Установки для стерилизации молока в потоке. Установки поверхностного типа.(Часть 2)

Схема стерилизационной установки «Альборн» (ФРГ) представлена на рис. 6. В установке деаэрация обрабатываемого молока осуществляется в две стадии.

Молоко из молокохранильного отделения поступает в уравнительный бак I. Центробежный насос II нагнетает молоко в секцию регенерации III. После насоса установлен стабилизатор потока 2. Пройдя секцию регенерации III и секцию нагрева горячей водой IV, молоко нагревается до 72° С. В пластинчатом выдерживателе VII молоко выдерживают при 72° С в течение 80 с для стабилизации частично денатурированного белка и предотвращения образования осадка в процессе дальнейшего нагревания. После выдержки при этой же температуре молоко гомогенизируют на асептическом гомогенизаторе VIII. Затем молоко деаэрируют. После охлаждения водой в секции IX молоко поступает в вакуум-камеру X, где вакуум (Р = 72 кПа) поддерживается вакуум-насосом эжекторного типа XVII. В вакуум-камере удаляются из молока растворенный воздух, газ вместе с образующимися в течение 80-секундной выдержки летучими сероводородными соединениями. При деаэрации влага из молока не выделяется. После деаэрации молоко центробежным насосом XI нагнетается в секцию нагрева XII и нагревается до 127° С. Затем, попадая в секцию стерилизации XIII, оно нагревается паром до температуры стерилизации (140° С). Давление пара 400 кПа. После стерилизации и выдержки в течение 2—4 с молоко вторично деаэрируют так же, как и в первый раз. Деаэрированное молоко асептическим центробежным насосом XVIII нагнетается в секцию регенерации III, в которой охлаждается до 20° С и поступает на фасовку. Система для второй деаэрации состоит из вакуум-охладителя XV, вакуум-камеры XVI, эжекторного вакуум-насоса XVII.

Вторичная деаэрация предназначена также для удаления летучих сероводородных соединений, образующихся в секции стерилизации при нагревании.

Двухступенчатая деаэрация по утверждению фирмы значительно улучшает вкус стерилизованного молока.

В установке автоматически регулируется температура молока после секции нагревания горячей водой IV. Датчик регулятора температуры 7а (термобаллон) устанавливают на выходе молока из секции. Он капилляром соединен с регуляторомтемпературы 7.

Рис. 6. Схема установки «Альборн»:

I- уравнительный бак; II, XI — центробежные насосы; III — секция регенерации; IV — секция предварительного нагрева; V — бойлер; VI — насос для горячей воды; VII — выдерживатель; VIII — гомогенизатор; IX — секция охлаждения; X, XVI — вакуум-камеры; XII — секция предварительного нагрева; XIII — секция стерилизации; XIV — трубчатый выдерживатель; XV — вакуум-охладитель; XVII — вакуум-насосы; XVIII — асептический

насос; XIX — возвратный клапан; 1 — поплавковый регулятор уровня; 2 — стабилизатор потока; 3— регуляторы давления пара; 4 — показывающие манометры; 4а — места установки манометров; 5 — манометрический термометр; 5а — датчик манометрического термометра; 6 — электроконтактный манометр; 6а — место установки электроконтактного манометра; 7 — регулятор температуры предварительного нагрева; 7а — датчик регулятора; 76 — регулирующий пневмоклапан с мембранным приводом; 8 — регулятор температуры стерилизации; 8а — датчик регулятора; 86 — пневмоклапан, регулирующий подачу пара, с мембранным приводом; 9— регулятор соотношения давления; 9а — датчики регулятора; 96 — регулирующий пневмоклапан с мембранным приводом; 10 — регулятор температуры охлаждения; 10а — датчик регулятора; 106 — регулирующий пневмоклапан с мембранным приводом; 11 — термограф; 11а — датчик термографа; 12 — программное устройство; 13 — реле времени; ЛС — сигнальная лампочка.

При изменении температуры датчик подает сигнал к регулятору. Сигнал сравнивается со значением температуры, установленным на задатчике. В случае несоответствия возникший сигнал рассогласования усиливается и поступает к регулирующему пневмоклапану с мембранным приводом 76. Пневмоклапан установлен на паропроводе, по которому подается пар в бойлер V. Температура горячей воды в секции регулируется подачей пара.

