Курсовая работа ‘Вытеснительный охладитель в технологии маргарина’ — готовый образец и детальный разбор

Актуальность темы данного курсового проекта обусловлена тем, что модернизация ведущего технологического оборудования, к которому относится и вытеснительный охладитель, является ключевым фактором повышения производительности и рентабельности пищевых производств. Качество маргариновой продукции, ее пластичность, консистенция и органолептические свойства напрямую зависят от процесса кристаллизации жировой основы. Этот процесс, в свою очередь, полностью контролируется конструкцией и режимом работы охладительного оборудования. Таким образом, углубленное изучение этого аспекта технологии имеет важное практическое значение.

Целью данной курсовой работы является изучение влияния конструкции и рабочих параметров вытеснительного охладителя на формирование ключевых показателей качества маргарина.

В рамках поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить научно-теоретические основы, включая физико-химические свойства маргариновой эмульсии и теорию кристаллизации жиров.
2. Описать аппаратурно-технологическую схему производства маргарина, определив в ней место и роль вытеснительного охладителя.
3. Проанализировать взаимосвязь между конструкцией охладителя, его рабочими режимами и конечными свойствами продукта.

Логично, что перед анализом конкретного оборудования необходимо глубоко изучить теоретические основы процесса и самого продукта.

Глава 1. Научно-теоретические основы технологии маргарина

1.1. Физико-химические свойства маргариновой эмульсии и роль эмульгаторов

Маргарин представляет собой сложную физико-химическую систему, а именно высокодисперсную эмульсию типа «вода в масле». В этой системе мельчайшие капельки водной фазы равномерно распределены в непрерывной жировой фазе. Основой продукта служит жировая фаза, состоящая из смеси различных растительных масел и твердых жиров (саломасов). Именно состав и соотношение твердых и жидких триглицеридов в этой фазе предопределяют будущую структуру и температуру плавления маргарина.

Водная фаза может включать воду, молоко (натуральное или сквашенное), растворы соли, сахара и других компонентов. Поскольку вода и масло не смешиваются, для создания и, что более важно, для поддержания стабильности эмульсии в систему вводят специальные вещества — эмульгаторы. Их молекулы имеют дифильное строение: одна часть молекулы растворима в воде (гидрофильная), а другая — в жире (гидрофобная). Располагаясь на границе раздела фаз, эмульгаторы, такие как лецитин или моно- и диглицериды жирных кислот, создают прочный защитный слой вокруг капель воды, предотвращая их слияние и расслоение эмульсии. Таким образом, эмульгаторы играют решающую роль в получении однородной и стабильной структуры продукта.

Поняв состав эмульсии, мы можем перейти к ключевому процессу, который превращает эту жидкую смесь в пластичный продукт — кристаллизации.

1.2. Ключевое значение процесса кристаллизации для текстуры продукта

Кристаллизация является решающим технологическим этапом, который определяет финальную текстуру, консистенцию и потребительские свойства маргарина. Этот процесс заключается в переходе твердых триглицеридов из растворенного состояния в жидком жире в твердые кристаллы при интенсивном охлаждении эмульсии. От того, как именно происходит этот переход, зависит кристаллическая решетка продукта.

В технологии маргарина стремятся к формированию мелкокристаллической структуры, состоящей из мелких игольчатых кристаллов так называемой β’-формы (бета-прим). Эти кристаллы образуют плотную, но гибкую трехмерную сетку, которая способна удерживать жидкую фракцию жира и капли водной фазы. Именно такая структура обеспечивает маргарину желаемые свойства:

• Пластичность: способность легко намазываться и деформироваться без разрушения.
• Однородность: гладкая, глянцевая консистенция без видимых комков.
• Приятные органолептические ощущения: маргарин с мелкими кристаллами быстро и полностью тает во рту, не оставляя неприятного салистого послевкусия.

Напротив, медленное охлаждение приводит к образованию крупных, грубых кристаллов стабильной β-формы. Такая структура делает продукт хрупким, крошащимся, а при употреблении создает ощущение «мучнистости» или «салистости» из-за медленного плавления крупных кристаллов во рту. Таким образом, главная задача технологии — обеспечить условия для максимально быстрого охлаждения, чтобы стимулировать образование именно мелких кристаллов β’-формы и избежать их роста.

