Установка переработки подсырной сыворотки для цеха полутвердых сыров с разработкой блока обратного осмоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра пищевой инженерии

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Установка переработки подсырной сыворотки для цеха полутвердых сыров с разработкой блока обратного осмоса

Исполнитель

студент гр. МАПП-07 М.А. Иванова

Екатеринбург 2012

Содержание

Введение

1. Современное состояние вопроса по переработке молочной сыворотки

1.1 Методы переработки молочной сыворотки

1.2 Оборудование для переработки сыворотки

1.3 Применение молочной сыворотки

1.4 Выводы по литературному обзору и постановка задач для проектирования

2. Разработка линии по переработке подсырной сыворотки

2.1 Описание линии

2.2 Принцип действия линии

2.3 Технология переработки подсырной сыворотки с применением блоков ультрафильтрации и обратного осмоса

3. Расчетная часть

3.1 Расчет установки обратного осмоса

3.2 Расчет конструктивных параметров теплообменника типа «труба в трубе»

3.3 Выбор статического смесителя

4. Техника безопасности и охрана труда

4.1 Организация службы охраны труда на сыродельном предприятии

4.2 Организация пожарной безопасности

4.3 Обеспечение безопасности при эксплуатации оборудования

4.4 Меры обеспечения норм микроклимата

4.5 Освещение

4.6 Защита от производственного шума и вибрации

5 Экологическая часть

5.1 Экологическая экспертиза сыродельного производства

5.2 Очистка сточных вод

5.3 Охрана воздушного бассейна

6. Экономическая часть

6.1 Расчет технического эффекта линии по переработке подсырной сыворотки

6.2 Технико-экономический эффект проекта при переработке подсырной сыворотки

6.3 Экономический эффект проекта

6.4 Расчет экономической эффективности капитальных вложений

Заключение

Список использованных источников

Введение

Молоко и молочные продукты играют огромную роль в питании людей, а так как молочное сырье является относительно дорогостоящим, а его производство- трудоемким, поэтому целесообразно более полно и рационально использовать эту продукцию в процессе переработки.

При производстве сыра, творога и казеина образуется молочная сыворотка, жидкий побочный продукт, характеризуется высоким содержанием биологически ценных белков, минеральных солей и витаминов, которые до сих пор практически не используются человеком.

В Европе созданы централизованные крупномасштабные центры по переработке сыворотки. Лидерами среди стран по производству сухой сыворотки являются Франция, США и Германия, которые производят около 80% мирового объема сухой сыворотки. Россия же занимает лишь 9 место по производству сухой сыворотки. Это связано с рядом проблем:

- отсутствие крупных централизованных предприятий по переработке сыворотки. В России большее число молокоперерабатывающих предприятий с относительно небольшими объемами производства сыворотки (до 50 т/сутки);

- большие расстояния между молочными предприятиями, в следствие с этим возникают проблемы с транспортировкой и сохранением качества сыворотки;

- отсутствие массового производства многофункциональных продуктов на основе молочной сыворотки;

- применение устаревшего оборудования.

Решение проблемы по переработке молочной сыворотки необходимо для того, чтобы более полноценно перерабатывать и использовать сыворотку, для получения в дальнейшем пищевой и кормовой продукции, а также решение этой проблемы влечет за собой снижение экологической нагрузки молочных предприятий. Поэтому переработка сыворотки как продукта и сырья необычайно перспективна и экономически рациональна [1,с.8].

1. Современное состояние вопроса по переработке молочной сыворотки

За последние десять лет во всем мире значительно возрос интерес к использованию молочной сыворотки. В натуральном виде сыворотка находит ограниченное применение. Молочная сыворотка, обладающая многими ценными свойствами, находит применение сегодня прежде всего в пищевой промышленности.

Полная переработка молочной сыворотки позволяет создать дополнительные сферы использования сывороточного белка, лактозы, уменьшить загрязнение сточных вод, сбрасываемых молочными предприятиями [2,с.7].

Большинство европейских стран создали централизованные крупномасштабные предприятия по переработке молочной сыворотки. Так, в Голландии существуют 2 предприятия: одно с годовой мощностью 2,0 млн т, другое- 2,5 млн.т. Предприятия перерабатывают сыворотку Нидерландов, севера Франции и Германии, морским транспортом сыворотка поступает из Ирландии. Здесь производится широкая гамма пищевых и кормовых продуктов на ее основе. В южной части Германии расположен завод по переработке молочной сыворотки с годовой мощность 4,5 млн. т. На этом предприятие перерабатывают также сыворотку восточной части Франции, Австрии, Чехии и Словакии. В северной части Италии 13 сыроварен объединились и организовали предприятие по совместной переработке подсырной сыворотки.

Таким образом, основной тенденцией европейских государств является создание крупных специализированных предприятий, оснащение которых позволяет выпускать широкую гамму продуктов [1,с.12].

Объемы переработки молочной сыворотки в России значительно меньше, чем у европейских стран. Большинство российских молокоперерабатывающих предприятий имеют относительно небольшие объемы производства сыворотки и молочные заводы находятся на больших расстояниях друг от друга, что создает проблемы с транспортировкой и сохранением качества сыворотки. Также оборудование для глубокой переработки сыворотки дорогостоящее и окупается лишь при достаточных объемах производств [1,с.8].

1.1 Методы переработки молочной сыворотки

Основными направлениями переработки являются: производство сухой сыворотки, деминерализованной сухой сыворотки, лактозы и безлактозной сухой сыворотки.

На сегодняшний момент существуют несколько методов по переработке молочной сыворотки:

- тепловые методы;

- сепарирование;

- концентрирование;

- биологические методы обработки;

- мембранные методы обработки.

1.1.1 Тепловые методы переработки молочной сыворотки

Тепловой метод включает в себя охлаждение и пастеризацию.

Сыворотка должна быть переработана как можно быстрее после ее получения, так как благодаря ее составу в ней начинают быстро размножаться бактерии. Для временного хранения сыворотку необходимо охладить до температуры 5 єС, чтобы временно остановить рост бактерий [3,с.34].

