Đề tài Tách béo và tiêu chuẩn hóa sữa

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG Chất béo trong sữa Hàm lượng chất béo trong sữa 1.1.1.1 Khái niệm Lipit là những hợp chất hữu cơ có trong tế bào sống, không hòa tan trong nước nhưng tan trong nhiều dung môi hữu cơ không phân cực. Lipit là những este phức tạp, gồm các loại: chất béo, sáp, steroit, photpholipit Phân loại lipid trong sữa Lipid đơn giản: chiếm 95%, công thức phân tử chỉ gồm C, H, O, là ester của acid béo no và không no - Acid oleic không bão hoà. - Acid palmitic bão hoà . - Acid stearic bão hoà. Lipid phức tạp: chiếm 0,3-0,5%, ngoài C,H,O trong phân tử còn có P,N,S.... 1.1.1.2 Thành phần chất béo trong sữa Chất béo là một trong những thành phần quan trọng nhất của sữa. Hàm lượng chất béo của sữa thay đổi trong một phạm vi khá rộng. Có loại sữa ít béo, khoảng 3g trong 100ml sữa, có loại sữa nhiều chất béo khoảng 5-6g trong 100ml sữa. Đối với sữa bò hàm lượng béo khoảng 3.9%. Thông thường, chất béo chiếm khoảng 2,5 đến 6,0% thành phần sữa, tùy thuộc vào giống bòvà chế độ dinh dưỡng. Mỡ sữa tồn tại dưới dạng hạt nhỏ lơ lửng trong nước sữa. Chất béo trong một số loại sữa Hà Lan thuần(HF) Jersey Zebu Ayrshire Brown Swiss Bò Dê Cừu Chất béo(%) 3,5 5,5 4,9 4,1 4,0 3,80 4,24 5,30 Trong sữa, các hạt mỡ sữa là các hạt lớn nhất nhưng lại nhẹ nhất nên có xu hướng nổi lên bề mặt sữa khi sữa ở trạng thái tĩnh. Lớp trên cùng của sữa được tạo nên chủ yếu bằng mỡ sữa, gọi là lớp kem. Kem chính là nguyên liệu để chế biến bơ. Tầng dưới cùng là sữa không kem, bao gồm protein và các chất khác Mỡ sữa là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá sữa tươi. Do đó, cần phải khuấy sữa tươi nguyên liệu định kỳ để ngăn các hạt mỡ sữa kết dính lại với nhau. Mỡ sữa rất giàu năng lượng cho nhu cầu dinh dưỡng của con người, chính vì thế hầu hết các nhà máy chế biến sữa sẵn sàng trả giá cao hơn cho sữa có hàm lượng mỡ sữa cao Trong thành phần chất béo của sữa có tới 20 loại acid béo khác nhau, trong đó 2/3 là acid béo no và còn lại là acid béo chưa no. Trong số những acid béo trong sữa có khá nhiều acid béo dễ hòa tan trong nước (ví dụ acid caproic). Chất béo của sữa cũng dễ xảy ra những quá trình phân hủy làm thay đổi thành phần và tính chất như quá trình thủy phân, quá trình oxy hóa,… làm giảm dần chất lượng của sữa và nhiều khi làm hỏng sữa. Ngoài chất béo thuộc nhóm lipit của sữa còn có photphatit và một số chất khác nhưng hàm lượng không nhiều, photphatit có khoảng 0.5-0.7g trong một lít sữa, trong đó chủ yếu là lexitin. Thành phần Hàm lượng (% so với tổng khối lượng chất béo) Ghi chú Lypid đơngiản -Glyceride: triglyceride Diglyceride Monoglycerride -Cholesteride -Ceride 98,5 95-96 2-3 0,1 0,03 0,02 Ester của acid béo và cholesterol Ester của acid béo và rượu cao phân tử Lipid phức tạp 1,0 Các hợp chất tan trong chất béo - Cholesterol - Acid béo tự do - Hydrocarbon - Vitamin A,D,K,E - Rượu 0,5 0,3 0,1 0,1 vết vết Bảng 1.1.1.2 Thành phần chất béo có trong sữa bò Hàm lượng các acia béo không bão hòa trong sữa được xác định bởi chỉ số iod của chất béo. Chỉ số khúc xạ của sữa thay đổi phụ thuộc vào thành phần định tính và định lượng các acid béo có trong sữa. Đối vớ sữa bò chỉ số khúc xạ dao động từ 4060. Nếu sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy thì lipid sữa sẻ có “cấu trúc cứng”, còn sữa chứa nhiều acid béo nóng chảy ở nhiệt độ thấp thì lipid se có ” cấu trúc mềm” hơn. Cấu tạo và thành phần của các loại cầu béo 1.1.2.1 Công thức cấu tạo Công thức cấu tạo của lipit đơn giản Các axit béo no thường gặp CH3(-CH2-)14COOH (C15H31COOH) : axit panmitic CH3(-CH2-)16COOH (C17H35COOH) : axit stearic Các axit béo không no thường gặp Axit oleic(C17H33COOH) CH3(-CH2-)7CH=CH(-CH2-)7COOH Axit linoleic(C17H31COOH) CH3(-CH2-)4CH=CH-CH2-CH=CH(-CH2-)7COOH Cấu tạo các hạt cầu béo - Chất béo của sữa dưới dạng những hạt hình cầu rất nhỏ, đường kính dao động từ 0,120 - Trong 1ml sữa có khoảng 1015 tỉ hạt cầu béo. Do đó ta có thể xem sữa là một hệ nhũ tương dầu trong nước. - Các hạt cầu béo được bao bọc bởi một màng lipo-protein tích điện âm. Các màng này có vai trò làm bền hệ nhũ tương trong sữa - Kích thước của những hạt chất béo phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loài giống, tùy từng con vật, thời gian khác nhau trong thời kỳ tiết sữa … Các hạt chất béo kích thước lớn thì dễ tách ra khỏi sữa hơn là những hạt chất béo có kích thước nhỏ. Khi để sữa yên lặng một thời gian, các hạt chất béo của sữa sẽ nổi lên trên mặt thành một lớp váng mỏng gọi là váng sữa. 1.1.2.2 Thành phần - Các hạt cầu béo có thành phần chủ yếu là glyceride, phospholipid và protein - Các phospholipid giữ vai trò “cầu nối trung gian” để liên kết giữa glyceride và protein. Phân tử lipid có hai đầu: đầu ưa béo (không phân cực) sẻ tương tác với các phân tử glyceride ở tâm cầu ; đầu ưa nước( phân cực) sẻ kết hợp với màng protein bao xung quanh hạt cầu béo Nếu không đồng hóa sữa tươi trong thời gian bảo quản các hạt cầu béo có xu hướng kết hợp lại với nhau thành chùm nhờ một protein kém bền nhiệt là euglobulin. Do tỷ trọng các hạt cầu béo nhỏ hơn nước nên chúng nổi lên bề mặt sữa dưới tác dụng của lực đẩy Archimede và tạo nên váng sữa. Khi đó trong sữa sẽ tồn tại hai pha lỏng tách biệt: pha trên cùng với thành phần chủ yếu là lipit; pha dưới với các thành phần có tỉ trọng lớn là nước và một số chất hoà tan trong sữa. Giới thiệu về sữa Sữa là chất lỏng sinh lý do các tuyến sữa tổng hợp được từ các hợp chất có trong máu,được tiết ra từ tuyến vú của động vật và là nguồn thức ăn để nuôi sống động vật non. Sữa có đầy đủ dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cơ thể. Những chất này có khả năng đồng hóa cao vì vậy từ lâu con người đã biết sử dụng sữa như một loại thực phẩm rất bổ dưỡng cho cơ thể nhất là đối với trẻ sơ sinh. Trong sữa có một số thành phần như: lipit, gluxit, protein, chất khoáng, vitamin, ngoài ra còn có chất màu và nhiều chất khác. Trong các chất trên trừ nước và những chất bay hơi khi chế biến thì những chất còn lại gọi là chất khô của sữa. Hàm lượng chất khô của sữa khoảng 10-20% tùy theo loại sữa, chất khô của sữa càng nhiều thì giá trị thực phẩm càng cao, nếu không kể đến lipit thì chất khô trong sữa gọi là chất khô không béo Thành phần hóa học của các loại sữa không giống nhau, chúng luôn thay đổi và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời kỳ tiết sữa, thành phần thức ăn, phương pháp vắt sữa, điều kiện chăn nuôi, sức khỏe, tuổi, độ lớn của con vật, loài, giống và nhiều yếu tố khác Bảng phân tích thành phần hóa học của sữa từ các loại động vật khác nhau