Homogenizator: zasada działania, ciśnienie i jak prawidłowo dobrać urządzenie

Homogenizator jest ważnym elementem linii technologicznych do produkcji mleka, produktów mlecznych, napojów, emulsji i innych produktów spożywczych. Stabilność, struktura i właściwości produktu końcowego zależą od prawidłowo dobranego ciśnienia, temperatury oraz sposobu homogenizacji.

W tym artykule wyjaśniamy, jak działa homogenizator przemysłowy, czym różni się homogenizacja jednostopniowa od dwustopniowej, jakie ciśnienie jest wymagane dla różnych procesów technologicznych oraz na co zwrócić uwagę przy wyborze urządzenia.

Jak działa homogenizator przemysłowy?

Przemysłowy homogenizator wysokociśnieniowy zasadniczo łączy pompę wysokociśnieniową z zaworem homogenizującym.

Produkt trafia do sekcji pompowej, gdzie jego ciśnienie zostaje znacznie zwiększone. Następnie produkt pod wysokim ciśnieniem przepływa przez bardzo wąską szczelinę w zaworze homogenizującym.

W tej strefie prędkość przepływu gwałtownie wzrasta, a ciśnienie spada. Powstają intensywne turbulencje, siły ścinające oraz inne zjawiska hydrodynamiczne, w wyniku których większe krople lub cząstki zostają rozdrobnione i bardziej równomiernie rozprowadzone w produkcie.

Dzięki temu homogenizacja może wpływać na:

• stabilność emulsji;

• wielkość i rozkład cząstek;

• skłonność produktu do rozwarstwiania;

• konsystencję i lepkość;

• wygląd;

• właściwości sensoryczne;

• stabilność produktu podczas przechowywania.

Na przykład podczas homogenizacji mleka następuje znaczne zmniejszenie wielkości kuleczek tłuszczowych. Dzięki temu tłuszcz jest bardziej równomiernie rozprowadzony w całej objętości produktu, a jego skłonność do tworzenia warstwy śmietankowej i rozwarstwiania zostaje ograniczona.

Dlatego homogenizatora nie należy traktować wyłącznie jako pompy wytwarzającej wysokie ciśnienie. Główny efekt technologiczny powstaje właśnie podczas przepływu produktu przez zawór homogenizujący.

Homogenizacja jednostopniowa i dwustopniowa

Homogenizator przemysłowy może być wyposażony w jeden lub dwa stopnie homogenizacji.

Homogenizacja jednostopniowa

W układzie jednostopniowym praktycznie cały wymagany spadek ciśnienia powstaje na jednym zaworze homogenizującym.

Takie rozwiązanie może być stosowane w przypadku produktów i procesów, w których jeden stopień wystarcza do uzyskania wymaganej wielkości cząstek oraz odpowiedniej stabilności produktu.

Homogenizacja dwustopniowa

W homogenizatorze dwustopniowym produkt po przejściu przez pierwszy zawór homogenizujący przepływa przez drugi zawór.

Główna część procesu rozdrabniania cząstek odbywa się zazwyczaj na pierwszym stopniu. Drugi stopień może służyć do ograniczenia aglomeracji i uzyskania bardziej stabilnego rozkładu cząstek.

Należy pamiętać, że ciśnienie drugiego stopnia nie jest po prostu dodawane do zadanego ciśnienia pierwszego stopnia. Podczas konfiguracji urządzenia ciśnienie jest rozdzielane pomiędzy poszczególne stopnie w zależności od produktu, konstrukcji zaworów homogenizujących oraz wymaganego efektu technologicznego.

Dlatego wybór pomiędzy homogenizacją jednostopniową a dwustopniową nie powinien opierać się na zasadzie „dwa stopnie są zawsze lepsze”. Decyzja powinna wynikać z właściwości konkretnego produktu i oczekiwanego rezultatu.

Jakie ciśnienie jest potrzebne do homogenizacji?

Ciśnienie jest jednym z najważniejszych parametrów pracy homogenizatora, jednak nie istnieje jedna uniwersalna wartość odpowiednia dla wszystkich produktów.

