Пастеризация молока

Пастеризация – процесс одноразового нагревания чаще всего жидких продуктов или веществ до 60 °C в течение 60 минут или при температуре 70–80 °C в течение 30 мин. Технология была открыта в середине XIX века французским микробиологом Луи Пастером. Применяется для обеззараживания пищевых продуктов, а также для продления срока их хранения.

При такой обработке в продукте погибают вегетативные формы микроорганизмов, однако споры остаются в жизнеспособном состоянии и при возникновении благоприятных условий начинают интенсивно развиваться. Поэтому пастеризованные продукты (молоко, пиво и другое) хранят при пониженных температурах в течение ограниченного периода времени. Считается, что пищевая ценность продуктов при пастеризации практически не изменяется, так как сохраняются вкусовые качества и ценные компоненты (витамины, ферменты).

В зависимости от вида и свойств пищевого сырья используют разные режимы пастеризации. Различают длительную (при температуре 63–65 °C в течение 30–40 мин), короткую (при температуре 85–90 °C в течение 0,5–1 мин) и мгновенную пастеризацию (при температуре 98 °C в течение нескольких секунд).

Пастеризация не может применяться при консервировании продуктов, так как герметично закрытая тара является благоприятной средой для прорастания спор анаэробной микрофлоры). В целях долговременного консервирования продуктов (в особенности загрязненных первоначально землей, например, грибов, ягоды), а также в медицинских и фармацевтических целях применяют дробную пастеризацию – тиндализацию.

Обзор и анализ существующих способов и схем пастеризации молока

Действие пастеризации на микроорганизмы, содержащиеся в молоке, зависит от температуры, до которой нагревают молоко, и продолжительности выдержки при этой температуре. Пастеризацией уничтожаются микробы, а при стерилизации (нагревании молока выше температуры кипения) – одновременно и споры. Кипячением уничтожается вся микрофлора молока, за исключением спор, устойчивых к температуре кипения. Пастеризацией без заметного изменения органолептических свойств молока (вкус, запах и консистенция) уничтожаются туберкулезные, бруцеллезные и другие болезнетворные бактерии. В обычном сборном молоке погибает 99% бактерий лишь при условии хорошей, надежной стерилизации аппаратуры, инвентаря, посуды, используемых в процессе пастеризации. Так, добавка к пастеризованному молоку загрязненного молока, содержащего 1 млрд. бактерий (то есть такое количество, которое может остаться по недосмотру в молочном инвентаре), повысит количество бактерий в молоке до 1 млн. в 1 мл. Эти бактерии будут активно размножаться и неизбежно приведут к порче всего молока. Пастеризация, следовательно, наиболее простой и дешевый способ обеззараживания молока.

Молоко пастеризуют также при производстве всех молочных продуктов, чтобы предохранить их в последующем от нежелательных процессов, которые вызываются жизнедеятельностью бактерий и особенно кишечной палочки, масляно-кислых бактерий и других. При пастбищном содержании скота микрофлора молока уничтожается нагреванием более полно, чем при стойловом содержании. Объясняется это тем, что при стойловом содержании бактерии попадают в молоко главным образом с навозных частиц. Эти бактерии по своим свойствам более устойчивы к нагреванию. При пастбищном содержании в молоке обнаруживаются преимущественно бактерии, размножающиеся на растениях. Перед пастеризацией необходима тщательная очистка молока. На практике применяются три режима пастеризации: при длительной пастеризации молоко нагревают до 63–65 °С и выдерживают при этой температуре 30 мин; кратковременная пастеризация проводится при 72–75 °С с выдержкой в течение 15–20 с, что осуществляется в потоке; мгновенная пастеризация – нагревание молока до температуры 85–90 °С без выдержки. Термическое воздействие на молоко приводит к некоторым изменениям его составных веществ. При нагревании из молока улетучиваются растворенные в нем газы.