và được dùng làm thực phẩm. Tổng chất khô(%) Béo (%) Protein (%) Casein (%) Lactose (%) Bò 12.60 3.80 3.35 2.78 4.75 Dê 13.18 4.24 3.70 2.80 4.51 Cừu 17.00 5.30 6.30 4.60 4.60 Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số loại sữa Những biển đổi thành phần của sữa Thay đổi khi bảo quản Chất béo và protein sữa bị thay đổi hóa học trong quá trình bảo quản. Những thay đổi này có 2 dạng: sự ôi hóa và sự phân giải lipit. Sản phẩm tạo nên có mùi khó chịu và thường xảy ra đối với bơ sữa và bơ. Sự ôi hóa chất béo: xảy ra tại các nối đôi của các acid béo không no tạo nên mùi kim loại, trong đó lecithin là chất dễ tấn công nhất. Sự ôi hóa protein: do sự ôi hóa amino acid dưới tác dụng của ánh sáng, gây ra mùi khó chịu. Chỉ một vài phút để dưới ánh sáng cũng đủ gây ra phản ứng này, do đó sữa không nên để trực tiếp dưới ánh sáng. Sự phân giải lipit: là sự phân cắt chất béo thành glycerol và acid béo, tạo mùi vị chua, mùi này gây ra bởi sự hiện diện của các acid béo tự do thấp phân tử. Sự phân cắt này tạo ra dưới tác dụng của enzim lipaza. Tuy nhiên quá trình này không xảy ra cho đến khi lớp màng của hạt béo bị phá hủy và chất béo bị lộ ra. Trong công nghệ sữa sự phá hủy màng rất dễ xảy ra dưới tác dụng cơ học như: bơm, khuấy, đánh sữa… Để tránh xảy ra quá trình này sữa nên được thanh trùng ở nhiệt độ cao để phân hủy enzim lipaza. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt lên các thành phần hóa học Chất béo: chất béo không bị ảnh hưởng ở nhiệt độ dưới 1000C. Sự kết tụ các hạt béo xảy ra ở nhiệt độ cao. Sự phân tách chất béo bị giảm nếu sữa bị gia nhiệt cao hơn 750C. Protein: Casein không thấy bị thay đổi ở nhiệt độ dưới 1000C, nhưng rất dễ thấy sự biến đổi của casein micelle khi nhiệt độ của sữa trên 650C. Protein dịch sữa bị biến tính ở nhiệt độ trên 650C và hầu như bị biến tính hoàn toàn ở nhiệt độ 900C trong 60 phút. Vài protein có thể khôi phục một phần tính chất của nó trong thời gian lưu trữ vài ngày hoặc vài tuần sau khi bị xử lý nhiệt. Sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 750C và lưu nhiệt ở đó trong một phút hoặc ít hơn sữa bắt đầu có mùi nấu, đó là do sự giải phóng hợp chất chứa sulphur từ b-lactoglobulin và các protein chứa sunphur khác. Enzim: các enzim bị vô hoạt bởi nhiệt. Nhiệt độ vô hoạt phụ thuộc kiểu enzim. Vitamin: vitamin C rất nhạy với nhiệt độ, đặc biệt là khi có mặt của không khí và kim loại. Thanh trùng nhiệt độ cao trong thời gian ngắn trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng đĩa hầu như không làm mất vitamin C. Vitamin khác chịu ảnh hưởng hoặc không bị ảnh hưởng dưới sự xử lý nhiệt vừa phải. Lactose: ở nhiệt độ cao trên 1000C lactose phản ứng với protein gây ra màu nâu của sữa(công nghệ sản xuất sữa đặc có đường và sữa chua) 1.2.2 Các phương pháp bảo quản sữa Sữa sau khi vắt, lượng vi sinh vật thay đổi khá nhiều. Bản thân sữa còn chứa nhiều hệ enzim xúc tác cho các phản ứng sinh hóa làm giảm giá trị của sữa. Để hạn chế sữa bị giảm chất lượng, người ta tiến hành bảo quản sữa bằng nhiều phương pháp khác nhau ở điều kiện thích hợp như là: - Phương pháp vật lý: làm lạnh, đun nóng. - Phương pháp hóa học: dùng một số hóa chất để tiêu diệt hoặc ức chế sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. - Phương pháp sinh học: chủ yếu nhờ quá trình lên