Основная цель пастеризации - предотвратить развитие нежелательной микрофлоры. Источниками микрофлоры могут быть специально вводимые закваски при производстве основного продукта; возможно также обсеменение посторонней микрофлорой при сборе и хранении молочной сыворотки. Кроме того, при пастеризации подсырной сыворотки инактивируются остатки сычужного фермента, присутствие которого в ряде случаев при дальнейшей, переработке молочной сыворотки нежелательно.

Кроме того, при пастеризации подсырной сыворотки инактивируются остатки сычужного фермента, присутствие которого в ряде случаев при дальнейшей, переработке молочной сыворотки нежелательно.

Пастеризация и высокотемпературный нагрев (температура и продолжительность) молочной сыворотки обусловлены требованиями технологического процесса производства продукта или полуфабриката. Для молочной сыворотки этот процесс имеет некоторые особенности в сравнении с цельным или обезжиренным молоком. Это обусловлено тем, что при температуре, начиная с 60--65°С (порог тепловой денатурации сывороточных белков) и выше, в пастеризаторах на греющих поверхностях интенсивно образуется трудноудаляемый пригар. Для подогрева до более высокой температуры используется непосредственный ввод пара (при необходимости через специальные фильтры). Таким образом производят нагрев сыворотки до температуры 93±2°С для коагуляции сывороточных белков в процессе производства молочного сахара. Молочную сыворотку подогревают в две стадии: до 60--65°С в трубчатом подогревателе и направляют в резервуар (ванну) для отваривания альбумина, а затем путем подачи пара через паровой барботер. Подогрев сыворотки лишь путем прямой подачи пара через барботер нежелателен, так как при этом сыворотка разбавляется паровым конденсатом, что в дальнейшем приводит к увеличению времени и затрат энергии на ее выпаривание, а следовательно, и к увеличению себестоимости конечного продукта [4,с.25].

Пастеризацию молочной сыворотки на практике проводят по одному из режимов: низкотемпературному (медленному), то есть при температуре 63--65°С с выдержкой 30 мин, или быстрому при температуре 72 °С с выдержкой 15--20 с.

Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. При пастеризации по первому режиму не происходит интенсивного образования пригара на греющих поверхностях пастеризационных аппаратов, однако метод требует значительных затрат времени или дополнительных емкостей для выдержки сыворотки при температуре пастеризации. При пастеризации по второму режиму процесс происходит достаточно быстро, однако требуется более частая чистка пастеризационных установок от пригара, Тот или иной метод пастеризации молочной сыворотки используют в зависимости от конкретных условий на производстве [4,с.25].

1.1.2 Переработка молочной сыворотки путем сепарирования

Сепарирование молочной сыворотки используют на двух этапах её промышленной переработки: для выделения молочного жира и казеиновой пыли (обезжиривание) и для отделения скоагулированных белков (осветление). От обезжиренной сыворотки могут центробежно отделяться только частицы казеина (казеиновая пыль), а также возможно совместное отделение казеиновых частиц и скоагулированных белков. Обезжиривать молочную сыворотку целесообразно при её жирности не менее 0,2%. Сепарировать сыворотку необходимо сразу же по её получении, или использовать кратковременное (не более 2-х часов) резервирование. В этом случае не только не возрастает кислотность продукта, но и сохраняется температура, при которой сыворотка получена от производства сыра или творога (30 … 45 єС). Подогревать сыворотку перед сепарированием нецелесообразно, поскольку это повышает затраты на обезжиривание [5].

Наиболее эффективный способ удаления казеиновой пыли -- центробежный -- с использованием саморазгружающихся сепараторов.

Для выделения жира из сыворотки применяют только центробежный способ -- сепарирование. Качество его улучшается с повышением температуры. Обычно сыворотку сепарируют при 35--40°С непосредственно после удаления ее из сыроизготовителя, то есть без предварительного подогревания.

Из сыворотки жир извлекается труднее, чем из молока, что обусловлено высокой дисперсностью жировых шариков и наличием казеиновой пыли. Только при хорошо организованном процессе сепарирования можно достичь в обезжиренной сыворотке остатка жира 0,05%. Обычно в большинстве случаев содержание остатка жира составляет 0,1%.

Для выделения из сыворотки скоагулированных белковых веществ также может быть использован способ центрифугирования. Система сыворотка -- хлопья белка представляет собой грубодисперсную суспензию.

Дисперсионной фазой этой суспензии являются гидрофильные хлопья белка неправильной формы, находящиеся во взвешенном состоянии. Несмотря на значительные геометрические размеры хлопьев (средний линейный размер хлопьев -- около 200 мкм), образующих дисперсионную фазу суспензии, разделяемость ее довольно низкая, что можно объяснить значительной гидрофильностью частиц [4,с.30].

1.1.3 Биологические методы переработки молочной сыворотки

Целесообразность биологической обработки молочной сыворотки обусловлена возможностью повышения питательной ценности этого сырья за счет обогащения полезными веществами. Основные направления биологической обработки: синтез белковых веществ дрожжами, использующими для своего роста и развития лактозу; гидролиз лактозы протеолитическими ферментами до более сладких моноз; микробный синтез витаминов, жира, ферментов и антибиотиков; переработка лактозы в молочную кислоту и этиловый спирт; расщепление молочных белков до свободных аминокислот [4, с.47].

Обработка микроорганизмами

Использование микроорганизмов является основным методом биологической обработки молочной сыворотки.

При изготовлении молочнокислых продуктов в молочное сырье вносятся различные закваски, которые готовят на чистых культурах соответствующих видов микроорганизмов (молочнокислые бактерии, уксуснокислые бактерии, дрожжи). В результате молочнокислого брожения происходит расщепление лактозы до глюкозы и галактозы и далее до молочной кислоты.

Этот метод позволяет получать широкий ассортимент продуктов и полуфабрикатов для пищевых (напитки из сыворотки, сыворотка сгущенная сброженная для хлебопекарной и кондитерской промышленности), кормовых (сыворотка обогащенная, закваски для силосования кормов) и технических (этиловый спирт, молочная кислота, столовый уксус, лизин и др.) целей.

