АППАРАТ ДЛЯ ОНЛАЙН МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ МОЛОКА
APPARATUS FOR ONLINE MONITORING OF MILK COAGULATION PROCESS

Изобретение относится к технологическим аспектам переработки молока, связанным с процессом его коагуляции, и может быть использовано в сыроделии для мониторинга процесса формирования молочного сгустка непосредственно в сыродельной ванне и определения момента времени его готовности к разрезке.
Известны статические, прямые, разрушающие устройства контроля процесса коагуляции молока, в частности пенетрометры, которые определяют силу или глубину единичного проникновения индентора определенной геометрической формы в объем образующегося геля и обеспечивают относительные измерения вследствие их зависимости от тестовой геометрии индентора [1].
Недостатком устройств этого типа является то, что они обеспечивают измерение реологичеких свойств формирующегося геля только в статичном состоянии, т.е. невозможно контролировать динамику коагуляции молока, а измерение сопровождается необратимым разрушением геля и непригодно для использования непосредственно в сыродельной ванне.
Известны также динамические, прямые, разрушающие устройства контроля процесса коагуляции молока, которые для измерений используют вращающиеся или колеблющиеся коаксиальные цилиндры, диски и конусы, испытывающие вязкое сопротивление исследуемого объекта, а результат измерений определяют из анализа амплитудно-фазо-частотных характеристик системы в процессе их взаимодействия с гелем [2].
Недостатками указанных устройств является их техническая сложность и низкая надежность, зависимость результата измерений от частоты колебаний или вращения рабочих органов, а также частичное или полное разрушение структуры исследуемого образца в процессе измерений, что, очевидно, искажает получаемые результаты и не позволяет их использовать для онлайн контроля при коагуляции молока.
Известны, получившие наибольшее распространение в онлайн мониторинге коагуляции молока, динамические, косвенные, неразрушающие устройства, с помощью которых о реологических свойствах геля судят по результатам взаимодействия с ним ультразвукового или электромагнитного излучения исходя из соответствующих физических и математических моделей [3, 4, 5].
Недостатками этих устройств являются невысокая точность результатов измерений, вызываемая методическими погрешностями используемых при этом математических моделей, и необходимость тщательной очистки поверхностей излучателя и приемника, контактирующих с молоком, от адсорбирующихся на них белково-жировых частиц (эффект Пальмана) перед проведением каждого измерения.
Наиболее близким предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство по патенту [6], принцип действия которого основан на корреляции между вязкостью формирующегося геля и его теплопроводностью, предложенному в работе [7]. В прототипе измерение изменений реологических свойств молочного геля в процессе коагуляции осуществляется по изменению разности температур между подогреваемой током проволокой, служащей частью первичного измерительного преобразователя, и контрольным термодатчиком, находящимися в резервуаре с молоком на небольшом расстоянии друг от друга. Образование пространственной структуры молочного геля из отдельных мицелл казеина снижает скорость отвода тепла от нагретой проволоки, что сопровождается повышением ее температуры и, соответственно, повышением регистрируемой разности температур между измерительным и контрольным датчиками, коррелирующей с теплопроводностью и вязкостью геля.
Недостатком прототипа является то, что подогреваемая током в процессе измерения проволока, а следовательно, и окружающее ее молоко, имеет температуру на 5-10 градусов выше температуры основной массы коагулирующего молока [8], что искажает результаты измерений, так как процессы коагуляции молока в значительной мере зависят от его температуры [9], а значит, процессы коагуляции молока в ванне и около поверхности датчика проходят по-разному. Технологические инструкции по производству разных видов сыров непосредственно указывают, при каких значениях температуры должен происходить процесс коагуляции молока, при этом, как правило, допустимое отклонение температуры коагуляции от установленного значения не превышает ±1°С [10]. Если при использовании прототипа для онлайн мониторинга коагуляции молока можно достаточно точно определить положение гель-точки, что обусловлено небольшим перегревом измерительного преобразователя (проволоки), то установление момента готовности молочного сгустка к разрезке (важнейшей технологической операции, определяющей качество продукта) практически невозможно из-за его значительного перегрева и искажения структуры геля в зоне перегрева.
Задачей настоящего изобретения является создание аппарата для онлайн мониторинга процесса коагуляции молока, обладающего повышенной точностью.
Поставленная задача решается тем, что перегрев первичного измерительного преобразователя (проволоки) предлагаемого аппарата устанавливается минимально допустимым и постоянным на протяжении всего процесса измерения, что обеспечивается введением отрицательной обратной связи по току, протекающему через него, а об изменениях модуля упругости (вязкости) формирующегося геля судят по изменениям величины этого тока. Поскольку температура молока в сыродельной ванне в процессе коагуляции изменяется, величина перегрева первичного измерительного преобразователя (проволоки) поддерживается постоянной относительно температуры молока в ванне, измеряемой контрольным датчиком.
На фигуре 1 представлена структурная схема аппарата, поясняющая принцип его действия.
Описание работы аппарата для онлайн мониторинга процесса коагуляции молока.
В сыродельную ванну (1) с коагулирующим молоком (2) помещены два датчика температуры - контрольный (3) и измерительный (4), снабженный подогревателем (5). Значения температур этих датчиков поступают на устройство сравнения (6), где вычисляется их разность, которая управляет работой блока питания подогревателя (7) датчика температуры (4), регулируя ее так, чтобы разность температур между датчиками оставалась строго постоянной и соответствовала предварительно установленному значению. В процессе коагуляции молока (2) его теплопроводность уменьшается, что приводит к увеличению температуры подогреваемого датчика (4) и увеличению сигнала разности температур между датчиками, управляющей по цепи отрицательной обратной связи блоком питания (7) и уменьшающей ток через подогреватель (5) измерительного датчика (4) так, чтобы разность температур между датчиками оставалась строго постоянной. Значение тока, протекающего через подогреватель (5), поступает на нормирующий преобразователь (8), где преобразуется в величину, пропорциональную вязкости или модулю упругости формирующегося молочного геля, которая фиксируется регистратором (9).