men lactic để ức chế sự phát triển của vi sinh vật khác Chương 2 TÁCH BÉO VÀ CHUẨN HÓA SỮA 2.1 Ly tâm tách béo 2.1.1 Giới thiệu chung Ly tâm (centrifugation) là một quá trình phần riêng các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau trong một hỗn hợp lỏng không đồng nhất dưới tác dụng của lực ly tâm. Mẫu đem vào ly tâm thường có dạng nhũ tương hoặc huyền phù. Trong quá trình ly tâm lắng và lọc, nguyên liệu chuyển động quay cùng với rôto của máy. Lực ly tâm sẽ làm cho các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau phân lớp theo hướng của gia tốc trường lực. Thành phần có khối lượng riêng lớn nhất sẽ tập trung ở vùng xa tâm nhất, còn phần có khối lượng riêng nhỏ nhất tập trung ở tâm của rôto. Tùy theo cấu tạo bề mặt rôto mà quá trình ly tâm tiến hành theo nguyên tắc lọc ly tâm hay lắng ly tâm. Do đó cũng có hai loại máy ly tâm: máy ly tâm lắng và máy ly tâm lọc. Quá trình lắng trong máy ly tâm khác quá trình lắng trong trường trọng lực. Lắng trong trường trọng lực, vận tốc lắng coi như bằng nhau ở các vị trí khác nhau vì gia tốc trọng trường không phụ thuộc vào tọa độ rơi - hạt lắng theo phương song song với nhau. Trong trường lực ly tâm vận tốc lắng và gia tốc ly tâm thay đổi phụ thuộc vào vận tốc gốc ω và bán kính quay r (a= ω2r), hạt lắng theo phương đường kính rôto. Các máy dùng để phân chia các hệ không đồng nhất trong trường ly tâm được gọi là máy ly tâm. Vai trò của quá trình tách béo - Tách chất béo ra khỏi sữa để hiệu chỉnh hàm lượng lupid trong sản phẩm. - Tách các vi sinh vật(VSV), đặ biệt là các bào tử vi khuẩn chịu nhiệt ra khỏi sữa. Khi đó, quá trình ly tâm đóng vai trò thanh trùng sữa. - Tách các chất rắn ra khỏi sữa, như tách các tinh chế lactose thu được sau quá trình kết tinh trong công nghệ sản xuất lactose tinh thể. 2.1.3 Cơ sở khoa học của quá trình ly tâm Nguồn gốc : quá trình ly tâm có nguồn gốc từ quá trình lắng Dựa vào sự khác nhau của hạt rắn trong huyền phù dưới tác dụng của trọng lực được xác định bằng định luật Stock: V =g Trong đó: V - tốc độ lắng của hạt trong pha lỏng dưới tác dụng của trọng lực(m/s) d - đường kính hạt rắn(m) - khối lượng riêng của hạt rắn (kg/m) - khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m) - độ nhớt của pha lỏng (kg/m.s) g - gia tốc trọng trường ( g=9,81m/s) Quá trình tách béo bằng ra khỏi sữa tươi được thực hiện bằng phương pháp lắng, nên các chất béo trong sữa còn được gọi là váng sữa. Dưới tác dụng của lực ly tâm quá trình ly tâm sẻ nhanh hơn rất nhiều. Tốc độ chuyển động của hạt dưới tác dụng của ly tâm được xác định theo công thức: V =r Trong đó: V - tốc độ lắng của hạt trong pha lỏng dưới tác dụng của trọng lực(m/s) r - bán kính quay (m) - tốc độ vòng (rad/s) Bán kính quy r Gia tốc ly tâm của hạt a= r. Tốc độ vòng o Tốc độ vòng được tính như sau:== Với n là số vòng quay trong một phút Hình 2.1.3 : ảnh hưởng của bán kính quay đến gia tốc ly tâm Gia tốc ly tâm a (m/s) không phải là một hằng số. Giá trị này phụ thuộc vào bán kính quay r: a = r. So sánh tốc độ lắng dưới tác dụng của lực trọng lực và lực ly tâm Xét ví dụ: Giọt cầu béo trong sữa có d = 3. Nếu khối lượng riêng của chất béo = 980 kg/m, khối lượng riêng của pha lỏng =1028 kg/m, độ nhớt của pha lỏng =1,42 10kg/m.s Theo định luật Stok tốc độ chuyển động của giọt cầu béo