РАЗРАБОТКА ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МОЛОЧНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЙОГУРТОВ С РАСТИТЕЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ
РАЗРАБОТКА ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МОЛОЧНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЙОГУРТОВ С РАСТИТЕЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ
Аннотация
В статье описано усовершенствование конструкции механической мешалки для перемешивания многокомпонентных молочно-растительных смесей при производстве йогуртов. Предварительно изучено влияние концентрации белка и дозировки растительных добавок на реологические свойства многокомпонентных молочных смесей для йогуртов. На основании полученных результатов проведены конструкторские расчёты. Спроектированная установка для приготовления смесей состоит из мешалки, винтового подъемного устройства и емкости. Для уменьшения энергопотерь мешалка приводится во вращение непосредственно от вала электродвигателя. Емкость имеет обечайку цилиндрической формы с эллиптическим днищем, что предотвращает образование застойных зон. Основным рабочим элементом мешалки является система «статор-ротор». Принцип действия заключается в том, что компоненты молочно-растительной смеси попадают в зазор между статором и быстро вращающимся ротором с лопастями специальной конструкции. Кинетическая энергия и уникальные конструкции рабочих элементов создают турбулентные осевые и радиальные потоки в жидкости. Благодаря радиальному потоку частицы проходят через щели в статоре, а другие перемещаются в осевом направлении. Эти факторы в совокупности приводят к уменьшению размеров частиц, их быстрому растворению и равномерному распределению по всему объему жидкости, в результате чего получается стабильная суспензия. Основные технические характеристики устройства: объем емкости 0,2 м3, рабочее давление – налив, мощность электродвигателя мешалки 3,5 кВт, мощность электродвигателя подъемного устройства, 0,12 кВт, напряжение питающей сети 3х380 (50 Гц) В.
1. Введение
Процесс перемешивания играет ключевую роль в молочной промышленности, так как он необходим для обеспечения равномерности и однородности продуктов
. В производстве молочных продуктов, таких как йогурт, творог, сливочное масло и молоко с добавлением различных ингредиентов, перемешивание помогает равномерно распределить все компоненты, чтобы обеспечить однородное качество и вкус продукта. Помимо этого, перемешивание также способствует улучшению текстуры и консистенции молочных продуктов. Например, в производстве йогуртов перемешивание поддерживает однородное смешивание молочного белка и других компонентов, что обеспечивает желаемую текстуру и вкус .В молочной отрасли наиболее распространённым способом перемешивания является внесение механической энергии из внешнего источника в среду, которую необходимо перемешать. Механическое перемешивание осуществляется с использованием мешалок, которые приводятся во вращение либо напрямую через электродвигатель, либо с помощью редуктора или клиноременной передачи. Существуют также мешалки с движением возвратно-поступательного типа, которые управляются механическим или электромагнитным вибратором. Процесс механического перемешивания с использованием мешалок сводится к внешней задаче гидродинамики – тела обтекаются жидкостным потоком
, , .В последние годы прослеживается рост инновационных разработок молочных продуктов функционального назначения, в рецептуры некоторых на этапе нормализации дополнительно вводят функциональные ингредиенты: белки, биологически активные добавки, растительные полисахариды, растительное сырье и т.д. Соответственно изменяются физико-химические свойства всей молочной системы
. На практике применяют установки для приготовления нормализованных смесей, которые не обеспечивают необходимую степень диспергирования компонентов , способных образовывать труднорастворимые конгломераты, что приводит к снижению качества продукта и повышению энергозатрат при последующих технологических процессах, в частности при гомогенизации.Целью работы являлась разработка перемешивающего устройства для приготовления многокомпонентных молочно-растительных смесей для йогуртов на основании данных взаимного влияния белка и порошков растительных наполнителей (топинамбур, зизифус).
В этой связи необходимо было произвести усовершенствование конструкций существующих перемешивающих устройств, которое достигается путем изменения формы мешалки. Исходя из сложившихся на данный момент условий производства продукции, было необходимо разработать мешалку малой производительности.
2. Методы и принципы исследования
Для получения исходных данных для расчета перемешивающего устройства проведены исследования влияния различных факторов на плотность и вязкость молочных систем, используя математическое планирование эксперимента по плану ПФЭ-2. Обработку результатов осуществляли в программе Statistica. Это позволило определить совместное влияние на свойства молочно-растительных систем двух факторов:
Х1 – концентрации белка, СЛ, % (концентрат Лактобел);
Х2 – концентрации порошка топинамбура, СК, % (порошок из клубней топинамбура: массовая доля инулина 36,8%, массовая доля пектиновых веществ 11%, массовая доля пищевых волокон 7%) и концентрации порошка зизифуса, СФ, % (финик унаби порошок мякоти: массовая доля пектиновых веществ 14,5%, массовая доля пищевых волокон 21,8%, массовая доля углеводов 57,3%).
