Производство мороженного
1. Введение
Мороженое — очень древнее лакомство. Историки считают, что мороженое насчитывает более 5000 лет.
Ещё в 3000 году до нашей эры в Китае к столу подавались десерты, отдалённо напоминающие мороженое— снег и лёд, смешанные с кусочками апельсинов, лимонов и зёрнышками гранатов. Рецепты и способы хранения были рассекречены лишь в XI веке до нашей эры в книге «Ши-кинг».
В письмах Соломона, царя Израиля, описывается применение охлаждённых соков во время уборки урожая. Охлаждённые вина, соки и молочные продукты потребляли ещё древние греки. Античный врач Гиппократ рекомендовал мороженое для укрепления здоровья.
Мороженым угощали Александра Македонского во время его походов в Индию и Персию. Тогда придумали замораживать в снегу ягоды. За снегом в горы посылали рабов, а чтобы он не таял, устраивали специальные эстафеты. Тогда же придумали добавлять в воду с фруктами вино, мед и молоко.
В античном Риме снег и лёд также использовался для приготовления фруктовых напитков. Апиций в книге «О кулинарном искусстве» описывает приготовление прохладительных напитков.
У Нерона холодными десертами завершались трапезы. Горный лёд смешивали с фруктовыми добавками. Снег для их приготовления доставляли с альпийских ледников, а для длительного хранения снега строили специальные ледяные погреба.
Персидский путешественник Нассири-Хозрау в 1040 году н. э. писал, что к столу каирского султана ежедневно из горных районов Сирии доставляли снег для приготовления напитков и мороженого.
Существует предположение, что в Южной Европе знакомство с мороженым произошло в начале XIV века через Марко Поло. Он описал мороженое в своих путевых журналах. Есть версии, что именно он привёз из Китая рецепт экзотического ледяного десерта. Поначалу лёд хранился в специальных закрытых местах и подавался к столу только для королевских семей и римских пап. Постепенно производство льда удешевлялось.
Создание первого настоящего мороженого, известного нам, с добавлением молока, сахара, шоколада, ванили и т. д., приписывают парижскому кафе "Tortoni" в конце XVIII века.
В некоторых странах Европы (в Белоруссии, Украине и России) замороженное молоко являлось национальным блюдом. В Киевской Руси подавали мелко наструганное замороженное молоко. В деревнях на масленицу изготовлялась смесь из замороженного творога, сметаны, изюма и сахара. В современном варианте мороженое появилось в России в середине XVIII века.
Производство
До появления современных способов замораживания мороженое было роскошным лакомством только для особых случаев. Производство мороженого было довольно сложным.
В настоящее время мороженое производится с использованием автоматических фризеров в случаях, когда производительность должна быть от 1 до 15 кг в час. Возможности производства более серьёзных объёмов доступны на хладокомбинатах.
2. Описание технологической
Приёмка молока осуществляется в соответствии с органолептическими, микробиологическими и физико-химическими нормами, установленными ГОСТом 52054-03, приёмка молока осуществляется центробежным насосом марки В2-ОРА-2. Всё сырье, использующееся для производства мороженого, принимают по количеству и качеству. Жидкое сырьё находиться в охлаждённом состоянии в резервуарах, остальное сырьё храниться в камерах, в которых поддерживаются определенные температура и влажность воздуха.
Резервирование молока. Профильтрованное молоко поступает в вертикальный резервуар марки В2-ОМВ-2,5 , где происходит его охлаждение с целью продления бактерицидной фазы и хранения с целью обеспечения проточности производства. Резервуар для хранения снабжён теплоизоляцией, охлаждающей батареей и мешалкой. В качестве хладоносителя используется раствор хлористого кальция (рассол). Температура хранения молока не выше +6 0С.
Подготовка сырья. Для производства мороженого используется следующие компоненты:
- Молоко коровье; вода: фильтруются для очистки от механических примесей и подогреваются в пластинчатом теплообменнике горячей водой до t 35 – 40 0С.
- Масло коровье сливочное: поверхность монолита очищают от пергамента, зачищают и расплавляют на змеевиковых плавителях, t которых должна быть не выше 40 0С с целью предотвращения вытапливания молочного жира.
- Сахар-песок; молоко цельное сухое; молоко обезжиренное сухое: просеивают, в случае необходимости дробят и растирают. Молоко цельное сухое для лучшего растирания тщательно перемешивают с сахарным песком в соотношении 2:1 и растирают в тёплом молоке до получения однородной массы.
