автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное обоснование технологии и техники восстановления сухого молока

ВСЕСОЮЗНАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК им .В.Н.ЛЕНИНА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР МЯСНОЙ И МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

СЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ МЯСНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (ВНИКИМП)

На правах рукописи

Тарасов Константин Иванович

УДК 637.143.6

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУХОГО МОЛОКА .< .

Специальность 05.18.04 - Технология мясных,

молочных и рыбных продуктов

05.18.12 - Процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Российской Эконошзчеекой Академии ш.Г.В.Нлеханова

Научный консультант: академик МСХШШ, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Е.Н.ЖПАГОВ

Официальные ошоненты: анадешк Российской акадещи оельскохозяйственных наук, доктор технических наук, профессор А.Г.ХРАВДОВ

член-корр.Российской акадешш сельскохозяйствеяных наук, доктор технических наук, профессор В.Д.ХАРЙТОНОВ

доктор технических наук, профессор-Г.Д.КАВЕЦКИЙ Ведущая организация: ШО "Углич"

Защита диссертации состоится я?/?" , Мо>-р'-Т~3 1Э92г. на заседании специализированного совета Д.020.62.01 при Всесоюзном научно-исследовательском и конструкторской институте мясной промышленности во адресу: 102029, Москва, ул.Талалихина, 26.

Ваш: отзыв (в двух экземплярах), заверенный печатью, просим направлять в адрес института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

Учейый секретарь спевдадЕзироваяшя'о совота Д.020.62.01 хавдхдат технических наук

А.Н.аШРШ

' -;ие/ ОЕ',ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

: -.-' - ,-"гАктуальность проблемы. Неотложной задачей в стране является о'бёсггичвиАе устойчивого снабжения населения всеми видами продовольствия, увеличение производства и потребления высококачественных продуктов, сушественное улучшение структуры питания. К числу продуктов, оказываютик исключительно важное влияние на рацион питания, относятся молоко и молочные продукты.

Для организации рационального питания населения в течение ^ круглого года и в особенности в тех регионах, где в силу ряда причин натуральное молоко полностью отсутствует или его недостаточно, возникает необходимость восстановления сухого молока и молочных продуктов. Восстановленное молоко к настоящему времени составляет около 25% потребляемого в мире молока и молочных продуктов. В нашей стране из производимого сухого молока (в 1990 г. - 237 тыс. т) более 90% используется для промышленной переработки на предприятиях молочной промышленности. В ряде регионов страны производство восстановленного молока составляет более 60/£ всего объема производства молочной продукции.

Технология и техника восстановленного молока необычайно сложны и многогранны, однако, несмотря на большие и все возрастающие объемы производства восстановленных молочных продуктов, их научная проработка явно отстает от современных требований.

До сегодняшнего дня мало изучены и осмыслены процессы восстановления сухого молока, а принятые технологические режимы и их аппаратурное оформление научно не обоснованы и базируются в основном на эмпирических представлениях, нуждающихся в серьезном анализе и теоретических обобщениях.

В этой связи автор полагает, что результаты выполненных им исследований являются актуальными и способствуют совершенствованию технологических процессов производства восстановленного молока и аппаратов для их осуществления.

Цель и задачи исследований. Целью диссертации является разработка научных основ совершенствования технологии и техники восстановления сухого молока.

В ходе выполнения диссертации решались следующие укрупненные задачи:

- обобщить сведения о свойствах сухого молока и воды как основных объектов технологии и техники восстановления;

- изучить процесс гидродинамического диспергирования частиц сухого молока на начальном этапе его растворения; разработать математическую модель и экспериментально определить входящие в нее физические константы;

- обобщить результаты исследований влияния физических воздей ствий и параметров их осуществления на эффективность процесса рас ворения сухого молока; выявить основные закономерности массообмен при растворении сухого молока и дать их аналитическое описание с целью обоснования технологических режимов процесса,совершенствова ния и инженерного расчета аппаратов для его реализации;

- исследовать закономерности изменения физико-химических характеристик восстанавливаемого молока на этапах, последующих растворению; получить аналитические зависимости и осуществить комплексную оценку свойств восстановленного молока как объекта последующей переработки;

- разработать эффективные технологии, обеспечивавшие непрерывное производство восстановленного молока, обосновать конструкции и разработать методики инженерного расчета принципиально новых аппаратов для растворения сухого молока;

- подготовить нормативно-техническую документацию для создания и освоения промышленностью новых технологических процессов и оборудования для их осуществления.

Научная новизна. Разработаны методологические и теоретические основы совершенствования технологии и техники восстановления сухого молока, обеспечивающие эффективность производства, снижен» потерь сырья и эксплуатационных расходов при гарантированном качестве готового продукта. Вскрыты закономерности растворения сухого молока, характеризующие этот процесс в зависимости от физических параметров его проведения. Выявлены определяющие факторы эффективности процесса растворения, основными из которых являйте/ комплекс физических воздействий на систему "вода + молочный порошок" и свойства воды.

Предложена гипотеза механизма растворения сухого молока, по; твержденная экспериментально, и сформулированы условия разрушена агломератов сухого молока.

Теоретически и.экспериментально изучены кинетические закономерности процесса растворения, что позволило предложить математическую модель этого процесса и формулы для определения времени

полного растворения сухого молока в зависимости от относительной скорости движения жидкости и растворяемых частиц; критериальное уравнение, позволяющее рассчитать значение коэффициента массоот-дачи; физические константы математической модели процесса растворения.

Выявлены закономерности изменения физико-химических свойств восстанавливаемого молока, обусловленные в основном уменьшением избыточного содержания воздуха в продукте и динамикой его удаления из продукта. Теоретически и экспериментально определено количество воды, связанной дисперсной фазой молока, и рассчитана концентрация наскления при растворении сухого молока. Дана оценка сил связи частиц сухого молока, составляющих агломерат.

Практическое значение работы. Разработаны методики оценки эффективности процесса растворения сухого молока, пригодные для анализа режимов и эффективности работы аппаратов для растворения. Модифицирован метод определения содержания воздуха в молоке. Разработаны методики инженерного расчета аппаратов для растворения сухого молока. Разработана соответствующая документация для реализации результатов исследований в промышленности.

Разработаны способы и устройства для восстановления сухого молока, защищенные авторскими свидетельствами 904646, 969229, 1050635, 1028307, 1088688, 1145977, 1329743).

Способы производства восстановленного молока апробированы на ряде предприятий молочной промышленности. Результаты исследований вошли в технологическую инструкцию по производству пастеризованного коровьего молока, утвержденную Минмяеомолпромом СССР.

Автоматизированная установка Я16-СГШ производительностью 50 т/ч по восстановленному молоку с 1988 г. серийно выпускается машиностроительным предприятием (з-д "Продмаш", г. Донецк). К настоящему времени выпушено 200 штук. Экономический эффект при эксплуатации одной установки составляет около 50 тыс. руб. в год (по данным до 2.04.1991 г.).

Результаты исследований используются в лекционном курсе и лабораторном практикуме по дисциплине "Процессы и аппараты пишевых производств". Они вошли в учебник по этой дисциплине.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были доложены на научно-практической

конференции "Концентрация производства кулинарной продукции в пре; приятиях общественного питания в потребительской кооперации" Сг. Полтава, 1982), 1У научно-технической конференции "Повышение эффективности производства и качества молочных продуктов" (г. Kay нас, 1962), научно-технической конференции "Эффективность безотходной технологии в молочной промышленности" (г. Москва, 1983), Всесоюзной научной конференции "Проблемы индустриализации общественного питания страны" (г. Харьков, 1984), всесоюзном коллоквиум "Процессы и аппараты пищевых производств" (МИНХ им. Г.В. Плеханов 1907, 1990), конференциях профессорско-преподавательского состава ЫИНХ им. Г.В. Плеханова (1930-1989).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в монографии, двух брошюрах и 24 статьях. На основании выполненных исследований разработаны способы и устройства для восстановления су хого молока, на которые получено 8 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, за ключения, списка литературы и приложений. Основное содержание раб ты изложено наГ-iil'. стр. машинописного текста, включавшего <с с' рисунка, таблиц, / <? приложений.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДШИЕ. Дана краткая характеристика проблемы и обоснована ее актуальность. При выполнении работы автор базировался на иссле дованиях, выполненных отечественными и зарубежными учеными.

Исследования процессов растворения твердых тел выполняли советские и зарубежные ученые: В.В.Кафаров, Г.А.Аскельруд, А,Д.Молчанов, В.Д.Сумм, Ф.Стренк, З.Шгербачек и др.

