Master: Managementul Calitatii si Inovatiei in domeniul Agroalimentar
TEHNOLOGIA OBŢINERII LAPTELUI CONCENTRAT Masini si utilaje in industria agroalimentara
Coordonator: Prof.univ.dr.ing. Dan PASAT Masterand: Mirica Roxana
An I 2013 Etapele tehnologic de obţinere a laptelui concentrat.
Recepţia cantitativă şi calitativă a materiei prime
Curăţirea de impurităţi mecanice
Normalizarea după % de protein şi grăsime
Tratamentul termic la 100-120°C timp de câteva sec.
Concentrarea SUT (45-75°C)
Normalizarea finală
Răcirea şi cristalizarea lactozei
Ambalarea
Sterilizarea recipientelor
Schema tehnologicǎ de fabricare a laptelui concentrat Lapte refuzat
Recepţie
Filtrare Excedent
Impurităţi solide
Centrifugare
Răcire
T=4-6oC
Normalizare
Pasteurizare T=85-88
o
C
Preincalzire
Concentrare
SU=44-46% Ambalare
Răcire
Livrare o
T=15 C Stocare T<15
o
C
Livrare
Din categoria de produse lactate concentrate fac parte: - lapte concentat fără zahăr; - lapte concentrate cu zahăr; - lapte concentat fără zahăr şi aromatizator; - lapte bloc; - lapte concentat caramelizat; - lapte concentrate fermentat.
Tratamentul termic preliminar are scopul de a reduce microorganismele din lapte, scăderea tendinţei de separare a grăsimii (mai ales dacă nu se face omogenizarea, aşa cum este cazul laptelui concentrat cu zahăr), inactivarea enzimelor, stabilizarea laptelui pentru sterilizare. Acesta se realizează în schimbătoare cu plăci la 93 – 1000°C timp de 25 – 10 min sau la 115 – 1280°C timp de 6 – 1 min, pentru laptele concentrat fără zahăr şi 110 – 1200°C câteva secunde, pentru laptele concentrat cu zahăr. Concentrarea laptelui se realizează cel mai bine în concentratoare cu plăci sau concentratoare tubulare dacă se utilizează în sisteme de concentrare cu efect multiplu pentru a scădea consumul de abur/apă evaporată (la un concentrator simplu consumul de abur este de circa 1,2 kg abur/kg apă evaporată). Temperatura minimă de concentrare trebuie să fie mai mare de 450°C, diferenţa de temperatură între două corpuri de evaporare fiind de 5 – 7,50°C. Pentru o temperatură de fierbere de circa 700°C şi , presiunea absolută din sistem trebuie să fie de circa 230 mmHg. Omogenizarea se efectuează numai pentru laptele concentrat fără zahăr şi are rolul de a îmbunătăţi stabilitatea emulsiei de grăsime din lapte prin micşorarea diametrului globulelor de grăsime de la 3 – 5 μm la mai puţin de 2 μm. Efectul omogenizării laptelui mai constă şi în creşterea vâscozităţii laptelui, creşterea tensiunii de interfaţă, scăderea capacităţii de coagulare, modificarea punctului de coagulare şi a presiunii osmotice, scăderea capacităţii de oxidare a grăsimii, îmbunătăţirea digestibilităţii grăsimii. Omogenizarea laptelui se face în două trepte de presiune: 15 – 25 Mpa şi 5 – 10 Mpa, la o temperatură a laptelui de circa 650°C.
Concentrator cu plăci Principiul de construcţie şi funcţionare al schimbătoarelor de căldură cu plăci este folosit pentru vaporizare. Instalaţia este formată dintr-un schimbător de căldură cu plăci şi un separator de lichid, vapori. Transferul de căldură este intens şi se formează un fluid bifazic (amestec de lichid şi vapori) care trece în separator (funcţionează sub vid), unde are loc o detentă ce determină separarea celor două faze.
