Машины и оборудование для первичной обработки молока.

1.Молоко - скоропортящийся продукт. Оно является весь­ма благоприятной средой для развития всевозможных микроорганиз­мов. Развитие микрофлоры в молоке приводит к быстрой порче его или ухудшению питательных качеств молока и молочных продуктов.

В молоке легко развиваются патогенные формы микроорганиз­мов и оно может стать источником эпидемических заболеваний. Об­щепризнанным способом сохранения свойств свежевыдоенного мо­лока является его первичная обработка, то есть очистка от посторон­них примесей и охлаждение до температуры +4°С, неблагоприятной для развития микрофлоры.

В процессе доения (особенно в стойлах коровника) в молоко по­падают частицы корма, пыли, навоза и др., содержащие боль­шое количество микроорганизмов. Молоко в молочной цистер­не вымени почти не содержит бактерий. Они попадают в него прежде всего с кожи коровы, главным образом с вымени во вре­мя доения. Причиной микробного обсеменения молока являют­ся неудовлетворительное санитарное состояние стойла, неопрят­ная одежда дояра и грязные руки, несоблюдение ветеринарно-санитарных правил очистки, мойки и дезинфекции доильных машин.

Известно, что корова отдыхает лежа. По данным Гендерсона, она лежит 9...15 ч в сутки. Это физиологическая потребность, и как бы не было сыро и грязно, корова вынуждена ложиться. А навоз содержит огромное количество бактерий. Недаром в народе говорят, что грязная корова - это лицо доярки.

Удаление из молока посторонних примесей фильтрацией или цен­тробежной очисткой исключает возможность растворения этих при­месей в молоке и снижает его бактериальную обсемененность. Наи­лучшие результаты дает первичная обработка молока, проведенная немедленно после выдаивания.

Таковы гигиенические и технологические предпосылки организа­ции первичной обработки молока, которая производится на большин­стве ферм.

Для сохранения молока в свежем виде до доставки его потребите­лям или на молочные заводы молоко в хозяйствах подвергают пер­вичной обработке. Этот вид обработки обычно состоит из следующих технологических операций: фильтрования, охлаждения, хранения, учета и в случае необходимости - пастеризации.

В отдельно стоящих коровниках, летних лагерях и на пастбищах обычно устраивают простейшие молочные. В них ведут прием моло­ка в процессе дойки, предварительное охлаждение, учет и хранение до отправки в прифермский блок или в сеть предприятий молочной промышленности.

Отдельно расположенные фермы имеют прифермские молочные блоки, где обеспечивают сбор молока из всех коровников фермы и первичную его обработку, организуют дезинфекцию молочной посу­ды для всего хозяйства, а также ведут учет продуктивности и племен­ных достоинств коров.

На больших животноводческих фермах, как правило, доение всего по­головья коров и первичная обработка молока производится в одном доильно-молочном блоке.

Технологические операции переработки молока имеют целью из­менить исходные свойства его и получить питьевое молоко, сливки, творог, масло, сыр и другие молочные продукты.

Молоко, поступающее на государственные районные или городс­кие молочные заводы, согласно действующим санитарным требова­ниям, перед отправлением в торговую сеть подвергают дополнитель­ной обработке.

Чтобы получить молоко высокого качества, необходимы следую­щие слагаемые:

- здоровые дойные коровы;

- хорошее санитарное состояние скотного двора и окружающей тер­ритории;

- регулярная чистка животных и обработка вымени перед доением;

- опрятность спецодежды и рук операторов;

- промывка и дезинфекция доильной аппаратуры, доильных уста­новок и молочной посуды;

- фильтрация и охлаждение молока непосредственно в процессе машинного доения.

Свежевыдоенное молоко имеет кислую реакцию. Кислотность све­жевыдоенного молока равна 16...18°Т (количество см³ щелочи КОН или NaOH, идущее для нейтрализации 100 см³ молока, условно вы­ражают в градусах титрования),

Из организма коровы в молоко переходят иммунные тела и бактериоцидные вещества, задерживающие развитие бактерий в свежевы­доенном молоке. Период проявления этого ценного свойства моло­ка называют бактерицидной фазой. Продолжительность бактерицид­ной фазы зависит от санитарных условий получения молока и темпе­ратуры охлаждения его.