В области исследования процесса восстановления сухого молокг внесли свой вклад Н.Н.Липатов, В.Д.Харитонов, Ю.И.Филатов, Г.Б.Д рецкий, А.И.Бурыкин, П.В.Кузнецов, В.Ф.Швырев, А.С.Стриго, В.И.Ф] лов, Е.И.Королева, В.А.Щуваев, С.Н.Кунижев, Н.С.Панасенков, B.HJ ховикова, В.Н.Фавстова, Липатов H.H. мл., Н.Кинг, Дз.Прентис и д]

Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОШИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОИЗВОДСТ ВОССТАНОВЛЕННЫХ МСИОЩЫХ ПРОДУКТОВ. Анализ доступных автору лоте ратурных и патентных источников показывает, что суиествуют разли кие схемы производства восстановленного молока, но отсутствует и научное обоснование. Совершенно очевидно, что в современных уело ях оно может развиваться и совершенствоваться только на базе вне

коэффективных технологии и техники, разработанных на основе глубоких и всесторонних исследований.

Растворение сухих молочных продуктов в воде - один из основных и специфических процессов в производстве восстановленных молочных продуктов. Качество растворения сухих молочных продуктов предопределяет качество готовых продуктов, а также эффективность работы оборудования для последушей обработки молока, экономичность всего производства, в том числе снижение потерь сырья. В связи с этим необходим анализ состояния аппаратурного оформления процесса растворения сухого молока.

С этой целью автор разработал классификацию аппаратов для растворения сухих продуктов (см. рис. I).

Рис. I. Схема классификации аппаратов для растворения

Как видно из классификации, существует множество видов аппаратов для растворения. Однако научно обоснованные рекомендации по их выбору и перспективных путях развития в литературе отсутствуют.

В результате обобщения, систематизации а критического анализа литературных и патентных материалов, приведенных в главе I, поставлены конкретные задачи исследований, обобщенных в диссертации, э которых указано выше.

Глава 2. СВОЙСТВА СУХИХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ И ВОДЫ. Исследования влияния состава, структуры и свойств сухих молочных продуктов лв. их растворение показывают, что одним из основных показателей, характеризующих восстановительные свойства сухого молока, является величина краевого угла смачивания.

Это положение обосновывается тем, что смачивание частиц сухо-

го молока - первоначальная стадия процесса растворения. Поэтому способность поверхности частиц сухого молока смачиваться водой -одно из важнейших условий эффективности процесса восстановления. Для повышения эффективности (скорости) растворения сухого молока необходимо, чтобы -~ftlLfl, Cos 9 / (где - степень покрытия поверхности частиц свободным жиром, Q - краевой угол смачивания)

Выполнение указанного условия затруднительно, поскольку влия ние температурных воздействий носит разнонаправленный характер. Теоретический анализ и выполненные расчеты на основе компромиссного подхода позволили установить пределы температуры воды при раст ворении сухого молока.

Обобщение литературных данных, касающихся свойств воды в зависимости от ее состава, позволило оценить влияние воды на процес растворения и определить направление дальнейших исследований, о чем будет указано ниже.

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ СУХОГО МОЛОКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЕГО КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ. Восстановление сухого молока - сложный процесс, в осно ве которого лежит массообмен (выщелачивание или растворение лакто зы и минеральных веществ) и^гидромеханика (диспергирование жировы и белковых частиц и выделение пузырьков воздуха из продукта). Основным и преобладающим является, безусловно, процесс массообмена. Поэтому ниже рассмотрено его математическое описание применительно к восстановлению сухого молока.

Известно, что скорость массообменного процесса чаще всего ли митируется диффузией растворенных компонентов в основную массу жидкости.

Кинетика массообменного процесса описывается уравнением Щу-карева: , '/v? , ■

J"$r=J>F(CK<r)

где V - поток массы растворенного вещества, кг/с; М - масса раст воренного вещества, кг; Г~1 - время растворения, c\ Ji - коэффициент массоотдачи, м/с; Р - поверхность массообмена, г?", Сн - концентрация насыщения раствора, кг/м3; Ср - концентрация раствора, кг/м3.

В процессе растворения частиц и агломератов сухого молока, имевших текущий радиус с? , происходит уменьшение их массы М, про порциональное и поверхности Р, пропорциональное 22 • Прин

мая, что движущая сила (Сн - Ср) и р в процессе растворения постоянны, и подставляя соответствующие выражения для М и Р в уравнение (I), имеем

г. -К/г^Р (2)

где - средний радиус сухих частиц (агломератов) до растворения, и; К - коэффициент пропорциональности; Рс - плотность сухого молока, кг/м3. ^

Из уравнения (2) определяется время полного растворения сухого молока при ' О

ъ- туНЬс-;, <3>

фугой подход к математическому описанию процесса основа*-: на анализе скорости растворения, которая может быть определена изменением массовой доли сухих веществ в процессе растворения в единицу времени

§'«■0* <4,

где К1 - коэффициент пропорциональности; Сн - прирашечие массовой доли сухих вешеств в растворе. Откуда

Сн

Интегрируя уравнение (5), получим

еаС-К'Т+Соп.^ (б)

Значение Соп$ Г в уравнении (б) определяется, исходя из начальных условий: для Ъ~ = О С = Снач, при этом ¿/гСнач -(л,-^

Тогда ¿пС-ёпСмч^К'Г (7)

или и С ,

(8)

Из уравнения (8) получено выражение для определения времени изменения массовой доли сухих вешеств при растворении сухого молока от ее начального значения до значения, соответствующего моменту времени Х~

гг 1 ¿> С- _ 2Д Л _С

Разработка математической модели процесса растворения сухого молока в аппаратах с мешалкой возможна лишь при введении ограничений и допущений, упрощающих модель.

Определявшими факторами процесса растворения сухого молока в аппаратах с мешалкой являются температура воды, способность поверхности частиц к смачиванию и интенсивность перемешивания компонентов в аппарате.

Влияние на процесс температуры воды и способности поверхности частиц сухого молока к смачиванию можно выразить, как показано в главе 2, через краевой угол смачивания 0 или Со'61

Интенсивность перемешивания характеризуется критерием Рей-нольдса Ас,-., = ■■Л.,./!'!..,, в который входят конструктивные параметры аппарата - диаметр _£> и частота вращения мешалки /Я , а также кинематическая вязкость продукта.

С учетом этого модель процесса восстановления молока в аппарате с мешалкой можно разработать на основе следующих соображений.

Допускаем, что при восстановлении элементарной порции сухого продукта /й за время с^Спри интенсивности перемешиваний, характеризующейся величинами /7 и 2>г , восстановится <~1л массы продукта, и приняв гипотезу, согласно которой масса восстановленного продукта пропорциональна массе находящегося в аппарате к моменту времени ¡¿Г сухого молока (/П ~х ), способности частиц сухого молока к смачиванию ( Со В 6 ) и параметрам П. н 2>г , получаем уравнение

сЬ=К)(т-л) П ъгСй$в-№ (ю)

или

„^Ъпл'Согв (ш

где К0 - коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние неучтенных в уравнении факторов процесса (определяется экспериментально).

/

После интегрирования и введения обозначения ^ , получим

¿п -р^^КзП Ъ2 Са$8£

Для практического использования уравнения (12) необходимо знать величину X, значение которой определяется из уравнения материального баланса:

Л •0,5'- V Сер ЦЗ)

где V - объем аппарата, м3; - среднее значение массовой доли сухих веществ в продукте, находящемся в момент времени в аппарате, кг/м3.

Значение величины С„ правомерно принять равным 0,5*С„, где

ср к

Ск - конечное значение массовой доли сухих веществ на выходе из аппарата.

С учетом этого допуиения

х-т-ъб+Ск; 8-w4- (14)

Окончательно формула (12) с учетом (14) принимает вид

& -äß^^fi^CosQ-r (15)

Полученное уравнение (15) является математической моделью процесса растворения сухого молока в аппаратах с перемешивавшими устройствами.

Как показали результаты наших исследований, процесс растворения сухого молока, содержащего агломераты различной величины, осложняется вследствие необходимости разрушения этих агломератов.

Разрушить агломераты сухого молока можно двумя методами: механическим и гидромеханическим. Суть первого метода заключается в том, что агломераты подвергаются механическому воздействию (удару, истиранию и пр.), например при подготовке сухого молока к растворению. В процессе растворения сухого молока в аппарате используют гидродинамический метод разрушения агломератов. Суть иетода заключается в создании такой гидродинамической обстановки в аппарате, когда силы трения Р?р потока жидкости, обтекаюшей агломерат, превышают силы сцепления Рсц частиц, из которых состоит агломерат: F^- > Рсц.

