ПАСТЕРИЗАЦИОННО-СЕПАРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА

Область применения.
Полезная модель, пастеризационно-сепарационная установка (ПСУ) предназначена для переработки молока и производства кисломолочных продуктов: нагрева, сепарации, нормализации, пастеризации, охлаждения, заквашивания, сквашивания, вызревания, сметаны, кефира, ряженки, творога, а также для пастеризации и нормализации молока и сливок при объемах производства от 300 л до 2000 л за смену. Устанавливаются на фермах непосредственно в деревнях.
Уровень техники.
В настоящее время для пастеризации молока, сливок, заквашивания и сквашивания кисломолочных продуктов применяются ванны длительной пастеризации по патенту RU 2007139028 [1] с электронагревом или паровым нагревом и водяным охлаждением, а также устройства для пастеризации молока в потоке по патенту RU 2007146478 с пластинчатым рекуперативным теплообменником, выпускаемые в частности на предприятии «Эльф-4М» (г.Рязань) [2]. Для нормализации молока и отделения сливок на минизаводах ИПКС-0100 (500 л) [3], ИПКС-0101 (2000 л) [4], изготавливаемых Рязани, применяются соответственно открытые и закрытые сепараторы-сливкоотделители Ж5-ОСБ [5] и Ж5-ОСЦП-1, Ж5-ОС2Т-3 [6, 7], устанавливаемые на фундамент.
При этом для сепарирования согласно технологическим нормам сырое молоко должно быть подогрето до 45°C, что реализуется в ИПКС-0100 [3] ваннами длительной пастеризации (ВДП) на 500 л с первым насосом, а далее нормализованное (частично обезжиренное) молоко после подачи насосом в сепаратор, резервируется в изотермическую ванну со своим (вторым) насосом. Сливки поступают в ВДП на 100 л для производства сметаны.
Таким образом, в техпроцессе ИПКС-0100 [3] участвуют один холодильный резервуар 500 л две ВДП на 500 л и 100 л, три насоса, а также изотермический резервуар на 250 л.
При использовании комплекса ИПКС-013 (Р-13 OOP) пастеризации в потоке с рекуперативными пластинчатыми теплообменниками, выполненного по патенту RU 2007146478 [2], в составе минизаводов ИПКС-0102 [4] используют три насоса: исходный насос подачи из ванны охлажденного молока 2000 л, второй насос - в составе комплекса ИПКС-013 (Р-1300P), используемого для предварительного подогрева до 45°C при сепарации, и третий насос - для распределения зарезервированного в изотермической ванне 1000 л нормализованного молока. Сливки поступают в ВДП 200 для пастеризации и заквашивания сметаны. Комплекс ИПКС-013 (Р-1300P) за счет рекуперативного пластинчатого теплообменника встречных потоков сырого и подогретого молока [2] позволяет экономить тепловую энергию, однако его недостатком является сложность конструкции, большое число узлов (уравнительный бак с датчиками уровня, насос, рекуперативный теплообменник, пастеризационный водяной бак со змеевиком и ТЭНами, выдерживатель, электромагнитный возвратный клапан, блок автоматики, секция охлаждения) и большая занимаемая площадь, а также сложность промывки и большое время выхода на циклический режим. Минимальные объемы переработки комплекса от 2000 л до 5000 л, что целесообразно использовать на больших молокозаводах, но неприемлемо для установки на фермах.
Из известных наиболее близким по технической сущности (прототипом) является минизавод для переработки молока ИПКС-0100 [3], содержащий ванну охлаждения на 630 л с электронасосом, ванну длительной пастеризации (ВДП) по патенту RU 2007139028 [1] на 630 л со своим электронасосом, подающим цельное подогретое молоко +45°C в сепаратор Ж5-ОСБ [5], установленный на фундамент, а также ВДП по патенту RU 2007139028 на 100 л для отсепарированных сливок (сметаны) и ванну на 250 л с третьим насосом для резервирования нормализованного молока.
