CC BY
106
ТЕХНОЛОГИЯ ХРАНЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ
Известия ТСХА, выпуск 5, 2016 г
УДК 637.1/3.(045)
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЛАКТОЗЫ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ В ПОТОКЕ
С.А. БРЕДИХИН1- А.С. БРЕДИХИН2, В.В. ЧЕРВЕЦОВ3
1 РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; 2 ООО «КЛЭКС»; 3 ГНУ ВНИМИ
Статья посвящена экспериментальному исследованию закономерностей кристаллизации лактозы молочной сыворотки в потоке. Экспериментально исследованы закономерности изменения температуры массовой кристаллизации лактозы и определено количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние. Установлено влияние частоты вращения рабочих органовроторно-пульсационного аппарата непрерывного действия на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер при кристаллизации лактозы в сгущенной до 60% содержания сухих веществ молочной подсырной сыворотке в трехсекционном скребковом пластинчатом теплообменнике непрерывного действия. Получены экспериментальные данные о влиянии температуры нагревания на средний размер кристаллов лактозы.
Ключевые слова: молочная сыворотка, кристаллизация лактозы, кристаллы лактозы, теплообменник непрерывного действия, массовая кристаллизация лактозы, лактозное число.
Кристаллизация лактозы молочной сыворотки - один из основных технологических процессов производства молочного сахара. Увеличение объемов производства молочного сахара и его производных повышает актуальность исследований, направленных на изучение процесса кристаллизации лактозы.
Кристаллизацию лактозы в молочной сыворотке в настоящее время осуществляют в основном в аппаратах периодического действия. Это снижает качество процесса кристаллизации, которое зависит от возможности его автоматизации, управляемости и обеспечения однородной дисперсности кристаллов. Техническая реализация кристаллизации в аппаратах непрерывного действия позволяет добиваться устранения большей части этих недостатков [2, 3, 4].
Поточная кристаллизация лактозы в молочной сыворотке развивается в сложных гидродинамических условиях и широком температурном диапазоне. Реализация кристаллизации лактозы молочной сыворотки в потоке в аппаратах непрерывного действия позволяет сократить энергозатраты, уменьшить производственные площади и металлоемкость используемого оборудования периодического действия, добиться получения однородной дисперсности кристаллов лактозы, размер которых в 3-4 раза меньше, чем при кристаллизации в аппаратах периодического действия [5].
91
Кристаллизацию лактозы молочной сыворотки исследовали в 3-секционном скребковом пластинчатом теплообменнике непрерывного действия (СПТНП) на основе кинетики температурных изменений сгущенной молочной сыворотки с массовой долей сухих веществ 50-60%. Общий методический подход к выполнению экспериментов состоял в изучении влиянии температуры охлаждения на кристаллизацию лактозы сгущенной молочной сыворотки во взаимосвязи с температурой хладоносителя и площадью теплопередачи аппарата; определении температуры массовой кристаллизации лактозы, количества лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние, а также в исследовании влияния частоты вращения рабочих органов роторно-пульсационного аппарата (далее -РПА) на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер.
РПА представляет собой дисковый обработник, привод которого имеет частотный преобразователь. Рабочие органы РПА состоят из набора подвижных и неподвижных дисков. Подвижные диски снабжены выступами со специальными проточками, обеспечивающими кавитационный режим течения. Перед дисковым обработником в поток сыворотки через струйный смеситель насосом-дозатором впрыскивается взвесь затравки, которая дисковым обработником равномерно распределяется по всему объему сыворотки, при этом подвергая ее интенсивному гидродинамическому воздействию.