Величины РТр и ¡£ц определялись по уравнениям:

ртр ■/(Ъ-Гг)*/е <16)

<17)

где^ук - динамическая вязкость жидкости, Па*с; Iii - скорость речения жидкости, обтекающей агломерат, м/с; скорость дви-

жения агломерата в потоке жидкости, м/с; $ - площадь поверхнос-ги агломерата, м^; ß- толшина поверхностного слоя, м; с? -задиус частицы, и; 1) - поверхностное натяжение, Н/м; Q - крае-

вой угол смачивания, град.; ^ - угол контакта между частицами, град.

Допуская, что величина угла контакта между частицами составляет 0°, формула (17) упрощается:

рсц = 2ТЛ Озяб (18)

Условия разрупения агломерата с учетом (16) и (18):

Ji(%-Tzf/t >2XZl Co,,Q (19)

Принимая, что агломерат имеет форму шара, площадь его поверхности £ -ЗИ<1 £где а - диаметр агломерата), а толщина поверхностного слоя равна двум радиусам одиночной частицы сухого молока, имеем

j(iTrTz)S:d]/^ >2JC2l Cos6 (20)

Отсюда условие разрушения агломератов, т.е. отделение от агломерата поверхностного слоя, выражается следующим неравенством:

{f(TrTz}%>lCosQ]>l (21)

Для экспериментальной проверки предложенной гипотезы был создан стенд, включающий стеклянную трубку с сеткой и зафиксированным на ней агломератом. Через трубку пропускалась с различной скоростью вода. Ситуация в трубке наблюдалась визуально и фиксировалась на фотопленке. На фотографиях, представленных на рис. 2, приведены результаты визуальных наблюдений динамики разрушения агломерата сухого молока. При одинаковом увеличении объектов наблюдения наглядно видно, как происходит процесс разрушения агломерата во времени при определенной скорости движения жидкости ( TJ= 1,85 м/с).

Проведенные эксперименты подтвердили правильность принятия гипотезы разрушения агломерата сухого молока. Кроме того, результаты экспериментов позволили количественно оценить силы сцепления одиночных частиц в агломерате. Расчеты по формуле (16) показали, что значение силы вязкостного трения, при котором происходит разрушение агломерата, составляет 10"^ - 10~^Н. Следовательно, можно принять, что сила сцепления одиночных частиц 8 агломерате не превышает Ю~%.

Экспериментальные исследования кинетических закономерностей процесса растворения сухого молока изучали с использованием методик, основанных на пропускании воды через неподвижный слой молоч-

Рис. 2. Результатн визуальных: наблюдений динамики разрушения агломерата

ного порошка. При этом навеска сухого молока смешивалась с металлической крошкой, частицы которой имели размер от 80 до 500 мкм, в соотношении 2:1. Такой прием позволил создать условия, при которых сухое молоко равномерно распределялось между металлическими частицами и как бы механически удерживалось в определенном положении. Подаваемая жидкость свободно обтекала частицы сухого молока во всем объеме. Степень растворения сухого молока оценивали по количеству растворенного вещества в фильтрате, который непрерывно собирался в пробирки. Содержание компонентов молока (жир, белок и лактоза) в отобранных пробах определяли на автоматическом приборе рЩ!ко5/\<Ж (Швеция).

Экспериментальные данные приведены в таблице I.

Таблица I

Зависимость массы сухих вешеств в пробе от скорости обтекания

Скорость обтекания, м/с

Абсолютная масса сухих веществ в пробе, %

Порядковый номер пробы

I | 2 ]3 ¡4{5|6|7j8¡9|l0

Суммарная масса сухих „ веществ.

0,026 0,035 0,052 0,090 0,113 0,155 0,310

4,6 4,4 4,1 3,8 3,5 3,3 3,0 2,7 2,4 2,0 33,8

7,4 6,2 5,8 5,2 4,6 4,1 3,5 2,8 2,4 2,2 43,0

10.5 6,4 5,3 5,1 4,8 4,5 4,3 4,3 4,1 3,8 54,0

17.6 7,6 6,4 5,7 5,4 5,2 4,8 4,7 4,2 3,9 65,5

22.3 8,0 6,8 6,4 5,9 5,3 4,8 4,4 4,0 3,6 71,5

27.4 8,6 7,2 6,6 6,0 5,4 4,6 4,6 3,6 3,0 76,4 46,0 16,2 10,2 4,5 4,2 3,7 2,4 1,5 0,8 0,6 89,5

Сумма массовых долей жира, белка и лактозы в пробе

я

Обработка экспериментальных данных позволила получить эмпирическую зависимость времени полного растворения от скорости обтекания lió частиц сухого молока:

<£"= I,9( То+ 0,07)"*. (22)

Расчет полного времени растворения сухого молока, выполненный по формулам (3, 9, 22) показывает, что расхождение результатов расчета составляет до 25?. Данный факт, на наш взгляд, подтверждает предположение о сложности учета всех факторов, влияющих на процесс растворения сухого молока при математическом описании.

Для вывода критериального уравнения, описывавшего процесс растворения сухого молока, воспользовались следующими предпосылками.

Известно уравнение кинетики растворения для случая прямоточного процесса:

,Рг с(г

* ^ 1-еиы я ^

и

где - плотность частицы, кг/и3; ¿4 - диаметр частицы, м; С, Сн - соответственно концентрация насыщения и в основной массе раствора, кг/м3; - коэффициент массоотдачи, м/с.

Совместное решение уравнения (23) и эмпирической зависимости (22) позволило рассчитать значение коэффициента массоотдачи и получить обобщенное критериальное уравнение массообмена. "

При расчете величины ^у? в качестве определяющего размера частиц сухого молока использовали рассчитанный по формуле Заутера средний объемно-поверхностный диаметр после обработки дифференциальных кривых распределения частиц по размерам.

Расчетное значение ^ для различных значений скорости обтекания и массовой доли сухих веществ в продукте приведены в таблице 2.

Таблица 2

Зависимость коэффициента массоотдачи от скорости обтекания и массовой доли сухих веществ

0,1 м/с \lJd- 0,15 м/с| Xх 0.2 м/с] 0,25 м/с} 0,3 м/с

¡Юб, м/фдр згс6, Ц ¡Ц —~ г ЛОь,м/с!5,5ф 510б,м/ср,фю6,м/с

12 5,44 12 7,25 12 9,07 12 10,88 12 12,69

18 11,80 18 15,72 18 19,65 18 23,57 18 27,65

24 16,45 24 21,93 24 27,41 24 32,89 24 38,37

30 22,90 30 30,54 30 38,17 30 «,81 30 53,44

36 33,98 36 45,30 36 56,63 36 67,95 36 79,28

Математическая обработка полученных результатов позволила получить зависимость

^ • ГО6 - (0,37 4- 7,56.Г). $ - 60,82- V- 3,09. (24) Обобщающая критериальная зависимость, описывавшая процесс растворения сухого молока, получена в результате приведенных выше

экспериментальных данных. Коэффициент молекулярной диффузии входящий в критерии /Л^ и , рассчитывался по формуле

Эйнштейна: ' _

л . .¡LJL

' ' L г. I (25)

с

где К - постоянная Больцмана, Дж/К; Т - абсолютная температура, К;

- динамическая вязкость растворителя, Па-с; ¡7 - радиус частицы, м.

Радиус частицы (в данном случае - радиус частицы лактозы) приняли равным 2,35»10"*® м.

Определяющим размером частицы в критерии f'Juy является средний объемный диаметр частицы сухого молока, принятый равным 96. Ю-6 м.

Таким образом, обобщенная критериальная зависимость имеет

вид

fV'^i) (26)

Уравнение (26) справедливо при = 10 * 100. Сопоставлена расчетных и экспериментальных данных лает расхождение в 10-12$.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ. При выполнении экспериментальных исследований использовалось сухое молоко, выпускаемое отечественной молочноконсервной промышленностью и зарубежными фирмами (Австрия, Финляндия).

Для оценки полноты и эффективности процесса растворения сухого молока нами разработаны методы, позволяющие характеризовать эффективность работы различных аппаратов, а также режимы проведения процесса. Один из них основан на центробежном разделении анализируемой пробы восстановленного молока в сепараторе "Ллава-3" с барабаном, оснащенным специальным бандажом, на котором накапливается нерастворившийся осадок. Относительный показатель полноты

растворения (ОППР) определяется по формуле _ Мт - Мп

ОППР = 1¿ • 100, (27)

где Mj и l¡2 - масса бандажа соответственно с осадком и без осадка, г; & - масса анализируемой пробы, г. Уменьшение значения ОППР свидетельствует об увеличении эффективности процесса растворения.

Другой метод основан на использовании процесса фильтрования.