Обе ВДП содержат термоизолированный резервуар с мотор-редуктором, мешалкой, сливным краном, термодатчиком, переливной трубой, водяной полостью со встроеннымиТЭНами под днищем, соединенной - через шаровой кран и дроссельную шайбу - с водопроводом. Охлажденное молоко из первой ванны подается первым насосом в ВДП 630, где подогревается через водяную рубашку до 45°C от ТЭНов. Далее вторым электронасосом подают молоко в приемную верхнюю чашу открытого сепаратора [5] с центробежным тарельчатым барабаном, разделяющим молоко на сливки и обезжиренный обрат. Через патрубки сливок и обрата, расположенные в выводном устройстве, обрат и сливки самотеком поступают в резервуар нормализованного молока. Высота размещения патрубков сливок и обрата с учетом фундамента сепаратора порядка 1000 мм, что позволяет обеспечивать самотеком перелив сливок и обрата в ванны высотой до 900 мм объемами 100 л и 250 л для пастеризации и сквашивания сметаны ВДП100, а также для резервирования нормализованного молока 250 л. Объем центробежного тарельчатого барабана сепаратора порядка 20 л и по мере его опорожнения заполняют верхнюю часть, включая центробежный электронасос с подачей 1 раз в минуту, 30 л/мин. Номинальная производительность сепаратора [5] 1000 л/ч=16 л/мин. После сепарации и нормализации резервированное нормализованное молоко +40°C вновь возвращают в ВДП630 третьим электронасосом для дальнейшего донагрева (пастеризации) с 40°C до 76°C и охлаждения до температуры упаковки +15°C. Вторым насосом отпастеризованное, нормализованное и охлажденное молоко подают в упаковку.
Недостатком пастеризационно-сепарационной установки минизавода ИПКС-0100 [3] является использование четырех ванн: охлаждения, длительной пастеризации молока, резервирования нормализованного молока, пастеризации и сквашивания сметаны (объем последней в 5 раз меньше) и трех насосов. Это занимает много места, что затрудняет компоновку модульных минизаводов, удорожает изготовление и усложняет обслуживание, т.к. каждый молокопровод, резервуар и насос должны ежедневно промываться.
Другим недостатком прототипа является усложнение техпроцесса и повышенное энергопотребление, связанное с необходимостью охлаждения парного молока до +4°C, блокирующего размножение молочно-кислых бактерий, затем нагрева до температуры сепарации +45°C и далее нагрева нормализованного молока до 76°C с уничтожением молочно-кислых бактерий и кишечной палочки. Для охлаждения используется компрессорно-конденсаторный агрегат, а для нагрева ТЭНы, что удваивает энергопотребление.
Технический результат.
Целью и техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение техпроцесса переработки молока, уменьшение массо-габаритных характеристик, снижение энергопотребления, уменьшение времени переработки и упрощение комплекта перерабатывающего оборудования, а также снижение металлоемкости.
Техническая сущность устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что в пастеризационно-сепарационную установку (ПСУ), содержащую теплоизолированный резервуар с мотор-редуктором, мешалкой, сливным краном, термодатчиком, водяной полостью со встроенными ТЭНами под днищем, соединенной - через шаровой кран и водяной дроссель - с водопроводом, а также открытый сепаратор с центробежным тарельчатым барабаном, приемной верхней чашей и выводным устройством с патрубками сливок и обрата, СОГЛАСНО СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, введены каркас, центробежный насос с молочным дросселем и бак для сливок с крышкой, причем открытый сепаратор установлен сверху на каркас, бак размещен под сепаратором, входной патрубок насоса соединен со сливным краном резервуара, а напорный патрубок насоса - через молочный дроссель - с приемной верхней чашей сепаратора, кроме того, патрубок сливок связан с горловиной бака, а патрубок обрата - с горловиной резервуара.
В ПСУ также бак может быть выполнен теплоизолированным с термодатчиком, а на его крышку может быть установлен мотор-редуктор с рамочной мешалкой, кроме того, в днище может быть встроена водяная полость с ТЭНами, переливной трубой, вторым шаровым краном и вторым водяным дросселем, через которые водяная полость соединена с водопроводом.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан сборочный чертеж пастеризационно-сепарационной установки (ПСУ).
ПСУ содержит теплоизолированный резервуар 1 с мотор-редуктором 2, мешалкой 3, сливным краном 4, термодатчиком 5, водяной полостью 6 со встроенными ТЭНами 7 под днищем. Водяная полость 6 соединена через шаровой кран 8 и водяной дроссель 9 с водопроводом 10. Сливной патрубок 11 водяной полости 6 расположен вверху диаметрально противоположно сливному крану 4 и через переливную трубу 12 связан с канализацией. Внутри водяной полости 6 для жесткости днища и прочности вварены стяжки (на фиг.1 не показаны), защищающие полость 6 от вздутия при засорах канализации.