Параллельно с молочнокислым брожением, как правило, протекают побочные процессы, которые обусловливают накопление продуктов распада лактозы -- летучих кислот, спиртов, диацетила. Брожение прекращается самопроизвольно, когда микроорганизмы расщепляют лишь часть (около 20%) лактозы, поскольку образующаяся молочная кислота губительно действует на их развитие.

При внесении в молочную сыворотку вместе с молочнокислой закваской дрожжей происходит спиртовое брожение, которое в общем виде можно представить следующим уравнением

С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О=4СН₃СН₂ОН+4СО₂ . (1.1)

Лактоза этиловый спирт

Если протекают другие виды брожения (маслянокислое, уксуснокислое, пропионовокислое), то они вызывают пороки продукта.

На спирт расходуется до 95% молочного сахара, а 5% идет на образование дрожжевых клеток и побочных продуктов спиртового брожения. Суть технологии состоит в том, что исходную молочную сыворотку очищают от белков, вносят дрожжи и ведут процесс брожения при 33 - 34°С в течение 48-72 ч. Затем дрожжи отделяют от бражки, а последнюю подвергают дисцилляции. Выход спирта в условиях промышленного производства составляет 84%.

Побочными продуктами процесса получения спирта являются сывороточные белки, которые могут использоваться на пищевые цели, а также послеспиртовая бражка, которая может использоваться на корм сельскохозяйственным животным. Наряду с многими направлениями промышленного использования этиловый спирт может быть применен и в качестве сырья при производстве столового уксуса [4,с.49].

Под действием молочнокислых микроорганизмов лактоза может сбраживаться до молочной кислоты. Молочная кислота может производиться из любого вида молочной сыворотки (подсырной, творожной, казеиновой). Технология молочной кислоты включает приготовление затора и закваски, сбраживание сыворотки, нейтрализацию, разложение лактата кальция, очистку и фильтрацию, отстой и декантацию молочной сыворотки.

Молочную сыворотку сгущают в 2-2,6 раза для того, чтобы содержание молочного сахара возросло до 10-12%. После пастеризации и охлаждения до 45°С затор засевают специальными видами молочнокислых бактерий, сбраживающих лактозу. Образующаяся в результате брожения молочная кислота периодически нейтрализуется известью или мелом, в результате чего получается лактат кальция

2СН₃СООНСООН + СаСО₃ = Са (С₃Н₅О₃) + Н₂О + СО₂. (1.2)

Процесс брожения длится 2-2,5 суток. Сброженную сыворотку нейтрализуют известью, фильтруют и сгущают в 2-5 раз и зависимости от необходимой концентрации молочной кислоты (10 - 45%), после чего добавляют серную кислоту для разложения лактата кальция и выделения молочной кислоты.

Са (С₃H₅O₃) + Н₂SO₄ = 2СН₃CНОНСООН + СаSO₄. (1.3)

Процесс ведут при температуре 40-45°С. Затем молочную кислоту подвергают очистке активированным углем и фильтруют от гипса и активированного угля на специальном фильтре под вакуумом.

Обработка ферментными препаратами

Ферменты -- биологические катализаторы, белковой природы, обладающие высокой активностью и специфичностью действия. Их применение значительно увеличивает скорость химических превращений, что позволяет сократить продолжительность многих технологических процессов. С помощью ферментов может быть обеспечена также определенная направленность процессов при получении ценных компонентов продуктов питания.

Для гидролиза лактозы используют фермент бета-галактозидазу. В результате гидролиза плохо растворимый и несладкий молочный сахар (лактоза) превращается в более сладкую и хорошо растворимую смесь моносахаров (глюкозы и галактозы), что позволяет широко использовать фермент для производства пищевых и кормовых продуктов. В общем виде уравнение гидролиза лактозы можно представить так:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O = С₆H₁₂О₆ + C₆H₁₂О₆. (1.4)

лактоза глюкоза галактоза

В результате гидролиза в моносахара превращается до 50-70% лактозы, увеличивается сладость и усвояемость готового продукта. Во многих странах пользуются популярностью кисломолочные продукты и налитки, вырабатываемые из молока с гидролизованной лактозой. Проводятся исследования по производству сыра из гидролизованного молока. Сыр, по сравнению с контрольными образцами, отличается более высокими вкусовыми качествами и ускоренным процессом созревания.

Особый интерес представляет возможность выработки продуктов и полуфабрикатов из молочной сыворотки с гидролизованной лактозой. Такие полуфабрикаты из сыворотки могут широко использоваться для приготовления различных напитков, пищевых сиропов и подслащающих веществ для кондитерской промышленности.

Сыворотку после гидролиза рекомендуется сгущать при температуре 55-65°С до массовой доли сухих веществ 40%. Продукт такой концентрации обладает сравнительно невысокой вязкостью, в нем не происходит кристаллизации лактозы.

Для обогащения сыворотки используют ее белковые вещества, оставшиеся после операции осветления. Белковые вещества в сыворотке диспергируют, если пропустить сыворотку через центробежный насос в течение 10 - 15 мин, ферментные препараты (пепсин, протосубтилин) готовят в виде раствора. В качестве активатора протеолитических процессов используют автолизированные пивные дрожжи. Одновременно они обогащают сыворотку витаминами группы В и аминокислотами.

Ферментацию сыворотки проводят при периодическом перемешивании в течение 3,5 - 4 ч при температуре 29°С или в течение 1 ч при 40°С. Обогащенную сыворотку нагревают до 93°С, охлаждают до 62°С, фильтруют через бязь и направляют на сгущение. Негидролизованный белок поступает на повторный гидролиз.

Ферментные препараты используются также при производстве молочного сахара-сырца улучшенного. Сущность технологии заключается в том, что в подсгущенную сыворотку для гидролиза остаточных азотистых соединений сиропа вносят ферментный препарат панкреатин при температуре 50 - 55°C [4,с.51].

1.1.4 Переработка молочной сыворотки путем сгущения и сушки

С целью длительного хранения и сокращения расходов на транспортировку молочную сыворотку концентрируют путем удаления влаги, получая сгущенные и сухие продукты.

Сгущение сыворотки необходимо перед сушкой, при производстве молочного сахара, напитков и сиропов.

Сгущение молочной сыворотки можно осуществить различными способами: выпариванием и вымораживанием.

