CC BY
59
УДК 532.785
Кристаллизатор-выпариватель для переработки молочной сыворотки
Славоросова Елена Викторовна, аспирант e-mail: s3009e@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Куленко Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, доцент e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Шевчук Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Фиалкова Евгения Александровна, доктор технических наук, профессор e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. В статье представлена конструкция экспериментального устройства, позволяющего осуществлять экономически эффективную переработку молочной сыворотки, совмещающую концентрирование сыворотки с процессом кристаллизации, и проведен анализ тепло- и массообменных процессов в зависимости от продолжительности цикла работы.
Ключевые слова: кристаллизация, выпаривание, циклические температурные режимы кристаллизации, молочная сыворотка.
Для повышения эффективности производства молочной продукции в России в связи с проблемой дефицита сырья требуется обратить внимание на более рациональное использование этого сырья. Проблема дефицита сырья может быть решена за счет использования молочной сыворотки, которая содержит наиболее ценные пищевые и биологически активные вещества молока. Переработка молочной сыворотки в России, несмотря на многочисленные разработки в этой области, сдерживается рядом факторов. В частности, это проблемы с хранением и транспортировкой сыворотки на большие расстояния из-за удаленности предприятий; отсутствие крупных централизованных предприятий, специализирующихся на переработке сыворотки; отсутствие массового производства продуктов на основе молочной сыворотки; отсутствие должного контроля и санкций со стороны экологической службы за сброс сыворотки в сточные воды; использование на предприятиях устаревшего оборудования (вакуум-выпарные и сушильные установки), что связано с повышением расхода энергоносителей и, соответственно, получением неконкурентоспособной продукции [1, 2].
Целью работы является разработка устройства для экономически эффективной переработки молочной сыворотки и аналитические исследования влияния режимов его работы на процесс концентрирования молочной сыворотки.
Наиболее распространенным способом переработки сыворотки является её сушка, однако это касается преимущественно подсырной сыворотки, тогда как творожная сыворотка практически не перерабатывается. Это связано с тем, что творог вырабатывается на многочисленных предприятиях в небольших объемах и переработка сыворотки экономически невыгодна предприятиям. Основной недостаток сыворотки - высокое содержание солей и лактозы, причем соли можно удалить деминерализацией.
В мире известны способы переработки сыворотки, позволяющие удалить из неё не только соли, но и избыточную лактозу, которые включают следующие этапы: электродиализ, вакуум-выпаривание, кристаллизацию, центрифугирование. При этом электродиализом удаляется 30-50 % солей. Вакуум-выпаривание концентрирует сыворотку до 40-60 % содержания сухих веществ. Полученный концентрат охлаждают до осаждения не менее 40 % сухих веществ. Осажденную лактозу отделяют путем фильтрации, декантации или на центрифуге [3]. Однако электродиализ является наиболее энергозатратным способом удаления солей, а вакуум-выпаривание требует достаточно больших объемов сыворотки.
Более энергоэффективным и не нарушающим состава молочной сыворотки способом концентрирования является нанофильтрация. Одновременно с концентрированием сыворотки при нанофильтрации осуществляется и частичная деминерализация, при этом сохраняются все остальные составные части сыворотки. В ВГМХА им. Н.В. Верещагина разработан новый способ переработки молочной сыворотки, включающий следующие этапы: нанофильтрацию, кристаллизацию, совмещенную с выпариванием, центрифугирование. Использование нанофильтрации (диафильтрация) позволяет удалить до 50 % солей и 80 % влаги, а также сконцентрировать сыворотку до 25-30 % содержания сухих веществ [4-6]. Совмещение процесса кристаллизации лактозы с выпариваем кристаллизата позволяет исключить дорогостоящее вакуум-выпаривание. Это делает экономически целесообразной переработку творожной сыворотки.