Открытый сепаратор 13 с центробежным тарельчатым барабаном 14, приемной верхней чашей 15 и выводным устройством 16 с патрубками сливок17 и обрата 18 установлен на каркас 19 высотой 1100 мм, так что патрубок обрата находится на уровне 1600 мм, что позволяет использовать теплоизолированный резервуар 1 высотой до 1400 мм и большим объемом до 2000 л при диаметре ⌀1650 мм в режиме самотека обрата, а также размещать ПСУ в контейнерные минизаводы, имеющие высоту потолков 2500 мм. Такой каркас имеет повышенную опорную площадь, а также жесткость и устойчивость к вибрациям, при вращении мощного двигателя сепаратора 13 и высокоскоростного барабана 14. Вместе с тем, приемная чаша и выводное устройство с тарельчатым барабаном 14 просто обслуживается, снимается и промывается. Входной патрубок 20 центробежного электронасоса 21 соединен трубопроводом со сливным краном 4 резервуара 1, а напорный патрубок 22 - через молочный дроссель 23 - с приемной чашей 15 сепаратора 13. В каркас 19 для уменьшения занимаемой площади под сепаратором 13 установлен бак 24 для сливок с крышкой 25. Патрубок обрата 18 соединен трубопроводом с горловиной 26 резервуара 1, а патрубок сливок 17 - с горловиной 27 бака 24. Объем бака 24 в 10 раз меньше основного резервуара 1, поэтому он легко размещается под сепаратором. При малой емкости резервуара 1 V=300 л, бак 24 имеет вместимость 30 л и выполнен быстросъемным для перелива сливок и дальнейшей переработки в резервуаре 1 после завершения пастеризации нормализованного молока и его опорожнения. При максимальной емкости резервуара 1 V=2000 л, вместимость бака 24 составляет 200 л и его целесообразно оснастить теплоизоляцией 28, мотор-редуктором 29, рамочной мешалкой 30, а для дальнейшей переработки сливок - водяной полостью 31 с ТЭНами 32 и переливной трубой 33. Для охлаждения сливок после их пастеризации и выработки сметаны водяная полость 31 соединена через второй водяной дроссель 34 и шаровой кран 35 с водопроводом 10, температура сливок контролируется термодатчиком 36. Мощность ТЭНов 32 составляет 15 кВт, а мощность ТЭНов 7 составляет 60 кВт для переработки всего молока и сливок в течение одной смены (8 часов). Диаметр бака 24 ⌀800 мм, высота с регулируемыми опорами и водяной полостью 580 мм, так что он легко размещается под сепаратором 13. Условный проход водяного дросселя 9 составляет dy=10 мм, что позволяет пропускать расходы воды, при давлении 3 ат, до 150 л/мин через полость 6, быстро охлаждающую 2000 л молока, а второй водяной дроссель 34 имеет условный проход dy=3 мм, пропускающий расходы до 14 л/мин, для быстрого охлаждения 200 л сливок. Диаметр молочного дросселя 23 dy=4 мм, что обеспечивает подачу цельного молока Q=16л/мин любым центробежным насосом 21, развивающим давление 2…2,2ат. Подача Q=16 л/мин соответствует номинальной производительности открытого сепаратора 13 Ж5-ОСБ, поэтому приемная чаша 15 заполнена и обрат, а также сливки идут равномерным потоком из патрубков 18 и 17 соответственно. Жирность сливок в пределах 40%…15% настраивается регулировочным винтом, расположенным в горловине тарельчатого барабана 14 (на фиг.1 регулировочный винт не показан).
