Производство молочного жира (AMF)

Обзор

Основная цель процесса изготовления AMF заключается в том, чтобы разбить эмульсию типа «масло в воде» и отделить немолочные жиры. Возможны два варианта: либо прямой путь через обезжиривание сырого молока с последующей обработкой/концентрированием сливок, либо из масла. В результате применения гибкой технологии и автоматизированной системы производства в качестве основных компонентов для производства AMF могут использоваться сливки, а также сладкосливочное и кислосливочное масло.

Процесс изготовления обезвоженного масла из сливок
Процесс изготовления обезвоженного масла из сливок

На схеме технологического процесса показан пример изготовления AMF из сливок.

Можно также использовать технологию обработки гидроксидом натрия (NaOH) для снижения содержания свободных жирных кислот. В систему управления установкой могут быть введены различные параметры процесса обработки и переменные значения для различных материалов и уровней качества; такие параметры процесса обработки и переменные значения автоматически настраивают все регулирующие устройства и функциональные процедуры в соответствии с требованиями индивидуального продукта.

Стандартная технология

Сливки с содержанием жира примерно 40 процентов подаются в данную установку и предварительно нагреваются до температуры 55 – 60°C в пластинчатом теплообменнике. Такая температура необходима для того, чтобы обеспечить минимальную вязкость сливок, концентрируемых в чане сепаратора, и достижения вместе с этим максимальной разности плотностей между фазой сгущенных сливок и фазой сыворотки. После этого концентратор сливок выполняет концентрирование сливок до жирности 75 процентов. После этого полученный концентрат направляется на линию инверсии фаз. Отделенная сыворотка откачивается из сепаратора в танк для пахты после охлаждения и рекуперации теплоты. Это значит, что все еще теплая сыворотка используется для рекуперации теплоты, что также положительно отражается на энергоэффективности системы, в целом.

Как и в случае с процессом изготовления сливочного масла, основная цель заключается в том, чтобы разбить и отделить оболочку жирового шарика для достижения инверсии фаз. Оболочки жировых шариков могут быть разбиты с использованием механической энергии. Процесс выделения жиров и связанный с этим процесс конверсии фаз происходит путем разделения цельных жировых шариков механическим способом в гомогенизаторе. Указанные ниже аспекты имеют крайне важное значения для эффективной конверсии фаз: концентрирование сливок при загрузке в гомогенизатор, конструкция гомогенизатора, давление гомогенизации и специальная рециркуляция фазоинвертированной среды.

В установленном далее концентраторе масла эмульсия и сыворотка, а также тяжелая фаза отделяются от легкой масляной фазы и направляются обратно в систему концентрирования сливок. С другой стороны, легкая масляная фаза с концентрацией до 99 процентов нагревается до температуры примерно 90° C и промывается после добавления воды. В фильтр-прессе для очистки растительного масла промывочная вода отделяется, а содержание оставшейся воды уменьшается в вакуумном испарителе. На данной стадии технологического процесса содержание масла в регенерированном топленом масле составляет не менее 99,8 процента, что соответствует требованиям самой высокой категории качества продукта. Перед передачей AMF на хранение масло охлаждается до температуры около 50° C.

Концентрирование сливок

Концентратор сливок
Концентратор сливок

Концентрирование сливок осуществляется с использованием специально приспособленных молочных сепараторов, которые рассчитаны на концентрирование густых сливок. Предварительно нагретые сливки транспортируются из пластинчатого теплообменника непосредственно в систему загрузки сепаратора. Жирность концентрируемых в сепараторе сливок составляет от 35 – 42 процентов до 72 – 75 процентов. Такой процент жирности должен быть получен для достижения оптимальных условий на последующих стадиях технологического процесса. Высококонцентрированные сливки направляются по максимально короткому маршруту непосредственно в так называемый высокожирный танк, который служит буферной емкостью перед гомогенизатором и инверсией фаз. Отделенная сыворотка транспортируется в танк для хранения после рекуперации тепла и окончательного охлаждения.

Инверсия фаз

Инверсия фаз
Инверсия фаз

В нормальном состоянии молочный жир образует устойчивую эмульсию с водой в разном соотношении масла и воды. Для стабилизации эмульсии жир покрывается адсорбционным слоем фосфолипидов и белков. 

