Разработка технологической линии производства заменителя цельного молока

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для молочной отрасли промышленности нашей страны, а также многих зарубежных стран характерна прочно установившаяся тенденция увеличения выпуска различных заменителей цельного и обезжиренного молока, используемых для выпойки молодняка сельскохозяйственных животных. Расширение ассортимента выпускаемых заменителей обусловлено необходимостью обеспечения молодняка различных видов и возрастных групп сельскохозяйственных животных, а также использованием различных видов сырья для их производства и способов его подготовки.

Стремление полного обеспечения сельскохозяйственного молодняка заменителями, позволяющими частично или полностью высвободить используемое для его выпойки цельное и обезжиренное молоко, вызывает необходимость расширения ассортимента за счет появления новых видов заменителей на основе использования различных видов сырья, в том числе нетрадиционного.

Анализ явлений и процессов предполагает установление связей, качественных и количественных, между объектами, потоками рабочих тел, их свойствами, параметрами. При этом качественные связи направлены, прежде всего, на установление характера влияния тех или иных параметров на ход технологического процесса, количественные — на доведение анализа «до числа», т. е. на расчёт требуемых характеристик процесса. В конечном итоге реализация качественных и количественных связей должна привести к созданию инженерной методики расчёта технологического аппарата и проводимого в нём процесса.

Следует отметить, что стадия доведения конкретного процесса до про-мышленных масштабов зачастую занимает существенно больше времени, нежели его лабораторная проработка. Мало создать технологический процесс в пробирке или лабораторной установке, мало изучить его механизм и кинетику, отработать оптимальные условия его осуществления; надо ещё обеспечить такие условия в промышленном агрегате, чтобы механизм и кинетика были достаточно хорошо воспроизведены. В этом и состоит главная задача инженера-технолога — анализ и детальный расчёт гидродинамической, тепловой, диффузионной и биохимической обстановки, найденной в лабораторных условиях и необходимой для успешного проведения промышленного процесса. И как бы ни шло развитие биотехнологии, как бы ни изменялись её потребности и направленность, уровень подготовки инженера, его осведомлённость в данных вопросах будет играть важнейшую роль в проектировании, организации и промышленном исполнении технологического процесса.

Данная работа посвящена разработке технологической линии выработки заменителя цельного молока, подбору оборудования и расчёту аппарата, в котором проходит основной технологический процесс, определяющий показатели качества готового продукта.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ЗАМЕНИТЕЛЯ ЦЕЛЬНОГО МОЛОКА «ЗЦМФ»

Настоящий раздел посвящён описанию процесса выработки заменителя цельного молока, на основании данных которого впоследствии будет составлена технологическая линия.

1.1 Описание вырабатываемого продукта Возможность замены цельного молока при выращивании молодняка сельскохозяйственных животных другими, не менее ценными кормами давно привлекала внимание исследователей.

Впервые об этом упоминается в Еженедельных известиях Российского вольного экономического общества за 1788−1789 гг.

В середине 60-х — начале 70-х годов прошлого века в нашей стране была принята государственная программа по развитию новой отрасли — производству сухих заменителей цельного молока для сельскохозяйственных животных (ЗЦМ).

В 1969 г. по инициативе директора Всесоюзного научно-исследовательского института молочной промышленности Н. Н. Липатова и заместителя директора А. А. Соколова в институте была организована научно-исследовательская лаборатория ЗЦМ. Работы в этом направлении проводились также во Всесоюзном институте жиров.

Освоение технологии происходило на действующих молочно-консервных заводах, были введены также десятки новых заводов по производству этого продукта. Ежегодно в Советском Союзе вырабатывали около 400 тыс. т сухого ЗЦМ, в результате чего молочная промышленность дополнительно получала около 7 млн. т молока, которое использовали на питание людей в виде различных молочных продуктов.

После резкого спада в конце девяностых годов прошлого века объемы производства ЗЦМ стали увеличиваться, однако пока они не достигли и 10% от уровня 1990 г. Один из крупнейших производителей ЗЦМ в России — ООО «Молоко» (торговая марка «Молога»).

Производство и применение ЗЦМ обеспечивает:

* увеличение товарности и дополнительный объем молока, поступающего на предприятия молочной промышленности;

* использование питательного и биологически ценного молочного жира на пищевые цели;

* повышение степени использования производственных мощностей на предприятиях молочной промышленности;

* снижение затрат на откорм телят за счет обеспечения их более дешевым, чем молоко, и полноценным кормом на натуральной молочной основе с необходимым набором витаминов, минеральных веществ, аминокислот;

* высокое санитарное качество корма телят и, как следствие, уменьшение их заболеваемости и падежа.

Использование ЗЦМ в кормлении телят получило широкое распространение во всем мире. Например, в Дании применяют молочный заменитель «КИП», в Нидерландах — «Денковит» и «Нукомель», в Швеции — «Кальвакс», в Польше — «Млекопан».

По способу производства различают сухие ЗЦМ и регенерированное молоко.

1.2 Характеристика сухих ЗЦМ ЗЦМ содержат от 93 до 96% сухих веществ, в т. ч. 22−26% протеина, 16−20% жира и жироподобных веществ. Кислотность продуктов после восстановления составляет от 22 до 80 0 Т, индекс растворимости — 0,8−1 см3 сырого осадка. Бактерии группы кишечных палочек не допускаются в 0,1 г продукта.

В ферментированных ЗЦМ нормируют содержание молочнокислых или других микроорганизмов, применяемых в процессе ферментации. Например, в ЗЦМ-Ф количество ацидофильных молочнокислых палочек в 1 г продукта должно быть не менее 1 млн.

Гарантийный срок хранения разных видов ЗЦМ составляет от 4 до 6 месяцев со дня выработки, при температуре от 0 до 10єС и относительной влажности воздуха не более 85%. ЗЦМ отличаются видом белковой основы (см. табл. 1).