Fig 1. Plăcile sunt de construcţie clasică, dar sunt prevăzute cu spaţiu destinat circulaţiei fluidului bifazic. Agentul termic poate fi aburul sau apa caldă (funcţionarea este mai uniformă). Concentratorul cu plăci se caracterizează prin timp de condensare redus, construcţie simplă şi întreţinere uşoară. Caracteristici de bază: • •
Temperatură minimă -10 °C Temperatură maximă +150 °C
•
Presiune maximă de lucru 16 bar
•
Recirculare apă / soluţie glicol de până la 50%
•
Dimensiune racord DN 25...125 (filetat sau cu flanşă) Plăcile metalice de schimbător gravate sunt echipate cu garnituri special confecţionate şi
care sunt inserate între cele două plăci de capăt (ale batiului), dintre care una este fixă şi cealaltă este mobilă. Este ideal ca toate racordurile către modulele termice să se facă pe placa
de capăt fixă, dar racordurile pot fi amplasate şi pe placa de capăt mobilă în cazul când schimbătoarele de căldură au mai mult de o trecere. Schimbătoarele de căldură cu plăci şi garnituri sunt proiectate cu flexibilitate mare pentru procese diferite prin combinarea plăcilor cu profil diferit. Fluidele traversează pachetul de plăci circulând prin canalele formate de fiecare pereche de plăci adiacente, transferând căldura prin fiecare placă care separă cele două fluide. Performanţele privind transferul termic şi căderea de presiune sunt determinate de profilul suprafeţei plăcilor. Optimizarea între intensificarea transferului de căldură şi micşorarea pierderilor de presiune este obţinută prin combinarea optimă dintre plăcile cu profil diferit. Concentratoare verticale cu tub interior de circulaţie Tipul clasic de concentratoare cu tub central de circulaţie a fost îmbunătăţit rezultând variante perfecţionate în care suspendarea sistemului de încălzire asigură o mai bună repartizare a aburului printre ţevile fierbătoare şi o mai bună circulaţie a lichidului (spaţiul inelar periferic între fasciculul de ţevi şi mantaua concentratorului înlocuieşte tubul central de circulaţie).
Fig.2. Concentrator vertical V.V: 1 - ţevi fierbătoare; 2 - ţeavă centrală; 3 - spaţiu de vapori; 4- separator de picături
Fig. 3.Concentrator cu încălzitor suspendat: 1-ţevi fierbătoare suspendate; 2 - spaţiu de vapori; 3-conducta recuperare lichid
Date constructive particularităţile funcţionale pentru concentratoare cu tub central de circulaţie Diametrul țevilor fierbatoare
30 – 80 mm
Diametrul tubului central
200 – 800 mm
Raportul
aria sectiunii tubului central/aria sectiunii totale a tevilor
Fierbatoare
0,75 – 2,5 m
Lungimea țevilor
0,75 – 2,5 m
Coeficientul total de transfer termic
600 – 1500 w/ m2k
Tabelul 1. Suprafaţa liberă de degajare a vaporiior este mică; tendinţa de spumare. Durata de contact mare între produs şi suprafaţa de transfer de căldură
Standardizarea finală a laptelui presupune stabilirea exactă a raportului de grăsime / substanţă uscată negrasă, efectuându-se prin adăugare de apă, lapte degresat, lapte degresat concentrat, smântână omogenizată. Acum se adaugă şi săruri de stabilizare (carbonaţi şi bicarbonaţi), acid citric, fosfaţi, efectul de stabilizare a sărurilor depinzând de pH-ul laptelui. Ambalarea laptelui concentrat, cu şi fără zahăr, se efectuează, în general, în cutii metalice de 400 ml până la câţiva litri, umplerea făcându-se la temperaturi scăzute pentru a evita spumarea. Sterilizarea cutiilor, după închiderea etanşă, se realizează numai pentru laptele concentrat fără zahăr la 100 – 1200°C timp de 20 – 15 min. Se poate utiliza şi sterilizarea în vrac UHT la 1300C timp de 3 sec, urmată de ambalarea aseptică. Adăugarea de zahăr se efectuează în cazul laptelui concentrat cu zahăr, conservabilitatea fiind asigurată fără a se mai face sterilizarea, cantitatea de zahăr adăugată trebuind să asigure o concentraţie a acestuia de circa 62,5 – 64,5%. Adaosul de zahăr se realizează după concetrarea laptelui pentru a nu conduce la consecinţe negative în calităţile laptelui concentrat. Răcirea laptelui cu adaos de zahăr se face în scopul cristalizării lactozei. Pentru cristalizare, în laptele răcit la 30 – 320°C se inoculează lactoză sub formă de soluţie din cristale pudră prin agitare, după care% continuă astfel încât să se asigure o concentraţie de 0,5 laptele se răceşte în continuare la 100°C. Cristalizarea lactozei se efectuează în cristalizatoare răcite în manta, prevăzute cu palete de răzuire. Concentraţia laptelui se realizează în două scopuri: -
asigurarea conservabilităţii laptelui prin eliminarea unei cantităţi de apă, astfel încât acesta să ajungă la un conţinut de substanţă uscată de circa 65%;
-
economisirea de energie atunci când laptele concentrat este uscat (deshitratat), concomitent cu creşterea eficienţei instalaţiilor de uscare.