При выполнении экспериментальных исследований использованы стандартизованные методы ГОСТ 3626-73, ГОСТ 29246-91, ГОСТ 30305.1-95. Линейные размеры кристаллов лактозы, количество кристаллов лактозы в исследуемых образцах сгущенной молочной сыворотки определяли микроскопированием с применением поляризаци-онно-интерференционного микроскопа высокой разрешающей способности BIOLAR с иммерсионным объективом 40 крат и видеоокуляром НВ-35 с разрешением 240х320 совместно с персональным компьютером и программным обеспечением «Микро-Анализ Pro». Значения линейных размеров и количества кристаллов сгущенной молочной сыворотки выводились в таблицу Microsoft Excel.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывали методами математической статистики [1, 11, 13, 15]. Доверительная вероятность результатов математической обработки данных физико-химического анализа была не ниже 0,95, а вероятность результатов технологического эксперимента - 0,90. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с применением методов регрессионного анализа с использованием прикладного программного обеспечения MicrosoftExcel, «MatCad», «CurveExpert», «MatLab», «Микро-Анализ Pro» и др.
Для определения температуры массовой кристаллизации лактозы в сгущенной молочной сыворотке был проведен комплекс исследований по определению доброкачественности молочной сыворотки, массовой доли лактозы в сгущенной молочной сыворотке и лактозного числа.
Массовая кристаллизация лактозы в сгущенной молочной сыворотке представляет собой явление одновременного образования большого числа кристаллов из пересыщенного раствора [6]. Под температурой массовой кристаллизации лактозы в сгущенной молочной сыворотке понимают значение температуры, при которой происходит данное явление.
Определяющим показателем качества лактозосодержащего сырья является содержание лактозы, которое трактуется как доброкачественность (ДБ) или чистота (Ч) и определяется из соотношения
ДБ = (Л/ССв) 100, (1)
где ДБ - доброкачественность молочной сыворотки, %; Л - массовая доля лактозы в сгущенной молочной сыворотке, %; Ссв - массовая доля сухих веществ в сгущенной молочной сыворотке, %.
92
Доброкачественность традиционного лактозосодержащего сырья изменяется от высоких, приходящихся на мелассу рафинированного молочного сахара (85, 6%), до низких значений, характерных для соленой сыворотки (44,6%) и образующейся при ее использовании мелассы (50,8%). Все остальные виды сырья имеют доброкачественность на уровне подсырной и казеиновой сыворотки (64,6-78,5%) [10, 12]. Доброкачественность сгущенной молочной сыворотки на основе анализа результатов исследования и рекомендаций [8] составила 70%.
Массовую долю лактозы определяли из формулы (1). По полученному значению массовой доли лактозы в сгущенной молочной сыворотке определяли лактозное число по формуле [14]:
Лакч = (Л/Ж)100, (2)
где Лакч - лактозное число, %; Л - массовая доля лактозы в сгущенной молочной сыворотке, %; Ж - массовая доля воды в сгущенной молочной сыворотке, %.
По значению лактозного числа и графических зависимостей [9] определяли температуру массовой кристаллизации лактозы в сгущенной молочной сыворотке в исследованных диапазонах массовой доли сухих веществ. Более точно температуру массовой кристаллизации лактозы определяют по критерию метастабильности на основе данных о вязкости продукта и растворимости лактозы в присутствии сахарозы [7]. Зависимость температуры массовой кристаллизации лактозы от массовой доли сухих веществ в сгущенной молочной сыворотке показана на рисунке 1.
Рис. 1. Зависимость температуры массовой кристаллизации лактозы в молочной сыворотке
от массовой доли сухих веществ
Для определения количества лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние, брали пробы из начального и конечного раствора сгущенной молочной сыворотки. Далее по значениям начальной и конечной массовой доли лактозы в сгущенной мо-
93
лочной сыворотке определяли количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние по формуле [14]:
Л =Ю0-(Лна,-ЛКОЕ)
* 100-л '
где Лнач- начальная массовая доля лактозы в сгущенной молочной сыворотке, массовая доля лактозы в сгущенной молочной сыворотке, %.
(3)
, Лкон - конечная
Авторами проведено исследование влияния частоты вращения рабочих органов роторно-пульсационного аппарата (РПА) на количество образующихся кристаллов и их средний размер при кристаллизации лактозы в сгущенной до 60% содержания сухих веществ молочной подсырной сыворотке в трехсекционном СПТНП. Частота вращения рабочих органов РПА в процессе исследований изменялась от 9,6 с-1 до 16 с-1.
