СПОСОБ СЕПАРИРОВАНИЯ МОЛОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MILK SEPARATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области молочной и пищевой промышленности, точнее - к способам сепарирования, то есть разделения молока на сливки и обезжиренное молоко, и к устройствам для сепарирования молока.
Известен способ сепарирования молока по патенту SU 680612 (МПК A01J 11/10, 15.08.1979 г.), основанный на фильтрации молока под давлением, который осуществляется посредством разделения молока при пропускании его вдоль поверхности фильтра. Недостатками известного способа являются низкая производительность сепарирования, малая скорость прохождения молока через фильтр.
Известен центробежный способ сепарирования (Липатов, Н.Н. Сепарирование в молочной промышленности. / Н.Н. Липатов - М.: Пищ. пром-сть, 1971. - 400 с.), который основан на разделении молока на сливки и обезжиренное молоко под действием центробежных сил. Для сепарирования молока используется центробежный сепаратор с вращающимся барабаном. Скорость вращения барабана - 6-12 тыс. об/мин. Внутри барабана смонтирована система конических тарелок, разделяющих молоко на слои. В тарелках имеются вертикальные отверстия, по которым молоко растекается в межтарелочные зазоры, где под действием центробежных сил выделяются сливки. Недостатками устройства являются сложность конструкции устройства, малая производительность, большая энергоемкость.
Известен способ сепарирования молока пневматическим способом. Пневматический способ состоит в том, что при аэрировании молока воздухом молочный жир, присутствующий в виде шариков диаметром 0,5…20 мкм, конденсируется на поверхности пузырьков воздуха и вместе с пеной выходит в верхние слои молока, где и образует продукт повышенной жирности (сливки с жирностью 30-80 и более процентов).
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ разделения цельного молока на обезжиренную и жировую фракции по патенту RU 2059357 (МПК А0,1L 1/10, 10.05.1996). Способ состоит из следующих операций: пастеризация молока, охлаждение до температуры 4-5°С, выдержка при этой температуре в течение 2-3 часов, нагрев молока до температуры около 20°С, аэрирование молока воздухом, нагретым до температуры молока. Время аэрирования задают обратно пропорционально требуемой жирности обезжиренного молока (обрата). Способ осуществляют в цилиндрической рабочей емкости, снабженной магистралями подачи молока, воздуха и выпуска разделенных продуктов. В нижнюю часть рабочей емкости подают воздух, который поступает в молоко и аэрирует его. Вспененное молоко собирается в верхней части емкости, откуда поступает на куполообразную крышку? и затем стекает в сборник сливок. Устройство снабжено электродвигателем для вращения мешалки, служащей для перемешивания молока и равномерного распределения пузырьков воздуха по объему молока.
Недостатками способа, взятого за прототип, являются:
- низкая степень аэрирования молока, обусловленная условиями насыщения молока воздухом, значительным диаметром пузырьков воздуха, низкой степенью диспергирования воздуха, малой площадью поверхности воздушных пузырьков и в связи с этим незначительной площадью контакта частиц жира с воздушными пузырьками;
- низкая степень перемешивания реагирующих компонентов, наличие ламинарного режима взаимодействия, что не способствует увеличению скорости массового обмена между частицами жира и пузырьками воздуха;
- незначительное время контакта пузырьков воздуха и молока в связи с отсутствием активного перемешивания взаимодействующих компонентов/
Отмеченные недостатки в целом приводят к невысокой эффективности известного способа, пониженной производительности процесса разделения молока и низкой степени его переработки.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение производительности технологического процесса сепарирования молока, повышение степени переработки и снижение энергозатрат.
