Wirówki: Wirówki w mleczarstwie
Głównym działem i sercem każdego zakładu mleczarskiego jest aparatownia. W miejscu tym znajdują są przede wszystkim urządzenia i wyposażenie tworzące linię produkcyjną do mechanicznej i termicznej obróbki mleka. W większości nowoczesnych zakładów system taki jest w pełni zautomatyzowany i sterowany za pośrednictwem właściwie zaprogramowanego komputera. W dużych zakładach mleczarskich na tym dziale instalowanych jest kilka linii połączonych ze sobą równolegle. W niniejszym opracowaniu opisano proces mechanicznej obróbki mleka, z krótkim przypomnieniem zasad oddzielania tłuszczu oraz główne typy wirówek.
Od ponad wieku rozdzielanie śmietanki od mleka za pomocą wirówek mleczarskich osiągnęło bardzo wysoki, można powiedzieć mistrzowski poziom. Pierwsze wirówki mleczarskie w procesie odtłuszczania mleka miały wydajność 50 litrów na godzinę i były napędzane ręcznie. Obecnie wirówki majà wydajność nawet powyżej 50 000 litrów na godzinę. Szczególny rozwój wydajności wirówek mleczarskich nastąpił w ostatnim ćwierćwieczu i związany był z szybkim rozwojem zakładów mleczarskich, chcących utrzymać się na konkurencyjnym rynku.
Obróbka mleka w aparatowni składa się z procesów: oczyszczania (w tym baktofugacja – oczyszczanie z mikroorganizmów), odtłuszczania (normalizacji) i homogenizacji oraz zabiegów termicznych.
Rozdzielanie składników za pomocą siły odśrodkowej wielokrotnie większej niż siła grawitacji oparte jest na fizycznym prawie Stokesa. Do określenia prędkości osadzania kuleczek tłuszczowych można wykorzystać równanie Stokesa, w którym ciążenie ziemskie zastąpiono przyspieszeniem:
gdzie:
uo – prędkość osadzania, m/s
ω – prędkość kątowa, rad/s
R – odległość od osi obrotu, m
ρs – gęstość fazy tłuszczowej, kg/m3
ρ – gęstość osocza mleka, kg/m3
η – lepkość osocza mleka, kg/m•s
d – średnica cząstek fazy rozproszonej (kuleczek tłuszczowych), µm.
W obecnych czasach wirowanie mleka jest jednym z głównych i podstawowych procesów w technologii mleczarstwa. Wirówki odtłuszczające zasadniczo dzieli się na: otwarte, półzamknięte, zamknięte i hermetyczne. W najprostszy sposób można opisać działanie wirówki jako wykorzystanie różnicy gęstości między mlekiem odtłuszczonym a śmietanką. Główny element wirówki (jakim jest wirujący bąk) pod wpływem siły odśrodkowej kieruje mleko pełne do przestrzeni międzytalerzowej, gdzie następuje jego rozwarstwienie. Wokół osi obrotu bąka gromadzi się śmietanka (gęstość 0,93 g/cm3), która wypływa przez właściwe kanały na zewnątrz urządzenia. Mleko odtłuszczone (gęstość 1,034 g/cm3) z bąka przepływa na obwód talerzyków, gdzie po oddzieleniu zanieczyszczeń mechanicznych również wypływa na zewnątrz. Ze względu na lepkość surowca proces odtłuszczania powinien być prowadzony w temperaturze ok. 45°C.
Mleko wpływa do przestrzeni międzytalerzykowej przez specjalne wyżłobienia gdzie następuje jego rozdzielenie na śmietankę (fazę tłuszczową) i mleko odtłuszczone.
Szlam i cząstki stałe, ze względu na dużą masę, przemieszczają się do obwodu bąka do przestrzeni szlamowej. Szlam i wszelkie zanieczyszczenia w nowoczesnych wirówkach są cyklicznie i automatycznie wyprowadzane na zewnątrz wirówki przez tzw. odstrzał. Dlatego też wirówki odtłuszczające spełniają również funkcję urządzenia do oczyszczania mleka (klaryfiksatora). Związki organiczne, leukocyty i komórki somatyczne stanowią około 1 kg/10000 kg przerabianego mleka.
Mleko odtłuszczone, jako faza o wyższej gęstości od fazy tłuszczowej (śmietanki) przepływa przestrzenią międzytalerzykową (po wewnętrznej stronie talerzy) w kierunku obwodu bąka, by następnie wypłynąć kanałami dystrybucyjnymi.
W czasie wirowania nie ma możliwości całkowitego oddzielenia tłuszczu z mleka ze względu na budowę tłuszczu, który występuje w polidyspersyjnym układzie mleka w formie kuleczek, o zróżnicowanej średnicy (zakres 0,1-22 µm). Otoczka kuleczek tłuszczowych charakteryzuje się dużą gęstością (ok. 1,5 g/cm3). Większa średnica kuleczek tłuszczowych wpływa na lepsze wydzielanie tłuszczu, ze względu na mniejszy udział otoczki w ich objętości. W przypadku małej kuleczki udział objętościowy otoczki jest większy i jej gęstość zbliżona jest do plazmy mleka, co utrudnia proces odwirowania. Obecnie używane w zakładach mleczarskich wirówki odtłuszczające mają możliwość osadzania kuleczek tłuszczowych o średnicy poniżej 1 µm.