Гомогенизатор: принцип работы, давление и как правильно подобрать оборудование

Гомогенизатор — важная часть технологических линий для производства молока, молочных продуктов, напитков, эмульсий и других пищевых продуктов. От правильно подобранных давления, температуры и схемы гомогенизации зависят стабильность, структура и свойства готового продукта.

В этой статье разберем, как работает промышленный гомогенизатор, чем отличается одноступенчатая гомогенизация от двухступенчатой, какое давление требуется для различных технологических задач и на что обратить внимание при выборе оборудования.

Как работает промышленный гомогенизатор

Промышленный гомогенизатор высокого давления фактически объединяет насос высокого давления и гомогенизирующий клапан.

Продукт подается в насосную часть, где его давление значительно повышается. После этого продукт под высоким давлением проходит через очень узкий зазор гомогенизирующего клапана.

В этой зоне резко увеличивается скорость потока и падает давление. Возникают интенсивная турбулентность, сдвиговые напряжения и другие гидродинамические эффекты, в результате которых крупные капли или частицы измельчаются и более равномерно распределяются в продукте.

Именно поэтому гомогенизация может влиять на:

• стабильность эмульсии;

• размер и распределение частиц;

• склонность продукта к расслоению;

• консистенцию и вязкость;

• внешний вид;

• органолептические свойства;

• стабильность продукта при хранении.

Например, при гомогенизации молока происходит значительное уменьшение размера жировых шариков. Благодаря этому жир более равномерно распределяется в объеме продукта и уменьшается его склонность к отстаиванию.

Поэтому гомогенизатор следует рассматривать не просто как насос, создающий высокое давление. Основной технологический результат формируется именно во время прохождения продукта через гомогенизирующий клапан.

Одноступенчатая и двухступенчатая гомогенизация

Промышленный гомогенизатор может иметь одну или две ступени гомогенизации.

Одноступенчатая гомогенизация

При одноступенчатой схеме практически весь необходимый перепад давления создается на одном гомогенизирующем клапане.

Такое решение может применяться для продуктов и технологических процессов, где одной ступени достаточно для получения необходимого размера частиц и стабильности продукта.

Двухступенчатая гомогенизация

В двухступенчатом гомогенизаторе продукт после первого гомогенизирующего клапана проходит через второй.

Основная работа по измельчению частиц обычно происходит на первой ступени. Вторая ступень может использоваться для контроля агломерации и формирования более стабильного распределения частиц.

Важно понимать, что давление второй ступени не просто добавляется поверх заданного давления первой. При настройке оборудования давление распределяется между ступенями в зависимости от продукта, конструкции гомогенизирующих клапанов и необходимого технологического результата.

Поэтому выбор между одноступенчатой и двухступенчатой гомогенизацией не должен основываться на принципе «две ступени всегда лучше». Необходимо исходить из конкретного продукта и требуемого результата.

Какое давление необходимо для гомогенизации

Давление — один из основных параметров работы гомогенизатора, однако универсального значения для всех продуктов не существует.

Даже для одного типа продукта необходимое давление может меняться в зависимости от:

• рецептуры;

• содержания жира и сухих веществ;

• температуры;

• необходимого размера частиц;

• требований к стабильности продукта;

• конструкции гомогенизирующего клапана;

• одноступенчатой или двухступенчатой схемы;

• места гомогенизации в технологическом процессе.

Например, для пастеризованного молока типичное общее давление гомогенизации может составлять приблизительно 140–180 бар. Для UHT-молока могут применяться более высокие значения — около 200–250 бар.

Однако эти цифры не следует воспринимать как готовые настройки для любого молочного производства.

Сливки, йогуртовые смеси, молочные напитки, соки, нектары, соусы и другие эмульсии имеют разные физические свойства и требуют разных режимов.

Кроме того, современная конструкция гомогенизирующего клапана может позволять получать необходимый результат при более низком давлении. Это важно с точки зрения энергопотребления и эксплуатационных расходов.

Поэтому принцип «чем выше давление, тем лучше гомогенизация» является неправильным.

Задача заключается не в том, чтобы создать максимально возможное давление, а в том, чтобы получить необходимые свойства продукта при оптимальных технологических параметрах.

Как правильно подобрать гомогенизатор

Подбор промышленного гомогенизатора следует начинать не с модели оборудования, а с технологической задачи.

1. Продукт

Необходимо понимать, что именно будет проходить через гомогенизатор: молоко, сливки, молочная смесь, напиток, сок, эмульсия, соус или другой продукт.

Для подбора важны его состав, вязкость, содержание жира и сухих веществ, наличие твердых частиц и другие физические характеристики.

2. Производительность

Гомогенизатор должен обеспечивать необходимую производительность не изолированно, а в соответствии с производительностью всей технологической линии.

