CC BY
103
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ОТРАСЛИ
' ТЕМА НОМЕРА
УДК 637.1.002.5
Оборудование
для измельчения и диспергирования
В.Г. Будрик, канд. техн. наук, Е.Ю. Агаркова, Г.С. Новиков, Е.М. Гусев
ВНИИ молочной промышленности
Измельчение и диспергирование компонентов - обязательная и достаточно энергоемкая стадия получения однородных пищевых эмульсионных продуктов. Такие продукты представляют собой многодисперсные фазы (жир, белок, минеральные и витаминные добавки и др. наполнители), измельченные и равномерно распределенные в дисперсионной среде (вода или растворы, содержащие необходимые вещества и добавки). Выбор типа оборудования для постановки эмульсии и обработки компонентов, установление оптимального режима работы требуют знания особенности его устройства и принципов обработки, протекающих при проведении измельчения и диспергирования. Тип применяемого оборудования обусловлен реологическими свойствами обрабатываемого продукта (жидкий, пастообразный и нетекучий) и глубиной обработки. Как правило, диспергирование жидких или пастообразных продуктов проводят в одну стадию без предварительной обработки компонентов. Исключением может считаться процесс получения глазури и т.п., где после предварительного измельчения, перемешивания и получения основы происходит окончательное диспергирование в бисерных мельницах, обеспечивающее необходимую тонину помола нерастворимых компонентов. Обработка нетекучих продуктов осуществляется стадийно с применением отдельных единиц оборудования для гру-
Ключевые слова: молочная промышленность; оборудование; измельчение; диспергирование; эмульсионные продукты.
Key words: the dairy industry; the equipment; crushing; dispersion; emulsion products.
бого, среднего и тонкого помола. Примером может служить получение колбасных изделий, где сырье предварительно измельчается на волчках, далее обрабатывается и перемешивается с компонентами в мясных куттерах и при необходимости высокой глубины измельчения пропускается через микроизмельчители.
В ГНУ ВНИМИ Россельхозакаде-мии на протяжении длительного времени ведутся работы по исследованию новых способов и приемов механической обработки молочных продуктов с использованием принципов измельчения и диспергирования, разработке технологий с созданием соответствующего аппаратурного оформления. Используемые в настоящее время типы этого оборудования можно рассмотреть на примере переработки творога и производстве творожных продуктов. Данный сегмент молочных продуктов наиболее динамично развивается, творожные продукты пользуются неизменным спросом и традиционно
занимают значительное место в питании людей. Ассортимент таких продуктов постоянно расширяется, а следовательно, исследование и создание оборудования для их производства весьма актуальны.
Переработка творога может включать следующие основные операции: измельчение, эмульгирование, термообработка, смешивание. При производстве творожных изделий, как правило, многокомпонентных, необходимо, чтобы на выходе продукт имел однородную консистенцию. Часто в продукте возникают пороки типа «крупки и мучки» или традиционно «летние» проблемы, связанные с перекисанием творожного сгустка. Также следует учитывать, что натуральный творог достаточно нестоек при хранении. Даже закладывание творога на длительное хранение (до 7 мес) при отрицательных температурах (-18 °С) не гарантирует сохранение продукта.
В таких случаях допускается проводить «облагораживание» творога или его дальнейшую промышленную переработку, к примеру, дефрости-рованный нежирный творог смешивают со сливками 50-55%-ной жирности, предварительно перемешав и измельчив его для получения товарного вида. Также такой творог широко используется для производства целого ряда эмульсионных продуктов, подвергаемых тепловой обработке, с добавлением соответствующих компонентов, например кремы, муссы, пасты, плавленые сыры и т. д.
В зависимости от поставленных задач и наличия на производстве требуемого оборудования в качестве измельчающего устройства могут эксплуатироваться: вальцовая машина, куттер, коллоидная мельница, диспергатор или аэратор роторного пульсационного типа (РПА), а также в последнее время все чаще применяются универсальные аппараты,
Рис. 1. Вальцовка для творога: а - общий вид: 1 - левая боковина; 2 - бункер; 3 - правая боковина; 4- механизм регулирования зазора;
5 - рабочие вальцы; 6 - электродвигатель; 7- нож (зона расположения);
6 - схема привода: 1 - рабочие валки;
2 - клиноременная передача;
3 - электродвигатель; 4- маховички
для регулирования зазора между валками; 5 - зубчатая передача
TECHNICAL SUPPLY OF INDUSTRY
укомплектованные измельчающим узлом.