В объекте изобретения «Способ» поставленная задача решена тем, что в способе сепарирования молока, включающем нагрев молока, подачу его в рабочую емкость, аэрирование молока воздухом, разделение молока на сливки и обезжиренное молоко и вывод разделенных продуктов из рабочей емкости, молоко перед подачей в рабочую емкость закручивают в вихревое течение, вводят по продольной оси в центральную область вихревого потока молока воздух, осуществляют совместное вихревое течение молока и воздуха, производят диспергирование воздуха за счет кинематического взаимодействия вихревого потока молока на поток воздуха и последующее аэрирование молока по всему его объему, затем подают полученную молочно-воздушную смесь в рабочую емкость, закручивают молоко в емкости за счет тангенциальной подачи смеси в емкость, а после заполнения ее упомянутую смесь возвращают в магистраль подачи молока, вновь закручивают в вихревое течение и аэрируют воздухом, причем процесс многократно повторяют до получения продуктов заданной жирности. Кроме того, нагрев молока осуществляют одновременно с процессом аэрирования за счет тепла, выделяемого при течении закрученного потока.
В объекте изобретения «Устройство» поставленная задача решена тем, что в устройстве для осуществления способа сепарирования молока, состоящем из рабочей емкости, насоса и магистралей подачи молока и вывода разделенных продуктов, дополнительно смонтирован вихревой аэратор, установленный на участке подачи молока в рабочую емкость, и перепускной патрубок для повторного возврата молока в магистраль подачи, при этом патрубок подачи молока в рабочую емкость смонтирован тангенциально к корпусу упомянутой емкости.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где представлено устройство, в котором осуществляют предлагаемый способ сепарирования молока. Устройство изображено в продольном и поперечном разрезах А-А.
Предлагаемый способ сепарирования молока осуществляют в устройстве, которое состоит из рабочей емкости 1, насоса 2 для подачи молока в вихревой аэратор 3 и магистралей подачи молока и выпуска разделенных продуктов. Для подачи молока служит магистраль подачи: в насос 2 - трубопровод 4, снабженный отсечным клапаном 6, в вихревой аэратор 3 - трубопровод 5 с клапаном 17. Трубопровод 5 подсоединен к корпусу вихревого аэратора 3 тангенциально. Вихревой аэратор 3 соединен патрубком 7 с рабочей емкостью 1. Патрубок 7 смонтирован тангенциально к корпусу рабочей емкости. По оси рабочей емкости установлен перепускной патрубок 8 с отсечным клапаном 9 для возврата молока из рабочей емкости в магистраль подачи молока и далее в вихревой аэратор 3. Для выпуска из рабочей емкости служит магистраль вывода разделенных продуктов: для сливок - патрубок 10 с клапаном 11, для выпуска обезжиренного молока - патрубок 12 с клапаном 13.
Вихревой аэратор 3 представляет собой устройство, содержащее на одном конце улиткообразный закручиватель молока 14 в вихревой винтовой поток, а на другом конце - тороидальный отражатель 15 для возврата молока к патрубку 7. Для подачи воздуха в аэратор служит патрубок 16, установленный по продольной оси аэратора.
Предлагаемый способ сепарирования молока осуществляют следующим образом. Цельное молоко подают с помощью насоса 2 в магистраль подачи (в трубопровод 4, а затем - в трубопровод 5) и аэратор 3. При этом открывают клапаны 6 и 17, а клапан 9 закрывают.
В аэраторе молоку перед подачей в рабочую емкость придают закрученное течение за счет тангенциальной подачи молока в аэратор и наличия улиткообразного закручивателя 14. Вихревой поток молока затем посредством отражателя 15 меняет свое направление и возвращается в сторону закручивателя 14. Таким образом молоку в аэраторе 3 придают сложное вихревое течение в двух взаимно противоположных направлениях. По продольной оси аэратора образуется разрежение в связи с большой скоростью потока (закон Бернулли), куда эжектируется воздух, поступающий в аэратор по патрубку 16.
