|
Процесс эмульгирования жиров
достаточно широко применяется в молочной промышленности.
Например, при производстве сырных продуктов проводят
эмульгирование заменителей молочного жира в обезжиренном молоке
[1]. Заменители молочных жиров в виде эмульсий применяются при
производстве сухого молока, мороженого, йогуртов и т.д. [2]. На
рынке оборудования предлагаются различные виды соответствующих
устройств, в частности центробежные, гидравлические,
ультразвуковые эмульсоры [3].
В настоящее время для интенсификации различных технологических
процессов приобретают широкую известность и внедряются вихревые
технологии, которые позволяют использовать уникальные свойства
вихревых потоков. К таким свойствам относятся четкая
организованность потоков и наличие обширных зон кавитации [4].
Применительно к эмульгирующим устройствам это позволяет
существенно повысить качество получаемых эмульсий, а именно,
дисперсность и, как следствие, стойкость при хранении. Высокая
эффективность процесса эмульгирования достигается при низком
энергопотреблении и простой конструкции устройства [5].
Вихревой поток организуется в осесимметричной камере
энергетического разделения за счет тангенциальной подачи
продукта, и поток разделяется на внешний и внутренний
вращающиеся кольцевые слои. Внутренний слой имеет большую
окружную скорость вращения, которая теоретически стремится к
бесконечности при приближении к оси. Такое увеличение скорости
приводит к превращению внутренней энергии жидкости в кинетическую, а из закона сохранения энергии следует,
что потенциальная энергия убывает и статическое давление в
потоке падает. В результате образуется приосевая зона кавитации
практически цилиндрической формы. Именно в ней происходит
интенсивное диспергирование эмульсии [6]. Наиболее эффективны в
отношении образования обширной зоны кавитации вихревые эмульсоры
с конической вихревой камерой с раздельной подачей дисперсной и
дисперсионной сред [7].
Целью работы является экспериментальное подтверждение наличия
зон кавитации в центральной части конической камеры, а также
обоснование оптимального гранулометрического состава эмульсии.
В Вологодской ГМХА им. Н.В.Верещагина создан и испытан модельный
вихревой эмульсор с конической камерой энергетического
разделения производительностью 500 л/ч с раздельной подачей фаз.
Дисперсионная среда подается под давлением 0,3 МПа, дисперсная
поступает в эмульсор самотеком за счет пониженного давления в
приосевой зоне камеры разделения. Схема эмульсора представлена
на рис. 1 ,а.
Принцип действия эмульсора следующий. Первая фракция - любая
дисперсионная среда (сыворотка, пахта, обезжиренное молоко,
вода) поступает по патрубку 1 в напорную камеру 2, через сопло 3
тангенциально подается в камеру энергетического разделения 4,
где приобретает поступательно-враща- тельное движение по
скручивающейся к выходному патрубку 5 спирали 6. Второй
компонент - жировая фракция подается по центральному патрубку 7
и через сопло 8 поступает в центральную часть камеры 4
непосредственно в зону кавитации 9 за счет создающегося в ней
пониженного давления. Первый компонент (дисперсионная среда),
обладая большей энергией, увлекает за собой второй (жировую
фракцию), оба компонента смешиваются, диспергируются и отводятся
через патрубок 5. Фото на рис. 1,6 служит визуальным
подтверждением энергетического разделения потоков и, как
следствие, наличия приосевой зоны интенсивной кавитации.
Приосевой поток с наибольшими скоростями движения создает
пониженное давление, что обусловливает наличие зоны кавитации, в
то время как в периферийных потоках, наоборот, происходит
торможение, и давление в них повышается. Установка для получения
эмульсии типа «жир в воде» (рис. 2) включает емкости для
дисперсионной среды, жировой фракции и готовой эмульсии, насос
подачи дисперсионной среды (воды, сыворотки или пахты) под
давлением в эмульсор. Дисперсионная среда из емкости 4 под
давлением, создаваемым насосом 2, подается в боковой патрубок
эмульсора 3 и, попадая в камеру энергетического разделения,
приобретает вращательное вихревое движение. В центральной части
камеры создается зона кавитации с пониженным давлением, за счет
чего жировая фракция из емкости 1 по центральному патрубку
начинает поступать именно в зону кавитации вихревого потока и
интенсивно перемешиваться с дисперсионной средой. Готовая
эмульсия собирается в емкость 5 или возвращаться в емкость 4,
перемешивается с дисперсионной средой и вновь эмульгируется до
полного опорожнения емкости 1.
Рис. 1. Модельный вихревой эмульсор: а - схема; б - визуализация
зоны кавитации:
1 - патрубок для подачи первого компонента (дисперсионной
среды); 2 - напорная камера; 3 - сопло выхода второго компонента
в вихревую камеру; 4 - камера энергетического разделения; 5 -
патрубок для отвода готовой эмульсии; 6 - траектория движения
второго компонента в вихревой камере; 7 - патрубок для подачи
второго компонента (жировой фракции); 8 - сопло выхода второго
компонента в камеру энергетического разделения; 9 - приосевая
зона кавитации
Рис. 2. Схема установки
для получения эмульсии типа «жир в воде»:
Рис. 3. Зависимость 1 - емкость для дисперсионной среды;
2 - насос; 3 - вихревой эмульсор; эмульгатора 4 - емкость для
жировой фракции; 5 - емкость для готовой эмульсии
Стабильность эмульсии достигается применением эмульгаторов.
