Homogenizatory: Proces homogenizacji w zakładach przetwórstwa mleka

Powszechnie wiadomo że bazowym surowcem w zakładach mleczarskich jest mleko. W wyniku przyjętej technologii i szeregu czynności procesowych powstają sery, mleczne napoje fermentowane, masło itp. To cenny, naturalnie pozyskiwany surowiec, którego skład podlegał i zresztą wciąż podlega licznym badaniom prowadzonym przez rzesze uczonych. Najczęściej analizowano i opisywano mleko pod kątem wpływu na organizm i fizjologię człowieka lub możliwości przerobowych jakie ze sobą niesie. Jednak, jeśli odsunąć na bok potencjał produkcyjny mleka i skupić się na jego technicznych właściwościach to nabiera ono zupełnie innych cech. Okazuje się, że poznanie ich było równie istotne z punktu widzenia techniki produkcji, jak i prawidłowego żywienia dorosłych i dzieci. Czym zatem jest mleko? Jest to nic innego jak emulsja. Emulsją nazywamy układ dwóch niemieszających się ze sobą cieczy. Z punktu widzenia termodynamiki jest to układ nietrwały, dążący do rozdzielenia się. Jedna z cieczy tworzących układ jest fazą rozpraszającą (czyli rozpuszczalnikiem) a druga substancją rozpraszaną. W przypadku mleka substancją rozpraszaną jest tłuszcz.

Proces homogenizacji jest popularnym sposobem na redukcję wymiarów cząsteczek w płynnych i półpłynnych produktach żywnościowych. Homogenizacja powoduje tym samym zwiększenie liczby tych cząsteczek. Rozdrobnione cząsteczki stanowią tzw. fazę rozproszoną, inaczej zwaną fazą zdyspergowaną. Cały proces zachodzi w wyniku oddziaływania sił ścinających. Efektem działania tych sił jest silne zwiększenie stabilności układu dyspersyjnego, złożonego z dwóch niemieszających się ze sobą substancji. Homogenizacja ma na celu rozdrobnienie większych kuleczek tłuszczu do średnicy poniżej 2 µm tak, aby za pomocą tej metody wyeliminować zjawisko gromadzenia się śmietanki – podstoju tłuszczu w mleku. Sam proces homogenizacji przeprowadza się w temperaturze 70-75°C.

Zasadniczo wyróżnia się cztery typy homogenizatorów. Pierwszym z nich są mieszadła o wysokich prędkościach – miksery – które są wyposażone w turbinki wysokoobrotowe lub też mieszadła typu śmigłowego, tego typu urządzenia są stosowane do emulgacji wstępnej płynów o małej lepkości.

Drugim typem są homogenizatory ciśnieniowe, w których to pompy tłokowe przeciskają płynne produkty pod wysokim ciśnieniem (z przedziału od około 10 do około 70 MPa) przez wąską, wykalibrowaną szczelinę o szerokości około 0,3 mm, z dużą prędkością, nawet do kilku tysięcy metrów na sekundę. W przypadku stosowania tego typu urządzeń do mleka, umożliwiają one redukcję rozmiarów kuleczek tłuszczu poniżej 1 µm.

Kolejny, trzeci typ to młynki koloidalne. Są to w zasadzie młynki tarczowe, o różnej konstrukcji, w których mała szczelina wielkości rzędu od 0,05 do 1,3 mm między pionową tarczą (która wykonuje od trzech tysięcy do piętnastu tysięcy obrotów na minutę) a podobnie usytuowaną nieruchomą tarczą – bądź też pomiędzy dwoma tarczami obracającymi się w przeciwnych kierunkach, powodują powstawanie dużych sił ścinających. Młynki te są szczególnie przydatne do przeprowadzania homogenizacji płynów o wysokiej lepkości.

Czwartym typem są homogenizatory ultrasoniczne (ultradźwiękowe), w których wytwarzane są przez drgającą płytkę fale mechaniczne o wysokiej częstotliwości sięgającej od 18 do 30 kHz. Fale te powodują cykliczne naprężenia oraz kawitację cieczy o stosunkowo małej lepkości. Prowadzi to do powstawania emulsji, o wielkości kropel od około jednego do dwóch mikrometrów. Tego typu homogenizatory są stosowane do produkcji lodów spożywczych, emulsji olejowych, sosów albo do dyspergowania proszków w płynie.