Работает ПСУ следующим образом. В процессе дойки цельное парное молоко +34°C собирается в резервуаре 1. Оператор включает ТЭНы 7 (12 штук по 5 кВт) и мотор-редуктор 2, которые за 24 мин. нагревают через водяную полость 6 мощностью 60 кВт 2000 л парного молока до 45°C. После чего ТЭНы 7 обесточивают и включают электронасос 21 при открытом сливном кране 4 и работающем сепараторе 13. В тарельчатом барабане 14 при его вращении 8000 об./мин. происходит отделение сливок и обезжиренного обрата центробежными силами, так что обрат, как более тяжелый, выливается самотеком через нижний патрубок 18 выводного устройства 16, а сливки - через верхний патрубок 17. Обезжиренный обрат возвращается в основной резервуар 1 через горловину 26, а сливки поступают в бак 24 через горловину 27. Жирность сливок в пределах 15…40% регулируется винтом на горловине барабана 14. Центробежный насос 21, развивающий стабильное давление 2,0…2,2 ат, конструктивно значительно проще, легко разбирается и обслуживается по сравнению с объемными насос-дозаторами (винтовыми, шестеренными, импеллерными и т.п.). Он в несколько раз дешевле. Молочный дроссель 23 dy=4 мм точно ограничивает подачу разогретого молока на уровне 13 л/мин, соответствующем номинальной производительности сепаратора 16 без вмешательства оператора. Ему необходимо только контролировать отсутствие переполнения верхней чаши 15. Мешалка 3 способствует гомогенизации жировых шариков по всему объему резервуара 1, а также теплосъему через днище от водяной полости 6 и ТЭНов 7. Жирность молока в резервуаре 1, благодаря циркуляции через сливной кран 4 сепаратор 13 и патрубок обрата 18 уменьшается с изначальной 4% МДЖ по экспоненциальному закону во времени. Например, при циркуляции 30 мин в резервуаре 1, содержащим 2000 л, с производительностью сепаратора 13 и насоса 21 с молочным дросселем 23 Q=16 л/мин, расчетная МДЖ молока в резервуаре 1 упадет в 2 раза до 2% МДЖ. Для получения необходимой жирности молока проводят экспресс-анализ МДЖ с помощью простейшего прибора «Лактан-мини» (на фиг.1 не показан).
Таким образом, через 1 час после начала работы ПСУ мы имеем 1900 л нормализованного 2% МДЖ молока +45 градусов и 100 литров 20% сливок +40 градусов в баке 24. Далее молоко в резервуаре 1 необходимо нагреть до 76 градусов, т.е. отпастеризовать за счет включения ТЭНов 7. Время нагрева 1900 л молока с температуры 45 градусов до 76 градусов (на 31 градус) составит 31*1900*3,9/60=3828c=64мин с учетом теплоемкости молока c=3,9кДж/кг*град. Одновременно за 10 мин можно отпастеризовать 100 кг 20% сливок в баке 24 при работающей мешалке 30 и включенных ТЭНах 32, нагревая их с 40 до 76 градусов.
Следует подчеркнуть, что в процессе пастеризации нормализованного молока и сливок температурой 76 градусов уничтожаются все молочнокислые бактерии и кишечная палочка, что гарантирует продуктам практические сроки хранения от 5 до 10 суток (в зависимости от качества и стерильности упаковки). Далее молоко в резервуаре 1 и сливки в баке 24 необходимо охладить, открывая шаровые краны 8 и 35 соответственно при обесточенных ТЭНах 7 и 32. Согласно технологии приготовления сметаны температура сквашивания и заквашивания сливок в баке 24 должна быть 32 градуса, что легко получается от водопроводной воды за 15…20 мин путем ее пролива в количестве 300 л через второй водяной дроссель 34 и переливную трубу 33 при открытом кране 35. Теплую воду из полости 31 целесообразно также утилизировать для выпойки телят, промывки резервуаров, молокопроводов и для бытовых нужд. Далее, после внесения закваски, необходимо сквашивать сметану 2 часа при +32 градуса.
Нормализованное и отпастеризованное молоко 1900 л 2% МДЖ в резервуаре 1 можно охладить для розлива при температуре 15 градусов или использовать для производства кефира 1900 л 2% МДЖ, полужирного творога 9% МДЖ или сырного зерна, для чего его нужно охладить в первом случае до 25 градусов с помощью полости 6 водопроводной водой, и шарового крана 8, заквашивать кефир при работающей мешалке, затем сквашивать его 4 часа, после чего охладить до 15 градусов перед разливом. Творог 9% МДЖ необходимо заквашивать и сквашивать после охлаждения до 28 градусов, затем согласно технологии вновь подогреть до 50 градусов с помощью ТЭНов 7, отделить сыворотку от творожного сгустка и вновь охладить его до 35 градусов за счет шарового крана 8. При снижении объемов резервуара 1 для малых ферм до 300 л целесообразно уменьшить объем бака 24 до 30 л, а переработку отпастеризованных сливок проводить в резервуаре 1 после выгрузки нормализованного молока путем перелива из бака (без ТЭНов 32 и полости 31) в резервуар 1.
