АППАРАТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 1995 года по МПК A01J11/00 

Изобретение относится к оборудованию для молочной промышленности и может быть использовано преимущественно на предприятиях, производящих молочные продукты для детского питания.

Известно устройство для производства молочных продуктов [1] содержащее рабочую емкость с двойными стенками и герметичной крышкой, на которой под углом к вертикальной оси емкости закреплена мешалка с приводом, средства для измерения температуры, расположенные в емкости, патрубок для подачи и отвода продукта, закрепленный в нижней части емкости, причем пространство между стенками емкости через патрубок, закрепленный в нижней части боковой внешней стенки рабочей емкости, связано с источником горячей воды или пара, отвод которых осуществляется через патрубок, закрепленный в верхней части боковой внешней стенки рабочей емкости, а дно емкости выполнено наклонным в сторону патрубка подачи и отвода продукта.

Это устройство позволяет повысить качество производимых молочных продуктов за счет того, что, во-первых, при заполнении рабочей емкости не происходит образования пены, так как патрубок ввода продукта расположен в нижней части емкости; во-вторых, улучшается перемешивание продукта при тепловой обработке за счет расположения пропеллерной мешалки под углом к вертикальной оси емкости.

Однако это устройство обладает и целым рядом недостатков. Во-первых, с увеличением скорости вращения мешалки перемешивание продукта, а следовательно, и однородность температурного поля по рабочему объему улучшаются, но при этом образуется пена. Во-вторых, в результате циркуляции через рубашку горячей воды или пара содержимое емкости не может быть нагрето до температуры 85-86^оС с выдержкой при этой температуре в течение не менее 10 мин. Наклонное дно не обеспечивает эффективного отвода из емкости кисломолочных продуктов и творожного сгустка. Наличие в рабочем объеме несимметричных циркуляционных потоков рабочей среды не позволяет с помощью ограниченного числа измерителей температуры контролировать и поддерживать на заданном уровне неравномерность температуры по всему рабочему объему. В известном устройстве не обеспечивается после мытья емкости сушка ее стенок и стерилизация рабочего объема.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является аппарат для производства молочных продуктов, который содержит рабочую емкость с двойными стенками и крышкой, на которой закреплена мешалка с приводом, патрубки подачи и отвода продукта, один из которых размещен в нижней части емкости, средства измерения температуры, парогенератор, причем парогенератор выполнен в виде трубчатого электронагревателя и емкость размещена в теплоизолированном корпусе, загрузочное приспособление имеется в крышке емкости, все патрубки снабжены вентилями, средства измерения и полость парогенератора связаны с пространством между стенками рабочей емкости посредством соответствующих отверстий, выполненных во внешней стенке рабочей емкости, привод мешалки имеет редуктор и размещен на крышке [2]
Недостатком известного аппарата является то, что его конструкция не позволяет провести технологические процессы, требующие точного поддержания параметров обработки, например, при выработке кисломолочных продуктов для детского питания.

Предлагаемый аппарат предполагает соосное размещение мешалки и выполнение ее в виде двух гребенок с зубцами, закрепленных на нижнем участке оси, патрубок подвода продукта размещен в донной части емкости, при этом в верхней части емкости имеется патрубок для подвода сжатого очищенного воздуха, а крышка выполнена с возможностью герметизации емкости.

Аппарат снабжен источником сжатого очищенного воздуха, имеющего средства для нагрева воздуха, а зубцы гребенки выполнены разновеликими.

Кроме того, привод может дополнительно содержать магниты с полюсными наконечниками, число которых равно числу гребенок мешалки, редуктор выполнен в виде двух шестерен, одна из которых закреплена на валу электродвигателя, а вторая с возможностью вращения на внешней поверхности теплоизолированного корпуса, причем магниты закреплены на второй шестерне таким образом, что оси намагничивания их параллельны оси емкости, а угловое расстояние между магнитами равно угловому расстоянию между гребенками мешалки, при этом в толще зубца каждой гребенки, расположенного вблизи внутренней стенки емкости, размещена вставка из магнитомягкого материала.