Принцип измельчения на вальцовках для творога, представленных на рис. 1, основан на перетирании творожных масс в узком зазоре между вращающимися валками. Такие устройства применяют для получения необходимой консистенции творожной продукции на молочных заводах уже более 50 лет. Как правило, валки имеют различную частоту вращения (от 1 до 5 с-1) и вращаются в противоположном направлении.
Зазор между валками сложнее выставить не более 0,2 мм, что служит ограничительным параметром глубины обработки творожных масс и не всегда обеспечивает необходимую конечную однородность, не позволяя избавиться от крупки в твороге даже при многократном измельчении. К тому же высокая металлоемкость, малофункциональ-ность и сложность мойки являются существенными факторами, снижающими производственную привлекательность подобного оборудования среди измельчающих устройств и делая его неперспективным.
На некоторых молочных производствах для измельчения творога, смешивания компонентов до получения однородной консистенции (творожные сырки, творожные массы) эксплуатируются мясные куттеры (рис. 2). Они имеют медленно вращающуюся торообразную чашу и установленный в ней блок из четырех и более серповидных ножей с высокой скоростью вращения (30005000 мин-1 ).
Глубина измельчения обрабатываемого продукта зависит от окружной скорости вращения, типа заточки ножей, а также от зазора между острой кромкой ножа и обечайкой чаши. Как правило, после обработки творожный продукт имеет однородную структуру, но от крупки (если она была) удается избавиться не менее чем через 15 мин интенсивной обработки. В силу своей не молочной специфики, связанной с открытым способом обработки, пенообразова-нием, сложностью санитарной обработки и техническим обслуживанием, подобные машины, являясь основным оборудованием на мясоперерабатывающих комбинатах, практически не пользуются спросом среди производителей молочной продукции.
Для получения тонкодисперсных продуктов после обработки на вальцовых машинах и мясных куттерах в конце 70-х годов на производствах начали использоваться коллоидные мельницы (рис. 3), принцип действия которых основан на измельче-
нии продукта, находящегося в зазоре между неподвижным статором и вращающимся ротором (3000 мин-1 и более). Статор и ротор имеют вид усеченных конусов с зубчатой нарезкой, сделанной под углом к образующей конуса и с уменьшающейся глубиной зуба. Обрабатываемый продукт, попадая на ротор, отбрасывается центробежной силой к периферии и увлекается вращающимся ротором с тем большей скоростью, чем ближе находится к его поверхности в зазоре. Разность скоростей частичек продукта зависит от сил сцепления их между собой и со стенками статора и ротора, а также от величины зазора между последними. В результате соударения частиц и перетирания, обусловленного разностью скоростей их движения в зоне зазора, продукт измельчается.
Коническая форма рабочих органов коллоидной мельницы предопределяет появление составляющей центробежной силы, которая направлена параллельно образующей конуса и перемещает продукт вниз, к выходному отверстию, но не обеспечивает необходимого напора для подачи продукта по трубопроводу.
При обработке различных продуктов на коллоидной мельнице требуется провести предварительное измельчение, необходимое для попадания продукта в щель между ротором и статором. Чтобы избежать образования «свода» в бункере и создания подпора продукта, применяют нагнетательный шнек с самостоятельным приводом. Продукт подается в бункер, захватывается шнеком и попадает на приемный диск ротора. Центробежная сила отбрасывает его к периферии, где он, проходя по зазору между статором и ротором, измельчается и в виде однородной гомогенной глянцевитой массы через патрубок поступает в приемный резервуар. Производительность коллоидных мельниц снижается с уменьшением величины зазора и, следовательно, с повышением сте-
Рис. 3. Коллоидная мельница К6-ФКМ, жернова и схема обработки
пени измельчения продукта и бывает в диапазоне 300-3500 кг/час.
В настоящее время коллоидные мельницы в силу своего узкого применения, отсутствия нагнетательного эффекта и проведения разборной мойки вытесняются диспергацион-ными аппаратами роторно-пульса-ционного типа (микроизмельчителями).
Роторно-пульсационные аппараты (РПА) приобретают все большую популярность и многоплановость своего использования в молочной и других смежных отраслях промышленности благодаря сложному комплексу различных по природе воздействий на обрабатываемый продукт (механические, гидродинамические, гидроакустические). Причина возникновения этого комплекса воздействий обусловлена конструктивной особенностью рабочих органов в РПА (рис. 4) - чередующихся неподвижных и вращающихся соосно установленных тел с перфорацией в виде прорезей или отверстий, в которых воздействие на поток обрабатываемой среды обеспечивается путем принудительного перекрытия каналов его течения в системе вращающийся ротор и неподвижный статор.