Таким образом, в течении 5…6 часов предлагаемая ПСУ позволяет переработать от 300 л до 2000 л молока: отсепарировать, пропастеризовать, охладить до температуры упаковки, выпуская нормализованное молоко, сметану, кефир и творог нужной жирности.
2
Промывка резервуара, бака при открытых крышках, а также сепаратора при снятом выводном устройстве 16, насоса и молокопроводов после выгрузки продуктов не представляет никаких проблем. ПСУ на 2000 л занимает 6 м и легко размещается в контейнерных минизаводах. Преимуществом предлагаемой ПСУ перед прототипом [3] кроме предельного упрощения конструкции, является значительное снижение электропотребления, т.к. парное молоко подвергается нагреву до 45 градусов и сепарации немедленно после дойки. Это занимает 1 час времени, в течение которого практически не меняется изначальная БАК-обсемененность. Затем в течение 1,5 часов молоко подвергается пастеризационному нагреву до 76°C. Известно, что 63°C - биологическая температура, при которой уничтожаются молочнокислые бактерии и кишечная палочка, т.е. к моменту завершения техпроцесса БАК-обсемененность будет подавлена до нуля. А дальнейшее качество и сохранность молока и кисломолочных продуктов будет зависеть только от стерильности упаковки.
В прототипе [3] охлаждение молока фреоном до 4°C происходит за 2,5…3 часа. Все это время продолжается рост БАК-обсемененности и только при температуре 10°C он резко замедляется. Охлаждение с 34°C до 4°C сопровождается электропотреблением. При подаче в пастеризатор и обратном нагреве осуществляется энергопотребление. В диапазоне роста температур 10°C…63°C (2…3 часа) возобновляется рост БАК-обсемененности. Таким образом, предлагаемая ПСУ решает задачу переработки молока упрощенным комплектом оборудования (два резервуара вместо четырех, один насос, вместо трех, без фреонового агрегата) с меньшим энергопотреблением в 2…3 раза, меньшей БАК-обсемененностью и за более короткое время (в 2 раза).
Заквашивание и вызревание большинства кисломолочных продуктов осуществляется при температурах 25°C…32°C, которые легко достигаются водопроводной водой с температурой 12°C…18°C, имеющейся на любой ферме. Половина ферм оборудована артезианской скважиной +4°C…+10°C, поэтому молокопродукты в предлагаемых ПСУ могут быть охлаждены после переработки до рекомендуемых для упаковки температур +15°C. Еще больше преимуществ у заявляемых ПСУ в части металлоемкости, простоты, стоимости, удобства промывки обслуживания перед пластинчатыми поточными аналогами [2,4]. ПСУ предлагаемой конструкции внедрены с 2011 г на предприятии ООО «Автомаш-Владимир» (г.Ковров).
Источники информации.
1. Ванна длительной пастеризации патент RU 2007139028
2. Устройство для пастеризации. Патент RU 2007146478
3. Минизавод для переработки молока ИПКС-0100. Схема технологического процесса (ИПКС-0100). НПП Эльф-4М. Рязань 2011. Каталог стр.4,5 (приложение 1)
4. Минизавод для переработки молока ИПКС-0101. Схема технологического процесса (ИПКС-0101) НПП Эльф-4М. Рязань 2011. Каталог. Стр.6,7. (Приложение 2)
5. Сепаратор сливкоотделитель Ж5-ОСБ, 0.55 кВт на веб-сайте www.smychka.ru/ru/catalog/1/
6. Сепаратор-сливкоотделитель Ж5-ОСЦП-1, Ж5-ОС2Т-3 веб-сайт www.smychka.ru/ru/catalog/1/
7. Минизавод для переработки молока ИПКС-0102. Схема технологического процесса (ИПКС-0102) НПП Эльф-4М. Рязань 2011. Каталог. Стр.8, 9. (Приложение 3).