Nawet w przypadku tego samego rodzaju produktu wymagane ciśnienie może się różnić w zależności od:

• receptury;

• zawartości tłuszczu i suchej masy;

• temperatury;

• wymaganej wielkości cząstek;

• wymagań dotyczących stabilności produktu;

• konstrukcji zaworu homogenizującego;

• układu jedno- lub dwustopniowego;

• miejsca procesu homogenizacji w całym procesie technologicznym.

Na przykład dla mleka pasteryzowanego typowe całkowite ciśnienie homogenizacji może wynosić około 140–180 bar. W przypadku mleka UHT mogą być stosowane wyższe wartości, około 200–250 bar.

Wartości tych nie należy jednak traktować jako gotowych ustawień dla każdego procesu produkcji mleka.

Śmietanka, mieszanki jogurtowe, napoje mleczne, soki, nektary, sosy oraz inne emulsje mają różne właściwości fizyczne i wymagają różnych parametrów procesu.

Ponadto nowoczesna konstrukcja zaworu homogenizującego może umożliwić uzyskanie wymaganego efektu przy niższym ciśnieniu. Ma to znaczenie z punktu widzenia zużycia energii i kosztów eksploatacyjnych.

Dlatego zasada „im wyższe ciśnienie, tym lepsza homogenizacja” jest nieprawidłowa.

Celem nie jest uzyskanie maksymalnego możliwego ciśnienia, lecz osiągnięcie wymaganych właściwości produktu przy optymalnych parametrach technologicznych.

Jak prawidłowo dobrać homogenizator?

Dobór homogenizatora przemysłowego należy rozpocząć nie od konkretnego modelu urządzenia, lecz od zadania technologicznego.

1. Produkt

Należy dokładnie określić, jaki produkt będzie przepływał przez homogenizator: mleko, śmietanka, mieszanka mleczna, napój, sok, emulsja, sos czy inny produkt.

Przy doborze urządzenia istotne są jego skład, lepkość, zawartość tłuszczu i suchej masy, obecność cząstek stałych oraz inne właściwości fizyczne.

2. Wydajność

Homogenizator powinien zapewniać wymaganą wydajność nie jako niezależne urządzenie, lecz jako element całej linii technologicznej.

Na przykład, jeśli urządzenie jest integrowane z linią pasteryzacji, wydajność homogenizatora, wymiennika ciepła, separatora, pomp i pozostałych urządzeń procesowych powinna być odpowiednio dopasowana.

3. Ciśnienie robocze

Należy określić ciśnienie, przy którym produkt uzyskuje wymagane właściwości.

Trzeba przy tym uwzględnić nie tylko maksymalne ciśnienie, jakie może wytworzyć homogenizator, ale przede wszystkim rzeczywisty zakres jego pracy.

Połączenie wydajności i ciśnienia w znacznym stopniu określa wymaganą moc urządzenia.

4. Jeden czy dwa stopnie

Wybór zależy od produktu, wymagań dotyczących stabilności oraz oczekiwanego rozkładu cząstek.

Homogenizacja dwustopniowa może być potrzebna w przypadku określonych emulsji, jednak jej zastosowanie powinno być zawsze uzasadnione technologicznie.

5. Temperatura produktu

Temperatura wpływa na lepkość, zachowanie fazy tłuszczowej oraz efektywność całego procesu.

Dlatego temperaturę produktu przed homogenizacją należy uwzględnić już na etapie projektowania procesu technologicznego.

6. Mycie CIP

W produkcji spożywczej należy uwzględnić nie tylko warunki pracy urządzenia, ale również sposób jego mycia.

Homogenizator musi być prawidłowo zintegrowany z obiegiem CIP. Należy zapewnić wymagany przepływ roztworu myjącego, odpowiednią kolejność etapów mycia, warunki temperaturowe oraz prawidłową pracę zaworów podczas czyszczenia.

7. Automatyzacja

W zależności od procesu produkcyjnego może być wymagane ręczne lub automatyczne sterowanie ciśnieniem, kontrola temperatury, system alarmów, przesyłanie parametrów do PLC/SCADA oraz integracja homogenizatora z systemem automatyki całej linii.

8. Integracja z procesem technologicznym

Jest to jeden z najważniejszych aspektów.