Zasadniczo w procesie homogenizacji otrzymuje się jednolitą, trwałą mieszaninę substancji niemieszających się ze sobą w normalnych warunkach, z których jedna stanowi fazę rozproszoną a druga fazę ciągłą. Zasadniczo stabilność struktury układu poddawanego procesowi homogenizacji ulega zwiększeniu, a sam efekt tegoż procesu przedstawia się najczęściej jako wypadkową oddziaływania wysokości szczeliny w zaworze homogenizującym, zastosowanego ciśnienia homogenizacji czy też temperatury ośrodka homogenizowanego.

Podczas przepływu cieczy i zmian przekroju, wynikłych z konstrukcji urządzenia, gwałtownie zmienia się prędkość przepływu cieczy i jej ciśnienie statyczne. Wynikiem tego jest deformacja oraz całkowity rozpad kuleczek tłuszczu. W takich zmiennych warunkach przepływu pojawiają się kawitacja i rozdrabnianie kuleczek tłuszczu. Najistotniejszym parametrem mającym wpływ na skuteczność procesu homogenizacji jest ciśnienie, a jego wzrost korzystnie wpływa na efekt homogenizacji. Pociąga jednak za sobą konieczność zwiększenia gabarytów samego urządzenia, dobór odpowiednich materiałów o dużej wytrzymałości, solidnych uszczelnień wpływając ogólnie jako podstawowy parametr na wymiary całego urządzenia. Warunkuje to także zużycie energii i rzutuje na wytrzymałość eksploatacyjną urządzenia. Należy także pamiętać, że wraz ze zwiększaniem zadanej wartości ciśnienia, rozdrobnienie cząstek zdyspergowanych jest coraz większe, ale tylko do pewnego momentu. Wynika to z tego, że temperatura także ma znaczenie jako podstawowy parametr (obok ciśnienia właśnie) decydujący o przebiegu i efekcie homogenizacji. Temperatura wpływa chociażby na stopień rozproszenia kuleczek tłuszczu, na skłonność do tworzenia się gronek już po procesie homogenizacji, na zabarwienie mleka czy też stabilizację białka. Według danych literaturowych, temperatura mleka podawanego na homogenizator powinna mieścić się w przedziale od około 45°C do 65°C. Nie bez znaczenia jest również zawartość tłuszczu; wzrost jego stężenia powoduje zmniejszenie efektu homogenizacji. Z technicznego punktu widzenia istnieje również zależność pomiędzy długością szczeliny homogenizującej a wartością ciśnienia homogenizacji, które zapewnia osiągnięcie oczekiwanego efektu prowadzonego procesu – przy uwzględnieniu stężenia fazy tłuszczowej w produkcie.

Należy również brać pod uwagę konieczność wybrania metod oceny procesu homogenizacji tak, aby móc w pełni rzetelnie i racjonalnie ocenić jej efekt. Do podstawowych wskaźników określających skuteczność homogenizacji należy między innymi średnia średnica kuleczek tłuszczu ośrodka dyspergowanego, która pozostaje w ścisłej korelacji z ciśnieniem homogenizacji. Zasadniczo do oceny efektu prowadzonych działań analizuje się stosunek procentowy rozdrobnionych kuleczek o określonym wymiarze, do ogólnej ilości cząsteczek fazy dyspersyjnej. Do podstawowych sposobów oceny efektu homogenizacji stosowane są dwie metody: mikroskopowa i podstojowa.

Pierwsza z nich – mikroskopowa – jest metodą polegającą na przeprowadzeniu pomiarów rozmiarów kuleczek tłuszczu poprzez naniesienie próbki płynu na płytkę podstawową pod obiektyw mikroskopu i stwierdzenie rozmiarów kuleczek z wykorzystaniem mikromierza. W poszczególnych polach widzenia na płytce obliczana jest ogólna liczba kuleczek tłuszczu, a także liczba kuleczek, których średnica przekracza dwa mikrometry. Następnie obliczany jest wynik w taki sposób, że od całkowitej liczby kuleczek tłuszczu odejmowany jest procentowy udział kuleczek tłuszczu o średnicy większej niż dwa mikrometry.