Температура стерилизации молока поддерживается на заданном уровне автоматически. В потоке молока на выходе из секции стерилизации XIII устанавливают датчик регулятора температуры стерилизации 8а, реагирующий на изменение температуры стерилизации. Сигнал датчика сравнивается с заданным на задатчике значением температуры стерилизации. В случае несоответствия значений возникший сигнал рассогласования преобразуется в пневматический рабочий импульс, который с помощью регулирующего пневмоклапана 86 изменяет подачу греющего пара в секцию стерилизации.

На выходе молока из секции стерилизации установлен датчик 11а термографа 11, сигнал от которого поступает в термограф, контролирующий и регистрирующий температуру стерилизации на ленточной диаграмме. При снижении температуры стерилизации срабатывает пневмореле, встроенное в термограф, и импульс сжатого воздуха подается к возвратному клапану XIX, который изменяет поток молока и направляет его в уравнительный бак на повторную стерилизацию.

Для предотвращения вскипания молока в секции стерилизации необходимо, чтобы давление в потоке было несколько выше давления насыщения. Величину этого давления в установке регулируют путем автоматического изменения перепада давления греющего пара и жидкости (молока).

На выходе молока из секции стерилизации и на входе греющего пара в секцию установлены датчики мембранного типа 9а. Сигналы от датчиков поступают к регулятору соотношения давления 9. Требуемое значение перепада давлений АР устанавливают на задатчике около 70 кПа. В случае разногласия сигналов от датчиков и заданного значения перепада давлений возникает сигнал рассогласования. Он преобразуется в пневмо- импульс, который подается к регулирующему пневмоклапану 9б, установленному перед вакуум-охладителем XV. С помощью пневмоклапана 96 изменяют живое сечение молокопровода, регулируя этим расход, следовательно, и давление молока в секции стерилизации.

В установке также осуществляется автоматическое регулирование температуры молока на выходе из вакуум-охладителя. Здесь установлен датчик 10а регулятора температуры охлаждения 10, который воспринимает изменения температуры и передает сигнал по капилляру к регулятору температуры. Сигнал преобразуется, и рабочий импульс подается к регулирующему пневмоклапану 106, который установлен на выходе воды из секции XII. Температуру молока на выходе из секции регулируют, изменяя расход воды. Регулятор температуры 10 имеет устройство, показывающее текущее значение температуры молока после вакуум-охладителя.

Особенность установки — автоматическое регулирование продолжительности ее работы. Определяющим критерием при этом является образование осадка на рабочих поверхностях теплообменных пластин в секции предварительного нагрева XII и особенно в секции стерилизации XIII.

Увеличение осадка в процессе работы установки влечет за собой уменьшение живого сечения каналов, что вызывает увеличение давления молока на входе в секцию XII.

В установке на входе в секцию предварительного нагрева XII установлен электроконтактный манометр 6, который подает электрический сигнал на переключение аппарата на мойку, если в результате больших образований осадка давление превысит установленное значение.

Установку после ее работы моют в следующем порядке: циркуляция химических моющих растворов для удаления молочного камня, ополаскивание водой и стерилизация. Мойка и стерилизация установки производятся автоматически. Уравнительный бак / разделен на две половины. Правая половина бака / герметически закрыта. Вода и моющие растворы подаются в одну из половин бака и с помощью насоса II циркулируют в установке. Вакуум-насосы XVII в это время отключаются. Мойка вакуум-камер X и XVI осуществляется с помощью разбрызгивающих форсунок, установленных внутри них.

При стерилизации установки отключаются гомогенизатор- VIII и вакуум-насосы XVII. Горячая вода при температуре- 120° С циркулирует под давлением 200 кПа в течение 30 мин.

По окончании стерилизации включаются регулятор температуры охлаждения, вакуум-насосы и регулятор температуры стерилизации. На задатчике устанавливается температура 140° С. По достижении этой температуры циркуляция воды прекращается и она вытесняется молоком, подаваемым в установку из левой половины уравнительного бака I.