trong sữa: V =g = = - 1,66 10 m/s = -0,166 /s Như vậy các giọt béo trong sữa chuyển đọng theo phương thẳng đứng, theo hướng nổi lên bề mặt sữa với tốc độ rất chậm là 0,166 /s. Khi ta thay đổi vào lực ly tâm với bán kính quay là r = 0,2 m, số vòng quay là n = 5400 vòng/phút. Tốc độ độ chuyển động của các hạt cầu béo dưới tác dụng của lực ly tâm là: = 565,2 rad/s V =r= 0,2 (562,2) = - 1,08 10 m/s = -1080 /s Như vậy dưới tác dụng của lực ly tâm, tốc độ chuyển động của các giọt béo trong sữa se nhanh hơn 1080/0,166 6.506 lần so với lắng dưới tác dụng của trọng lực. 2.1.4 Thiết bị ly tâm Có nhiều loại thiết bị ly tâm để phân riêng nhũ tương Máy phân ly siêu tốc loại dĩa có nhiều loại: loại hở, loại kín, loại nửa kín, loại tháo bã bằng tay và bằng ly tâm. Ðây là nhóm có nhiều máy nhất trong các loại máy ly tâm siêu tốc Máy ly tâm lắng làm trong huyền phù. Máy ly tâm siêu tốc loại ống. Trong công nghệ chế biến sữa, quá trình ly tâm tách béo thường sử dụng chủ yếu là thiết bị ly tâm dạng dĩa. Thiết bị này có nhiều ưu điểm hơn so với các thiết bị ly tâm khác. Thiết bị ly tâm dạng đĩa 2.1.4.1.a Cấu tạo Thiết bị gồm có thân máy, bên trong là thùng quay, được nối với một motor truyền động bên ngoài thông qua trục dẫn. Các đĩa quay có đường kính dao động từ 20 ÷102 cm và được xếp chồng lên nhau. Các lỗ trên đĩa ly tâm sẽ tạo nên những kênh dẫn theo phương thẳng đứng. Khoảng cách giữa hai đĩa ly tâm liên tiếp là 0.5 ÷ 1.3 mm 7 6 1 4 3 2 555555765765755 5 1- Thân thiết bị 2- Thùng quay 3- Trục dẫn 4- 1 2 3 4 Dĩa quay 5- Cửa vào cho nguyên liệu 6- Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng thấp 7- Cửa ra cho sản phẩm tỷ trọng cao 1- Dĩa ly tâm 2- Cửa ra cho cream 3- Lỗ 4- Cữa vào cho nguyên liệu 1 2 3 1- Cream 2- Sữa gầy 3- Dĩa ly tâm Hình 2.1.4.1.a : Nguyên lý hoạt động của thiết bị ly tâm dạng đĩa Thiết bị ly tâm tách chất béo ra khỏi đĩa Dĩa ly tâm Sơ đồ chuyển động của dòng cream và sữa gầy 2.1.4.1.b Nguyên tắc hoạt động Sữa được gia nhiệt đến 55 trước khi đưa vào thiết bị ly tâm tách béo Sữa nguên liệu được nạp vào máy ly tâm theo cửa vào (5), tiếp theo sữa sẻ theo hệ thống kênh dẫn (6) để chảy vào khoảng không gian hẹp giữa các đĩa ly tâm. Dưới tác dụng của lực ly tâm, sữa sẻ được phân thành hai phần: - Phần crem có khối lượng lương thấp sẻ chuyển động hướng về phía trục của thùng quay - Phần sữa gầy có khối lượng riêng cao sẻ chuyển động về phía thành thùng quay Sau cùng cả hai dòng cream và sữa gầy sẻ theo những kênh riêng để thoát ra ngoài. Hàm lượng chất béo trung bình trong sữa gầy là 0,05% Thiết bị làm việc theo phương pháp liên tục 2.1.4.1.c Ưu điểm, nhược điểm - Ưu điểm: - Mức độ phân ly cao. - Thế tích thùng lớn. - Nhược điểm: - Cấu tạo phức tap. - Gia công khó khi cần chế tạo bằng vật liệu chống ăn mòn. Một số các thiết bị ly tâm khác sử dụng để phân riêng hệ nhũ tương như là: máy ly tâm lắng, máy ly tâm siêu tốc loại ống. 2.1.4.2 Máy ly tâm lắng 2.1.4.2.a Cấu tạo Rôto của máy ly tâm lắng có dạng hình trụ, kín, thành của rôto không có đục lỗ Hình 2.1.4.2.a : Nguyên lý làm việc của máy ly tâm lắng Hình 2.1.4.2.a Quá trình lắng ly tâm: Lắng trong huyền phù và phân riêng nhũ tương 2.1.4.2.b Nguyên tắc hoạt động Khi rôto quay dưới tác dụng của lực ly tâm, huyền phù hay nhũ tương được phân thành các lớp riêng biệt