Вследствие удаления углекислоты кислотность молока снижается на 0,5–1 °Т. При температуре выше 85° частично изменяется казеин. Но наибольшему воздействию подвергается альбумин молока: при 60 – 65 °С он начинает денатурироваться. Нарушается при пастеризации и солевой состав молока. Растворимые фосфорнокислые соли переходят в нерастворимые. От частичного свертывания белков и образования нерастворимых солей на поверхности нагревательных приборов (пастеризаторы) отлагается осадок–молочный камень (пригар). Пастеризованное молоко медленнее свертывается сычужным ферментом. Это объясняется выпадением кальциевых солей. Добавление к такому молоку раствора хлористого кальция восстанавливает его способность свертываться. Витамины стойки к воздействию высокой температуры, особенно если молоко нагревается без доступа кислорода воздуха. Нагревание до высоких температур (80–85°) придает молоку особый привкус и аромат, которые по мере повышения температуры усиливаются. При кипячении состав молока также изменяется. Например, почти в 2 раза уменьшается содержание витаминов А и С. Теряются питательные вещества в пределах от 15 до 20% вследствие образования осадков белков, жира и солей кальция на стенках посуды. Поэтому кипятить пастеризованное молоко без особой нужды не следует.
Цели пастеризации следующие:

       ·  уничтожение патогенной микрофлоры, получение продукта, безопасного для потребителя в санитарно-гигиеническом отношении;

       ·  снижение общей бактериальной обсемененности, разрушение ферментов сырого продукта, вызывающих порчу пастеризованного продукта, снижение его стойкости в хранении;

       ·  направленное изменение физико-химических свойств продукта для получения заданных свойств готового продукта, в частности, органолептических свойств, вязкости, плотности сгустка и т.д.

Объемы продуктов, подлежащих пастеризации, огромны. Поэтому приоритетными направлениями работ по совершенствованию и созданию новых пастеризационно-охладительных установок являются снижение энергоемкости теплообменных процессов, минимизация их геометрических параметров, снижение стоимости.

Существуют различные исполнения пастеризаторов: трубчатые, скребковые, пластинчатые, с инфракрасным нагревом, емкостные и так далее. Самыми эффективными с точки зрения снижения энергоемкости и времени обработки являются пластинчатые пастеризационно-охладительные установки.

По классическим схемам на данных установках в пластинчатом теплообменном аппарате три секции: пастеризации, рекуперации и охлаждения. Благодаря секции рекуперации, выходящий горячий продукт в потоке отдает тепло поступающему холодному продукту, что позволяет экономить как минимум 85…90% электроэнергии, потребляемой для пастеризации. Соответственно выходящий продукт перед попаданием в секцию охлаждения частично охлажден и не требует больших энергозатрат холодопроизводителей. Так как, процессы нагрева и охлаждения осуществляются в закрытом потоке, то это исключает возможность повторного обсеменения. Время обработки продукта в пластинчатых пастеризационно-охладительных установках в несколько раз меньше по сравнению с емкостными.

Наибольшее распространение получили пастеризаторы модели ПМР‑02‑ВТ (небольшой производительности: 500…2000л/ч) с роторным нагревателем.

Схема технологического процесса: продукт из накопительной емкости подается в приемный бак. Из приемного бака продукт посредством насоса поступает в секцию рекуперации теплообменника, где подогревается встречным потоком пастеризованного продукта. Из секции рекуперации продукт поступает в роторные нагреватели. В роторном нагревателе, при вращении на больших оборотах, продукт, проходя зоны расширения и сужения, нагревается до температуры пастеризации. Далее он прокачивается через клапан возврата, выдерживатель, секцию рекуперации, секцию охлаждения и направляется в емкость для сбора и хранения. Если в автоматическом режиме работы температура продукта ниже заданной, то клапан возврата срабатывает и направляет продукт на вход в секцию рекуперации для повторного нагрева. При этом срабатывает световая и звуковая сигнализация, предупреждая о том, что посредством регулирующего крана необходимо уменьшить производительность. Температура пастеризации продукта индицируется и регистрируется на приборах в шкафу управления. Пастеризованный продукт из секции рекуперации поступает в секцию охлаждения, где охлаждается хладоносителем до заданной температуры и поступает в емкость для сбора и хранения. Температура выхода продукта индицируется на приборах в шкафу управления.

Роторный нагреватель нагревает на небольшую дельту температуры. (7…9 С) Основной нагрев осуществляется в секции рекуперации, поэтому работа роторного нагревателя корректна только в составе пастеризационно-охладительной установки, совместно с пластинчатым теплообменником. Мощность нагревателей и их количество определяет производительность установки. Нагреватель является вихревой гидродинамической машиной, обладающей свойствами насоса.

Основные преимущества установок с роторным нагревателем:

-    В пастеризаторе с роторным нагревателем нагрев продукта происходит напрямую, без применения промежуточных теплоносителей, в связи с чем коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую в 1,5…2 раза выше по сравнению с тэновыми нагревателями, что позволяет экономить как минимум 50% электроэнергии, потребляемой для пастеризации продуктов. Так, потребление электроэнергии на пастеризацию 1200 л/час составляет всего 7…8 кВт.