Фирма «Джина Фрау Тайн» (Италия) изготовляет стерилизационные установки пластинчатого типа «Стер ИН-3» (рис.7). Из уравнительного бака I молоко центробежным насосом II, производительность которого 4 тыс. л/ч, подается в первую секцию регенерации и нагревается в ней до 76° С. При этой температуре молоко очищается на центробежном молокоочистителе IX и гомогенизируется.

После гомогенизатора VIII молоко поступает во вторую секцию регенерации, где нагревается до 102° С. С этой температурой молоко входит в змеевик, встроенный в расширительной камере V. После прохождения змеевика температура молока повышается до 108° С, так как змеевик обогревается вторичным паром, образованным в результате поступления в эту же камеру стерилизованного горячего молока.

Из змеевика молоко при температуре 108° С насосом подается в секцию стерилизации.

Рис. 7. Схема установки «Стер ИН-3»:

I— уравнительный бак; II— центробежный насос; III — пластинчатый аппарат; IV—. циркуляционный насос; V — расширительная камера; VI — охладитель; VII — асептический насос; VIII — гомогенизатор; IX — центробежный молокоочиститель; X — возвратный клапан;

1 — поплавковый регулятор уровня; 2 — регулятор температуры стерилизации; 2а — задатчик; 26 — датчик регулятора температуры; 2в — регулирующий паровой клапан с мембранным приводом; 3 — программное устройство; 4 — манометрические термометры; 4а — датчики манометрических термометров.

К всасывающей стороне насоса подсоединен трубопровод, образующий замкнутый контур, по которому циркулирует молоко в количество 40 тыс. л/ч. Таким образом, насос IV здесь установлен большой производительности— 44 тыс. л/ч, и часть молока в количестве 4 тыс. л/ч, т. е. равном производительности установки, нагнетается в расширительную камеру и разбрызгивается в ней. Температура молока, вводимого в расширительную камеру, равна температуре стерилизации 135° С. В результате частичного испарения молока в расширительной камере температура его снижается до 114°С. Из расширительной камеры стерилизованное молоко поступает в охладитель VI трубчатого типа и далее асептическим центробежным насосом оно прокачивается через две секции регенерации и две секции охлаждения. В первой секции молоко охлаждают холодной водопроводной водой, во второй — ледяной.
С помощью циркуляции молока в большом количестве (40 тыс. л/ч) через секцию стерилизации достигается высокая эффективность теплоотдачи, так как скорость молока в каналах секции при большом расходе значительно увеличивается.

Кроме того, большая скорость потока может способствовать уменьшению образования осадка на поверхностях теплообменных пластин. И наконец, молоко, выходящее из змеевика в количестве 4000 л/ч, смешивается с циркулирующим горячим молоком, расход которого значительно больше 40 тыс. л/ч. Благодаря этому молоко быстро нагревается от 108 до 132°С. С этой температурой молоко входит в секцию стерилизации.

Расширительная камера в некоторой степени выполняет функцию деаэратора. При частичном испарении молока вместе с влагой выделяются газы (например, сероводородные соединения). Смесь водяного пара и газа из расширительной камеры поступает в конденсатор, где происходит конденсация пара. Газ удаляется из конденсатора, а конденсат возвращается в расширительную камеру. Иначе будет нарушен баланс сухих веществ в исходном и стерилизованном молоке.

Установка снабжена системой автоматического контроля и регулирования процессами стерилизации молока, мойки и стерилизации установки.

Кроме установок с пластинчатыми нагревателями широкое распространение получили установки с трубчатыми нагревателями.

Принципиальная схема стерилизационной установки с нагревателем трубчатого типа представлена на рис. 8.

Рис. 8. Принципиальная схема установки для стерилизации молока в потоке с нагревателем трубчатого типа:

1 — уравнительный бак; 2 — первая секция регенерации; 3— гомогенизатор; 4— вторая секция регенерации; 5 — секция стерилизации; 6 — паровой вентиль; 7 — регулятор температуры; 8 — выдерживатель; 9 — охладитель; 10 — вентиль подпора; 11 — центробежный насос.

