ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ МЕТОДОМ ВЫМОРАЖИВАНИЯ

E-mail: a – ows2003@mail.ru; b – sagimbek@mail.ru

Abstract

The conditions for conducting the process of concentration of liquid media by the method of freezing moisture should be selected taking into account their properties and based on an analysis of the processes taking place inside the products themselves.
The creation of rational apparatus designs requires in-depth knowledge of the processes occurring both in the working chamber and in the processed materials. The concentration process by the method of freezing cottage cheese whey in a continuous screw mold was studied. Dependencies are obtained in graphical form, which reflect the change in the concentration ratio of serum and the specific amount of frozen ice depending on the change in the operating parameters of the mold.

Аннотация

Условия проведения процесса концентрирования жидких сред методом вымораживания влаги следует выбирать с учетом их свойств и на основе анализа процессов, протекающих внутри самих продуктов. Создание рациональных конструкций аппаратов требует глубоких знаний процессов, происходящих как в рабочей камере, так и в обрабатываемых материалах. Исследован процесс концентрирования методом вымораживания творожной сыворотки в шнековом кристаллизаторе непрерывного действия. В графической форме получены зависимости, отражающие изменение кратности концентрирования сыворотки и удельного количества вымороженного льда в зависимости от изменения режимных параметров работы кристаллизатора.

Экспериментальные исследования процесса вымораживания творожной сыворотки проводились на экспериментальной установке, оснащенной необходимыми контрольно- измерительными приборами и приспособлениями, принципиальная схема которой приведена на рисунке 1. Экспериментальная установка состоит из кристаллизатора с очищаемой теплообменной поверхностью, системы подачи хладагента в охлаждающую рубашку и привода устройства для удаления льда из кристаллизатора. Главной часть установки является кристаллизатор с очищаемой теплообменной поверхностью, представляющий собой неподвижный цилиндрический корпус 1, снабженный охлаждающей рубашкой 2.