Исследование влияния концентрации эмульгатора на качество
(размер жировых шариков) и стойкость эмульсии позволило
определить оптимальные концентрации эмульгатора, обеспечивающие
наибольшую дисперсность и продолжительность хранения.
Эксперименты проводились на 20 %-ной эмульсии растительного
масла в воде. Емкость 4 для жировой фракции(см.рис.2) заполняли
водой температурой 45 °С и засыпали порошкообразный лецитин.
Лецитин растворялся в процессе циркуляции его водного раствора
по замкнутому контуру в течение 2 мин. В емкость для жировой
фракции 1 заливали подсолнечное масло, которое самотеком
начинало поступать в центральную трубку 7 эмульсора (см. рис.
1). После каждого эксперимента отбирали пробу полученной
эмульсии для определения среднего размера жирового шарика (рис.
3). Макрофотографии эмульсии при 1000-кратном увеличении
представлены на рис. 4.
Как видно из графика и микрофотографий, наблюдался
парадоксальный факт: при уменьшении количества эмульгатора
средний размер жирового шарика в эмульсии резко уменьшался,
увеличение количества эмульгатора до
1 % приводило к почти двукратному увеличению размера шариков
жира. Последующее внесение эмульгатора до
2 и 5 % несколько снижало средний размер шариков. Добавление
эмульгатора свыше 2 % практически не влияло на средний размер
шарика. Результат может быть объяснен следующим образом: при
малом количестве (0,5 %) эмульгатор образует тонкую пленку на
поверхности жирового шарика, и это не диаметра жировых шариков от концентрации
затрудняет его разрушение под действием кавитации. Однако в
процессе хранения на поверхности такой эмульсии наблюдалось
образование тонкой жировой пленки. Это говорит о том, что такого
количества эмульгатора недостаточно для создания лецитиновой
оболочки на поверхности всех жировых шариков и получения
высококачественной эмульсии. Очевидно, жировая фракция, попадая
в зону кавитации 9 через выходное отверстие 8 патрубка 7 (см.
рис. 1), перемешивается с водой, в которой растворен лецитин.
При этом образуются крупные жировые шарики, покрытые слоем
лецитина, которые, многократно попадая в зону кавитации,
дробятся. Площадь поверхности шариков увеличивается, забирая на
себя дополнительное количество лецитина, растворенного в воде.
Лецитиновая оболочка увеличивает поверхностное натяжение
жирового шарика и препятствует его разрушению. При малой
концентрации лецитина (опыт № 1 на рис. 4) оболочка образуется
только на более крупных жировых шариках, а более мелкие,
размером около 1 мкм, вообще не имеют оболочки. Такие жировые
шарики, всплывая, агрегируются, слипаются, скорость их подъема
возрастает. Именно они образуют жировую пленку при хранении
эмульсии.
Рис. 4. Микрофотографии жировых шариков эмульсии: № 1 -
концентрация лецитина 0,5 %; N93- концентрация лецитина 1 %; № 4
- концентрация лецитина 1,5 %; № 5 - концентрация лецитина 2 %
В эксперименте № 3 при содержании эмульгатора 1 % образуются
самые крупные жировые шарики диаметром 3 мкм, при этом отстоя
жира не наблюдается. Это значит, что эмульгатора достаточно для
покрытия всей поверхности всех жировых шариков, образующихся при
диспергировании в зоне кавитации. Дальнейшее увеличение
содержания эмульгатора в эмульсии до 2 и 5 % не оказывает
существенного влияния на средний размер жирового шарика, но в
процессе хранения эмульсии (2 недели) наблюдалось образование
мутного слоя осадка, причем тем больше, чем больше содержание
эмульгатора. Если нет необходимости в длительном хранении
эмульсии или она сразу идет на переработку, то, варьируя
содержание эмульгатора, можно достигнуть среднего размера
жирового шарика менее 2 мкм. При содержании эмульгатора 0,5 %
средний размер шарика менее 1,8 мкм. Очевидно, что при
отсутствии эмульгатора средний размер жирового шарика составит
1,5 мкм.
В результате установлено, что разработанный вихревой эмульсор с
камерой энергетического разделения кони
ческой формы при давлении подачи дисперсионной среды 0,3 МПа и
производительности 500 л/ч обеспечивает получение
мелкодисперсной эмульсии с размером жирового шарика,
сопоставимым с размером жирового шарика молока (3 мкм). Такая
эмульсия при оптимальной концентрации эмульгатора выдерживает
хранение более 2 недель без потери качества эмульсии, отстоя
жира и выпадения эмульгатора в осадок.
|
