WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

«РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОТОЧНОЙ ВАКУУМКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛАКТОЗЫ В СГУЩЕННЫХ ЛАКТОЗОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТАХ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

(ФГБОУ ВПО КемТИПП)

На правах рукописи

КИРСАНОВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОТОЧНОЙ ВАКУУМКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛАКТОЗЫ В СГУЩЕННЫХ

ЛАКТОЗОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТАХ

Специальность 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук А.Г.Галстян КЕМЕРОВО

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение.

Общая характеристика работы

1 Анализ состояния проблемы Основы теории кристаллообразования 1.1 Физико-химические свойства лактозы 1.2 Способы кристаллизации лактозы при производстве лактозосодержащих продуктов и их аппаратурное оформление Кристаллизация лактозы при производстве сгущённых молочных консервов с сахаром Кристаллизация лактозы при производстве сухой 1.3. молочной сыворотки Кристаллизация лактозы при производстве молочного сахара.

1.3. 2 Методология исследований Структура, организация, объекты и схема исследований 2.1 Методы исследований, приборное обеспечение 2.2 Стандартизованные экспериментальные методы 2.2. Общепринятые и оригинальные экспериментальные методы 2.2.2 Методы математического моделирования и статистической 2. обработки экспериментальных данных 3 Исследования гидродинамических и теплообменных процессов распыливания лактозосодержащих продуктов Теоретические исследования истечения лактозосодержащего 3. продукта в вакуум-камеру 3.1.1 Исследование гидродинамических параметров распыливания перегретого лактозосодержащего продукта в вакуум-камере 3.1.2 Исследования процессов тепломассообмена при впрыскивании лактозосодержащего продукта в вакуум-камеру Экспериментальные исследования гидродинамических параметров распыливания лактозосодержащего продукта в вакуум-камере 3.





2.1 Определение угла раскрытия факела 3.2.2 Определение плотности орошения 4 Аналитическое обоснование возможности поточного процесса кристаллизации лактозы при распыливании в вакуум-камере сгущённого молока с сахаром Теплофизические характеристики анализируемых систем 4.1 Кристаллизация лактозы в сгущённом молоке с сахаром 4.2 5 Разработка технологии поточной кристаллизации лактозы при распыливании сгущенного молока с сахаром в вакуум-камере Экспериментальная установка для проведения исследований 5. процесса поточной вакуум-кристаллизации лактозы в лактозосодержащих продуктах Исследование процесса кристаллизации лактозы при распыливании молока цельного сгущённого с сахаром в вакуум- камере 5.2.1 Разработка опытно-промышленного образца поточного вакуум-кристаллизатора 5.2.2 Исследование качественных характеристик готовой продукции Технология продуктов молокосодержащих сгущенных с сахаром

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Одной из приоритетных государственных целей в рамках комплексных мероприятий, направленных на обеспечение стратегической безопасности страны, является обеспечение населения страны высококачественными и безопасными продуктами питания. Соответственно актуализируются задачи создания новых высокоэффективных технологий производства и разработки системных подходов к формированию условий своевременной модернизации существующих производственных мощностей путем направленного развития нормативно-технической базы и обеспечения финансово-правовой поддержки соответствующих отраслей пищевой промышленности.

С учетом территориальных особенностей России особую важность приобретает задача рационализации технологии сгущенных и сухих молочных и молокосодержащих консервов, как высокопитательных продуктов с длительными сроками годности. Одним из приоритетных направлений исследований в рамках технологий консервированных продуктов на молочной основе по праву считается процесс кристаллизации лактозы. На сегодняшний день при производстве сгущенных молочных (молокосодержащих, молочных составных) продуктов с сахаром наиболее распространен периодический способ кристаллизации лактозы, предполагающий использование вакуум-кристаллизаторов периодического действия с применением затравочного материала в виде мелкокристаллической сухой лактозы или её суспензии. А при производстве сухих продуктов – либо отсутствует, либо представлен аналогичным оборудованием.

Соответственно эффективность процесса напрямую зависит от соблюдения температурных режимов, концентрационных особенностей системы, качества затравочного материала, а его аппаратурное оформление предполагает наличие больших площадей, высокую энергоемкость, наличие сложных инженерных систем с обязательным наличием котельной при производстве. Продолжительность процесса в классических технологиях составляет от 40 минут до 1,5 часов и более.

Становлению современных промышленных технологий и развитию теоретических представлений о процессе кристаллизации лактозы способствовали работы А.Г. Храмцова, А.И. Гнездиловой, А.Н. Фиалкова, В.В.Страхова, В.Д.





Харитонова, Е.А. Фиалковой, И.А. Евдокимова, И.А. Радаевой, К.К.Полянского, Л.В. Голубевой, Л.В. Чекулаевой, Н.М. Чекулаева, Н.Н. Липатова, С.Ф. Кивенко и др. Однако большинство работ посвящены молочным консервам, вырабатываемым из традиционного молочного сырья, и практически отсутствуют исследования, направленные на повышение качества молокосодержащих консервов с сахаром.

Априори существенно оптимизировать процесс кристаллизации с позиции сокращения длительности, уменьшения площадей, повышения энергоэффективности позволит конструктивная модернизация оборудования путем осуществления мелкодисперсного распыла продукта в вакуум-камере, повышения интенсивности процесса охлаждения и создания поточности линии.

Следовательно, исследования в данной области актуальны.

Работа выполнялась в период 2011-2014 г.г. в ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО КемТИПП) и ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Россельхозакадемии (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии)в рамках бюджетных и хоздоговорных тематик.

Цель работы и задачи исследований.

Целью работы является повышение качественных характеристик концентрированных консервов на молочной основе и повышение эффективности их технологий путем совершенствования процесса кристаллизации лактозы.

Для достижения указанной цели были сформулированы и последовательно реализованы следующие задачи:

- провести теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических и теплообменных процессов распыливания лактозосодержащих продуктов в вакуум-камере;

- дать теоретическое обоснование возможности поточного процесса кристаллизации лактозы при распыливании в вакуум-камере сгущенных молочных продуктов на молочной основе;

- теоретически и экспериментально исследовать потенциал процесса предварительной кристаллизации лактозы в поточном вакуум-кристаллизаторе применительно к технологиям продуктов с промежуточной и низкой влажностью на молочной основе;

- исследовать влияние ряда технологических параметров: температуры продукта, интенсивности гидродинамического воздействия и величины разрежения на кинетику массовой кристаллизации лактозы;

- разработать технологию сгущенных молокосодержащих продуктов с сахаром с интегрированным процессом поточной вакуум-кристаллизации лактозы и исследовать качественные характеристики продукции в хранении;

- разработать техническую документацию и провести промышленную апробацию предложенного способа интенсификации процесса кристаллизации лактозы в производственных условиях.

Рабочая гипотеза заключается в возможности интенсификации процесса кристаллизации лактозы путем мелкодисперсного распыливания перегретого лактозосодержащего продукта в вакуум-камере, сопровождающегося почти мгновенным охлаждением и интенсивным гидродинамическим на него воздействием, приводящим к образованию кристаллов лактозы со средним размером не более 7-9 мкм в динамике хранения в течение 12 месяцев.

Научная новизна состоит в том, что впервые:

- дано теоретическое обоснование возможности поточного процесса кристаллизации лактозы при распыливании в вакуум-камере перегретых лактозосодержащих продуктов;

- проведены теоретические исследования процессов тепломассообмена и гидродинамических параметров распыливания при впрыскивании лактозосодержащего продукта в вакуум-камеру;

- получены экспериментальные данные зависимости плотности орошения и угла раскрытия факела от параметров распыливания модельного лактозосодержащего продукта в вакуум-камере;

- определена кинетика кристаллизации лактозы в сгущённом молоке с сахаром и проведён количественный анализ перехода лактозы в кристаллическое состояние при распыливании продукта в вакуум-камере;

- исследовано влияние температуры, интенсивности гидродинамического воздействия и разрежения на кинетику и скорость массовой кристаллизации лактозы при распыливании моделей-аналогов сгущённых лактозосодержащих продуктов.

Практическая значимость работы - на основе теоретических и экспериментальных исследований разработан способ поточной вакуум-кристаллизации лактозы в лактозосодержащих продуктах;

- разработаны и реализованы технологические схемы и аппаратурное оформление для поточной кристаллизации лактозы при распыливании сгущенного молока с сахаром и сгущенной молочной сыворотки в вакууме;

- разработан комплект технологической инструкции и проведена промышленная апробация способа (положительные результаты внедрения).

Основные положения, выносимые на защиту:

- новые закономерности кинетики кристаллизации лактозы в лактозосодержащих продуктах при их распыливании в вакуум-камере;

- аналитические исследования процессов тепломассообмена и гидродинамических параметров распыливания при впрыскивании лактозосодержащего продукта в вакуум-камеру;

- технологические режимы процессов поточной вакуум-кристаллизации лактозы при распыливании сгущённого молока с сахаром и сгущённой молочной сыворотки в вакуум-камере;

- новый фактический материал по формированию/кинетике качественных показателей сгущенных молочных продуктов с сахаром.

Апробация работы Результаты работы доложены и обсуждены на конференциях и семинарах различного уровня: Международная научно-техническая конференция «Современные достижения биотехнологии» в секциях «Феномен молочной сыворотки. Синтез науки, практики и инноваций» и «Прикладная биотехнология», Ставрополь – 2011 Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых КемТИПП «Пищевые продукты и здоровье человека», Кемерово, 2012; Всероссийская научно-практическая конференция «Новые технологии и оборудование – основа успеха работы молочной промышленности в условиях ВТО», Адлер, 2012; Международная научно-техническая конференция «Производство продуктов для здоровья человека – как составная часть науки о жизни», Воронеж, 2012; Х Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2012; Международная научно-техническая конференция «Производство продуктов для здоровья человека – как составная часть науки о жизни», Воронеж, 2012; VI Международная научно-практическая конференция, Саратов,2012; Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы повышения конкурентоспособности продовольственного сырья и пищевых продуктов в условиях ВТО», Углич, 2013 г. и др. Результаты работы неоднократно номинировались (см. Приложение 1) Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 в печатных изданиях, рекомендованных ВАК, получено2 патента РФ (см. Приложение 2).

Структура и объем работы. Структура диссертации состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Основной текст изложен на 110 страницах машинописного текста, содержит: 37 таблиц, 29 рисунков. Список литературы включает 140 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Основы теории кристаллообразования Кристаллизация – массообменный процесс, при котором происходит выделение твердой фазы из растворов, расплавов или паров. Необходимым условием протекания процесса является его пересыщение. Степень пересыщения увеличивается с повышением концентрации растворенного вещества, с понижением температуры раствора, с добавлением в раствор веществ, связывающих растворитель или уменьшающих растворимость [28,30,31,37,87,110].

Различают изотермическую кристаллизацию (при постоянной температуре кипения), изогидрическую (при постоянстве количества растворителя) и изотермически-изогидрическую (когда убыль растворителя компенсируется внешней подпиткой раствора). Эта терминология условна, так как в действительности в кристаллизующейся массе наблюдаются нерегулируемые поля [94,95,100,107,119].

