DEVELOPMENT OF A MIXING DEVICE FOR PREPARATION OF MILK MIXTURES IN THE PRODUCTION OF YOGHURT WITH VEGETABLE SUPPLEMENTS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.22
Issue: № 4 (142), 2024
Suggested:
06.03.2024
Accepted:
19.03.2024
Published:
17.04.2024
121
2
XML
PDF

Abstract

The article describes the improvement of the design of a mechanical stirrer for mixing multicomponent milk-plant mixtures for yoghurt production. The influence of protein concentration and dosage of vegetable supplements on the rheological properties of multicomponent milk mixtures for yoghurt is studied in advance. On the basis of the obtained results the design calculations were carried out. The designed unit for preparation of mixtures consists of a mixer, a screw lifting device and a container. To reduce energy losses, the mixer is driven directly from the motor shaft. The tank has a cylindrical shell with an elliptical bottom, which prevents the formation of stagnant zones. The main working element of the mixer is the stator-runner system. The principle of operation is that the components of the milk and vegetable mixture fall into the gap between the stator and the rapidly rotating rotor with specially designed blades. Kinetic energy and unique designs of working elements create turbulent axial and radial flows in the liquid. The radial flow allows particles to pass through slots in the stator while others move axially. These factors together lead to particle size reduction, their rapid dissolution and uniform distribution throughout the liquid, resulting in a stable suspension. Main technical characteristics of the device: volume of the tank 0,2 m3, working pressure – filling, power of the electric motor of the mixer 3,5 kW, power of the electric motor of the lifting device, 0,12 kW, voltage of the supply network 3x380 (50 Hz) V.

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:

img
(1)
Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

Рисунок 1 - Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура:

а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

С увеличением концентрации белка плотность молочной системы увеличивается на всем диапазоне изменения содержания топинабура, характер изменения носит линейный характер. При увеличении концентрации топинамбура плотность молочной смеси незначительно увеличивается. Влияние концентрации белка в большей степени отражается на изменении плотности, чем содержание топинамбура.

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:

img
(2)
Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

Рисунок 2 - Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса:

а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

Увеличение концентрации порошка зизифуса на все промежутке изменения белка ведет к увеличению плотности. При увеличении содержания белка, на всем диапазоне изменения концентрации порошка зизифуса, плотность молочной смеси увеличивается пропорционально. Влияние концентрации белка в большей степени отражается на изменении плотности, чем содержание порошка зизифуса. Межфакторного взаимодействия не наблюдается.

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:

img
(3)
Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

Рисунок 3 - Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура:

а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

Увеличение концентрации топинамбура при одной и той же концентрации белка ведет к увеличению вязкости молочной смеси. При увеличении содержания белка, на всем диапазоне изменения растительного компонента, вязкость смеси увеличивается. Влияние концентрации на вязкость в наибольшей степени отражается на ее изменении по сравнению с межфакторным взаимодействием и влиянием содержания белка.

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:

img
(4)
Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

Рисунок 4 - Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса:

а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения

С увеличением концентрации растительного компонента вязкость молочного сырья повышается при одной и той же концентрации белка. Повышение концентрации белка также приводит к возрастанию плотности при одинаковом содержании порошка зизифуса. Влияние концентрации белка имеет квадратичную зависимость, а зизифуса линейную. Межфакторное взаимодействие незначительно отражается на изменении вязкости. Концентрации белка в большей степени влияет на вязкость чем изменение концентрации растительного порошка.
На основании полученных данных о влиянии растительных добавок и белка на физико-химические показатели молочно-растительной системы был проведён конструктивный расчет установки для перемешивания многокомпонентной растительной смеси
,
,
. При расчете использовали максимальные предельные значения полученых показателей плотности и вязкости молочно-растительных смесей. Разработанная установка для приготовления смесей состоит из мешалки 1, винтового подъемного устройства 2 и емкости 3 (рисунок 5). Для уменьшения потерь мощности мешалка приводится во вращение непосредственно от вала электродвигателя. Емкость имеет обечайку цилиндрической формы и эллиптическое днище, что гарантирует отсутствие застойных зон.
Общий вид разработанного перемешивающего устройства: 1 – мешалка; 2 – подъемный механизм; 3 – емкость; 4 – статор; 5 – ротор (мешалка)

Рисунок 5 - Общий вид разработанного перемешивающего устройства:

1 – мешалка; 2 – подъемный механизм; 3 – емкость; 4 – статор; 5 – ротор (мешалка)

Основным рабочим элементом мешалки является система «статор-ротор». Принцип действия заключается в следующем: компоненты молочно-растительной смеси попадают в зазор между статором 4 и быстро вращающимся ротором 5, имеющим лопасти специальной конструкции.

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. 

Article metrics

Views:121
Downloads:2
Views
Total:
Views:121