Глава 3. Оборудование для механической обработки молока и молочных продуктов
После получения молока необходимо обеспечить сохранение его естественных свойств, минимальное обеспечение его микрофлорой. Для этого молоко очищают с помощью фильтрования или с использованием сепараторов, т.е. на этом этапе обязательно используется часть оборудования для механической обработки молока. Так как стерилизованное молоко представляет собой пищевой продукт, предназначенный для консервирования, то в нем при хранении (различной длительности) неминуемо произойдет отстой сливок. Этому явлению можно и нужно воспрепятствовать. Механическая обработка молока и молочных продуктов осуществляется:
а) для очистки свежевыдоенного молока от крупных механических примесей с помощью марлевоватных многослойных или лавсановых фильтров;
б) очистки свежевыдоенного молока от мелких механических примесей, а также в некоторой мере от бактериальной загрязненности с помощью сепараторов-молокоочистителей;
в) получения сливок в сепараторных отделениях;
г) разделения молока на фракции с помощью баромембранных процессов (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос);
д) отделения механических примесей от молока, фракционирование молока и молочных продуктов в центробежном поле сепараторов различного назначения;
е) предварительного обезвоживания творожной и казеиновой массы, а также выкристаллизовавшегося молочного сахара с помощью центрифуг;
ж) диспергирования жировых шариков молока, т.е. чтобы распределение жировых шариков по размерам было незначительным (однородным) – с 3....4 до 0,7... 0,8 мкм в гомогенизаторах;
з) для придания сливочному маслу, плавленым сырам однородной, пластичной консистенции с помощью специальных гомогенизаторов.
Таким образом, оборудование, воздействующее на молоко и молочные продукты механически, занимает важное место в технологических процессах.
Фильтры, фильтр-пресс и мембранные фильтрационные устройства
Фильтр-прессы и фильтры предназначены для удаления из молока (молочных продуктов) механических примесей (более 10 мкм).
Мембранные фильтрационные устройства предназначены для разделения молока (молочных продуктов) на фильтрат и концентрат.
Основным элементом этого оборудования являются перегородки. В фильтрах и фильтр-прессах – проницаемые, а в мембранных аппаратах – полупроницаемые. Проницаемые перегородки – металлические сита с живым сечением отверстий – 50 %. Полупроницаемые – ткань.
Высокая степень очистки достигается при комбинированном применении металлических сит и холста.
Фильтры бывают открытые и закрытые. Открытые фильтры применяют ограниченно из-за быстрого засорения. Закрытые фильтры бывают пластинчатыми, дисковыми, цилиндрическими.
Пластинчатый фильтр состоит из двух секций с комбинированными перегородками (одна работает, другая отдыхает).
Дисковый фильтр (рис. 29) состоит из стального корпуса, крышки, клапана, а также патрубка для выхода и патрубка для входа молока, фильтра (прокладка + 2 диска). Молоко под давлением поступает внутрь центрального цилиндрического стакана через патрубок, расположенный сбоку корпуса, проходит через отверстия в дисках и фильтрующие элементы и выводится из стакана по патрубку с трубой, размещенному внизу корпуса.
Рис. 29. Дисковый фильтр:
1 – корпус; 2, 5 – патрубки для молока; 3 – кран для спуска остатков молока; 4 – опора; 6 – прокладки; 7 – отверстия; 8 – фильтрующие диски; 9 – воздушный клапан; 10 – крышка; 11 – обойма; 12 – внутренний стакан
Цилиндрический фильтр (рис. 30) состоит из корпуса с коническим днищем и сферической крышкой. Внизу корпуса расположены патрубки для подвода продукта и отвода очищенного молока. Внутри корпуса находятся две латунные сетки с фильтрующей тканью. Перед фильтрацией молоко нагревают до 30…40 0С. Молоко под давлением поступает в фильтр и последовательно проходит внутреннюю и внешнюю сетки. Фильтровальную ткань меняют через 10…15 минут.