Степень сгущения молочной сыворотки определяется требованиями технологического процесса, требованиями потребителей и техническими возможностями аппаратов.

Консервирующее действие в сгущенной сыворотке обеспечивается за счет осмотического давления и молочной кислоты. В натуральной молочной сыворотке осмотическое давление 0,74 МПа. Следовательно, для микроорганизмов, имеющих внутриклеточное давление на уровне 0,6 МПа, создаются оптимальные условия для развития. Этим объясняется быстрая порча молочной сыворотки во время хранения. При сгущении сыворотки в 5 раз осмотическое давление повышается до 7,4 МПа, что создает неблагоприятные условия для развития микроорганизмов.

Практически молочную сыворотку сгущают в 2-15 раз с критическими точками 13, 20, 30, 40, 60 и 75 % сухих веществ. Технологическими параметрами, определяющими процесс сгущения сыворотки выпариванием влаги, является температура и продолжительность. Для сохранения нативных свойств компонентов сыворотки желательна максимальная температура на уровне 50-60 °С. Повышение температуры приводит к потемнению продукта и гидролизу лактозы. Снижение температуры затягивает процесс, вызывает обильное пенообразование и может вызвать микробиологическую порчу [6,с.70].

Таким образом, повышение концентрации сухих веществ в сыворотке до 40 и 60% позволяет сохранить этот продукт без существенных изменений в течение 5--30 суток при температуре 20--25°С, а при температуре 2--5°С сроки хранения увеличиваются соответственно до 30 и 60 суток.

Однако, с повышением степени концентрирования сыворотки возрастает и количество влаги, которое необходимо удалить из нее. При использовании традиционного оборудования для этих целей (вакуум-выпарные установки, распылительные и вальцовые сушилки) увеличиваются также и энергетические затраты. Кроме того, надо иметь в виду, что при сушке на удаление 1 кг влаги расходуется примерно в 10 раз больше теплоты, чем при сгущении [4,с.35].

1.1.5 Мембранные методы переработки молочной сыворотки

К основным мембранным методам переработки сыворотки относятся: гиперфильтрация (ультрафильтрация и обратный осмос) и электродиализ.

Эти процессы, протекающие под давлением с использованием полупроницаемых мембран, применяются для фракционирования растворов [7,с.36].

В зависимости от диаметра пор мембраны происходит разделение находящихся в растворе компонентов: компоненты с размерами менее диаметра пор проходят через мембрану, а компоненты с большими размерами задерживаются. Получаются два раствора с различными компонентами.

Мембранные процессы открывают широкие возможности для производителей молочной продукции: регулировать состав сырья, концентрируя желаемые и удаляя нежелательные компоненты; обеспечивать микробиологическую безопасность и сохранения нативных свойств; максимально увеличивать степень переработки сырья; дают возможность экономить энергоресурсы, воду и расходные материалы; оптимизировать и повышать эффективность производства [7,с.37].

Ультрафильтрация

Баромембранные процессы условно делят на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос. Эти процессы имеют много общего. Основным компонентом баромембранного оборудования являются полупроницаемые мембраны.

Такой метод является физическим способом разделения растворов (без превращения фаз) через полупроницаемую перегородку (мембрану) с размерами пор менее 0,5 мкм. Мембранный метод принципиально отличается от обычной фильтрации. Если при фильтрации продукт образуется в виде твердого или аморфного осадка на поверхности фильтра, то при мембранном разделение продуктами являются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этом процессе накопление растворенных веществ у поверхности мембран нежелательно, так как приводит к резкому снижению их проницаемости [6,с.35].

В тех случаях, когда осмотическое давление пренебрежимо мало по сравнению с рабочим давлением, что, например, характерно для водных растворов высокомолекулярных веществ, процесс разделения растворов с помощью полупроницаемых мембран называют ультрафильтрацией. Для проведения ультрафильтрации используют полупроницаемые мембраны диаметром пор от 10 до 100 нм, способные задерживать компоненты с молекулярной массой от 10⁴ ед. и выше.

При ультрафильтрации мембрана задерживает только высокомолекулярные соединения и пропускает с фильтратом вещества, образующие раствор. Так, при ультрафильтрации молочной сыворотки задерживается (концентрируется) белок, а в фильтрат уходят соли и лактоза. В фильтрат переходит около 30% кальция, 90 -- калия и натрия, 70 -- магния, 80 -- хлора и 50% фосфора, содержащихся в исходной сыворотке. Содержание витаминов в концентрате такое же, как и в исходной сыворотке. Белки сохраняют свои нативные свойства [3,с.61].

Обратный осмос

Обратный осмос применяется как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами для переработки сыворотки. При обратном осмосе, как и при ультрафильтрации, используются полупроницаемые мембраны диаметром пор от 1 до 3 нм, способные задерживать компоненты раствора с молекулярной массой от 50 ед. и выше. Срок службы мембран на установленном оборудовании 1-3 года. Обратный осмос может быть использован также для концентрирования и частичной деминерализации цельного молока до содержания 25% сухого вещества или для переработки полученного после ультрафильтрации пермеата в лактозосодержащий концентрат, отделяемый от солесодержащих промывных вод.

С помощью обратного осмоса все компоненты сыворотки могут быть отделены от воды с желаемой концентрацией (до 25 % сухой массы) экономичным с точки зрения энергетических затрат способом. Этот метод является более дешевым (по сравнению с методом сгущения сыворотки) и, кроме того, позволяет получать в концентрированной форме нативные, не денатурированные термической обработкой белки [2,с.101].

Электродиализ

Применение электродиализа позволяет снизить в сыворотке содержание минеральных веществ. Сыворотка проходит в слабом электрическом поле через электролизные модули с ионоселективными мембранами. Катионитовые мембраны содержат отрицательно заряженные, связанные ковалентно группы, например, сульфиновой кислоты. Они пропускают катионы и задерживают анионы. Противоположное явление имеет место на анионовых мембранах. Положительно заряженными группами являются при этом четвертичные амины [2,с.106].

Так, при пропускании постоянного (или выпрямленного) электрического тока катионы солей, содержащихся в молочной сыворотке и рабочем растворе, перемещаются по направлению к катоду, а анионы солей -- к аноду.