Таблица 1 — Классификация некоторых видов ЗЦМ по виду белковой основы

* Допускается использование пахты для замены до 30% сухих веществ обезжиренного молока с соответствующим уменьшением массы жиров, предусмотренных рецептурой и сыворотки молочной подсырной несоленой для замены 12% сухих веществ обезжиренного молока.

Молочный жир не используется в производстве ЗЦМ. В рецептуры ЗЦМ включены жиры немолочного происхождения по составу и температуре плавления приближенные к молочному жиру:

· животные — костный, говяжий, свиной;

· жиры, состоящие из смеси натуральных и обработанных растительных масел и животных жиров;

· гидрогенизированные животные и растительные жиры;

· жиры кондитерские, кулинарные, хлебопекарные;

· жир «Зацемол», полученный путем кислотной обработки нерафинированного саломаса с добавлением фосфатидного концентрата, масляных препаратов жирорастворимых витаминов А, Д, Е.

В рецептуры входят также:

· антиокислители жиров. Принцип их действия заключается в том, что молекула антиокислителя взаимодействует с активными радикалами, поддерживающими цепь окислительных превращений, в результате чего образуются малоактивные радикалы, и процесс окисления замедляется, или прекращается вовсе.

К природным антиокислителям относятся токоферолы, лецитин. Широкое применение находят синтетические препараты, в основном производные фенолов, ароматических аминов. Из синтетических антиокислителей применяют бутилокситолуол, сантохин и другие;

· эмульгаторы — фосфатидные концентраты, дистиллированные моноглицериды, необходимые для образования и стабилизации эмульсии, для обеспечения диспергирования жира до 2−10 мкм, что соответствует величине жировых шариков коровьего молока;

· жирорастворимые (А, Д, Е) и водорастворимые (С, РР и группы В) витамины;

· минеральные добавки макрои микроэлементов кальция, фосфора, калия, натрия, хлора, цинка, железа, йода, кобальта;

· бактериальные концентраты сухой ацидофильной палочки;

· сухие бактериальные закваски ацидофильной палочки, устойчивые к температурам распылительной сушки;

· сухие бактериальные закваски пропионовокислых бактерий;

· кукурузный экстракт;

· антибиотики, имеющие существенное значение при ограничении выпойки телят цельным молоком, как с целью профилактики заболеваний, так и для повышения продуктивности. Применяют кормовые препараты антибиотиков различной активности: кормогризин, бацилихин и другие.

Однако антибиотики в составе ЗЦМ угнетают не только патогенную, но и полезную микрофлору, способствуют появлению устойчивых к антибиотикам штаммов микроорганизмов. Кроме того, антибиотики, накапливаясь в органах и тканях животных, представляют определенную опасность для здоровья человека. В связи с этим с 2006 г. в странах ЕС введен полный запрет на применение антибиотиков в кормах для животных. Например, во Франции для защиты животных от различных заболеваний в состав заменителей молока вводится коппер — вещество, повышающее уровень гемоглобина в крови и, следовательно, сопротивляемость организма.

Значительное повышение цен на обезжиренное молоко привело к невыгодности выработки ЗЦМ по рецептурам, в основе которых до 80% обезжиренного молока. Высокая стоимость — наиболее существенный недостаток ЗЦМ, который сводит к минимуму все остальные преимущества.

Рынок заполнили более дешевые Кальволак, Провимилк, Кальвомилк, Йостен-милк и другие продукты зарубежных фирм или совместно организованных ООО. Возникла настоятельная потребность в разработке отечественных ЗЦМ нового поколения, во-первых, обеспечивающих оптимальный рост и развитие животных в течение молочного периода выращивания и их высокую продуктивность во взрослом состоянии, во-вторых, доступных по цене.

1.3 Перспективные направления в производстве ЗЦМ Производство ЗЦМ по новым рецептурам, во-первых, ориентировано на широкое использование сыворотки, в том числе творожной. По вопросу о максимально возможных количествах сыворотки в составе заменителей молока существуют разные мнения. Приводимые в литературе данные колеблются от 23 до 89%.

Во ВНИМИ при разработке рецептур сухих ЗЦМ их корректируют по содержанию сыворотки с учетом трех возрастных групп телят:

— первая группа (возраст телят до 25 дней) — содержание сыворотки не более 30% (лактозы — 18−21%);

— вторая группа (возраст телят до 45 дней) — содержание сыворотки не более 40% (лактозы — до 31%);

— третья группа (возраст телят до 60 дней) — содержание сыворотки не более 50% (лактозы — до 38%).

Ограничение доли сыворотки вызвано тем, что лактоза плохо усваивается молодыми животными, а творожная сыворотка имеет высокую кислотность.

Известно, что при раннем переходе на кормление ЗЦМ телята нередко страдают диареей из-за лактозной непереносимости. Недаром в молозиве, богатом белками, содержание лактозы в 2 раза меньше, чем в молоке.

Усвоение лактозы увеличивается по мере развития преджелудков (рубца и книжки). Этот процесс заканчивается к 2−2,5 месяцам жизни теленка.

Наиболее эффективным и доступным способом снижения содержания лактозы является биотехнологический метод обработки сыворотки. Он основан на молочнокислом брожении лактозы, с последующей нейтрализацией молочной кислоты оксидом и гидроксидом кальция, обогащающими сыворотку лактатами кальция.

Наличие в сыворотке легкоусвояемых многими микроорганизмами источников углеродного питания, а также различных ростовых факторов выдвигает ее в ряд наиболее ценных питательных сред для получения продуктов микробного синтеза.

Ферментированная творожная сыворотка не только сохраняет все нативные компоненты исходного продукта (белок, жир, витамины и минеральные вещества), но и обогащается необходимой для организма теленка полезной микрофлорой, ферментами и кальцием. Процесс ферментации творожной сыворотки целесообразно проводить до содержания лактозы в готовом продукте около 1%.

Смешивание ферментированной сыворотки с раскисленной нативной позволяет регулировать в заданных соотношениях содержание лактозы в составе ЗЦМ для различных возрастных категорий молодняка сельскохозяйственных животных.