tùy theo khối lượng riêng của nó. Lớp khối lượng riêng lớn ở sát thành rôto, lớp có khối lượng riêng nhỏ ở phía trong. Ly tâm lắng gồm hai quá trình: quá trình lắng pha rắn tiến hành theo những quy luật của thủy động lực học; quá trình nén bã tiến hành theo những qui luật cơ học. 2.1.4.3 Máy ly tâm siêu tốc loại ống 2.1.4.3.a Cấu tạo Ðây là loại máy có roto nhỏ và dài để phân riêng các huyền phù và nhũ tương. Ðường kính của roto vào khoảng 200 mm, tỉ lệ giữa chiều dài roto với đường kính của nó khoảng 5-7. Ly tâm siêu tốc dạng ống làm việc với số vòng quay của rôto từ 8000 đến 45000 vòng/phút Nhũ tương đưa vào rôto dưới áp suất 0,25-0,3 at qua dĩa phân phối và đi ra khoảng không gian giữa roto và các tấm chắn (được gắn dọc theo chiều dài của roto, gồm ba tấm cách nhau 120o) Khi phân ly nhũ tương cho pha nặng và pha nhẹ không trộn lẫn nhau thì dùng tấm tách sao cho bán kính lớp phân chia phải nằm trong vành khăn của tấm tách Các bộ phận của máy ly tâm siêu tốc loại ống Động cơ Đĩnh dẫn động Phớt chắn Cửa tháo chất lỏng Cánh quạt Tay hãm Cửa tháo chất lỏng Giá đỡ Vỏ máy Con lăm ép Hình 2.1.4.3.a Máy ly tâm siêu tốc loại ống 2.1.4.3.b Nguyên tắc hoạt động Khi máy hoạt động, huyền phù qua vòi phun của ống nạp liệu vào phần dưới của rôto và khi quay cùng rôto huyền phù sẽ chảy theo tường của nó theo hướng dọc trục. Theo mức độ chuyển động dọc theo rôto, huyền phù bị phân lớp tương xứng với tỷ trọng của các phần trong thành phần chất lỏng. Khi đó tiểu phần rắn trong trạng thái lơ lửng bị tách ra khỏi chất lỏng, và bị lắng trên tường rôto, còn chất lỏng qua lỗ trên ở đầu rôto được đưa vào ngăn rót, và sau đó vào thùng chứa. Nhờ không xảy ra biến đổi đáng kể hướng chuyển động của chất lỏng và những dòng xoáy rối, nên loại trừ được khả năng tái xâm nhập của các tiểu phần vào huyền phù. Khi kết thúc sự phân chia, máy được dừng lại nhờ bộ hãm 6, tháo rôto cùng cặn, thiết lập sự an toàn và lặp lại chu kỳ hoạt động 2.1.4.4 Ứng dụng của thiết bị trong công nghệ thực phẩm Máy ly tâm siêu tốc loại dĩa - Dùng để phân li huyền phù có hàm lượng pha rắn nhỏ - Phân ly nhũ tương khó phân ly. - Máy ly tâm siêu tốc loại dĩa dùng để tách bơ trong sữa. - Tinh luyện dầu thực vật và lắng trong các chất béo. Máy ly tâm siêu tốc loại ống - Đây là loại máy có roto nhỏ và dài để phân riêng các huyền phù và nhũ tương. - Để làm trong các huyền phù có chứa một lượng không đáng kể các tạp chất rắn có độ phân tán cao. - Để tách các tạp chất rắn có độ phân tán cao và các nhũ tương thường sử dụng máy ly tâm siêu tốc - Khi làm trong huyền phù có chứa pha rắn có độ phân tán cao hơn 1% thì các máy ly tâm siêu tốc được hoạt động theo chu kỳ và tháo cặn bằng phương pháp thủ công. Khi tách nhũ tương thì các máy ly tâm siêu tốc hoạt động liên tục. Các máy ly tâm được ứng dụng rộng rãi để tách: - Các tiểu phần ổn định trong dung dịch các chất hoạt hoá sinh học. - Các dung dịch rượu khỏi chế phẩm hoạt hoá làm lắng etanol, axetol và các dung môi hữu cơ khác. - Tách sinh khối khỏi dung dịch canh trường, để tách phức hoạt hoá sinh học (khi kết tủa bằng muối) từ các dung dịch, cũng như để phân chia các hỗn hợp chất lỏng hay các huyền phù. Trong các thiết bị công nghiệp việc phân chia bằng phương pháp ly tâm được ứng dụng để tách các tiểu phần có kích thước từ 25 mm