Предлагаемый способ переработки молочной сыворотки может быть реализован с использованием специальной кристаллизационной установки, в которой
кристаллизация лактозы сопровождается выпариванием кристаллизата. Установка состоит из двух колонн, в которые барботируется горячий воздух с температурой 50...70 оС и холодный воздух с температурой 0...10 оС соответственно [7]. При этом температура кристаллизата в горячей колонке не превышает 35 оС, что не позволяет осуществлять интенсивное выпаривание.
Предлагаемый кристаллизатор-выпариватель с воздушным и водяным охлаждением и подогревом позволяет повысить температуру кристаллизата в горячей колонке, тем самым интенсифицируя его выпаривание. На рис. 1 схематически изображен кристаллизатор-выпариватель с циклическими температурными режимами работы. Аппарат состоит из двух колонн - I, II. Внутри колонн расположены барботеры 1, 2, представляющие собой перфорированные цилиндрические вставки с тангенциально расположенными отверстиями для барботирования воздуха в колонны, через которые подается горячий воздух с температурой 60 оС и холодный воздух с температурой 10 оС. Горячий и холодный воздух получается при прохождении воздуха с комнатной температурой через вихревую трубу Ранка-Хиль-ша. Заполнение аппарата осуществляется через верхние крышки 3, 4. Готовые кристаллы удаляются из колонок через штуцера 5, 6. Одновременно с воздухом в рубашку 7 каждой колонки подается горячая или ледяная вода через штуцера 8, 9. Выход воды осуществляется через штуцера 10, 11. В рубашке расположена направляющая 12, 13, благодаря которой вода циркулирует, закручиваясь в противоположную сторону от вращения продукта в колонке.
Рисунок 1. Кристаллизатор-выпариватель с циклическими температурными режимами работы
Предлагаемый кристаллизатор-выпариватель работает в циклическом температурном режиме. В одной из колонн при низкой температуре осуществляется процесс кристаллизации лактозы, в другой - при высокой температуре - процесс
выпаривания. В каждом цикле осуществляется попеременное охлаждение и нагревание каждой колонны. Для нагревания и охлаждения колонн используются два теплоносителя - воздух и вода. Воздух барботируется непосредственно сквозь слой кристаллизата по касательной к внутренней стенке аппарата, вода подается в рубашку колонн. Холодный воздух и холодная вода обеспечивают условия для кристаллизации раствора. Аналогичным образом, с помощью горячего воздуха и горячей воды получают высокую температуру насыщенного раствора лактозы, обеспечивая его выпаривание. По истечении половины цикла срабатывает временная программа и благодаря средствам автоматизации меняются направление подачи теплоносителей: холодные воздух и вода подаются уже во вторую колонну, а горячие - в первую. Конструкция барботера представляет собой цилиндрическую вставку с тангенциально расположенными отверстиями для барботирования воздуха в колонны, что обеспечивает равномерное распределение пузырьков воздуха по всему объему раствора, а также придает ему вращательное движение, тем самым интенсифицируя теплопередачу. Увеличение скорости движения раствора относительно холодной стенки сокращает налипание кристаллов, кроме того, чередование охлаждения с нагревание колонны полностью освобождает поверхность теплопередачи от осевших на ней в процессе охлаждения кристаллов [8].
Для анализа возможности интенсификации процесса кристаллизации и обеспечения замены дорогостоящего и энергоемкого вакуум-выпаривания исходной сыворотки на мембранное концентрирование с последующей концентрацией ее в кристаллизаторе-выпаривателе были проведены расчеты, позволяющие проанализировать изменение температуры и процентного содержания сухих веществ в кристаллизате в зависимости от продолжительности одного цикла работы аппарата. Еще раз отметим, что один цикл работы каждой колонны складывается из двух периодов, в течение одного из которых происходит нагревание колонки, а в течение другого - ее охлаждение. Анализировалась циклическая работа колонны кристаллизатора с тремя различными режимами, отличающимися продолжительностью одного цикла (1, 1,5, и 2 часа) при общей продолжительности работы кристаллизатора 12 часов.
