ВАКУУМ-ВЫПАРНОЙ АППАРАТ ДЛЯ СГУЩЕНИЯ СЫВОРОТКИ

Предлагаемое устройство относится к оборудованию молочной промышленности, в частности к аппаратам для сгущения сыворотки при производстве молочного сахара.
Одним из основных процессов при производстве лактозы является сгущение. Сгущение - это процесс удаления свободной влаги без нарушения текучести при заданной температуре.
Известно, что кипение при атмосферном давлении, с целью удаления свободной влаги, требует воздействия высоких температур в течение длительного времени, а это приводит к необратимым изменениям составных частей продукта.
Следовательно, выпаривание при атмосферном давлении отличается простотой в аппаратурном оформлении, однако оно не рентабельно.
Известно, что парообразование при 50°С не сопровождается необратимыми изменениями молока, которые отмечаются уже при температуре 80°С. Такие температуры обеспечиваются при кипении под вакуумом, когда парциальное давление паров кипящей жидкости будет превышать общее давление [1]. Поэтому на практике нашли применение однокорпусные вакуум-выпарные аппараты (ВВА) циркуляционного и пленочного типа [2].
Недостатками использования однокорпусных ВВА являются: высокий расход греющего пара и значительные энергозатраты.
Считают [3], что для сгущения сыворотки можно применять режимы и аппараты, используемые при производстве молочных консервов. Однако по физико-химическим показателям сыворотка значительно отличается от молока. Известно, что молоко сгущают в 4 раза до 45% сухих веществ, а сыворотку необходимо сгущать почти в 10 раз до 60-65% сухих веществ.
Известно, что сгущение молочной сыворотки; фильтрата после ультрафильтрационной установки или деминерализованного концентрата до 60% сухих веществ на вакуум - выпарных аппаратах пленочного типа затруднено [4-6]. Повышенная вязкость сиропа приводит к нарушению целостности пленки и пригоранию сиропа на трубках ВВА. В вакуум-выпарных аппаратах пленочного типа сложно регулировать давление, поэтому практически невозможно увеличить температуру в конце сгущения. Если температура на выходе из ВВА ниже 70°С, то процесс кристаллизации лактозы начинается в аппарате, центров кристаллизации много и в результате образуются мелкие кристаллы, которые при центрифугировании уйдут в мелассу.
Недостатками применения ВВА пленочного типа являются: нарушение процесса сгущения, сложность в регулировании давления и увеличении температуры в конце сгущения, большие потери лактозы.
В настоящее время на предприятиях молочной промышленности при производстве молочного сахара широкое применение нашли вакуум-аппараты циркуляционного типа марки «Виганд» [2, 5, 6].
Ближайшим аналогом полезной модели является вакуум-выпарной аппарат циркуляционного типа. Вакуум-выпарной аппарат циркуляционного типа состоит из подогревателей, калоризаторов, сепараторов, конденсатора, конденсатоотводчика и вакуум-насоса. В состав установки (фиг.1) входят: подогреватели 11, 13, 14 в которых продукт подогревается; испаритель (калоризатор) 15, в котором продукт подсгущается за счет выпаривания влаги; пароотделитель (сепаратор) 2, в котором от жидкости отделяется вторичный пар; конденсатор для сжатия вторичных паров 4; конденсатоотводчик или насос для откачивания воздуха, вакуум-насос 9 или эжекторная станция для удаления воздуха [2].
Вакуум-выпарная установка имеет три трубчатых подогревателя 11, 13 и 14 в которые подается сыворотка. В межтрубное пространство подается пар для нагревания продукта. В подогреватель первой ступени 11 поступает вторичный пар температурой 50°С, в подогреватель второй ступени 13 - вторичный пар, температурой 68°С, а в подогреватель 14 паровоздушная смесь температурой 100°С.
Вторичный пар, образованный в первом корпусе, служит греющим агентом во втором корпусе установки, часть направляют в подогреватель 13, остальной пар поступает в инжектор 1, где происходит его термокомпрессия. После термокомпрессии, вторичный пар смешанный с острым паром, используется в качестве греющего в калоризаторе первого корпуса.
При использовании вторичного пара, поступающего из второго корпуса, в подогревателе 11 для нагревания сыворотки часть его конденсируется, поэтому в поверхностный конденсатор 4 направляется сравнительно небольшое количество пара, который не успел сконденсироваться в подогревателе первой ступени. Для определения вакуума на конденсаторе 4 установлен вакуумметр 5.
Вакуум в установке создается и поддерживается системой эжекторов (пароструйных вакуум-насосов). Эжектор 7 используется только в начале работы для создания предварительного вакуума в системе. Паровоздушная смесь из него выбрасывается в атмосферу. Когда установка выходит на рабочий режим шиберная заслонка 6 закрывается. Двухступенчатый эжектор 8 является рабочим. В период пуска установки паровоздушная смесь из него выбрасывается в атмосферу, а в рабочий период эта смесь поступает в подогреватель 14.