Преимущество предлагаемого аппарата перед известными того же назначения заключается в том, что при его использовании обеспечиваются все температурно-временные режимы обработки продукта, необходимые при производстве высококачественных молочных продуктов, входящих в ассортимент детской молочной кухни. Дополнительные преимущества данного устройства заключаются в обеспечении асептических условий производства молочных продуктов, эффективного вывода готового продукта из рабочей емкости вне зависимости от его гидродинамических характеристик, а также возможности стерилизации рабочего объема после его мойки.

Действительно, благодаря наличию теплоизолированного корпуса, взаимному расположению рабочей емкости и парогенератора в предложенном устройстве совместно с наличием в нем средств для измерения давления и запорного вентиля у второго патрубка, обеспечивается эффективный нагрев содержимого сосуда и возможность длительной стабилизации его температуры в широком интервале температур, вплоть до 96-97^оС. С другой стороны, при предложенном размещении средств для измерения температуры и выполнении мешалки обеспечиваются высокая однородность температуры по всему рабочему объему (перепад температуры составляет не более одного градуса) за счет эффективного перемешивания продукта без образования пены во всем указанном выше температурном интервале, возможности контроля температуры как в центральных областях рабочей емкости (наиболее удаленных от источника тепла), так и вблизи стенок емкости, простота контроля степени неоднородности температурного поля в рабочем объеме, которое является осесимметричным, в связи с чем измеряется только радиальная неоднородность температурного поля.

Однако наличие в аппарате средств, обеспечивающих все температурно-временные режимы, необходимые для производства молочных продуктов, входящих в ассортимент детской молочной кухни, еще недостаточно для обеспечения асептических условий для их производства и вывода готовых продуктов, имеющих различные гидродинамические свойства. Только при наличии в устройстве загрузочного приспособления и источника сжатого очищенного воздуха с вентилем на выходе, который через дополнительный третий патрубок связан с полостью рабочей емкости, обеспечивается проведение всех технологических циклов в одном и том же рабочем объеме и вывод готового продукта бесконтактным методом, т. е. в асептических условиях.

Дополнительные преимущества предложенного аппарата связаны с наличием в источнике сжатого и очищенного воздуха средств для нагрева воздуха и его озонирования. Дело в том, что после мытья рабочей емкости путем прокачки горячего воздуха через рабочий объем осуществляется не только сушка стенок, но и частичная их стерилизация горячим воздухом. Эффект стерилизации может быть повышен, если прокачиваемый через рабочий объем воздух будет озонирован.

Неочевидным преимуществом предложенной конструкции мешалки является возможность использования бесконтактного привода, что исключает возможность загрязнения молочного продукта компонентами смазки из узла ввода мешалки в рабочую емкость.

Таким образом, приведенные выше признаки являются существенными признаками изобретения, поскольку каждый из этих признаков необходим, а в совокупности этих признаков достаточно для достижения указанного выше технического результата.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для производства молочных продуктов; на фиг.2 вертикальный разрез устройства; на фиг.3 вертикальный разрез устройства при использовании в нем бесконтактного привода мешалки; на фиг.4 разрез А-А на фиг.3.

Аппарат для производства молочных продуктов содержит теплоизоляционный корпус 1, источник 2 сжатого, очищенного воздуха, загрузочное приспособление 3, электродвигатель 4, редуктор 5, пороговый элемент 6, подключенный своим выходом к управляемому входу регулируемого источника 7 напряжения, милливольтметр 8, манометр 9, регулятор 10 температуры, первый 11 и второй 12 предохранительные клапаны, первый патрубок 13 с запорным вентилем 14, второй патрубок 15 с запорным вентилем 16, третий патрубок 17 с запорным вентилем 18, краны 19,20 для слива воды, регулятор 21 расхода холодной воды, регулятор 22 расхода горячей воды, кран 23 подачи воды и вентиль 24.