Druga metoda – podstojowa – to metoda, która opiera się na skłonności mleka do rozwarstwiania się fazy tłuszczowej z fazą wodną, co jest zjawiskiem niepożądanym w produkcji na skalę przemysłową i obniżającym jakość produktu. Ocenę przeprowadza się na takiej zasadzie, że do cylindra Hennela przenosi się próbki 250 ml mleka i całość przechowuje się w lodówce w temperaturze około 5-10°C przez dwie bądź trzy doby. Okres przechowywania zależy od przyjętej normy, odpowiednio amerykańskiej bądź duńskiej. Po upływie tego czasu następuje określenie zawartości tłuszczu w dolnej i w górnej części próbki, która znajduje się na poziomie 50 cm3 od dolnej i górnej powierzchni cylindra. Zgodnie z tą metodą proces homogenizacji uznaje się za prawidłowy, gdy obliczona skuteczność homogenizacji (wyrażona jako stosunek zawartości tłuszczu w górnej części cylindra do zawartości tłuszczu w dolnej części cylindra) jest większa bądź równa 90%.

Proces homogenizacji ma szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym w przetwórstwie mleka, produktów mlecznych, soków, odżywek dziecięcych i odznacza się takimi zaletami jak zwiększenie ujednorodnienia struktury układu, podwyższenie stabilności emulsji, dzięki czemu nie zachodzą procesy, które mogłyby pogorszyć jakość wyrobu finalnego, takie jak gorzknienie mleka, gdy źle zostaną dobrane parametry ciśnieniowe procesu. Jakość emulsji ulega podwyższeniu także przy intensywnym mieszaniu. Mleko spełnia definicję emulsji, gdyż kropelki jednej cieczy zawieszone są w drugiej, przy czym są to ciecze wzajemnie się nierozpuszczające. W przypadku mleka są to kropelki tłuszczu zawieszone w roztworze wodnym soli sodu, wapnia, potasu, gdzie rolę emulgatora odgrywa kazeina.

Z fizjologicznego punktu widzenia emulsyjna postać mleka wpływa na dobrą przyswajalność tłuszczu przez organizm człowieka, a należy pamiętać również o tym, że w tłuszczach rozpuszczalne są takie witaminy jak m.in. A,D,E. Ponadto mleko odkwasza organizm, pozwalając na utrzymanie równowagi kwasowo-zasadowej. Mleko, które trafia do zakładów mleczarskich i jest przygotowywane do rozlewu do opakowań jednostkowych, w celu sprzedaży, przechodzi szereg operacji technologicznych jak: czyszczenie, normalizacja zawartości tłuszczu, homogenizacja, obróbka cieplna za pomocą pasteryzacji bądź sterylizacji, rozlewanie do opakowań, magazynowanie i dystrybucja.

Urządzenia wykorzystywane do przeprowadzania procesu homogenizacji – homogenizatory przemysłowe – w odróżnieniu od tych wykorzystywanych w laboratorium – są w stanie przeprowadzić proces na znacznie większą skalę, a zatem ich konstrukcja i gabaryty są dostosowane do potrzeb i możliwości produkcyjnych w zakładzie mleczarskim. Homogenizatory składają się z dwóch zasadniczych elementów: pompy tłokowej i zaworu homogenizującego. Pompa tłokowa jest odpowiedzialna za wytwarzanie wysokiego ciśnienia, natomiast zawór homogenizujący o odpowiedniej konstrukcji jest niezbędny do dyspergowania cząstek tłuszczu w mleku i redukcji ich wielkości. Sam proces jest procesem mechanicznym, powtarzalnym, przebiegającym w warunkach bez dostępu tlenu, dzięki czemu możliwe jest zachowanie wysokiej jakości produktu, poprzez uniknięcie niepożądanych reakcji zachodzących w produkcie. Ogólnie rzecz ujmując homogenizacja przyczynia się do zwiększenia czasu przechowywania i poprawy postaci, wyglądu, konsystencji wielu produktów. Ponadto warto dodać, że w trakcie homogenizacji ciśnieniowej mleko staje się bardziej przyswajalne, a to za sprawą silnego zemulgowania tłuszczu, a także swoistej aglomeracji cząsteczek kazeiny, która daje luźny skrzep w wyniku wytrącania się. Co więcej część kazeiny jest absorbowana na nowo powstałych powierzchniach w wyniku właśnie homogenizacji ciśnieniowej kuleczek tłuszczu, a to również jest przyczyną tworzenia się mniej zwartego skrzepu. W wyniku zmian w strukturze emulsji tłuszczowej i koloidalnej zawiesiny białkowej zwiększa się zdolność mleka do zabielania, podobnie jest ze śmietanką.

