CC BY
10ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ (FOOD INDUSTRY) УДК 66.974.434
Новичихин В.Д.
магистрант технологического факультета Вологодская государственная молочнохозяйственная академия
имени Н.В. Верещагина (с. Молочное, г. Вологда, Россия)
Фиалкова Е.А.
док. техн. наук, профессор кафедры технологического оборудования Вологодская государственная молочнохозяйственная академия
имени Н.В. Верещагина (с. Молочное, г. Вологда, Россия)
Баронов В.И.
канд. техн. наук, доцент кафедры технологического оборудования Вологодская государственная молочнохозяйственная академия
имени Н.В. Верещагина (с. Молочное, г. Вологда, Россия)
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СГУЩЕНИЯ НФ-КОНЦЕНТРАТА ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ
Аннотация: представлена методика расчёта оборудования для сгущения НФ-концентрата творожной сыворотки. Установлено, что для достижения производительности аппарата 100 кг выпаренной влаги в час при продолжительности работы 9 часов необходимо, чтобы диаметр аппарата составлял 0,77 м, длина аппарата 1,9 м, при частоте вращения мешалки 100 об/мин и скорости движения воздуха 1 м/с с температурой 60°С.
Ключевые слова: НФ-концентрат, сыворотка, сгущение, выпаривание, выпарной аппарат.
Как известно, около 80% всей вырабатываемой в молочной промышленности сыворотки не используется на пищевые цели. Слив сыворотки в канализацию и нарушение экологии - это вторая не менее важная проблема молокоперерабатывающей отрасли [1].
Вопросами переработки сыворотки занимаются практически все научные учреждения, связанные с этой отраслью. В пищевую промышленность внедряются в основном способы переработки сыворотки при больших её объёмах, свыше 100 тонн в смену. Тогда как самые большие проблемы у предприятий, имеющих малый объём переработки сыворотки (около 10-20 тонн в сутки) [2-3].
Сыворотка содержит более 200 наименований биологически активных веществ, ценнейшие микроэлементы, а именно: калий, фосфор, кальций, магний и другие, витамины: Е, С, В, а также: биотин, витамин Н, фермент Я, холин и другие. Сыворотка очищает организм, выводит шлаки и токсические элементы, нормализует работу печени, а также почек, улучшает кровообращение в головном мозге, разжижает кровь [4-7].
Сыворотка обладает лечебными свойствами, поэтому использование её в пищевых продуктах способствует оздоровлению населения, а также она может быть успешно использована в фармакологии [8-10].
Материалы и методы
Для исследований в работе использован нанофильтрат творожной сыворотки предварительно подсгущенный до 30% сухих веществ (НФ-концентрат) на нанофильтрационной мембранной установке и подогретый до температуры 60°С. Для расчета оборудования на рисунке 1 представлена схема установки для концентрирования НФ-концентрата молочной сыворотки. Все расчеты планируется проводить без учета потерь продукта в процессе обработки
в оборудовании, тепла в окружающую среду и снижения скорости движения воздуха в аппарате.
Устройство и принцип работы оборудования
Принцип действия установки заключается в следующем: из бака 12 продукт по патрубку 11 поступает в камеру 8, а затем, переливаясь через кольцевую перегородку 9, попадает во внутреннюю обечайку 1, где разбрызгивается перемешивающемся устройством 2 и далее перемещается к патрубку отвода продукта 11. В противотоке с движением продукта через раструб для входа воздуха 3 подается горячий воздух, который направляется конусными направляющими 5 и 7 к периферии внутренней обечайки 1 на продукт. Воздух, насыщенный влагой из продукта, отводится через воздуховод 14. По достижении требуемой концентрации продукта, циркуляция прекращается, и продукт отводится во внешнюю накопительную емкость.
12
Рис. 1. Схема установки для концентрирования НФ-концентрата молочной сыворотки: 1 -внутренняя обечайка, 2 - перемешивающее устройство, 3 - раструб для входа воздуха, 4 -раструб для выхода воздуха, 5, 7 - конусные направляющие, 6 - паровая рубашка, 8 - камера выхода воздуха и подачи продукта, 9 - кольцевая перегородка, 10 - труба подвода продукта, 11 - патрубок отвода продукта, 12 - циркуляционный бак, 13 - диск с отверстиями, 14 -воздуховод.