Prin concentrarea laptelui se utilizează instalaţii de concentrare prevăzute cu evaporatoare cu plăci, evaporatoare multitubulare cu film descendent sau evaporatoare cu rotor.
Evaporatoarele multitubulare sunt asemănătoare cu schimbătoarele de căldură cu ţevi. Alimentarea cu lichid preîncălzit se realizează pe la partea superioară cu ajutorul unei pompe, lichidul de concentrat scurgîndu-se într-un film subţire pe suprafaţa interioară a ţevilor
aparatului (cu 40 – 60 mm şi lungimea de 3 – 6 m) împreună cu vaporii degajaţi din produs. De aici, amestecul de lichid concentrat şi vapori de apă intră tangenţial într-un separator de vapori. Materia primă - laptele folosit la fabricarea laptelui concentrat cu zahăr, cît şi la toate celelalte produse concentrate, trebuie să corespundă condiţiilor generale impuse la recepţie, precum şi unor condiţii legate de starea igienică şi de stabilitatea sistemului coloidal .
a
Fig. 4. Concentratoare cu film descendent a – concentrator cu film descendent realizat prin curgere liberă: 1 – ţevi fierbătoare; 2- şicane; 3 – separator lichid – vapori; 4 – racord evacuare vapori secundari; b,c – concentratoare moderne utilizate în industria zahărului; d – sistem de formare a peliculei
Fig. 6.
Concentratoare cu film descendent realizat prin curgere liberă Particularităţile constructive şi funcţionale pentru concentratoare cu film descendent realizat prin curgere liberă sunt: Diametrul țevilor
maximum 100 mm
Lungimea țevilor
3000 – 7000 mm
Grosimea peliculei
2 – 3 mm
Coeficientul total de transfer termic
1000 – 2500 W/m2K
Viteza de scurgere
0,08 – 0,1 m/s
Alimentarea soluției
la partea superioară
Separatorul lichid – vapori
montat pe partea inferioara
Tabelul 2. Concentratoare cu film descendent realizat prin dispozitive mecanice Se utilizează special pentru concentrarea soluţiilor cu vâscozitate
la debite de
vaporizat mici. Un exemplu este este concentratorul Luwa (fig. 6.) la care acoperirea
a
suprafeţei cu film de lichid se face cu ajutorul unor raclete totative (230 - 500 rot / min).
Caracteristici tehnice
Tip-3 Tip-4 Tip-5
Apa vaporizată
250
500
1000
Lungime
4500
5200
6800
Inălţime
700
800
1000
Laţime
3700
4300
5000
Fig.7.
Tabelul 3.
Laptele concentrat Este laptele din care s-a îndepartat o anumită cantitate de apă, prin evaporare în coloane de concentrare. De regulă, laptele concentrat este dulce. Laptele deshitratat este laptele din care s-a evaporat toată apa, prin procese complexe de evaporare. Laptele concentrat se obţine prin eliminarea a ⅔ din apa pe care o conţine. Între laptele pasteurizat şi cel crud nu există diferenţe în ceea ce priveşte principiile active. În schimb, laptele crud, dacă este fiert în mod obişnuit (adică pînă dă în clocot), este sărăcit de aproape
toate vitaminele. Laptele concentrat poate fi de mai multe categorii: fără zahăr, cu zahăr, fără zahăr dar aromatizat, caramelizat, fermentat. Lapte concentrat fără zahăr şi aromatizat care se prepară după schema1. numai că la standartizarea finală, se adaugă extract de cafea, cacao sau alt aromatizat. Lapte „bloc”se fabrică din lapte concentrat cu 50% SU la care se adaugă zahăr şi se continuă concentrarea sub vid. Produsul după ambalare – răcire capătă structură de „bloc” şi conţine 12% grăsime, 15% proteină, 20% lactoză, 40% zaharoză, 10% apă şi 3% cenuşă. Lapte concentrat caramelizat care poate fi obţinut şi sub formă de pastă, pulbere, tablete. Se obţine din lapte concentrat cu adaos de zahăr care se supune caramelizării. Corectarea acidităţii se face cu NaHCO3 pînă la 5,6 – 6,3. Pentru reducerea conţinutului de lactoză o parte din lapte este înlocuit cu cazeinat de sodiu. Amestecul iniţial este format din 40,6% lapte cu 3% grăsime, 1,3% cazeinat de sodiu, 5,4% lactoză, 13,5% zaharoză, 1,2% grăsime din smântână sau unt, 38% apă.