Начиная с +10°С жизнедеятельность микроорганизмов значитель­но замедляется, а при +4...5°С совсем прекращается, что создает благоприятную обстановку для длительного хранения молока.

В целях стимулирования продажи государству молока повышен­ного качества (степень чистоты - не ниже первого класса, кислот­ность - 16...18°T) хозяйства получают доплату за это сверх установ­ленной цены.

Первичная обработка и переработка молока должна происходить при строгом соблюдении "Санитарных и ветеринарных правил" для молочных ферм, хозяйств и других предприятий, утверж­денных санитарной инспекцией министерства здравоохранения и уп­равлением ветеринарии Министерства сельского хозяйства Республи­ки Казахстан.

Согласно этим правилам молочные строят по возможности на воз­вышенных и изолированных местах. Помещения молочных должны быть сухими, хорошо освещенными, оборудованными отоплением, водопроводом, канализацией и вентиляцией. Потолки помеще­ний белят свежегашенной известью. Панели стен и полы по­крывают метлахской плиткой. В целях борьбы с насекомыми все открывающиеся окна и двери защищают металлическими или марлевыми сетками.

Чистку, мойку и дезинфекцию посуды и оборудования мо­лочной проводят тотчас после окончания работ. Моечные и отделения для хранения чистой посуды располагают в южной, а хранилища и холодильные отделения - в северной части помещения.

Все работники молочной должны строго соблюдать личную ги­гиену и один раз в месяц проходить медицинское освидетель­ствование.

2.Технологическая схема включает режим работы молочного блока -порядок, особенность и продолжительность выполнения всех опера­ций первичной обработки молока или производства молочных про­дуктов.

Выбор конечного продукта, выдаваемого молочным блоком, оп­ределяется общей специализацией зоны деятельности хозяйства, со­стоянием здоровья животных, сырьевыми возможностями, дорож­ными условиями, удаленностью от мест сдачи или сбыта продукции.

Молочные блоки на фермах могут производить пер­вичную обработку и переработку и получать готовый продукт непосредственно в хозяйствах: питьевое молоко, простоквашу, кефир, ацидофиль­ные продукты, сметану, творог, сыр, казеин, сливки и сливочное масло,

Все операции первичной обработки и переработки молока подраз­деляют на основные и вспомогательные. К основным операциям от­носят:

биохимические- закваска, сквашивание, пастеризация, вита­минизация, созревание, химическая обработка;

механические- очистка, нормализация, гомогенизация, эмуль-синование, прессование сырной массы, сбивание масла;

тепловые- нагревание и охлаждение.

К вспомогательным операциям относятся - прием, взвешивание, отбор проб и качественная оценка продукта, транспортирование в пределах молочного блока, мойка, стерилизация и дезинфекция по­суды и жиромеров, хранение и сдача продукции.

При производстве цельного молока наилучших результатов достигают, когда в коровниках создана еди­ная поточная линия получения и обработки молока по следующей схе­ме: доение - фильтрование - охлаждение - прием - учет-выдача.

Технологический процесс переработки натураль­ного цельного молока в питьевое производят поточным методом по следующей схеме: прием молока с кислотностью не выше 20°Т - сор­тирование - очистка от механических примесей - нормализация до стандартной жирности (3,2 или 2,5%) - пастеризация - охлаждение (до +4°С); - разлив-упаковка - выдача.

Нормализацию молока до стандартного содержания жира произ­водят смешением необходимых компонентов в емкостях или сепараторных барабанах. Количество обрата или сливок, которые при этом надо добавить или удалить из молока, находят по формуле:

(8.1)

где М - количество нормализованного молока, кг;

С - количество молока с содержанием жира свыше 2,5% (или сливок), кг;

О - количество молока с содержанием жира ниже 2,5% (или об­рат), кг;

Ж_с, Ж_о - содержание жира в сливках и обрате, %.