Расчет параметров оборудования для концентрирования НФ-концентрата
Целью работы является определение конструктивных эксплуатационных и технологических параметров и режимов работы установки способной перерабатывать 2000кг НФ-концентрата сыворотки за 9 часов. Исходные данные для расчета представлены в таблице 1.
Таблица 1. Исходные данные к расчету оборудования для концентрирования НФ-концентрата
Параметр Значение
Объем переработки сыворотки, т/сут 10
Доля сухих веществ сыворотки, % 6
Концентрация после нанофильтрационной установки не более,% 30
Требуемое содержание сухих веществ не менее, % 55
Расчетное время работы аппарата, ч 9
После сгущения 10 000 кг сыворотки до 30% сухих веществ
10000 6 тл количество продукта составит: ——— = 2000 кг. Исходя из конструкции
концентратора - выпаривание необходимо произвести за счёт воздуха, нагрев продукта необходимо осуществлять паром. Для сгущения нанофильтрата от 30% до 55% необходимо удалить 909,09 кг влаги. Производительность концентратора
909 09
составит: —^— = 101,01 кг/час. В результате получим 1090,91кг сыворотки
сгущенной до 55% сухих веществ. Расход пара на весь процесс определяется как произведение количества выпаренной влаги на коэффициент использования пара равным 1,15: 909,09 • 1,15 = 1045,45 кг.
Расчёт расхода воздуха определяется из условия, что температура поступающего воздуха такая же, как и температура продукта 60 °С.
Абсолютная влажность воздуха при температуре 60 °С равна 80 г/кг воздуха. Тогда расход воздуха определяется из условия, что он поступает с влагосодержанием: 20г/кг воздуха. Количество влаги, унесенное с 1 кг воздуха, составит: 80-20 = 60 г/кг воздуха. Количество воздуха, которое потребуется
909,09 с с с 1683,5
на весь цикл сгущения: р = 15151,5 кг. Расход воздуха в секунду: збор =
0,467 кг/сек. Подача продукта на входе оборудования составит: = 222,22 кг/час.
Конструктивные параметры аппарата: площадь поверхности теплообмена
S, м2:
£ _ я-^2
4 ,
где й - диаметр аппарата, м.
а =
Ч
4-5
п
Эксплуатационные параметры аппарата: объемный расход воздуха ^объем.возд. = 0,467 м3/с. Примем скорость движения воздуха V = 1 м/с, тогда площадь поверхности теплообмена можно определить исходя из его скорости движения S, м2:
5 = - .
V
0Д67 2
5 = -= 0,467 м2.
1
Тогда, диаметр аппарата составит:
4-0,467
а = I-= 0,77 м.
3,14
Примем длину аппарата в 2,5 раза больше диаметра, тогда: I = а ■ 2,5 = 0,77 • 2,5 = 1,925 м.
Конструктивные параметры перемешивающего устройства: диаметр мешалки dм=0,76 м; частота вращения п = 100 об/мин= 1,7 об/с.
Физико-химические свойства сыворотки: плотность р = 1030 кг/м3, динамическая вязкость д = 1,75-10-3 Пас. Центробежное число Рейнольдса:
Р • п •
Яец =-
ц Д
1030 • 1,7 • 0,772 Кец = —„ „„ ,— = 593238,8 = 5,9 • 105 ц 1,75 • 10-3
Для четырех лопастной мешалки с перегородками коэффициент сопротивления составит =2,5.
Мощность мешалки ММ, Вт: Мм = • р • п3 • й5. ММ = 2,5 • 1030 • 1,73 • 0,775 = 3424 Вт
Результаты
Проведенные в работе расчеты позволили определить основные конструктивные параметры оборудования для концентрирования НФ-концентрата молочной сыворотки. При диаметре и длине аппарата в 0,77 м и 1,9 м соответственно, частоте вращения мешалки 100 об/мин, скорости движения воздуха 1 м/с с температурой 60°С производительность оборудования для концентрирования составит не менее 100 кг выпаренной влаги в час.