Молоко из уравнительного бака 1 центробежным насосом 11 подается через первую секцию регенерации 2 к гомогенизатору 3. Далее молоко прокачивается через вторую секцию ре
генерации 4, где нагревается до температуры регенерации и подается в секцию стерилизации 5.

Стерилизованное молоко после секции стерилизации проходит последовательно выдерживатель 8, вторую и первую секции регенерации 4, 2, где оно охлаждается и нагревает холодное молоко. Окончательно молоко охлаждается в секции водяного охлаждения 9.

Одним из крупных производителей стерилизационных установок трубчатого типа, предназначенных для стерилизации молока в потоке при УВТ-режиме, является фирма «Сторк» (Голландия).

Установки фирмы «Сторк» компонуются на основе трубчатых теплообменников змеевикового типа, что придает им определенную компактность.

Установка «Стеридеал» фирмы «Сторк» состоит из четырех основных частей: теплообменника трубчатого типа, гомогенизатора, моечного устройства и контрольной панели.

Теплообменник трубчатого типа фирмы «Сторк» в качестве  предстерилизатора эксплуатируется на Можайском заводе стерилизованного молока, где стерилизованное молоко вырабатывают по двухступенчатой схеме, разработанной этой же фирмой.

Схема стерилизационной установки «Стеридеал» представлена на рис. 9.

Согласно принятому порядку перед началом работы установки ее стерилизуют, в результате чего уничтожается остаточная микрофлора и происходит разогрев установки. Стерилизуют только ту часть установки, которая соприкасается с молоком.

Вода, предназначенная для стерилизации установки, из бака VIII центробежным насосом II подается во вспомогательный нагреватель III, где она нагревается паром до 140° С. После прохождения через установку воду охлаждают во вспомогательном охладителе IX до 80° С. Охлаждать воду необходимо для того, чтобы при выходе в открытую центральную секцию бака для моющих растворов не происходило ее вскипание.

Необходимо отметить, что вынужденное охлаждение горячей стерилизующей воды в связи с выходом ее в атмосферу требует дополнительного расхода тепла для повторного нагревания ее до 140° С, когда она вновь подается в установку.

Давление воды в каналах аппарата поддерживается с помощью дроссельного клапана 2 на уровне, несколько превышающем давление насыщения в целях предотвращения кипения воды.

На выходе горячей воды из вспомогательного нагревателя установлен датчик регулятора 6а (термобаллон), который соединен с регулятором 6. Требуемое значение температуры воды устанавливают на задатчике.

Рис. 9. Схема установки «Стеридеал»: I — уравнительный бак; II — центробежный насос; III — вспомогательный нагреватель; IV — секция регенерации; V — гомогенизатор; VI — секция стерилизации; VII — конденсатоотводчики; VIII —бак для моющих растворов; IX — вспомогательный охладитель; X —трехходовые пневмоклапаны; XI — секция охлаждения; 1 — поплавковый регулятор уровня; 2 — дроссельные клапаны; 3 — пневмоклапаны с поршневым приводом; 4 — показывающие манометры; 4а — места установки показывающих манометров; 5 — манометрические термометры; 5а — датчики манометрических термометров (термобаллоны); 6—регулятор температуры вспомогательного нагревателя; 6а— датчик регулятора; 66 — регулирующий пневмоклапан с мембранным приводом; 7 — программное устройство; 7а—7ж — пневмоклапаны программного устройства; 8 — пневматический регулятор температуры стерилизации; 8а — задатчик; 8б — датчик регулятора температуры стерилизации; 8в — регулирующий пневмоклапан с мембранным приводом; 9 — электроконтактный манометр; 9а — датчик электроконтактного манометра; ЛС — сигнальная лампочка.

В результате сравнения поступающего сигнала и значения температуры, установленного на задатчике, при наличии расхождения возникает сигнал рассогласования, который преобразуется в пневмосигнал, усиливается и подается к регулирующему пневмоклапану. Пневмоклапан 66, установленный на входе пара в нагреватель III, изменяет количество поступающего пара.