Важно отметить, что низколактозная творожная сыворотка, обогащенная лактатами кальция, легко подвергается распылительной сушке.

Таким образом, применение микробного синтеза для обработки творожной сыворотки способствует увеличению до 65% доли ее использования в составе различных видов ЗЦМ, что открывает дальнейшие перспективы промышленной переработки сыворотки.

Второе направление — применение высококачественных белковых компонентов растительного происхождения. До 30% протеина животного происхождения можно заменять растительными протеинами, например соей, вводимой в рецептуру в виде соевого молока или соевой муки. Соевая мука превосходит соевое молоко по содержанию белка и жира и представляет собой измельченные до муки соевые обжаренные семена, имеет кремовый цвет с приятным ореховым запахом и слабо выраженным сладким привкусом. Соевая мука содержит высококачественные белки, жиры, диетическую клетчатку, минеральные вещества, витамины. Качество ЗЦМ повышается при использовании вместо соевой муки легкоусвояемых соевых изолятов с частично гидролизованным белком.

Растительный белок из такого растения как нут, не уступает по своей ценности животным белкам и по питательности приравнивается к сое.

Долю обезжиренного молока в рецептуре сыворотки можно значительно сократить за счет использования смесей из муки овсяной, пшеничной, из семян рапса с низким содержанием глюкозинолатов, люпина малоалкалоидных сортов, льносемени, тритикале и других ингредиентов.

Цена одной тонны восстановленного жидкого ЗЦМ, выработанного по рецептурам, включающим сыворотку и растительные белки, почти в два раза меньше средней закупочной цены на молоко. Следует, однако, учитывать то, что чем выше содержание молочных продуктов в заменителе молока, тем раньше он может быть введен в рацион теленка. Внесение в ЗЦМ возрастающего количества растительных компонентов отодвигает начало его использования в кормлении животных.

Третье направление — обогащение заменителей концентратом лактулозы «Лазет» в качестве бифидогенного фактора и средства активизации иммунной системы, введение в рецептуру ЗЦМ витаминов, минеральных веществ, аминокислот и других биологически активных веществ.

В России для выпойки одного теленка тратится от 200 до 500 кг цельного молока, то есть до 15% годового удоя. Применение биологически полноценных, созданных по научно обоснованным нормам ЗЦМ позволит сэкономить более 70% цельного молока, предназначенного для выпойки телят, без снижения интенсивности роста и нарушения состояния здоровья животных, комплексно и полно использовать ценное молочное сырье.

1.4 Способы производства Сухие ЗЦМ вырабатывают с использованием распылительной и контактной сушки. Распылительная сушка имеет преимущества, так как при контактной сушке возможно выделение свободного жира в процессе сушки.

Известны два способа получения ЗЦМ: первый способ — высушивание всех компонентов смеси, второй — смешивание компонентов с сухой молочной основой.

Наибольшее распространение получил способ производства ЗЦМ высушиванием всех компонентов. Активно разрабатывается менее энергоемкая и менее трудоемкая технология, основанная на сухом смешивании компонентов. Сухое обезжиренное молоко, овсяная или соевая мука, гидрогенизированные растительные и животные жиры, эмульгатор, антиокислитель, премиксы смешиваются в несколько стадий в горизонтальных смесителях периодического действия. В аппарат дозируется определенная порция сухих компонентов, а затем проводят смешивание, добавляя горячую жидкую композицию. Наличие жидкой фазы в сыпучем материале резко изменяет его свойства, приводит к образованию агломератов частиц, получение однородной массы ЗЦМ затруднено. Проблема и сдерживающий фактор технологии сухого смешивания — отсутствие отечественного сухого высокожирного компонента, обладающего свойствами сыпучего порошка

1.5 Технология сухого ферментированного ЗЦМ (ЗЦМ-Ф) ВНИКМИ совместно с ВИЖем разработан заменитель цельного молока для выпойки телят, обладающий лечебно-профилактическими свойствами. В составе заменителя 20% сухих веществ обезжиренного молока заменено молочной сывороткой, ферментированной ацидофильными и пропионовокислыми бактериями.

Заменитель представляет собой мелкий порошок, получаемый путем высушивания смеси из обезжиренного молока, ферментированной молочной сыворотки, растительных и животных жиров, стабилизированных антиокислителями, эмульгаторов, препаратов жирорастворимых витаминов (табл. 2).

Таблица 2 Физико-химические, микробиологические и органолептические показатели ЗЦМ-Ф

Таблица 3 Расход сырья, кг на 1000 кг ЗЦМ-Ф с учётом потерь

Технологический процесс производства ЗЦМ-Ф состоит из следующих операций: приемка и подготовка молочного сырья; пастеризация и охлаждение молочной сыворотки, ферментация молочной сыворотки, сгущение обезжиренного молока и пахты, приготовление жирофосфатидной смеси, составление и диспергирование молочно-жировой смеси, составление и сушка, смеси ЗЦМ, охлаждение, фасование, упаковывание, хранение.

В целом технологический процесс аналогичен процессу производства сухих заменителей цельного молока для телят. Характерной операцией для данного вида заменителя является ферментация молочной сыворотки, которая заключается в следующем.

В молочную сыворотку, предназначенную для ферментации, вносят кукурузный экстракт, устанавливают pH среды от 6,0 до 6,3 раствором едкого натра, пастеризуют при температуре 72? С с выдержкой 15 с и охлаждают до 37 °C.

При использовании последней ее предварительно разбавляют творожной сывороткой до массовой доли сухих веществ 20%.

В охлажденную сыворотку добавляют поочередно кукурузный экстракт и раствор хлорида кобальта. Его приготавливают, растворяя 100 г соли в небольшом количестве (1—2 л) прокипяченной воды.

Для получения посевной культуры ацидофильных бактерий бактериальный концентрат ацидофильных палочек активизируют при температуре 37 °C в течение 3—4 ч в 4—6 л обезжиренного молока, стерилизованного при температуре 121 °C.