У истоков теоретических изысканий в области кристаллообразования стоит термодинамическая теория фазообразования, предложенная одновременно Д. Гиббсом и П. Кюри [26,54,55]. Основываясь на предположении о наличии связи между формой кристалла и поверхностной энергией его граней, эта теория выносит два основных постулата: 1) форма кристалла определяется наименьшим значением поверхностной энергии; 2) рост кристалла происходит в связи с образованием новых плоскостей кристаллизации вследствие образования двумерных зародышей [67,70].

Дальнейшее развитие термодинамической теории осуществлено работами Ю. Вульфа [23]. Выдвинутые им положения сформулированы в принципе Гиббса-Кюри-Вульфа, гласящем, что скорость роста грани кристалла пропорциональна ее поверхностной энергии [99,126]. При этом, прилагая правило А. Браве об обратной пропорциональности поверхностной энергии и ретикулярной плотности граней кристалла, Ю. Вульф пришел к выводу, что на поверхности кристалла в процессе его роста остаются только грани, обладающие предельной ретикулярной плотностью[120].

В дальнейшем, экспериментально исследуя рост кристаллов ртути, М. Фольмер [85,124,128] сделал вывод о существовании адсорбционного слоя, расположенного на границе раздела фаз. В процессе отложения на поверхности кристаллизирующегося вещества, частицы этого слоя, теряют часть своей энергии, но сохраняют способность перехода в кристаллическую решетку.

Именно эта скорость перехода частиц из адсорбционного слоя в кристаллическую решетку определяет быстроту роста кристалла. При этом, в процессе движения по поверхности кристаллизирующегося вещества, частицы соударяясь между собой, создадут двухмерные зародыши, которые увеличиваясь, образуют новый кристаллический слой. Таким образом, процесс образования двухмерных зародышей определяет рост кристалла в целом. Следует отметить, что уравнения скорости роста кристаллов, полученные М. Фольмером, согласуются с экспериментом лишь при малых движущих силах раствора.

Термодинамические теории не применимы в условиях, когда рост кристаллов не происходит путём послойного разрастания граней. В этом случае для понимания механизмов кристаллообразования целесообразно обратиться к молекулярно-кинетической теории, которая изложена в работах И. Странского [72] и Р. Каишева [77], В. Косселя [121,122]. В основу теории авторы положили принцип минимума свободной энергии, которая учитывает энергию присоединения/отрыва единичных элементарных масс, распределенных в различных положениях на поверхности кристалла.

Из работ В. Косселя[123] по изучению роста идеальных кристаллов, следует, что процесс роста кристалла напрямую связан с периодом образования нового плоского зародыша, и является, таким образом, прерывистым процессом. Помимо этого работы В. Косселя указывают на то, что для гомеополярного кристалла наиболее вероятен рост с середины грани, а для гетерополярного – с области ребер и углов. Основываясь на положениях работы В.

Косселя, С. Рогинский [67] установил, что прямо пропорциональная зависимость скорости роста кристалла от его размера справедлива только для гомеополярного кристалла. Это нашло свое экспериментальное подтверждение в работах А. Шестова и К. Полянского [63,64,95].

Недостатком теории молекулярно-кинетической теории является то, что не учитывается влияние параметров среды и предполагается, что рост кристаллов происходит при очень высоком пресыщении. Кроме того, она не может дать объяснение результатам работ, в которых толщина слоев достигает несколько сотых долей миллиметра, т.е. превышает в несколько тысяч раз толщину одного слоя [128,131].

Теория послойного роста кристаллов, предложенная М. Фольмером, способствовала развитию не только молекулярно-кинетической, но и дислокационной теории [139]. Основываясь на наличии неуничтожимых кромок роста в области дефектов реальных кристаллов она предполагает наличие избыточной энергии в этой области, образующейся в результате энергий искаженных и оборванных связей в центре дислокации и упругих напряжений вокруг дислокации. Изучению этой теории посвящены работы О.Козловой, Н.Альбона и В.Даннинга [134,137,138].

Диффузионные теории роста, появившиеся почти одновременно с термодинамическими предполагают, что грани различного типа имеют различную толщину диффузионного слоя, соответственно и различную растворимость, что и определяет различную скорость роста граней кристалла [81,82,83,118]. В последующем диффузионная теория была скорректирована принятием гипотезы о большей концентрации раствора у поверхности растущего кристалла, по сравнению концентрацией насыщения, которая различна у каждой грани и определяется коэффициентом скорости кристаллизации. Выдвинутая теория была экспериментально подтверждена Р. Марком и Х. Майерсом [28,125].

В дальнейшем, процесс кристаллизации в соответствии с диффузионной теорией был разбит на два этапа: диффузия молекул из глубины раствора к поверхности и отложение кристаллизирующегося вещества. Каждый из выделенных этапов зависит от разницы концентрации. Экспериментальные исследования по отношению к растворам лактозы подтверждают основные положения диффузионной теории роста кристаллов [12,13,28,38,84].

Работы К. Полянского и А. Шестова показывают, что особенностью роста кристаллов лактозы является реакция мутаротации [64]. Наличие которой, в совокупности с процессами дегидратации, адсорбции и поверхностной диффузии оценивается коэффициентом поверхностной диффузии и определяет кристаллохимическую реакцию как ведущий этап в процессе роста кристаллов.

Согласно исследованиям А. Гнездиловой и В. Перелыгина кристаллохимическую стадию следует рассматривать как двухстадийный процесс, который включает диффузию молекул и их встраивание в кристаллическую решетку. Кроме того авторы глубоко исследовали процесс зародышеобразования как в чистых пересыщенных водных растворах лактозы и сахарозы, так и в присутствии примесей. На основе разработанной модели был раскрыт механизм влияния различных факторов на процесс зародышеобразования [28]. Согласно изложенной модели регулируя процессы зародышеобразования и роста кристаллов, можно получить необходимые целевые размеры кристаллов.

1.2 Физико-химические свойства лактозы Главный углевод молока – лактоза – присутствует в молоке всех видов млекопитающих. Концентрация лактозы может колебаться от 2 до 8,5%, в зависимости от вида млекопитающего. Коровье молоко содержит приблизительно 4,5%, а женское молоко от 6 до 7% лактозы [75,88].

Данный продукт является единственным низкомолекулярным углеводом животного происхождения и одним из трех основных компонентов молока. Получение лактозы возможно из любого лактозосодержащего сырья. На практике ее традиционно получают из молочной сыворотки, которая является нормальным побочным продуктом при производстве сыров, творога и казеина, что реализует концепцию безотходного основного производства [16,21,25,27].

Лактоза, являясь основным олигосахаридом молока, относится к восстанавливающим дисахаридам (С12Н22О11), состоящим из молекул Dглюкозы и D-галактозы, связанным 1-4 гликозидной связью [25,65]. Молекула лактозы содержит 12 связанных атомов углерода, 22 атома водорода, 9 гидроксильных групп, одну эфирную и одну карбонильную группу.

Молекулы лактозы находятся в молоке в молекулярно-дисперсной форме, образуя истинный раствор. Известны три изомерные формы лактозы: гидрат, -ангидрид и -ангидрид [69,70].

Очищенная лактоза — бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде, пиридине, горячей уксусной кислоте. В диэтиловом эфире и этаноле лактоза не растворима [25,58,69].

Растворимость лактозы зависит от температуры, природы растворителя и присутствия солей. Она увеличивается с увеличением концентрации хлоридов, бромидов или нитратов кальция, с которыми лактоза образует чрезвычайно устойчивые соединения. В работе Гнездиловой А.И. изучено влияние хлоридов калия и натрия на растворимость лактозы [28].

По сравнению с сахарозой лактоза в 5 раз менее сладкая и хуже растворима в воде – в 100 см3 воды при 25С растворяется 21,6 г и 139 г – при 89С.

Растворимость -лактозы выше, чем -лактозы.

Из пересыщенных растворов лактоза кристаллизуется, коэффициент перенасыщения при (17-25) °С равен 1,11. Она обладает выраженным свойством образования перенасыщенных растворов и при охлаждении может перейти через криогидратную точку, не вызвав кристаллизации. Однако возможно образование аморфной формы лактозы. Механическое воздействие ускоряет кристаллизацию. Скорость образования и дисперсность кристаллов находятся в прямой зависимости от интенсивности механического воздействия [25,69,70,103].

С увеличением концентрации раствора лактозы повышается электропроводность и снижается температура замерзания. Плотность кристаллической лактозы - 1543 кг/м3; коэффициент кубического расширения составляет 0, на 1 °С при температуре от 0 до 100 °С. Плотность растворов лактозы не является прямолинейной функцией концентрации [69,70].

При температуре ниже 93С лактоза выделяется с одной молекулой кристаллизационной воды в -гидратной форме, при температуре выше 93°С – в безводной -форме. Получаемый из молочной сыворотки молочный сахар представляет собой -гидратную форму лактозы [70,88,89].

Температура плавления -гидратной формы равна 202С, плотность — 1545,3 кг/м3. При нагревании кристаллов -гидратной формы до 130°С происходит потеря кристаллизационной воды и образование безводной -лактозы.

При нагревании до температуры выше 160С кристаллы лактозы вследствие карамелизации окрашиваются в коричневый цвет [24,25,30,65].

Нагревание растворов лактозы в присутствии аммиака и аминов вызывает ее легкое побурение, что объясняется образованием в результате реакции Майяра веществ темного цвета с явно выраженным привкусом карамели — меланоидинов [24,31,66,106,111].

Лактоза под действием растворов сильных щелочей и кислот подвергается гидролизу. Сначала в результате разрыва гликозидной связи образуются моносахариды. Затем моносахариды превращаются в щелочной среде в изосахариновые кислоты, в кислой — в оксиметилфурфурол [69,70].

Гидролиз лактозы может быть осуществлен ферментативным путем — с помощью лактазы, получаемой из дрожжей и микроскопических грибов.

Ферментативный гидролиз и глубокий распад (брожение) лактозы происходят в молоке и сыворотке под воздействием ферментов дрожжей, молочнокислых и других бактерий. При брожении лактоза распадается на разнообразные соединения: кислоты, спирты, эфиры, газы и пр. В зависимости от образующихся продуктов различают молочнокислое, спиртовое, маслянокислое и другие виды брожения [75,106,109,124].

Физические свойства основных форм лактозы, характеризуемые различными константами, приведены в таблице 1.1 [25].

Таблица 1.1 – Основные физические свойства изомеров лактозы Вт/(мК) 1.3 Способы кристаллизации лактозы при производстве лактозосодержащих продуктов и их аппаратурное оформление 1.3.1 Кристаллизация лактозы при производстве сгущённых молочных консервов с сахаром Последовательность основных технологических процессов при выработке традиционных сгущенных молочных и молокосодержащих консервов с сахаром: приемка молочного сырья, очистка, хранение молочного сырья, нормализация основных частей молока, пастеризация, приготовление и внесение сахарного сиропа, сгущение, охлаждение и кристаллизация, стандартизация готового продукта, упаковка и маркирование, хранение [24,32,33,41,47,48,49].