В теплоизолированном корпусе 1 размещены рабочая емкость 25 с двойными стенками (внутренней 26 и внешней 27) и парогенератор 28, в полости ванны 29 которого размещен нагреватель 30 и термопара 31. Рабочая емкость 25 снабжена герметичной крышкой 32, на которой закреплены термопары 33 и 34, включенные встречно. Вывод 35 термопары 33 и вывод 36 термопары 34 подключены к входу порогового элемента 6, а точка 37 соединения вторых выводов термопар 33 и 34 и вывод 36 термопары 34 подключены к милливольтметру 8. На крышке 32 закреплена также ось 38 мешалки. На нижнем конце оси 38 мешалки закреплены две гребенки 39 и 40 с зубцами 41, 42 и 43, 44. Верхний конец оси 38 мешалки соединен с редуктором 5 (на фиг.2 не показано).

При использовании в предложенном аппарате бесконтактного привода (фиг.3 и 4) в толще зубцов 41 и 43 размещены вставки 45 из магнитомягкого материала.

Бесконтактный привод мешалки включает магниты 46 с полюсными наконечниками 47. Число магнитов равно числу гребенок мешалки (в рассматриваемом случае число гребенок равно двум 39 и 40), а угловое расстояние между магнитами 46 равно угловому расстоянию между гребенками 39 и 40 мешалки. Магниты 46 закреплены на шестерне 48 таким образом, что оси их намагничивания параллельны оси емкости 25. Шестерня 48 установлена в подшипниках 49 с возможностью вращения относительно теплоизолирующего корпуса 1. Шестерня 48 находится в зацеплении с шестерней 50 (фиг.4), закрепленной на оси электродвигателя (на чертежах не показан).

В качестве запорного вентиля 16 может быть использован трехходовой кран (фиг.3). При этом в первом положении трехходового крана полость между стенками 26 и 27 рабочей емкости 25 изолирована от окружающей среды, во втором его положении указанная полость сообщается с атмосферой для выпуска пара (штриховая стрелка), а в третьем положении та же полость сообщается с системой слива воды (сплошная стрелка).

В качестве запорного вентиля 18 также может быть использован трехходовой кран (фиг.3). При этом в первом положении трехходового крана полость рабочей емкости 25 изолирована от окружающей среды или связана с источником сжатого воздуха 2. Во втором положении крана указанная полость сообщается с атмосферой при заполнении рабочей емкости 25 молоком, а в третьем положении полость рабочей емкости 25 сообщается с источником воды для мытья и ополаскивания емкости (сплошная стрелка).

Работа бесконтактного привода основана на взаимодействии магнитного поля магнитов 46 с вставками 45, установленными в толще зубцов мешалки, расположенных вблизи внутренней стенки емкости 25. Использование бесконтактного привода позволило увеличить однородность температурного поля по объему рабочей емкости 25, так как в этом случае ось 38 мешалки теплоизолирована и тепловой поток по ней, направленный в окружающую среду, отсутствует.

Работа устройства для производства молочных продуктов осуществляется, например, следующим образом.

Перед заполнением молоком рабочей емкости 25, герметично закрытой крышкой 32, запорные вентили 14, 16 и 18 находятся в открытом состоянии, а краны 19, 20, 23, регуляторы 21 и 22 расхода воды и вентиль 24 в закрытом состоянии.

Цельное молоко из приемного блока молочной кухни подается в рабочую емкость 25 по трубопроводу, один конец которого снабжен сетчатым фильтром (например, из ткани типа "Зефир") и погружен в молоко, а второй конец трубопровода через запорный вентиль 14 соединен с первым патрубком 13. Подача молока в рабочую емкость 25 осуществляется путем увеличения давления воздуха в полости над уровнем молока в приемном блоке, который предварительно герметизируется. После того, как уровень молока в рабочей емкости 25 достигнет требуемого уровня этот момент фиксируется с помощью датчика предельного уровня молока в емкости (на чертежах не показан), запорные вентили 14 и 18 переводятся в закрытое состояние, а давление в полости приемного блока молочной кухни снижается до уровня, равного атмосферному давлению. (В предлагаемом устройстве заполнение рабочей емкости 25 цельным молоком может осуществляться и через третий патрубок 17. Но описанный выше процесс заполнения рабочей емкости 25 молоком является предпочтительным, так как в этом случае не происходит образования пены).