Активизированную культуру ацидофильных палочек вносят в подготовленную описанным выше способом среду и выращивают при температуре 37 °C в течение 3—5 ч, затем вносят сухую культуру пропионовокислых бактерий, сыворотку тщательно перемешивают и смесь микроорганизмов выращивают в течение 20—22 ч при температуре 30 °C.

Раствором едкого натра устанавливают pH ферментированной сыворотки от 6,8 до 7,0 и направляют сыворотку в емкость для приготовления смеси ЗЦМ.

Для ферментации были отобраны штаммы ацидофильных бактерий из коллекции Центральной лаборатории микробиологии ВНИКМИ, обладающие высокой антибиотической активностью и устойчивые к распылительной сушке.

Штамм Propionobacterium shermanii получен из ВГНКИ вет-препаратов.

Установлено, что при совместном выращивании в сыворотке L. acidophilus и P. shermanii в течение 24 ч количество ацидофильных бактерий составляет 400—500 млн клеток в 1 мл, количество пропионовокислых бактерий — 200—300 млн клеток в 1 мл, количество витамина B12— до 800 мкг/л.

С целью более рационального использования оборудования целесообразно проводить ферментацию предварительно сгущенной сыворотки. Однако известно, что увеличение концентрации сухих веществ в сыворотке приводит к ингибированию роста молочнокислых бактерий. Проведенными исследованиями установлено, что повышение концентрации сухих веществ в сгущенной сыворотке до 20% не приводит к значительному снижению интенсивности роста L. acidophilus и P. shermanii, при 25% сухих веществ количество жизнеспособных клеток ацидофильных бактерий снижается в 31 раз, количество витамина B12— в 8,3 раза. При массовой доле сухих веществ 30% развитие указанных микроорганизмов прекращается.

Таблица 4 Влияние массовой доли сухих веществ в сыворотке на развитие молочнокислых бактерий

Таким образом, установлено, что предварительное сгущение молочной сыворотки, предназначенной для ферментации, нужно проводить до массовой доли в ней сухих веществ 20%.

Сухой ЗЦМ-Ф содержит в 1 г продукта миллионы живых клеток ацидофильных бактерий, обладает титром антибиотической активности 8—16 по отношению к Е. coli и S. aureus. В 1 г продукта содержится 4—6 мкг витамина В12.

Таблица 5 — Рецептура ЗЦМ-Ф

1) Масса сгущённого обезжиренного молока (Кп.сг — коэффициент потерь при сгущении, Кп. сг = 4,5%):

2) Масса влаги испаренной при сгущении обезжиренного молока:

3) Масса потерь при сгущении обезжиренного молока:

4) Баланс процесса сгущения обезжиренного молока:

Рис. 1. Схема производства сухого ферментированного заменителя цельного молока ЗЦМ-Ф

5) Масса сыворотки после предварительного сгущения:

6) Масса влаги испаренной при предварительном сгущении сыворотки:

7) Масса потерь при предварительном сгущении сыворотки:

8) Баланс процесса предварительного сгущения сыворотки:

9) Масса ферментированной сыворотки:

10) Масса смеси ЗЦМ:

11) Массовая доля сухих веществ смеси перед сушкой:

12) Масса сухого продукта:

13) Масса влаги испаренной при сушке:

14) Масса потерь при сушке:

15) Баланс процесса сушки:

производство молоко заменитель

2. ОБЗОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СУШКИ Сушка широко применяется при переработке сельскохозяйственного сырья, в производстве пищевых продуктов, биологически активных веществ, препаратов и концентратов.

Сушка позволяет сократить потери ценных ингредиентов в процессе хранения и создать безотходные производства. Существенным недостатком этого процесса являются высокие энергетические затраты.

Снизить их можно как за счет повышения эффективности сушильных установок, так и за счет оптимизации режимов сушки.

В соответствии с основными принципами теории сушки при разработке современных сушильных установок необходимо учитывать свойства продукта как объекта сушки особенности различных методов сушки, желательные режимы сушки. Требования, которые необходимо учитывать при разработке новых аппаратов, можно разбить на пять основных групп: технологические, конструктивные, эксплуатационные, кибернетические и технико-экономические.

Технологические требования:

— высокая эффективность и равномерность сушки во всем объеме сушильной камеры;

— получение однородного продукта с заранее заданными свойствами (влажность, температура, гранулометрический состав, плотность и др.);

— совмещение сушки с другими техническими процессами (обжарка, дробление, гранулирование и др.).

Конструктивные требования:

— минимальное использование дефицитных материалов;

— компактность;

— максимальное использование стандартных деталей и узлов;

— технологичность производства;

— удобство монтажа.

Эксплуатационные требования:

— безопасность;

— соответствие санитарным нормам;

— непрерывность процесса сушки;

— удобство обслуживания и ремонта;

— максимальная механизация и автоматизация технологических операций;

— использование вторичных энергетических ресурсов.

Кибернетические требования:

— соответствие требованиям автоматизации контроля;

— регулирование и управление процессами сушки, работой установки.

Технико-экономические требования — это итог вышеизложенных требований, которые в целом должны максимально улучшить технико-экономические показатели установки. При этом ряд показателей должны приближаться к максимальным значениям: производительность установки, удельный съем влаги в сушильной камере; ряд показателей должны приближаться к минимальным значениям: продолжительность сушки, удельный расход тепла, электроэнергии, металла.

Широкий ассортимент и разнообразие продуктов, подвергаемых сушке, стало основанием для разработки разнообразных конструкций сушилок. Строгой классификации сушильных агрегатов нет. В общих чертах классификацию сушилок можно представить так:

— по способу подвода теплоты сушилки подразделяются на конвективные и контактные;

— по виду теплоносителя сушилки могут быть воздушные, газовые, паровые;

— по давлению в сушильной камере сушилки подразделяются на вакуумные и работающие при атмосферном давлении;

— по способу действия — периодические и непрерывные;

— по движению материала и теплоносителя конвективные сушилки подразделяются на прямоточные, противоточные и с перекрестным током;

— по конструкции сушилки могут быть камерные, туннельные, ленточные, шахтные, распылительные, барабанные, контактные, терморадиационные, сублимационные.