Процесс кристаллизации необходим не только для охлаждения продукта до относительно низких температур, но и для исключения порока сгущенного молока с сахаром – песчанистости, который возникает вследствие неконтролируемого роста кристаллов лактозы. При содержании в готовом продукте влаги не выше 26,5% и при комнатной температуре 15-17°С молочный сахар находится в пересыщенном состоянии и кристаллы лактозы выпадают в осадок.

Действующим стандартами консистенция молочных консервов оценивается в том числе по размерам кристаллов лактозы [57,61,65,66]. Для характеристики качества молока сгущенного с сахаром по консистенции существует шкала размеров кристаллов лактозы по группам. Количественная оценка кристаллизации молочных консервов осуществляется путем расчета среднего линейного размера кристалла, коэффициента однородности, а также путем определения числа кристаллов в 1 мм3 продукта [25,66,91].

Для предотвращения физических пороков и получения продукта однородной консистенции необходимо, чтобы в результате процесса кристаллизации, размер кристаллов лактозы не превышал 10 мкм. Как известно, конечный размер кристаллов лактозы определяют: скорость зародышеобразования и роста кристаллов, которая зависит от степени пересыщения раствора, интенсивности перемешивания, температуры и наличия затравки. Внесение затравки в период массовой кристаллизации обеспечивает одномоментное зарождение максимального числа кристаллических зародышей и ведет к образованию более мелких кристаллов [25,90-92].

Для охлаждения сгущенной смеси используют вакуум-охладители.

Продукт охлаждается до температуры (20±2)°С при постоянном перемешивании в течение 40 - 60 минут, при разрежении не менее 700 мм рт.ст.

(931·102Па) в начале процесса и 730 - 750 мм рт.ст. (от 970·102Па до 997·102Па) в конце процесса [90].

В практике молочно-консервного производства на этапе кристаллизации в сгущенную смесь вносят затравку (центры кристаллизации), из расчета 0,02 % массы продукта 78,79. Как показывают исследования наиболее эффективно в качестве затравки использовать микрокристаллическую лактозу (размер кристаллов до 4 мкм) 25,76, для получения которой порошок лактозы просеивают через сито № 0075 и прокаливают в сушильном шкафу при температуре (103±2)°С в течение часа, охлаждают и хранят не более 24 ч при относительной влажности воздуха не более 60% [91].

В качестве затравки так же могут использоваться: мелкокристаллический рафинированный молочный сахар, специальные препараты лактозы, пересыщенные растворы лактозы с зародышами кристаллов, водорастворимые высокомолекулярные органические вещества в кристаллическом состоянии в смеси с лактозой и др. [89,91].

Момент внесения затравки должен соответствовать температуре усиленной кристаллизации, которую определяют с помощью графика Гудзона, используя данные о массовой доле лактозы в водном растворе молока цельного сгущенного с сахаром 33,74.

Для определения размера кристаллов микроскопическим методом используют окулярную линейку, цену деления которого при взятом увеличении устанавливают объект-микрометром [25,57,91].

Несмотря на большое разнообразие конструкций кристаллизаторов [1лишь немногие применяются в молочно-консервной промышленности. Наиболее распространенным и дающим гарантированный результат является вакуум-кристаллизатор (рис. 1.1) [25,73,91,92].

14-привод мешалки,15-мешалка, 16-люк,17-смотровое окно,18-сливной бак, 19-подсветка.

Рис.1.1 Вакуум-кристаллизатор вертикального типа Он предназначен для одновременного охлаждения и кристаллизации лактозы в сгущенных молочных продуктах и представляет собой вертикальную толстостенную емкость с рубашкой или без, подвешиваемый на лапах или устанавливаемый на опорах. Емкость снабжена лопастной мешалкой и снабжена устройствами для создания разряжения – водно-кольцевыми или пароструйными насосами и конденсаторами. Охлаждение производится, в основном, за счет испарения влаги. Процесс зарождения большого количества кристаллов лактозы интенсифицируется скоростным охлаждением, кипением продукта под вакуумом, перемешиванием и внесением затравки – мелкокристаллической лактозы. Данный аппарат зарекомендовал себя в течение нескольких десятков лет, так как хорошо справляется с задачей получения мелких кристаллов лактозы как в сгущенных молочных продуктах, так и в молокосодержащих. Общее время пребывания продукта в нем, считая время охлаждения и кристаллизации, доходит до 2,5 часов и более. Основными недостатками являются громоздкость, высокая потребность в энергоносителях и коммуникациях (пар, оборотная вода и др.), что ограничивает его применение на небольших или неспециализированных предприятиях [73,92].

Следует учитывать, что в процессе охлаждения в вакуум-охладителях дополнительно выпаривается 2-4 % влаги. При снижении температуры продукта на 1°С теряется 0,088% влаги [47,65,91]. Рекомендуется вносить затравку через нижний патрубок. Конкретную температуру усиленной кристаллизации определяют на основании ряда опытных выработок. Температуру усиленной кристаллизации необходимо уточнять не реже 1 раза в месяц [65,91,97].

1.3.2 Кристаллизация лактозы при производстве сухой молочной сыворотки Во всем мире наблюдается тенденция к увеличению объемов производства сухой молочной сыворотки [88,125,132,140]. Международная молочная федерация считает сушку сыворотки наиболее целесообразным направлением ее переработки [74]. Сушка молочной сыворотки дает возможность наиболее полно использовать все основные компоненты молока, а при условии герметичной упаковки сроки хранения сухой молочной сыворотки могут превышать 12 месяцев [69,96].

Основными производственными способами сушки молочной сыворотки являются распылительный и пленочный, которые имеют положительные и отрицательные стороны. На крупных специализированных заводах используют распылительный способ сушки, который обеспечивает высокое качество получаемого продукта, но требует значительных энергетических затрат и больших производственных площадей [50,52]. Аппаратурное оформление пленочного способа сушки, хотя и занимает небольшие площади на предприятии, не обеспечивает получение продукта высокого качества (образование комочков) [70].

Молочная сыворотка, как объект сушки, характеризуется значительным количеством влаги (примерно в два раза больше чем в натуральном молоке), что снижает производительность сушильных агрегатов. Химический состав способствует уменьшению сыпучести готового продукта и его высокой гигроскопичности. В связи с этим возникает необходимость интенсификации процесса сушки. Известные способы интенсификации можно разделить на: технологические и конструктивные. В условиях молочной промышленности наиболее актуально применение технологических способов интенсификации [88].

Процесс сушки лимитируется содержанием сухих веществ и молочной кислоты в сыворотке перед сушкой. Целесообразно максимально сгущать молочную сыворотку перед сушкой [47,71]. Дополнительная технологическая операция – предварительная частичная кристаллизация лактозы в сгущенной молочной сыворотке применяется при выработке сухой сыворотки распылительным способом. Кристаллизация лактозы позволяет увеличить содержание сухих веществ перед пленочной сушкой до 30-40%, а распылительной до 55% [70,88].

Исходным сырьем для сушки является свежая молочная (подсырная или твороженная) сыворотка, которую сепарируют до содержания не более 0,1% жира, охлаждают до температуры 5-10°С и хранят при этой температуре не более 24 часов [54,70,129].

Сгущение сыворотки проводят в вакуум-выпарных аппаратах любых конструкций при температуре 45-65°С до концентрации сухих веществ: для подсырной сыворотки – 50-55%, для творожной сыворотки – 46-50% [70,92].

Сгущенную сыворотку, выходящую из вакуум-аппарата, подвергают быстрому первоначальному охлаждению в потоке и подают в кристаллизаторы, куда вносят затравку. Кристаллизация лактозы производится в специальных кристаллизаторах при циклическом перемешивании [84,88]. Для кристаллизации лактозы в сгущенной сыворотке можно использовать вакуумкристаллизаторы или емкости для кристаллизации лактозы в сгущенной сыворотке с изоляцией, системой охлаждения и мешалкой.

Сушку сыворотки с кристаллизованной лактозой осуществляют на распылительных сушилках при следующих режимах: температура воздуха на входе в сушильную камеру 140-180°С; температура воздуха на выходе из сушильной камеры 70-100°С [88].

1.3.3 Кристаллизация лактозы при производстве молочного сахара Для производства молочного сахара в настоящее время используют различные физические и физико-химические методы такие как: ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ, ионный обмен и др. использование перечисленных технологических процессов, как правило, не заменяет процесс кристаллизации [70,89], правильность проведения которого определяет качество готового продукта.

Традиционно при производстве молочного сахара получают крупные кристаллы, которые имея малую удельную поверхность, адсорбируют меньше примесей. Для получения необходимого размера кристаллов требуется достаточная, для зародышеобразования, степень пересыщения, излишнее повышение степени которого, одновременно с увеличением процесса зародышеобразования, может привести к уменьшению размеров кристаллов, что нежелательно при производстве молочного сахара. В случае недостаточной степени пересыщения, могут прекратиться процессы зародышеобразования и роста кристаллов, а снижение степени сгущения в данном случае приведет к большим потерям лактозы с мелассой. При производстве молочного сахара процесс кристаллизации проводится без внесения затравки, поскольку перемешивание и охлаждение сиропа обеспечивает появление необходимого количества центров кристаллизации. Качество получаемого продукта и потери лактозы с мелассой определяет температура и продолжительность процесса кристаллизации. Для получения крупных кристаллов требуется медленное охлаждение [66,89,90].

В настоящее время в промышленных условиях существует два режима охлаждения кристаллизата молочного сахара [89]:

- длительный, осуществляется при охлаждении от 343-348К до 283-288К в течение 25-48 ч при непрерывном или периодическом перемешивании;

- ускоренный, температурный режим охлаждения не отличается от вышеописанного, но осуществляется в течение 10-15 ч при непрерывном перемешивании.

Существуют и другие способы кристаллизации, позволяющие снизить потери лактозы в мелассе [9,37,38].

При традиционном способе производства молочного сахара применяются кристаллизаторы с механическим перемешиванием кристаллизата. Процесс охлаждение осуществляется путем подачи холодной воды в рубашку или в мешалку.

Кристаллизатор-охладитель КСМ-67 предназначен для кристаллизации молочного сахара, вырабатываемого из сыворотки, и представляет собой горизонтально расположенную ванну с полуцилиндрическим дном, установленную на раме [139]. Внутри ванны расположен вал с установленными на нем полыми дисками, соединенными между собой штуцерами. На дисках приварены лопасти, предназначенные для перемешивания продукта. Продукт заливают в ванну через воронку, расположенную на одной из ее боковых сторон. Контроль верхнего уровня сырья в ванне производится с помощью сигнализатора уровня.

После заполнения ванны сывороткой в диски подается вода для охлаждения сыворотки. После образования кристаллов молочного сахара продукт промывают холодной водой. При этом кристаллы сахара оседают на дно, а меласса всплывает. Отделившаяся меласса удаляется с помощью сифона. Через выгрузочный клапан, расположенный с одной из торцовых сторон ванны, продукт выгружается самотеком [73].