При производстве AMF основной задачей является разбивка этой эмульсии и отделение немолочных жиров. Разбить оболочку жирового шарика можно с использованием механической энергии или химической реакции. Механическая энергия (например, гомогенизация) используется для взламывания оболочки жирового шарика. Жировые шарики небольшого диаметра формируются вновь создаваемыми оболочками, которые сами были созданы путем фрагментации исходных оболочек, а также из белков в молочной сыворотке.

Уменьшение количества жировых шариков также используется, например, при производстве питьевого молока в целях предотвращения так называемого эффекта "сливкообразования".

В данном технологическом процессе невозможно достичь полной инверсии фаз. В дополнение к этому образуется относительно устойчивый эмульсионный слой из имеющегося количества сливок и части сыворотки; это препятствует отделению третьего слоя между фазами масла и сыворотки.

Для сведения к минимуму обратимого процесса образования новых цельных жировых шариков необходимо принять специальные меры.

Приведенное ниже описание касается минимизации содержания эмульсии: на образование устойчивой эмульсии влияют, преимущественно, три фракции, а именно: жиры, фосфолипиды и белки. Если удалить одну из трех фракций или изменить ее до такой степени, что она уже не может быть использована в качестве строительного блока для оболочек жировых шариков, то это предотвращает образование цельных жировых шариков, и формирование эмульсии становится невозможным.

В случае применения всех указанных выше параметров к инверсии фаз это приводит к показателю инверсии, составляющему 80 – 95 процентов.

В отличии от стандартной гомогенизации, в данном случае цель заключается не в уменьшении размера жировых шариков, а в разрушении оболочек или покрытия шариков для извлечения жира. Поэтому очень важно предотвратить образование жировых шариков с цельными новыми оболочками.

Первым выводом из вышесказанного является то, что количество сыворотки должно быть сведено к минимуму до начала фактического производства масла с тем, чтобы минимизировать количество имеющихся блоков для строительства оболочки жировых шариков.

Поэтому для достижения соответствующего выделения жира содержание жира в сливках должно составлять выше 75 процентов, что достигается в концентраторе сливок. Выделение жира и возникающая в результате этого инверсия фаз осуществляются путем механической фрагментации цельных жировых шариков в гомогенизаторе.

Инверсия фазы - Гомогенизатор

Концентрирование масла

Концентратор масла
Концентратор масла

После инверсии фаз, в дополнение к концентрированию жира с использованием следующей стадии сепарации, выполняется концентрирование масла. В отличие от первой стадии концентрирования, данная стадия выполняется уже не с использованием стандартного молочного сепаратора, а с использованием специального масляного сепаратора. В отличие от сепаратора для отделения сливок конфигурация тарельчатого сепаратора имеет существенные отличия. Во-первых, это обусловлено изменением объема потоков, при которых основную часть составляет жировая фаза, а во-вторых, основной акцент теперь делается на чистоте масла.

Это становится понятным, если посмотреть на поперечный профиль емкости масляного сепаратора. Идущие вверх каналы направлены к внешней кромке емкости для максимального увеличения пути прохождения масла и, соответственно, достижения высокой степени очистки масла. Масло должно быть максимально очищенным от белков во избежание образования новой эмульсии на последующих стадиях технологического процесса. Показатель содержания жира в сыворотке имеет лишь второстепенное значение на данной стадии технологического процесса.

На данной стадии концентрация жира в продукте составляет от 72 – 75 процентов до приблизительно 99 процентов. Указанная выше фаза эмульсии отделяется от сыворотки в качестве тяжелой фазы. Эмульсия, в частности, отделяется путем использования емкости специальной конструкции. 

В зависимости от концентрации свободных жиров, полученных в результате инверсии фаз, содержание жира в сыворотке составляет от 15 до 25 процентов. Благодаря предшествующей стадии инверсии фаз в находящейся в данном сепараторе сыворотке наблюдается очень высокая концентрация фосфолипидов и лецитина, которая сопоставима с концентрацией фосфолипидов и лецитина в пахте, полученной при использовании стандартной технологии сбивания масла. 

Сыворотка загружается в уравнительный танк, установленный перед концентратором сливок. Таким образом происходит повторное отделение жира от сыворотки в процессе концентрирования сливок. Обезжиренная таким методом сыворотка выводится из технологического процесса в виде смешанной фазы, и это означает, что на данной стадии производится только один поток сыворотки. Перед следующей стадией отделения концентрированное масло нагревается до соответствующей технологической температуры, составляющей около 90° C.