Proces homogenizacji może być przeprowadzany jako proces jedno- lub wielostopniowy (zazwyczaj dwustopniowy). Homogenizację jednostopniową prowadzi się w głowicy, która jest wyposażona w jeden zawór homogenizujący – gniazdo zaworu oraz grzybek, a także w jeden układ regulacji – nastawu – wysokości szczeliny homogenizującej. Z kolei homogenizacja wielostopniowa może być przeprowadzana z wykorzystaniem zaworu wielostopniowego. Wtedy wciąż stosuje się jeden zawór homogenizujący o specjalnej konstrukcji oraz jeden układ regulacji ciśnienia. Homogenizację wielostopniową można także prowadzić przy użyciu kilku umieszczonych szeregowo zaworów homogenizujących, które posiadają indywidualne układy regulacji ciśnienia. Sterowanie ciśnieniem może odbywać się w sposób mechaniczny lub hydrauliczny. W obu przypadkach należy ustalić odpowiednią wysokość szczeliny homogenizującej. Zmianę wysokości uzyskuje się poprzez nacisk na grzybek zaworu homogenizującego.

Dostawcami homogenizatorów do mleczarń są takie przedsiębiorstwa jak: OptiFlow, Spomasz, Hommak, Tetra Pak lub GEA Group od lat dostarczające klientom wielu rozwiązań dostosowanych do indywidualnych potrzeb produkcyjnych i wydajności w poszczególnych zakładach mleczarskich. W ofertach firm znajdują się zarówno homogenizatory przystosowane do pracy na tzw. małą jak i na dużą skalę. Praca urządzenia na małą skalę odbywa się głównie w laboratoriach. Tego typu oferty są kierowane do tych zakładów mleczarskich, które posiadają własne zaplecze laboratoryjne. Wersje kompaktowe homogenizatorów służą m.in. do badania i testowania wpływu homogenizacji na dany produkt spożywczy. Umożliwiają tym samym ocenę najlepszych parametrów tego procesu oraz łagodniejsze przejście od fazy prób laboratoryjnych do produkcji przemysłowej. Jeśli chodzi o dużą skalę to jasne jest, że dotyczy ona oczywiście homogenizatorów pracujących właśnie w przemyśle, gdzie z uwagi na wielkość produkcji w pierwszej kolejności zauważalne są zmiany w gabarytach homogenizatorów i wydajności.

Piotr Kandyba

Przedstawiciel firmy Haus

Po wygaśnięciu umowy o pracę z firmą GEA, zacząłem poszukiwać producentów komponentów i urządzeń procesowych na świecie, których nie ma na rynku polskim. Swoje poszukiwania skierowałem także na rynek turecki. Zwiedziłem kilka zakładów produkcyjnych w Turcji i znalazłem kilka interesujących firm, dobrze zorganizowanych, produkujących wysokiej jakości urządzenia w rozsądnej cenie. Jedną z nich jest firma Hommak, produkująca homogenizatory. Na rynku tureckim wygrywa z najlepszymi markami, a od kilku lat z wysoką dynamiką zwiększa sprzedaż zagraniczną. Firma jest świetnie zorganizowana, a wiem co mówię, ponieważ pracując dla Tetra Pak, APV i GEA byłem w wielu fabrykach na świecie. Podobną opinię mieli również polscy inżynierowie i klienci, wizytujący wspólnie ze mną fabrykę Hommak. Widziałem, także urządzenia, które bez zarzutu pracują przez wiele lat w zakładach mleczarskich. Zapraszamy do współpracy. W wielu przypadkach nie ma potrzeby przepłacać.