Продолжительность стерилизации установки задается программным устройством 7 на основании принятых режимов, обеспечивающих стерильность рабочих поверхностей, которые соприкасаются с молоком.

Установка в режим стерилизации молока переключается автоматически. Поступление пара во вспомогательный нагреватель прекращается, пневматический клапан 7ж закрывает выход моющих растворов из бака VIII, и открывается выход для молока из уравнительного бака I. На линии подачи молока открывается пневмоклапан 3, и молоко заполняет уравнительный бак I, уровень молока в котором регулируется поплавковым регулятором уровня 1. Молоко насосом II подается в первую секцию регенерации IVа. При этом оно вынуждено проходить через вспомогательный нагреватель, который становится дополнительным гидравлическим сопротивлением, непроизводительно поглощающим часть энергии на его преодоление.

В секции регенерации молоко нагревается приблизительно до 65° С и выводится на гомогенизатор V. В установке предусмотрена одноступенчатая и двухступенчатая гомогенизация при максимальном давлении 2,5-104 кПа.

Гомогенизатор создает напор, необходимый для дальнейшего прокачивания молока через остальную часть установки. После гомогенизации молоко нагревается до 110° С во второй секции регенерации IV6 и окончательно до температуры стерилизации 135° С — в секции стерилизации VI.

Трубчатый нагреватель этой секции имеет сложную конструкцию. Он изготовлен из трех концентрических труб (рис.10). В пространство первой центральной трубы вводится пар. В кольцевом пространстве между первой центральной и второй трубой течет нагреваемое молоко. В кольцевое пространство, образованное между второй и третьей (наружной) трубой, вводится пар. Следовательно, происходит двустороннее нагревание молока в тонком слое.

Рис. 10. Устройство трубчатого нагревателя секции стерилизации: 1 — канал круглого сечения для пара; 2 — кольцевой канал для молока; 3 — кольцевой канал для пара.

С точки зрения эффективности работы теплообменника условия для нагревания молока созданы благоприятные, однако конструкция усложняется введением промежуточных отводов для конденсата из наружного кольцевого пространства. Присутствие таких отводов необходимо, так как эффективность работы наружного кольцевого пространства резко снижается из-за быстрого скопления в нем конденсата.

Применение змеевика из трех концентрических труб позволило изготовителям исключить паровую камеру. Однако вопрос о целесообразности подобной замены требует своего окончательного решения на основе тщательного изучения преимуществ обеих конструкций.

Из секции стерилизации горячее молоко через выдерживатель змеевикового типа направляется в секцию регенерации, где оно охлаждается до 30° С. Конструктивно регенеративная секция представляет собой две концентрические трубы, свитые в виде змеевика. Змеевик, свитый из двух труб, имеет центральный канал круглого сечения и наружный — кольцевого сечения.

Согласно данным фирмы «Сторк» последняя модель установки «Стеридеал» не содержит выдерживателя. Стерилизованный продукт быстро охлаждается в секциях регенерации и водяного охлаждения XI (см. рис. 9). Далее он подается в асептический промежуточный резервуар и к разливочным автоматам.

Система автоматического контроля и регулирования процесса стерилизации обеспечивает регулирование температуры стерилизации путем изменения количества греющего пара, подаваемого в секцию стерилизации. На выходе молока из секции стерилизации установлен датчик 86, который связан с пневматическим регулятором 8. Сигнал датчика сравнивается со значением температуры, заданной на задатчике 8а. При их расхождении появляется сигнал рассогласования, который преобразуется в пневматический импульс, подаваемый на пневмоклапан с мембранным приводом 8в. В том случае, если температура молока перешла нижнюю границу допустимого диапазона температур стерилизации, трехходовой пневмоклапан X перекрывает поток молока, идущий к разливочным автоматам.

Давление молока при работе установки регулируется дроссельным клапаном 2. Оно в потоке должно превышать значение давления насыщения. В этом случае вскипания молока при 140° С не произойдет.

Переключение установки на режим мойки после стерилизации молока автоматическое.