Теперь, когда теоретическая важность мелкокристаллической структуры доказана, необходимо рассмотреть, как этого достигают на практике в рамках общей технологической схемы.

Глава 2. Аппаратурно-технологическая схема производства

2.1. Последовательность операций в линии производства маргарина

Технологический процесс производства маргарина представляет собой четкую последовательность операций, нацеленных на получение стабильной эмульсии с нужной кристаллической структурой. В общем виде его можно представить следующим образом:

1. Подготовка и смешивание фаз: Жировые компоненты (масла, твердые жиры) и компоненты водной фазы (вода, молоко, растворы соли и сахара) подготавливаются и дозируются согласно рецептуре в отдельных емкостях. Затем обе фазы смешиваются в большом баке-смесителе.
2. Эмульгирование и гомогенизация: Полученная грубая смесь подается в эмульгатор (гомогенизатор высокого давления), где происходит ее интенсивная механическая обработка. В результате капли водной фазы дробятся до мельчайших размеров и равномерно распределяются в жировой основе.
3. Охлаждение и кристаллизация: Горячая эмульсия немедленно поступает на центральный этап производственной линии — в вытеснительный охладитель (также известный как вотатор или скребковый теплообменник). Здесь происходит ее резкое переохлаждение и кристаллизация твердых жиров.
4. Темперирование (пластическая обработка): После охладителя продукт может направляться в специальные аппараты-кристаллизаторы (декристаллизаторы или пальчиковые обработчики) для дополнительной механической обработки. Это необходимо для стабилизации кристаллической структуры и придания продукту большей пластичности.
5. Упаковка: Готовый маргарин, достигший нужной консистенции, направляется на фасовочно-упаковочный автомат.

Мы видим, что охлаждение и кристаллизация — это сердце процесса. Рассмотрим подробнее аппарат, который за это отвечает.

2.2. Конструкция и принцип работы вытеснительного охладителя

Вытеснительный охладитель, часто называемый трубчатым охладителем со скребковым механизмом или вотатором, является ключевым оборудованием, обеспечивающим формирование мелкокристаллической структуры маргарина. Его конструкция специально разработана для сверхбыстрого отвода тепла от продукта.

Основные узлы аппарата:

• Корпус с охлаждающими цилиндрами: Аппарат состоит из нескольких соосных цилиндров. Внутренняя труба является рабочей камерой, по которой движется маргариновая эмульсия.
• Охлаждающая рубашка: Пространство между внутренней и внешней трубами представляет собой испарительную камеру, в которую под давлением подается хладагент (обычно жидкий аммиак).
• Скребковый механизм: Внутри рабочего цилиндра расположен вращающийся вал с шарнирно закрепленными на нем ножами-скребками.

Принцип работы основан на интенсивном теплообмене. Горячая маргариновая эмульсия под высоким давлением подается в рабочий цилиндр. Хладагент, испаряясь в рубашке, интенсивно отнимает тепло от внутренней стенки цилиндра, резко охлаждая ее. Эмульсия, контактируя с холодной поверхностью, мгновенно застывает на ней тончайшим слоем. В этот момент в дело вступает вращающийся скребковый механизм. Ножи, прижимаемые к стенке центробежной силой, непрерывно снимают этот замерзший слой и перемешивают его с остальной массой эмульсии. Этот процесс имеет два критически важных следствия:

1. Он обеспечивает постоянный контакт горячей эмульсии с охлажденной поверхностью, гарантируя максимальную скорость теплообмена.
2. Он предотвращает намерзание толстого слоя продукта на стенках и гомогенизирует всю массу, обеспечивая равномерное образование мелких кристаллов во всем объеме.

Именно такая конструкция, сочетающая охлаждение в тонком слое с постоянной механической обработкой, позволяет добиться скорости охлаждения, необходимой для формирования β’-кристаллов.