К недостаткам вышеописанного кристаллизатора относится инкрустация поверхности рабочих органов кристаллами молочного сахара, поскольку теплоотводящие поверхности дисков имеют температуру ниже, чем температура кристаллизата и наиболее интенсивная кристаллизация осуществляется на их поверхности, что затрудняет теплопередачу, отрицательно влияет на качество продукта и снижает выход молочного сахара. Следует отметить, что конструкция мешалки с подачей хладоносителя внутрь дисков требует специальных сложных сальниковых устройств, которые, как показала практика, часто выходят из строя. Кроме того, вышеописанные кристаллизаторы требуют очень большого расхода воды и занимают большие площади [9,46].

Кристаллизатор-охладитель марки РЗ-ОКО [139] представляет собой ванну с охлаждающей рубашкой и мешалкой. Данный кристаллизатор обладает таким преимуществом как простота устройства и обслуживания, однако здесь присутствуют и инкрустация поверхности теплообмена кристаллами, и большой расход воды на охлаждение продукта.

Кристаллизатор-охладитель марки КМСР-72 [140] для молочного сахара представляет собой горизонтально расположенную ванну, установленную на раме с полуцилиндрическим двойным дном и двойными стенками, между которыми пропускается охлаждающая вода. Внутри ванны расположена горизонтальная мешалка.

Недостатком данной конструкции является “инкрустация” поверхности вала мешалки кристаллами молочного сахара.

В условиях ограниченного количества серийно выпускаемых конструкций кристаллизаторов лактозы, целесообразно ознакомиться с подобного рода аппаратами, имеющимися в смежных отраслях промышленности, аппаратами, разработанными на уровне патентов и изобретений с целью возможного их использования[1-7].

Типы промышленных кристаллизаторов по принципу действия разделяют на: кристаллизаторы с удалением части растворителя, кристаллизаторы с охлаждением раствора, вакуум-кристаллизаторы, кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем, барботажные кристаллизаторы [46].

Наиболее производительны и надежны в эксплуатации выпарные аппараты-кристаллизаторы с принудительной циркуляцией раствора и выносной нагревательной камерой. Изогидрический кристаллизатор, имеющий вертикальный корпус с центральной циркуляционной трубой, теплообменник и циркуляционный насос является примером такой установки. В аппаратах такого типа возможно строгое регулирование размера полученных кристаллов. Пересыщение раствора в этом аппарате создается за счет охлаждения в кожухотрубном теплообменнике, расположенном вне корпуса. Однако вследствие отсутствия кристаллов во внешнем циркуляционном контуре трубки теплообменника подвержены инкрустации. Аппараты такого типа обладают большой металлоемкостью, обусловленной наличием внешнего циркуляционного контура, и сложной конструкцией.

Таким образом, критический анализ, характеристические особенности технологий концентрированных молочных консервов позволяет акцентировать внимание на модернизации существующих процессов кристаллизации с позиции их поточности и повышения эффективности как наиболее рациональный подход к повышению рентабельности технологий и качества готовой продукции.

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Структура, организация и схема исследований Структура исследований диссертационной работы включала теоретические, экспериментальные, опытно-производственные этапы и состояла из следующих основных блоков: анализ научно-технической информации по кругу изучаемых вопросов; разработка рабочей гипотезы; определение методов контроля анализируемых величин; проведение комплекса исследований и анализ полученного экспериментального материала; разработка технологических схем и их аппаратного оформления для исследуемых в диссертационной работе процессов; разработка технической и конструкторской документации на опытно-промышленные образцы установок, их изготовление и промышленную апробацию.

Работа выполнена на кафедре технологии молока и молочных продуктов ФГБОУ ВПО КемТИПП и в лаборатории молочных консервов ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии в период с 2010г по 2013г. в рамках бюджетных и хоздоговорных работ. Производственная апробация результатов и отработка технологических режимов экспериментальных и опытно-промышленных образцов установок проводилась на базе ООО “Гагаринское молоко” и ВГМХА им. Верещагина (см. Приложение 3).

Часть исследований, на уровне консультаций и проведения специфичных анализов с применением современных аналитических методов, проводилась в творческом сотрудничестве со специалистами Института проблем экологии и эволюции имени А.Н.Северцова (ИПЭиЭ им. А.Н.Северцова), ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности Россельхозакадемии, ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности Россельхозакадемии с четким разделением объектов интеллектуальной собственности.

Схема проведения исследований представлена на рис. 2.1.

2.2 Объекты и методы исследований, приборное обеспечение На различных этапах работы объектами исследований являлись: подсырная сыворотка и лактозный сироп с концентрацией сухих веществ 50%, а также молоко цельное сгущенное с сахаром по ГОСТ Р 53436 и модели-аналоги молочных (молокосодержаших) продуктов с сахаром.

При выполнении работы использовали стандартизованные и общепринятые в химико-технологическом и микробиологическом контроле молочных продуктов методы исследований, изложенные в специализированных литературных источниках, а также оригинальные методы, комплексно обеспечивающие выполнение поставленных задач.

Повторность опытов на всех этапах выполнения работы не менее 3-5.

2.2.1Стандартизованные экспериментальные методы Стандартизованные методы со ссылкой на первоисточник приведены в таблице 2.1. Правила приемки, отбора проб молока и молочных продуктов, подготовку их к физико-химическим испытаниям и органолептической оценке проводили в соответствии с ГОСТ 3622-68, ГОСТ 26809-86 и ГОСТ 13928-84.

Таблица 2.1 – Стандартизованные методы, используемые в работе Массовая доля влаги Метод высушивания при и сухого вещества (102±2) С Массовая доля белка Метод измерения массовой Титруемая кислот- С применением индикатора Активная кислот- Потенциометрический метод Плотность Ареометрически и пикнометГОСТ 54758- Вязкость Метод определения динамической вязкости при помощи Термоустойчивость Алкогольная проба ГОСТ 25228- 10. Определение сахаро- Поляриметрически 11. Определение м.д. са- Метод основан на окислении харозы и лактозы редуцирующих сахаров избытком йода в щелочной среде и сти между количеством взятого йода и его избытком, определяемого титрованием тиосульфатом натрия 12. Микробиологические Метод определения редуктазы тем высева вжидкие или агаризованные питательные среды, культивировании посевов 13. Определение разме- Окуляр-микрометром при ров кристаллов лак- увеличении в 600 раз ГОСТ 29245- 14. Органолептическая Сенсорная чувствительность ГОСТ 28283- 2.2.2 Общепринятые и оригинальные экспериментальные методы Определение массовой доли влаги в молочных консервах определяли с применением влагомера MA-50 фирмы “Sartorius” (www.sartorius.com). Метод измерения - инфракрасный термогравиметрический по значениям убыли массы навески вещества при высушивании ИК излучением (МВИ № 241.186/2006 от 25.10.2006г.).

Линейные размеры кристаллов лактозы в исследуемых образцах сгущенных лактозосодержащих продуктах определяли микроскопированием с применением ближнепольного оптического микроскопа МИКМЕД-6 с программным обеспечением «Микро-Анализ PRO» по методике Л.В. Чекулаевой при увеличении в 600 раз [85]. Средний размер кристаллов рассчитывали по формуле:

где: n – частота кристаллов; а – линейный размер кристаллов, мкм; dср – среднее значение размера кристаллов лактозы, мкм.

Коэффициент однородности кристаллизации определяли по формуле Н.А.Фигуровского:

где: U- коэффициент однородности; а – предел размера кристаллов, мкм;n – частота кристаллов; – расхождение данного размера со средним, мкм.

Ориентировочное количество кристаллов лактозы в 1 мм3 продукта определяли по среднему размеру кристаллов справочными данными [48,85] ииспользовали предложенную К.К.Полянским зависимость[65]:

Для подробного исследования кристаллов применен микроструктурный анализ, проводили с использованием электронной сканирующей микроскопии на базе ИПЭиЭ им. А.Н.Северцова.

Исследования выполнены на цифровом сканирующем (растровом) микроскопе Tescan Vega5130MM (Чешская Республик, г. Брно) (второе название CamScan MV2300), оснащенном YIG детекторами вторичных (SE) и обратно рассеянных (отраженных) электронов (BSE)1. По паспорту2 микроскоп TescanVega 5130MM при ускоряющем напряжении 30 кВ имеет разрешение 3нм.

Конструкция микроскопа позволяет работать при ускоряющем напряжении от 0.5 до 30 кВ.

Колонна микроскопа TescanVega 5130MM оснащена 4-мя электронными линзами (2 конденсорные и 2объективные (основная и промежуточная) линзами). Подобная конструкция колонны микроскопа позволяет реализовать несколько режимов сканирования.

Основным режимом изображения является режим RESOLUTION (разрешение), когда промежуточная объективная линза выключена. В этом режиме микроскоп «VEGA» подобен обычным трехлинзовым микроскопам. Режим предназначается для получения изображения с хорошей разрешающей способностью.

Режим DEPTH (глубина) от предшествующего режима отличается включением промежуточной и основной объективных линз. Режимом пользуются в случае, если надо увеличить глубину резкости.

В режиме FIELD (поле) для фокусировки электронного зонда используется промежуточная объективная линза, а основная отключена. Режим используется для поиска мест на образце и получения изображения при очень маленьких значениях увеличения.

Детекторы микроскопа оснащены сцинтилляторами, изготовленными из тритий-железестых гранатов (YAG).

Данные характеристики получаются на специальных контрольных образцах при идеальных условиях эксплуатации, т.е при отсутствии сетевых и эфирных электромагнитных помех, а также при отсутствии механических вибраций (микроскоп TescanVega5130MM имеет механическую подвеску колонны, что затрудняет его эксплуатацию в условиях большого города).

В режиме FISH EYE (рыбий глаз) применяется для фокусировки электронного зонда промежуточная объективная линза линзы, в то время как основная объективная линза возбуждена на максимальное значение. Это приводит к усилению отклоняющего эффекта сканирующих катушек. Апертура зонда очень маленькая, а глубина резкости настолько большая, что изображение, по существу, сфокусировано при всех достигаемых положениях манипулятора. Невыгодой этого режима является большое искажение и большой след.

Режимом пользуются для поиска мест на образце.

Подготовка объектов для РЭМ.

Образцы наносят на предметные стекла размерами не более 1,0х1,0 см, высушивают при комнатной температуре, наклеивают на специальные металлические столики, напыляют золотом в установке ионного напыления тонких покрытий JFC– 1100 и помещают в камеру. Исследования образцов производили при общем инструментальном увеличении (1 25) х 103.Визуальное изучение структуры и выбор характерных участков для фотографирования осуществлялся на демонстрационном дисплее скана. Фотографирование осуществляли встроенным цифровым аппаратом с разрешающей способностью Мп.