шт
78
68 58 48 38 28 18
а)
•
/ у г *
Л* ¿г / уГ
----- •
10
11
12
14
1?
16
А'-ИП шт
145
125
105
85
65
10
11
6)
1 / г * / / / /
' < / / ,'У
^ ¿г
12
-50%СВ
---55%СВ---
14 15
60% СВ
16
Рис. 2. Зависимость количества кристаллов в сгущенной до 50-60% сухих веществ (СВ) молочной сыворотке от частоты вращения рабочих органов РПА: а) после РПА; б) на выходе из II секции СПТНП
94
Анализ результатов опытов показывает, что в обоих случаях (рис. 2) при увеличении частоты вращения рабочих органов РПА увеличивается и количество кристаллов. В сгущенной молочной сыворотке, взятой после из пробоотборника, после РПА количество кристаллов в 1,5 раза меньше, чем на выходе из II секции СПТНП. Это обусловлено тем, что во II секции СПТНП сгущенная молочная сыворотка подвергается дальнейшему охлаждению и продолжению кристаллизации.
Исследовано также влияние частоты вращения рабочих органов РПА на средний размер кристаллов. Результаты влияния частоты вращения рабочих органов РПА на средний размер кристаллов (Цср) в сгущенной молочной сыворотке предоставлены на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость среднего размера кристаллов в сгущенной молочной сыворотке от частоты вращения рабочих органов РПА: а) после РПА; б) на выходе из II секции СПТНП
95
Анализ опытов показывает, что с увеличением частоты вращения рабочих органов РПА очевидно уменьшение среднего размера кристаллов лактозы при разной массовой доли сухих веществ молочной сыворотки. При прохождении через РПА при частоте вращения от 9,6 с-1 до 16 с-1 средний размер кристаллов уменьшается от 8,3 мкм до 6,6 мкм при массовой доле сухих веществ 60%. Дальнейшее уменьшение среднего размера кристаллов во второй секции СПТНП происходит за счет быстрого охлаждения сгущенной молочной сыворотки при температуре от 37°С до 12°С. Средний размер кристаллов лактозы за время нахождения во второй секции уменьшается от 6,6 мкм до 5,2 мкм. Температура является одним из важных параметров, влияющих как на образование кристаллов лактозы в сгущенной молочной сыворотке, так и на их растворимость.
Исследовано влияние температуры на количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние, и на средний размер кристаллов. Определено, что при увеличении температуры количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние, становится значительно меньше. Это обусловлено тем, что при нагревании кристаллы растворяются. Результаты исследований зависимости количества лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние, от температуры с внесением затравки и без нее показали, что разница значений минимальна. Полученные результаты позволяют сделать практический вывод о том, что нет необходимости вносить затравку, и это экономически важно для проведения процесса кристаллизации в промышленных условиях.
Изучение влияния температуры нагревания на средний размер кристаллов показало, что при увеличении температуры нагревания средний размер кристаллов становится значительно меньше. Это можно объяснить тем, что в процессе нагревания кристаллы растворяются и, соответственно, размер кристаллов становится меньше. Показано, что нагрев сыворотки после кристаллизации в ней лактозы (при температуре 12°С) до температуры 35-38°С приводит к уменьшению размеров кристаллов в среднем с 6,6 мкм до 5,2 мкм. Это позволяет сделать вывод о том, что перед сушкой сыворотку можно предварительно подогревать до 40-45°С без существенного влияния температуры нагрева на средний размер кристаллов лактозы.
Таким образом, проведено экспериментальное исследование закономерностей кристаллизации лактозы молочной сыворотки в потоке. Определено изменение температуры массовой кристаллизации лактозы и количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние. Установлено влияние частоты вращения рабочих органов роторно-пульсационного аппарата непрерывного действия на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер. Получены экспериментальные данные о влиянии температуры нагревания на средний размер кристаллов лактозы. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования современной технологии сухой молочной сыворотки.