2.3. Управление процессом кристаллизации через параметры охладителя

Инженер-технолог может тонко управлять качеством конечного продукта, регулируя ключевые рабочие параметры вытеснительного охладителя. Эти параметры напрямую влияют на скорость кристаллизации, а следовательно, на размер и форму кристаллов жира.

Ключевыми управляемыми параметрами являются:

• Температура хладагента: Чем ниже температура кипения хладагента (например, аммиака) в охлаждающей рубашке, тем интенсивнее отводится тепло и тем быстрее охлаждается эмульсия. Это главный рычаг управления скоростью процесса.
• Скорость потока эмульсии: Производительность насоса, подающего эмульсию в охладитель, определяет время нахождения продукта в зоне охлаждения. Снижение скорости потока увеличивает время контакта и степень охлаждения.
• Скорость вращения скребков: Частота вращения вала с ножами влияет на эффективность снятия замерзшего слоя и гомогенизацию продукта. Более высокая скорость способствует лучшему теплообмену и получению более однородной структуры.

Существует прямая и очевидная зависимость: чем выше общая скорость охлаждения, тем меньше средний размер образующихся кристаллов жира. Регулируя температуру, производительность и скорость вращения, можно добиться оптимального режима для производства различных типов маргарина — от твердых брусковых до мягких наливных, каждый из которых требует своей уникальной кристаллической структуры и реологических свойств. Этот тонкий подбор параметров является основой мастерства в технологии производства маргарина.

Этот анализ подводит нас к финальной части исследования — прямой оценке того, как полученная на охладителе структура влияет на финальные потребительские свойства продукта.

Глава 3. Исследовательская часть. Взаимосвязь режима охлаждения и качества маргарина

3.1. Анализ влияния размера кристаллов на пластичность продукта

Пластичность является одной из важнейших характеристик качества маргарина, определяющей его потребительскую ценность, особенно для бутербродных видов и продуктов для выпечки. Под пластичностью понимают способность продукта деформироваться под механическим воздействием (например, при намазывании на хлеб) без разрушения своей сплошной структуры, то есть без крошения или выделения влаги.

Эта макроскопическая характеристика напрямую определяется микроструктурой продукта. Как уже отмечалось, при быстром охлаждении в вытеснителе образуется огромное количество мельчайших кристаллов жира (β’-форма). Эти кристаллы сцепляются друг с другом, формируя прочную и густую, но при этом гибкую пространственную сетку. Каркас этой сетки удерживает в своих ячейках как жидкую фракцию жира, так и диспергированные капельки воды, создавая единую, стабильную систему. Именно наличие такой мелкокристаллической сетки и придает маргарину его характерную плотную и пластичную консистенцию.

В противоположность этому, крупные кристаллы, образующиеся при медленном охлаждении, формируют слабую и хрупкую структуру. Связи между такими кристаллами легко разрушаются, что приводит к крошению продукта и нарушению его однородности. Таким образом, пластичность маргарина является прямым следствием формирования мелкокристаллической структуры, достичь которой можно только при помощи эффективного и быстрого охлаждения, обеспечиваемого вытеснительным охладителем.

Установив связь между кристаллами и пластичностью, остается обобщить все выводы и подвести итоги проделанной работы.

В ходе выполнения данной курсовой работы была прослежена и доказана ключевая технологическая цепочка в производстве маргарина. Качество конечного продукта, выраженное в его пластичности и органолептических свойствах, напрямую определяется размером кристаллов жира в его структуре. Формирование предпочтительной мелкокристаллической структуры полностью зависит от скорости охлаждения маргариновой эмульсии. В свою очередь, необходимая скорость охлаждения достигается за счет особой конструкции и режима работы специализированного оборудования — вытеснительного охладителя.

Таким образом, можно сделать финальный вывод: вытеснительный охладитель является центральным аппаратом в технологической линии, который через управление процессом кристаллизации определяет фундаментальные качественные характеристики готового маргарина. Поставленная в начале исследования цель была достигнута, а задачи — выполнены. Были изучены теоретические основы, описана технология и проанализирована решающая роль охладительного оборудования.

