Принцип действия стерилизатора

Подготовленное для стерилизации молоко предварительно нагревают до 83 ± 2^оС и направляют в деаэратор для удаления из молока не свойственных запахов и привкуса. Из деаэратора молоко температурой 75 ± 2^оС подается в гомогенизатор, в котором гомогенизируется при давлении 22,5 ± 2,5 МПа. Гомогенизированное молоко направляют на стерилизацию. После стерилизации молоко охлаждают до 20^оС и направляют на розлив. 
 
Пищевая ценность молока после стерилизации в потоке (кратковременной) выше, чем после стерилизации в таре (длительной).

При соблюдении режимов стерилизации молоко после обработки имеет  привкус кипячения и ореховый оттенок вкуса, обусловленный образованием сульфгидрильных групп, которые  являются антиокислителями и препятствуют окислению и прогорканию молочного  жира. Цвет молока белый или слегка кремовый. По консистенции стерилизованное  молоко представляет собой однородную жидкость без наличия хлопьев  белка. Допускается незначительный отстой сливок, который растворяется при встряхивании [4].

Ультравысокотемпературная стерилизация молока осуществляется путем  косвенного нагрева в установках поверхностного типа или путем прямого  нагрева в пароконтактных установках. В качестве теплоносителя для  нагревания продукта до температуры  стерилизации применяют водяной  пар или горячую воду. В последнее  время в качестве источника энергии  стали использовать электричество [20].

Косвенный нагрев молока. При косвенном нагреве продукт и греющая среда разделены теплопередающей стенкой. Греющим агентом может быть пар или горячая вода, обеспечивающие нагревание молока до 136-138^оС в течение 12-20 с. Повышение температуры стерилизации ведет к образованию пригара на теплопередающей поверхности, уменьшению питательной ценности продукта и поэтому не рекомендуется.

Косвенный нагрев при ультравысокотемпературной  обработке молока и молочных продуктов  может осуществляться в пластинчатых, трубчатых и роторных (скребковых) теплообменниках.

При косвенном нагреве  исключаются проблемы, возникающие  в связи с высокими требованиями к качеству инжектируемого пара. Этот процесс более простой, надежный, менее энергоемкий, рекуперация  тепла составляет 70-90%.

Однако время работы установок  косвенного нагрева меньше и больше зависит от качества исходного сырья. Оно составляет 6-12 ч с промежуточной  мойкой [7].

Основная трудность, возникающая  при использовании косвенных  систем, особенно с пластинчатыми  теплообменниками, заключается в  пригарообразовании в секциях предварительного нагрева и стерилизации. Эти отложения  образуются из смесей, денатурированных при нагревании белков и солей, и  могут снизить время непрерывной  работы до 4 ч и менее между  мойками [21].

Прямой нагрев молока. При прямом нагреве продукт и греющая среда находятся в прямом контакте, т е. смешиваются. Нагрев продукта осуществляется паром двумя способами; либо инжекцией пара в молоко, либо введением молоки в пар. В первом случае пар под большим давлением вводится в молоко, нагревая его при этом до 140—150^оС в течение долей секунды (уперизация). Во втором случае молоко инжектируется в атмосферу пара в виде капель, струй или пленки (вакреация).

Качество продукта, стерилизованного путем прямого нагрева, во многом зависит от качества вводимого пара. Он должен быть сухим, насыщенным, без  посторонних примесей и запахов, полученным из питьевой воды в специальных  парогенераторах («кулинарный» пар).

Основным преимуществом  прямого нагрева перед косвенным  является практически мгновенное нагревание всей массы продукта без теплопередающей  поверхности, что позволяет обрабатывать более вязкие продукты использовать молоко более низкой термоустойчивости  и работать в течение более  длительного времени без промежуточной  мойки (при сырье высокого качества до 15- 20 ч).

В то же время прямой нагрев имеет ряд существенных недостатков: высокая энергоемкость и стоимость, низкий коэффициент рекуперации  тепла (40-50%), повышенные требования к  чистоте пара, вводимого в продукт, и сложность регулирования процесса удаления конденсата на стадии охлаждения продукта в вакуум камере [18; 19; 21].

Пороки, вызванные  тепловой обработкой. В процессе тепловой обработки (пастеризация, стерилизация, сгущение и сушка) углеводы, липиды и аминокислоты молока и сливок подвергаются глубоким изменениям с образованием многочисленных соединений, обладающих специфическими вкусом и запахом. В процессе хранения молочных продуктов изменения составных частей молока могут продолжаться, а продукты распада при взаимодействии между собой образуют новые компоненты, ухудшающие их вкус и запах.

