Выделение молочного жира из молочного сырья

Сепарирование молочного сырья в целях выделения жира происходит в сепараторах-сливкоотделителях. Разделение молока на сливки и обезжиренное молоко осуществляется под действием центробежной силы, возникающей в результате вращения барабана сепаратора. Скорость перемещения жировых шариков (V, м/с) в процессе сепарирования подчиняется закону Стокса:

V=2π²n²Rr²(ρ₁–ρ₂)/9μ,

где n – частота вращения барабана сепаратора, с^-1; R – текущий радиус, на котором находится рассматриваемый шарик, м; r – радиус жирового шарика, м; ρ₁ – плотность плазмы молока, кг/м³; ρ₂ – плотность жирового шарика, кг/м³; μ – вязкость плазмы молока, Па·с.

Разделение жира и плазмы возможно благодаря различной плотности молочного жира (994−1025 кг/м³) и плазмы молока (1034−1040 кг/м³).

В процессе сепарирования молоко проходит через центральную трубку барабана сепаратора и через отверстия в трубке попадает в канальцы тарелкодержателя, затем в отверстия пакета тарелок и далее движется вверх. По мере подъема оно растекается тонкими слоями между тарелками, где под действием центробежной силы жировые шарики молока, как более легкие, продвигаются к оси вращения барабана, а обезжиренное молоко, как более тяжелая фракция, устремляется к периферии – к внутренней поверхности корпуса барабана.

Под давлением новых порций молока, поступающего в барабан, обезжиренное молоко и сливки поднимаются вверх. Сливки собираются под верхней разделительной тарелкой и через отверстие выходят в сборник для сливок. Обезжиренное молоко проходит над верхней разделительной тарелкой и выводится через отверстие в корпусе барабана сепаратора.

Для регулирования жирности сливок на их выходе, в верхней части разделительной тарелки, имеется регулировочный винт. Путем вращения регулировочного винта изменяют соотношение между количеством сливок и обезжиренного молока. Ввинчивая винт внутрь, ближе к оси барабана, уменьшают выход сливок, следовательно, содержание в них жира увеличивается. При вывинчивании винта увеличивается выход сливок и снижается их жирность.

Массовая доля жира в обезжиренном молоке не должна превышать 0,05 %.

Эффективность сепарирования определяется степенью перехода жира в обезжиренное молоко. На эффективность сепарирования влияют прежде всего технологические факторы, такие, как температура сепарирования, кислотность молока, загрязнение молока механическими примесями, размер и плотность жировых шариков, предварительная обработка, массовая доля жира в молоке, плотность и вязкость молока; конструктивные факторы, такие, как частота вращения барабана сепаратора, производительность сепаратора и др.

Рассмотрим основные из перечисленных факторов. Оптимальная температура сепарирования составляет 35–45 °С. Повышенные температуры сепарирования способствуют денатурации сывороточных белков молока, агломерации их с казеином и появлению белковых хлопьев. При этом грязевое пространство сепаратора быстро заполняется сепараторной слизью, что приводит к ухудшению выделения жира. Кроме того, ухудшается очистка молока, так как часть загрязнений, растворяясь, уходит с фракциями, не отлагаясь в грязевом пространстве.

При сепарировании молока, особенно при повышенных температурах, происходит сильное вспенивание сливок и обезжиренного молока, что также ухудшает качество обезжиривания. Наличие пены в цельном молоке, сливках и обезжиренном молоке может отрицательно повлиять на эффективность их тепловой обработки, так как уменьшает теплопроводность продуктов. Сильное вспенивание сливок может привести к образованию жировых комочков (мелких масляных зерен), что отрицательно скажется на их дальнейшей обработке.

Кроме того, при высоких температурах сепарирования происходит дробление жировых шариков из-за дестабилизации белково-лецитиновой оболочки (белки оболочки жировых шариков реагируют на повышение температуры и денатурируют, в результате чего оболочка теряет стабильность). При этом эффективность обезжиривания снижается, так как часть мелких жировых шариков уходит в обезжиренное молоко.

Высокотемпературное сепарирование применяется при производстве масла способом преобразования высокожирных сливок. Сливки сепарируют при температуре 85–90 °С с целью получения высокожирных сливок, которые при такой температуре имеют небольшую вязкость. При этом уменьшаются потери жира, отходящего с пахтой, увеличивается производительность сепаратора.

