Wymienniki ciepła: Pasteryzatory – teoria i technologia

Przewodzenie ciepła

W przemyśle mleczarskim jednym z dwóch mediów, które biorą udział w procesie przekazywania ciepła jest mleko. W celu przekazania ciepła z jednej substancji na drugą, musi istnieć różnica temperatur (im wyższa różnica temperatur tym intensywniejszy proces). Ciepło przekazywane jest z wykorzystaniem zjawisk: kondukcji, konwekcji i promieniowania.

Pasteryzatory wykorzystywane w przemyśle mleczarskim to przede wszystkim płytowe wymienniki ciepła, w których w większości czynnikiem chłodzącym jest zimna woda, natomiast czynnikiem grzewczym – woda gorąca lub glikolowa (z sekcją chłodzącą). Czynnik grzewczy i mleko płyną w układzie przeciwprądowym. Typowy układ do pasteryzacji mleka składa się z następujących elementów: zbiornika na mleko z systemem kontrolującym objętość, pompy zasilającej produkt z możliwością regulacji natężenia przepływu i pomp zasilających w czynnik grzewczy i chłodzący. Zestaw wyposażony jest w system kontroli i rejestracji temperatury mleka zarówno „na wejściu” i „na wyjściu” z urządzenia.

Przekazywanie ciepła w wymiennikach wykorzystywanych w przemyśle mleczarskim realizowane jest w oparciu o wymianę bezpośrednią i pośrednią. Ruch turbulentny cieczy wspomaga dyfuzję ciepła, zapobiega tworzeniu się warstw płynu o różnych temperaturach, tak jak ma to miejsce w przypadku ruchu laminarnego. Materiałem do konstrukcji pasteryzatorów w przetwórstwie żywności jest stal nierdzewna, kwasoodporna, która charakteryzuje się dobrym przewodzeniem ciepła i łatwym czyszczeniem.

Pośrednie wymienniki ciepła wykorzystywane w przemyśle mleczarskim w celu pasteryzacji dzielą się na: rurowe, płytowe i skrobakowe.

Większość procesów obróbki cieplnej mleka i produktów mleczarskich jest prowadzona w płytowych wymiennikach ciepła. Płytowe wymienniki ciepła (PHE – Plate Heat Exchanger) stanowią pakiet płyt ściśniętych w jedną konstrukcję, składający się z kilku oddzielnych pakietów (zamocowanych na konstrukcji nośnej i dociśniętych do siebie śrubami), w których zachodzą procesy jednostkowe (ogrzewanie wstępne, obróbka termiczna, chłodzenie). Podczas przenoszenia ciepła istotne znaczenie mają płyty strumieniowe (mają wytłoczenia w celu podniesienia współczynnika przenikania ciepła wskutek burzliwego przepływu), tak zestawione, by gorący i chłodny czynnik występował przemiennie. Płyty wymiennika mają w narożnikach otwory, które po zmontowaniu układu tworzą kolektory umożliwiające rozprowadzanie płynów we właściwe przestrzenie między nimi. Płyty dociśnięte są do siebie za pomocą specjalnych uszczelek.

W zakładach mleczarskich wymiennik ciepła do obróbki termicznej mleka połączony jest często z systemem standaryzacji mleka, wirówką odtłuszczającą, homogenizatorem, baktofugatorem, a w przypadku produkcji mleka mikrofiltrowanego z układem do filtracji membranowej.

Wymiennik płytowy wykorzystywany do pasteryzacji składa się zazwyczaj z następujących sekcji: odzyskiwania ciepła (regeneracji), pasteryzacji (z przetrzymywaniem) i chłodzenia.

Sekcja odzyskiwania ciepła (regeneracji) daje możliwość wykorzystania ciepła produktu ogrzanego, np. mleka spasteryzowanego, w celu wstępnego podgrzania wpływającego zimnego mleka surowego. Wpływający zimny surowiec służy również do ochładzania produktu gorącego, co powoduje redukcję ilości zużywanej wody (oszczędność energii).

Z sekcji regeneracji mleko wpływa do sekcji ogrzewania, gdzie następuje wymiana ciepła za pośrednictwem wody gorącej, do uzyskania temperatury pasteryzacji. Następnie, mleko wpływa do strefy przetrzymywania.

Czas przebywania mleka (produktu) w przetrzymywaczu (jest to zazwyczaj rura w kształcie spirali) zależy od wymagań mikrobiologicznych produktu finalnego. Wymienniki ciepła wyposażone są w system kontroli natężenia przepływu, który uruchamia zawór zwrotny w sytuacji, gdy natężenie przekroczy wartość projektową przetrzymywacza. Mleko kierowane jest do ponownej, prawidłowej obróbki termicznej.

Przykładowo, w linii do mleka pasteryzowanego oraz sera dojrzewającego czas przetrzymania wynosi 15 sekund w temperaturze 72° lub zastosowana jest inna kombinacja czasu i temperatury w celu uzyskania podobnego efektu. W linii do produkcji jogurtu temperatura pasteryzacji mleka jest o wiele wyższa i wynosi 90-95°, zaś czas przetrzymywania wynosi ok. 5 minut. W takim przypadku długość przetrzymywacza powinna być znacznie większa.

W sekcji chłodzenia po jednej stronie płyty płynie mleko, które wypływa z sekcji odzyskiwania ciepła, a z drugiej czynnik chłodzący, zazwyczaj woda lodowa lub glikolowa. Celem jest uzyskanie temperatury mleka wypływającego z wymiennika w granicach 4-5°.

Skrobakowe wymienniki ciepła wykorzystywane są w celu obróbki termicznej produktów o podwyższonej lepkości oraz zawierających cząstki stałe (termizacja twarogu, desery, serki topione, mieszanki lodowe). Ciśnienie pracy urządzenia może wynosić nawet 40 bar, umożliwiając w ten sposób obróbkę wielu rodzajów produktów.

Wymienniki skrobakowe mają podobną budowę jak wymienniki rurowe.

Podsumowanie

Obecnie istnieją instalacje zdolne do obróbki termicznej nawet 50 000 l mleka/h. Wydajność, rozmiar i konfiguracja wymienników ciepła zależą od wielu czynników, np.: właściwości fizycznych płynów (gęstość, ciepło właściwe, lepkość) kierunku przepływu produktów i płynów „pomocniczych”, temperatury pasteryzacji, możliwości umycia instalacji po produkcie oraz czasu przebywania w sekcji przetrzymywania.

Na rynku wymienników ciepła stosuje się nowe rozwiązania uniemożliwiające mieszanie się dwóch stosowanych przy wymianie ciepła płynów (ze względu na nowy sposób uszczelnienia). Do produkcji trafiły również płytowe wymienniki ciepła w formie bezuszczelkowej (lutowane) o zwartej budowie.

Nowo projektowane urządzenia są coraz bardziej niezawodne, bezawaryjne i zautomatyzowane, co sprawia, że wysoka jakość dotycząca bezpieczeństwa mikrobiologicznego produktów jest powtarzalna.

Na potrzeby klienta, dodatkowym elementem będącym na wyposażeniu instalacji do pasteryzacji są specjalnie zaprojektowane serwery, które umożliwiają analizę procesów zarówno przez personel obsługujący dział aparatowni jak i zarządzający jakością.