Рис. 30. Цилиндрический фильтр:
1 – крышка; 2 – резиновая прокладка; 3 – корпус; 4 – наружная сетка; 5 – внутренняя сетка; 6 – патрубок для выхода молока; 7 – патрубок для входа молока; 8 – подставка
Фильтр-прессы, применяемые в производстве молочного сахара, состоят из двух чугунных станин, тяг, на которых подвешены рамы с укрепленной на них фильтрующей поверхностью, и плиты с рифленой рабочей поверхностью, нажимной плиты, зажимного устройства и приемного жёлоба.
Рамы и плиты имеют отверстия, образующие сквозной канал, соединенный с рабочей зоной каждой рамы специальными отверстиями.
Мембранные фильтры осуществляют три основных вида баромембранных процессов разделения: микрофильтрацию (10…0,1 мкм), ультрафильтрацию (0,1…0,003 мкм), обратный осмос (0,003…0,0001 мкм).
Микрофильтрация применяется в основном для осветления жидкостей. В молочной промышленности микрофильтрация служит для очистки растворов лактозы от красящих веществ.
Ультрафильтрацией называют мембранный процесс с использованием такого рода полупроницаемых мембран, которые при наложении разности давлений пропускают растворитель и содержащиеся в нем соли и низкомолекулярные органические соединения и задерживают макромолекулы и коллоидные частицы. Таким образом, процесс ультрафильтрации позволяет одновременно концентрировать растворы и фракционировать содержащиеся в нем вещества по размерам частиц (молекул).
В молочной промышленности ультрафильтрационные мембраны задерживают сывороточные белки, мицеллы казеина.
Обратным осмосом называется мембранный процесс разделения истинных растворов при наложении разности давлений без изменения фазового состояния разделяемых компонентов. Обратный осмос во многом аналогичен ультрафильтрации. Отличие заключается в том, что при обратном осмосе используются мембраны с гораздо более мелкими порами, обеспечивающими перенос только растворителя. При разделении такой мембраной двух растворов с разными концентрациями растворенных в них веществ будет наблюдаться самопроизвольный термодинамически обоснованный перенос растворителя от более разбавленного раствора к более концентрированному. Такой перенос растворителя реализуется под действием осмотического давления, стремящегося выравнять концентрации растворенного вещества по обе стороны мембраны. Если приложить к более концентрированному раствору давление, превышающее осмотическое, то можно обеспечить обратный перенос растворителя от более к менее концентрированному раствору. Этот процесс и реализуется в обратном осмосе.
При обратном осмосе простые молекулы, гидратированные ионы кальция, натрия, калия могут быть отделены от твердой фазы молока.
Также обратный осмос используют для предварительного подсгущения сыворотки, имеющей низкую исходную концентрацию сухих веществ. В этом плане обратный осмос дополняет традиционное вакуум-выпаривание. При использовании обратноосмотического сгущения сыворотки можно получить концентрат лучшего качества, чем свободно пропускающих наряду с молекулами воды ионы натрия, хлора, калия, кальция и молочной кислоты, но задерживающих все остальные молекулы.
Основной деталью мембранных установок являются специальные полупроницаемые мембраны с различным размером пор, соизмеримых с молекулами находящихся в растворе компонентов. В зависимости от диаметра пор мембраны происходит разделение находящихся в растворе компонентов: компоненты с размерами молекул менее диаметра пор проходят через мембрану, а компоненты с большими размерами задерживаются.
Мембраны, которые можно применять в молочной промышленности, должны отвечать определенным требованиям:
высокая удельная производительность (проницаемость);
хорошая задерживающая способность (селективность) по отношению к высокомолекулярным веществам молока и молочной сыворотки (белок, жир);
низкая селективность по отношению к низкомолекулярным компонентам (лактоза);
достаточная механическая прочность;
устойчивость к действию среды разделяемой системы и ее компонентов;
неизменчивость основных характеристик в процессе эксплуатации;
возможность регенерации их свойств с помощью различных моющих средств;
возможно низкая стоимость.