Наибольшее применение в промышленности получили конвективные сушилки, в том числе ленточные, барабанные, распылительные и в кипящем слое, реже используются контактные сушилки.

Барабанные сушильные установки работают при атмосферном давлении. Их применяют для сушки ферментных препаратов, органических кислот, молочного сахара, казеина и других продуктов. В этих сушилках потери не превышают 10 — 15% (в сушилках других типов потери достигают 25%).

Сушку осуществляют потоком подогретого воздуха при прямоточном или противоточном движении продукта и теплоносителя. Сушилка состоит из цилиндрического сварного корпуса, распределительного устройства, подъемно-лопастной системы для перемешивания продукта, разгрузочного устройства, вентилятора, циклона и электродвигателя с редуктором. Барабан установлен на двух роликовых опорах с углом наклона 0,5 — 6° в сторону выгрузки продукта. Внутри барабана расположены распределительное устройство для подачи продукта на сушку и подъемно-лопастная система для перемешивания и перемещения продукта по ходу сушки. Для повышения эффективности перемешивания используют наклонные насадки различной конфигурации. Расположение насадок обеспечивает равномерное распределение продукта по всему сечению барабана и продвижение его к разгрузочному устройству. Барабан вращается от привода через редуктор и зубчатый венец, расположенный на корпусе. Частота вращения барабана 3 — 8 мин-1. Температура греющего воздуха на входе не должна превышать 90 — 95 °C. температура воздуха на выходе из сушилки — 60 — 65 °C, температура продукта в процессе сушки не превышает 30 — 40 °C.

Для снижения унос продукта с воздухом скорость воздуха при подаче в сушилку должна быть не более 2 — 3 м/с. Очистку воздуха от продукта производят в циклоне. Отработавший воздух после очистки смешивают со свежим воздухом, и после подогрева смесь возвращается в сушилку.

Пневматические сушилки с взвешенным слоем продукта применяются для сушки кормовых дрожжей, антибиотиков, концентратов лизина, ферментных препаратов и других субстанций. Принцип работы этих сушилок заключается в том, что продукт в виде порошка или кристаллов высушивается во взвешенном состоянии в потоке нагретого воздуха.

Сушилка состоит из дозатора, питателя, сушильной пневмотранспортной трубы, сборника-амортизатора, циклона, фильтра, разгрузочного устройства. В комплект сушилки входит вентилятор и нагреватель воздуха.

Мелкозернистый или кристаллический продукт через дозатор и питатель подается в вертикальную сушильную пневмотранспортную трубу длиной 10 — 20 м.

Снизу в трубу вентилятором нагнетается очищенный и нагретый до заданной температуры воздух. Продукт увлекается потоком воздуха по трубе вверх со скоростью до 40 м/с. В трубе он высушивается и выбрасывается в сборник-амортизатор. Из сборника продукт направляется в циклон, отделяется от воздуха и удаляется через разгрузочное устройство. Отработавший воздух дополнительно очищается на фильтре и удаляется в атмосферу.

Процесс сушки продукта длится несколько секунд. Практически 1 кг воздуха способен переместить по сушильной трубе от 8 до 20 кг высушиваемого продукта.

Данный вид сушилок имеет свои преимущества и недостатки.

К достоинствам сушилок относятся:

— простота и компактность установки;

— высокая интенсивность сушки;

— кратковременное пребывание продукта в сушилке.

К недостаткам установок относятся:

— сложность регулирования процесса сушки;

— возможность взрыва при сушке горючих и пылящих продуктов;

— сравнительно большой расход энергии.

Многоленточная сушилка с опрокидывающимися пластинами используется для сушки мелкозернистых и кристаллических продуктов. Она проста по устройству и состоит из прямоугольной камеры, нескольких бесконечных цепных транспортеров, калориферов для нагрева воздуха и разгрузочного транспортера.

Ленты транспортера выполнены в виде плоской проволочной сетки, которая закреплена в рамке и шарнирно соединена с тяговой цепью. Продукт через загрузочный узел поступает на верхнюю ветвь транспортера и перемещается вместе с пластинами верхней ветви. Перед звездочкой опрокидывающиеся пластины верхней ветви поворачиваются вокруг оси на 90°, и материал пересыпается на внутреннюю полость нижних пластин, перемещающихся в обратном направлении. У следующей звездочки эти операции повторяются. Высушиваемый материал, передвигаясь в камере сверху вниз, высушивается и ссыпается на разгрузочный транспортер.

Воздух, нагретый в калориферах, вентилятором подастся снизу в сушильную установку и после контакта с материалом на всех лентах удаляется из сушилки по каналам для отработавшего воздуха.

Вальцовые сушилки используют для сушки жидких продуктов при атмосферном давлении или под вакуумом. По конструкции они могут быть одновальцовые и двухвальцовые. Основными узлами сушилки являются: вращающийся барабан, привод барабана, корыто для приема высушиваемого продукта, мешалка для перемешивания продукта в корыте, нож для снятия продукта с барабана, шнек для удаления сухого продукта.

Высушиваемый продукт подается в корыто, где перемешивается мешалкой и наносится на барабан за счет его частичного погружения в корыто. Толщина высушиваемого слоя может колебаться от 0,1 до 1 мм и зависит от концентрации сухих веществ в растворе. В некоторых конструкциях вальцовых сушилок продукт наносится на барабан при помощи валиков, намазывающих слой раствора на барабан или путем его распыления. В течение одного оборота барабана слой продукта успевает высохнуть и снимается с его поверхности ножом. Высушенный продукт шнеком удаляется из сушилки. Пар давлением до 0,5 МПа поступает в барабан через полую цапфу, конденсат отводится через ту же цапфу по сифонной трубе.

