 668, 1968.

32. Bohon R.L., Conway W.T. "Thermoclim. Acta" 1972,4,321.

33. Daies R.J. Ph.D.Thesis. Lipid interactions in unworked wheat flour doundhs. University of Aston in Birmingham, 1970.

34. Davies R.Y„ Webb T. Chemy Jnd., 1969, p.l 138.

35. Ditchel W.J., Lundgust G.A. An investigation of the physical and electrical properties jf sea ice, Bull. Nate, Researeh Conncill, U.C. N 122, 11951.

36. Ede A.J. Haddow R.R. The electrical properties of high freguencies. Food Manufacture, 1951, v.24, N4.

37. Fennema O.R., Powrie W.D., Marth E.H. Low Temperature Prservation of Foods and Living Matter. Marcel Dekker, New York, 1973.

38. Feitknecht U. Ueber die Bindund verschicdener Alkalisalze durch Casein. Ph. D. thesis, University of Berne, 1962.

39. Gal S. Ueber die Wasserdampf- Sorption von Casein. Pf. D. thesis, University of Berne, 1961.

40. Hober R. Physical chemistry of cell and tissues, churchil, ztd, London, 1945.

41. Karmas E., Dimarco G.R. J. Fd Ski, 1970, 35, 615.

42. Lorentzen G. Came problems in the nitrogen freezing offish. Bull of IIR$ Annexe, 1,1961.

43. Mackenzie A.P. Jn The Frozen Cell J.A.Churehill, London 1970.Plenum Press, New-York, 1971.

44. Meryvan H.T., ed. Cryobiobogy. Academic Press. London and New-York, 1966.

45. Millard D. The electrical measurement of moisture in grannbar materials. Brit, J. Appl. Plys. 1953. N3.

46. Simatos D., Faure M., Bonjour E., Couach МУ Submitted to Cryobiology, 1974.

47. Simatos D., Turc. J.M. Vith International Course on Freeze Drying Lucerne, 1773.процесса