Для проведения исследований была разработана и изготовлена пилотная установка для поточной кристаллизации лактозы в лактозосодержащих продуктах. Подробное описание установки и её принципа работы представлено в Главе 5.

Для определения плотности орошения внутри вакуум-камеры на расстоянии 0,35 м от сопла закреплялась решетка 18, на которую устанавливались одиннадцать мерных стаканчиков, расположенных симметрично относительно оси сопла и предназначенных для измерения местных плотностей орошения.

Улавливание распыливаемой жидкости в мерные стаканчики производилось в течение всего времени истечения известного объёма жидкости из бачка и фиксировалось секундомером. Затем каждый тарированный стаканчик с жидкостью взвешивался на электронных весах. Значение местных плотностей орошения в точках сечения факела подсчитывалось по формуле:

где G – вес жидкости в каждом стаканчике, кг; F – площадь сечения стаканчика, м2; Т – время улавливания, с.

Факел распыливаемой жидкости фотографировался через смотровое стекло цифровой фотокамерой «Canon» 600D (EOS).Подсветка осуществлялась двумя фонарями, расположенными в крышке вакуум-камеры. Съемка производилась через несколько секунд после начала истечения жидкости из сопла, стабилизации процесса и установления контура факела.

Определение показателя «активность воды»(Aw)проводили на приборе «Hygrolab-3» компании ROTRONIC (www.rotronic.com) с цифровой вентилируемой станцией «AwVС-DIO» и обработкой результатов программным обеспечением «HW3» (МВИ № 241.224/2008 от 05.03.2008г.). Прибор имеет два режима измерений: стандартный (длительный) режим «E-MODE» и ускоренный AwQuick» [24].

Стандартный способ измерения активности воды состоит в том, что исследуемая проба продукта помещается в специальный пластиковый контейнер с герметически закрываемой крышкой. Контейнер с исследуемым материалом и цифровую станцию переносят в термокомпенсационную камеру с заданным уровнем температуры. После уравнивания температур снимают крышку с контейнера, размещают его в вентилируемую станцию и начинают измерение показателя. Образец обменивается влагой с воздухом и измерительным датчиком до достижения состояния равновесия влажности.

Так как при измерении активности воды важную роль играет температура, то контролируют и температуру воздуха в чаше над пробой в течение всего времени измерения, указывая тренд и значение на момент окончания замера.

Этот тренд используется для верификации стабильности температуры во время процесса измерения. При нормальной температуре помещения давление насыщенного пара увеличивается примерно на 6,2 % при повышении температуры на 10C. Надо отметить, чтоAw большинства гигроскопичных материалов не столь сильно зависит от температуры. Установлено, что значения активности воды изменяются только на 0,0005…0,005 aw при изменении температуры на 10C. Это явление объясняется тем, что парциальное давление на поверхности исследуемого гигроскопичного материала колеблется при изменении температуры. У большинства гигроскопичных материалов магнитуда изменения парциального давления пара почти идентична изменению магнитуды давления насыщенного пара над чистой водой. Однако при измерении Aw необходимо стремиться к максимально возможному постоянству температуры. Вид, интерфейс и технические параметры прибора представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Вид и технические характеристики прибора «Hygrolab-3» с вентилируемой станцией «AwVС-DIO», интерфейс программного обеспечения Измеряемые параметры:

активность воды: 0,001…0,999 Aw Органолептическую оценку молока и молочных продуктов проводили в соответствии с рекомендуемыми шкалами дегустационной оценки Методических рекомендаций по отбору, тестированию и подготовке дегустаторов молочной продукции, разработанных в ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии совместно с Российским Союзом Предприятий Молочной Отрасли (РСПМО).

Определение эффективности диспергирования жира. Для комплексной оценки однородности и процесса отстоя жира в исследуемых композициях, применяли метод определения «коэффициента устойчивости» жировой фазы [60].

Метод основан на разделении продукта, находящегося в таре, на условно равные по высоте слои и последующем определении послойного изменения массовой доли жира как функции времени.

Количественно усредненный коэффициент устойчивости определяется по формуле:

где Ку - усредненный коэффициент устойчивости жировой фазы; Ко– коэффициент отнесения, %; gi - массовое содержание жира в i-ом слое, %; g средневзвешенное массовое содержание жира в продукте, %; n - количество слоев разделения.

Коэффициент отнесения – величина условная, имеющая размерность массового содержания жира. Автором метода предлагается трактовать коэффициент отнесения как условную среднюю квадратичную ошибку в предположении, что гипотетически при вся жировая фаза продукта переходит в его верхний слой и определять по формуле:

Таким образом, с учетом (2.6) определение численного значения «усредненного коэффициента устойчивости жировой фазы» принимает вид:

Установлено, что рациональное количество слоев, n, соответствует 4. Подставив n=4 в формулу (2.7), была получена расчетная зависимость для практического определения численного значения «усредненного коэффициента устойчивости жировой фазы»:

На основе результатов анализа послойно отобранных проб, по формуле (2.8) рассчитывается «усредненный коэффициент устойчивости» и по его значению дается характеристики однородности консистенции.

Однородность распределения массовой доли жира по высоте банки оценивается по «разностному коэффициенту устойчивости» жировой фазы:

где gi- массовое содержание жира в i-ом слое, %.

Большей равномерности распределения жировой фазы соответствует меньшее значение коэффициента Кр.

Для комплексной оценки однородности консистенции вводится понятие приведенного коэффициента устойчивости: К = (Ку· Кр)/(Ку+Кр). (2.10) 2.3 Методы математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных Результаты экспериментальных исследований обрабатывали методами математической статистики [8,68,80,132,135,136].Доверительная вероятность результатов математической обработки была не ниже: данных физикохимического анализа 0,95; результатов технологического и микробиологического экспериментов 0,90 и 0,80 соответственно. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с применением методов регрессионного анализа с использованием прикладного программного обеспечения«STATGRAPHICS», МicrosoftExel, «MatCad», «CurveExpert», «MatLab» и др.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ РАСПЫЛИВАНИЯ ЛАКТОЗОСОДЕРЖАЩИХ

ПРОДУКТОВ В ВАКУУМ-КАМЕРЕ

Процесс распада жидкой струи на капли рассмотрен в значительном количестве работ российских и зарубежных авторов [14,15,17,18,34,35,36,39, 53,102,117,130]. Установлены основные факторы, влияющие на процесс распыливания, изучены возможные способы её интенсификации, одним из которых явилась идея использования перегрева жидкости для улучшения условий распыливания. Использование перегрева даёт возможность получения более высокой степени дисперсности при значительно меньших затратах мощности.

Интересны сведения о скорости полёта капель в зависимости от их размеров и расстояния от оси факела [20], это необходимо при расчете габаритов камер. Однако в этих работах не рассматривается распыливание перегретой жидкости в вакууме, хотя плотность газовой среды в камере имеет существенное значение и может изменить характеристики процесса. При достаточно глубоком вакууме, когда плотность газовой среды незначительна, распыливание должно происходить, в основном, за счёт взрывообразного испарения.

Механизм распыления заключается в том, что образующиеся в жидкости, вследствие воздействия вакуума, пузырьки пара растут с большой скоростью и разрывают струю. Учитывая, что с ростом температуры радиус первоначально образовавшегося пузырька пара уменьшается, вызывающая распад струи сила увеличивается. Влияние степени перегрева в данном случае еще более усиливается, поскольку распыливание происходит в сильно разреженной среде.

Таким образом, основными факторами, определяющими процесс распыливания перегретой жидкости в вакууме, являются диаметр первоначально образовавшихся паровых пузырьков, их количество и скорость роста [29,42,116].

В связи с тем, что имеющиеся данные по кинетике возникновения и роста пузырьков пара в зоне вакуума недостаточные, целесообразно их использование в сочетании с экспериментальными исследованиями этого процесса, что позволит выявить соотношение между переменными величинами, влияющими на распыливание перегретой жидкости в вакууме.

3.1 Теоретические исследования истечения лактозосодержащего продукта в вакуум-камеру.

Исследуется истечение перегретого лактозосодержащего продукта через струйную форсунку струйной форсунки (Рис.3.1) является то, что вектор скорости истечения параллелен оси форсунки.

В-цилиндрическая часть ществ в продукте перед форсункой – СВ=50%.

С-диффузорная часть (при атмосферном давлении 105Па). Абсолютное (остаточное) давление в вакуум-камере–рк=0,02·105Па. Температура насыщения водяного пара при давлении рк–tк 17,3°С. С учетом «концентрационной» депрессии, равной для СВ=50% - 3,8°С,температура насыщения водяного пара tк 21°С.

Теплофизические характеристики продукта и воздуха.

Согласно [88,89,115] плотность лактозного сиропа и сгущенной сыворотки при СВ 50% принимается: 1=1268кг/м3 и 1=1226кг/м3 соответственно. Динамическую вязкость лактозного сиропа и сгущённой сыворотки при СВ 50% и t=65°С,85°С определяем, используя графическую экстраполяцию по данным [25]при t = 65C, 1= 7,0·10-3Па·с; при t=85C, 1= 4·10-3Па·с. Плотность воздуха в камере распыливания определяется исходя из закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака [98,139]:

где: Р– давление воздуха, Па; – удельный объём воздуха, м3/кг; Т – абсолютная температура воздуха, К, или:

где: Р1, Р2 – атмосферное давление воздуха и давление воздуха в камере распыливания, Па; Т1, Т2 – абсолютная температура воздуха в камере распыливания при давлениях Р1, Р2, К; 1, 2- плотность воздуха при давлениях Р1, Р2 и температуре Т1, Т2 - кг/м3.

После преобразований и подсчётов получаем: 1= 1,217 кг/м3; 2= 0, кг/м3.

Опираясь на данные по поверхностному натяжению обезжиренного молока (при t = 20C, = 49,2·10-3 Н/м; при t = 70C, = 40,8·10-3 Н/м)[43] по от- ношению к поверхностному натяжению воды (при t =20C, = 72,7·10-3 Н/м;

при t = 70C, = 40,8·10-3 Н/м) [22,116] и применяя с допущением линейную интерполяцию и экстраполяцию, получаем оценочные значения поверхностного натяжения для сгущённой молочной сыворотки и лактозного сиропа при содержании в них сухих веществ 50% и температурах 65C и 85C (табл.3.1).

Таблица 3.1– Оценочные значения поверхностного натяжения для сгущённой Лактозный сироп Теплоёмкость лактозного сиропа и сгущенной сыворотки принимаем в соответствии с [88]:

–сгущенная сыворотка – 2794 Дж/(кг К) –лактозный сироп – 2715 Дж/(кг К) Теплопроводность – в соответствии с [89]:

–сгущенная сыворотка – 0,575 Вт/(м К);

–лактозный сироп – 0,59 Вт/(м К).

3.1.1 Исследование гидродинамических параметров распыливания перегретого лактозосодержащего продукта в вакуум-камере Расход продукта через форсунку определяется как технологическими факторами (скорость истечения или перепад давлений на форсунке, теплофизические параметры продукта), так и техническими (конструкция форсунки)[10,40,44,45].

