Сепарация молока
Молоко содержит жирные и обезжиренные компоненты, также называемые сухими обезжиренными веществами (СОМО). Жир присутствует в виде глобул, тогда как СОМО образуют ионный раствор (например, некоторые соли), истинный раствор (например, лактоза и белки молочной сыворотки) или коллоидный раствор (например, мицеллы казеина) в водной части молока. Таким образом, молоко представляет собой эмульсию, в которой относительно крупные жировые глобулы диспергированы в сплошной водной фазе (сыворотке). Поскольку жировые шарики легче по сравнению с другими твердыми веществами, они имеют тенденцию легко отделяться от сыворотки (или обезжиренного молока), что можно увидеть в образовании «сливочного» слоя на поверхности молока, хранящегося нетронутым в контейнере для хранения несколько часов. Сливки – это та часть молока, которая богата молочным жиром, но бедна СОМО. Это говорит о том, что большую часть жира можно легко отделить в виде сливок от молока оставляя после себя обезжиренное молоко, содержащее очень мало жира. Разделение сливок позволяет переработчику производить различные жирные молочные продукты, такие как сливки различных видов, масло, топленое масло и т. д. Разделение сливок также позволяет регулировать состав молока. по содержанию жира и СОМО. Такая модификация состава (см. гл.) может потребоваться для производства продуктов, а также для соблюдения требований законодательства в отношении различных видов жидкого молока.
Методы сепарирования молока
Обычно используются два метода отделения сливок от молока: (i) гравитационное отделение и (ii) центробежное отделение. Оба эти метода основаны на основном принципе разделения двух несмешивающихся жидкостей с различной плотностью под действием гравитационной или центробежной силы.
Гравитационное разделение: как упоминалось выше, когда молоку дают постоять в течение некоторого времени, сверху образуется слой сливок из-за подъема жировых шариков, которые изначально рассеяны по всей массе молока. Движение вверх более легких шариков жира (плотность 0,93 г/см3 при 20°С) в более тяжелой сыворотке (плотность 1,035 г/см3) происходит под действием силы тяжести. Сливки могут стать очевидными уже через полчаса.
Скорость отделения сливок прямо пропорциональна разности плотностей жира и сыворотки и квадрату диаметра жировых шариков и обратно пропорциональна вязкости сыворотки. Таким образом, для данной пробы молока скорость сбивания будет максимальной, когда разница плотности максимальна, а вязкость минимальна. На оба эти фактора, в свою очередь, влияет температура молока. По мере повышения температуры соотношение разности плотностей и вязкости сыворотки увеличивается, что способствует процессу разделения. Это увеличение особенно заметно при температуре от 10° до 30°C и гораздо менее заметно при температуре выше 50°C. Однако разделение сливок под действием силы тяжести является очень медленным и неэффективным процессом. Для коммерческих целей это не имеет практической ценности. Следовательно, механизированное отделение сливок с использованием центробежной машины наиболее часто используется в молочной промышленности. Даже для очень мелкого разделения, скажем, 10-20 литров молока, используется центробежный сепаратор с ручным или моторным приводом.
Центробежная сепарация: В принципе, этот метод отделения сливок аналогичен гравитационному отделению, но гравитация в качестве движущей силы заменена центробежной силой, для которой используется ротационная машина. Поскольку последняя сила намного больше силы гравитации, разделение сильно ускоряется. Центробежный сепаратор похож на осветлитель, рассмотренный в предыдущем разделе, но молоко, поступающее через дно чаши сепаратора, удерживающей стопку конических дисков, поднимается вверх через отверстия, расположенные где-то посередине внутреннего и внешнего краев дисков. молоко между дисками подвергается действию центробежной силы во вращающейся чаше и поэтому имеет тенденцию вытекать из центра. Фракция обезжиренного молока, будучи более тяжелой, отходит и образует слой на внешнем крае дисков, а жировые шарики собираются на внутреннем крае. Поступающее несепарированное молоко выталкивает разделительные слои дальше и вверх в верхней части чаши. Таким образом, в сепараторе сливок имеется два выхода, один для обезжиренного молока, а другой для сливок, причем выход сливок расположен ближе к центру.
На скорость отделения сливок в легком центробежном сепараторе влияют те же факторы, что и на гравитационное разделение, но здесь также очень важны скорость движения барабана сепаратора и диаметр диска. Чем выше скорость барабана или больше диаметр дисков, тем больше будет скорость разделения.