Уравнительный бак снабжен выключателями максимального и минимального уровня. Когда уровень молока достигнет минимального значения, закрывается пневмоклапан 3, прекращая доступ молока в уравнительный бак, и открываются пневмоклапаны 7д, 7ж. Из бака VIII начинает поступать в установку вода. Одновременно с этим прекращается подача пара в секцию стерилизации VI и воды в секцию охлаждения XI.

Во вспомогательный нагреватель поступает пар, который нагревает воду до 80° С. Вода вытесняет из установки молоко.

В тот момент, когда смесь воды и остатков молока окажется на выходе, трехходовые пневмоклапаны X закрываются и начинается сброс смеси через трехходовой пневмоклапан 7а. По окончании сброса смеси пневмоклапан переключает поток чистой воды к вспомогательному охладителю IX, пройдя через который, вода попадает в бак для моющих растворов VIII. В режиме мойки холодная вода во вспомогательный охладитель не подается. Таким образом, в установке происходит непрерывная циркуляция воды.

Бак для моющих растворов VIII разделен на три отсека. Два крайних отсека предназначены для концентрированных растворов щелочи и кислоты. Отсеки герметически закрыты, и в них подается сжатый воздух. С помощью сжатого воздуха в центральный отсек вытесняется определенное количество концентрированных растворов щелочи или кислоты, которые разбавляются водой. После циркуляции воды через установку пропускают щелочной раствор. Затем установку ополаскивают и пропускают кислотный раствор, после чего установку окончательно ополаскивают водой. Последовательность и продолжительность моечных операций задаются на программном устройстве 7 в соответствии с рекомендуемой фирмой инструкцией по мойке и стерилизации установки.

Установка в режим мойки включается автоматически в зависимости от образования осадка на рабочей поверхности теплообменников секции стерилизации. Перед входом молока в эту секцию установлен электроконтактный манометр 9, посредством которого и производится переключение режимов работы установки при чрезмерном возрастании давления молока на входе в секцию.

Небезынтересны некоторые данные фирмы «Сторк» по расходу пара, воды, сжатого воздуха и электроэнергии. Расход пара на 1 л продукта при правильной эксплуатации установки составляет 0,085 кг. Расход пара на стерилизацию установки — 350 кг за 0,5 ч. Расход воды на 1 л продукта — 2 л. Сжатый воздух при температуре 20° С и относительной влажности 50% расходуется в количестве 10 м3/ч. Расход электроэнергии составляет для установок производительностью 1000 л/ч—15 кВт-ч; 2000 л/ч — 55 кВт-ч; 4000 л/ч —40 кВт-ч; 6000 л/ч —60 кВт-ч; 8000 л/ч — 75 кВт-ч. Все перечисленные стерилизационные установки расходуют для работы системы автоматического контроля и регулирования 3,3 кВт-ч электроэнергии и 5,5 кВт-ч для работы центробежного насоса.

Стерилизационная установка «Стеридеал» отличается простотой конструкции. В ней отсутствуют такие элементы, как устройства для выделения из молока денатурированных при нагревании белковых фракций, устройства для выделения из молока газов, растворенных в молоке и выделяемых под действием температуры. Учитывая то, что большая протяженность каналов аппарата представляет собой кольцевую щель высотой 14 мм, которая находится в области действия повышенных и высоких температур, условия для образования осадка в каналах являются благоприятными. Следовательно, нормальная работа установки в течение продолжительного времени (4—5 ч) возможна только при стерилизации молока, чистота которого соответствует I группе и кислотность которого не превышает 16— 18° Т.

В противном случае эффективное время работы установки будет незначительным.

В настоящее время фирма выпускает установки следующих производительностей: 1000 л/ч; 2000 л/ч; 4000 л/ч; 2000 и 4000 л/ч с даухскоростным электродвигателем; изменяемой производительностью от 1000 до 4000 л/ч с электродвигателем постоянного тока; 6000 л/ч; 3000 и 6000 л/ч с двух- скоростным электродвигателем; 8000 л/ч; 4000 и 8000 л/ч с двухскоростным электродвигателем; с изменяемой производительностью от 2000 до 8000 л/ч с двигателем постоянного тока; с изменяемой производительностью от 100 до 500 л/ч.