Расход продукта может быть определен по формулам:

-объемный расход -массовый расход где: w- скорость истечения, м/с; fc –площадь сечения истекающей струи, м2.

f - площадь выходного сечения форсунки, м2; - коэффициент сжатия струи.

На рис 3.2 дана схема форсунки с обозначением конструктивных размеров.

Предполагаем, что продукт в форсунку поступает по трубопроводу диаметром d0; расстояние Z 300мм. Давление в трубопроводе (перед форсункой) Ро1, Па - 4·105. Абсолютное давление в вакуум-камере Рк, Па - 0,02·105. Диаметр цилиндрической части, d2, м - 3·10-3. Диаметр трубопровода в сечении замера давления Р0, d0, м - 50·10-3. Длина конфузорной части форсунки l1, м Длина цилиндрической части форсунки l2, м - 2·10-3. Длина диффузорной части форсунки l3, м - 2·10-3. Угол конусности конфузорной части форсунки 1, град – 12. Угол конусности диффузорной части форсунки 2, град – 90. Выходной диаметр конфузорной части форсунки:

Рис 3.2 Конструктивная схема Рис 3.3 Расчетная схема Выходной диаметр диффузорной части форсунки:

Скорость в выходном сечении форсунки (скорость истечения) определяется следующим образом. Запишем уравнение Бернулли для сечений 0-0 и 4-4, выбрав за плоскость сравнения сечение 0- Из уравнения массового расхода выразим скорость потока (продукта) в сечении 4-4:

Подставляя (3.10) в (3.9) найдем:

где: w0 - скорость продукта в сечении «0-0» (скорость истечения), м/с;

Z4 – высота сечения «4-4» над плоскостью сравнения «0-0», м; 0,4 –плотность продукта в сечении «0-0» и «4-4», м2;0, 4 –коэффициенты Кориолиса в сечениях «0-0» и «4-4»; i – коэффициент сопротивления i –го участка рассматриваемой конструктивной системы (форсунки); i – плотность продукта на i-ом участке, кг/м3; wi– скорость продукта на i-ом участке, м/с.

При изотермических условиях и отсутствии изменения агрегатного состояния продукта: 0= 4= 1 тогда:

На величину коэффициентов и i в числе других факторов существенное влияние оказывает режим истечения продукта. При развитом турбулентном режиме выполняется условия Re 10000. Данному значению Re соответствуют скорости продукта, приведенные в табл.3.2.

Коэффициент определяется экспериментально. При движении воды на прямых участках трубы, достаточно удаленных от входа, в режиме, отличном от ламинарного, изменяется от 1,0318 до 1,122; для ламинарного стабилизированного движения =2; для начального участка ламинарного течения в трубе изменяется в диапазоне от 1 до 2. При наличии местных сопротивлений может доходить до 5 (внезапное расширение потока) [31,112,114].

Таблица 3.2 – Скорости продукта по сечениям форсунки Лактозный сироп В первом приближении примем 1,1 (рекомендуемое значение для ориентировочных расчетов при режиме, отличном от ламинарного).

Коэффициент сопротивления рассматриваемой системы (рис 3.3) складывается из коэффициентов сопротивления отдельных участков где: - коэффициент сопротивления трения i-го участка; li– определяюi щая длина i -го участка; di – определяющий размер (диаметр) сечения i-го участка; I- коэффициент местных сопротивлений i-го участка.

Ввиду незначительного расстояния от сечения «4-4» до сечения «0-0»

)потерями давления по длине пренебрегаем из-за малого значения Скорость продукта на выходе из форсунки определяется известным выражением:

где – коэффициент скорости равен:

Тогда объемный расход Массовый расход Подставляя в (3.17) численные значения, найдем коэффициент скорости:

В таблице 3.3 приведены результаты расчета скорости истечения (3.16), объемного (3.18) и массового (3.19) расхода продукта.

Таблица 3.3 Результаты расчета скорости истечения и расхода продукта Вероятно, образование водяного пара в объеме продукта, поступающего в вакуум-камеру, начинается в форсунке, ввиду перегрева продукта. Температуре поступающего продукта 65°С соответствует давление насыщения водяных паров р65=0,25·105Па ; температуре 85°С - р85=0,57·105Па.

Данное давление в продукте возникает при определенной скорости, которая может быть рассчитана по формуле (3.16).

Результаты расчета приведены в таблице 3.4.

Полученным значениям скорости соответствуют диаметры круглого сечения, которые могут быть определены как:

Таблица 3.4 – Результаты расчета скорости истечения Расчет по (3.20) дает следующие значения диаметра круглого сечения потока продукта (таблица 3.5), соответствующие значениям скорости, представленным в таблице 3.4.

Сгущенная сыворотка Из данных таблицы 3.5 можно заключить, что парообразование в потоке продукта при температурах 65°С и 85°С начинается в цилиндрической части форсунки на расстоянии l от входа:

где: d– диаметр, рассчитанный по (3.20), м; d2 – диаметр цилиндрической части форсунки, м; – угол конусности конфузорной части форсунки, град.

Данные расстояния находятся в диапазоне (0,1-0,4)·10-3м Таким образом, установлено:

1. При расчете скорости истечения продукта по известной формуле (3.16) через форсунку рассматриваемой конструкции, коэффициент скорости рассчитывается по формуле (3.17) 2. При истечении продукта, температура которого находится в диапазоне (65-85)°С парообразование в продукте начинается на расстоянии (0,1м от входа в цилиндрическую часть форсунки (расстояние по вертикали конфузора).

Кроме того, парообразование в рамках форсунки возможно в элементе продукта, который условно может рассматриваться в форме цилиндра диаметром dц=d2 310-3м и высотой h4=l2+l3+l 2+2+0,4 4,410-3м. При этом объем элемента продукта, в котором возможно парообразование в пределах форсунки:

Время «существования» данного объема где: w0 – скорость истечения, средняя для лактозного сиропа, м/с.

Вопрос заключается в том, сколько паровых пузырьков успеет зародиться за время в объеме продукта Vц, т.е. если мы имеем дело с парообразованием в объеме продукта в форсунке, то какая в нем массовая доля пара.

При условии, что время зарождения паровых пузырьков больше времени существования объема жидкости, в котором созданы условия парообразования в пределах форсунки, истекающей через форсунку, поток жидкости является однофазным.

С определенным приближением, первичный элемент распада струи продукта, истекающего через форсунку, можно идентифицировать с формой цилиндра диаметром:

где: d2=3·10-3–диаметр цилиндрической части капели форсунки; 2=0, –принятый при расчетах коэффициент сжатия струи.

Длина цилиндра с учетом сжатой струи:

Объем первичного элемента распада:

Приблизительное число капель, образующихся при распаде первоначального элемента (цилиндра):

где: – объем капли, где dк –диаметр капли, или, подставляя в (3.27) Vц из (3.26):

Число первичных элементов, образующихся за время :

где: w – средняя скорость струи на участке распада первичного элемента Принимаяw равной скорости истечения струи w0, с учетом (3.24, 3.25) получим:

Тогда число капель, образующихся за 1 секунду:

По формулам (3.28) и (3.31) при =1с определяем минимальное число капель, образующихся из единичного первичного элемента, принятого в форме цилиндра, за одну секунду.

При расчете по формуле (3.31) принималось по таблице 3.3.

Таким образом, при рассмотрении принятой модели истечения продукта через струйную форсунку можно констатировать:

1. Наличие первичного элемента распада, стилизованного под форму цилиндра диаметром dц=2,96·10-3 м, длиной lц=13,48·10-3 м.

2. Распад первичного элемента на капли, максимальный диаметр которых определяется из уравнения (3.20), а численные значения минимального количества приведены в таблице 3.6.

Данные утверждения могут считаться справедливыми при отсутствии парообразования в струе продукта. Вместе с тем, ранее показано, что возможно парообразование в пределах форсунки.

Таблица 3.6 – Расчетное минимальное количество образующихся капель сыворотка Тем более оно возможно в объеме первичного элемента распада.

Масса продукта, заключенного в объеме первичного элемента где:Vц=31,1810-9 м3-объем первичного элемента, определенный формулой (3.26); -плотность продукта, кг/м3.

Тогда, для сгущенной сыворотки m,=122693,5510-9=11,4710-5кг, для лактозного сиропа m,=122893,5510-9=11,8610-5кг В то же время масса продукта, истекающего через форсунку, и время существования первичного элемента:

где: М – массовый расход продукта, кг/с (табл.3.3).

где: - время существования первичного элемента, с;lц – длинна первичного элемента, м;w0 – скорость истечения, м/с.

По формуле (3.34) для сгущенной сыворотки для лактозного сиропа Тогда по формуле (3.33), для сгущенной сыворотки Сопоставляя значения массы первичного элемента, полученной из геометрического расчета (3.32) с массой продукта, истекающей через форсунку за время существования первичного элемента (3.33), получим,, что косвенно подтверждает правильность расчета расхода продукта через форсунку.

После распада первичного элемента на капли, скорость капли изменяется по высоте вакуум-камеры от wн до wк, где wн- начальная скорость капли, которая приблизительно может быть принята равной скорости истечения wн=w0;

wк- конечная скорость капли в оценочном сечении вакуум-камеры (на расстоянии «Х» от выходного сечения форсунки).

где: – скорость падения капли (м/с).

В связи со значительным разряжением в вакуум-камере сопротивлением воздуха можно пренебречь.

Расчет по формуле (3.35) при найденных значениях 0 в соответствии с табл. 3.3 и расстоянии «Х» от нижнего сечения форсунки до зеркала продукта в вакуум-камере (х0,6м) показывает, что скорость капли по высоте вакуумкамеры остается практически неизменной и равной скорости истечения: для лактозного сиропа лс=23,2м/с; для сгущенной сыворотки сс=23,6м/с.

При этом минимальное время падения капли при ее вертикальным падении:

что составит для лактозного сиропа:

для сгущенной сыворотки:

Максимальное время падения капли определим из условия, что капли, двигаясь прямолинейно и не отклоняясь от вертикального направления, достигают свободной поверхности продукта в нижней части вакуум-камеры на расстоянии D/2 от ее вертикальной оси (D- диаметр вакуум-камеры), тогда:

что составит для лактозного сиропа при D=0,4м:

для сгущенной сыворотки:

Практически, полученные значения времени одинаковы.

3.1.2 Исследование процессов тепломассообмена при впрыскивании лактозосодержащего продукта в вакуум-камеру Очевидно, что для охлаждения продукта от начальной температуры до конечной 21°С требуется определенное время, которое вместе с расходом и скоростью течения продукта, определяет габариты камеры распыливания (вакуум-камеры).

Оценку времени охлаждения продукта проведем, используя условный перенос закономерностей кипения жидкости в большом объеме при атмосферном давлении при подводе теплоты через теплопередающую поверхность.