В зависимости от механизма разделения мембраны подразделяются на полупроницаемые и диффузионные. По механической прочности используемых материалов мембраны делятся на полимерные (с анизотропной и изотропной структурой) мембраны, мембраны с жесткой структурой (мембраны из пористого стекла, нанесенные, динамические и др.) и жидкостные мембраны в виде плоских пленок и пленок цилиндрической формы.
К полимерным, полупроницаемым мембранам с анизотропной структурой относятся ацетилцеллюлозные мембраны (УАМ, МГА), этилцеллюлозные (УГЭ, МГЭ) и полисульфоноамидные (УПМ-К, ОПМ-К).
Однако этилцеллюлозные мембраны не нашли широкого применения из-за их низкой производительности.
Ацетилцеллюлозные мембраны состоят из тонкого активного слоя и пористой структуры. Полисульфоноамидные мембраны имеют полиамидный активный слой и полисульфоновую пористую структуру.
В настоящее время созданы высокопроизводительные ацетилцеллюлозные композиционные мембраны (УАМ-К, МГА-К), состоящие из тонкого ацетилцеллозного активного слоя и пористой структуры, выполненной из полисульфонового материала.
Разработаны также мембраны из таких твердых пористых материалов, как керамика. Этим мембранам присуща высокая механическая прочность, термостойкость, химическая стойкость, стойкость к давлению, износостойкость, коррозионная стойкость.
Мембраны в необходимых количествах собирают в узлах, которые называют ультрафильтрационными модулями.
По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с трубчатыми и рулонными (спиральными) элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон.
Основой плоскорамных аппаратов является фильтрующий элемент, состоящий из двух мембран, уложенных по обе стороны плоского пористого материала – дренажа (рис. 31).
Дренажные листы расположены на небольшом расстоянии друг от друга (0,5…5 мм), образуя межмембранные пространства для потока разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя фланцами и стягивается болтами. Разделяемый раствор последовательно проходит через все фильтрующие элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Прошедший через мембрану фильтрат уходит через дренажные слои в радиальном направлении.
Плоскорамные аппараты отличаются простотой конструктивных решений, удобством монтажа и эксплуатации, возможностью быстрой замены мембран. В этих аппаратах процесс разделения проводится при сравнительно высоких скоростях раствора, что позволяет снизить влияние концентрационной поляризации.
Недостатками аппаратов является невысокая удельная поверхность мембран, сложность герметизации отдельных узлов, использование ручных операций при их сборке и разборке.
Рис. 31. Плоскорамный мембранный аппарат:
1 – фланец; 2 – мембрана; 3 – дренажная пластина; 4 – уплотнительная пластина; 5 – разделительная пластина
Трубчатые аппараты. Практически все виды таких фильтрующих аппаратов, используемых в молочной промышленности, представляют собой трубчатые элементы, внутрь которых помещена полупроницаемая мембрана. Трубчатые элементы изготовляют из пористых полимерных материалов, синтетических волокон, стекловолокна, синтетических нитей на каркасе. Эти трубки служат несущей основой или дренажем для полупроницаемых мембран.
В молочной промышленности, особенно в системах, предназначенных для уменьшения количества бактерий в молоке, сыворотке, концентрате сывороточного белка и рассоле, находит широкое применение трубчатый вариант с керамическими мембранами.
Фильтрующий элемент изготовлен из керамического материала французской фирмой SCT (Societe des Ceramiques Techniques/ Ceraver). Тонкие стенки каналов выполнены из мелкозернистой керамики и представляют собой мембрану. Опорный материал – крупнозернистая керамика. При микрофильтрации с целью удаления бактерий в систему подается обезжиренное молоко. Большая часть подаваемого в систему продукта (около 95 %) проникает через мембрану как фильтрат, являясь в данном случае обезжиренным и освобожденным от большей части бактерий молоком. А оставшийся ретентат (концентрат) (5%) – это «насыщенное» бактериями обезжиренное молоко.