Сепарирование молока при низких температурах, так называемое холодное сепарирование, имеет свои преимущества и недостатки. При холодном сепарировании экономится электроэнергия, не происходит быстрого развития микроорганизмов, жировые шарики подвергаются меньшему воздействию, поэтому сливки более стабильны и менее подвержены порче. Недостатком холодного сепарирования является снижение эффективности обезжиривания. Вязкость холодного молока больше, чем нагретого. С увеличением вязкости уменьшается скорость всплывания жировых шариков и возможность их выделения из молока при сепарировании. Повышение эффективности обезжиривания возможно при использовании сепараторов для холодного сепарирования молока или значительном уменьшении производительности обычных сепараторов. Например, при температуре 5 °С паспортную производительность сепаратора рекомендуется снизить на 50 %, при температуре 10 °С – на 30 %, при температуре 15 °С – на 25 %.

Повышенная кислотность молока уменьшает отрицательный заряд казеина, что приводит к частичной коагуляции белков молока. Белковые хлопья быстро заполняют грязевое пространство сепаратора, увеличивая количество сепараторной слизи, что влечет за собой переход жировых шариков в обезжиренное молоко и загрязнение его механическими примесями. Во избежание этого нужно чаще останавливать сепаратор на мойку или применять самоочищающиеся сепараторы. Во избежание снижения эффективности сепарирования рекомендуется сепарировать молоко кислотностью не выше 20 °Т.

Повышенная механическая загрязненность молока приводит к ухудшению обезжиривания так же, как это было описано выше, из-за быстрого заполнения грязевого пространства и попадания жировых шариков в обезжиренное молоко. Кроме того, повышается бактериальное загрязнение молока, так как температура сепарирования оптимальна для развития микрофлоры. Поэтому сепарируемое молоко должно быть профильтровано.

От размера жировых шариков молока во многом зависит степень обезжиривания при сепарировании. Чем меньше размер жировых шариков, тем труднее их выделить из молока, поскольку их плотность повышается из-за увеличения доли белкового адсорбционного слоя оболочки. Критический диаметр жирового шарика, не выделяющегося из плазмы молока, составляет примерно 0,2 мкм. Следует избегать интенсивного механического воздействия на молоко перед подачей его на сепарирование для предотвращения раздробления жировых шариков.

Из конструктивных характеристик сепараторов особое влияние на эффективность сепарирования оказывает их производительность и частота вращения барабана. Эффективность обезжиривания снижается, если повышается производительность сепаратора, а также уменьшается частота вращения его барабана. Поэтому следует поддерживать постоянным приток молока в сепаратор и не изменять частоту вращения барабана сепаратора по сравнению с паспортными данными.

Сепараторная слизь, накапливающаяся в барабане сепаратора, имеет следующий состав: сухие вещества – 30–35 %, в том числе жира – 3,0–3,5 %, белка – 20–25 %, минеральных веществ – 3,0 % и прочих органических веществ до 2 %. Сепараторная слизь неоднородна по структуре, так как неодинаковы размеры и плотность выделяемых частиц. Она также неоднородна и по цвету. Грязевые слои состоят из механических примесей и имеют темно-серый цвет. В него включены белковые частицы белого цвета, а также бактерии и клетки тканей, которые имеют розово-коричневый цвет.

Сепарирование молока описывается уравнениями материального баланса:

М_ц.м = М_о.м + М_сл ,

М_ц.м Ж_ц.м = М_о.мЖ_о.м + М_сл Ж_сл ,

М_сл = М_ц.м – М_о.м,

М_о.м = М_ц.м – М_сл,

М_ц.м Ж_ц.м = М_ц,.м Ж_о.м – М_сл Ж_о.м + М_сл Ж_сл ,

где М_ц.м, М_о.м, М_сл – масса цельного молока, обезжиренного молока и сливок, кг; Ж_ц.м, Ж_о.м, Ж_сл– массовая доля жира в цельном молоке, обезжиренном молоке и сливках, %.

Из этих уравнений:

М_{сл.теор} = М_ц.м (Ж_ц.м – Ж_о.м) / (Ж_сл – Ж_о.м),

где М_{сл.теор} – масса сливок теоретическая (без учета потерь), %.

Теоретический выход сливок, (В_т, %), рассчитывают по формуле:

В_т = 100 (Ж_ц.м–Ж_о.м.н) / (Ж_сл–Ж_о.м.н),

где Ж_о.м.н – нормативная массовая доля жира в обезжиренном молоке, (0,05 %).

На практике существуют потери жира при сепарировании. Поэтому масса сливок фактическая (с учетом потерь – п_сл):

М_{сл.факт} = М_{сл.теор} (100 – п_сл) / 100 =

= М_ц.м (Ж_ц.м – Ж_о.м) (100 – п_сл) / 100 (Ж_сл – Ж_о.м).

Фактический выход сливок, (В_ф, %), рассчитывают по формуле:

В_ф = 100 М_сл / М_ц.м.

Фактические потери сливок,( П_ф, %), определяют по формуле:

П_ф=100 (В_т – В_ф) / В_т..

Степень использования жира, (СИ_ж, %)

СИ_ж= В_т Ж_сл / Ж_ц.м.