Библиографический список
1. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.
2. Бредихин С. А. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности. М.: Колос, 2010. 408 с.
96
3. Бредихин С.А., Бредихин А. С., Жуков В.Г., Космодемьянский Ю.В., Якушев А.О. Процессы и аппараты пищевой технологии. СПб.: Издательство Лань, 2014. 544 с.
4. Бредихин С.А. Технологическое оборудование переработки молока. СПб.: Издательство Лань, 2015. 416 с.
5. Бредихин А.С., Бредихин С.А., Червецов В.В. Аналитические исследования охлаждения молочной сыворотки в потоке // Известия ТСХА. № 4. М., 2013. С. 119-127.
6. Волкова Т.А., Кравченко Э.Ф., ТерлоевХ.Ю. Кристаллизация лактозы: Обзорная информация / Т.А. Волкова, Э.Ф. Кравченко, Х.Ю. Терлоев. М.: АгроНИИТЭИММП, 1994. 28 с.
7. ГиббсД.В. Термодинамические работы. М.-Л.: Гостехориздат, 1950. 492 с.
8. Гнездилова А.И., Липатов Н.Н., Кузнецова В.С., Куленко В.Г. Физико-химические и теплофизические свойства основных видов пищевых продуктов: Учебное пособие. Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2007. 101 с.
9. Голубева Л.В., Чекулаева Л.В., Полянский К.К. Хранимоспособность молочных консервов. М.: ДеЛипринт, 2001. 115 с.
10. Павлов В.А. Новые методы переработки молочной сыворотки. М.: Росагропромиз-дат, 1990. 150 с.
11. Самарский А.А. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. 2-е изд., испр. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 320 с.
12. Синельников Б.М. Лактоза и ее производные. СПб.: Профессия, 2007. 768 с.
13. Фетисов Е.А. Статистические методы контроля качества молочной продукции: Справочное руководство. М.: Агропромиздат, 1985. 80 с.
14. Фиалкова Е.А., Евдокимов И.А., Куленко В.Г., Качалова Е.А., Костюков Е.М. Теория роста кристаллов лактозы в зависимости от их размеров // Сб. материалов Международного научно-технического семинара «Современные направления переработки сыворотки». Ставрополь: НОУ «Образовательный научно-технический центр молочной промышленности», 2006. С. 57-58.
15. http://www.statsoft.ru: «Планирование эксперимента».
WHEY LACTOSE CRYSTALLIZATION IN THE STREAM
S.A. BREDIKHIN A.S. BREDIKHIN 2, V.V. CHERVETSOV 3
1 Russian State Agrarian University named after K.A. Timiryazev; 2 LLC «KLEKS»;
3All-Russia Research Institute of Dairy Industry
The article is concentrated on experimental study of regularities of whey lactose crystallization in a stream. Changes of temperature of mass lactose crystallization are experimentally investigated and the number of lactose which became crystallized is determined. Influence offrequency of working bodies rotation in the rotor-pulsation device of continuous action is installed on a number of formed lactose crystals and their average size during lactose crystallization in thickened product to 60% of solids in serum in the three-section scraper lamellar heat exchanger of continuous action. Experimental data are received about the influence of heating temperature on the average size of lactose crystals.
Key words: milk whey, lactose crystallization, lactose crystals, continuous heat exchanger, mass lactose crystallization, lactose number.
Resources
1. Adler Yu.P. Planirovanie eksperimenta pri poiske optimalnyh usloviy. M.: Nauka, 1976. 280 p.
2. Bredikhin S.A. Tehnologicheskoe oborudovanie predpriyatiy molochnoy promyshlennosti. M.: Kolos, 2010. 408 p.
3. Bredikhin S.A., Bredikhin A.S., Zhukov V.G., Kosmodemyanskiy Yu.V, YaushevA.O. Prot-sessy i apparaty pishchevoy tehnologii. Spb.: Izdatelstvo Lan', 2014. 544 p.