Например, если оборудование интегрируется в линию пастеризации, производительность гомогенизатора, теплообменника, сепаратора, насосов и другого технологического оборудования должна быть согласована.

3. Рабочее давление

Необходимо определить давление, при котором продукт получает заданные характеристики.

При этом следует учитывать не только максимальное давление, которое способен создавать гомогенизатор, но и реальный рабочий режим.

Именно сочетание производительности и давления в значительной степени определяет необходимую мощность оборудования.

4. Одна или две ступени

Выбор зависит от продукта, требований к стабильности и необходимого распределения частиц.

Двухступенчатая гомогенизация может быть необходима для определенных эмульсий, однако ее применение должно быть технологически обоснованным.

5. Температура продукта

Температура влияет на вязкость, поведение жировой фазы и эффективность процесса.

Поэтому температуру продукта перед гомогенизацией необходимо учитывать еще на этапе проектирования технологической схемы.

6. CIP-мойка

Для пищевого производства важно оценивать не только рабочий режим, но и то, как оборудование будет очищаться.

Гомогенизатор должен быть правильно интегрирован в CIP-контур: необходимо обеспечить требуемый поток моющего раствора, последовательность операций, температурные режимы и корректную работу клапанов во время мойки.

7. Автоматизация

В зависимости от производства может потребоваться ручное или автоматическое управление давлением, контроль температуры, сигнализация, передача параметров в PLC/SCADA и интеграция гомогенизатора с системой автоматизации всей линии.

8. Интеграция в технологический процесс

Это один из наиболее важных пунктов.

Гомогенизатор редко работает как полностью независимая единица оборудования. Он взаимодействует с теплообменником, пастеризатором, сепаратором, насосами, клапанами, буферными емкостями и системой CIP.

Поэтому еще до выбора конкретной модели необходимо определить:

где будет установлен гомогенизатор, какие параметры продукта будут на входе и выходе и как его работа будет влиять на другие этапы процесса.

5 распространенных ошибок при выборе гомогенизатора

1. Подбирать оборудование только по производительности

Два гомогенизатора с одинаковой производительностью могут быть рассчитаны на совершенно разные рабочие давления и технологические задачи.

Поэтому параметр «10 000 л/ч» сам по себе практически ничего не говорит о том, подходит ли конкретное оборудование для данного процесса.

2. Выбирать максимальное давление с большим запасом

Запас по характеристикам оборудования необходим, однако значительное завышение параметров не обязательно дает технологические преимущества.

Более высокое рабочее давление означает большую нагрузку на оборудование и может увеличивать энергопотребление и эксплуатационные расходы.

Необходимо не максимальное давление, а правильно определенный рабочий режим.

3. Не учитывать температуру и свойства продукта

Один и тот же гомогенизатор может показывать разный результат в зависимости от температуры, вязкости и состава продукта.

Поэтому копирование параметров с другой технологической линии без анализа конкретного продукта может не дать ожидаемого результата.

4. Рассматривать гомогенизатор отдельно от технологической линии

Даже правильно подобранное оборудование может работать неэффективно, если неправильно определено его место в процессе или не согласованы режимы работы с другим оборудованием.

Особенно это важно для линий, где гомогенизатор работает совместно с пастеризатором, сепаратором и системой стандартизации.

Здесь необходимо анализировать всю технологическую схему, а не одну машину.

5. Не учитывать CIP и обслуживание

Гомогенизатор работает с высоким давлением и содержит компоненты, которые подвергаются регулярным механическим нагрузкам.

При выборе необходимо учитывать доступность сервисного обслуживания, конструкцию клапанов, уплотнения, плунжеры, запасные части и возможность проведения регламентного технического обслуживания.

Не менее важно еще на этапе проектирования предусмотреть правильную CIP-мойку оборудования.

Гомогенизатор — это часть технологического процесса

При выборе гомогенизатора недостаточно определить необходимую производительность и найти оборудование с соответствующей цифрой в техническом паспорте.

Необходимо понимать продукт, требуемый технологический результат, давление и температуру гомогенизации, место оборудования в технологической схеме, взаимодействие с пастеризатором и другим оборудованием, требования к автоматизации, CIP и дальнейшему обслуживанию.

Именно поэтому гомогенизатор следует подбирать как часть технологического процесса, а не как отдельную машину.

Нужно подобрать гомогенизатор для нового или существующего производства?

Viravix Engineering помогает определить необходимые параметры гомогенизации, подобрать оборудование и правильно интегрировать его в технологическую линию.

Мы работаем с промышленными гомогенизаторами APV и комплексно рассматриваем весь процесс: от теплообмена, пастеризации и сепарации до насосов, клапанов, CIP, автоматизации и интеграции оборудования.

Обратитесь в Viravix, если вам необходимо подобрать, рассчитать или интегрировать гомогенизатор в новую или существующую технологическую линию.