Длительная выдержка или  высокая температура обработки (от 130 до 150єС) могут вызвать появление  в молоке (и сливках) более резкого  привкуса – привкуса перепастеризации, не исчезающего при хранении. К  соединениям, ответственным за образование  привкуса перепастеризации, помимо сульфгидрильных  относятся диацетил, лактоны, метилкетоны, мальтол, ванилин, бензальдегид и ацетофенон [1; 6].

Таким образом, преимущество в технологическом смысле сохраняется  за контактной стерилизацией молока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. АНАЛИЗ АППАРАТОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ВЫБРАННОГО ПРОЦЕССА

 
4.1 Классификация оборудования.

В молочной отрасли это  оборудование можно разделить на две основные группы: для стерилизации молока в таре и стерилизации молока в потоке.

К первой группе относят  аппараты периодического действия (автоклавы), полунепрерывного (стерилизаторы туннельного  типа) и непрерывною (гидростатические стерилизаторы) действия.

Вторая группа также представлена аппаратами двух типов: поверхностного (пластинчатые, трубчатые и др.) и  пароконтактные с нагревателями  инфузионного («молоко в пар») и  инжекционного («пар в молоко»). Основным недостатком аппаратов для стерилизации молока в таре является медленный  и неравномерный прогрев продукта до температуры стерилизации. Этого  недостатка лишены аппараты для стерилизации молока в потоке [9; 10].

Оборудование  поверхностного типа. Схема пластинчатой стерилизационно-охладительной установки поверхностного типа приведена на рисунке 1, а. Молоко из уравнительного бака центробежным насосом подается в первую секцию регенерации, а затем во вторую. В последней молоко нагревается до температуры гомогенизации и поступает в гомогенизатор. После него молоко направляют в секцию стерилизации, где оно нагревается паром до температуры стерилизации. Охлаждение молока осуществляется последовательно путем передачи теплоты сырому молоку в первой, второй и третьей секциях регенерации. Окончательное охлаждение молока происходит в охладителе. Часовая производительность пластинчатых стерилизационно-охладительных установок составляет от 500 до 10 000 л и более.

В трубчатой стерилизационно-охладительной  установке (рисунок 1, б) молоко из бака подается насосом через первую секцию регенерации в гомогенизатор. Гомогенизированное молоко, проходя вторую секцию регенерации, поступает в секцию стерилизации, где стерилизуется и поступает в выдерживатель. Затем проходит вторую и первую секции регенерации, в которых отдает теплоту холодному молоку. Окончательно стерилизованное молоко охлаждается в секции установки [15; 16]. 
 
 
Рисунок 1 – Схемы стерилизационно-охладительных установок поверхностного типа: 
а – пластинчатая установка: 1 — уравнительный бак; 2 — насос; 3 — предохранительный клапан. 4 — гомогенизатор; 5 — регулятор температуры стерилизации; 6 - возвратный клапан; 7 — секция стерилизации, 8-10 — секции регенерации; 11 — кран, 12 — охладители, б — трубчатая установка: 1 — уравнительный бак; 2, 4 — секции регенерации; 3 – гомогенизатор, 5 — секция стерилизации; 6 — паровой вентиль; 7— регулятор температуры; 8 — выдерживатель; 9 — охладитель; 10 — кран, 11 — насос

 
Пароконтактные  нагреватели. Пароконтактнаястерилизационной установка с нагревателем инжекционного типа (рисунок 2, а) работает следующим образом. Молоко из бака подается в первый подогреватель, а затем во второй. Во втором подогревателе оно подогревается паром из котельной, а в первом — вторичным паром, поступающим из первого подогревателя. Затем насосом высокого давления молоко перекачивается в пароконтактный нагреватель, где нагревается до температуры стерилизации и направляется в вакуумную камеру (дезодоратор).

Пароконтактный нагреватель  инжекционного типа («пар в молоко») представляет собой закрытый канал, по которому движется нагреваемое молоко. В поток молока через специальные  отверстия поступает водяной  насыщенный пар. Объемом пара и его  температурой определяется степень  нагрева молока. По конструкции такие  нагреватели могут быть различными: с двумя кон-центрическими кольцевыми щелями, через которые под давлением выходят в расширяющую часть конуса молоко и пар; с двумя коаксиально расположенными трубами, в одной из которых (центральной, перфорированной отверстиями малого диаметра) движется молоко, а пар вводится в кольцевое пространство между перфорированной трубой и цилиндрическим корпусом; с загрузкой потоков молока и др. [14].