Перемещаясь к катоду, катионы солей молочной сыворотки через катионитовую мембрану переходят в рабочий раствор соседних камер. Анионы, перемещаясь к аноду, через анионитовую мембрану также переходят в рабочий раствор. Дальнейший путь из рабочего раствора к катоду катионам преграждает анионитовая мембрана, а анионам к аноду -- катионитивая, поэтому катионы и анионы солей, удаляемых из молочной сыворотки, накапливаются в рабочем растворе. В результате описанной миграции ионов молочная сыворотка обессоливается, а рабочий раствор концентрируется. Процессы электродиализного обессоливания и концентрирования протекают одновременно и тесно взаимосвязаны. При изменение направления электрического тока на противоположное процесс будет протекать в обратном направлении. То же произойдет, если применять местами катионитовые и анионитовые мембраны.

Электронейтральные молекулы других веществ, входящих в состав молочной сыворотки, в электродиализном процессе не участвуют, поэтому при электродиализном обессоливании молочной сыворотки (или молока) в рабочий раствор переходят только ионы солей, а содержание белков и лактозы не меняется.

Электродиализ молочной сыворотки не оказывает существенного влияния на качество и содержание сывороточных белков, лактозы и витаминов. Потери белка составляют 2--3%, причем количество не белкового азота уменьшается на 25%, а потери лактозы при уровне деминерализации 90% составляют 6% [3,с.63].

1.2 Оборудование для переработки сыворотки

1.2.1 Оборудование теплового метода

Для охлаждения можно использовать охладительные установки любой конструкции (рисунок 1.2). Охлаждение непосредственно в танках дает гораздо меньший эффект, так как протекает медленно и затягивается на длительное время, в течение которого в сыворотке происходят нежелательные процессы, приводящие к снижению ее качества.

Наилучшие результаты дает охлаждение в сочетании с предварительной пастеризацией.



Рисунок 1.2- Пластинчатый теплообменник пастеризационно-охладительной установки ВП1-У а -- общий вид аппарата: 1 -- станина; 2 -- промежуточная плита; 3 -- секция пастеризации; 4 -- секция рекуперации; 5 -- секция охлаждения водой; 6 -- нажимная плита; 7 -- штанга; 8 -- стойка; б -- схема движения теплообменивающих сред.

На практике для процесса пастеризации рекомендуется использовать трубчатые пастеризационные установки (рисунок 1.3), которые легко поддаются разборке для ручной чистки. В этих аппаратах сыворотку целесообразно нагревать до температуры не более 60-65 єС. Для подогрева до более высокой температуры используется непосредственные ввод пара.

Таким образом, происходит нагрев сыворотки до температуры 93 2 єС для коагуляции сывороточных белков в процессе производства молочного сахара [4,с.25].



Рисунок 1.3- Трубчатая пастеризационная установка

Общий вид пластинчатого пастеризатора:

1 - штуцер выхода молока из секции регенерации;

2 - станина; 3 - секция пастеризации; 4 - штуцер входа молока в секцию пастеризации; 5 - штуцер выхода молока из аппарата; 6 - штуцер входа ледяной воды;7 - зажимной механизм; 8 - ножка; 9 - секция охлаждения; 10 - штуцер входа молока в секцию охлаждения;11 - штуцер выхода молока из секции пастеризации; 12 - секция регенерации; 13 - штуцер входа сырого молока в секцию регенерации .

1.2.2 Оборудование для переработки сыворотки методом сепарирования

Наиболее эффективный способ удаления казеиновой пыли- центробежный- с использованием саморазгружающихся сепараторов (рисунок 1.4). Качество улучшается с повышением температуры. Обычно сыворотку сепарируют при 35-40 єС непосредственно после удаления ее из сыроизготовителя, то есть без предварительного подогревания. Барабаны обычных барабанов-сливкоотделителей быстро забиваются казеиновой пылью, поэтому при сепарировании подсырной сыворотки сепараторы останавливают через каждые 1,5-2 часа для чистки и мойки, а для творожной-через 1 час.

Наиболее эффективно использование саморазгружающихся сепараторов для одновременного извлечения казеиновой пыли и молочного жира [4,с.31].

Рисунок 1.4- Общий вид саморазгружающегося сепаратора: 1 -- гидроузел; 2 -- коммуникации; 3 - крышка сепаратора; 4 -- барабан; 5 - приемник осадка; 6 - станина.

1.2.3 Оборудование для переработки сыворотки методом сгущения и сушки

Наибольшее распространение получил процесс сгущения в специальных вакуумно-выпарных аппаратах (рисунок 1.5). Теоретически консервирующее воздействие в процессе сгущения молочной сыворотки достигается за счет повышения осмотического давления и накопления молочной кислоты. Значительное повышение осмотического давления в сыворотки создает неблагоприятные условия для развития микроорганизмов. Сыворотку сгущают при температуре 60-65 єС, что обеспечивает пастеризацию продукта. Кроме того, при сгущении подсырной сыворотки в 8-10 раз, а творожной в 3-5 раз повышается кислотность до 100 єТ и выше за счет концентрации молочной кислоты, что оказывает ингибирующее действие на микроорганизмы. Таким образом повышение концентрации сухих веществ в сыворотки до 40 и 60 % позволяет сохранить этот продукт без существенных изменений в течение 5-30 суток при температуре 20-25 єС [4,с.35].

Рисунок 1.5- Пленочные вакуум-аппараты: а- с сосной нагревательной камерой: 1- нижняя камера; 2,3,7,9- штуцера; 4- брызгоуловитель; 5- сепаратор; 6- отбойник; 8- греющая камера; б- с выносным кипятильником и стекающей пленкой: 1,4-7,9 - штуцера; 2- сепаратор; 3- брызгоуовитель; 8-камера; в- роторный: 1,2,8- штуцера; 3- подвижные лопасти; 4- вертикальный вал; 5- двигатель; 6- клиноременная передача; 7-сепаратор; 9- корпус.

При процессе сушки используют сушилки различной конструкции (распылительные, вальцовые, сублимационные, с виброкипящим слоем). Но на практики довольно широкое применение получили сушилки распылительные (рисунок 1.6), несколько меньше- вальцовые (рисунок 1.7).