Показатель полноты растворения (ПОР) определяется по формуле

ППР = С7'Г • 100, (28)

Г . г . > *

где - соответственно масса фильтрата и масса пробы, г;

,ъ, Зи - соответственно массовая доля сухих веществ в фильтрате и анализируемой пробе, %.

В работе использовались также известные методики оценки эффективности процесса (ГОСТ 8764-73, ОСР-ЕНИМИ).

Влияние тепловых воздействий на процесс восстановления оценивали при нагревании как воды, так и сухого молока,

В результате обобщения известных данных и результатов исследований установлены оптимальные режимы термообработки: для воды температура 45-60°С, для сухого молока 35-60°С. При этих режимах достигается наилучшая смачиваемость и наибольшая скорость растворения сухого молока.

В соответствии с известными представлениями о положительном влиянии на процесс восстановления гидромеханических воздействий были получены количественные характеристики влияния интенсивности и продолжительности перемешивания на эффективность процесса восстановления (см. рис. 3).

ОППР

а)

ОППР

1000 1500 2000 2503 0000 ftfMUH

-1

5 10 15 20 25 30 с

Рис. 3. Зависимость ОППР от: а) частоты вращения мешалки при продолжительности перемешивания 1-5 с; 2-10 с; 3-30 с; б) продолжительности перемешивания при частоте вращения мешалки I - 1000 мин-1; 2 - 2000 мин-1; 3 - 2,500 мин-1; 4 - ЗСО мин-1

С увеличением частоты врашения мешалки относительный показатель полноты растворения резко уменьшается. Это свидетельствует о росте эффективности процесса растворения с повышением частоты вращения мешалки. Продолжительность перемешивая--я при принятых частотах вращения влияет на растворимость продукта лишь первые десять секунд. При дальнейшем увеличении продолжительности перемешивания эффективность растворения не повышалась. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что на эффективность и интенсивность процесса растворения сухого молока в аппарате с мешалкой определявшее влияние оказывает интенсивность перемешивания. Роль продолжительности перемешивания незначительна.

Нами были проведены исследования зависимости процесса растворения сухого молока от вибрационных воздействий, которые заключались в том, что на систему "порошок - вода" накладывались механические колебания с частотой 15-50 с"* и амплитудой 1,25 мм. Установлено, что продолжительность растворения сухого цельного молока уменьшается с увеличением частоты вибрации, а продолжительное^ растворения сухого агломерированного молока уменьшается при снижении частоты вибрации. Положительное влияние вибрации на процесс растворения сухого молока в воде можно объяснить тем, что у части сухих частиц вследствие совпадения частоты собственных колебаний с частотой накладываемых наступает резонанс и амплитуда их холе-баний резко возрастает. Это способствует быстрому разъединению слипшихся частиц сухого молока и их растворению. При растворении полидисперсных систем, каковыми являются и сухие молочные продукты, в резонанс попадают лишь те частицы, масса (размеры) которых соответствует резонансной частоте.

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА И ВИДОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ НА СОСТАВ ВОССТАНОВЛЕННОГО МОЛОКА И ПРОЦЕСС ВОССТАНОВЛЕНИЯ. Поскольку вода является основным компонентом восстановленного молока, ее состав оказывает влияние и на состав восста новленного молока. Этот факт подтвержден результатами исследований, которые показывают повышенное содержание минеральных вешеств в восстановленном молоке по сравнению с натуральным.

Согласно классическим представлениям, термообработка воды (нагревание, охлаждение и замораживание) приводит к изменениям ее структуры и свойств.

Исследования влияния тепловой обработки воды на растворимость сухого молока заключались в следующем. В перчом варианте

воду, используемую в дальнейшем для растворения сухого молока, нагревали до 95-100°С и затем охлаждали до 65°С. При этой температуре осуществляли восстановление сухого молока. Во втором варианте воду нагревали до 95-100°С, затем охлаждали до 5°С и вновь нагревали до 65°С. В третьем - воду замораживали, после чего также нагревали до 65°С.

Для сравнения влияния предварительной тепловой обработки воды на процесс растворения использовали также водопроводную и дистиллированную воду.

При получении соответствующего образца восстановленного молока определяли растворимость, выраженную в процентах. Опыты проводили многократно. Результаты исследований обобщены и представлены в таблице 3.

Таблица 3

Влияние тепловой обработки воды на растворимость сухого молока

Вид обработки воды

Нагретая до 95-Ю0°С и охлажденная

Нагретая до 95-Ю0°С и охлажденная тая до 65°С

Замороженная и нагретая до 65°С Дистиллированная вода ( Ь = 65°С) Вода без обработки ( Ь = 65°С)

н Литературные данные.

до 65°С 93,2

до 5°С, нагре-

92,8 92,6 93,9 (93,5)* 88,9 (90,2)*

Анализ данных свидетельствует о влиянии предварительной обработки волы на эффективность процесса растворения сухого молока. Так, наибольший эффект отмечается при использовании дистиллированной воды и воды, предварительно нагретой до 95-100°С и охлажденной до 65°С.

Так как использование дистиллированной воды при больших объемах производства восстановленного молока может быть технически и организационно трудноосушествимо или вовсе неприемлемо в силу значительных материальных затрат, с практической точки зрения безусловно представляет интерес первый вариант.

Полученные результаты с учетом результатов исследований, из-

ложенных в предыдущий главе, и данные литературы позволили разработать классификацию определяющих факторов процесса восстановления сухого молока (см. рис. 4).

I. СВОЙСТВА ЧАСТИЦ

1.1. Химический состав и агрегатное состояние

1.2. Плотность

1.3. Пористость

1.4. Геометрические параметры

1.5. Свойства поверхности

1.6. Структурные характеристики

П. СВОЙСТВА ПОРОШКА

ПЛ. Гранулометрический состав П.2. Упаковка

П.З. Адгезионные характеристики

A. Смачиваемость Б. Проникаемость

B. Погружаемость Г. Распускаемость

Рис. 4. Классификация определявших факторов процесса восстановления сухого молока

Ш. ФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ШЛ. Механические

Ш.2. Тепловые

Ш.З. Гидромеханические

1У. свойства вода

1У.1. ¿'гпловая обработка

1У.1.1. Нагрев до ю0°с и „ охлаждение до 45-70 с

1У.1.2. Замораживание и.

нагрев до 45-70°С

1У.1.3. Нагрев до 45-70°с

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ, АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ СВОЙСТВ ВОССТАНОВЛЕННОГО МОЛОКА. Анализ литературных источников показал отсутствие достаточных данных о физико-химических свойствах восстановленного молока. В связи с этим выполнены исследования и осуществлен анализ физических и теплофизических свойств восстановленного молока.

Плотность восстановленного молока увеличивается в зависимости от продолжительности процесса выдерживания (см. рис. 5). Это обусловлено тем, что в процессе восстановления за счет действия капиллярных сил вода внедряется в микро- и макрополости частиц сухого молока, вытесняя при этом воздух, который содержится в них. Кроме того, воздух попадает в восстанавливаемое молоко и при проведении процесса восстановления в аппаратах с мешалками.

Экспериментально установлено, что плотность цельного восстановленного молока з основном увеличивается в течение 30 мин, дальнейшее выдерживание влияет на плотность незначительно. Рост плотности в процессе выдержки замедляется в восстановленном молоке с увеличенной кассовой долей сухих веществ. В любом случае плотность восстановленного молока после 180 мин выдержки не достигает плотности, соответствующей плотности натурального продукта.

Математическая обработка результатов эксперимента позволила получить формулы для расчета плотности восстановленного молока с массовой долей сухих вяпеств 12 и 24£ в зависимости от продолжительности выдерживания соответственно:

Р = 930*1,081 ; (29)

у> = 832*1,237 г°'02 . (30)

Погрешности расчета плотности по предложенным формулам составляют: средняя абсолютная погрешность - не более 1%, средняя квадратичная погрешность - не более 1,6$.

Скорость изменения плотности (кг*м~^мин) в зависимости от продолжительности выдерживания может быть определена по уравнениям: при СВ « 1255 № - (3,7*1,031 1-0,05>£--0,95. (31) при СВ = 24% (3,63*1,237 Г-0,98).^-0,Ш> (32)

Исследования влияния температуры растворявшей воды на плотность восстановленного молока показали (см. рис. 6), что с повышением тешературы растворяющей воды от 20 до 55°С плотность восстановленного молока уменьшается, а дальнейшее повышение температуры до 80°С приводит к росту плотности (измерение плотности осуществлялось через каждые 2 мин после растворения). Такую законо-

JS^j/м

ítoo 1040

sea

920 seo &ao 74o

к-

А -t

ж V] 0 се=; 56%

\ \ С В =24%

1 \ СВ= 2%

f,Krh 940

930

923

910

SOO

--> Гч У

\ /

>

20 30 40 SO 60 70 80

t,°C

30 60 90 120 (SO 180

Рис. 5, Изменение плотности восстановленного молока в процессе его выдерживания

Рис. 6. Зависимость плотности цельного восстановленного молока от температуры растворяющей воды

мерность можно объяснить тем, что в первом случае основное влияние на плотность оказывает выделяющийся из продукта воздух, а во втором - уменьшение поверхностного натяжения и вязкости.