 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2 – Схема пароконтактных стерилизационных установок с нагревателем: 
а — инжекционного типа: 1 — уравнительный бак; 2 — конденсатор; 3 — вакуум-камера; 4 - пароконтактный нагреватель; 5 — регулятор температуры стерилизации; 6 — регулятор уровня; 7—охладитель; 8 — асептический гомогенизатор; 9 — насос высокого давления; 10 — асептический насос, 11 — регулятор соотношений; 12, 13 — подогреватели; 14 — насос; б — инфузийного типа: 1 — уравнительный бак; 2 — регулятор температуры стерилизации; 3 — пароконтактный нагреватель; 4 — вакуум-камера; 5 — охладитель; 6 — асептический гомогенизатор; 7— асептический насос; 8 - насос высокого давления; 9 — регулятор соотношений; 10, 11 — подогреватели; 12 — насос для конденсата; 13 — наcoc для молока.

 

В вакуумной камере при  пониженном давлении молоко вскипает. При этом оно охлаждается и  испаряется влага, попавшая в него при  конденсации пара. Стерилизованное  молоко откачивается из вакуум-камеры асептическим насосом к асептическому  гомогенизатору. Гомогенизированное стерилизованное  молоко охлаждается в охладителе. Соотношение сухих веществ в  исходном и стерилизованном молоке контролируется регулятором соотношения.

В пароконтактной установке  с нагревателем инфузийного типа (рисунок 2, б) молоко стерилизуют следующим  образом. Сырое молоко из бака подается насосом в первый, а затем во второй подогреватель. В первом подогревателе  молоко подогревается вторичным  паром и паром, поступающим из второго подогревателя, в который  он поступает из котельной. Молоко после  подогрева насосом высокого давления подается в пароконтактный подогреватель  – вертикальную цилиндрическую камеру, в которой разбрызгивается в  среде греющего пара. Стерилизованное  молоко из пароконтактного нагревателя  поступает в вакуум-камеру, вскипает, охлаждается в условиях пониженного  давления и из него удаляется избыток  сконденсированной влаги. Соотношение  сухих веществ и влаги в  сыром стерилизованном молоке поддерживает специальный регулятор. Молоко из вакуум-камеры подается асептическим насосом в  асептический гомогенизатор. Гомогенизированное стерилизованное молоко охлаждается  в охладителе и направляется на фасование  и упаковывание [4; 16].

 

 

4.2 Анализ аппаратов для стерилизации молока

Для анализа и сравнения  взяты стерилизационные аппараты поверхностного типа по следующим причинам. В сравнении  с установками контактного типа, поверхностные стерилизаторы имеют  меньшую энергоемкость и стоимость, отличаются высокими значениями коэффициента рекуперации тепла (т.е. когда тепло  эффективнее забирается из удаляемого воздуха и передается свежему  нагнетаемому) и не имеют высоких  требований к качеству пара.

В курсовой работе проведем расчет стерилизационных установок  П8-ОСО-5, СОУ-10 и ПМР-02-ВТ по формулам [11]. При расчете определим техническую  производительность, удельную энергоемкость  и габаритность. 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ.

7.1.Расчёт стерилизатора  П8-ОСО-5.

 
Техническую производительность рассчитаем по формуле (1): 
 (1) 
где W_П – паспортная производительность, л/ч;

 τ – коэффициент использования рабочего времени (?=0,7). 
 
Удельную энергоемкость рассчитаем по формуле (2): 
 (2) 
где N – установленная мощность, кВт; W_Т - техническая производительность, л/ч. 
 
Габаритность рассчитаем по формуле (3): 
 ₍₃₎ 
где L, B, H –длинна, ширина и высота аппарата, м; W_Т – техническая производительность, л/ч. 

1. Расчет стерилизатора ПМР-02-ВТ

Техническую производительность рассчитаем по формуле (1):

 (1)

где W_П – паспортная производительность, л/ч; ? – коэффициент использования рабочего времени (?=0,7).

Удельную энергоемкость  рассчитаем по формуле (2):

 (2)

где N – установленная  мощность, кВт; W_Т - техническая производительность, л/ч. 
 
Габаритность рассчитаем по формуле (3): 
 ₍₃₎ 
где L, B, H –длинна, ширина и высота аппарата, м; W_Т – техническая производительность, л/ч. 
Для расчета установки использована информация [24].

Расчет стерилизаторов показал, что лучшими значениями технической  производительности характеризуются  установки П8-ОСО-5 и СОУ-5, удельная энергоемкость имеет наименьшее значение у стерилизатора П8-ОСО-5, а габаритность, в свою очередь  – у аппарата ПМР-02-ВТ. Сравнительные  диаграммы представлены в приложении.

По совокупности рассчитанных технических  характеристик сепараторов можно  заключить, что лучшим является сепаратор  П8-ОСО-5, рассмотрению которого посвящена  глава «Описание выбранного аппарата». 
 
1. Тепловой расчет