Рисунок 1.6- Распылительная сушилка: 1-вентилятор; 2-калорифер; 3-камера сушилки; 4-диск; 5-циклон; 6- рукавный фильтр; 7-шнек для выгрузки высушенного материала.

Рисунок 1.7- Вальцовая сушилка: 1- Устройство для отвода паров; 2-вытяжной зонт; 3- вальцы; 4- патрубок для входа пара; 5- элеватор; 6- электродвигатель дробилки; 7-дробилка; 8- шнек; 9- конденсатоотводчик; 10-патрубок для отвода конденсата; 11- станина; 12- воздуховоды; 13- электродвигатель вентилятора; 14-электродвигатель вальцов; 15- приводной механизм.

Распылительные и вальцовые сушилки имеют положительные стороны и недостатки. Распылительный способ обеспечивает получение продукта высокого качества. Его применяют на крупных специализированных заводах и цехах переработки сыворотки. Однако эти сушилки громоздкие и требуют значительных энергетических затрат.

Вальцовые сушилки характеризуются простотой аппаратурного оформления, небольшими размерами, меньшими энергозатратами по сравнению с распылительной установкой. Недостаток вальцовой сушки заключается в том, что готовый продукт имеет более низкую растворимость и худший вид [4,с.38].

1.2.4 Оборудование для переработки сыворотки биологическим методом

Процесс ферментации осуществляют в аппаратах, снабженных мешалкой и барботером, при постоянном поступлении воздуха до полного использовании лактозы. По окончании процесса молочная сыворотка содержит 2,3 % белка. Далее ее подвергают температурной обработки для инактивации живых клеток и сгущают до содержания сухих веществ 44-46% [4,с.50].

1.2.5 Оборудование для переработки сыворотки мембранным методом

Наиболее специфическим и важным компонентом мембранного оборудования являются мембраны. От их свойств в большей степени зависят качественные показатели получаемых продуктов, надежность и долговечность мембранного оборудования, а также экономическая целесообразность его применения.

Мембранные процессы основаны на использовании полупроницаемых мембран, обладающих способностью селективно пропускать или задерживать компоненты разделяемой жидкой среды.

Мембраны, которые применяют в молочной промышленности, должны отвечать определенным требованиям: высокой удельной производительностью, хорошей задерживающей способностью (селективностью) по отношению к высокомолекулярным веществам молочной сыворотки (белок, жир), низкой селективностью по отношению к низкомолекулярным компонентам (лактозе), достаточной механической прочностью, отвечающей условиям монтажа, транспортировки и хранению. Электродиализные мембраны, кроме того, должны обладать высокой проницаемостью для ионов и в тоже время высокой сопротивляемостью свободной диффузии электролита; минимальным омическим сопротивлением во избежание высоких затрат электроэнергии на его преодоление при прохождении электрического тока через мембрану.

Полупроницаемые мембраны для ультрафильтрации изготавливают из полимерных материалов. Они имеют тонкий (около 2,5 мкм) слой и микропористую подложку толщиной около 50 мкм.

Производительность мембран также зависит от давления фильтрации и температуры продукта.

Большое значение для надежной работы мембранной установки имеет эффект очистки мембран от загрязнений, образующихся в процессе концентрации сырья [4,с.65].

Мембранные аппараты подразделяют на плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами, а также электродиализаторы.

Плоскокамерные аппараты применяют в установках небольшой производительности, чаще в лабораторной практики.

Трубчатые мембранные аппараты широко применяют в пищевой промышленности для проведения процессов микро и ультрафильтрации (рисунок 1.8), состоят из набора пористых дренажных трубок диаметром 5-20 мм, на внутренней или наружной поверхности которых расположены мембраны. В соответствии с этим исходный поток направляют в трубное либо межтрубное пространство [8,с.350].



Рисунок 1.8- Трубчатый аппарат: 1 - Мембрана; 2 - дренажный материал; 3 - трубчатый фильтрующий элемент.

В рулонных аппаратах (рисунок 1.9) мембранный элемент имеет вид пакета; три его кромки герметизированы, а четвертая прикреплена к перфорированной трубке для отвода пермеата, на которую накручивается пакет вместе с сеткой-сепаратором. Разделяемый поток движется в осевом направлении по межмембранным каналам, а пермеат- спиралеобразно по дренажному материалу и поступает в отводящую трубку. Аппараты этого типа отличаются высокой плотностью упаковки мембран (300-800 м²/м³), но сложнее, чем плоскокамерные, в изготовлении. Они используются в установках средней и большой производительности для разделения жидких и газовых смесей. Применяются для процессов обратного осмоса, нано-и ультрафильтрации. Способом обратного осмоса производят концентрирование практически всех веществ, находящихся в растворе, и выделение чистого растворителя из раствора. В этом случае необходимо преодолевать более высокое осмотическое давление, которое резко возрастает для низкомолекулярных соединений [8,с.351].

В аппаратах с волокнистыми мембранами (рисунок 1.10) рабочий элемент обычно представляет собой цилиндр, в который помещен пучок полых волокон с наружным диаметром 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм. Разделяемый раствор, как правило, омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится пермеат. Благодаря высокой плотности упаковки мембран (до 20000 м²/м³) эти аппараты применяют в опреснительных установках большой производительности (десятки тыс. м³/сут) [8,с.352].

Рисунок 1.9- Рулонный аппарат: a-корпус, б-фильтрующий элемент; 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-фиксатор; 4-сепаратор; 5-отводная трубка.

Рисунок 1.10- Аппарат с волокнистой мембраной: 1 - Трубная решетка с открытыми концами волокон; 2 - полое волокно.

При применении электродиализа конструкция современных электродиализаторов многокорпусная. Используемые мембраны имеют функции обмена как анионов, так и катионов, что позволяет при электродиализе снизить минеральное содержание в обрабатываемой жидкости, например, морской воде или сыворотке [4,с.62].

На рисунке 1.11 приведена схема устройства электродиализной установки. Она состоит из набора отсеков, раз деленных чередующимися катионными и анионными обменными мембранами, которые располагаются на расстоянии 1 мм друг от друга. В крайних отсеках находятся электроды. Между парой электродов может находиться до 200 таких ячеек [8,с.336].