Firma Spomasz proponuje homogenizatory, których wydajność mieści się w przedziale od 300 l/h do 10 000 l/h. Do obróbki produktów mleczarskich i ich pochodnych firma proponuje zastosowanie homogenizatorów typu HM ze względu na budowę głowicy homogenizującej przystosowanej do pracy z tego typu surowcem. Homogenizatory typu HM mogą pracować samodzielnie bądź współpracować z pasteryzatorem, sterylizatorem płytowym bądź rurowym, tworząc tym samym linię pasteryzująco-homogenizującą. Zasadniczo homogenizatory są urządzeniami drogimi w eksploatacji, z powodu wysokiego zużycia energii elektrycznej oraz kosztów związanych z wymianą zużytych części wymiennych na nowe. Udoskonalanie homogenizatorów zmierza w kierunku stosowania części zamiennych bardziej odpornych mechanicznie, a także ogólnej poprawy konstrukcji głównych elementów roboczych.

Firma OptiFlow posiada w swojej ofercie homogenizatory produkowane przez firmę Bertoli z Włoch. Dostępne są homogenizatory serii Michelangelo, Rafaello oraz Leonardo. Homogenizatory wysokociśnieniowe z serii Michelangelo pozwalają osiągnąć wydajność do 3200 l/h. Maksymalna wartość ciśnienia wynosi 400 barów. Urządzenia te są przeznaczone do małych mleczarni oraz linii o małej wydajności. Dzięki pionowej konstrukcji zredukowane są gabaryty urządzenia. Pozwala to na oszczędność miejsca, które w małych zakładach jest często ograniczone. W przypadku homogenizatorów wysokociśnieniowych z serii Rafaello wydajność jest prawie siedmiokrotnie większa niż w serii poprzedniej i wynosi do 21 500 l/h. Maksymalna wartość ciśnienia wynosi 400 barów. Model ten jest stosunkowo elastyczny w kwestii wydajności i ciśnienia, dlatego cieszy się zainteresowaniem większości zakładów mleczarskich. Jeśli chodzi o serię Leonardo to jest to seria z największymi wartościami wydajności; nawet do 70 400 l/h. Idealnie sprawdza się w dużych zakładach mleczarskich. Standardowo maksymalne ciśnienie wynosi 400 barów. Dostarczane homogenizatory posiadają opatentowany system samocentrujących tłoków, który obniża koszty eksploatacji urządzenia oraz bardzo wydajny zawór homogenizujący „Margherita” pozwalający zaoszczędzić nawet do 30% energii.

Z kolei firma GEA Group proponuje homogenizatory laboratoryjne stołowe typu Table-top oraz Pilot Plant. Homogenizatory typu Table-top przeznaczone są do testowania niewielkich prób, a minimalna przepustowość wynosi 0,9 l/h. Dostępne są modele pracujące pod maksymalnym ciśnieniem wynoszącym kolejno 400, 600, 1000, 2000 barów. Seria Pilot Plant jest zaprojektowana do pracy ciągłej w instalacjach pilotowych, przy maksymalnym ciśnieniu wynoszącym 1500 barów. W przypadku homogenizatorów przemysłowych dostępne są modele z serii Ariete Series Models, z których na uwagę zasługuje model GEA Ariete Homogenizer 5400, z uwagi na największą osiągniętą zdolność produkcyjną wynoszącą 80 000 l/h pod ciśnieniem 120 barów. Z kolei homogenizatory One Series są dedykowane do małej i średniej produkcji (o zdolności produkcyjnej wynoszącej od 300 do 10 000 l/h) i maksymalnym ciśnieniu 250 barów. Jak widać rynek obfituje w szereg rozwiązań spośród których zakłady mleczarskie mogą z powodzeniem wybrać tę ofertę, która w pełni zaspokoi ich wymagania.