Lapte concentrat caramelizat
Lapte
Recepţie cantitativă-calitativă
Prima standartizare (normalizare)
Clarificare (curăţire)
Răcire la 4°C şi depozitare la
4°C 110-120°C ⁄cîteva secunde
pentru lapte concentrat cu zahăr Tratament termic 115-128°C ⁄1-6 min pentru lapte concentrat fără zahăr
Concentrare la temperatura de 45-75°C
Omogenizare
Adaus de zahăr
P1 =15-20 Mpa (150-200 at)
62,5%
P2 =5-10 Mpa (50-100 at) Standartizare finală Standartizare finală
(normalizare)
(normalizare) Sterilizare în vrac Ambalare
în sistem UTH la 140°C ⁄3sec
Răcire şi cristalizare lactoza *Etapa I-a 30-32°C
Sterilizare recipienţi
*Etapa II-a 10°C
100-120°C ⁄15-20 min.,
Ambalare
şi răcire
aseptică
Ambalare
Depozitare la 10°C Lapte concentrat fără zahăr
Depozitare
a
Lapte concentrat cu zahăr
Schema 1. Schema tehnologică de obţinere a laptelui concentrat. a-lapte concentrat cu sau fără zahăr din lapte normal
Lapte praf degresat cu indice WPN≥6.0
Apa
Zahăr
Amestecare
Grăsime Amestecare recircularea
din lapte
Trecere (anhidra) prin moara coloidală Trecere prin moara coloidală
Încalzirea
Depozitare la65°C
intemediară la 50°C
re ci rc ul ar e
re ci rc ul ar e
Depozitare intermediară la 30°C
Amestecare intimă
Pasteurizare ”flash
Însămînţare cu lactoză
Răcire
b Depozitare şi ambalare în
Lapte concentrat cu zahăr recombinat
condiţii aseptice
b-lapte concentrat cu zahăr prin procedeul recombinării.
Lapte praf degresat
Apa
Vas de amestecare (lapte cu 25-27% SU)
Încălzire la 45-55°C Grăsime din lapte Trecere prin moara
Dezaerare
coloidală Omogenizare
Răcire
Pasteurizare
Depozitare înainte de ambalare
Răcire şi depozitare c
Lapte concentrate fără zahăr obţinut prin recombinare
Ambalare şi sterilizare
c-lapte concentrat fără zahăr prin procedeul recombinării
Din această categorie de produse se fabrică: lapte concentrat fără zahăr, lapte concentrat cu zahăr, lapte concentrat fără zahăr şi aromatizat, lapte ”bloc”, lapte concentrat caramelizat, lapte concentrat fermentat. Schema tehnologică clasică de fabricare a primelor două sortimente este reprezentată în figura 1.a, în fig.1.b,c se reprezintă schemele tehnologice de fabricare a laptelui cu zahăr şi fără zahăr prin aşa-zisa metodă a recombinării. In industria laptelui se folosesc instalaţii de concentrare cu mai multe efecte, printre care amintim: Anhidro (F,, FM, F,,,, F,v şi Fv); Alfa - Laval; Ahrenss - Boden; Wiegand; Paasch Silkeborg; cu film expandat; EVAPAC. Foarte mult utilizată este instalaţia Anhidro tip Fu, cu trei trepte de concentrare şi termocompresie, care este compusă din: •
evaporatoare;
•
separatoare lichid/ vapori;
•
condensator;
•
serpentine de încălzire ;
•
pasteurizator multitubular;
•
ejectoare;
•
pompă dc vid cu inel de lichid ;
•
pompă pentru apă de răcire.