Пара электродов, каждый из которых располагается в конце этой группы ячеек, имеет отдельные промывочные каналы через которые циркулирует поток рассола, защищающий электроды от химического воздействия. Сыворотка в процессе переработки и рассол подаются в установку в чередующиеся ячейки. Блок ячеек может быть подключен к пластинчатому теплообменнику или пластинчатому модулю ультрафильтрации.

Чередующиеся ячейки в блоке электродиализа работают соответственно как ячейки разбавления и концентрирования. Сыворотка проходит через ячейки разбавления, а 5%--ный рассол через ячейки концентрирования. Когда постоянный ток подается на электроды на концах блока, катионы стараются переместиться к катоду, а анионы к аноду. Тем не менее свободное перемещение ионов невозможно, поскольку мембраны действуют как барьеры для ионов одноименного с ними заряда.

Рисунок 1.11- Многокамерный электродиализатор

Анионы могут проходить через анионную мембрану, но останавливаются катионной мембраной. И наоборот, катионы могут проходить через катионную мембрану, но останавливаются анионной мембраной. В результате происходит снижение концентрации ионов в ячейках разбавления (в сыворотке). Сыворотка при этом деминерализуется до уровня, который зависит от содержания золы в сыворотке, времени ее нахождения в установке, плотности и вязкости.

Установка для электродиализа может работать как в непрерывном режиме, так и в периодическом. Периодическая система, которая часто используется для деминерализации свыше 70%, может состоять из одного набора мембран, в котором обрабатываемая жидкость циркулирует до достижения требуемого уровня содержания солей. Этот уровень определяется по электропроводности обрабатываемой жидкости. Время нахождения жидкости в такой системе может составлять 5--6 часов для 90% деминерализации при 30--40°С. При этом желательна предварительная концентрация сыворотки до 20--30% твердых веществ с целью снижения расхода электроэнергии и увеличения производительности. Перед загрузкой в установку для электродиализа концентрированную сыворотку следует очищать [4,с.62].

1.3 Применение молочной сыворотки

Молочную сыворотку применяют в таких отраслях, как:

- молочная промышленность;

- кондитерская промышленность;

- хлебобулочная промышленность;

- мясная промышленность;

- косметическая промышленность;

- продукты спортивного питания;

- производство напитков.

В молочной промышленности сыворотку применяют при производстве мороженного, творога, сметанных продуктов, плавленых сыров, сгущенного молока, детского питания, пудингов, муссов. Использование сыворотки увеличивает питательные свойства, улучшает вкус, запах, улучшает внешний вид продуктов.

Сыворотка идет на производство кондитерских изделий (вафель, печенья, пряников) и десертов, что позволяет уменьшить в рецептуре этих изделий количество свекловичного сахара. Также придает продукту соответствующий цвет, запах, улучшает смешивание, придает хрупкость.

В хлебобулочной промышленности применение сыворотки обогащает продукт полноценным белком, что улучшает его биологические и вкусовые качества. Введение сыворотки улучшает процесс тестоприготовления и внешний вид изделия, повышает стойкость продукта при хранении, замедляет черствение.

В мясной промышленности сыворотку применяют при производстве варенных колбасных изделий, замороженных полуфабрикатов, что позволяет создать продукт, оптимально усваиваемый организмом человека.

Молочная сыворотка находит применение в натуральном виде для кормления сельскохозяйственных животных. Там, где имеются ее излишки и невелики транспортные расходы, целесообразно использовать ее на корм свиньям из расчета от 4 до 20 л в сутки в зависимости от массы животного; сывороткой можно удовлетворять до 50% общего рациона питания. Прогрессивной формой использования сыворотки в кормлении животных является производство гранулированных комбикормов. Сыворотка повышает питательную ценность рациона, позволяет лучше сбалансировать его по переваримому протеину и углеводам. Повышается прочность гранул.

Напитки из молочной сыворотки являются диетическими продуктами, так как содержат необходимые для питания человека минеральные элементы. Эти напитки освежают, утоляют жажду. Их рекомендуется употреблять людям, работающим в условиях высокой температуры воздуха [2,с.133].

1.4 Выводы по литературному обзору и постановка задач для проектирования

В ходе литературного обзора было установлено, что мембранные методы переработки молочной сыворотки (метод ультрафильтрации и обратного осмоса) более эффективны по сравнению с традиционными (сушка, сгущение).

Преимущества мембранных методов:

- мембранные установки обладают низкими энергетическими затратами;

- продукт не подвергается тепловому воздействию, при котором денатурируют и коагулируют белки, содержащиеся в молочной сыворотке;

- позволяют более полно переработать сыворотку;

- возможность создания безотходного производства;

- высокая производительность;

- возможность полной автоматизации производства;

- возможность создания новых продуктов с пониженной калорийностью и высокой биологической ценностью.

Кроме того на большинстве российских предприятий используются технологически и физически устаревшие вакуум-выпарные и сушильные установки, характеризующиеся повышенным расходом энергоносителей и, как следствие, получением неконкурентоспособной продукции.

Исходя из этого, в данном дипломном проекте необходимо разработать установку для переработки сыворотки, включающий в себя ультрафильтрационный блок и блок обратного осмоса.

В установке блока обратного осмоса преимущественно применяется аппарат рулонного типа. Подобная конструкция обеспечивает большую производительность при небольших габаритах. В аппарате предпочтительней использовать обратноосмотические ацетатцеллюлозные мембраны. Они имеют ряд преимуществ:

- жесткость полимера способствует долговременной эксплуатации мембран;

- нетоксичность;

- безопасность в работе.

В результате должна получиться не дорогая, простая в обслуживании, но в тоже время отвечающая всем необходимым требованиям установка.

2. Разработка линии по переработке подсырной сыворотки

2.1 Описание линии

Линия по переработке подсырной сыворотки, согласно рисунку 2.1, включает в себя:

- емкости для исходной сыворотки (Е1, Е2);

- насос для подачи исходной сыворотки (Н1);

- ультрафильтрационную установку;

- емкость для раствора лактозы (Е3);

- емкость для белкового концентрата (Е4);

- насос для подачи раствора лактозы (Н2);

- обратноосмотическую установку;

- емкость для концентрата лактозы (Е5);

- насос для подачи концентрата лактозы (Н3);

- насос для подачи белкового концентрата (Н4);

- смеситель (См);

- емкость для концентрированной сыворотки (Е6);

- емкость для воды (Е7);

- соединительные трубопроводы;

- трубопроводную арматуру.