Для расчетов использовались следующие данные: для кристаллизата: в начальный момент времени температура 10 °С, содержание сухих веществ 30 %, плотность 1140 кг/м3, кинематическая и динамическая вязкость 18,4-10-6 м2/с и 21^10-3 Па^с соответственно, удельная теплоемкость 3290 Дж/(кг-°С), теплопроводность 0,6 Вт/(м-К); для воздуха: удельная теплоемкость 1010 Дж/(кг-°С), плотность 1,2 кг/м3, расход горячего воздуха в колонке 0,0036 м3/с, расход холодного воздуха в колонке 0,0012 м3/с, температура горячего воздуха 60 °С, температура холодного воздуха 0 °С; для воды: коэффициент теплопередачи 249,4 Вт/м2-К; для горячей воды: температура 90 °С, плотность 965 кг/м3, динамическая вязкость 0,315^10-3 Па-с, кинематическая вязкость 3,26-10-7м2/с, удельная теплоемкость 4190 Дж/(кг-°С), теплопроводность 0,68 Вт/(м-К);, для ледяной воды: температура 1 °С; плотность 1000 кг/м3, динамическая вязкость 1,7^10-3 Па-с, кинематическая вязкость 1,7-10-6 м2/с, удельная теплоемкость 4230 Дж/(кг-°С), теплопроводность 0,551 Вт/(м-К). При расчетах учитывалось изменение со временем таких параметров кристаллизата, как плотность в зависимости от температуры, кинематической и динамической вязкости в зависимости от температуры и содержания сухих веществ.
Рисунок 2. а) график изменения температуры кристаллизата со временем для циклов различной продолжительностью; б) график изменения процентного содержания сухих веществ со временем для циклов различной продолжительностью.
Результаты теоретического анализа приведены на графиках рис. 2. Изменение температуры кристаллизата со временем представлено на первом графике (см. рис. 2а). Температура кристаллизата в процессе нагревания при любой длительности цикла сначала резко возрастает примерно до 75 °С, а затем плавно достигает температуры 80 °С и уже практически не изменяется. Для процесса охлаждения наблюдается следующая закономерность: чем длиннее цикл, тем ниже получаем температуру в конце цикла: продолжительность цикла 1 час - температура 6 °С;
продолжительность цикла 1,5 часа - температура 2,7 °С; продолжительность цикла 2 часа - температура 1,5 °С. Изменение процентного содержания сухих веществ в кристаллизате со временем представлено на втором графике (рис. 2б). Содержание сухих веществ в кристаллизате за 12 часов работы возрастает для цикла продолжительностью 1 час до 54,7 % , для цикла продолжительностью 1,5 часа до 54,1, а для цикла продолжительностью 2 часа до 53,9 %.
Выводы
Предложенная конструкция кристаллизатора-выпаривателя позволяет повышать температуру в нагреваемой колонке до 80 °С, увеличивая эффективность выпаривания, что позволяет сконцентрировать кристаллизат до 55 % содержания сухих веществ. При этом температура кристаллизата в охлаждаемой колонке может снижаться до 1 °С, создавая благоприятные условия для кристаллизации лактозы. Анализ показал, что продолжительность цикла не оказывает существенного влияния при концентрировании сыворотки от 30 до 55 % сухих веществ.
Список литературных источников:
1. Перспективы и особенности организации переработки сыворотки за рубежом и в России / И. А. Евдокимов [и др.] // Переработка молока. - 2011. - № 8(142). -С. 6-9.
2. Сайт: http://milknews.ru/milkpedia/pererabotka_molochnoy_sivorotki.html
3. Пат. № 3615664 США, МКИ А 23с 21/00. Обработка сыворотки [Текст] / Francis Leo H.; заявитель и патентообладатель «Foremost Mckesson»; Заявл. 5.12.69. Опубл. 26.10.71
4. Фиалкова, Е. А. Энергоэффективная технология производства сгущенной де-лактозированной деминерализованной сыворотки / Е.А. Фиалкова, Н.Я. Дыкало, Е.В. Славоросова // Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания: материалы 4-й международной практической конференции. В 2-х томах. Том II. - Истра: 2014.- С. 351-356.