Содержание воздуха в восстановленном молоке после растворения сухого в несколько раз превышает его значение в натуральном продукте. В процессе выдержки восстановленного молока при t = 20°С происходит снижение содержания воздуха в нем, причем наиболее интенсивно в течение первых 60 мин (см. рис. 7). Однако даже длительное выдерживание (более 180 мин) не позволяет довести содержание воздуха в восстановленном молоке до значения его в натуральном молоке, где оно в среднем составляет 0,2$.

Результаты экспериментов свидетельствуют о влиянии на содержание воздуха в восстановленном молоке массовой доли сухих веществ и температуры продукта. При увеличении массовой доли сухих веществ в восстановленном молоке до 24% и 36£ содержание воздуха в молоке повышается соответственно в 2,2 и 3,4 раза по сравнению с восстановленным молоком с массовой долей сухих вешеств 12%.

Влияние температуры воды при растворении сухого молока на содержание воздуха (см. рис. 8) аналогично влиянию температуры на плотность, поскольку эти показатели тесно взаимосвязаны.

Вязкость восстановленного молока в процессе выдерживания до 50 мин возрастает, а при дальнейшем выдерживании уменьшается. Этот факт можно объяснить тем,что в период времени до 50 мин определяю-

г,/О 30 25 20 15 ¡0 5 0

А

X

\\

fe

/о 14,0 15,0 12,0 11,0 (0,0 ДО

8,0 Ц

6,0 50 40 3,0 2,0 1,0

ч.

\

S 4Í* j

к ч

---- —""

N

V3

<

„2.

20 40 60 80 100 120 %нин ' ¡O 20 30 40 50 60 70 80

t,°0

Рис. 7. Изменение воздуха в цельном ленном молоке в щ держивания: I - С' (эксперимент); 2 (расчет): 3 - СВ • пеоимент); 4 - СВ чет); 5 - СВ=36%

содержания Рис. 8. Зависимость содержания воз-

восстанов- духа в восстановленном молоке от

оцессе вы- температуры растворяющей воды: 1,2 -

■ = 12$ цельное восстановленное молоко (ео-

• СВ « 12% ответственно СВ - Ш и СВ * 24%);

= ?./0о (экс- 3,4 - обезжиренное восстановленное

= 24^ (рас- молоко (расчет при COMO = 12% и 24Ю (расчет)

шее влияние на вязкость оказывает гидратация белка и белковых оболочек жировых шариков. При дальнейшем выдерживании уменьшение вязкости связано с выделением пузырьков воздуха, т.е. с уменьшением доли дисперсной фазы в продукте.

Поверхностное натяжение восстановленного молока также изменяется в процессе его выдерживания. Поверхностное натяжение восстановленного молока, подвергнутого вакуумированию после растворения сухого молока, практически не изменяется.

Таким образом, результаты исследований физических свойств восстановленного молока свидетельствуют о влиянии на их значения содержания воздуха в продукте и структурных изменений (гидратации белка и белковых оболочек жировых шариков). Причем превалирующее влияние имеет фактор № I.

Исследования теплофизических характеристик восстановленного молока дали следующие результаты.

Удельная теплоемкость восстановленного молока соответствует удельной теплоемкости натурального молока и не зависит от содержания воздуха в продукте.

Теплопроводность и коэффициент температуропроводности восстановленного молока зависит от количества содержащегося в нем воздуха. В процессе выдерживания восстановленного молока с пони-

21

женным содержанием воздуха коэффициент температуропроводности уменьшается (см. рис. 9). Наиболее заметное снижение й наблюдает ся в течение первых 30 мин выдерживания, когда выделяется основное количество воздуха. Изменение теплопроводности также связано с содержанием в продукте воздуха. Характер изменения теплопроводности противоположен характеру изменения температуропроводности (см. рис. 9).

Л

щ

0,54 0,51

№ т

СВ=12%

А га II

г

И 60 90 1Ю 150 130

9. Изменение коэффициента температуропроводности и теплопро-водностидцельного восстановленного молокаяв процессе выдерживания: I - МСР = ИТ) при СВ в 12%; 2 - а.10?/ (ТУ таи СВ = 24%; 3 (ТТ при СВ = 12$; 4 -Л = /(О при СВ • 24£

Количество связанной воды дисперсной фазой молока - один из важнейших показателей, характеризующих физические, органолепти-ческие и другие свойства восстановленного молока. Под понятием "связанная вода" ми подразумеваем воду, свойства которой в каких-либо конкретных ситуациях в силу химических, сорбционных, осмотических, микро- и макрокапиллярных взаимодействий с дисперсной фазой отличаются от свойств присущих воде, являющейся дисперсионной средой.

Исходя из известных представлений об увеличении вязкости дисперсных систем в процессе их гидратации, рассчитано количество воды, связанной дисперсной фазой молока.

Объемная доля У частиц дисперсной фазы складывается из объемных долей собственно дисперсных частиц и их гидратных оболочек:

(33)

где ~ соответственно средний радиус частиц белка и Киро-

вых шариков, м; ¿Г - толщина слоя воды, связанной частицами белка и жировыми шариками, м; Д/^ , /1/^ - соответственно счетные концентрации частиц белка и жировых шариков,

В формуле (31) принято допущение, что толщина гидратного слоя жировой частицы обусловлена ее белковой оболочкой. Толшина слоя воды, связанной дисперсной частицей, в соответствии с гипотезой Гатчека не зависит от ее размера.

Численное значение ¡у определяется из формулы Ванда:

у=уи0(1*-2,5-Уф49 У2) (34)

где М и ^Ао - соответственно вязкость дисперсной системы и дисперсионной среды, Па*с.

Решая уравнение (34) относительно У и уравнение (33) относительно ¡) , получаем значение общего количества воды, связанной дисперсной фазой натурального молока - 7,1%. Сопоставление полученного результата с экспериментальными данными Ю.А.Оленева и др. (7,44%) показывает, что эти данные близки. Используя экспериментальные данные Ю.А.Оленева, рассчитано обшее количество связанной воды сухим веществом молока. Установлено, что ее количество в натуральном молоке составляет 15,84$; в обезжиренном восстановленном - 9,9755, в том числе на долю белка приходится лишь 1,575? связанной воды, что в 4,7 раза меньше, чем в цельном молоке. Можно предположить, что "водянистый привкус", характерный для восстановленного молока, связан с уменьшением доли связанной воды белком молока.

Основываясь на приведенных выше результатах, рассчитана концентрация насыщения в процессе массообмена при растворении сухого молока. Она составляет 46,3^.

Анализ и обобщение результатов исследований позволили предложить физическую модель процесса восстановления сухого молока (см. рис. 10).

Сформулировано понятие процесса восстановления: восстановление сухого молока - процесс взаимодействия компонентов молока с водой, сопровождающийся растворением лактозы и минеральных веществ, переходом жира в эмульсию и белка в суспензию и их диспергированием, а также гидротацией белка и белковых оболочек жировых шариков и удалением из продукта избыточного воздуха.

СУХОЕ МОЛОКО ВОДА

Агломераты Одиночные частицы 1

Смешивание

Смачивание сухого I молока

Разрушение 1 агломератов'

ВОДОМСЙОЧНАЯ СМЕСЬ

Раствор лактозы и минеральных солей Эмульсия молочного | Суспензия жира | белков

¡Гидратация белка и белковых оболочек __Кировых шариков_

I Удаление избыточного воздуха| 1 ВОССТАНОВЛЕННОЕ МСДОКО Рис. 10. Физическая модель процесса восстановления сухого молока

Глава 7. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПРОИЗВОДСТВА ВОССТАНОВЛЕННОГО МОЛОКА И АППАРАТОВ ДНЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ. Результаты экспериментальных исследований влияния физических воздействий на процесс растворения позволили предложить новый способ интенсификации растворения сухих полидисперсных систем (а. с № 1050635) с наложением на смесь механических колебаний заданного диапазона частот. Сущность способа заключается в том, что на смесь сухого молока с водой накладываются механические колебания заданного диапазона, при этом частоту колебаний изменяют во времени в зависимости от гранулометрического состава продукта, плотности частиц. При этом граничные значения диапазона изменения частот устанавливаются по минимальной и максимальной резонансны!-! частотам колебаний частиц, а период изменения диапазона частот выбирают равным I, 1/2, 1/3 продолжительности обработки продукта.