Сушилка двухвальцовая атмосферная состоит из двух барабанов-вальцов, привода вальцов, устройства для нанесения продукта, вытяжного зонта, двух шнековых досушивателей, ножей для снятия продукта с вальцов. Поверхность вальцов тщательно отшлифована. Вальцы вращаются навстречу друг другу с частотой 2 -10 мин-1 в закрытом кожухе. Один из них установлен в подвижных подшипниках, что позволяет регулировать зазор между вальцами в пределах 1 — 2 мм. Ножи для съема продукта плотно прижимаются к вальцам с помощью прижимного устройства. Над вальцами расположен вытяжной зонт и распылительное устройство для нанесения продукта на вальцы.

Процессы сушки и съема высушенного продукта осуществляются так же, как в одновальцовой сушилке. Продукт, снятый с вальцов, досушивают (при необходимости) в шнековых досушивателях. Шнеки имеют индивидуальный привод. Досушенный продукт выводится из сушилки.

Сублимационные сушилки предназначены для сушки высокотермолабильных микроорганизмов, дрожжей, витаминов, антибиотиков, ферментов и др. Сублимационная сушка заключается в удалении влаги из продуктов путем их замораживания и последующего перевода льда в пар, минуя жидкую фазу, при нагревании продукта под вакуумом.

Процесс сублимационной сушки начинается с замораживания продукта при температуре минус 20 — 30 °C. Когда влажность продукта уменьшится до минимальной, температура материала поднимается до плюс 30 — 40 °C. Такие условия сушки сводят к минимуму процесс окисления продукта из-за малого содержания кислорода в газовой среде сушильной камеры. Сублимационные сушилки бывают периодического и непрерывного действия.

В состав периодической установки входят: сушильная камера (сублиматора), этажерка полых полок, два теплообменника (для подогрева и охлаждения), насос для теплоносителя и насос для хладоагента, конденсатор-десублиматор, две холодильные установки.

Высушиваемый материал загружается на полки этажерки сублиматора. Сублиматор работает сначала как охлаждающая камера поступившего на сушку материала, затем как сушильная. При режиме охлаждения внутрь полок насосом подают охлаждающий агент. Продукт охлаждается до 20 — 30 °C ниже нуля.

Когда сублиматор работает в режиме сушилки, во внутрь полых полок подается теплоноситель. Продукт нагревается до температуры 30 — 40 °C.

Конденсация паров, образуемых при сушке в сублиматоре, производится в конденсаторе-десублиматоре. Он представляет собой теплообменник. В межтрубное пространство поступает паровоздушная смесь из сублиматора, а по трубам проходит хладагент (аммиак, фреон), подаваемый от холодильной установки. Температура охлаждаемых поверхностей достигает 40 — 60 °C ниже нуля.

Пары из сублиматора конденсируются в виде слоя льда на поверхности охлаждаемых труб десублиматора. Образовавшийся на трубах лед периодически оттаивают, для чего в трубы подают горячую воду из подогревателя. Неконденсирующиеся газы удаляются из десублиматора вакуумнасосом.

В последнее время получили большое применение сублимационные сушилки непрерывного действия. Непрерывная сублимационная сушилка состоит из двух сублиматоров и двух десублиматоров, работающих попеременно. Часовая производительность сублимационных сушилок непрерывного действия по испаренной влаге составляет более 200 кг. Время пребывания продукта в сушилках от 40 до 110 мин, максимальная температура продукта в конце сушки не более 27 °C.

Распылительные сушильные установки широко используются в различных отраслях промышленности. В биотехнологической промышленности их используют для высушивания концентратов культуральной жидкости кормовых антибиотиков, аминокислот, ферментов, экстрактов культур дрожжей и т. д. Концентрация сухих веществ в растворах, поступающих на сушку, должна быть не менее 10%. Этот вид сушилок позволяет проводить процесс при довольно мягких режимах, что исключает или значительно сокращает потери биологически активных веществ. Кроме того, сушилки позволяют совмещать процесс сушки и микрокапсулирования.

Достоинствами распылительных сушилок являются:

— кратковременное воздействие температуры на высушиваемый продукт;

— низкая температура материала при сушке;

— получение продукта в виде мелкого порошка, не требующего дальнейшего измельчения;

— хорошая растворимость готового продукта.

Распылительные сушилки имеют и ряд недостатков:

— сравнительно большие размеры сушильной камеры;

— небольшое напряжение камеры по испаряемой влаге;

— сложность механизмов распыления и системы пылеулавливания и разгрузки;

— сравнительно высокие энергетические затраты.

Распылительные сушилки с плоским днищем относятся к прямоточным сушилкам непрерывного действия. В состав сушилки входят: сушильная камера, устройство для распыления продукта, скрепки для перемещения продукта к транспортирующим устройствам, шнек для удаления продукта из камеры, рукавные фильтры для очистки удаляемого воздуха, вентиляторы для подачи горячего воздуха и для удаления отработавшего.

Жидкий продукт поступает в сушильную камеру, где распыляется с помощью быстровращающегося диска. Одновременно в камеру подают горячий воздух, который движется параллельным потоком с продуктом. Капли жидкости в потоке горячего воздуха омываются со всех сторон теплоносителем и в течение одной или нескольких секунд теряют влагу, превращаясь в сухой порошок. Высушенный продукт осаждается на дне камеры и перемещается скребками к шнеку, который удаляет его из сушильной камеры. Отработавший воздух непрерывно отсасывается вентилятором и, проходя через матерчатый фильтр, очищается от мелких частиц продукта.

В подобных сушилках распыление жидкости может проводиться дисками или пневматическими форсунками, плоское днище может быть заменено на коническое, а подача горячего воздуха осуществляется противотоком.

Распылительные сушилки изготовляют диаметром от 7000 до 13 000 мм и производительностью по испаряемой влаге от 500 до 15 000 кг/ч. Распылительные сушилки с коническим днищем выпускают производительностью по испаряемой влаге 1500 — 3500 кг/ч. К таким сушилкам относится установка типа СРЦ-8/300 НК.