-    Отсутствие секции пастеризации в ПМР‑02‑ВТ с роторными нагревателями исключает возможность пригорания продукта и отложения камня, накипи. По фракционному составу белок пастеризованного молока идентичен белку исходного сырого молока. Содержание жира после пастеризации не меняется.

-    Отсутствие секции пастеризации значительно упрощает и удешевляет конструкцию установки (уменьшается теплообменный аппарат; нет насоса теплоносителя, системы подготовки горячей воды (ТЭНы/пар), бака теплоносителя и расширительного бака, трубопроводной обвязки).

-    В роторных нагревателях происходит частичная гомогенизация (16…20%), улучшая вкусовые качества продукта. Благодаря «объёмному» воздействию на продукты в роторном нагревателе созданы условия для полного подавления микрофлоры, что позволяет существенно увеличить сроки сохранения их качества.

-    Использование данных установок не требует оборудования для получения пара (наличия котельной или электротэнов).

-    Нагреватель является вихревой гидродинамической машиной, обладающей свойствами насоса. Это облегчает проход более густых продуктов.

-    На базе роторного нагревателя, выполненного из нержавеющей стали, разработаны и изготовлены пастеризаторы ПМР‑02‑ВТ (стерилизаторы), обеспечивающие нагрев продукта в пределах 70…125 С при малой потребляемой мощности. Так, потребление электроэнергии на высокотемпературную пастеризацию продукта, производительностью1500 л/час и температурой 120 С, составляет всего 12…13 кВт.

Ведутся работы по созданию литого роторного нагревателя нового образца (из нержавеющей стали) для установок большей производительности. Данные нагреватели позволят совершить прорыв в области экономии потребляемой электроэнергии. Опытные образцы показали феноменальные результаты. Так для пастеризации продукта при 80 С, производительностью 3000 л/ч, потребуется всего 20…25кВт. Данная установка имеет возможность стерилизовать продукт (до температуры 120…135 С) В настоящее время не существует аналогов таких экономичных установок. Высокий технический уровень, экономичность, компактность пастеризаторов ПМР‑02‑ВТ определил постоянно растущий спрос на них у потребителей.

Одним из простых видов аппаратов для нагревания и пастеризации молока являются ванны длительной пастеризации.

Нагревание молока в ваннах длительной пастеризации осуществляется горячей водой, подогреваемой паром непосредственно в рубашке, а охлаждение – ледяной водой, перегоняемой через рубашку.

Ванна длительной пастеризации Г6-ОПБ-600

Рисунок 1 – Ванна длительной пастеризации Г6-ОПБ-600;

1‑резервуар; 2 – наружный корпус; 3‑крышка; 4‑мешалка; 5‑привод мешалки; 6‑термометр; 7‑опора; 8‑паровой коллектор; 9‑вентиль; 10‑труба слива охлаждающей воды; 11‑кран для слива молока

Работает ванна длительной пастеризации следующим образом. пар через коллектор (барботер) поступает в воду, заполняющую межстенное пространство, и нагревает ее до температуры до… 96°С. Конденсат пара смешивается с водой, излишки которой сливаются через переливную трубу.

Горячая вода через стенку внутреннего резервуара нагревает молоко. По достижении заданной температуры паровой вентиль частично прикрывают и выдерживают молоко при температуре пастеризации. Затем паровой вентиль полностью закрывают и открывают вентиль холодной воды, которая постепенно вытесняет из межстенного пространства горячую воду и охлаждает молоко.

После завершения технологического цикла молоко из ванны сливают, а внутренний резервуар ванны и все детали, соприкасающиеся с молоком, промывают моющим раствором и ополаскивают теплой водой.

Расход пара на пастеризацию 1000 кг молока в ваннах длительной пастеризации составляет 100… 140 кг, что в 4,5…5 раз больше, чем в современных пластинчатых установках. Последнее свидетельствует о низкой экономичности ванн длительной пастеризации и объясняется тем, что тепло, затраченное на предварительное нагревание воды в рубашке ванны, используется нерационально. Кроме того, в ваннах длительной пастеризации неприменима рекунерация тепла, которая широко используется в пластинчатых аппаратах.