Fig.8. - Instalaţie de concentrare Anhidro. 1-pompă de alimentare; 2a,2b,2c-pompe pentru concentrat; 3a,3b,3c-serpentine de preîncălzire; 4-pasteurizator multitubular; 5-preîncălzitor; 6a, 6b, 6c-evaporatoare; 7a, 7b, 7c-separatoare de lichid-vapori; 8-condensator de amestec; 9a, 9b-ejectoare; 1 Oa, 1 Obpompe pentru condensat; 11 -pompă de vid. Caracteristicile tehnice ale instalaţiei Anhidro
Caracteristica Capacitate de prelucrarc, kg/h
Lapte degresat
Lapte standardizat
5000
4720
45
48
• treapta I
40
40
• treapta II
50
50
• treapta III
60
60
• treapta IV
93
93
Temperatura dc pasteurizare, °C
93
93
• efect I
75 - 80
75-80
• efect II
65-70
65-70
• efect III
45 - 50
45-50
Conţinut final dc substanţă uscată, % Temperatura de preîncălzire, °C
Temperatura de fierbere, °C
Consum de abur primar de 0,5 MPa (viu), kg/h
1220
1165
Consum de apă răcită, m3/h
50
46
Putere instalată, KW
19
19
Tabelul 4. Instalaţiilor de evaporare cu efect multiplu constă în faptul ca fiecare efect al instalaţiei funcţionează la temperatură diferită (şi deci şi presiune diferită) aceasta fiind din ce în ce mai mică de la primul efect spre ultimul efect al instalaţiei.
Instalatia conţine un numar de evaporatoare care trebuie sa fie egal cu numarul de efecte al instalaţiei, fiecare efect fiind realizat in minimum un aparat.
Fig.9. Parametrii principali ai timpului de instalaţie descris prezintă următoarele valori: capacitatea, în kg apă evapoarată pe oră consum de abur pentru 1 kg apă evaporată, în
2 500 – 10 000 0,3⁄3 at
kg necesar energie electrică, în kW
4-6
gabarit în mm: lungimea
7 500 – 9 500
lăţimea înălţimea
4 700 – 6 500 4 700 – 6 000
Tabelul 5. Pentru ai utiliza variaţia instalaţiei de evaporare cu efect multipu este cea cu circulatia lichidului in paralel cu vaporii. Aceasta varianta este caracterizata prin faptul ca aburul primar cedeaza caldura de condensare in efectul in care este adusă soluţia initială şi în care in acelaşi timp se formează abur secundar rezultat din evaporarea apei si soluţia partial concentrată. Soluţia parţial concentrată şi aburul secundar trec in efectul doi unde se repeta fenomenele din efectul prim, adica aburul secundar cedeaza caldură de condensare evaporind noua cantitate de apă din soluţia partial concentrată. In ultimul efect solutia ajunge la concentratia finală şi este evacuata la aceasta concentrare, iar aburul secundar format este aspirat la condensator.
CONCLUZII Produsele lactate concentrate au o importanță economică deosebita deoarece au o valoare energetică ridicată, capacitaţi bune de păstrare şi reprezintă o modalitate foarte buna de a conserva laptele. De asemenea în urma conservării şi în dependenţă de tehnologia de conservare obţinem produse cu gust și aroma foarte bună ceia ce solicită o mai mare cerere de lapte concentrat pe piaţă, totodată va crește și cererea laptelui ca materie primă. Totodată laptele concentrat reprezinta o bogată sursă de proteina uneori fiind administrată în cure de tratare a persoanelor cu hipodeficiență proteică .
BIBLIOGRAFIE 1.
http://www.scribd.com/doc/123993035/Tehnologia-de-Fabricare-aProduselor-Lactate-Concentrate
2.
http://lapte1.blogspot.ro/p/fazele-tehnologice-de-obtinere-laptelui.html
3.
http://www.perryprocess.co.uk/perry/process.nsf/productger/RG7334ALFA-LAVAL-207-WSPX-CONCENTRATOR-RECONDITIONED
4.
http://www.perryvidex.com/perry/machinery.nsf/productpages/RG6730ALFA-LAVAL-303-WSPXTGP-71-CONCENTRATOR-MODULE
5. http://facultate.regielive.ro/proiecte/industria-alimentara/controlul-decalitate-pe-flux-tehnologic-al-laptelui-praf-174390.html?s=flux tehnolog laptel concent 6.
http://facultate.regielive.ro/licente/industria-alimentara/instalatie-deconcentrare-prin-vaporizare-240423.html?s=instalat%20concentr%20prin %20vaporiz
7.
http://facultate.regielive.ro/download-105443.html
8.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8844253