Осветление масла

Состав масла без осветления и с осветлением
Состав масла без осветления и с осветлением

На последней стадии сепарации концентрированное и подогретое масло "осветляется". Данная стадия обеспечивает высокий уровень очистки AMF, требуемый в соответствии с правилами изготовления. На приведенной выше схеме показан состав масла без осветления в верхней части и состав масла с осветлением в нижней части.

Для достижения дополнительного уровня "очистки" масла в концентрированное масло добавляется определенное количество горячей воды. Эта вода снижает концентрацию масла и, следовательно, уменьшает содержание все еще присутствующей лактозы и золы.

Добавленная вода снова незамедлительно отделяется в так называемом осветлительном сепараторе. Жирность очищенного и концентрированного таким способом масла составляет около 99 процентов. Отделенная смесь сыворотки и воды содержит компоненты сепарированного молока и очень низкое содержание жиров в дополнение к добавленной воде. Для обеспечения содержания воды в масле на уровне ниже 0,1 процента масло перемещается на последнюю стадию технологического процесса перед его охлаждением и упаковкой.

Сушка масла/вакуумная сушилка

После осветления нагретое до температуры 90° C масло загружается в вакуумную сушилку. Место загрузки продукта спроектировано таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную площадь поверхности и, следовательно, хорошее испарение воды из масла. Установленный конденсатор и вакуумный насос уменьшают давление в емкости примерно до -0,9 бар с тем, чтобы испарение воды происходило при температуре ниже 100° C. Этот же самый насос отсасывает производимые испарения. Перед отводом испарений из замкнутой системы осуществляется мгновенное охлаждение. Возможные остаточные жировые компоненты, которые выводятся вместе с испарениями, отделяются в танке для улавливания жира и, следовательно, не загружают системы сточных вод.

Масло отделяется от нижней секции выпарной установки и транспортируется/перекачивается в систему охлаждения.

Уменьшение содержания FFA

Наличие FFA (= Свободных жирных кислот) в готовом масле, приводит, как правило, к снижению качества масла. Кроме того, стандартами МДФ устанавливаются предельно допустимые показатели содержания FFA (рисунок 1). При необходимости снижения содержания FFA, например, по причине слишком высоких исходных показателей, этого можно достигнуть путем использования физических и химических методов.

Свободные жирные кислоты – это короткоцепочечные жиры, такие как масляные кислоты, капроевые кислоты и карминовые кислоты. Значительные концентрации указанных кислот в масле могут стать причиной ухудшения вкусовых качеств (прогорклость) и (или) запаха масла.

Свободные жирные кислоты образуются в результате процесса, при котором ферменты липазы прилипают к оболочке жирового шарика и с течением времени расщепляют свободные жиры. Необходимо учитывать, что

активность ферментов при низких температурах очень замедлена. Максимальная активность ферментов наблюдается при температуре 37° C. При температурах выше 50° C активность ферментов является минимальной и полностью прекращается при более высоких температурах (> 60° C). При возможном наличии относительно высокого содержания FFA в исходном продукте, а именно: сливках и масле, может потребоваться проведение специальных мероприятий для удаления свободных жирных кислот из продукта.

Для снижения содержания FFA может быть использован метод омыления. Добавление щелочи (показатель кислотности продукта - pH > 11) приводит к "омылению" свободных жирных кислот.

Получаемый в результате этого осадок в виде хлопьев может быть отделен в осветлительном сепараторе. Полученная фаза должна быть полностью выведена из технологического процесса.

Пероксидные числа

Качество топленого масла определяется также пероксидным числом, которое показывает миллиграмм-эквиваленты кислорода O, связываемого пероксидом, в одном килограмме масла. Уже произошедшее окисление жиров, как правило, не может быть уменьшено; при этом окисление можно подавить или удерживать на постоянном уровне в течение определенного периода времени. Это достигается за счет добавления так называемых антиоксидантов.

Антиоксиданты – это присадки, которые препятствуют увеличению пероксидного числа масла и в определенной мере снижают уже имеющиеся значения пероксидного числа. Например, можно использовать витамин Е.