4. Bredikhin S.A. Tehnologicheskoe oborudovanie pererabotki moloka. Spb.: Izdatelstvo Lan', 2015. 416 p.
5. BredikhinA.S., Bredikhin S.A., Chvetsov V.V. Analiticheskie issledovaniya ohlazhdeniya molochnoy syvorotky v potoke // Izvestiya TSHA. № 4. 2013. Moskva. P. 119-127.
6. Volkova T.A., Kravchenko E.F., Terloev Kh.Yu. Kristalizatsiya laktozy / T.A. Volkova, E.F. Kravchenko, Kh. Yu. Terloev. M.: AgroNIITEIMMP, 1994. 28 p.
7. GibbsD.V. Termodinamicheskie raboty. M.-L.: Gostehorizdat, 1950. 492 p.
8. GnezdilovaA.I., Lipatov N.N., Kuznetsova VS., Kulenko V.G. Fiziko-himicheskie I teplofi-zicheskie svoystva osnovnyh vidov pishchevyh productov: uchebnoe posobie s grifom UMO. Vo-logda-Molochnoe: IZ VGMHA, 2007. 101 p.
9. GolubevaL.V., ChekulaevaL.V., PolyanskiyK.K. Khranimosposobnost molochnyh kon-servov. M.: DeLiprint, 2001. 115 p.
10. Pavlov V.A. Novye metody pererabotki molochnoy syvorotki. M.: Rosagropromizdat, 1990. 150 p.
11. SamarskiyA.A. Matematicheskoe modelirovanie: Idei. Metody. Primery. 2-e izd., isprav. M.: FIZMATLIT, 2005. 320 p.
12. Sinel'nikovB.M. Laktoza I ee proizvodnye. Spb.: Professiya, 2007. 768 p.
13. FetisovE.A. Statisticheskie metody kontrolya kachestva molochnoy produktsii: sprav-ochnoe rukovodstvo / M.: Agropromizdat, 1985. 80 p.
14. Fialkova E.A., Evdokimov I.A., Kulenko V.G., Kachalova E.A., Kostyukov E.M. Teoriya rosta kristallov laktozy v zavisimosti ot ih razmerov / Sb. materialov mezhdunarodnogo nauch-no-tehnicheskogo seminara «Sovremennye napravleniya pererabotki syvorotki», Stavropol: NOU «Obrazovatel'niy nauchno-tehnicheskiy tentr molochnoy promyshlennosti», 2006. P. 57-58.
15. http://www.statsoft.ru: «Planirovanie eksperimenta».
Бредихин Сергей Алексеевич - д.т.н., проф., зав. кафедрой процессов и аппаратов перерабатывающих производств РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49; тел.: (499) 977-92-73; e-mail: [email protected]
Бредихин Алексей Сергеевич - нач. отдела ООО «КЛЭКС», 119034, г. Москва, Зубовский бульвар, д. 4, стр. 1; тел.: 8 (499) 703-48-07; e-mail: [email protected]
Червецов Виктор Владимирович - д.т.н., зав. лабораторией ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности», 115093, г. Москва, ул. Люсиновская, д. 35, корп. 7; e-mail: [email protected]
Bredikhin Sergey Alekseevich - Dr. Sci. Tech., Professor, Head of the Department «Processes and offices of processing industries» Russian state agrarian university named after K.A. Timiryazev (127550, Moscow, Timiryazevskaya St., 49, ph.: (499) 977-92-73; e-mail: [email protected]).
Bredikhin Alexey Sergeyevich - Head of the Department of JSC KLEKS, (119034, Moscow, Zubovsky Boulevard of4, ofp. 1; ph.: (499) 703-48-07; e-mail: [email protected]).
Chervetsov Victor Vladimirovich - Dr. Sci. Tech. Head ofthe laboratory ofthe Public scientific institution All-Russian research institute of the dairy industry, 115093, Moscow, Lyusinovskaya St., of 35, building 7; e-mail: [email protected].
98