Рис. 4. Роторно-пульсационное устройство и его ротор-статор:
1 - режущая насадка; 2 - штуцер для ввода газа; 3 - статор; 4 - ротор; 5 - корпус; 6 - рама; 7 - устройство для изменения зазора; 8 - термометр; 9 - разгрузочный патрубок; 10 - воронка; 11 - теплообменная рубашка; 12 - мешалка
а
Рис. 7. Установка для диспергирования газа в продукте на базе пеногенератора ПГ-500 (разработка ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии) а: 1 - загрузочная воронка; 2 - насос одновинтовой; 3 - электромагнитный счетчик-расходомер; 4 - манометр с разделителем сред; 5 - термометр платиновый технический; 6 - пеногенератор; 7 - регулятор расхода газа; б - ротор и статор аппарата MONDOMIX
Данные аппараты - аппараты проточного типа и кроме диспергирующего эффекта дополнительно обладают насосными качествами. Также за счет возникновения сил диссипа-тивного трения в них, как и в коллоидных мельницах, происходит нагрев обрабатываемого продукта, например, температура творога при однократном прохождении может увеличиться на 5 °С. Для переработки творога и других высоковязких продуктов нужно использовать высокомощные РПА, которые необходимо доукомплектовать нагнетающим насосом (рис. 5, б). В случае вертикального расположения вала достаточно наличия дополнительной воронки, а при больших производи-тельностях рекомендуется устанавливать буккер-питатель (рис. 5, а, в). При исполнении ротор-статора РПА или их зубьев из высокотвердой закаленной легированной стали допускается проводить измельчение твердых компонентов, в частности,
неразмороженного творога, значительно сокращая время дефроста-ции и соответственно повышая качество конечного продукта. Если зубья РПА выполнены с коническими боковыми поверхностями, то допускается регулировка зазора между вращающимися и неподвижными элементами и тем самым изменение глубины измельчения и соответственно производительности.
Учитывая большое количество выпускаемых моделей РПА, при выборе оптимальной конструкции необходимо учитывать: окружные скорости ротора (производная оборотов вращения вала и диаметра ротора); количество зубьев и длину режущих кромок; зазор между боковыми поверхностями зубьев (максимальный эффект при зазоре менее 0,1 мм); возможность регулировки зазора; твердость и износоустойчивость зубьев к истиранию и кавитационному воздействию (рис. 7); наличие дополнительных насадок, обеспечивающих предварительное измельчение и нагнетательный эффект; наличие узла для подачи компонентов (в том числе газа или пара) в зону интенсивного перемешивания; достаточную мощность привода ротора (запас не менее 30 % от потребляемой при обоработке продукта); надежность уплотнительного узла вращающего вала (для пастообразных продуктов оптимально использование двойного торцового уплотнения с подачей запирающей жидкости).
Так, например, разработанный в ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии с
учетом всех этих показателей дис-пергатор ДГР-300 при установлении минимального зазора между закаленными зубьями ротора и статора 0,1 мм обеспечивает производительность по измельчению творога с приданием гомогенной структуры без наличия крупки - 2000 кг/ч. При получении сахарных сиропов обеспечивает измельчение и растворение сахара в воде с соотношением 5 : 1. При получении фруктово-ягод-ных наполнителей, растительных экстрактов и биологически активных добавок обеспечивает переработку без предварительного измельчение плодово-овощной продукции, корней, растений, морских водорослей с разрушением клеточных оболочек и максимальным высвобождением минералов и витаминов. При зазоре между зубьями 1 мм и подаче газа при диспергировании обеспечивает получение аэрированных продуктов со степенью взбитости 100 % и выше.
Однако для производства взбитых продуктов наиболее оптимально использование РПА осевого типа (тур-бомиксеры) (рис. 7, а).
Дозированный объем подготовленной творожной основы подается насосом в смесительную головку, состоящую из ротора и статора, снабженных штифтами (рис.7, б). При входе в смесительную головку в массу пропорционально подается необходимый объем сжатого газа (воздуха, азота и т.п.). Проходя через штифты смесительной головки насыщенная воздухом суспензия тщательно перемешивается. Для
обеспечения быстрого и равномерного распределения газа в потоке продукта в смесительной головке создается противодавление.
Плотность готового продукта на выходе достигается за счет подбора оптимального соотношения объемов подаваемого газа и насыщаемой смеси. Качество взбитых продуктов и диаметр пор определяются регулировкой скорости вращения головки и величины противодавления. Управление работой аппарата и температурой продукта поддерживается автоматической системой контроля и управления. При необходимости на данных машинах можно проводить обычное измельчение (диспергирование) пропускаемого через них продукта.