При кипении жидкости критический радиус парового пузырька[56]:

где: – поверхностное натяжение жидкости (Н/м);

где: tw – температура жидкости (К); ts– температура насыщения при давлении в жидкости (К); Ps' –производная, определяемая уравнением КлаузиусаКлайперона [86,93,98]:

где: Ts – абсолютная температура насыщения, К; r – теплота парообразования, Дж/кг; ', " – плотность жидкости и пара, кг/м3.

Величины r, ', " принимаются при температуре насыщения Ts= К.Удельный объём водяного пара V"=36,726 м /кг; плотность " V " 0, кг/м3; теплота парообразования r=2435·103 Дж/кг [22].

По формуле (3.39) для сгущённой сыворотки:

Для лактозного сиропа:

Согласно приведенным данным при кипении воды при атмосферном давлении, температурный напор t изменяется в интервале от 5°С до 25°С.

Примем t=5°С в предположении, что при давлении ниже атмосферного парообразование интенсифицируется.

В таблице 3.7 даны расчётные значения критических диаметров паровых пузырьков (dкр=2rкр).

Таблица 3.7 – Расчётные значения критических диаметров паровых пузырьков Продукт где: Vn" - объём парового пузырька, м3; " – плотность водяного пара при давлении пара в пузырьке, кг/м3.

Давление пара внутри пузырька определяется уравнением Лапласа[98]:

где: Р' – давление жидкости, Па; – поверхностное натяжение жидкости, Н/м; R – радиус парового пузырька, м.

Принимая Р' = 0,02105 Па (давление в вакуум-камере); – в соответствии с таблицей 3.1; R - в соответствии с таблицей 3.7 по формуле (3.41), рассчитываем величину Р", по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара [22], находим плотность " и по формуле (3.40) определяем массу парового пузырька (таблица 3.8). Охлаждение продукта от tн доtк происходит за счёт выпаривания воды, масса которой определяется массой элемента продукта или его массовым расходом.

Первичный элемент струи продукта, истекающий через форсунку, имеет Время существования первичного элемента весьма мало и составляет (0,57 – 0,58) 10 -3с. Время падения капли сгущенной сыворотки и лактозного сиропа приблизительно одинаково и составляет 0,027 с. Объем и масса капель приведены в таблице 3.11.

Таблица 3.8– Расчетные параметры парового пузырька Продукт Начальная Параметры парового пузырька При расчете массы капли плотность принята постоянной и равной плотности собственно сгущенной сыворотки и лактозного сиропа.

Продукт Температура, Диаметр капли, Объем капли, Масса капли, В таблице 3.10 приведены численные значения массы воды, выпариваемой из капли расчетного диаметра (таблица 3.9) при начальной температуре продукта 65 С и 85 С и различной конечной температуре.

Таблица 3.10 – Расчетные значения массы воды, выпариваемой из капли Время охлаждения капли перегретого продукта, обусловленное выпариванием воды, при давлении ниже атмосферного, коррелированное с массой и частотой (скоростью) образования паровых пузырьков, может быть определено по формуле:

продукта (таблица 3.9), м3; - скорость нуклеации (возникновение центров парообразования в единице объема), м-3с-1; - масса парового пузырька, кг.

В общем виде скорость нуклеации представляется как 10к. Значительная гомогенная нуклеация в большом объеме при атмосферном давлении наблюдается при скорости нуклеации (109-1013) м-3с-1 [62].

В нашем случае имеем дело с гетерогенной нуклеацией, скорость которой выше, ввиду наличия потенциальных центров парообразования (частицы лактозы, белка, жира). Кроме того, нуклеация имеет взрывной характер в виду резкого сброса давления в продукте, что сродни кипению при высоком перегреве жидкости. Принимаем максимальную скорость нуклеации из обозначенного диапазона В таблице 3.11 приведены численные значения времени, рассчитанные по формуле (3.42) и расстояния от сечения образования капель до сечения, в котором капля продукта достигает определенной температуры l = w0, где w0 – скорость истечения, определяемая по таблице 3.3.

Таблица 3.11–Численные значения времени и расстояния Расстояние «l» в общем случае не равно расстоянию «h» по высоте внутри камеры. Если исключить попадание продукта на стенки вакуум камеры, то капля продукта может отклониться от вертикального направления на любую величину в диапазоне 0D/2.

Однако, ввиду достаточно высокой для аппаратов пищевой промышленности скорости истечения продукта и небольшой высоты вакуум-камеры, а также практически постоянной скорости капли при ее движении от верхнего до нижнего сечения камеры, можно принять lh.

На рисунке 3.4 приведены графики изменения температуры продукта и массового процента выпаренной воды по высоте вакуум-камеры. Зависимости t=f(l) и mл=f(l) построены по данным таблицы 3.10 и 3.11 соответственно. Указанные зависимости аппроксимируются линейными уравнениями.

Рис.3.4 Изменение температуры продукта и массового процента испаренной Интересные результаты получаются при сравнении времени охлаждения капли продукта (3.42) и расстояния от сечения образования капель до сечения, в котором капля продукта достигает определенной температуры (3.43), рассчитанных с использованием понятия скорости нуклеации (табл. 3.10), с численными значениями тех же параметров, полученных с использованием другого подхода.

Критический (наименьший) диаметр парового пузырька (таблица 3.7) имеет тенденцию роста. Степень ее проявления можно оценить следующим образом.

В работе [42] приведена зависимость:

где: dп – диаметр парового пузырька, м; a – коэффициент температуропроводности продукта, м2/с; – время роста пузырька, с; с – удельная изобарная теплоемкость продукта, Дж/(кг К);, - плотность продукта кг/м3;,, – плотность пара при температуре насыщения (кипения продукта), кг/м 3; r – теплота парообразования при температуре насыщения, Дж/кг; при этом tп – температура продукта, °С; ts –температура насыщения водяных паров, °С.

Температуру tп принимаем равной начальной температуре продукта ( °С, 85 °С); температуру ts – равной температуре кипения продукта (ts =21°С).

На самом деле tп меняется в процессе охлаждения продукта, т.е. tп= f(), что приводит к изменению (уменьшению) t, которая изменяется в интервале от 5°С до 25°С.

Примем t=5°С в предположении, что при давлении ниже атмосферного парообразование облегчается.

Тогда, для сгущенной сыворотки и лактозного сиропа величина приблизительно одинакова и равна:

Согласно [42]:

Гипотетически паровой пузырек в капле может расти от критического диаметра (таблица 3.7) до диаметра капли (таблица 3.9).

Из формулы (3.43) В таблице 3.12 приведены расчетные значения времени роста парового пузыря до размера, равного диаметру капли, а также расстояние от форсунки, на котором обеспечивается этот рост.

Коэффициенты температуропроводности, принятые в расчете, определены ранее aсс=1,6810-7 м2/c; aлс=1,7110-7 м2/с.

Таблица 3.12 – Расчетные значения времени роста парового пузырька и Сравнивая данные таблицы 3.11 и 3.12, можно констатировать следующее:

- при использовании сгущенной сыворотки с начальной температурой 85С ее охлаждение до 50°С может быть идентифицировано с ростом парового пузырька от критического диаметра до диаметра капли;

- при использовании лактозного сиропа с начальной температурой 85°С его охлаждения до 40° С можно идентифицировать с ростом парового пузырька от критического диаметра до диаметра капли.

При использовании молочной сыворотки и лактозного сиропа с начальной температурой 65°С рост парового пузырька от критического диаметра до диаметра капли не обеспечивается при достижении продуктом теоретически возможной температуры охлаждения 21°С.

3.2 Экспериментальные исследования гидродинамических параметров распыливания лактозосодержащего продукта в вакуум-камере 3.2.1 Определение угла раскрытия факела Угол раскрытия факела зависит от конструктивных особенностей и геометрических размеров форсунки, режимов её работы, свойств жидкости и газовой среды [19,20] и может быть выражен функциональной зависимостью:

где: tg/2– тангенс половины угла при вершине конуса факела; 1 – плотность жидкости, кг/м3; µ1 – динамическая вязкость жидкости, Пас; – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; 2 – плотность газовой среды, кг/м3;µ2 - динамическая вязкость газовой среды, Пас; – скорость истечения жидкости из сопла, м/с; d – диаметр соплового отверстия, м.

Так как истечение из сопла осуществляется в вакуум-камеру с остаточным менее 0.02105 Па, т.е. в достаточно сильно разреженную среду, динамической вязкостью газовой среды вполне можно пренебречь. Соотношение (3.45) целесообразно выразить через безразмерные комбинации величин:

где: We = 2·2·d / ; Lp = d·1· / µ12.

Таким образом, задача экспериментальных исследований сводится к определению количественных соотношений между величинами, входящими в уравнение (3.46).

Экспериментальные исследования по определению угла раскрытия факела (корневого угла) проводились при использовании лактозного сиропа.

Постоянными параметрами являлись:

– диаметр цилиндрической части сопла форсунки d = 3,0510-3 м – давление в вакуум камере p2 = 0,02 105 Па Переменные параметры:

–давление перед форсункойp1 = (2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0) 105, Па – температура лактозного сиропа перед форсункойtн = (65 - 85) °С В исследуемом диапазоне температур плотность лактозного сиропа принята постоянной 1 1268 кг/ м3.

В диапазоне температур tн = (65 - 85) °С зависимость = f(t) и = f(t) аппроксимированы прямыми.

В таблице 3.13 приведены численные значения поверхностного натяжения и динамической вязкости лактозного сиропа.

Таблица 3.13 – Зависимость поверхностного натяжения и динамической Критерий Лапласа определяется параметрами, зависящими от температуры (3.14).

Таблица 3.14 – Зависимость критерия Лапласа от температуры Критерий Вебера определяется давлением перед форсункой и температурой распыливаемого продукта. От температуры зависит поверхностное натяжение, входящее в критерий; от давления (перепада давлений на форсунке) – скорость истечения продукта (лактозного сиропа). В таблице 3.15 приведены численные значения скорости истечения.

Таблица 3.15– Расчетные значения скорости истечения В таблице 3.16 приведены численные значения критерия Вебера.

Таблица 3.16– Расчетные значения критерия Вебера В таблице 3.17 представлены экспериментальные данные, определяющие зависимость = f(p1,t).

Таблица 3.17– Изменение угла раскрытия факела в зависимости от давления перед форсункой и начальной температуры лактозного сиропа кела в зависимости от давления перед форсункой и начальной температуры = 13,06 We0,76Lp0,109, (3.47) Формула (3.47) справедлива в диапазоне We = 0,37 - 0,77; Lp = (4,03 – 11,79) 103.

3.2.2 Определение плотности орошения При проектировании поточных охладителей-кристаллизаторов важно знание закономерностей распределения распыливаемой жидкости в вакуумкамере. Распределение распыливаемой жидкости по сечению факела характеризуется полем удельных потоков в различных точках факела. Удельный поток (плотность орошения) g определяется как секундный расход жидкости через единицу поверхности, перпендикулярной оси сопла форсунки.

Предварительная оценка распределения удельных потоков жидкости по сечению факела для прямоточной конусной форсунки проводилась при распыливании воды с разной температурой (5С, 30С, 60С и 85С), затем полученные закономерности уточнялись в опытах с лактозным сиропом.