Продукт, подаваемый на сушку, распыляется с помощью диска. Горячий воздух или другой сушильный агент подается в верхнюю часть установки по трубопроводу с распределительным конусным устройством на конце, которое обеспечивает завихрение поступающего воздуха. Капли продукта подхватываются потоком воздуха и устремляются вниз. Влага испаряется, а высушенные частички продукта осаждаются в конусном днище и спускаются по его стенкам к разгрузочному устройству. Частицы продукта, осевшие на стенках, стряхиваются с помощью вибраторов. Отработавший воздух с частицами продукта удаляется из сушилки через трубопровод в циклоны для отделения порошка. Для осмотра корпуса используют подъемную тележку и дверь. Перекрытие сушилки имеет предохранительные клапаны в виде откидывающихся дисков и патрубков для выхлопа сушильных газов при резком увеличении давления.

Распылительный диск вращается с частотой 10 000 мин-1 от привода электродвигателя через редуктор. При установке сушилки на открытой площадке предусмотрена надстройка, закрывающая механизмы дискового распылителя. Сушилка может быть установлена как в закрытом помещении, так и на открытой площадке.

В сушильную установку входят: сушильная камера, фильтры для очистки свежего и отработавшего воздуха, электрокалорифер, устройство для распыления продукта, циклоны для отделения продукта от воздуха, система пневмоохлаждения готового продукта.

Предусмотренные средства автоматики обеспечивают остановку сушилки в случае превышения выше нормы содержания в газовой смеси взрывоопасных паров растворителя (спиртов, ацетона).

Сушильная камера с коническим днищем изготовлена из нержавеющей листовой стали. С целью уменьшения зависания продукта на стенках по периметру камеры установлены четыре пневматических молотка. Частота вращения распыляющего диска может изменяться в интервале от 18 000 до 25 000 мин-1.

Раствор продукта насосом высокого давления подается на распылительный диск. Количество подаваемого на сушку раствора регулируется пневматическим регулятором.

Воздух после очистки на специальном фильтре нагревается в электрическом калорифере до заданной температуры и направляется в сушильную башню. Затем он в смеси с сухим продуктом подается на циклоны, где происходит отделение продукта от воздуха. Сухой продукт охлаждается в пневмосистеме и через шлюзовой затвор непрерывно выводится из сушилки. Отработавший воздух перед выбросом в атмосферу проходит дополнительную очистку на фильтре.

В процессе сушки в газовой смеси постоянно контролируется концентрация паров растворителя. Для этих целей установлены два детектора с усилителями. При содержании в газовой смеси 3,6% спирта или 1,3% ацетона подача раствора на сушку автоматически прекращается, а вытяжной вентилятор отсоса продолжает работать. После установления допустимой концентрации паров растворителя процесс сушки автоматически возобновляется.

При сушке ферментов на распылительной сушилке снижаются потери продукта. По сравнению с сублимационными сушилками выход препаратов повышается на 12 — 15%.

Сублимационные сушилки предназначены для сушки высокотермолабильных микроорганизмов, дрожжей, витаминов, антибиотиков, ферментов и др. Сублимационная сушка заключается в удалении влаги из продуктов путем их замораживания и последующего перевода льда в пар, минуя жидкую фазу, при нагревании продукта под вакуумом.

Процесс сублимационной сушки начинается с замораживания продукта при температуре 20 — 30 °C ниже нуля. Когда влажность продукта уменьшится до минимальной, температура материала поднимается до 30 — 40 °C. Такие условия сушки сводят к минимуму процесс окисления продукта из-за малого содержания кислорода в газовой среде сушильной камеры. Сублимационные сушилки бывают периодического и непрерывного действия.

В состав периодической установки входят: сушильная камера (сублиматора), этажерка полых полок, два теплообменника (для подогрева и охлаждения), насос для теплоносителя и насос для хладоагента, конденсатор-десублиматор, две холодильные установки.

Высушиваемый материал загружается на полки этажерки сублиматора. Сублиматор работает сначала как охлаждающая камера поступившего на сушку материала, затем как сушильная. При режиме охлаждения внутрь полок насосом подают охлаждающий агент. Продукт охлаждается до 20 — 30 °C ниже нуля.

Когда сублиматор работает в режиме сушилки, во внутрь полых полок подается теплоноситель. Продукт нагревается до температуры 30 — 40 °C.

Конденсация паров, образуемых при сушке в сублиматоре, производится в конденсаторе-десублиматоре. Он представляет собой теплообменник. В межтрубное пространство поступает паровоздушная смесь из сублиматора, а по трубам проходит хладагент (аммиак, фреон), подаваемый от холодильной установки. Температура охлаждаемых поверхностей достигает 40 — 60 °C ниже нуля.

Пары из сублиматора конденсируются в виде слоя льда на поверхности охлаждаемых труб десублиматора. Образовавшийся на трубах лед периодически оттаивают, для чего в трубы подают горячую воду из подогревателя. Неконденсирующиеся газы удаляются из десублиматора вакуумнасосом.

В последнее время получили большое применение сублимационные сушилки непрерывного действия. Непрерывная сублимационная сушилка состоит из двух сублиматоров и двух десублиматоров, работающих попеременно. Часовая производительность сублимационных сушилок непрерывного действия по испаренной влаге составляет более 200 кг.

Время пребывания продукта в сушилках от 40 до 110 мин, максимальная температура продукта в конце сушки не более 27 °C.

Расчёт распылительной сушилки Исходные данные:

— масса поступающего материала M = 26 089,72 кг;

— время работы сушилки ф = 10 ч;

— температура поступающего материала tсмеси. = 55 °C;

— температура подаваемого воздуха tв.1 = 160 °C;

— температура выходящего воздуха tв.2 = 70 °C;

— исходное содержание сухих веществ S1 = 30,45%;

— конечное содержание сухих веществ S2 = 95%.

1) Материальный баланс сушильной установки:

где M1 — подача, кг;

S1 — массовая доля сухих веществ в подаваемом материале, %;

W — масса испаренной влаги, кг;

S2 — массовая доля сухих веществ в высушенном продукте, %.