На перечисленных образцах оборудования, кроме проведения операций по измельчению и диспергированию, можно производить различные продукты, не требующие дополнительной термической обработки. Например десерты, массы, пасты, кремы, фруктово-ягодные наполнители, паштеты, соусы, сгущенное молоко, плавленые сыры и т. д. При этом проводят предварительное перемешивание с компонентами и термообработку в дополнительном оборудовании.
С использованием описанных принципов измельчения конструкторским отделом ГНУ ВНИМИ Рос-сельхозакадемии разработано и освоено производство трех видов универсальных аппаратов ИС, ГУРТ, ГИД, позволяющих провести все необходимые технологические циклы производства продуктов подобного типа без использования дополнительного технологического оборудования:
> перемешивание компонентов с целью обеспечения равномерности их распределения по всему объему вырабатываемого продукта;
> измельчение, диспергирование или эмульгирование, а при необходимости гомогенизация загруженных компонентов с целью получения однородной монодисперсной смеси, не склонной к расслоению и образованию конгломератов;
> термическая обработка смеси с целью термизации, пастеризации и стерилизации вырабатываемого продукта;
> охлаждение вырабатываемого продукта по технологическому регламенту или до температуры фасовки;
> вакуумирование, сгущение с целью удаления паразитных пузырьков воздуха и придания более плотной структуры продукту;
> аэрирование полученной смеси
TECHNICAL SUPPLY OF INDUSTRY
с целью получения равномерной взбитой структуры продукта.
Первые работы в области создания оборудования для производства пастообразных продуктов были направлены на разработку универсальных аппаратов измельчителей-смесителей типа ИС с использованием в качестве измельчающего узла кут-терных ножей. Разработана линейка ИСов с чашей от 5 до 250 л. Данные машины хорошо зарекомендовали себя при производстве всех типов плавленых сыров, паштетов, соусов шоколадных масс, начинок и других продуктов (кроме взбитых), они просты в обслуживании и легко подвергаются санитарной обработке. Один из ряда таких аппаратов показан на рис. 8. Аппараты данного ряда состоят из чаши с теплообмен-ной рубашкой, различной емкости с герметичной крышкой, что позволяет проводить обработку продукта в них как под вакуумом, так и при избыточном давлении (0,5-3,0 атм). На крышке крепится мешалка со скребком, предназначенного для отвода пристеночного слоя продукта. Как правило, в днище чаши расположена режущая насадка в виде двух серповидных ножей, вращающихся со скоростью до 3000 мин-1.
Процесс приготовления термизи-рованных пастообразных продуктов на аппаратах типа ИС осуществляется следующим образом. Сырье предварительно взвешивается из расчета на рабочий объем чаши, подъемником или в ручную загружается в чашу аппарата и закрывается крышка. Осуществляется кратковременное перемешивание не более 1 мин, с последующим взятием пробы для корректировки водородного показателя рН (при необходимости). Далее продукт нагревается либо косвенно (путем подачи пара в теплообмен-ную рубашку), либо напрямую (путем впрыска острого пара непосредственно в продукт через специальные форсунки в днище чаши). Следует отметить, что при подаче острого пара в продукт в 2-3 раза сокращается время нагрева продукта, но при получении такого пара необходимы дополнительные системы тщательной очистки и учета расхода образующегося конденсата в рецептуре продукта. После тепловой обработки проводится гомогенизация (измельчение) продукта при вращении режущей насадки на высоких оборотах до достижения желаемой консистенции. Далее продукт при необходимости охлаждается до температуры фасовки и специальным насосом подается на фасовочный аппарат. Как правило, все технологические процессы осуществляются под вакуу-
Рис. 8.
Измельчитель-смеситель ИС-40:
1 - загрузочный патрубок;
2 - привод мешалки;
3 - крышка;
4 - мешалка со скребком;
5 - режущая насадка;
6 - теплообменная рубашка;
7 - опрокидыватель,
8 - рама;
9 - привод режущей насадки;
10 - чаша;
11 - компенсатор;
12 - поддон;
13 - разгрузочный патрубок;
14 - камера вакуумирования
мом. Продукт при этом становится более плотный однородный, удаляются все пузырьки воздуха и нежелательные запахи.
Продолжительность выработки пастообразных продуктов на аппаратах типа ИС очень сильно зависит от технологического регламента, но в среднем для термически обработанных продуктов составляет 20-30 мин. Например, для творожного соуса, разработанного в лаборатории молочно-белковых концентратов, время выработки на аппарате ИС-40 с учетом тепловой обработки 85 °С и начальной температуры смеси 15 °С составило 30 мин.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ОТРАСЛИ
ТЕМА НОМЕРА
нителей. Для этих целей разработан параметрический ряд гидродинамических измельчителей-диспергато-ров типа ГИД с объемом чаши от 70 до 400 л (рис. 10).