Универсальный танк является более совершенной конструкцией резервуара – теплообменника для тепловой обработки молока и других жидких пищевых продуктов. Он может быть использован для охлаждения молока с 35 до 5…6°С и его хранения; для подогрева и пастеризации молока в интервале температур 75…90°С; для тепловой обработки сливок и выдержки их при низкой температуре в процессе созревания и подогрева перед сбиванием; для охлаждения молока и других жидких молочных продуктов с 90 до 20°С.

В сравнении с ваннами длительной пастеризации универсальные танки оборудованы более современной и эффективной системой нагревания и охлаждения, а также приборами контроля технологических параметров.

Перед началом пастеризации межстенное пространство танка заполняют водой до появления ее из переливной трубы. Затем заполняют танк молоком, включают мешалку и насос циркуляции воды. После этого в барботер пускают пар и доводят температуру воды до 90…96°С. Излишняя вода (от конденсации пара) сливается через переливную трубу.

После нагревания до заданной температуры, которую контролируют с помощью дистанционного термометра, молоко выдерживают в течение определенного времени, а затем прекращают подачу пара и пускают холодную воду. Циркуляционный насос при этом отключают. После вытеснения горячей воды через переливную трубу вновь включают насос и охлаждают молоко до температуры на 2–3 °С выше водопроводной воды. Для охлаждения молока до более низкой температуры водопроводную воду отключают, а в змеевик подают ледяную воду или рассол.

Мешалка и циркуляционный насос, перемешивая молоко и промежуточный хладоноситель, ускоряет процесс охлаждения молока.

Чтобы предотвратить нагревание охлажденного молока в период длительного хранения, мешалку и циркуляционный насос включают в работу через каждые 1.5…2ч.

К недостаткам универсальных резервуаров теплообменников, так же, как и ванн длительной пастеризации, можно отнести: отсутствие рекунерации тепла и постоянный контакт продукта с воздушной средой.

Для обработки молока в закрытом потоке при высоких скоростях его движения служат трубчатые пастеризационные установки.

По числу цилиндрических корпусов для нагревания молока трубчатые установки подразделяются на одно-, двух- и четырехсекционные.

Односекционный аппарат с паровым обогревом наиболее простой из применяемых трубчатых пастеризаторов. Он состоит из цилиндрического корпуса 3 (рисунок 2), снабженного термоизоляцией и закрытым защитным кожухом из тонколистной стали. Внутри цилиндрического корпуса размещен трубчатый теплообменник, состоящий из труб, трубных досок с выфрезерованными в них каналами для попарного соединения труб и крышек с резиновыми уплотнениями. Последние изолируют каналы друг от друга, создавая таким образом змеевик. Первая и последняя трубы теплообменника выведены из цилиндра наружу в виде патрубков со штуцерами для ввода и вывода обрабатываемого продукта. В паровой рубашке цилиндра на входе пара установлена перфорированная отражательная пластина для предотвращения местного перегрева труб. В верхней части цилиндра смонтирована паровая обвязка пастеризатора, состоящая из температурного датчика 6, вентиля, регулятора температуры 5 прямого действия и монометра 4.

Для автоматического удаления конденсата из межтрубного пространства в нижней части цилиндра смонтиован конденсатоотводчик. Он состоит из корпуса и крышки, соединенных болтами, поплавка с грузом, съемного седла и шарикового клапана. Корпус установлен на трубчатой подставке, четыре ножки которой имеют винтовые опоры для регулировки уровня при монтаже пастеризатора на неровном полу.

Односекционный трубчатый пастеризатор с паровым обогревом.

При работе пастеризатора молоко через входную трубу поступает в трубчатый теплообменний и, проходя по змеевиковым каналам, нагревается паром до заданной температуры. На выходе молока из теплообменника установлен датчик температуры, связанный с регулятором температуры. Поступление пара в межтрубное пространство пастеризатора регулируется автоматически в зависимости от температуры пастеризации молока.

Более совершенный конструкции трубчатых пастеризаторов оборудованы также перепускным клапаном, который связан с чувствительным элементом менометрического термометра. Последний воспринимает температуру молока, выходящего из пастеризатора, и подает сигнал на электромагнитный клапан. Если температура молока ниже заданной, электромагнитный клапан срабатывает и направляет поток молока на повторное нагревание.