2) Определим производительность сушилки по поступающему материалу:

3) Производительность сушилки по готовому продукту:

4) Производительность по упаренной влаге:

5) Объем сушильной камеры:

где, А — напряжение единицы объема сушилки по испаренной влаге, кг/(м3ч).

Напряжение объема сушилки по испаренной влаге зависит от температуры горячего воздуха:

6) Методом линейной интерполяции нашли значение А, для нашего значения температуры t:

7) Внутренний диаметр сушильной камеры определим по формуле:

8) Соотношение высоты камеры и её диаметра принимают для форсуночных распылительных сушилок — 2,5: 1,0; для сушилок с дисковым распылением — 1,2: 1,0. Для нашего случая, коэффициент соотношения между высотой и диаметром равен м = 1,2; тогда высоту камеры найдём по формуле:

9) Количество сухого воздуха, поступающего в башню:

где Lc — масса сухого воздуха, поступающего в башню, кг/ч;

d1,2 — удельное влагосодержание исходного воздуха, г/кг сухого воздуха, при температуре исходного воздуха по сухому термометру 15 °C, по влажному — 10 °C.

10) Для того, чтобы определить объёмный расход воздуха Lo найдём удельный объём влажного воздуха, отнесённый к 1 кг сухого воздуха:

где Т — температура воздуха в К;

р0 — барометрическое давление воздуха, мм рт. ст.;

d — влагосодержание воздуха, г/кг сухого воздуха.

11) Объемный расход воздуха, поступающего в башню:

12) Количество тепла, затраченного на сушку:

где i0 — удельное теплосодержание воздуха до поступления в калорифер, кДж/кг;

i1 — удельное теплосодержание воздуха при выходе из калорифера, кДж/кг.

13) Расход пара при нагревании воздуха в калориферах:

где i — удельное теплосодержание пара, Дж / кг;

tконд — температура конденсата, °С (можно принять на 10−15 °С ниже температуры греющего пара);

сконд — удельная теплоемкость конденсата, Дж / (кг °С);

з — к.п.д. калорифера (принять 0,9…0,97).

14) Удельный расход пара на 1 кг испаренной влаги в час:

15) Скорость движения воздуха в калорифере:

где f — живое сечение калорифера по воздуху, м2

16) Коэффициент теплопередачи:

17) Общая поверхность нагрева калорифера:

где Q — количество теплоты, необходимой для нагрева воздуха, Дж;

k — коэффициент теплопередачи, Вт / (м2 К);

tп, tвоздтемпература пара и воздуха, °С;

ф — время, с;

з — коэффициент полезного действия (для паровых калориферов з = 0,9 … 0,97).

18) Количество параллельно установленных калориферов:

принимаем 1 калорифер.

Характеристика выбранного сушильного агрегата:

Тип сушилки распылительная Объём сушильной камеры 456,9 м³

Диаметр сушильной камеры 8,0 м Высота сушильной камеры 9,7 м Производительность по испаренной влаге 1772,7 кг/ч Производительность по готовому продукту 836,2 кг/ч Расход воздуха 54 908,3 м3/ч Расход пара 3281,8 кг/ч Удельный расход пара на 1 кг испаренной влаги 1,851 кг/кг Подбор оборудования На основе материального расчета подобрано оборудование для технологической линии производства заменителя цельного молока с ферментированной сывороткой.

Для сбора молока и молочной сыворотки используется резервуара Г6-ОМГ-25 емкостью 25 м³, в которые сырьё подается насосом Г2-ОПБ производительностью 25 м3/ч. Перекачивание молока и сыворотки на пастеризацию также осуществляется насосом Г2-ОПБ. Проведение пастеризации молока и сыворотки осуществляется на пластинчатой охладительно-пастеризационной установке А1-ОКЛ-25 производительностью 25 м3/ч. После пастеризации молоко и сыворотка поступают в резервуары Г6-ОМГ-25 и идут на сгущение. Предварительное сгущение сыворотки происходит в вакуум-выпарном аппарате Wiegand-4000 (4 т/ч по упаренной влаге). Сгущение молока происходит в вакуум-выпарном аппарате Wiegand-8000 (8 т/ч по упаренной влаге). После предварительного сгущения винтовым насосом Varisco Vulcan 24−010 (10 м3/ч) сыворотка подается на ферментацию в емкостной аппарат В2-ОСТ-25 ёмкостью 25 м³. По завершении процесса ферментации сыворотка, также как и сгущённое молоко перекачивается в емкостной аппарат В2-ОСТ-25 винтовым насосом Varisco Vulcan 24−019 (19 м3/ч) для составления смеси компонентов ЗЦМ. Потом смесь поступает в емкостной аппарат В2-ОСТ-25 винтовым насосом Varisco Vulcan 24−010 (10 м3/ч) для внесения компонентов и обработки смеси и затем подается винтовым насосом Varisco Vulcan 24−00 (2 м3/ч) на распылительную сушку. Сушка продукта осуществляется на спроектированной распылительной сушильной установке типа СРЦ-НК производительностью 2 т/ч по упаренной влаге.

1. Гордезиани В. С. Производство заменителей цельного молока ?

2-е изд, 1990. 95 — 99 с.

2. Василисин С. В. Методические указания к расчётно проектным расчётам и самостоятельной работе студентов по дисциплине: «Основы проектирования и оборудование предприятий биотехнологической промышленности» Текст / Василисин С. В., Евдокимов И. А., Лодыгин А. Д. Ставрополь: СевКавГТУ, 2002.16 с.

3. Храмцов А. Г., Евдокимов И. А., Рябцева С. А, Панова Н. М., Журба Л. Н., Гнездилова Е. И. Применение бифидогенных факторов при производстве пищевых и кормовых добавок // Изв. ВУЗов. Пищевая технология. — 1998. — № 4. — 56 — 57с

4. Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г. Технология продуктов из молочной сыворотки — М.: ДеЛи Принт, 2004. — 487с

5. http://stud24.ru/technology/suhie-zameniteli-celnogo-moloka-dlya/131 257−385 082-page2.html