Охлаждение свежевыдоенного молока осуществляется в поточных технологических линиях на аппаратах, называемых охладителями.

Эксплуатируемые в настоящее время охладители входят в состав комбинированных очистительно-охладительных (OM-IA) или охлади­тельно-пастеризационных установок (Б6-ОП2-Ф-1).

Все существующие охладители можно классифицировать по сле­дующим признакам:

- по характеру соприкосновения с окружающим воздухом (откры­тые оросительные и закрытые проточные);

- по профилю рабочей поверхности (трубчатые и пластинчатые);

- по числу секций (одно- и двухсекционные);

- по конструкции (одно- и многорядные, т.е. пакетные);

- по форме (плоские и круглые);

- по воздействиям, вызывающим продвижение продукта (за счет собственной массы продукта, с использованием вакуума или под на­пором);

-по относительному направлению двжения теплообменивающихся сред (прямоточные, противоточные, с параллельным и перекрес­тным движением сред).

В настоящее время в технологических линиях первичной обработ­ки молока доильных установок типа УДС-ЗБ, АДМ-8-I(2), УДА-8А, УДА-16А используются пластинчатые, пакетные, закрытые проточ­ные охладители типа OM-IA.

Пластинчатый охладитель-очиститель молока OM-IA состоит из станины, на которой смонтированы сепаратор-молокоочиститель с электродвигателем и пластинчатый охладитель. Пластинчатый охлади­тель представляет собой набор штампованных пластин из нержавею­щей стали с изолирующими резиновыми прокладками. Пластин закреплены между двумя боковинами, стягивающимися болтами. Внутренние каналы (молоководы) и каналы для хладоносителя раз­делены. В качестве хладоносителя используется холодная вода или рассол. При работе с холодной водой применяют схему противотока: вода между пластинами движется вверх, отбирая тепло от молока, стекающего вниз в соседних пластинчатых пространствах. При работе с рассолом применяют прямоточную схему во избежание замерзания молока между пластинами.

В молочных блоках для временного хранения молока до отправки на молочный завод используется следующее оборудование.

РПО-1,6 (2,5) - резервуар-охладитель с промежуточным хладоносителем. Для охлаждения хладоносителя (воды) служит автономная холодильная установка типа УВ-10 или МВТ 20-1-0 (МВТ-14-1-0). РНО-1,6 (2,5) и МКА-2000 Л - резервуары-охладители с непосред­ственным охлаждением. Они имеют встроенную холодильную машину.

Установка МКА-2000Л-2А имеет рекуператор тепла.

Холодильная установка ОТ-10-2-0 передвижная предназначена для производства холода на пастбищах.

Холодильная установка ТХУ-14 используется на фермах для производства холода и горячей воды.

3.Произведем температурный расчет односекционного охладителя молока. Хладоносителем служит холодная вода.

Представим процесс охлаждения молока графически (рисунок 8.1)

Рисунок 8.1 -Температур­ный график процесса охлаж­дения молока.

Вода в процессе теплообмена через стенку охладителя с рабочей поверхностью - F нагревается от начальной температуры t_o до темпе­ратуры t_в.к. , а молоко охлаждается от t_нач. до

где t_м , t_в - текущие температуры молока и воды.

Введем следующие обозначения:

М - количество молока, проходящее через охладитель.

В - количество воды, проходящее через охладитель.

Допускаем, что общий коэффициент теплопередачи в охладителе постоянный.

Возьмем на графике элементарную площадку dF и для нее запи­шем уравнение, выражающее тепло, отданное молоком, равно теп­лу, переданному через поверхность охладителя:

или

или

(8.2)

А сейчас запишем уравнение теплового баланса для молока и воды (тепло, отданное молоком, равно теплу, полученному водой).

(8.3)

где С - теплоемкость молока, Дж/кг, град;

С_в - теплоемкость воды (С_в = 1).

Обозначим коэффициент расхода воды n = В/М.