Затем в парогенератор 28 подается вода до уровня, который также фиксируется с помощью соответствующего датчика предельного уровня (на чертежах не показан). Для этого один из регуляторов 21 или 22 расхода воды устанавливается в положение, определяемое выбранной величиной расхода воды, после чего кран 23 открывается на время, необходимое для заполнения ванны 29 водой до требуемого уровня.

Этап подготовки устройства для производства того или иного молочного продукта заканчивается переводом запорного вентиля 16 в закрытое состояние.

Процесс производства молочных продуктов, входящих в ассортимент детской молочной кухни, обязательно включает операцию пастеризации молока, временные и температурные режимы которой зависят как от вида производимого молочного продукта, так и от конкретно используемого способа его производства.

Выход аппарата на режим пастеризации молока осуществляется путем подачи питающего напряжения на нагреватель 30 от регулятора 10 температуры. Нагрев воды в ванне 29 контролируется с помощью термопары 31, сигнал с которой подается на управляющий вход регулятора 10. В качестве регулятора 10 температуры в принципе может быть использован любой стандартный регулятор температуры, обеспечивающий точность поддержания температуры в диапазоне от 0 до 100^оС, равную 0,5^оС. Температура молока при этом контролируется с помощью термопары 34, подключенной к милливольтметру 8. Равномерность нагревания молока до нужной температуры обеспечивается мешалкой, выполненной в виде по крайне мере двух гребенок 39 и 40, закрепленных на нижнем конце оси 38 мешалки. Каждая гребенка 39 (40) содержит зубцы 41,41 (43,44), которые параллельны оси мешалки и ориентированы в направлении к крышке 32, причем длина зубцов у каждой гребенки монотонно уменьшается от периферии к оси рабочей емкости 25.

Предложенное выполнение мешалки обеспечивает без возникновения пены создание в объеме молока соосных кольцевых вихревых зон, обеспечивающих эффективный прогрев всего объема молока при сохранении осесимметричного распределения температуры по всему объему. Контроль неоднородности распределения температуры по объему молока контролируется с помощью двух термопар 33 и 34, расположенных в диаметральной плоскости на различном расстоянии от оси рабочей емкости 25. Предложенное выполнение мешалки позволяет также устанавливать рабочие спаи термопар 33 и 34 в зонах, расположенных между зубцами, иными словами, как вблизи оси мешалки, так и в периферийных областях емкости 25. Термопары 33 и 34 включены встречно, так что сигнал на их выводах 35 и 36 пропорционален разности температур в точках, расположенных на различном расстоянии от оси рабочей емкости 25.

Таким образом, процесс вывода устройства на режим пастеризации молока включает контроль температуры молока и неоднородности температуры по объему молока.

После того, как показания милливольтметра 8 будут соответствовать температуре пастеризации производимого в данном технологическом цикле молочного продукта, регулятор 10 температуры переводится в режим стабилизации той температуры, которая соответствует сигналу с выхода термопары 31. Изменяя скорость вращения мешалки, добиваются установления такого режима нагрева молока, при котором разность температур между точками, в которых расположены рабочие спаи термопар 33 и 34, была бы минимальна. На этом этап вывода устройства на режим пастеризации заканчивается.

На этапе пастеризации молока с помощью регулятора 10 температуры поддерживается неизменной температура рабочего спая термопары 31. Однако, поскольку рабочая емкость 25 и парогенератор 28 находятся в одном и том же теплоизолирующем корпусе 1, температура пароводяной смеси, заполняющей полость между стенками 26 и 27 рабочей емкости 25, также не будет изменяться во времени. Стабилизация радиального перепада температуры в рабочей емкости 25 (путем изменения скорости вращения мешалки) может осуществляться как вручную, так и автоматически. В последнем случае (фиг.1 и 2) сигнал с выводов 35 и 36 термопар 33 и 34 подается на вход порогового элемента 6. Как только разность температур между точками размещения рабочих спаев термопар 33 и 34 превысит величину порогового напряжения элемента 6, на его выходе появляется сигнал, под действием которого на выходе регулируемого источника 7 напряжения появится вольт-добавка. В результате скорость вращения электродвигателя 4 увеличится. Увеличение же скорости вращения мешалки приведет к интенсификации процесса перемешивания молока, а следовательно, к уменьшению неоднородности температуры по его объему.