Список использованных источников

• Арсеньева, Т. П. Технология маргарина и жиров. — СПб.: ГИОРД, 2010. — 416 с.
• Бренц, М. Я. Товароведение пищевых жиров, молока и молочных продуктов. — М.: Экономика, 1985. — 224 с.
• О’Брайен, Р. Жиры и масла. Производство, состав и свойства, применение. — СПб.: Профессия, 2007. — 752 с.
• Сергеев, А. Г. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров. Том 3, книга 2. — Л.: ВНИИЖ, 1977. — 351 с.
• ГОСТ 32188-2013. Маргарины. Общие технические условия. — М.: Стандартинформ, 2014.
• Патент РФ №2247123. Способ производства маргарина. / Калошин Ю.А., и др. Опубл. 27.02.2005.
• Тютюнников, Б. Н. Химия жиров. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Колос, 1992. — 448 с.
• Касторных, М. С. Товароведение и экспертиза пищевых жиров, молока и молочных продуктов. — М.: Академия, 2003. — 288 с.
• Козин, Н.И. Применение эмульсий в пищевой промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1966. — 252 с.
• Щербаков, В. Г. Химия и биохимия переработки маслосемян. — М.: Пищепромиздат, 1977. — 180 с.
• Промышленная технология жиров и жирозаменителей / Под ред. А. Г. Сергеева. — М.: Пищевая промышленность, 1970. — 696 с.
• Ребиндер, П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. — М.: Наука, 1978. — 368 с.
• Технология переработки жиров / Н.С. Арутюнян, Е.П. Корнена, Е.А. Нестерова и др. — М.: Пищепромиздат, 1999. — 452 с.
• Санитарные правила для предприятий маргариновой промышленности (утв. Главным санитарным врачом СССР 30 декабря 1971 г. N 946-А-71).
• Ободеев, А.Л. Оборудование предприятий масло-жировой промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1971. — 568 с.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 18919-73 Препарат ферментный амилоризин П10х. – М.: Госстандарт СССР, 1974. – 16 с.
2. ГОСТ 27844-88 Изделия булочные. Технические условия. – М.: Госстандарт СССР, 1989. – 28 с.
3. Брусенцев А.А. Технологическое оборудование отрасли. Учебно-методическое пособие. — СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. — 50 с.
4. Головань Ю.П. Технологическое оборудование хлебопекарных предприятий. – М.: Агропромиздат, 1988.
5. Гришин А.С. Дипломное проектирование предприятий хлебопекарной промышленности. – М.: Агропромиздат, 1986. – 72 с.
6. Зверева Л.Ф. Технология и технохимический контроль хлебопекарного производства. – М.: Легкая и пищевая промышленность,1983.
7. Ильинский Н.А. «Условные обозначения технологического оборудования хлебозаводов»: Москва-1973г.
8. Калачев, М. В. Малые предприятия для производства хлебобулочных и макаронных изделий. — М. : ДеЛи принт, 2008. — 288 с.
9. Кострова, И. Е. Малое хлебопекарное производство: правила организации. — СПб.: ГИОРД, 2011. — 116 с.
10. Мартынова, А.П. Гигиена труда в пищевой промышленности: Справочник / А.П. Мартынова. – М.: Агропромиздат, 1998. – 220 с.
11. Никитин, В.С. Охрана труда на предприятиях пищевой промышленности / В.С. Никитин, Ю.М. Бурашников – М.: Агропромиздат, 1991. – 350 с.
12. Талейсник М.А., Технология мучных кондитерских изделий: Учебник для сред. проф. образования /М.А Талейскин, Л.М Аксенова. – М.: Агропромиздат, 1986. – 224 с.
13. Пащенко, Л. П. Технология хлебобулочных изделий. — М. : КолосС, 2006. — 390 с.
14. Пучкова Л.И. Технология хлеба. – СПб.: ГИОРД, 2005. – 324 с.
15. Скурихин, И.М. Химический состав пищевых продуктов. Кн.2: Справочные таблицы содержания аминокислот, жирных кислот, витаминов, макро- и микроэлементов, органических кислот и углеводов / И.М. Скурихин, М.Н. Волгарева. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1987 – 360 с.
16. Улучшители муки, применяющиеся при выпечке хлеба [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://prodobavki.com