Выпускают три вида модулей. Это модуль в виде одного трубчатого элемента; модуль, имеющий 7 профилированных труб, и модуль, состоящий из 19 профилированных труб. На рисунке 32 показан такой модуль с 19 фильтрующими элементами, каждый из которых открыт с левой стороны модуля. Для производственных целей последовательно соединяются два модуля, образуя фильтрующую систему с одним насосом для циркуляции концентрата и одним – для циркуляции фильтрата.
Рис. 32. Фильтрующие аппараты:
1 – трубчатый аппарат; 2 – профилированные трубы
В зависимости от производственной необходимости могут параллельно устанавливаться несколько фильтрующих систем.
В конце 70-х годов начали поставлять первые новые установки для концентрирования сыворотки посредством спиральных модулей (рис. 33).
Для изготовления спирального модуля склеиваются друг с другом две заготовки мембран так, чтобы образовалась «сумка». Слои мембран, на которых происходит разделение, расположены снаружи. Между обеими мембранами находится грубая ткань, чтобы фильтрат мог хорошо стекать.
Несколько таких двойных мембран закрепляются на трубе с боковыми отверстиями так, чтобы через эти отверстия стекал фильтрат, а не продукт.
Затем эти двойные мембраны наматываются вокруг фильтратной трубы, чтобы продукт хорошо обтекал мембрану, между отдельными мембранами находится специально изготовленная для этого прокладка. Продукт с торцевой стороны поступает в модуль, протекает между поверхностями мембран в нескольких спиральных витках и опять выходит на противоположной торцевой стороне. Фильтрат протекает в нескольких спиральных витках через двойные мембраны к трубе. Несколько модулей монтируются в трубчатый корпус, который обеспечивает прохождение потока концентрата. Фильтратные трубы присоединяются к трубопроводу, собирающему фильтрат.
Рис. 33. Спиральный модуль
Соотношение между поверхностью мембран и объемом у спиральных модулей самое благоприятное. По этой причине энергия, необходимая для обеспечения достаточной скорости потока на мембранной поверхности, у спиральных модулей самая низкая. Поэтому рациональнее применять спиральные модули. Следующее преимущество спиральных модулей заключается в их относительно низкой стоимости. Поэтому трубчатые модули применяются в основном в том случае, если спиральные модули не пригодны для соответствующего продукта или процесса, например, когда продукт содержит крупные и / или нерастворимые частицы, которые могли бы засорить каждую систему с узким каналом.
Аппараты с полыми волокнами (рис. 34) нашли широкое применение в молочной промышленности. Они имеют ряд преимуществ в сравнении с другими видами фильтрующих аппаратов: простота устройств и легкость сборки и монтажа; отсутствие операций укладки мембран; высокая удельная поверхность фильтрации.
Модули полого волокна представляют собой патроны, содержащие пучки элементов из полого волокна – от 45 до 3000 штук в каждом патроне. Волокна уложены параллельно друг другу, их концы зафиксированы в полимерном материале и помещены в сборную трубу для фильтрата, изготовленную из эпоксидной смолы. Внутренний диаметр мембраны может быть от 0,5 до 2,7 мм, а активная поверхность мембраны находится на внутренней стороне полого волокна. Наружная сторона полого волокна, в отличие от внутренней, имеет грубую структуру и служит в качестве опоры. Поток обрабатываемой жидкости движется внутри этих волокон, а фильтрат собирается снаружи и удаляется через верхний отдел трубы.
Специфическое свойство этой конструкции – в ее способности самопромывки противотоком, что используется для очистки системы направленным в обратную сторону фильтратом для удаления осадка с поверхности мембраны.
Недостатками фильтрующих аппаратов с полыми волокнами являются необходимость предварительной фильтрации исходного раствора перед подачей в аппарат и обязательное исключение взвесей из обрабатываемой жидкости.
Рис. 34. Принципиальная схема фильтрующего аппарата на основе полых волокон