Длительность выдержки молока при температуре пастеризации зависит как от величины самой температуры пастеризации, так и от того, какой конкретно продукт производится. Рабочая емкость 25 снабжена предохранительным клапаном 11, а полость рубашки рабочей емкости 25 предохранительным клапаном 12 и манометром 9. Манометр 9 служит для контроля давления пароводяной смеси в полости между стенками 26 и 27 рабочей емкости 25. В принципе сигнал с выхода манометра 9 может выполнять функцию управляющего сигнала для регулятора 10 температуры в режиме пастеризации молока при производстве кисломолочных продуктов и творога, так как давление парожидкостной смеси при температурах вблизи 90^оС однозначно связано с ее температурой. (Описанный выше вариант регулировки температуры показан на фиг.1 пунктирной линией).

После пастеризации молоко, находящееся в рабочей емкости 25, охлаждается либо до температуры разлива (при производстве питьевого молока), либо до температуры внесения закваски (при производстве кисломолочных продуктов и творога). Охлаждение молока, прошедшего тепловую обработку, осуществляют в следующей последовательности. Нагреватель 30 обесточивается, запорный вентиль 16 переводится в открытое положение, в результате чего полость между стенками 26 и 27 рабочей емкости 25 становится связанной с атмосферой (на фиг.1 и 3 выход пара условно показан пунктирной стрелкой). В результате давление пара, находящегося в указанной полости, снижается до атмосферного. Затем регулятор 21 расхода холодной воды устанавливается в требуемое положение, после чего кран 23 переводится в открытое состояние. Холодная вода поступает сначала в полость ванны 29, а затем через отверстие, выполненное в донной части внешней стенки 27 рабочей емкости 25, в полость между стенками 26 и 27, а далее через второй патрубок 15 и запорный вентиль 16 в систему слива (как показано сплошной стрелкой на фиг.1 и 3). Интенсификация охлаждения молока, прошедшего тепловую обработку, осуществляется за счет его перемешивания с помощью мешалки. Охлажденное молоко, предназначенное для питья, подается к дозирующему устройству. Для этого вентиль 24 и запорный вентиль 14 переводятся в открытое положение. Сжатый, очищенный воздух из источника 2 через третий патрубок 17 поступает в рабочую емкость 25 и молоко, прошедшее тепловую обработку, под действием избыточного давления подается через первый патрубок 13 и запорный вентиль 14 к дозировочному устройству (на чертежах не показано).

При производстве же кисломолочных продуктов и творога молоко, прошедшее тепловую обработку, охлаждается до температуры введения закваски. В этом случае прокачка холодной воды через парогенератор 28 и пространство между стенками 26 и 27 рабочей емкости 25 прекращается, когда температура рабочего спая термопары 34 будет равна температуре введения закваски в молоко. После перевода крана 23 подачи воды в парогенератор 28 в закрытое состояние на нагреватель 30 подается питающее напряжение от регулятора 10, который предварительно настраивается на поддержание температуры воды в полости ванны 29 и в пространстве между стенками 26 и 27, равной температуре внесения закваски. По достижению молоком температуры, соответствующей температуре внесения закваски, она вводится в молоко через загрузочное приспособление 3. После внесения закваски содержимое рабочей емкости 25 тщательно перемешивается в течение 10-15 мин. Затем с помощью регулятора 10 температуры молоко нагревается до температуры сквашивания. Температура и продолжительность сквашивания зависят от вида бактериальных культур, используемых при выработке продукта. Поддержание в системе температуры, равной температуре сквашивания, осуществляется с помощью регулятора 10 температуры в течение всего установленного для данного технологического процесса времени, например 12 ч для кефира. По окончании сквашивания, когда продукт будет иметь нужную кислотность и плотность (экспериментально установлено, что длительность сквашивания при строго заданной температуре с достаточно высокой достоверностью однозначно связана с кислотностью и плотностью сгустка кисломолочного продукта), содержимое рабочей емкости 25 охлаждают. Затем с помощью мешалки осуществляется разбиение сгустка и тщательное перемешивание содержимого емкости 25 до получения однородной консистенции. Подача готового кисломолочного продукта к дозировочному устройству осуществляется точно так же, как и при подаче к нему пастеризованного молока. Подача творожного сгустка на устройство уплотнения творога осуществляется с помощью источника 2 сжатого, очищенного воздуха.