В аэраторе поток молока осуществляет совместное вихревое течение с потоком воздуха. При этом воздух активно диспергируется за счет кинематического воздействия вихревого потока молока на поток воздуха. Воздух в виде тонко диспергированных пузырьков интенсивно перемешивается с молоком, в результате чего молоко аэрируется по всему своему объему. Затем аэрированное молоко в виде молочно-воздушной смеси подают по патрубку 7 тангенциально в корпус рабочей емкости 1.
В рабочей емкости молоко дополнительно перемешивается вращением вокруг оси за счет тангенциальной подачи молока в емкость. После заполнения емкости до необходимого уровня клапан 6 закрывают, а клапан 9 открывают. Это дает возможность возвратить молоко по перепускному патрубку 8 в магистраль подачи, трубопровод 5 подачи молока и далее в аэратор 3. В аэраторе 3 молоко вновь закручивают в вихревое течение, аэрируют воздухом, причем процесс многократно повторяют до получения продуктов заданной жирности.
При вихревом течении молока в аэраторе одновременно с процессом аэрирования происходит процесс нагрева молока до температуры 25-30°С за счет тепла, выделяемого при течении закрученного потока. Это обстоятельство избавляет от необходимости нагревать молоко перед подачей его в рабочую емкость и затрачивать дополнительную энергию.
Технологический процесс сепарирования молока в предлагаемом способе и устройстве для его осуществления можно организовать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. В первом случае загруженную порцию молока многократно пропускают через аэратор, при этом подачу молока в трубопровод 4 магистрали подачи прекращают. После окончания процесса сепарирования открывают клапаны 11 и 13 и выпускают сливки, а затем обезжиренное молоко. Во втором случае процесс подачи молока через трубопровод 4 магистрали подачи не прекращают, а снижают. В трубопровод 5 магистрали подачи подают как свежее молоко, так и молоко из емкости по перепускному патрубку 8. При этом многократный возврат молока из емкости в трубопровод 5 магистрали подачи и выпуск сливок и обезжиренного молока производят непрерывно, что обеспечивает непрерывность технологического процесса сепарирования молока.
Предлагаемое изобретение обеспечивает следующий положительный технико-экономический эффект:
- повышение степени аэрирования молока на 20-30% по всему объему по сравнению с прототипом, что обеспечивается за счет активного насыщения молока воздухом при их совместном вихревом течении, высокого диспергирования воздушным потоком кинематическим воздействием закрученного течения молока, значительного уменьшения размеров пузырьков воздуха до 10-20 мкм, значительного увеличения площади поверхности воздушных пузырьков и тем самым увеличения площади контакта воздуха и частиц жира молока;
- повышение степени перемешивания реагирующих компонентов за счет организации вихревого течения, что значительно ускоряет процесс «коагуляции» частиц жира на поверхности воздушных пузырьков;
- повышение скорости массового обмена между молоком и воздухом на 20-30% за счет вышеперечисленных факторов;
- значительное увеличение времени контакта реагирующих фаз в 1,5-2 раза за счет совместного вихревого течения, турбулентного характера, активного закручивания, перемешивания и аэрирования компонентов и многократного возврата молока в магистраль подачи;
- простота конструкции и эффективность предлагаемого устройства для осуществления способа сепарирования молока.
В совокупности положительный эффект предлагаемого изобретения сводится к существенному увеличению в 1,5-2 раза производительности сепарирования молока пневматическим способом за счет создания оптимальных условий для протекания массообменного процесса между частицами жира молока и воздуха. При этом возрастает степень переработки молока, так как многократным возвратом молока в магистраль подачи можно получить обезжиренное молоко с содержанием жира не свыше 0,3-0,5%. Предлагаемый способ экономичен, обладает малой энергоемкостью, так как не требует дополнительных затрат энергии на нагрев и перемешивание молока.
Предлагаемый способ и устройство могут быть использованы также в медицине, парфюмерии, косметике и пищевой промышленности для получения молочных питательных аэрированных кремов, муссов, кислородных коктейлей, аэрированных лекарственных препаратов, взбитых шоколадных и карамельных масс, вафель и других продуктов.