Пределы варьирования исследуемых факторов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Пределы изменения исследуемых факторов
Условия варьирования | Пределы изменения факторов | ||
СЛ, % | СК, % | СФ, % | |
Верхний уровень(+1) | 15 | 0,7 | 2,6 |
Нижний уровень (-1) | 5 | 0,2 | 0,8 |
Центр плана (0) | 10 | 0,45 | 1,7 |
Интервал варьирования | 5 | 0,25 | 0,9 |
Звездная точка +R+1,414 | 17,07 | 0,804 | 2,973 |
Звездная точка -R-1,414 | 2,93 | 0,097 | 0,427 |
Перемешивающее устройство необходимо на этапе составления нормализованной смеси до термической обработки (пастеризации, УВТ-обработки). Поэтому для имитации процесса в нормализованное по жиру молоко вносили растительные наполнители и концентрат натурального казеина при оптимальной для растворения температуре 45-50 ºС. Далее тщательно перемешивали и охлаждали до 20 ºС. Вязкость молочно-растительных смесей измеряли вискозиметрическим методом на вискозиметре Гепплера (Вискозиметр с падающим шариком (Гепплера), тип С, Thermo FS). Плотность определяли ареометром по ГОСТ Р 54758-2011.
3. Основные результаты и их обсуждения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений плотности молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки топинамбур представлена на рисунке 1. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
Рисунок 1 - Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура:
а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений плотности молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки порошок зизифуса представлена на рисунке 2. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
Рисунок 2 - Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса:
а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений вязкости молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки порошок зизифуса представлена на рисунке 3. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
Рисунок 3 - Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура:
а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений вязкости молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки порошок зизифуса представлена на рисунке 4. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
Рисунок 4 - Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса:
а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
Рисунок 5 - Общий вид разработанного перемешивающего устройства:
1 – мешалка; 2 – подъемный механизм; 3 – емкость; 4 – статор; 5 – ротор (мешалка)
За счет кинетической энергии и особенностей конструкций рабочих элементов в жидкости возникают турбулентные осевой и радиальные потоки. Благодаря радиальному потоку частицы проходят через щели в статоре, а за счет другого потока частицы перемещаются в осевом направлении. Совместное действие указанных факторов приводит к уменьшению размеров частиц, их быстрому растворению и равномерному распределению по всему объему жидкости. В результате получают стабильную суспензию.
Основные технические характеристики представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Основные технические данные и характеристики
Объем емкости, м3 | 0,2 |
Рабочее давление | Налив |
Мощность электродвигателя мешалки, кВт | 3,5 |
Мощность электродвигателя подъемного устройства, кВт | 0,12 |
Напряжение питающей сети, В | 3х380(50 Гц) |
4. Заключение
По полученным результатам установлены следующие закономерности. С повышением дозы внесения растительных добавок возрастает плотность многокомпонентных смесей. Самые высокие показатели плотности отмечены в смесях, содержащих белок и порошок зизифуса, что можно объяснить присутствием большего количества пектина и пектиновых веществ в растительной добавке, загущающих раствор. Зависимость изменения плотности для обеих растительных добавок имело линейный и пропорциональный характер. А вот вязкость для двух добавок изменялась по-разному. С порошком топинамбура вязкость молочно-растительных смесей определялось в значительной мере дозировкой данной добавки и имело линейный характер. В первую очередь, это связано способностью порошка топинамбура хорошо связывать и удерживать воду без термической обработки. В присутствии порошка зизифуса и с повышением массовой доли белка зависимость приобретала квадратичный характер и в данных молочно-растительных смесях вязкость в большей степени завесила от содержания белка, приобретая максимальные значения в диапазоне значений 10-15%. Однако с повышением массовой доли порошка зизифуса его влияние на вязкость усиливалось. Стоит отметить тот факт, что плотность молочных смесей с топинамбуром меньше, чем с зизифусом, а вот значения вязкости наоборот. Это связано с различными свойствами растительных наполнителей в растворах.
На основании полученных данных разработан новый тип мешалки, предназначенный для перемешивания и растворения в части молочной нормализованной смеси для производства йогуртов различных сухих рецептурных ингредиентов, растительных добавок, стабилизаторов, сухого белка. Полученные молочно-растительные смеси с хорошо диспергированными компонентами далее смешивают с основной массой нормализованной смеси для последующих технологических операций (пастеризация, внесние закваски, сквашивание и т.д.). Установка включает в себя мешалку, винтовое подъемное устройство и емкость. Основным рабочим элементом мешалки является система «статор-ротор». За счет кинетической энергии и специфических дизайнов рабочих элементов создаются турбулентные потоки в жидкости. Благодаря радиальному потоку, частицы проходят через отверстия в статоре, в то время как другие перемещаются в продольном направлении. Эти процессы вместе способствуют уменьшению размеров частиц, их быстрому растворению и равномерному распределению по всему объему жидкости, в результате формируется стабильная суспензия. Конструкция мешалки позволяет получать хорошо диспергированные смеси для различных рецептур йогуртов с растительными порошками и высоким содержания белка, так как в расчетах приняты максимально возможные показатели плотности и вязкости смесей для подобного рода продуктов, имеющих определенные конечные показатели качества и функциональной ценности.