Поставим значение "В" в формулу (8.3)

или (8.4)

Отсюда выразим, чему будет равна текущая температура воды

(8.5)

Преобразуем данную формулу следующим образом:

= (8.6)

Подставим в уравнение (8.2) значение уравнения (8.6) и про­интегрируем его

(8.7)

Освободимся от знака “- ”, для этого меняем предел интегри­рования

(8.8)

решив интеграл, получим:

(8.9)

Преобразуем уравнение, выделив конструктивные и эксплуатаци­онные (параметры) факторы:

(8.10)

Это основное уравнение охладителя, из которого видно, что про­изводительность его можно увеличить, уменьшив температуру охлаж­дающей жидкости – t₀.

Конечная разность температур (t) зависит от коэффициента рас­хода хладоносителя (n). t-характеризует качество работы охладителя (t=3...4⁰).

Практикой установлено, что значение коэффициента (n) для водяных секций находится в пределах 2,5...3, а для рассольных -1,5...2,5.

Площадь рабочей поверхности водяной и рассольной секции охладителя находят по уравнению Ньютона-Фурье:

, м² (8.11)

где Q - тепло, отдаваемое молоком, Дж;

К - общий коэффициент теплопередачи, Дж/м². град;

Dt_ср - средняя логарифмическая разность температур, °С.

Общий коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

, (8.12)

где a₁, a₂ - коэффициент теплопередачи от продукта к стенке и от стенки к

хладоагенту, Дж/м² ·град;

d - толщина материала стенки, м;

l - коэффициент теплопроводности материала стенки.

Средняя логарифмическая разность температур определяется по уравнению

Грасгофа:

(8.13)

где Dt_maх - разность температур между жидкостями в начале процесса;

Dt_min - разность температур между жидкостями в конце про­цесса.

4.Пастеризация молока - это уничтожение болезнетворных микро­организмов (палочек туберкулеза, бруцеллеза и др.). Этот процесс назван по имени выдающегося французского ученого-основателя современной микробиологии Луи Пастера. Аппараты, в которых ве­дут этот процесс, называются пастеризаторами.

Аппараты этой группы классифицируются следующим образом: по способу тепловой обработки молока - на термические и холодные; по источнику использования энергии - на паровые, электрические с индукционным или омическим нагревом, аппараты инфракрасной радиации, ультрафиолетовые облучатели и высокочастотные вибра­торы; по характеру выполнения процесса - аппараты непрерывного и периодического действия:

Наиболее распространенными режимами термической пастериза­ции молока являются длительный, кратковременный и мгновенный.

Длительный режим применяется для обработки небольших коли­честв молока в двухстенных ваннах периодического действия (ВДП-300, ВДП-600; Г6-ОПА-300 (600), Г6-ОПБ-1000), оборудованных мешалками. При температуре нагрева молока в интервале температур 63...65°С (336...338К) его выдерживают в течение 30 минут.

Кратковременную тонкослойную пастеризацию осуществляют на автоматизированных трубчатых (ПТУ-5) и пластинчатых охладитель­но-пастеризационных установках (типа ОПФ-1, Б6-ОП2-Ф-1, УОМ-ИК-1) с 20...30-секундной выдержкой молока, нагретого до темпе­ратуры 71...76°С (344...349К).

Мгновенную тонкослойную пастеризацию ведут в установках с вытеснительными барабанами (ОПД-1М) при нагревании молока до 85...90°С (358...363К) без дальнейшей его выдержки.

Способы холодной пастеризации, т.е. уничтожение болезнетвор­ных бактерий без подогрева молока, сводятся к применению в этих целях в основном ультрафиолетовых облучателей (УХП-50, 160, 400) с лампами ДБ-30-1 или магнитострикционных вибраторов.

В вибрационных пастеризаторах эта операция производится в зоне колебаний звуковой частоты (8...10) 10³Гц.