Конечная концентрация витамина Е в топленом масле не должна превышать 200 мг/м3. Компания GEA обладает технологией приготовления и добавления веществ такого типа.

Вторичное обезжиривание

Отличие вторичного обезжиривания от стандартного процесса обезжиривания

Вторичное обезжиривание бета-сыворотки

В процессе центробежного сепарирования продукта основная часть свободных фосфолипидов перемещается в сыворотку. По этой причине необходимо вычислить содержание фосфолипидов с целью определения выхода "тяжелой фазы" из процесса изготовления топленого масла. Как правило, используются пастеризованные сливки. Основное отличие от стандартного процесса обезжиривания заключается в том, что фаза сыворотки возвращается в процесс по мере высвобождения фосфолипидов из оболочек жировых шариков во время процесса инверсии фаз.

В отличие от стандартной технологии, в данном случае происходит отдельное обезжиривание в сепараторе сыворотки и концентраторе масла. Сыворотка из масляного сепаратора собирается в буферном танке и оттуда загружается в так называемый экспериментальный сепаратор сыворотки. Отделенный здесь жир направляется непосредственно в процесс изготовления AMF в высокожирный танк. 

Данный вариант технологического процесса сочетает два больших преимущества. Во-первых, это раздельное охлаждение после завершения вторичного обезжиривания и, следовательно, раздельное наличие бета-сыворотки, которая демонстрирует исключительно высокое содержание фосфолипидов и, таким образом, является идеальной основой для специальных продуктов. Во-вторых, отдельное вторичное обезжиривание снимает нагрузку на используемый концентратор сливок, что позволяет использовать машины меньшего размера для производства аналогичного объема масла или, в случае использования существующих установок, производить больший объем масла за счет модернизации системы вторичного обезжиривания. 

В данном процессе альфа-сыворотка не перемешивается с бета-сывороткой и, следовательно, имеет очень незначительное содержание фосфолипидов в сравнении со стандартной технологией. Таким образом, использование сыворотки может быть сопоставимо с возможностью использования обезжиренного молока; при этом следует заметить, что содержание жиров в сыворотке незначительно превышает содержание жиров в обезжиренном молоке, поскольку определенная часть жира переходит в фазу жира в процессе концентрирования сливок.

Технология производства с использованием масла

При использовании масла в качестве исходного продукта эмульсия типа «масло в воде» уже присутствует. Частичная инверсия фаз происходит во время процесса взбивания. Решающее значение при проектировании установки имеет используемый исходный продукт. В принципе, для сепарирования растопленного масла подходит также установка для производства сливок.

Сладкосливочное масло

При обработке сладкосливочного масла с показателем кислотности около 6,5 без возможности использования "химических веществ" (например, лимонной кислоты) для денатурирования белков необходимо принять во внимание эмульсионный слой.

Центрифугирование и разрушение этого слоя может быть выполнено только с помощью специально спроектированных сепараторов и инверсии фаз. Метод эксплуатации сепаратора оказывает существенное влияние на технологический процесс, необходимое дополнительное оборудование и эффективность работы установки. Для переработки сладкосливочного масла необходимо использовать сепаратор, который обеспечивает содержание жира до 99,5 процентов. Эмульсия должна отводиться с фазой сыворотки.

Растопленное масло, например, растопленное с использованием BXA, обычно подается напрямую в высокожирный танк. Бруски масла извлекаются из холодильника при температуре хранения, например, -20° C, и растапливаются в плавильной системе. Температура продукта в буферном танке, в зависимости от конструкции установки, составляет от 45 до 65° C. Температура продукта повышается до 70 – 75° C в пластинчатом теплообменнике. 

Для сведения к минимуму фазы эмульсии требуется инверсия фаз с использованием гомогенизатора. Концентратор масла достигает сепарации жира на уровне 99 процентов. Тяжелая фаза и смесь пахты с остаточными частицами эмульсии подается в сепаратор для отделения сливок.

Масляная фаза (легкая фаза) нагревается до температуры около 90° C, а затем подвергается сепарированию в дополнительном сепараторе. Перед подачей масла в осветлительный сепаратор добавляется промывочная вода в целях повышения качества масла.