Выводы
В результате можно сделать вывод, что разработанный аппарат, используемый совместно с нанофильтрационной установкой, позволит концентрировать 10 тонн творожной сыворотки за смену и впоследствии ее использовать при производстве традиционных кисломолочных продуктов, обогащая их ценными сывороточными белками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Дятловская Е., Кулистикова Т. В России лишь 21 % молочной сыворотки идет на переработку // Агроинвестор.- 2019. URL: https://www.agroinvestor.ru/analytics/news/31329-v-rossii-Hsh-21-molochnoy-syvorotki-idet-na-pererabotku/ (дата обращения: 17.08.23)
2. Мамай Д.С., Бабенышев С.П., Мамай А.В., Иванец В.А., Хоха Д.С. Методология решения проблемы очистки стоков молокоперерабатывающих предприятий // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2022. Т. 84. № 1 (91). С. 214-221. DOI: 10.20914/23101202-2022-1-214-221
3. Баймирзаева Ж. Н., Абубакирова А. А., Шойынбаева К. Б. Переработка и использования молочной сыворотки для получения продуктов питания // Scientific perspectives 2018: Сборник материалов XXXV Международной научно-практической конференции, Москва, 26 марта 2018 года. Москва: Научный центр "Олимп". 2018. С. 41-42. EDN: XQFENF.
4. Семенова А.А. Пищевая и биологическая ценность молочной сыворотки // Актуальные исследования. 2023. № 1 (131). С. 10-12. EDN: TLQQJO
5. Фидарова М. А., Кочисова Э. Р. Оценка качества молочной сыворотки для производства напитков // Научное обеспечение сельского хозяйства горных и предгорных территорий: Материалы всероссийской студенческой научно-практической конференции, Владикавказ, 25-27 ноября 2020 года. Том 2. -Владикавказ: Горский государственный аграрный университет. 2020. С. 59-62. EDN: IBYIMF.
6. Плотникова И. В., Шенцова Е. С., Полянский К. К., Писаревский Д. С. Химический состав и технологические свойства различных видов молочной сыворотки // Сыроделие и маслоделие. 2020. № 3. С. 43-45. DOI: 10.31515/20734018-2020-3-43-45. EDN: AJZGVW.
7. Храмцов А.Г. Сокровище найдено: что с ним делать? // Молочная промышленность. 2013. №6. С.30-32. EDN: QBXNZL
8. Скрябина О. В., Динер Ю. А. Способ производства пасты творожной // Каталог научных и инновационных разработок ФГБОУ ВО "Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина". - Омск: Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина. 2021. С. 78-79. EDN: WFXOUH.
9. Патент РФ № 2789462. Кисломолочный продукт для геродиетического питания / Антипова Т.А., Фелик С.В., Симоненко С.В., Андросова Н.Л., Кудряшова О.В., Золотин А.Ю., Синько Т.И.. Заявл. 22.04.2022. Опубл. 03.02.2023.
10. Нестеров Е. Д., Логинов З.А., Калиновская А.И. Разработка способа получения винного напитка на основе молочной сыворотки с использованием гриба E. cristatum // Тенденции развития науки и образования. 2022. № 85-8. С. 139-143. DOI: 10.18411/trnio-05-2022-376. EDN: QFQYRK.
Novichikhin V.D.
Vologda State Dairy Farming Academy (Molochnoe village, Vologda, Russia)
Fialkova E.A.
Vologda State Dairy Farming Academy (Molochnoe village, Vologda, Russia)
Baronov V.I.
Vologda State Dairy Farming Academy (Molochnoe village, Vologda, Russia)
EQUIPMENT FOR THICKENING NF-CURD WHEY CONCENTRATE
Abstract: the method of calculating the equipment for thickening the NF concentrate of curd whey is presented. It has been established that in order to achieve the productivity of the apparatus of 100 kg of evaporated moisture per hour with a duration of 9 hours, it is necessary that the diameter of the apparatus is 0.77 m, the length of the apparatus is 1.9 m at a speed of rotation of the agitator 100 rpm and the air velocity of 1 m / s at a temperature of 60 ° C.
Keywords: NF-concentrate, serum, thickening, evaporation, evaporation apparatus.