Следует заметить, что температура распыливаемой жидкости оказывает значительное влияние на распад струи при её истечении из сопла в зону с пониженным давлением. При температуре воды 5С струя распадается на расстоянии нескольких dc от среза сопла, с повышением температуры до 30С и далее до 60С и 85С наблюдается очевидная тенденция по улучшению распыливания. С ростом температуры распределение жидкости в сечениях факела становится более равномерным, при этом пик оси факела снижается, а плотность орошения на периферии факела возрастает.

При распыливании лактозного сиропа (50% СВ) эта тенденция проявляется более отчётливо. Если для воды при температуре 60С и 85С плотности орошения вблизи от оси сопла мало отличаются друг от друга, то для лактозного сиропа повышение температуры резко увеличивают плотность орошения уже вблизи от оси сопла, к периферии приращение плотности несколько снижается. При этом для воды абсолютные значения плотности орошения значительно больше, чем для лактозного сиропа, для которого кривая плотности орошения более пологая. Неодинаковое влияние степени перегрева на распыление и характер плотности орошения различных жидкостей (вода и лактозный сироп) можно объяснить значительным отличием физических параметров.

Описанное влияние степени перегрева на распыление жидкости и характер изменения значения плотности орошения вытекает из сущности процесса вскипания перегретой жидкости, образования и роста пузырьков. Известно, что центрами образования пузырьков пара являются неровности поверхностей, частицы примесей и т.д. При этом первоначальный радиус пузырька пара равен эквивалентному радиусу неровности при соответствующей температуре жидкости. С повышением степени перегрева уменьшается возможный радиус пузырька.

Таким образом, чем больше растущих пузырьков пара образуется в струе жидкости и чем меньше первоначальный их размер, тем больше суммарная сила, вызывающая распад струи и распыление жидкости.

Распределение распыленного продукта в факеле форсунки определялось экспериментально при истечении через форсунку лактозного сиропа.

Постоянными параметрами являлись:

- диаметр цилиндрического канала форсунки d = 3,0510-3 м;

- давление в вакуум камере p2 = 0,02105, Па.

В качестве переменных параметров выбраны:

- давление лактозного сиропа перед форсункой p1, принимающее дискретные значения: (2,0; 3,0; 4,0) 105,Па;

- начальная температура лактозного сиропа (температура перед форсункой):

(65; 85) °С.

В качестве выходного параметра, характеризующего распределение лактозного сиропа в факеле, использовался удельный поток продукта в различных точках сечения факела q, кг/м2с.

Контролируемые сечения факела располагались на расстояниях 100 мм (сечение 1), 200 мм (сечение 2), 300 мм (сечение 3) от выходного сечения соплового отверстия форсунки.

Контролируемые точки располагались по радиусу сечения (условно сечение принято в форме круга).

Число контролируемых точек варьировалось в зависимости от диаметра сечения факела. На рисунках 3.6, 3.7, 3.8 приведены графики полей удельных потоков в контролируемых сечениях в системе координат: «r – q/q0», аппроксимирующие экспериментальные данные.

Рис. 3.6 Изменения относительного удельного потока лактозного сиропа по сечению факела на расстоянии 0,1 мот среза форсунки при перепаде давлений: 1 – 1,98 105Па; 2 – 2,98 105Па; 3 – 3,98 105Па Рис. 3.7 Изменения относительного удельного потока лактозного сиропа по сечению факела на расстоянии 0,2 м от среза форсунки при перепаде давлений:1 – 1,98 105Па; 2 – 2,98 105Па; 3 – 3,98 105Па Рис. 3.8 Изменения относительного удельного потока лактозного сиропа по сечению факела на расстоянии 0,3 м от среза форсунки при перепаде давлений: 1 – 1,98 105Па; 2 – 2,98 105Па; 3 – 3,98 105Па Математической обработкой экспериментальных данных получено уравнение для расчета относительных удельных потоков:

где: q – удельный поток лактозного сиропа в точках сечения, кг/м2с; q0 – удельный поток лактозного сиропа в начальном сечении факела, кг/м2с; d – диаметр цилиндрической части сопла факела, м; l – расстояние от выходного сечения соплового отверстия форсунки до контролируемого сечения факела, м;

r – радиальная координата сечения факела, м; R – радиус сечения факела, м;n – константа распределения; We – критерий Вебера; Lp – критерий Лапласа; величины q0, R, n рассчитываются по формулам:

где: 0 – скорость истечения лактозного сиропа; - коэффициент сжатия струи; – плотность лактозного сиропа.

Формула (3.48) получена при d = 3,0510-3 м; l = (0,1 – 0,3) м; We = 0, – 0,7; Lp = 4029 – 11792; p2 = 0,02105 Па.

Степень корреляционной зависимости оценивалась множественным коэффициентом корреляции, при значительном отличии которого от нуля связь считается реальной. Полученный путём расчёта множественный коэффициент корреляции, равный 0,92, указывает на полноту учёта всех факторов, влияющих на отношение q/q0, выбранное в качестве функции.

ГЛАВА 4. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОТОЧНОГО ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛАКТОЗЫ В СГУЩЁННОМ МОЛОКЕ С САХАРОМ ПРИ ЕГО РАСПЫЛИВАНИИ В ВАКУУМКАМЕРЕ

4.1 Теплофизические характеристики анализируемых систем При проведении аналитического обоснования в качестве объекта исследования рассматривалось молоко цельное сгущённое с сахаром.

Исходные данные (продукт – молоко цельное сгущенное с сахаром).

Массовая доля влаги – 26,5%. Массовая доля сахарозы – 45,0%. Массовый процент сухого молочного остатка – 28,5% в т.ч.: жира – 8,5%; белка – 7,2%; лактозы – 11,5%.

Температура продукта на входе в форсунку t = 65 °С; 85 °С.

Давление продукта перед форсункой р0= 4 105 Па Абсолютное (остаточное)давление в вакуум – камере рк = 0,02 105 Па Температура насыщения водяного пара при давлении рк, tк 17,3 °С Плотность сгущённого молока с сахаром При лабораторных исследованиях сгущённого молока с сахаром была получена зависимость:

из которой следует, что: при t = 65°С, = 1265 кг/м3и при t = 85°С, = кг/м3.

По данным [25,65,105] плотность продуктов молочных сгущенных с сахаром находится в диапазоне (1260/1320) кг/м3.

В соответствии с формулой аддитивности:

где: в, ж, c, сомо– плотность воды, молочного жира, сахара, сухого обезжиренного молочного остатка; mв, mж, mc, mсомо– массовая доля воды, молочного жира, сахара, сухого обезжиренного молочного остатка.

Принимаем сомо= 1600 кг/м3 [91].

Плотность молочного жира, в соответствии с [59], в интервале Т = (303 – Тогда, при Т = 398 К (65 °С), ж = 887 кг/м Принимаем плотность молочного жира при 85 °С приблизительно равной плотности при 65°С.

Плотность монокристалла сахарозы в интервале температур Т = (293 – 353) К [11,25]:

Тогда при t = 65 °С (338 К), с 1535 кг/м3 и при t = 85 °С (353 К), с 1524 кг/м3.



Pages:   || 2 |
 
Похожие работы:

«ЛОГИНОВ ВИТАЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ пропионовокислыми бактериПОЛУТВЁРДОГО СЫРА С ями. Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание степени кандидата технических наук Научный руководитель :доктор технических...»

«ДЬЯКОНЕНКО Анна Николаевна ФОРМИРОВАНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ТОВАРОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЯЙЦЕПРОДУКТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПУТЕМ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРБОТКИ КУРИНОГО ЯЙЦА Специальность: 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания...»

«МАКСЮТОВ РУСЛАН РИНАТОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ЙОДОБОГАЩЁННЫХ КУМЫСНЫХ НАПИТКОВ С ИНУЛИНОМ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и) Диссертация на соискание...»

«ЧЕЧКО СВЕТЛАНА ГЕННАДЬЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВЛЕНЫХ СЫРНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ НИЗКОЖИРНОГО ТВОРОГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИКОРАСТУЩЕГО СЫРЬЯ Специальность: 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств...»

«КОШЕЛЕВА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИРОВОЙ ФАЗЫ МОЛОКА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СЛИВОЧНО-БЕЛКОВОГО ПРОДУКТА Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор технических...»

«ПОПОВА НАТАЛИЯ ВИКТОРОВНА ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОКА И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов...»

«ГУЖЕЛЬ ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА НАПИТКОВ БРОЖЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЭКСТРАКТА ХВОИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного...»

«КАЙМБАЕВА ЛЕЙЛА АМАНГЕЛЬДИНОВНА НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МЯСА И ПРОДУКТОВ УБОЯ МАРАЛОВ Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Узаков Я.М. Улан-Удэ - СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 1.1...»

«ВИНИЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ В ВАКУУМАППАРАТЕ С СВЧ - ЭНЕРГОПОДВОДОМ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 – ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«БАБЕНКО МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА В ПОЛЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«Гринюк Анна Валентиновна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ КРОВИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОГО АЗОТА В КАЧЕСТВЕ АГЕНТА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и...»

«ШЕЛЕПИНА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНА СОВРЕМЕННЫХ СОРТОВ И ФОРМ ГОРОХА Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства Диссертация на соискание ученой степени...»

«ВОЛОТКА ФЁДОР БОРИСОВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЫБНЫХ ФОРМОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РЫБ ПРИБРЕЖНОГО ЛОВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ Специальность 05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на...»

«КИРАКОСЯН Дмитрий Валерьевич ОЧИСТКА ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ ОТ ПРИМЕСЕЙ НА РИФЛЕНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Васильев А.М. Москва Оглавление ВВЕДЕНИЕ...»

«ВАСИЛЬЕВА ИРИНА ОЛЕГОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МЯСНОГО ПРОДУКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОЛЛАГЕНА И МИНОРНОГО НУТРИЕНТА 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических...»

«БАЖЕНОВА БАЯНА АНАТОЛЬЕВНА НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОДУКТОВ ИЗ МЯСА ЯКОВ И ЛОШАДЕЙ БУРЯТСКОГО ЭКОТИПА Специальность: 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных...»

«СИДЯКИН МАКСИМ ЭДУАРДОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : д.т.н., проф. Л.Н. Крикунова Москва –...»

«Беляева Лидия Александровна ИССЛЕДОВАНИЕ СОХРАНЯЮЩИХ ФАКТОРОВ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОДЛИННОСТИ ПРИРОДНОЙ БУТИЛИРОВАННОЙ СТОЛОВОЙ ВОДЫ Специальность 05.18.15 – технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические науки) ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«ГУНЬКО Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ МЕТОДАМИ Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«БИЛЯЛОВА АНАСТАСИЯ СЕРГЕЕВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ДОБАВКИ К ПИЩЕ НА ОСНОВЕ ВЫСШЕГО БАЗИДИАЛЬНОГО ГРИБА Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.