Особенность аппарата ГИД заключается в возможности в ходе выработки продукта совместно, комбинировано или раздельно использовать измельчающее устройство (куттер-ные ножи или диспергатор) и перемешивающее устройство в виде шнековой мешалки, снабженное скребками.
Таким образом, при необходимости производства творожной массы и других продуктов без цикла измельчения используется для перемешивания только тихоходная шнековая мешалка, обеспечивающая равномерное распределение всех компонентов по объему (как в фаршемешалках), в том числе крупных кусочков (изюм, курага и т.п.). При выработке эмульсионных продуктов, например, плавленого сыра с содержанием крупных фрагментов наполнителя (грибы, мясо, орешки, зелень и т.п.), проводятся загрузка основных компонентов, плавление массы с
Рис. 10. Гидродинамический измельчитель-диспергатор ГИД
Опыт эксплуатации измельчителей-смесителей показал их высокую надежность и простоту обслуживания, но использование подобного типа измельчающего устройства для получения требуемой степени гомогенности готового продукта не всегда достаточно. В связи с чем разработаны и успешно эксплуатируются гидродинамические установки роторного типа ГУРТ с емкостью чаши от 100 до 1000 л (рис. 9), диспергирование в которых основано на принципе действия роторно-пуль-сационных аппаратов. На перерабатывающих заводах установки ГУРТ хорошо зарекомендовали себя для переработки творога: от микроизмельчения традиционного творога до производства легких творожных муссов с взбитой структурой; для приготовления всего ассортимента кондитерских кремов и начинок, включая некоторые виды теста и конфитюры; для производства БАДов и бальзамов.
Принципиальная схема работы установки схожа с технологическим процессом, описанным выше для аппаратов типа ИС, отличается лишь последовательностью ввода компонентов в процессе обработки и заключается в следующем. Исходные компоненты загружаются в чашу, в которой при необходимости подвергаются термической обработке, затем из чаши поступают на вращающиеся наклонные ножи, где прохо-
дит первая стадия их измельчения и перемешивания. Далее обрабатываемый продукт подвергается многофакторному воздействию со стороны элементов конструкции в перфорированных венцах вращающегося ротора и неподвижного статора ротор-но-пульсационного устройства. Обработанный продукт под напором выходит из разгрузочного патрубка, по линии рециркуляции полностью или частично направляется в накопительную емкость, откуда вновь поступает в роторно-пульсационное устройство для повторной обработки. При необходимости проведения газонаполнения возможен ввод сжатых газов в обрабатываемый продукт через соответствующее устройство, его же можно использовать и для ввода жидких компонентов или пара с целью их мгновенного распределения в общем объеме продукта. Кроме того, выработку продукта можно проводить как под вакуумом (удаление лишних пузырьков воздуха, сгущение), так и при избыточном давлении (высокотемпературная стерилизация).
Установка ГУРТ - это компактная система, сочетающая механическое и тепловое воздействие на продукт в условиях герметичности рабочей емкости, но ее конструкция, так же как и в аппаратах типа ИС, не позволяет производить пастообразные продукты с включением крупных кусочков фруктово-ягодных и других напол-
возможностью впрыска острого пара, вакуумирование (при необходимости) и перед подачей на фасовку внесение добавок необходимого размера. При этом измельчающее устройство в дальнейших технологических операциях (перемешивание, подача на фасовку) уже не используется. Остальные моменты производства продуктов схожи с процессами, происходящими в аппаратах типа ИС и ГУРТ.
При выборе необходимого оборудования возможности универсальных установок ограничиваются лишь фантазией технологов и с лихвой перекрывают возникающие задачи по дальнейшей переработке творога, начиная с обычных процессов измельчения и заканчивая производством многофазных продуктов со сложным сырьевым составом. На производстве такие установки способны заменить различные мешалки, роторно-пульсационные аппараты, диспергаторы, гомогенизаторы, коллоидные мельницы, куттеры, плавильные котлы. С их помощью предприятия пищевой промышленности могут поднять качество и существенно расширить ассортимент выпускаемой продукции, предлагая на продовольственный рынок новые оригинальные изделия. Специалисты ВНИМИ всегда открыты для консультаций, совместных исследований и разработок новых технологий на экспериментальных образцах оборудования, расположенных в исследовательском центре института.