При наложении на систему "порошок + вода" колебаний, изменяемых во времени, частицы дисперсной фазы, имеющие различную массу (размеры), последовательно попадают в зону изменяющихся резонансных частиц. Следовательно, все частицы дисперсной фазы вступают

в резонанс с накладываемыми изменявшимися во времени колебаниями. В результате чего резко возрастает эффективность процесса разделения частиц, их диспергирования и растворения.

Предлагаемый способ апробировался в лабораторных условиях на специально созданной установке. Результаты экспериментов показали, что предложенный способ восстановления сухих молочных продуктов позволяет сократить продолжительность процесса растворения в 1,5-2 раза, уменьшить количество сырого осадка в готовом восстановленном молоке в 2-4 раза.

Для разработки нового способа восстановления сухого молока, как указывалось выше, были выполнены исследования по влиянию предварительной обработки воды на растворение. Проводимые эксперименты позволили разработать новую схему производства восстановленного молока. Схема предлагаемого способа представлена на рис. II.

Рис. II. Схема производства восстановленного молока

Обозначения:----вода; -я-х-х— сухое молоко;

-в-е-е— восстановленное- молоко

Предложенный способ производства восстановленного молока позволяет достичь двух целей: повысить эффективность растворения сухого молока и не проводить пастеризации восстановленного молока. Достижение последней указанной цели обусловлено тем, что по сути осуществляется пастеризация основного компонента восстановленного молока - воды, содержание которой в продукте составляет 88-92Й. Поэтому смешение сухого молока с пастеризованной водой не требует проведения процесса пастеризации готового продукта, что позволяет в свою очередь избежать вредного воздействия высоких температур при пастеризации на термояабильные компоненты молока и тем самым повысить качество продукта.

С целью производственной проверки предложенного способа на Тбилисском гормолокомбинате провели экспериментальные выработки восстановленного молока по новому способу. Полученное молоко подвергали химическому и микробиологическому анализам. Полученные данные свидетельствуют об эффективности предложенного способа: по показателям эффективности процесса пастеризации, общему количеству бактерий и титру кишечной палочки продукт соответствовал требованиям технологической инструкции на пастеризованное питьевое молоко. По содержанию витамина С отмечено его превышение, что, очевидно, связано с отмеченным вше положительным фактом отсутствия воздействий высоких температур на термолабильные компоненты молока.

Как указывалось выше, исследования свойств восстановленного молока показали, что основное влияние на них оказывает воздух, содержащийся в продукте в избыточном количестве.

В связи с этим нами были выполнены эксперименты по удалению воздуха из восстановленного молока путем его вакуумирования. Было установлено, что воздух интенсивно удаляется из продукта при определенном значении разряжения, когда происходит вскипание восстановленного молока. Величина разряжения зависит от температуры продукта и массовой доли сухих веществ в нем.

Обработка опытных данных позволила вывести зависимость требуемой величины остаточного давления в вакуумкамере от температуры продукта и массовой доли сухих веществ в нем

Р'103= [ 0,13-(СВ-12)/400] (Т-273)3/100-(СВ-12)/70+0,67, (35)

где Р - остаточное давление в вакуумкамере, Па; СВ - массовая доля сухих веществ в восстановленном молоке, %; Т - температура продукта, К.

Установлено, что-на эффективность процесса вакуумирования (степень удаления воздуха) влияет длительность вакуумной обработки

Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость продолжительности вакуумирования '¿Г (с) от массовой доли сухих веществ (СВ) в восстановленном молоке:

'Г = 0,0145-СВ2'48. (36)

Опираясь на полученные результаты по вакууыированию, разработан способ подготовки восстановленного молока к механической и тепловой обработке (а.с. ?? П45977). Суть разработанного способа заключается в том, что с целью ускорения достижения восстановлении

молоком физико-химических свойств натурального (плотность, вязкость , содержание воздуха), после растворения его подвергают вакуумной обработке при давлении 0,4-10^ - 37,5»10^ Па в течение 10-180 с в зависимости от температуры молока и содержания сухих вешеств в нем.

Целесообразность совмещения процессов растворения сухого молока и вакуумирования водомолочной смеси явилось предпосылкой разработки другого способа получения восстановленных молочных продуктов и установки для его осуществления. Такой прием позволяет, кроме удаления избыточного воздуха из продукта, повысить эффективность процесса растворения сухого молока в условиях кипения водомолочной смеси.

Как показывают результаты опытов, при вакуумировании в результате кипения и выделения газов из продукта снижается вероятность адсорбирования пузырьков воздуха частицами сухого молочного порошка, что положительно влияет на смачиваемость частиц водой и ускоряет процесс растворения сухих молочных пропукточ. Кроме того, в условиях кипения водомолочной смеси происходит интенсивное ее перемешивание, что делает целесообразным применение дополнительного механического перемешивания при растворении.

Разработан способ (а.с. № 1329742), который заключается в том, что подача сухих молочных продуктов в аппарат для растворения, подача воды и их перемешивание осуществляются в одном неразрывном потоке путем создания разряжения от 0,4*10^ ло 37,5-10^ Па, причем подача сухих молочных продуктов и воды ведется во встречном, а перемешивание - в восходяшем потоке в режиме кипения водомолочной смеси с последующим отделением воздуха.

Предложенный способ иллюстрирует рис. 12, на котором показана схема одного из вариантов установки для получения восстановленных молочных продуктов.

Нами была разработана также конструкция аппарата для растворения сухого молока, принципиальная схема которого представлена на рис. 13. Аппарат состоит из корпуса I, сетчатых перегородок 2, патрубка 3 для ввода сухого молока, патрубка 4 для вывода растворенного молока и патрубка 5 для ввода воды. Особенности конструкции аппарата заключаются в следующем. Во-первых, ввод сухого молока осуществляется в воду непосредственно, что улучшает условия смачивания сухого молока. Во-вторых, в аппарате расположены с^тки по ходу движения водомолочной смеси. Эксперименты показали, что

со

Рис. 12. Принципиальная схема установки для осущест-вления^способа^]эаетворения сухих молочных продуктов

I - измельчитель; 2 - накопительная емкость; 3 -всасываюпее сопло; 4 - регулирующий вентк ь; 5 - вакуумный аппарат для растворения; б - емкость для воды; 7 - регулирующий вентиль; 8 - сепаратор для отделения воздуха; 9 - вакуумный насос; 7. - насос;

II - патрубок вывода растворенного молока; 12 - патрубок ввода воды

Рис. 13. Схема вакуумного аппарата: I - резервуар; 2 - сетки; 3 - патрубок ввода сухого молока; 4 - патрубок отвода воздуха в вакуум-насос; 5 - патрубок ввода воды

количество должно быть от 3 до 5 в зависимости от производительности аппарата; с увеличением производительности количество сеток увеличивается. Расстояние между сетками составляет от 0,1 до I диаметра корпуса аппарата. Размер ячеек в сетках от нижней до верхней перегородки уменьшается и составляет соответственно от 5-10 мм до 0,3-0,5 мм.

В соответствии с описанной принципиальной конструкцией был создан экспериментальный аппарат, который испытывался на Тбилисском молочном комбинате. Рабочие испытания показали работоспособность аппарата и перспективность его применения, так как практически исключается процесс выдержки молока. Повышается эффективность растворения. Это происходит вследствие того, что водомолоч-ная смесь, интенсивно перемешиваясь в режиме кипения, проходит последовательно ряд сетчатых перегородок, на которых задерживаются слипшиеся комочки сухого молока (агломераты). За счет высокой относительной скорости обтекания растворенным молоком этих агломератов достигается их быстрое растворение в соответствии с рассмотренным выше механизмом процесса разрушения агломератов.

На основании выполненных экспериментальных и аналитических исследований интенсифицирующего воздействия на эффективность растворения нагрева сухого молока и обобщения их результатов разработан способ производства восстановленного молока, защищенный авторским свидетельством № 1088688 (см. рис. 14).

Суть способа заключается в том, что исходное сухое молоко подогревают до 35-40°С и смешивают с водой в таком соотношении, чтобы получить концентрат с массовой долей жира (сухих вешеств) 24-36$. Полученный концентрат очищают и гомогенизируют, после чего в потоке осуществляют нормализацию с одновременной пастеризацией за счет введения в концентрат воды с температурой 85-100°С из расчета достижения в готовом продукте заданного значения содержания жира (сухих веществ).

