Как проводят пастеризацию молока с использованием пара на производстве

Правильно подобранные температура и время обработки позволяют снизить микробиологическую нагрузку на молоко и увеличить его стойкость при хранении без кипячения продукта.

В этой обзорной статье разберём, как проводят пастеризацию молока с использованием пара на промышленном производстве. Материал предназначен для технологов, инженеров, руководителей предприятий и специалистов, которые выбирают или модернизируют оборудование для термической обработки молока. В основе статьи — принципы промышленной пастеризации и практический подход к организации подачи технологического пара на пищевом предприятии.

Рассмотрим, какую функцию выполняет пар, как проходит процесс от предварительного нагрева до охлаждения, какие температурно-временные режимы применяют и какое оборудование необходимо для работы линии. Отдельно разберём роль парогенератора и объясним, почему пастеризация в теплообменнике и использование пара не противоречат друг другу.

В статье не рассматриваются домашняя пастеризация, бытовые пастеризаторы, рецептуры молочной продукции, подробное проектирование паропроводов и CIP-систем.

Что такое пастеризация молока паром и как она работает

Пастеризация — это контролируемая термическая обработка молока при заданной температуре в течение определённого времени. Её основная задача — значительно снизить количество опасных микроорганизмов и увеличить срок хранения продукта, не доводя его до режима стерилизации.

На производстве процесс должен быть управляемым: недостаточно просто нагреть молоко. Необходимо обеспечить нужную температуру во всём потоке продукта, выдержать его в таком состоянии определённое время, а затем быстро охладить. Именно сочетание температуры и времени определяет результат обработки.

Например, для так называемой HTST-пастеризации (High Temperature Short Time — высокотемпературная кратковременная пастеризация) молока широко применяется обработка примерно при 72–75 °C в течение 15–20 секунд с последующим охлаждением.

При этом термин «пастеризация паром» требует пояснения. На большинстве промышленных линий пар не подают непосредственно в молоко. Он используется как источник тепловой энергии: например, нагревает воду или другую среду, которая, в свою очередь, передаёт тепло продукту через поверхность теплообменника. В молочной промышленности тепло от системы генерации обычно поступает к различным точкам потребления по трубопроводам, в том числе к нагревательному контуру пастеризатора.

Прямой и косвенный нагрев молока паром: в чём разница

При косвенном нагреве молоко и пар физически разделены:

Пар может, например, нагревать воду, которая циркулирует в отдельном контуре пастеризатора. Тепловая энергия передаётся молоку через металлическую поверхность, поэтому вода, пар и продукт не смешиваются.

Такой принцип характерен для наиболее распространённых промышленных теплообменных установок.

При прямом нагреве технологический пар непосредственно контактирует с продуктом.

Применяются, например, системы инжекции пара в продукт или подачи продукта в паровую среду. Однако прямой паровой нагрев характерен прежде всего для специальных высокотемпературных, в том числе UHT-систем (Ultra High Temperature — ультравысокотемпературная обработка), и его не следует считать стандартной схемой обычной HTST-пастеризации молока.

Поэтому, когда речь идёт о пастеризации молока с использованием пара, чаще имеется в виду пар как источник тепла для пастеризационного оборудования, а не обработка молока струёй пара.

Как проводят пастеризацию молока на промышленном производстве

Конкретная схема зависит от вида продукта и оборудования, однако на поточной молочной линии процесс обычно состоит из нескольких последовательных операций.

1. Подготовка молока.
   Перед пастеризацией сырьё принимают и проверяют его основные показатели: температуру, кислотность, плотность, органолептические характеристики и соответствие требованиям по безопасности. Затем молоко очищают от механических примесей с помощью фильтрации или центробежной очистки. В зависимости от выпускаемого продукта на этом этапе также могут проводить сепарирование и нормализацию по содержанию жира. После подготовки молоко направляют на термическую обработку.
2. Предварительный нагрев.
   Холодное молоко постепенно доводят до более высокой температуры. В современных установках для этого часто используют тепло уже пастеризованного продукта: горячее молоко отдаёт часть энергии холодному входящему потоку. Такой метод снижает потребность линии во внешнем тепле.
3. Нагрев до температуры пастеризации.
   Продукт поступает в секцию нагрева пастеризатора. Тепловая энергия может передаваться через горячую воду или другую промежуточную среду, которую нагревает паровая система предприятия.
4. Выдержка.
   После достижения установленной температуры молоко должно находиться в заданном режиме определённое время. Для этого в поточных линиях предусматривается секция выдержки. Для распространённой HTST-пастеризации используется сочетание высокой температуры и короткого времени обработки.
5. Контроль режима.
   Температура продукта постоянно контролируется. В корректно организованном процессе молоко, не достигшее необходимых параметров обработки, не должно поступать дальше как пастеризованное.
6. Регенеративное охлаждение.
   После выдержки горячий продукт может отдавать тепло встречному потоку холодного молока. Таким образом одновременно снижается температура пастеризованного продукта и уменьшаются энергозатраты на нагрев новой партии.
7. Окончательное охлаждение.
   Затем молоко охлаждают до температуры, необходимой для следующей операции, фасовки или хранения. Быстрое охлаждение после тепловой обработки — важная часть процесса, поскольку сама пастеризация не делает продукт стерильным.