5. Научное обоснование перспективного направления переработки молочной сыворотки / Е. В. Славоросова [и др.] // Инновационные тенденции развития российской науки: материалы VIII Международной научно-практической конференции молодых ученых / под общ. ред. А.Г. Миронова; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск. - 2015. - С. 251-254.
6. Заявка на изобретение №2015109584 (015171) «Способ переработки молочной сыворотки» / Куленко В.Г., Шевчук В.Б., Славоросова Е.В., Дыкало Н.Я., Фиалкова Е.А. ; заявитель ВГМХА имени Н.В. Верещагина. - заявл. 18.03.2015 г.
7. Качалова, Е. А. Разработка установки для кристаллизации лактозы с воздушным охлаждением и подогревом: дис. ... канд. техн. наук / Качалова Елена Александровна. - М., 2009.- 162 с.
8. Пат. № 2590755 Российская Федерация, МПК С13В30/02. Кристаллизатор-вы-париватель / Куленко В.Г., Шевчук В.Б., Славоросова Е.В., Фиалкова Е.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВО «Вологодская государственная молочнохозяй-ственная академия имени Н.В.Верещагина»; заявл.06.04.2015; опубл.10.07.2016.
References:
1. Evdokimov I.A Prospects and features of the organization of the whey processing abroad and in Russia
2. http://milknews.ru/milkpedia/pererabotka_molochnoy_sivorotki.html
3. Francis Leo H. Obrabotka syvorotki [Whey Treatment]. Patent USA, no. 3615664, 1971.
4. Fialkova E.A. Power efficient technology of condensed delactated demineralized whey production. Nauchnye i prakticheskie aspekty sovershenstvovaniya kachestva produktov detskogo i gerodieticheskogo pitaniya. Materialy 4-y mezhdunarodnoy prakticheskoy konferentsii [Proc. 4th International Conference "Scientific and practical aspects of improving the quality of infant and gerodietic food"]. Istra, 2014, pp.351356 (in Russian).
5. Slavorosova E.V. Scientific substantiation of perspective directions of whey processing. Innovatsionnye tendentsii razvitiya rossiyskoy nauki: materialy VIII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii molodykh uchenykh [Proc. of the 8th Int. scientific and practical conference of young scientists "Innovative trends of the Russian science development"]. Krasnoyarsk, 2015, pp.251-254. (In Russian)
6. Kulenko V.G., Shevchuk V.B., Slavorosova E.V., Dykalo N.Ya., Fialkova E.A. Sposob pererabotki molochnoy syvorotki [Method of whey processing]. Application for Invention, no. 2015109584 (015171), 2015.
7. Kachalova E.A. Razrabotka ustanovki dlya kristallizatsii laktozy s vozdushnym okhlazhdeniem i podogrevom. Kand. Diss. [Designing air cooling and heating installation for lactose crystallization. Cand. Diss.]. Moscow, 2009. 162 p.
8. Kulenko V.G., Shevchuk V.B., Slavorosova E.V., Fialkova E.A Kristallizator-vyparivatel' [Crystallizer evaporator]. Patent RF, no. 2590755, 2016.
Crystallizer-evaporator for whey processing
Slavorosova Elena Viktorovna, a postgraduate student e-mail: s3009e@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kulenko Vladimir Georgievich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of the Technological Equipment Chair e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Schevchuk Vladimir Borisovich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of the Technological Equipment Chair e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Fialkova Evgeniya Aleksandrovna, Doctor of Science (Technics), Professor of the Technological Equipment Chair
e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract: The article presents the design of the experimental device that makes it possible to obtain cost-effective whey processing, combining whey concentration with crystallization. The article gives the analysis of heat and mass transfer processes subject to the work cycle duration.
Keywords: crystallization, evaporation, cyclic temperature regimes of crystallization, milk whey.