Установка обратного осмоса предназначена для концентрирования водного раствора лактозы.

Эта установка включает в себя: тринадцать аппаратов рулонного типа (А_о1...13), разбитых на шесть секций, шесть теплообменников типа «труба в трубе» (Т_о1...6), одного питающего бака (БП2), одного многоступенчатого насоса (Нв) и трубопроводной арматурой. Аппарат состоит из корпуса, выполненного в виде трубы из нержавеющей стали, в которой размещается четыре рулонных элемента ЭРУ-200-1000. Этот элемент представляет собой полимерные мембраны длиной 1000 мм. и внешним диаметром 200 мм, изготовленным из ацетатцелюлозы 9, 325 .

Установка ультрафильтрации состоит из: тридцати ультрафильтрационных аппаратов (Уф 1...30), разбитых на пять секций, десяти теплообменников типа «труба в трубе» (То1...10), десяти напорных насосов (Нн1...10), одного питающего насоса (Нп) , одного напорного бака (БП1) и трубопроводной арматуры.

Статический смеситель (См) представляет собой трубчатый корпус, внутри которого расположен смесительный элемент, выполненный в виде гофрированной полосы, участки которого расположены под углом друг к другу и к оси корпуса.

2.2 Принцип действия линии

Исходная подсырная сыворотка (содержание белка 0,6%, лактозы 4,5%) поступает в емкости (Е1 и Е2), откуда насосом (Н1) подается в в ультрафильтрационную установку, где концентрируется до содержания белка 6 % и далее полученный белковый концентрат поступает в емкость (Е4).

Образовавшийся в процессе концентрирования пермеат (раствор лактозы) поступает в емкость (Е3), откуда насосом (Н2) подается в питающий бак обратноосмотической установки (БП2). Откуда он поступает в напорный насос (Нв), который создает необходимое давление во всей обратноосмотической установке. Пройдя каждую секцию, концентрат лактозы поступает в теплообменник, охлаждаясь там до нужной температуры, далее концентрат поступает в последующие секции, достигая концентрации лактозы в 14% сухих веществ.

Концентрированный раствор стекает в емкость для сбора концентрата лактозы (Е5).

Пермеат (чистая вода) из аппаратов обратного осмоса поступает в емкость для сбора воды (Е7) и далее может использоваться для мойки оборудования.

Белковый концентрат и концентрат лактозы из емкостей подаются насосами (Н3 и Н4) в статический смеситель (См), где поток взаимодействует с поверхностью смесительного элемента. Наклонные к оси корпуса участки смесительного элемента интенсивно отклоняют и завихряют поток. Получившийся раствор подается в емкость для сывороточного концентрата (Е6). Далее концентрированную сыворотку можно подать на сушку или использовать в производстве сыра.

Кроме того, в установку обратного осмоса входит система автоматического регулирования, собранного на базе микропроцессорного контроллера (МПК), которая осуществляет следующие функции:

- регулирование уровня продукта в питающем баке;

- регулирование температуры продукта в каждой секции;

- регулирование давления.

2.3 Технология переработки подсырной сыворотки с применением блоков ультрафильтрации и обратного осмоса

Метод ультрафильтрации в совокупности с обратным осмосом позволяет извлекать все сухие вещества, содержащиеся в подсырной сыворотке. Также это позволит отказаться от предварительной обработки сыворотки (сепарирования, пастеризации).

Схема процесса переработки подсырной сыворотки представлена на рисунке 2.2. Схема переработки сыворотки включает следующие операции: сбор и определения качества сыворотки, мембранный метод обработки ультрафильтрации и обратного осмоса.

Молочная сыворотка в процессе производства основного продукта значительно обсеменяется молочнокислыми бактериями, а в процессе сбора, хранения и дальнейшей обработки - различной посторонней микрофлорой.



Рисунок 2.2 - Технологическая схема переработки сыворотки

Вследствие развития микроорганизмов во время сбора и хранения молочной сыворотки состав и свойства ее могут изменятся, а качественные показатели ухудшаться. Поэтому молочную сыворотку рекомендуется перерабатывать в течение 1-3 ч. после ее получения. Если переработка задерживается, то для сохранения исходных свойств молочной сыворотки ее подвергают специальной обработке [4, с.23].

После сбора сыворотки необходимо проводить контроль качества сыворотки. Контролю подвергается плотность, массовая доля сухих веществ, массовая доля жира, кислотность, температура и другие показатели.

Контроль качества молочной сыворотки осуществляется при получении сыворотки, после предварительной обработки, перед резервированием, после хранения перед направлением на переработку.

Сыворотка должна хранится в хорошо очищенных сборных емкостях. Следует также избегать разбавления сыворотки водой.

После сбора и проверки качества сыворотки, ее направляют в ультрафильтрационную установку, получая концентрат сывороточного белка с содержанием 6% сухих веществ и водный раствор лактозы. Далее водный раствор лактозы направляется в установку обратного осмоса. Полученный концентрат лактозы с содержанием 14% сухих веществ смешивается с концентратом сывороточного белка.

Транспортировать полученную сыворотку следует автомолцистернами, а фасованную во фляги - крытым автотранспортом, в соответствии с Правилами перевозки скоропортящихся грузов [4.c.25].

подсырный молочный сыворотка осмос

3. Расчетная часть

Расчетная часть включает в себя расчет установки обратного осмоса, расчет теплообменника типа «труба в трубе», подбор статического смесителя.

3.1 Расчет установки обратного осмоса

Расчет установки обратного осмоса состоит из приближенного расчета рабочей поверхности мембран, выбора аппарата, определения числа аппаратов в установке, расчет наблюдаемой селективности мембраны, уточненного расчета поверхности мембран, расчета гидравлического сопротивления, расчета концентрационной поляризации, выбора насоса и расчета на прочность аппарата обратного осмоса.