Мойка и стерилизация рабочей емкости 25 осуществляются в следующем порядке. Через третий патрубок 17 в рабочую емкость 25 подается горячая вода. (В случае необходимости требуемая температура воды может быть достигнута с помощью парогенератора 28). Далее через загрузочное приспособление в рабочую емкость 25 вводится требуемое количество моюще-дезинфецирующего порошка. Включается мешалка и производится перемешивание моющего раствора с одновременной замочкой всех элементов, расположенных в емкости, в течение 10-15 мин.

После этого мешалка отключается, снимается крышка 32 и производится (вручную) промывка наиболее загрязненных мест, а также очистка стенки 26 от возможного пригара. Слив моющего раствора и воды при ополаскивании емкости 25 осуществляется путем перевода крана 19 в открытое состояние. Стерилизация рабочей емкости 25 осуществляется после установки герметичной крышки 32 путем заполнения полости емкости 25 водопроводной водой, которая доводится до температуры кипения с помощью парогенератора 28. После окончания стерилизации осуществляется слив воды точно так же, как и моющего раствора через кран 19.

В предложенном устройстве предусмотрена также возможность не только сушки стенок рабочей емкости 25 путем прокачки через нее горячего, очищенного, сжатого воздуха от источника 2, но и дополнительная стерилизация полости рабочей емкости 25 озонированным воздухом от того же источника.

Использование: изобретение относится к оборудованию для молочной промышленности и может быть использовано преимущественно на предприятиях, производящих молочные продукты для детского питания. Аппарат для производства молочных продуктов включает расположенные в теплоизолированном корпусе парогенератор и рабочую емкость с двойными стенками и герметичной крышкой. Полость парогенератора связана с пространством между стенками рабочей емкости через отверстие, выполненное во внешней стенке емкости. На крышке рабочей емкости закреплены мешалка, загрузочное приспособление и средства для измерения температуры. Устройство содержит также средство для измерения давления в пространстве между стенками емкости, а мешалка установлена соосно рабочей емкости и выполнена в виде по крайней мере двух закрепленных на ее оси гребенок, зубцы которых параллельны оси мешалки и ориентированы в направлении к крышке рабочей емкости, причем длина зубцов у каждой гребенки монотонно уменьшается от периферии к оси мешалки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. АППАРАТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ, содержащий емкость с рубашкой и крышкой, размещенную в теплоизолированном корпусе, имеющем в нижней части трубчатый электронагреватель, привод с мешалкой, установленный в емкости, патрубок подачи и отвода продукта и средства контроля, отличающийся тем, что мешалка размещена соосно с емкостью и выполнена в виде двух гребенок с зубцами, закрепленных на нижнем участке оси, патрубок подачи продукта совмещен с патрубком отвода и размещен в донной части емкости, при этом в верхней части емкости имеется патрубок для подвода сжатого очищенного воздуха, а крышка выполнена с возможностью герметизации емкости. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен источником сжатого очищенного воздуха, имеющего средства для нагрева воздуха. 3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что зубцы гребенки выполнены разновеликими. 4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что привод дополнительно содержит магниты с полюсными наконечниками, число которых равно числу гребенок мешалки, редуктор выполнен в виде двух шестерен, одна из которых закреплена на валу электродвигателя, а другая с возможностью вращения на внешней поверхности теплоизолированного корпуса, причем магниты закреплены на другой шестерне так, что оси намагничивания их параллельны оси емкости, а угловое расстояние между магнитами равно угловому расстоянию между гребенками мешалки, при этом в толще зубца каждой гребенки, расположенном вблизи внутренней стенки, размещена вставка из магнитомягкого материала.