Факторы, влияющие на эффективность сливкоотделения
Поскольку удаление жира из молока является основной функцией сепаратора сливок, эффективность процесса, также называемая эффективностью обезжиривания, определяется эффективностью, с которой снижается содержание жира в выходящем обезжиренном молоке. обезжиренное молоко обычно находится в диапазоне 0,01–0,05% в современных машинах. Содержание жира выше 0,06% означает более низкую эффективность разделения. Содержание жира в обезжиренном молоке обратно пропорционально извлечению жира из сливок. Следовательно, эффективность обезжиривания часто определяют как процентное содержание общего жира в цельном молоке, восстановленном в отделенных от него сливках. Для данной жирности цельного молока, чем выше жирность обезжиренного молока, тем ниже эффективность обезжиривания. Факторы, влияющие на эффективность обезжиривания, связаны либо с сепарируемым молоком, либо с сепаратором.
Интенсивное перемешивание молока перед сепарацией, попадание воздуха (или вспенивание) и высокая кислотность молока отрицательно сказываются на эффективности сепарации. Кроме того, если доля более мелких жировых шариков (особенно менее 2 мм в диаметре) больше, эффективность скимминга будет снижаться. Поэтому должно быть очевидно, что гомогенизированное молоко с его очень маленькими глобулами (см. Блок 3) не может быть разделено. Гравитационное или центробежное отделение шариков жира от обезжиренного молока происходит быстрее при более высокой температуре. Таким образом, эффективность обезжиривания увеличивается с повышением температуры молока примерно до 80°C, выше которой повышение вязкости молока снижает эффективность процесса сепарации. В зависимости от расположения сепаратора сливок на линии переработки молока (особенно в отношении пастеризации HTST), температура сепарации обычно колеблется в пределах 35-75°С, оптимальной является 50-55°С (сепарация «теплым молоком»). Тем не менее, сепараторы для холодного молока могут работать при температуре 5-10°C, что дает преимущество в виде меньшего пенообразования, но сопутствующими недостатками являются частичное сбивание жира, засорение чаши и снижение скорости потока (производительности сепаратора).
Регулировка «сливочного винта» для жирных сливок (более 55%) или чрезмерная скорость подачи питательного молока снижают эффективность обезжиривания. Тем не менее, скорость подачи ниже нормальной производительности сепаратора не улучшает эффективность обезжиривания, но может привести к нежелательному включению воздуха. Более высокая скорость барабана обеспечивает более высокую эффективность скимминга, но, поскольку увеличение скорости требует большего подвода энергии, нормальный диапазон 4000-7000 об/мин (иногда около 2000 об/мин), обеспечивающий эффективное разделение, обычно не превышается в конструкции сепаратора. Плохое состояние диска (например, деформированный, грязный или поцарапанный), вибрации сепараторов и дефектные прокладки в секции сливок могут привести к неприемлемой эффективности скимминга. производительность сепаратора.
Факторы, влияющие на выход и жирность сливок
Выход сливок и обезжиренного молока можно определить по следующим формулам:
i) Выход сливок (% от кормового молока) =((fm — fs)/(fc-fs))*100…… (Ур. .1)
ii) Надои обезжиренного молока (% от кормового молока) = ((fc — fm)/(fc — fs))*100…..(уравнение 2),
где
fm = жир в молоке, %
fs = жир в обезжиренном молоке, %
fc = жир в сливках, %.
Можно ожидать, что все те факторы, которые влияют на эффективность обезжиривания, будут влиять и на выход сливок. Условия, ведущие к более высокой эффективности скимминга, дадут лучший выход. Однако содержание жира в сливках, очевидно, является основным фактором, влияющим на выход сливок. Соответственно, регулировка шнека для сливок или шнека для обезжиренного молока имеет решающее значение для выхода сливок.
Положение шнека для сливок, т.е. клапана, расположенного на выпускном отверстии для сливок, регулирует скорость потока выпускаемых сливок. Поворот винта «внутрь» снижает скорость выгрузки сливок, тем самым увеличивая жирность сливок. Регулировка клапана движением «наружу» имеет противоположный эффект. Точно так же манипулирование шнеком обезжиренного молока для уменьшения расхода выходящего обезжиренного молока приведет к уменьшению концентрации жира в сливках и наоборот. Таким образом, изменение положения шнека для сливок или шнека для обезжиренного молока изменяет соотношение сливок и обезжиренного молока; повышенное соотношение снижает жирность сливок, а пониженное повышает.
Кроме того, более низкая температура сепарации и более высокое содержание жира в молоке приводят к увеличению содержания жира в сливках, тогда как увеличение скорости подачи приводит к уменьшению насыщенности сливок, и наоборот.