Хорошие результаты достигаются при выдержке в 1 с. Генерато­ром звуковых частот является магнитострикционный вибратор. В зависимости от частоты переменного магнитного поля находящиеся в генераторе никелевые стержни меняют в соответствии с нею свою длину и создают в толще молока поле колебаний высокой частоты, гибельно действующее на бактерии.

Зона тепловой пастеризации выбрана с учетом того, что все иммунно-биологические, физические и химические качества цельного мо­лока полностью сохраняются, а болезнетворные микроорганизмы погибают до 99,99%.

К пастеризаторам предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение полного уничтожения болезнетворных микроорга­низмов всех форм;

- аппарат должен быть универсальным;

- работа аппарата не должна ухудшать иммунно-биологические, физические и химические свойства обрабатываемого продукта (моло­ка, обрата, сливок, молочно-кислых продуктов и др.);

- рабочие органы (поверхности) аппарата, соприкасающиеся с продуктом, должны быть стойкими против химических воздействий продукта, а также моющих и дезинфицирующих жидкостей;

- он должен быть прост по устройству и в эксплуатации.

5. Пастеризация молока является обязательной операцией в техноло­гии производства молочных продуктов. Теоретические основы этого вида обработки молока разработал российский ученый, профессор Г.А. Кук. Результаты его исследований позволили создать теорию пастеризации, которая легла в основу конструирования наиболее со­вершенных и эффективных пастеризаторов.

Граничные температурные параметры процесса пастеризации оп­ределяются двумя уравнениями. Предельные значения высокой тем­пературы и продолжительности процесса, определяющие начало ка­чественного изменения молока, находят из уравнения:

с (8.14)

где t_maх - максимальная продолжительность пастеризации, с;

Т_maх - максимальная температура, при которой еще не происхо­дит

изменение физико-механических свойств молока, К.

Предельные значения низких температур Т_min и наименьшей про­должительности t_min, процесса, определяемые из условий полной ги­бели туберкулезных палочек, находятся по формуле:

с (8.15)

Между этими двумя граничными линиями лежит зона тепловой пастеризации продуктов. Ее можно описать зависимостью

с (8.16)

где a, b - постоянные, свойственные данному продукту (для мо­лока, а=36,84 и

b=0,48);

T_n - температура пастеризации, К.

Время воздействия высокой температуры, как установил Г.А. Кук, можно связать с суммарным эффектом пастеризации, который он на­звал критерием Пастера, пользуясь выражением

(8.17)

где P_a - безразмерный критерий Пастера;

t_пр - фактическое время проведения пастеризации, с;

t_n - время выдержки, необходимое для полного завершения па­стеризации

продукта, с.

В термических пастеризаторах процесс нагревания молока до тем­пературы пастеризации осуществляется путем передачи тепла от теп­лоносителя (горячая вода или пар) через стенку (рабочую поверхность) пастеризатора.

Изобразим температурный график процесса пастеризации молока (рисунок 8.2).

t°c

Рисунок 8.2 -Температурный график процесса пастериза­ции молока

Возьмем на графике элементарную площадку dF. За некоторое время dt молоко получит следующее количество тепла.

(8.18)

где М – масса (молока) продукта, проходящая через пастеризатор;

С – удельная теплоемкость молока, кДж/кг·град.

С другой стороны, через элементарную площадку dF будет передано следующее количество тепла:

(8.19)

где К – общий коэффициент теплопередачи, Дж/м2·ч·град.;

tn–температура пара, град.;

t – текущая температура молока на всем участке, град.

Допустим, что потерь тепла в окружающую среду нет, тогда можем записать:

(8.20)

или . Проинтегрируем данное уравнение

(8.21)

решение его дает следующее выражение:

или

(8.22)

Заменим натуральный логарифм на десятичный

(8.23)

Сгруппируем конструктивные и эксплутационные параметры.

Постоянный коэффициент вынесем, тогда

(8.24)

Ǿконстр. Ǿэкспл. Ǿконстанта

Выражение (8.24) является основным уравнением процесса пас­теризации. Из него следует, что в зависимости от теплового режима и конструкции пастеризатора можно влиять на его производительность.