• 

Корпус кристаллизатора (внутренний цилиндр) и рубашка охлаждения (внешний цилиндр)
образуют испарительную камеру кольцевого сечения. Оба цилиндра представляют собой трубы, изготовленные из нержавеющей стали Х18Н10Т. Рубашка охлаждения соединена с внутренним цилиндром посредством сварки, таким же образом к ней приварены патрубок подачи хладагента в рубашку 3 и патрубок отвода хладагента из нее 4. Хладагент циркулирует в испарительной камере по винтовой линии, образованной стальной навивкой 5 для обеспечения кипения в тонком слое при высоких скоростях движения хладагента, что способствует повышению коэффициента теплоотдачи от стенки внутреннего цилиндра хладагенту. Внутренний цилиндр не подвижно закреплен на двух опорах 6. С целью снижения потерь холода в окружающую среду охлаждающая рубашка снабжена
тепловой изоляцией 7. Внутри цилиндрического корпуса кристаллизатора на двух фторопластовых опорах скольжения 8, запрессованных в крышки 9, установлена подвижная часть аппарата — перемешивающее скребковое устройство для очистки поверхности теплообмена от намораживаемого льда, которое также служит для транспортировки смеси срезаемого льда и сконцентрированного продукта к выходному отверстию. Оно представляет собой шнек 10. Для ввода концентрируемого продукта
внутрь кристаллизатора служит патрубок, снабженный воронкой 11, размещенный на конце цилиндрического корпуса. Жидкий хладагент поступает в охлаждающую рубашку 2 через патрубок 3 и движется противотоком с замораживаемым продуктом. Парообразный хладагент удаляется через патрубок 4. При контакте продукта с охлаждаемой стенкой цилиндра некоторая часть содержащейся в нем воды вымерзает. Образующийся слой льда срезается шнеком и кристаллы льда смешиваются с жидкостью. Образовавшаяся в цилиндре суспензия кристаллики льда — концентрат удаляется из кристаллизатора через патрубок 12, снабженный краном и расположенный на противоположном конце цилиндра.
Приводом шнека служит электродвигатель 13 марки АОЛ-2-II-4, соединенный при помощи
клиноременной передачи с червячным редуктором 14 и оборудованный набором шкивов для ступенчатого изменения частоты вращения шнека от 0,04 до 0,2 с-1. Червячный редуктор соединяется со шнеком при помощи цепной передачи 15.
Время оборота вала шнека измерялось секундомером с ценой деления 0,1 с.
Для замера температуры стенки внутреннего цилиндра, а также температуры суспензии
кристаллы льда — концентрат служат прикрепленные к стенке цилиндра 1 и патрубку выхода суспензии 12 хромель-копелевые термопары 16, 17 и 18, подсоединенные к электронному универсальному измерителю-регулятору 19 марки ТРМ138 фирмы «Овен».
Перед подачей продукта в кристаллизатор установки его температура измерялась ртутным термометром с пределами измерения -10 °С…+50 °С и ценой деления 0,1 °С. Для определения объемов исходного продукта, вымороженного льда и сконцентрированного продукта использовались мерные цилиндры с ценой деления 1 мл. Для определения содержания сухих веществ в исходном продукте и концентрате, а также величины сухих веществ продукта, вынесенных вместе с вымороженным льдом, использовался рефрактометр ИРФ-22.
Система подачи хладагента в охлаждающую рубашку кристаллизатора состоит из
холодильного агрегата ФАК-1,5М3, включающего поршневой сальниковый компрессор 20 марки 2ФВ-4/4,5, четырехсекционный конденсатор 21, электродвигатель 22, ресивер 23, фильтр-осушитель 24 марки ФО-80, реле давления 25 марки РД-3-01, терморегулирующий вентиль 26 марки 12ТРВ; всасывающий вентиль, нагнетательный вентиль, вентиль конденсатора. В качестве холодильного агента в холодильной машине использовался фреон 12.
Мощность холодильного агрегата позволяла при экспериментах получать температуру кипения холодильного агента от минус 5 °С до минус 28 °С за счет варьирования холодопроизводительности путем изменения частоты вращения вала компрес-сора. Давление во всасывающей и нагнетающей магистрали компрессора контролировалось манометрами.
При проведении экспериментальных исследований была использована следующая методика проведения опытов. После наружного осмотра установки включается в работу холодильная машина, открывается вентиль подачи хладагента в охлаждающую рубашку и контролируется температура стенки испарителя при помощи термопары. При достижении температуры близкой к рабочей включается привод шнека. Заданную частоту вращения шнека устанавливали заранее путем подбора и установки шкивов соответствующего диаметра для ременной передачи привода.
После достижения устойчивого режима работы периодически производили отбор проб
вымороженного льда и сконцентрированного продукта, фиксировали значения величины температуры стенки испарителя установки, исходного и сконцентрированного продукта, давления кипения и конденсации хладагента, температуры вымороженного льда на выходе из установки. Одновременно определяли производительность установки по исходному продукту, вымороженному льду и сконцентрированному продукту.
Изучение влияния условий холодильной обработки творожной сыворотки на особенности
вымораживания влаги при криоконцентрировании позволяет выявить особенности протекания процесса сгущения, установить характерные закономерности, отражающие изменение параметров процесса криоконцентрирования творожной сыворотки, а также определить величину потерь целевого компонента концентрируемого раствора при реализации указанного процесса [1].
Исследование процесса криоконцентрирования творожной сыворотки в кристаллизаторе
шнекового типа позволило получить характерные зависимости, отражающие особенности процесса концентрирования творожной сыворотки в исследуемом диапазоне изменения режимных параметров функционирования, описанные в виде графических интерпретаций, представленных на рисунках [2,5].
Механизм процесса криоконцентрирования жидких сред определяется в основном режимом проведения указанного процесса и характером связи влаги с материалом или условиями миграции молекул воды к поверхности фронта кристаллизации и встраивании их в кристаллическую структуру льда. Режим вымораживания влаги, определяющий механизм процесса, характеризуется следующими параметрами: температурой охлаждающей среды или теплообменной поверхности, воспринимающей теплоту кристаллизации влаги, скоростями перемещения и площадью поверхности
контакта теплообменивающихся сред, видом и концентрацией растворенных веществ продукта [2, 3].

• 

• 

Теплофизическая сущность теплообменных процессов состоит в том, что поверхность
теплообмена отнимает теплоту от концентрируемой среды, причем, теплота частично выделяется при кристаллизации воды в лед, а частично передается в жидкой среде в результате конвекции. При этом возникают диффузионные процессы: влага на поверхности контакта с поверхностью теплообмена переходит в твердую фазу, а из внутренних слоев среды происходит миграция влаги к более концентрированному слою.
В действительности, описанные тепловые и массообменные процессы осложняются
побочными явлениями и процессами, возникающими при концентрировании вымораживанием [4, 5].