Технический результат этого решения состоит в том, что введение в заявляемый аппарат цепи отрицательной обратной связи по току обеспечивает снижение возмущающего влияния подогреваемого измерительного преобразователя на объект измерения, что повышает точность проводимых измерений.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с его прототипом показывает, что основным отличительным признаком от прототипа является введение в измерительную цепь аппарата отрицательной обратной связи по току, обеспечивающей постоянство температуры перегрева измерительного преобразователя относительно температуры молока.
Объясняется получение положительного эффекта значительным снижением температуры перегрева первичного измерительного преобразователя аппарата, уменьшающим возмущающее влияние повышенной температуры на процесс гелеобразования.
Результаты, полученные при испытаниях заявляемого аппарата для онлайн мониторинга изменений модуля упругости в процессе коагуляции молока в сыродельной ванне, поясняются примером и приведены на фигурах 1 и 2.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 представлена схема, поясняющая принцип действия заявляемого аппарата, где: 1 - сыродельная ванна; 2 - коагулирующее молоко; 3 - контрольный датчик температуры; 4 - подогреваемый датчик температуры; 5 - подогреватель датчика температуры; 6 - устройство сравнения температур контрольного и подогреваемого датчиков; 7 - регулируемый блок питания подогревателя; 8 - нормирующий преобразователь; 9 - регистратор.
На фигуре 2 показаны результаты онлайн мониторинга динамики изменения выходных сигналов датчиков в процессе коагуляции молока с использованием устройств по схемам прототипа и заявляемого аппарата, где: 10 - ток датчика прототипа; 11 - ток датчика заявляемого аппарата; 12 - температура датчика прототипа; 13 - температура датчика заявляемого аппарата.
Пример
Проводили параллельный онлайн мониторинг процесса коагуляции молока в сыродельной ванне с использованием устройств по схеме прототипа и схеме заявляемого аппарата. При проведении мониторинга измеряли токи, протекающие через датчики и их температуру. Получаемые результаты, в цифровой форме, поступали в персональный компьютер, где регистрировались и отображались в графической форме. На фигуре 2 представлены результаты проведения этих сравнительных исследований.
Из приведенных графиков видно, что ток подогрева в датчике (10) устройства по схеме прототипа остается постоянным (в пределах погрешностей измерения) на протяжении всего времени мониторинга, а перегрев температуры перегрева датчика (12) увеличивается на 8,5°С. Ток подогрева в датчике (11) по схеме заявляемого аппарата уменьшается по мере коагуляции молока, а температура его перегрева (13) остается постоянной - около 2°С.
Из полученных результатов видно, что перегрев датчика заявляемого аппарата не превышает 2°С, что практически не влияет на протекание процесса коагуляции молока, в то время как значительно больший перегрев датчика (8,5°С) по схеме прототипа нарушает процесс коагуляции вблизи его поверхности и искажает результаты измерений.
Проведенные исследования показали, что создан аппарат мониторинга процесса коагуляции молока в сыродельной ванне, который по схеме заявляемого аппарата обеспечивает постоянство температуры перегрева измерительного преобразователя относительно температуры молока, что уменьшает возмущающее влияние повышенной температуры измерительного датчика на процесс гелеобразования и позволяет снизить погрешность определения момента готовности молочного сгустка к разрезке при производстве сыра, что, в свою очередь, позволяет повысить его качество и снизить себестоимость готового продукта за счет повышения коэффициента использования молочного сырья.
1. Kowalchyk A.W., Olson N.F. Firmness of enzymatically-formed milk gels measured by resistance of oscillatory deformation. // J. of Dairy Sci. - 1978. - V. 61. - p. 1375-1379.
2. Lucey J.A. Formation and physical properties of milk protein gels. // J. of Dairy Sci. - 2002. - V. 85. - p. 281-294.
3. Laporte M.-F., Martel R., Paquin P. // The near-infrared optic probe for monitoring rennet coagulation in cows' milk. // Int. Dairy J. - 1998. - V. 8. - p. 659-666.
4. Dalgleish D.G., Verespej E., Alexander M., Corredig M. The ultrasonic properties of skim milk related to the release of calcium from casein micelles during acidification. // Int. Dairy J. - 2005. - V. 15. - p. 1105-1112.
5. O'Callaghan D.J., O'Donnell C.P., Payne F.A. On-line sensing techniques for coagulum setting in renneted milks. // J. of Food Eng. - 2000. - V. 43. - p. 155-165.
6. Патент RU 2275627. Устройство для определения момента свертывания молока, опубл. 27.04.2006.
7. Hori Т. Objective measurements of the process of curd formation during rennet treatment of milks by the hot wire method. // J. of Food Science. - 1985. - V. 50. - p. 911-917.
8. Osintsev A.M. Theoretical and practical aspects of the thermographic method for milk coagulation research. // Foods and Raw Mat. - 2014. - V. 2. - No. 2. - p. 147-155.
9. Esteves C.L.C., Lucey J.A., Hyslop D.B., Pires E.M.V. Effect of gelation temperature on the properties of skim milk gels made from plant coagulants and chymosin // Int. Dairy J. - 2003. - V. 13. - p. 877-885.
10. Гудков А.В. Сыроделие: технологические, биологические и физико-химические аспекты. - М.: ДеЛи принт, 2004, - 804 с.