Упрощённо движение продукта можно представить так:

Отдельно работает тепловой контур:

Какие температуры и режимы используют при пастеризации молока

Результат термической обработки зависит не только от температуры, но и от времени её воздействия. Чем выше температура, тем короче обычно может быть выдержка. Поэтому корректнее говорить не об одной «температуре пастеризации», а о температурно-временном режиме.

Для молока применяют несколько подходов.

Для промышленного HTST-процесса Tetra Pak, например, приводит типичный режим 72–75 °C в течение 15–20 секунд; минимальное сочетание 72 °C и 15 секунд также используется как базовая точка в международной практике обработки молока.

Однако данные из таблицы, представленной нами выше, нельзя использовать как готовую инструкцию для настройки производственной линии. Конкретные режимы зависят от целого ряда факторов. Например:

• вида молочного продукта — от этого зависит режим пастеризации (температура и время обработки), так как разные продукты (молоко питьевое, сливки, йогуртная основа и т. д.) имеют различные требования к сохранению структуры, вкуса и микробиологической безопасности;
• состава и свойств сырья — учитываются жирность, содержание белка, кислотность, плотность и микробиологическая обсеменённость, поскольку эти параметры влияют на теплопередачу, устойчивость к нагреву и выбор технологического режима;
• последующих технологических операций — режим пастеризации выбирают с учётом того, что будет происходить с молоком дальше: ферментация, гомогенизация, фасовка, стерилизация и др. Например, если после пастеризации молоко используют для производства кисломолочного продукта, важно сохранить свойства сырья, необходимые для нормальной работы закваски, поэтому избыточно жёсткий нагрев может быть нежелателен;
• производительности установки — учитывается объём перерабатываемого сырья в единицу времени, так как от этого зависят скорость потока, время выдержки продукта в теплообменнике и стабильность температурного режима;
• конструкции пастеризатора — тип оборудования влияет на скорость и равномерность нагрева, допустимую вязкость продукта и энергозатраты. Например, пластинчатые пастеризаторы хорошо подходят для жидкого молока: они обеспечивают быстрый теплообмен и позволяют эффективно использовать регенерацию тепла. Трубчатые установки чаще применяют для более вязких продуктов или сред с частицами, где важно снизить риск забивания каналов и обеспечить стабильный проход продукта;
• требований нормативной и технологической документации предприятия — режим пастеризации должен соответствовать требованиям технических регламентов, стандартов, технологических инструкций и рецептур, действующих для конкретного вида продукции. В них могут быть закреплены допустимые температуры, время выдержки, требования к охлаждению и контролю процесса.

Какое оборудование необходимо для пастеризации молока паром

Пастеризация на промышленном предприятии — это не работа одного аппарата, а последовательность операций, для которых используется несколько взаимосвязанных узлов.

Состав линии зависит от производительности и технологии, но в неё могут входить:

• ёмкости для продукта;
• насосы;
• пастеризатор;
• пластинчатый или трубчатый теплообменник;
• ванна или ёмкость с паровой рубашкой — для отдельных периодических процессов;
• секция выдержки;
• датчики температуры, давления и расхода;
• регулирующая арматура;
• система автоматического управления;
• оборудование для охлаждения;
• источник технологического пара;
• паропровод;
• конденсатоотводчики и система возврата конденсата;
• оборудование для подготовки воды.

Не все эти элементы обязательно присутствуют в каждой установке. Например, для непрерывного производства большого объёма питьевого молока и для небольшой периодической линии могут использоваться принципиально разные схемы.

Какую функцию выполняет парогенератор при пастеризации молока

Парогенератор не пастеризует молоко сам по себе. Его задача — выработать требуемое количество пара и передать тепловую энергию оборудованию, в котором происходит нагрев продукта.