• 

• 

Теплоотдача происходит исключительно на поверхности теплообмена, кристаллизация же
влаги только в начале процесса вымораживания происходит на теплообменной поверхности в аппарате, а затем поверхность теплообмена с геометрической поверхности охлаждения аппарата перемещается вместе с фронтом кристаллизации, образуется слой льда, толщина которого увеличивается; теплота, отводимая при кристаллизации влаги, помимо преодоления термического сопротивления пограничного слоя, должна преодолевать все время, возрастающее термическое сопротивление слоя вымороженного льда – зоны кристаллизации, где передача теплоты в происходит только за счет теплопроводности, а это значит, что по мере образования и углубления зоны кристаллизации влаги интенсивность льдообразования уменьшается, скорость вымораживания падает, поэтому следует стремиться к непрерывному уменьшению толщины слоя льда, что и реализовано в шнековом кристаллизаторе.
В результате проведения исследований удалось установить, что, параметры процесса
криоконцентрирования творожной сыворотки, значениями которых можно было варьировать в ходе проведения экспериментов, однозначно влияют на величину кратности концентрирования творожной сыворотки, а также на количество вымороженного льда. С повышением средней температуры стенки испарителя кристаллизатора кратность концентрирования и количество вымороженного льда, как правило, монотонно снижается. Также очевидно, что при величине температуры стенки испарителя шнекового кристаллизатора, равной криоскопической температуре творожной сыворотки при
соответствующем содержании растворенных веществ, вымораживание влаги на поверхности испарителя и льда удаляемого шнеком установки, прекращается.
Увеличение содержания сухих веществ в исходной сыворотке и повышение частоты вращения шнека кристаллизатора, вызывает снижение величины кратности концентрирования и количества вымороженного льда из творожной сыворотки. Увеличение шага шнека кристаллизатора вызывает смещение кривых, отражающих кратность концентрирования на графиках в сторону уменьшения величины кратности концентрирования. При этом отмечено, что для всех описанных условий работы
кристаллизатора снижение содержания сухих веществ в исходном продукте приводит к менее выраженному характеру повышения содержания растворенных веществ концентрате.
Характерным является снижение кратности концентрирования, поскольку с увеличением
содержания растворенных веществ в исходной творожной сыворотке повышается сопротивление тепло- и массопереносу, и, соответственно, замедляется переход молекул воды из жидкого состояния в кристаллическое, что требует большего времени и затрат энергии на ее вымораживание.
Повышение температуры стенки испарителя вызывает уменьшение содержания сухих веществ в сконцентрированном продукте. При постоянных значениях содержания сухих веществ в исходном продукте и температуры стенки испарителя значение содержания сухих веществ в концентрате снижается при увеличении частоты вращения шнека, что следует учитывать при управлении кристаллизатором [6, 7].
Семейство кривых, отражающих величину объема льда, образующегося на поверхности
испарителя кристаллизатора, в зависимости от изменения температуры поверхности вымораживания и начального содержания сухих веществ в сыворотке также носят идентичный характер. Увеличение начального содержания сухих веществ в сыворотке при постоянной температуре испарителя кристаллизатора нелинейно снижает удельное количество вымороженного льда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Короткий И.А. Исследование процессов криоконцентрирования молочной сыворотки / И.А. Короткий, П.А. Гунько, Д.Е Федоров // Вестник красноярского государственного аграграрного университета. 2014. №1. С. 148-153.
2. Овсянников В.Ю. Концентрирование плазмы крови крупного рогатого скота вымораживанием. // Мясная индустрия. 2013. № 7. С. 47-49.
3. Hamed Hashemi, Saeedeh Babaee, Amir H. Mohammadi, Paramespri Naidoo, Deresh Ramjugernath. Experimental study and modeling of the kinetics of refrigerant hydrate formation. The Journal of Chemical Thermodynamics. Volume 82, March 2015, P. 47-52.
4. Кретов И.Т., Овсянников В.Ю., Панченко С.Л.. Влияние концентрирования на аминокислотный состав творожной сыворотки / Пищевая промышленность. — 2010. — № 1. — С. 44-45.
5. Гущин А.А. Концентрирование творожной сыворотки разделительным вымораживанием. Вестник Красноярского государственного университета. 2017. № 10 (133). С. 168-174.
6. Овсянников. В.Ю. Управление процессом низкотемпературного концентрирования жидких сред вымораживанием / В.Ю. Овсянников, Н.И. Бостынец, А.Н. Денежная, Я.И. Кондратьева // Автоматизация. Современные технологии. 2016. №2. С. 10-13.
7. Алтайулы С., Жакупова Г.Н., Байтукенова Ш.Б. Способ производства композиционного творожнорас-тительного продукта специального назначения /Вестник Государственного Университета имени Шакарима. 2016. №1. — С. 3-6.