Система отвода конденсата из калоризаторов, подогревателей и конденсатора работает следующим образом. Из калоризатора первого корпуса конденсат через подпорную шайбу переходит в калоризатор второго корпуса. Затем через подпорную шайбу поступает в конденсатор 4, из которого конденсат, собранный из калоризаторов, подогревателя второй ступени и образованный в конденсаторе, отводится вакуум-насосом 9.
При работе вакуум-выпарной установки сыворотка поступает в подогреватель 11, затем переходит в подогреватели 13 и 14. Из подогревателя 14 сыворотка попадает в калоризатор первого корпуса. Частично подсгущенная сыворотка из сепаратора первого корпуса через дроссельный клапан 12 переходит в калоризатор второго корпуса. Сгущенная до требуемой концентрации сыворотка из сепаратора второго корпуса через дроссельный клапан непрерывно откачивается насосом 10. Температура процесса сгущения в сепараторах 2 контролируется с помощью термометров 3.
Выпаривание идет при температуре в I корпусе - 65°С, во II корпусе - 50-55°С. Достоинством выпаривания под вакуумом является сокращение потерь теплоты в окружающую среду и увеличение полезной разности температур греющего пара и кипящего продукта это позволяет уменьшить поверхность теплообмена и габаритные размеры аппарата. По мере концентрирования изменяются физико-химические свойства продукта: температура кипения, теплопроводность, теплоемкость, вязкость и др. С ростом концентрации сухих веществ уменьшается теплопроводность и теплоемкость продукта и увеличивается вязкость. При этом улучшаются условия теплоотдачи от поверхности нагрева аппарата к кипящему продукту.
Для выделения молочного сахара из сыворотки методом кристаллизации необходимо увеличить концентрацию его в сыворотке до состояния пересыщения за счет удаления части растворителя (воды).
Недостаточное выпаривание увеличивает отход лактозы в мелассу, а избыточное - затрудняет процесс кристаллизации. По мере сгущения возрастает содержание несахаров, которые повышают растворимость лактозы. Для образования крупных кристаллов лактозы необходима начальная температура кристаллизации 70-75°С, если температура ниже, то образуется много кристаллов мелких (мучнистая консистенция).
Известно, что при производстве молочного сахара, одним из основных процессов является сгущение сыворотки [6]. Существенными недостатками сгущения являются длительность процесса и неудовлетворительное качество готовой продукции за счет получения неоднородных и мелких кристаллов лактозы, которые при центрифугировании перейдут в мелассу.
Более простым и эффективным решением сокращения продолжительности сгущения, увеличения выхода готового продукта и улучшения его качества является использование магнитного поля.
Достигаемый технический результат предлагаемого устройства заключается в том, что требует минимальных затрат и не предусматривает отклонений от технологической инструкции. Для этого необходимо установить устройство для магнитной обработки сыворотки на трубопроводе между подогревателями.
Вакуум-выпарной аппарат для сгущения сыворотки, состоящий из подогревателей, калоризаторов, сепараторов, конденсатора, конденсатоотводчика и вакуум-насоса, дополнительно содержит устройство для магнитной обработки сыворотки, расположенное на трубопроводе между подогревателями. ВВА заполняется сывороткой, которая намагничивается в добавочном устройстве для магнитной обработки сыворотки и сгущается.
Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. При прохождении подогревателей сыворотка намагничивается и подается в ВВА на сгущение. Новым решением является сокращение процесса сгущения на 20-25%, уменьшении объема мелассы на 18-25% и увеличении выхода на 25-30% за счет минимальных вложений без изменения технологической инструкции.
ВВА работает следующим образом. Сыворотка, подается по трубопроводу в подогреватели, через постоянные магниты напряженностью 300 мТл. Затем подогретая и намагниченная сыворотка сгущается в ВВА циркуляционного типа до массовой доли сухих веществ 60%. После вакуум-выпарного аппарата сироп направляется в кристаллизатор. В кристаллизаторе происходит - охлаждение сиропа до 20°С, после чего кристаллизат направляется на центрифугирование.
По окончании процесса охлаждения были отобраны образцы кристаллизата и проанализированы.
Полученные результаты свидетельствуют о сокращении процесса сгущения на 20-25%, уменьшении объема мелассы на 18-25% и увеличении выхода на 25-30%.
Источники информации:
1. Твердохлеб Г.В., Сажинов Г.Ю., Раманаускас Р.И. Технология молока и молочных продуктов. - М.: ДеЛи принт, 2006. - 616 с.
2. Сурков В.Д., Липатов Н.Н., Золотин Ю.П. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. - 432 с.
3. Кивенко С.Ф. Производство молочного сахара. - М.: Пищевая промышленность, 1967. - 78 с.
4. Храмцов А.Г. Молочный сахар. - М.: Агропромиздат, 1987. - 224 с.
5. Храмцов А.Г., Евдокимов И.А. Интенсивная технология молочного сахара. - М.: ДеЛи принт, 2004. - 277 с.
6. ТУ 10 РФ 1090-92. Сахар молочный. Технические условия.