đến 0,5 μm Trong công nghiệp vi sinh máy ly tâm đứng có kích thước nhỏ được sử dụng rộng rãi do độ kín và tính an toàn cao. Loại này rất thuận lợi cho nhiều quá trình tách và làm sạch một lượng vừa phải các chất hoạt hoá sinh học. 2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ly tâm Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phân riêng và thời gian ly tâm Đường kính hạt phân tán : đường kính hạt phân tán càng lớn thì khả năng ly tâm càng nhanh Sự chênh lệch khối lượng riêng giữa pha liên tục và pha phân tán càng lớn thì vận tốc ly tâm càng nhanh, rút ngắn thời gian ly tâm. Độ nhớt của pha liên tục càng nhỏ thì quá trình ly tâm càng nhanh . Bán kính quay và tốc độ vòng quay của thiết bị ly tâm càng lớn thì tốc độ chuyển động của các hạt phân tán càng cao, như vậy sẻ rút ngắn được thời gian ly tâm hoặc nâng cao mức độ phân riêng của các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau. Đối với một hệ nhũ tương hoặc huyền phù xác định bán kính quay r và tốc độ vòng quay của thiết bị ly tâm se ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả quá trình phân riêng. Nhiệt độ và độ nhớt hỗn hợp tỷ lệ nghịch với tốc độ chuyển động của các hạt phân tán, nếu nhiệt độ hỗn hợp tăng và độ nhoặt giảm thì hiệu quả của quá trình ly tâm sẻ cao hơn. Trong quá trình ly tâm nâng nhiệt độ của khối nguyên liệu lên đến 55- 60 2.2 Chuẩn hóa sữa 2.2.1 Mục đích của quá trình chuẩn hóa sữa Hiệu chỉnh hàm lượng chất béo trong sữa. Được thực hiện trên dây chuyền tự động bao gồm máy ly tâm, bộ phận phối trộn, các dụng cụ đo (lưu lượng kế, tỷ trọng kế …) bơm và thùng chứa. Sữa bột nguyên cream có hàm lượng chất béo 26-33%, sữa bột gầy có hàm lượng chất béo 1%. 2.2.2 Phương pháp tính tỷ lệ phối trộn - Phương pháp 1 Gọi M (kg) là khối lượng cream với hàm lượng chất béo A%, M(kg) là khối lượng riêng sữa với hàm lượng chất béo B%. Để thu được M (kg) sữa với hàm lượng chất béo C% (A>C>B), ta có: M = (1) M= (2) M = M + M (3) - Phương pháp 2 Theo quy tắc đường chéo A(M) C(M) B(M) Lấy (C –B ) trọng lượng hoặc thể tích dung dịch M1 trộn với (A-C) trọng lượng hoặc thể tích dung dịch M2 ta sẻ có hỗn hợp dung dịch M1 + M2 -Phương pháp 3 Phương pháp toán học Đối với phương pháp 1 thường dùng để xác định tỷ lệ phối trộn nhiều hơn các phương pháp khác. Ví dụ : Cream có hàm lượng chất béo 40%, sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo 3%. Cần phối trộn cream và sữa nguyên liệu theo tỷ lệ bao nhiêu để có được 100 kg sữa với hàm lượng chất béo 3,5% Giải : ta có M = 100 kg; A = 40%, B = 3% C = 3,5% Thay vào công thức (1) và (2), ta được: M = = = 1,35 kg M= = = 98,65 kg Vậy ta cần bổ sung 1,35kg cream 40% chất béo vào 98,65kh sữa 3% chất béo. Theo quy tắc đường chéo thay các giá trị vào ta cũng có kết quả như trên. 2.2.3 Thực hiện Qúa trình chuẩn hóa thực hiện trên hệ thống các thiết bị ly tâm và phối trộn điều khiển tự động. Đối với công nghệ sản xuất sữa thanh trùng Nếu sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo thấp, ta sẻ bổ sung thêm cream. Lượng chất béo trong cream tối thiểu không thấp hơn 12% và thường dao động từ 35 . Nếu sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo cao, ta có thể bổ sung sữa gầy hoặc sử dùng quá trình ly tâm để tách bớt chất béo ra khỏi sữa gầy. Nếu chất béo cao hơn yêu cầu thì