Homogenizator rzadko pracuje jako całkowicie niezależne urządzenie. Współpracuje z wymiennikami ciepła, pasteryzatorami, separatorami, pompami, zaworami, zbiornikami buforowymi oraz systemem CIP.

Dlatego jeszcze przed wyborem konkretnego modelu należy określić:

gdzie zostanie zainstalowany homogenizator, jakie będą parametry produktu na wejściu i wyjściu oraz w jaki sposób jego praca wpłynie na pozostałe etapy procesu.

5 najczęstszych błędów przy wyborze homogenizatora

1. Dobór urządzenia wyłącznie na podstawie wydajności

Dwa homogenizatory o takiej samej wydajności mogą być przeznaczone do zupełnie różnych ciśnień roboczych i zadań technologicznych.

Dlatego parametr taki jak „10 000 l/h” sam w sobie mówi bardzo niewiele o tym, czy dane urządzenie jest odpowiednie dla konkretnego procesu.

2. Wybór maksymalnego ciśnienia ze zbyt dużym zapasem

Pewien zapas parametrów urządzenia jest potrzebny, jednak znaczne przewymiarowanie nie musi zapewniać dodatkowych korzyści technologicznych.

Wyższe ciśnienie robocze oznacza większe obciążenie mechaniczne urządzenia i może prowadzić do wzrostu zużycia energii oraz kosztów eksploatacyjnych.

Potrzebne jest nie maksymalne możliwe ciśnienie, lecz prawidłowo określony zakres pracy.

3. Nieuwzględnianie temperatury i właściwości produktu

Ten sam homogenizator może zapewniać różne rezultaty w zależności od temperatury, lepkości oraz składu produktu.

Dlatego kopiowanie parametrów z innej linii technologicznej bez analizy konkretnego produktu może nie przynieść oczekiwanego rezultatu.

4. Traktowanie homogenizatora niezależnie od całej linii technologicznej

Nawet prawidłowo dobrane urządzenie może pracować nieefektywnie, jeśli jego miejsce w procesie zostało określone niewłaściwie lub parametry pracy nie zostały skoordynowane z pozostałymi urządzeniami.

Jest to szczególnie istotne w liniach, w których homogenizator współpracuje z pasteryzatorem, separatorem i systemem standaryzacji.

W takich przypadkach należy analizować cały proces technologiczny, a nie tylko jedną maszynę.

5. Nieuwzględnianie CIP i serwisu

Homogenizator pracuje pod wysokim ciśnieniem i zawiera komponenty poddawane regularnym obciążeniom mechanicznym.

Przy wyborze urządzenia należy uwzględnić dostępność serwisu, konstrukcję zaworów, uszczelnienia, tłoki, części zamienne oraz możliwość przeprowadzania planowej obsługi technicznej.

Równie ważne jest zapewnienie prawidłowego mycia CIP już na etapie projektowania procesu.

Homogenizator jest częścią procesu technologicznego

Przy wyborze homogenizatora nie wystarczy określić wymaganą wydajność i znaleźć urządzenie z odpowiednią wartością w specyfikacji technicznej.

Należy uwzględnić produkt, wymagany efekt technologiczny, ciśnienie i temperaturę homogenizacji, miejsce urządzenia w procesie, jego współpracę z pasteryzatorem i innymi urządzeniami, wymagania dotyczące automatyzacji, CIP oraz późniejszej obsługi technicznej.

Dlatego homogenizator należy dobierać jako część całego procesu technologicznego, a nie jako oddzielną maszynę.

Potrzebujesz homogenizatora do nowej lub istniejącej linii produkcyjnej?

Viravix Engineering pomaga określić wymagane parametry homogenizacji, dobrać odpowiednie urządzenie oraz prawidłowo zintegrować je z linią technologiczną.

Pracujemy z przemysłowymi homogenizatorami APV i analizujemy proces kompleksowo: od wymiany ciepła, pasteryzacji i separacji, przez pompy i zawory, aż po CIP, automatykę oraz integrację urządzeń.

Skontaktuj się z Viravix, jeśli potrzebujesz dobrać, zaprojektować lub zintegrować homogenizator z nową lub istniejącą linią technologiczną.