Разделение производства восстановленного молока на две стадии преследует цель уменьшения энергозатрат и повышения эффективности процесса восстановления. Как было установлено, повышение вязкости раствора способствует разрушению агломератов сухого молока при растворении. Механическая очистка и гомогенизация концентрата восстановленного молока позволят существенно снизить энергозатраты, так как объем обрабатываемого концентрата в 2,53,6 раза меньше объема восстановленного молока, установленного

Рис. 14. Схема технологической линии производства восстановленног молока:

I - накопительный бункер; 2 - дозирующее устройство; 3 - подогреватель сухого молока; 4 - фильтр очистки воды; 5 - счетчик дозировки воды; б - смесительный аппарат; 7 - центробежный насос; В - центробежный очиститель; 9 - гомогенизатор; 10 - выдешива-тель; II - регенератор; 12 - охладитель; 13 - резервуар; 14 -нагреватель; 15 - смеситель (нормализатор-пастеризатор)

гв;с /00 95 90 65 60 75

1В, 1/5сС-сот1

Рис. 15. Номограмма для определения температуры воды для пастеризации молока:

1 - Кк . в£; Тв . 1,5 Тп - 22

2 - Жк . 9,5$; Тв = 1,43 Тп - 20

3 - Н = 11,27»; Тв • 1,3 Тп - 13

65 70 75 80 85

Тп?С

нормами состава.

Последующий процесс нормализации до требуемого содержания жира (сухих веществ) в восстановленном молоке можно осуществлять в потоке без специальных аппаратов с механическим перемешиванием.

Совмещение процессов пастеризации и нормализации концентрата восстановленного молока позволяет существенно упростить технологическую схему производства восстановленного молока и исключить из него ряд процессов и оборудования (выдержка, резервуары).

Для разработанного способа производства предложена методика расчета процессов на основе рассмотрения уравнений материального и теплового баланса и их преобразований. Для удобства определения значения температуры воды с целью ее нормализации и пастеризации разработана номограмма (рис. 15), Получены такие эмпирические формулы, использование которых позволяет легко определить требуемую температуру воды Тв для пастеризации, задаваясь требуемой температурой пастеризации восстановленного молока Тп.

Опытные выработки восстановленного молока, проведенные в соответствии с выполненными расчетами, дали положительные результаты. По всем показателям восстановленное молоко отвечало требованиям ГОСТа на питьевое молоко.

Разработанные новые способы производства восстановленного молока могут быть рекомендованы для практического осуществления на различных предприятиях молочной промышленности, в зависимости от технической оснащенности и производственной мощности конкретного предприятия.

Как видно из изложенного ранее, проведенными нами исследованиями установлено, что эффективность растворения агломератов и частиц сухих молочных продуктов повышается с возрастанием разности скоростей течения жидкости и движения агломерата, с увеличением вязкости дисперсионной среды, а также с уменьшением поверхностного натяжения жидкости и косинуса краевого угла смачивания сухого молока.

Эти исследования явились предпосылкой для разработки конструкций ряда аппаратов для растворения сухого молока (см. рис. 16, 17, 18). Они рекомендованы для использования в предприятиях молочной промышленности и общественного питания.

Широкое промышленное внедрение получила установка марки Я16-0ПЕ (а.с. № 969229), оснащенная разработанной нами системой автоматизации. Производительность установки составляет 50 т вос-

и> го

Схемы аппаратов для восстановления сухого молока

Рис. 16. I - бункер для подачи сухого молока; 2 - корпус аппарата; 3 - труба для подачи воды; 4 - лопасти; 5 - сито; 6 - вал; 7 - активаторы; 8 - патрубок для отвода восстанет ценного молока; 9 - электродвигатель

ни

- 4 р.

\1 ОТШИТ?

Рис. 17. I - электродвигатель; 2 - вал; 3 - загрузочный бункер; 4 - шнек; 5 - сетчатый фильтр; 6, 9, 10 - патрубки; 7 - корпус; 8 - перемешивающие элементы

Рис. 18. I - смеситель; 2 - гайка; 3 - хвостовик; 4 - воронка; 5 - сито; б - приводной вал; 7 - про-

tилIфoвaнныe лопасти; - насос; 9, 12 - патрубки; 10, II - лопасти; 13 - электродвигатель

I - электродвигатель; 4 - внутренний цилиндр узла смачивания; 3 - внешний цилиндр узла смачивания; 4 - патрубок подачи воды; 5 - загрузочный бункер; б - корпус аппарата; 7 - лопасть мешалки; 8 - вал мешалки; 9 -мешалка: 10 - сетчатый конфузор; II - крыльчатка; 12 -ротор; 13 - штифт ротора; 14 - штифт статора; 15 -статор; 16 - центробежный насос; 17 - патрубок вывода гомогенного продукта; 18 - линия возврата нераст-ворившихся комков сухого молока

Рис. 19. Аппарат для растворения сухого молока Я16-0П1

ы ы

становленного молока в час. Схема установки приведена на рис. 19. Отличительной особенностью установки Я16-ОЖ является наличие в корпусе аппарата сетчатого конфузора, служащего для отделения нерастворившихся агломератов сухого молока от восстановленного молока и возврата их в зону интенсивного механического и гидромеханического воздействия. При работе установки подача сухого молока осуществляется таким образом, чтобы массовая доля сухих веществ в концентрате на выходе из установки в 2 раза превышала требуемую в восстановленном молоке. В дальнейшем концентрат подвергается нормализации. Температура подаваемой в установку воды составляет 40-б5°С в зависимости от принятой технологической схемы производства восстановленного молока.

Результаты сравнительных технологических испытаний установки Я15-0ГШ и ранее серийно выпускавшейся установки И1-0ВМ показали преимущества установки Я16-0ПЖ в части повышения производительности (в два раза), эффективности растворения сухого молока. В результате опытной эксплуатации оказалось возможна! снизить норму расхода сухого молока на 65 г при производстве I т восстановленного молока, что при годовом производстве более I млн. т восстановленного молока даст экономию более 65 т сухого молока. Снижение норм расхода сухого молока вошло в техническую документацию.

С 1988 г. установка Я16-0ПЖ серийно выпускается Донецким заводом "Продмаш". К 1991 г. выпущено более 200 установок. Экономический эффект использования одной установки составляет 50 тыс. руб. в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Критический анализ современного состояния технологии и техники восстановления сухого молока обосновывает актуальность разработки научно обоснованных непрерывно-поточных технологий и аппаратов для растворения сухого молока. Новые технологии и техника должны обеспечить максимальную эффективность производства восстановленного молока, снижение потерь сырья при гарантированном качестве продукта.

2. Разработаны научные основы совершенствования технологии и техники восстановления сухого молока, характеризующиеся теоретическими и методологическими подходами к проблеме с позиций массообмена и гидродинамики дисперсных систем.

3. Аналитическое обобщение известных и вновь полученных дан-

ных о свойствах сухого молока и воды указывает на необходимость при математическом описании процесса растворения сухого молока учитывать краевой угол смачивания его частиц.

4. Разработана физическая модель гидродинамического диспергирования части? сухого молока при растворении и экспериментально подтверждена гипотеза условия их разрушения, которое зависит от относительной скорости движения жидкости и частиц, вязкости дисперсионной среды и смачиваемости частиц.

5. Установлены кинетические закономерности процесса восстановления и определены числовые значения коэффициента массопередачи при различных скоростях обтекания жидкостью частиц сухого молока. Выведено критериальное уравнение в обобщенных переменных, описывавшее процесс восстановления при различных условиях его проведения. Получены математические модели и зависимости эффективности процесса восстановления от свойств продукта, технологических и конструктивных параметров аппарата для его реализации.

6. Установлено, что большинство физико-химических свойств восстанавливаемого молока непосредственно после растворения сухого молока отличаются от соответствующих свойств натурального молока, что объясняется наличием в восстанавливаемом молоке избыточного содержания воздуха. Установлено, что с целью достижения соответствия свойств восстановленного и натурального молока целесообразно осуществлять вакуумирование восстанавливаемого молока. Определены рациональные режимы его проведения.

7. Предложен метод расчета количества связанной воды дисперсной фазой молока. Показано, что количество связанной дисперсной фазой воды в восстановленном молоке ниже, чем в натуральном. Полученные расчетные данные позволили установить значение концентрации насыщения в процессе массообмена при растворении сухого молока.

8. Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать и предложить физическую модель производства восстановленного молока. Эта модель необходима для анализа действующих технологий, их совершенствования и конструирования новых аппаратов, предназначенных для восстановления сухих продуктов.