phải định chuẩn lại bằng nước. Nước định chuẩn là nước chế biến đ ược thanh trùng ở 950 C/30phút. Sau đó được làm nguội về 400C mới bơm vào bồn kết tinh. Cánh khuấy tiếp tục hoạt động để trộn lẫn nước vào sữa. Giả sử ta có 100kg sữa với hàm lượng chất béo 4%. Ta cần hiệu chỉnh hàm lượng chất béo xuống còn 3%. Nguên lý hiệu chỉnh hàm lượng chất béo: 90.1kg sữa gầy 0.05% chất béo Phối trộn 97.3kg sữa 3% chất béo Xử lý tiếp để tạo sản phẩm sữa thanh trùng 7.2kg cream 40% chất béo 9.9kg cream 40% chất béo 2.7kg cream 40% chất béo Xử lý tiếp để sản xuất sản phẩm cream 40% béo Ly tâm 100kg sữa 4% chất béo Ví dụ: Sản xuất sữa đặc ( 8% chất béo) Công thức pha trộn để có sản phẩm sữa đặc 8% chất béo Nguyên liệu là sữa tươi, sữa gầy, đường 1kg Sữa tươi (3.7% chất béo) + 0.56 kg sữa gầy 1.56 kg sữa Sữa đặc có đường ( 0.55% chất béo) (2.57% chất béo) Cô đặc ( 8% chất béo) + Đường Tỷ lệ 100 l sữa + 17 kg đường Thành phần của dịch trộn sau khi chuẩn hóa Chất béo 2.56, Nước 70.54, Chất khô 20.89 2.2.4 Thiết bị chuẩn hóa Quá trình chuẩn hóa sữa được thực hiện trên dây chuyền tự động, chuẩn hóa ngay trong thiết bị ly tâm tách béo hoặc sử dụng thiết bị khuấy trộn có cánh khuấy. Tùy theo từng loại sản phẩm sữa sẻ sản xuất ra như sản xuất sữa thanh trùng, sữa tiệt trùng, sữa cô đặc mà thành phần chất béo có trong mỗi loại sữa khác nhau do vậy mà tỷ lệ nguyên liệu và việc hiệu chỉnh hàm lượng chất béo là khác nhau. Nếu sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo thấp, ta sẻ bổ sung thêm cream. Nếu sữa nguyên liệu có hàm lượng chất béo cao, ta có thể bổ sung sữa gầy hoặc sử dùng quá trình ly tâm để tách bớt chất béo ra khỏi sữa gầy Cấu tạo - Thiết bị ly tâm tách béo dạng dĩa. - Thiết bị phối trộn Cấu tạo khá đơn giản: khối bao bên ngoài có hình trụ như ống (pipe), trong có cơ cấu hướng dòng đặc biệt có tác dụng hòa trộn nguyên liệu vào với nhau, để tạo thành hỗn hợp có trạng thái ổn định. Hình 2.2.4.1: Thiết bị phối trộn -Thiết bị khuấy trộn có cánh khuấy Trục khuấy trộn Cánh khuấy 2.2.4.2 Nguyên tắc hoạt động Đầu tiên, sữa giàu chất béo sẻ được bơm vào máy ly tâm hoạt động theo nguyên tắc liên tục. Có hai dòng sản phẩm thoát ra khỏi thiết bị: dòng sữa gầy và dòng ceam. Hàm lượng chất béo trong hai dòng sản phẩm sẻ phụ thuộc vào chế độ hoạt động của máy ly tâm. Một phần cream sẻ được phối trộn lại với dòng sữa gầy để hàm lượng chất béo trong hỗn hợp đạt đúng giá trị yêu cầu của sản phẩm sữa. Phần cream sẻ được xử lý tiếp để hoàn thiện sản phâm cream. Chất lỏng được trộn đều trong máy khuấy trộn với bộ phận cánh khuấy. Khi mái chèo của các cánh khuấy chuyển động thì chất lỏng chảy quanh mái chèo và tạo nên lớp ngoài sát thành có áp suất phía trước và phía sau đồng nhất. Tăng tốc độ chuyển động của mái chèo trong môi trường lỏng thì lớp phía sau sát thành tách khỏi bề mặt của mái chèo. Áp suất trong vòng xoáy trở nên thấp hơn so với áp suất phía trước mái chèo. Như vậy khi tăng số vòng quay cánh khuấy thì tốn nhiều năng lượng hơn để khuấy trộn chất lỏng. Độ cao mà chất lỏng dâng lên ở thiết bị trong thời gian khuấy trộn phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng và số vòng quay của cánh khuấy. Hiệu quả của quá trình khuấy trộn được xác định bằng thời gian cần thiết để đảm bảo cho quá trình khuấy trộn được hoàn toàn.