Рабочую поверхность пастеризатора находят из известного уже урав­нения Ньютона-Фурье:

, м² (8.25)

где Q - количество тепла, затрачиваемое на пастеризацию продук­та, Дж;

k - общий коэффициент теплопередачи, Дж/м²rград;

- средняя логарифмическая разность температур, град.

(8.26)

где - логарифмическая разность температур в начале про­цесса;

- логарифмическая разность температур в конце про­цесса.

Количество тепла, идущее на пастеризацию продукта:

(8.27)

где М - масса продукта (молока), кг;

с - удельная теплоемкость продукта (молока), кДж/кг град.;

t_к - конечная температура продукта, град.;

t_н - начальная температура продукта, град.;

Р - расход пара на пастеризацию продукта, кг;

i_n - энтальпия пара, Дж/кг;

i_к - энтальпия конденсата, Дж/кг;

h_n- тепловой КПД пастеризатора.

Известно, что после пастеризации (нагрева) продукта (молока) следует операция охлаждения. Если горячий продукт охлаждать по­ступающим на обработку холодным продуктом, то можно значитель­но сократить общий расход как тепла, так и холода. Процесс возвра­щения тепла от нагретого продукта холодному называют рекуперацией тепла.

В установках типа ОПФ и ОПУ, Б6-ОП2-Ф-1 имеется по две сек­ции рекуперации. Рассмотрим процесс, происходящий в секциях рекуперации на схеме (рисунок 8.3) и температурном графике (рисунок 8.4).

Из схемы следует, что рекуператор экономит следующее количе­ство тепла:

кДж (8.28)

и экономит следующее количество холода:

кДж (8.29)

Рисунок 8.3- Схема процесса рекуперации молока: Рисунок 8.4.- Температурный график

П - пастеризатор; Р - рекуператор; О - охладитель. процесса рекуперации молока.

Общее количество тепла, затраченного на пастеризацию, равно

кДж (8.30)

Отношение сэкономленного (возвращенного)тепла к общему его количеству, затраченному на пастеризацию (нагрев) продукта, на­зывают коэффициентом рекуперации.

Он рассчитывается так:

= , (8.31)

Для прямоточных рекуператоров Е=0,4...0,5, а для противоточных Е=0,7.

Для расчета параметров рекуператора пользуются следующим урав­нением теплового баланса:

(8.32)

где левая часть - это тепло, отданное горячим продуктом (моло­ком), а правая часть - тепло, переданное через поверхность рекупера­тора, где t_p=t_n-t_p - конечная разность температур продукта в пастери­заторе и рекуператоре.

Отсюда можно определить площадь поверхности рекуператора:

, м² (8.33)

Литература

1. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. – Л.: Агропромиздат, 1985.

2. Карташов Л.П. Машины и аппараты для обработки молока. – Оренбург: Издательство ОГАУ, 1998.

3. Барышников В.Ф., Абдыров А.М., Рустембаев Б.Е. и др. Механизация технологических процессов в животноводстве. – Астана: КазАУ, 2002.

4. Белянчиков Н.Н., Смирнов А.И. Механизация животноводства. – М.:Колос, 1983.

5. Белянчиков Н.Н., Беляхов И.П., Кожевников Г.Н. и др. Механизация технологических процессов. – М.: Агропромиздат, 1989.

6. Алешкин В.Р., Рощин П.М. Механизация животноводства. -М.: Агропромиздат, 1985.

7. Карташов Л.П., Козлов В.Т., Аверкиев А.А. Механизация и электрификация животноводства. – М.: Колос, 1979.

8. Брагинец Н.В., Палишкин Д.А. Курсовое и дипломное проектирование по механизации животноводства. – М.: Колос, 1991.

9. Нуртаев Ш.Н. Техника для фермерских (крестьянских) хозяйств. Учебное пособие. – Алматы: Агроуниверситет, 1998.

10. Доценко В.М., Коровин В.В., Абдыров А.М. Механизация технологических процессов на животноводческих и птицеводческих фермах. – Астана: КазАУ, 2002