9. Для организации нерперывного производства восстановленного молока разработаны способы и аппараты, рекомендованные для использования на предприятиях молочной промышленности и общественного питания. Разработаны технологические режимы осуществления способов.

10, Широко внедрена в молочную промышленность и серийно выпус кается установка Я16-0Ш, экономический эффект от использования составляет 50 тыс. руб.

Основные результаты исследований по диссертационной работе опубликованы:

МСНОГРАФИЧШШЕ ИЗДАНИЯ

1. Липатов H.H., Тарасов К.И. Восстановленное молоко (теория и практика производства восстановленных молочных продуктов). }'..: Агропромиздат, 1985. 256 с.

2. Производство восстановленных и рекомбинированных молочных продуктов/ Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов Ю.И. и др. М.: ЩШИТЭИмясомолпром, 1981. 50 с.

3. Интенсификация процесса растворения сухого молока/ Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов ЮЛ!, и др. М.: ЩИИТЭИмясомолпром, 1934. 52 с.

СТАТЬИ

4. Липатов H.H.мл,, Тарасов К.И. Теоретический анализ влияния гомогенизации на структурообразование при кислотной коагуляции молока// Труды ВДИКИ. Вып. 47/ Пиш. пром-сть. Ы., 1979.

С. 79-90.

5. Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Швырев В.Ф., Стриго A.C. Состояние и пути совершенствования производства восстановленных молочных продуктов// Молочная пром-сть. 1981. Т» 6. С. 17-20.

6. Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Швырев В.Ф., Бурбак А.Н. Использование сухих молочных продуктов ч общественном питании// Концентрация пр-ва кулинарной продукции в предприятиях общественного питания потребительской кооперации: Тез. докл. научно-практ. конф. Полтава, 1982. С. 75-78.

7. Липатов H.H.мл., Тарасов К.И., Рубцов В.В. Критерии з: -вершенности процесса восстановления сухого молока// Процессы и аппараты пищ, пр-в: Межвузовский сб. научн. трудов/ Моск. ин-т нар. хоз-ва. М., 1982. С. 53-56,

в. Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Степанятов В.Е., Швырсп B..J. Изучение факторов, влияющих на процесс восстановления сухого молока и определение гидродинамических режимов процесса// Повышение эффективности пр-ва и качества молочных продуктов: Тез. докл. 1У научно-техн. конф. Каунас, 1982. С. 201.

9. Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Швырев В.Ф.

Исследование физико-химических свойств восстанавливаемых молочных продуктов// Повышение эффективности и качества молочных продуктов: Тез. докл. 1У научно-техн. конф. Каунас, 1962. 208 с.

10. Липатов H.H., Тарасов К.И., Швырев В.Ф., Филатов Ю.И., Рубцов В.В. Повышения эффективности процесса восстановления сухих молочных продуктов// Повышение эффективности и качества молочных продуктов: Тез.'Докл. 1У научно-техн. конф. Каунас, 1982. 209 с.

И. Липатов H.H., Баранов B.C., Тарасов К.И., Бурбак А.Н., Филатов Ю.И., Швырев В.Ф. Использование сухого молочного сырья для получения восстановленных молочных продуктов с наполнителями// Эффективность безотходной технологии в молочной пром-ти: Тез. докл. научно-техн. конф. í¿., 1983. С. 5-6.

12. Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Швырев В.Ф. Изменение физико-химических свойств восстанавливаемых молочных продуктов// Эффективность безотходной технологии в молочной пром-ти: Тез. докл. научно-техн. конф. М., 1983. С. IOO-IQI.

13. Липатов H.H., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Швырев В.Ф. Факторы, влиявшие на процесс восстановления сухого молока// Эффективность безотходной технологии в молочной пром-ти: Тез. докл. каучно-техн. конф. М., 1933. С. 105-106.

14. Липатов H.H., Тарасов К.И. Воздух в молоке и молочных продуктах// Пша. технология. Изв. вузов. 1983. № 4. С. 6-13.

15. Баранов B.C., Бурбак А.Н., Тарасов К.И. Определение минимального количества воды для восстановления сухих продуктов// Пня. технология. Изв. вузов. 1984. $ 6. С. II7-II9.

16. Липатов H.H., Баранов B.C., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Бурбак А.Н., Швырев В.Ф. Влияние сроков хранения сухих молочных продуктов на качество изготовляемых изделий на их основе. Деп.

в ЩИИТЭИторговли, $ 310-ДВ4.

17. Липатов H.H., Баранов B.C., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Бурбак А.Н., Швырев В.Ф. Технология и свойства концентрированной молочной основы для производства кремовых изделий. Деп. в ЩИИТЭИт орго в ли, № ЗГ. С. 84.

18. Тарасов К.И., Филатов Ю.Й., ШЕырев В.Ф., Фролов В.И. Оценка эффективности процесса смачивания порошкообразных продуктов// Пробл. индустриализации оби. питания страны: Тез. докл. Всесоюзной научн. конф. Харьков, 1984. С, 88.

19. Липатов H.H., Тарасов К.И., Спиридонов Л.А., Филатов Ю.И.

Повышение эффективности процесса смачивания порошкообразных проду тов// Проблемы индустриализации оба. питания страны: Тез. докл. Всесоюзной научн. конф. Харьков, 1984. С. 115.

20. Громов М.А., Тарасов К.И., Королева Е.И. Теплофизические характеристики восстановленного молока// Пии. технология. Изв. вузов. № 3. 1985. С. 63-66.

21. Швыряв В.Ф,, Тарасов К.И., Филатов D.H., Фролов В.И. Установка для растворения сухого молока// Молочная пром-ть, 1986.

№ 2. С. 27-28.

22. Тарасов К.И., Королева Е.И. Изменение плотности восстанавливаемого молока в процессе его выдержки// Пищ. технология. Изв. вузов. 1986. № 2. С. 50-53.

23. Филатов Ю.И., Тарасов К.И., Фролов В.И., Швырев В.Ф. Растворение сухого молока в аппаратах проточного типа с мешалками Пищ. технология. Изв. вузов. 1986. № б. С. 36-39.

24. Липатов H.H., Тарасов К.И., Степанятов В.Е., Филатов Ю.И Швырев В.Ф. Исследование гидродинамики процесса восстановления сухого молока// Товароведение, технол. процессы и оборудование торговли и общ. питания: Межвузовский сб. научн. трудов/ Моск. ии нар. хоэ-ва. Ы., 1937. С. 18-23.

25. Тарасов К.И., Кошадзе Ш.Г,, Шуран В.Н. Анализ процессов производства восстановленного молока// Процессы и аппараты пиа. пр-ств: Межвузовский сб. научн. трудов/ Моск. ин-т нар. хоз-ва. М., 1988. С. 52-55.

26. Филатов Ю.И,, Тарасов К.И., Фролов В.И., Швырев В.Ф. Оценка эффективности аппаратов для растворения сухого молока по показателю полноты растворения// Процессы и аппараты пищ. пр-ств: Межвузовский сб. научн. трудов/ Моск. ин-т нар. хоз-ва. М., 1933. С. 102-109.

27. Тарасов К.И., Королева Е.И. Влияние температуры и содержания воздуха на свойства восстановленного молока// Пищ. технология. Изв. вузов. 1989. № I. С. 94-95.

АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА

28. № 904646 (СССР). Установка для восстановления сухого молока/ Стриго A.C., Липатов H.H., Тарасов К.И. и др. Б.И. 1982, № 6.

29. в 969228 (СССР). Установка для восстановления сухого молока/ Липатов H.H., Тарасов К.И., Усов В.В. и др. Б.И. 1982. №

30. № 969229 (СССР). Установка для восстановления сухого иолока/ Липатов H.H., Филатов Ю.И., Тарасов К.И. и др. Б.И. 1962. * 40.

31. № 1050635 (СССР). Способ пблучения восстановленного молока/ Липатов H.H., Тарасов К.И., Беляков В.И. Б.И. 1983. № 40.

32. № 1028307 (СССР). Установка для производства восстановленного молока/ Стриго A.C., Липатов H.H.', Тарасов К.И, и др. Б.И.

1983. № 26.

33. № 1088688 (СССР). Способ производства восстановленного молока/ Липатов Н,Н„, Тарасов К.И., Швырев З.Ф. и др. Б.И.

1984. № 16.

34. № II45977 (СССР). Способ подготовки восстановленного молока к .• ;ханической и-тепловой обработке/ Липатов H.H., Тарасов К.И., Павлов В.А. и др. Б.И. 1985. № II.

35. № 1329743 (СССР). Способ получения восстановленных молочных продуктов и установка для его осуществления/ Липатов H.H., Тарасов К.И., Спиридонов Л.А. и др. Б.И. 1967. № 30.