Дальнейшие стадии процесса аналогичны процессам, которые уже были описаны ранее. Поскольку концентратор сливок отсутствует, то после концентратора масла настоятельно рекомендуется использовать метод вторичного обезжиривания фазы сыворотки. При обработке кислосливочного масла с уровнем кислотности от 4,6 до 4,5 и повышенным содержанием белков можно использовать фильтр-отстойник. Можно использовать метод раздельного концентрирования твердых примесей.

В любом случае, для увеличения концентрации жира до 99,5 процентов ниже по технологической линии требуется установка дополнительного сепаратора (сепаратора для осветления масла).

Соленое сливочное масло

В последние годы наблюдается устойчивая тенденция к использованию соленого сливочного масла в качестве исходного материала для производства топленого масла. Соль вместе с пахтой удаляется в процессе центробежной сепарации. Концентрация соли в пахте увеличивается примерно до 10 процентов, если первоначальное содержание соли в масле составляло, например, 2 процента. Дополнительная обработка соленой пахты имеет ограничения.

Фаза эмульсии в подсоленном сладкосливочном масле может быть также "разрушена" путем добавления лимонной кислоты. Одновременно с этим происходит денатурирование содержащегося в масле белка. После этого исходный материал имеет те же свойства, которые характерны для кислосливочного масла.

Растопленное масло доводится до показателя кислотности 4,5 – 4,6 путем добавления кислоты. При данном показателе кислотности денатурируется не только свободный белок; в дополнение к этому, в результате изменений свойств белка в оболочке цельных жировых шариков происходит вскрытие оболочки и разрушение эмульсии. После этого, в дополнение к чистой воде и масляной фазе, возникает легко фильтруемый осадок. В отличие от "настоящего" кислосливочного масла содержание такого осадка значительно ниже. Одна из причин заключается в меньшем содержании обезжиренной сухой массы (часть которой состоит из белков) в сладкосливочном масле по сравнению с кислосливочным маслом.

Специальные технологии/Специальные решения

В дополнение к описанным выше технологиям в некоторых случаях для соответствия всем требованиям требуется применение специальных решений.

Периодический процесс производства

При переработке лишь небольших объемов сливок может быть использована система, состоящая из двух сепараторов. Кроме сепаратора сливок используются не два, а только один сепаратор масла.

Для производства AMF с использованием данной системы исходный продукт должен пройти через установку дважды. На первой стадии/партии выполняется концентрирование сливок, осуществляется инверсия фаз и концентрирование масла.

Промежуточный продукт перемещается для хранения в большой буферный танк. После заполнения танка процесс прерывается и подготавливается для второй партии/стадии без переработки свежих сливок.

На следующей стадии сконцентрированное ранее масло проходит те же стадии обработки, которым был ранее подвергнут исходный продукт. Для нагревания масла до температуры 90° C используется нагреватель сливок, который использовался на первой стадии. 

Ранее использованный концентратор используется в качестве осветлительной установки на второй стадии, и промежуточный продукт из первой стадии подвергается дополнительной обработке для достижения уровня качества AMF.

Дополнительные стадии могут быть сопоставимы со стадиями исходного процесса.

Производство топленого масла

Линия по производству топленого масла
Линия по производству топленого масла

Топленое масло, которое также известно как очищенное топленое масло – это один из самых главных используемых жиров во многих регионах мира, включая его применение в индийской, пакистанской и африканской кухне.

В отличие от AMF, при производстве очищенного топленого масла белки должны сохраняться в продукте в течение максимально возможного периода времени, и тепловая обработка должна выполняться таким образом, чтобы обеспечивалось сохранение необходимых вкусовых качеств.

Классический метод заключается в нагревании и кипячении масла или сливок на огне в так называемых варочных котлах до момента испарения всей воды и одновременного "сжигания" и денатурирования белков.

После этого отделяется отстой, а жировая фаза используется в качестве очищенного топленого масла.

Для повышения эффективности и скорости данного процесса могут быть использованы простые сепараторы в сочетании с центробежными сепараторами. После растапливания масла и выпаривания воды подготовленный продукт отделяется от твердых примесей в фильтре-отстойнике и установленным выше по потоку центробежном сепараторе и в результате этого достигает высокой степени очистки.

Промежуточные стадии, такие как осаждение, не используются, поэтому имеющиеся варочные котлы могут использоваться с гораздо большей эффективностью.