Промышленная переработка молока – это сложный комплекс взаимосвязанных химических, физико-химических, микробиологических, биохимических, биотехнических, теплофизических и других специфических технологических процессов, которые состоят из отдельных технологических операций, выполняющихся на разных машинах и аппаратах, укомплектованных в технологические линии [6, 9, 10].
Цель исследования. В Кемеровской области на ООО «Деревенский молочный завод» применяется резервуарный метод при производстве сладкого йогурта [8]. Стабилизатор в данном случае находится в сухом виде (модифицированный крахмал) и вносится в молоко совместно с сахаром и сухим молоком. Эти ингредиенты в необходимых пропорциях смешиваются в отдельном бачке ручным способом. Качество такого процесса не удовлетворяет современным требованиям [1, 2], в результате чего при внесении сухой йогуртной основы в жидкое молоко стабилизатор и сухое молоко слипаются в прочные и нерастворимые конгломераты. В этих условиях готовый продукт не соответствует заданной рецептуре, в результате этого страдает его конечное качество [3, 4].
Материалы и методы исследования
Для устранения данного недостатка и повышения качества производимого йогуртного продукта в лаборатории смесительно-дозировочного оборудования на кафедре «Технологическое проектирование пищевых производств» в КемТИПП был разработан барабанный смеситель [7, 9, 10], обладающий низкой энергозатратностью, эффективностью смешивания, сохранением структуры смешиваемых компонентов при их соотношении в диапазоне от 1:10 до 1:40.
Результаты исследования и их обсуждение
На данном аппарате были проведены эксперименты по выявлению степени влияния частоты вращения барабана n, коэффициента заполнения барабана K и расположения Г-образных лопастей на качество многокомпонентных смесей (сухая йогуртная основа), оцениваемое коэффициентом вариации Vc.
В ходе экспериментальных исследований изменялась частота вращения барабана n в диапазоне 10–40 об/мин, коэффициент заполнения барабана K в диапазоне 10–30 %, расположение Г-образных лопастей. Базовые (нулевые) точки и шаги варьирования приведены в табл. 1.
Рецептура сухой йогуртной основы и физико-механические характеристики смешиваемых компонентов, при которых осуществляется смешивание, представлены в табл. 2.
Экспериментальные данные и расчеты коэффициента неоднородности Vc приведены в приложении 5. Параметры и результаты экспериментов сведены в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что наилучшее качество получается при спиралевидном расположении Г-образных лопастей. Это объясняется тем, что при данном расположении лопастей осуществляется большая рециркуляция смеси в рабочей зоне аппарата, приводящая к значительному усреднению материальных потоков и увеличению времени пребывания частиц в аппарате. Так же видно, что лучшие результаты получаются при K, равном 20 %, это объясняется тем, что при малой степени заполнения не происходит достаточного послойного перемешивания, характерного для барабанных смесителей, а при большой степени заполнения начинает создавать помехи центральный вал, на котором закреплены лопасти.
Для лучшего восприятия полученных данных представим их в виде поверхностей отклика полученных в программе Statistica 8.
Для шахматного расположения Г-образных лопастей поверхность отклика представлена на рис. 1.
Таблица 1
Базовые точки и шаги варьирования
|
Фактор и его обозначение |
Верхний уровень |
Нижний уровень |
Центр плана |
Интервал варьирования |
|
Частота вращения барабана Х1 |
40 |
10 |
25 |
15 |
|
Коэффициент заполнения барабана Х2 |
30 |
10 |
20 |
10 |
Таблица 2
Рецептура сухой йогуртной основы
|
Наименование сырья |
Количество сырья в 100 кг молока |
Плотность, ?, кг/м3 |
Влажность, % |
Диаметр частиц, мкм |
|
Сахар |
5,78 кг |
900 |
0,05...0,1 |
940...960 |
|
Сухое молоко |
1,66 кг |
450 |
3...4 |
80...100 |
|
Стабилизатор |
0,25 кг |
560 |
18...20 |
150...250 |
Таблица 3
Варьируемые параметры и значения зависимой переменной Vc
|
В кодированном виде |
В натуральном виде |
Коэффициент неоднородности Vc, % |
|||
|
Х1 |
Х2 |
n, об/мин |
К, заполнение барабана, % |
Шахматное расположение лопастей |
Спиралевидное расположение лопастей |
|
– |
– |
10 |
10 |
9,61 |
9,11 |
|
+ |
– |
40 |
10 |
10,25 |
8,27 |
|
0 |
– |
25 |
10 |
11 |
7,38 |
|
– |
+ |
10 |
30 |
7,25 |
7,40 |
|
+ |
+ |
40 |
30 |
8,29 |
6,5 |
|
0 |
+ |
25 |
30 |
6,89 |
5,4 |
|
– |
0 |
10 |
20 |
6,08 |
6,7 |
|
+ |
0 |
40 |
20 |
9,32 |
6,12 |
|
0 |
0 |
25 |
20 |
7,54 |
5,05 |
Рис. 1. Зависимость коэффициента неоднородности от частоты вращения и коэффициента заполнения барабана
Рис. 2. Зависимость коэффициента неоднородности от частоты вращения и коэффициента заполнения барабана
Из рисунка видно, что чем ближе к темно-зеленому цвету окраска поверхности, тем ближе к нулю (идеальному значению) принимает значение коэффициент неоднородности. Поэтому при работе барабанного смесителя с расположением Г-образных лопастей в шахматном порядке рекомендуется смешивать ингредиенты сухой йогуртной основы при частоте вращения барабана равной 10 об/мин, с коэффициентом заполнения аппарата, равным 20 %.
Для спиралевидного расположения Г-образных лопастей поверхность отклика представлена на рис. 2.
Рис. 2 показывает, что при смешивании сухой йогуртной основы на барабанном смесителе со спиралевидным расположением Г-образных лопастей следует выбирать частоту вращения барабана, равную 25 об/мин, и коэффициент заполнения аппарата, равный 20 %.
Выводы
В барабанном смесителе новой конструкции изучено влияние конструктивных и технологических параметров на качество получаемой смеси. Анализ полученных результатов показал, что для получения сухой йогуртной основы хорошего качества необходимо смешивать исходные ингредиенты в смесителе с установкой Г-образных лопастей в спиралевидном порядке при n равной 25 об/мин, и коэффициенте заполнения барабана K = 20 %.
Рецензенты:
Попов А.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Прикладная механика», ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)», г. Кемерово;
Петрик П.Т., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «ЭПХиНТ», Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово.