Сепарирование – это процесс разделение молока на фракции с различной плотностью во вращающемся сепарирующем устройстве сепаратора.

Реализация процесса сепарирования в молочном деле взамен отстоя считается научно-технической революцией. Например, в России в 1882 году сепараторов почти не было, а в 1886 году они почти вытеснили способ отстоя. Необходимость выделения молочного жира из молочного сырья обусловлена практической потребностью концентрирования этого компонента для производства сливочного масла, нормализации по жиру, получения сливок, сметаны и других жировых продуктов.

Сущность сепарирования основана на выделении дисперсной фазы (жировых шариков) под действием центростремительной силы, развиваемой при вращении барабана сепаратора.

Теоретической предпосылкой возможности сепарирования является разность плотности плазмы молочного сырья (1036 кг/м³) и молочного жира (922 кг/м³).

Разделение молока в барабане сепаратора происходит следующим образом.

Рисунок  13 – Вид в разрезе барабана и выходных патрубков сепаратора.

1 –насосы на выходе;

2 – крышка сепаратора;

3 – распределительное отверстие;

4 – пакет тарелок;

5 – большое затяжное кольцо;

6 – тарелко-держатель;

7 - подвижное днище барабана;

8 – корпус барабана;

9 – полое веретено.

 

 Молоко нагнетается насосом в центральный патрубок сепаратора и распределяется через перфорацию тарелок на их поверхности, перемещаясь от отверстий в пакете тарелок к периферии. Зазор между тарелками создается с помощью специальных шипиков на поверхности тарелок и составляет 0,6-0,8 мм. В процессе работы барабан сепаратора вращается со скоростью 5000-8000 об/мин. В результате высокой скорости вращения на распределенные в тонком слое в межтарелочном пространстве жировые шарики действует центростремительное ускорение, в 4000 раз превышающее ускорение силы тяжести, и под его действием шарики по поверхности тарелки сепаратора движутся к оси вращения.(рис.2) Создание центростремительного ускорения позволяет ускорить процесс разделения, который имеет место и при самопроизвольном отстаивании молочного жира в статических условиях хранения молока (экспериментальные наблюдения в быту). По мере удаления от центра в сливках увеличивается содержание плазмы и уменьшается количество молочного жира, особенно в виде крупных жировых шариков.

Обезжиренная часть молока как наиболее тяжелая устремляется к периферии. Находящиеся в молоке механические примеси, более тяжелые по сравнению с плазмой, отбрасываются к стенке сепарирующего устройства и могут скапливаться в специально предусмотренном устройстве.

Под напором вновь поступающего молока полученные сливки и обезжиренное молоко выходят из сепарирующего устройства.

Процесс сепарирования молока подчиняется закону Стокса и может быть описан уравнением (2). Скорость выделения жировых шариков определяется:

 

                     V = 8,77 n² R r² (ρ₁ – ρ₂)/μ, где           (2)

 

n – частота вращения сепарирующего устройства, об/мин;

R – радиус сепарирующего устройства, м;

r – радиус жирового шарика, м;

ρ₁ и ρ₂ – плотность плазмы молока и молочного жира, кг/м³;

μ – динамическая вязкость молока, Па с.

Анализ формулы показывает, что эффективность сепарирования прямо пропорциональна размеру жировых шариков, скорости вращения и размеру барабана и обратно пропорциональна вязкости среды.

При сепарировании можно выделить жировые шарики размером не менее 0,8-1 мкм. Объясняется это изменением плотности жировых шариков в зависимости от их размеров. Основную массу более крупных жировых шариков составляет молочный жир, и поэтому плотность крупных жировых шариков значительно меньше плотности плазмы. В очень мелких шариках, наоборот, большую часть массы составляют липопротеиновые оболочки, поэтому плотность мелких шариков приближается к плотности плазмы и при сепарировании их выделить невозможно. Поэтому максимально можно обезжирить молоко до 0,01 – 0,03 %. В промышленности считается эффективным обезжиривание до 0,05%. принята допустимая массовая доля жира в обезжиренном молоке - 0,05 %.

Высокое нагревание, перемешивание, перекачивание вызывает раздробление жировых шариков, что увеличивает отход жира в обезжиренное молоко. Поэтому молоко, предназначенное для сепарирования, не должно подвергаться сильному тепловому и механическому воздействиям.

Не рекомендуется перед сепарированием длительно выдерживать охлажденное молоко. В таких условиях находящиеся в молоке некоторые сывороточные белки адсорбируются на поверхности жировых шариков, увеличивая тем самым их плотность и ухудшая процесс сепарирования.

Из формулы (2) следует, что скорость выделения жировых шариков находится в обратной зависимости от вязкости молока. Подогрев молока до 40-45 °С почти в 2 раза уменьшает его вязкость и улучшает результат сепарирования. При более высокой температуре молока возрастает степень раздробленности жировых шариков и может произойти коагуляция сывороточных белков.

Экспериментально установлено, что часть уравнения (2) (r_п - r_ж /µ) для температуры (t) 10-70 °С является величиной 0,29 t и назначается разделяемостью молока.

Эффект сепарирования молока в основном, зависит от ряда факторов: частоты вращения сепарирующего устройства, размера жировых шариков, вязкости, чистоты и кислотности молока. Кислотность молока должна быть не более 22 °Т.

Эффективность сепарирования (К) определяется исходя из баланса на основе классического закона сохранения массы

                         

                               

Ж_М - Ж_О

К=                        х 100 %      (3)

Ж_М

где Ж_М  и Жо - жирность исходного и обезжиренного молока.

Как правило, в современных сепараторах К = 99,8%

Материальный баланс сепарирования:

М = С + О_М+ С_Л + П_М,                                     (4)

где М, С_л, О_М, С - количество молока, сливок, обезжиренного

                     молока и сепарированной слизи;

 П_М - потери (обычно на уровне 0,6 %).

Продукты сепарирования цельного молока представлены в таблице 7.

Таблица 7

Продукты сепарирования	Количество	Содержание, %
		жира	белка	лактозы	сомо	золы
Сливки	10-15	10-35	2,4	2,7	5,4	0,2
Обезжиренное молоко	85-90	0,05	3,5	4,8	8,9	0,7
Сепараторная слизь	0,06	3,5	25	-	-	3,0

В сливках имеется 1 – 4 % воздуха. Плотность сливок 35 % жирности при 20 ⁰С - 997 кг/м³, 10 % жирности - 1025 кг/м³. Вязкость сливок при 20 ⁰С находится на уровне 7,6 Па×с. Плотность обезжиренного молока 1030 - 1040 кг/м³.

На практике при сепарировании молочного сырья следует четко соблюдать режимы, рекомендуемые в инструкции по эксплуатации конкретной модели сепаратора.

Конструкции сепараторов весьма разнообразные. В машинах малой мощности ввод молока и вывод фракций осуществляется свободной струей (открытый тип). Жирность получаемых сливок в сепараторах открытого типа регулируется специальным винтом, обычно установленным на выходе сливок. При ввинчивании регулированного винта ближе к оси получают сливки большей жирности. При выкручивании винта сливок будет выходить больше, но с меньшей жирностью. В некоторых сепараторах регулировочный винт установлен на выходе обезжиренного молока. Обычно устанавливают винт на 30 % жирности сливок (12 % выхода).

В крупные сепараторы молоко поступает по трубопроводам под давлением, с напором отводятся и разделенные фракции (закрытый тип). Жирность полученных сливок регулируется вентилем, установленным на их выходе.

Средние по размерам сепараторы занимают промежуточное положение. Молоко вводится открытой струей, а готовые фракции отводятся под напором (полузакрытый тип). В сепараторах полузакрытого типа жирность сливок регулируется вентилем, установленным на выходе сливок и обезжиренного молока. Жирность выходящих сливок определяется разностью давлений на выходе сливок и обезжиренного молока. С увеличением этой разности давлений количество сливок уменьшается, а следовательно, жирность их увеличивается.

По технологическому назначению различают сепараторы для выделения жировых фракций и загрязнений, а также для обезвоживания белковой фракции. К первой группе относятся: сепараторы-сливкоотделители, сепараторы-нормализаторы, сепараторы для высокожирных сливок и сепараторы-диспергаторы.

Сепараторы-сливкоотделители позволяют разделить цельное молоко на обезжиренную фракцию (жирность 0,03 – 0,05 %) и сливки с массовой доли жира 10-40 %.

Сепараторы-нормализаторы предназначены для получения молока с заданной жирностью и сливок.

Рисунок 14 - Принцип нормализации молока по жиру.

Сепараторы высокожирных сливок эксплуатируются в поточных линиях производства сливок с высокой массовой долей жира (70-85 %). Вследствие высокой вязкости перерабатываемого продукта (сливок) размеры межтарелочных зазоров в сепараторе высокожирных сливок увеличены, производительность снижена, и регулировка массовой доли жира в высокожирных сливках производится регулятором на линии пахты. Через 1,5-2 ч работы сепаратор необходимо остановить для мойки, очистки.

Сепаратор-диспергатор предназначен не только для очистки молока, но и для его частичной гомогенизации.

Фракционирование применяют не только для отделения сливок. Процесс сепарирования лежит в основе очистки молока на центробежных очистителях.

Ко второй группе относятся сепараторы-молокоочистители, сепараторы-бактериочистители, сепараторы творогоотделители и сепараторы-отделители белка от сыворотки. Во время работы молокоочистителя в его барабане развивается центробежная сила. Удельная масса механических примесей молока больше удельной массы казеина, поэтому механические примеси отбрасываются к стенкам барабана и осаждаются там плотным слоем. Очищенное молоко проходит к центру барабана и отводится из очистителя.

Направлять на молокоочистители можно холодное и подогретое молоко. Однако эффективность очистки холодного молока из-за его высокой вязкости снижается. При очистке холодного молока для повышения эффективности очистки следует в 2 раза уменьшать производительность очистителя. В настоящее время на очистители направляют молоко, подогретое до температуры 35-40 ⁰С. В процессе очистки выделившиеся примеси составляют 0,01-0,3 % массы молока. Они постепенно заполняют все периферийное пространство и начинают откладываться на поверхности тарелок, что вызывает необходимость остановки сепаратора для мойки. Поэтому, продолжительность работы сепаратора-очистителя составляет 3-4 часа при обычной степени загрязненности молока и нормальной его кислотности. Для организации непрерывного процесса молоко очищают поочередно на двух сепараторах-молокоочистителях одинаковой производительности.

Многие предприятия оснащены сепараторами-молокоочистителями с пульсирующей выгрузкой осадка. Вывод выделившегося из молока осадка в этих сепараторах происходит автоматически, периодически. Продолжительность безостановочной работы приблизительно 10 часов.

Недостатком центробежной очистки является то, что молока выделяются только загрязнения с более высокой, чем у плазмы плотностью. Фильтры задерживают частицы определенного размера независимо от их плотности. Поэтому оптимальным проведение очистки будет совмещение фильтрации с последующей очисткой сепарированием.

При правильном ведении центробежной очистки можно значительно снизить общую бактериальную обсемененность молока.

Для полного удаления бактериальных клеток из молока применяют бактофугирование.

Рисунок 15 – Барабан бактафугатора с непрерывной выгрузкой осадка.

 Сущность бактофугирования заключается в удалении из молока содержащихся в нем микроорганизмов путем повышения скоростей центрифугирования. Сепараторы-бактериотделители имеют большее число тарелок, размер которых превышает диаметр сепаратора-молокоочистителя.

В процессе бактофугирования из молока удаляется 90-98 % всех микроорганизмов. Спорообразующие микроорганизмы и их споры удаляются из молока легче, чем микроорганизмы в вегетативной форме. Это объясняется их высокой плотностью. Однако микроорганизмы отдельных видов, в том числе и патогенных, плотность которых соответствует плотности молока, выделить нельзя. Это обуславливает необходимость пастеризации молока.

Для очистки молока в сепараторах-бактериочистителях его нагревают до 70 ⁰С. Бактериотделение ведут в сепараторах закрытого типа с непрерывным или комбинированным способом удаления осадка. При непрерывном способе осадок из сепарирующего устройства удаляется через сопла, размещенные в стенках сепаратора. При этом вместе с бактериальной взвесью теряется до 1,5 % молока.

Внедрению бактофугирования препятствуют его энергозатраты, трудности с использованием бактофугата, а также невозможность использования такого молока для сыроделия, поскольку вместе с нежелательной микрофлорой удаляется нативная молочно-кислая.

Сепаратор-творогоотделитель открытого типа с непрерывной выгрузкой тяжелой фракции (творога) через сопла предназначен для обезвоживания творога и входит в комплект оборудования линии производства творога раздельным способом. В стенке корпуса сепаратора-творогоизготовителя имеются 12 отверстий, в которых находятся держатели с соплами. Изменяя размеры сопел и их количество, можно регулировать массовую долю влаги в твороге. В сепараторе можно обрабатывать только сгусток, полученный из обезжиренного молока, так как при обработке другого сгустка неизбежны потери молочного жира, удаляемого вместе с сывороткой.

Сепаратор-отделитель белка от сыворотки предназначен для очистки сыворотки от казеиновой пыли и выделения молочного жира. В барабане сепаратора установлен комбинированный пакет тарелок с перфорацией и без, на тарелках без перфорации в нижней части барабана сыворотка очищается от казеина, в верхней – происходит разделение продукта и молочного жира.

Деканторы -