Схема (а) и температурный график (б) парового пастеризатора

Рисунок 2 – Схема (а) и температурный график (б) парового пастеризатора

1‑сменная вставка; 2‑воронкамолокоприемника; 3‑поплавковый регулятор; 4 и 9‑трубы подвода и отвода молока; 5 и 7‑сливная и переливная трубы; 6‑патрубок подвода пара; 8‑кран; 10‑патрубок подвода пара в барабан; 11 и 20‑верхний и нижний сборник конденсата; 12 – винт; 13‑лопатка; 14‑паровая рубашка; 15‑труба слива конденсата; 16 и 17 – паровой и воздушный краны; 18‑ванна; 19‑капельное кольцо; 21‑сливной кран; 22 – электродвигатель

Нормальная работа трубчатого парового пастеризатора во многом зависит от правильной работы регулятора температуры и конденсатоотводчика. Последний должен обеспечивать непрерывный и полный отвод конденсата из паровой рубашки, так как приего накоплении уменьшается теплообменная поверхность, а следовательно, снижается производительность пастеризатора.

Недостатки трубчатых пастеризационных установок – высокая металлоемкость и большие габаритные размеры по сравнению с пластинчатыми при равной производительности; необходимость значительного свободного пространства со стороны торцов цилиндрических теплообменных секций для работы длинными ершами при чистке и мойке аппарата; отсутствие секций для рекунерации теплоты, что снижает экономичность работы и сужает область применения этих теплообменников.

Более совершенными для кратковременной пастеризации являются пластинчатые пастеризационно-охладительные установки типов ОПФ и ОПУ.

Пастеризационно-охладительные установки для питьевого молока различают по производительности. Выпускают пастеризационно-охладительные установки производительностью 3000, 5000, 10000, 15 000 и 25 000 л/ч.

Пастеризационно-охладительные установки производительностью 3000 и 5000 л/ч имеют ряд узлов и деталей одинаковой конструкции. В этих аппаратах размещение секций по отношению к главной стойке одностороннее. В первом аппарате использованы теплопередающие пластины ленточно-поточные П‑2, а во втором – сетчато-поточные АГ‑2. В пастеризационно-охладительных установках производительностью 10 000, 15 000 и 25 000 л/ч применены пластинчатые аппараты с двусторонним расположением секций по отношению к главной стойке. В первых двух аппаратах использованы ленточно-поточные пластины П‑2, в третьем – сетчато-поточные ПР – 0,5М.

Наиболее распространенной является пастеризационно-охладительная установка производительностью 10 000 л/ч.

В установку входит: пластинчатый пастеризатор-охладитель, сравнительный бак с поплавком, насос для молока, регулятор равномерности потока, сепараторы молокоочистители, автоматический клапан для отвода недопастеризованного молока, бойлер для нагрева воды, пульт управления с выдерживателем и трубопроводы для пара и рассола с регуляторами давления и расходы.

Секции установки отличаются различной компановкой пластин, их типом и расположением. В установке имеется пять секций: пастеризации, регенерации (I и II ступеней), охлаждения водой и охлаждение рассолом.

Работа пластинчатой автоматизированной пастризационно-охладительной установки осуществляется так. Сырое молоко из емкости для хранения подается насосом в промежуточный бак. Уровень молока в баке поддерживается поплавковым устройством. Из бака молоко насосом 12 (рисунок 3) направляется через стабилизатор 11 потока в секцию регенерации пластинчатого аппарата, где нагревается пастеризованным молоком. Затем молоко идет в попеременно работающие молокоочистители 17. Очищенное молоко под напором подается в секцию пастеризации пластинчатого аппарата, в которой нагревается горячей водой до температуры 76 2°С и далее направляется в трубчатый выдерживатель 5, а затем в секцию 14 регенерации. При температуре пастеризации ниже заданной молоко автоматическим клапаном возвращается в бак 10 для повторной тепловой обработки. При заданной температуре пастеризации молоко из выдерживателя 5 последовательно проходит секции 15 и 16 водяного и рассольного охлаждения пластинчатого аппарата, охлаждаясь до 4 2°С. Вода для секции пастеризации подогревается в инжекторе 4 и подается водяным насосом 2.

Схема пастеризационно-охладительной установки ОПФ-1

Рисунок 3 – Схема пастеризационно-охладительной установки ОПФ-1

1 – пластинчатый аппарат; 2‑сепаратор-молокоочиститель; 3‑центробежный насос; 4‑уравнительный бак; 5‑перепускной клапан; 6‑выдерживатель; 7‑насос горячей воды; 8‑бойнер; 9‑инжектор; 10‑пульт управления; I и II – секции первой и второй регенерации; III‑секция пастеризации; IV – секция водяного охлаждения; V – секция рассольного охлаждения