При косвенной схеме процесс может выглядеть следующим образом:

1. вода поступает в парогенератор;
2. образуется пар с заданными рабочими параметрами;
3. он поступает по паропроводу к потребителю;
4. энергия пара используется для нагрева промежуточного теплоносителя или поверхности оборудования;
5. тепло передаётся молоку;
6. образовавшийся конденсат отводится из системы.

Именно поэтому при проектировании важна не максимальная температура пара сама по себе, а способность источника обеспечивать требуемую тепловую мощность и стабильный расход пара при фактической нагрузке пастеризатора.

Так, для организации автономного пароснабжения предприятия могут использоваться промышленные индукционные парогенераторы, параметры которых подбирают под потребность конкретной технологической линии.

Чем отличается пастеризация молока паром от пастеризации в теплообменнике

Противопоставление «пастеризация паром или в теплообменнике» не совсем корректно.

Поэтому одна и та же промышленная линия вполне может одновременно использовать и пар, и пластинчатый теплообменник. Например:

На молочном предприятии тепло обычно передаётся продукту через теплообменник при помощи нагревающей среды, которую обеспечивает общая тепловая система производства.

Для непрерывных процессов пластинчатые теплообменники удобны ещё и тем, что позволяют организовать регенерацию: горячее пастеризованное молоко предварительно нагревает холодный продукт, и часть энергии используется повторно.

Какие промышленные парогенераторы подходят для пастеризации молока

Подбирать парогенератор только по мощности установленного нагревателя неправильно. В первую очередь нужно определить: сколько пара и при каких параметрах требуется потребителям в реальном производственном режиме.

При выборе учитывают несколько характеристик.

• Паропроизводительность. Показывает, сколько килограммов пара установка может выдавать в течение часа. Расчёт ведут по потребности пастеризатора и других одновременно работающих потребителей.
• Рабочее давление. Оно должно соответствовать параметрам технологического оборудования и схеме пароснабжения.
• Характер нагрузки. Одно дело — непрерывная работа линии с постоянным расходом, другое — периодические включения нескольких потребителей и резкие пики потребления.
• Диапазон регулирования. Возможность изменять производительность помогает системе работать при разной загрузке линии без постоянного ручного вмешательства.
• Качество питательной воды. От неё зависит образование отложений и стабильность работы парового оборудования, поэтому при необходимости предусматривают водоподготовку.
• Организация отвода конденсата. Конденсат необходимо своевременно удалять из парового контура, чтобы система эффективно передавала тепло.
• Автоматизация. Для производства удобно, когда источник пара может работать совместно с системой управления технологической линией.
• Резервирование. Если остановка пароснабжения означает остановку всего производства, на этапе проектирования оценивают необходимость резервного источника.

Для пищевых предприятий можно рассматривать специализированные парогенераторы для пищевой промышленности. Конкретную модель и паропроизводительность следует выбирать после расчёта потребления всей системы, а не только одного пастеризатора.

Что важно контролировать при пастеризации молока с использованием пара

Стабильность пастеризации зависит от согласованной работы продуктового и парового контуров. Даже правильно подобранный пастеризатор не обеспечит заданный режим, если источник тепла работает нестабильно или реальные параметры продукта отличаются от расчётных.

В процессе контролируют:

• температуру молока в контрольных точках линии;
• время выдержки продукта при требуемой температуре;
• расход молока, поскольку скорость потока непосредственно связана со временем пребывания продукта в секции выдержки;
• давление и расход пара перед потребителем;
• стабильность нагрева при увеличении или снижении производительности;
• работу регулирующих клапанов и другого оборудования;
• отвод конденсата из паровой части системы;
• состояние теплообменных поверхностей;
• температуру молока после охлаждения;
• исправность датчиков и автоматического контроля.

Особенно важно учитывать состояние теплообменника. Загрязнение поверхности ухудшает передачу тепла, поэтому для достижения той же температуры системе приходится затрачивать больше энергии. Кроме того, нарушение нормального теплообмена может сделать процесс менее стабильным.

Необходимо контролировать и расход продукта. Если в поточной установке молоко движется быстрее расчётного значения, фактическое время выдержки может сократиться. Поэтому температура, скорость потока и продолжительность обработки рассматриваются как связанные параметры, а не независимо друг от друга.

Таким образом, при пастеризации паром задача паровой системы состоит не в максимально сильном нагреве. Она должна обеспечивать такое количество тепловой энергии, которое позволяет пастеризатору стабильно поддерживать предусмотренный технологией температурно-временной режим.

Часто задаваемые вопросы о пастеризации молока