- Молоко цельное сгущённое с сахаром: очищают от возможного заплесневения.
- Стабилизатор-эмульгатор: смешивают с сахаром-песком, затем подогревают до t 45 -55 0С.
- Ванилин: вносят в смесь в виде 5% водного раствора, или в виде водно-спиртового раствора: 300±1 г. ванилина, 200±1 г. спирта и 500±1 г. воды при t не ниже 30 0С.
Составление смеси. Процесс происходит в ваннах марки Д7-ОСА-1(мороженое сливочное) или в ванне В2-ОСВ-5 ( мороженое пломбир). Смесь мороженого готовят в соответствии с рецептурами, которые рассчитывают исходя из фактического наличия сырья, его состава. Сырьё для приготовления смеси мороженого вводят в следующем порядке: жидкие компоненты, сгущённые молочные продукты, сухие продукты, стабилизаторы.
Жидкие компоненты подогревают до t 35- 40 0С, после этого в ванну вносят сгущённые и сухие компоненты. Масло сливочное вводиться в смесь в расплавленном виде с t 38 -40 0С. Смесь выдерживают при перемешивании в течение 20 -30 минут. Смешивание проводиться при t 35 - 40 0С, что обеспечивает хорошее растворение и избегает заваривание некоторых компонентов. В последнюю очередь перед пастеризацией вносят стабилизаторы, а некоторые вкусовые наполнители вносят перед фризерованием.
Фильтрование смеси. Для удаления из смеси не растворившихся комочков сырья и возможных различных механических примесей её фильтруют после смешивания компонентов, используя для этой цели сетчатые фильтры марки А1-ОШФ.
Пастеризация. Целью пастеризации является уничтожение патогенных микроорганизмов и снижение общего числа содержания микрофлоры. Из-за повышения содержания сухих веществ, необходимости в дальнейшем получить более вязкую, густую консистенцию и оказание защитного действия на микроорганизмы выбирается более строгий режим пастеризации t 80 - 85 0С выдержка 3-5 минут. Проводят пастеризацию на ОПЯ-2,5, смесь подаётся в 2 секции рекуперации, затем поступает в секцию пастеризации. Потом выходит на гомогенизацию с той же температурой. После гомогенизации смесь поступает в секции рекуперации, где частично отдаёт своё тепло вновь поступившей смеси, а затем идёт в секцию охлаждения, где охлаждается до t 4 -6 0С.
Фильтрация смеси проводится с целью удаления частичек пригара, образовавшегося при пастеризации.
Гомогенизация смеси проводится с целью улучшения структуры мороженого за счёт дробления жировых шариков, что ведёт к уменьшению их отстаивания при хранении и подвзбивание при фризеровании. Гомогенизацию проводят на гомогенизаторах А1-ОГМ-2,5 в 2-е ступени с температурой пастеризации, т.к. более низкая t вызывает в смеси образование жировых шариков, которые в результате процесса взбивания разрушают воздушные пузырьки и ухудшают взбитость мороженого, следовательно, консистенция получается неоднородная и чувствуется крупинки жира. Давление для сливочного 12,5 МПа, пломбир 9 МПа.
Охлаждение и созревание смеси Охлаждение проводится на ОПЯ-2,5, оно необходимо для подготовки смеси к созреванию. Охлаждённую смесь направляют в резервуар марки В2-ОМВ. В процессе созревания, в результате кристаллизации некоторых триглицеридов 50% молочного жира отвердевает. А так же в процессе созревания происходит набухание белка молока и стабилизатора, снижается количество воды, что препятствует образованию крупных кристаллов льда в процессе замораживания.
Продолжительность созревания зависит от вида вносимого стабилизатора (желатин – не менее 4 ч.; агар-агар – исключается созревание).
Фризерование - основной процесс производства мороженого, при осуществлении которого происходит частичное замораживание и насыщение смеси воздухом, который в продукте распределяется в виде мельчайших пузырьков. Процесс фрезирования смеси осуществляется на фризере Б6-ОФШ. Во время этого процесса формируются в смеси воздушные пузырьки равно распределяющиеся, объёмная доля воздуха в продукте оказывает большое влияние на структуру и вкусовые достоинства мороженого. Замороженная смесь выходит из фризера с t -3 – -5 0С, и взбитостью достигающей 100%. Взбитость определяют весовым или объемным методом.
Фасовка. Выходящее из фризера мороженое поступает не медленно на фасовку. Мороженое может быть с вафлями и без них, покрыта глазурью и без неё, упаковано в этикетку или в пакет. Для фасовки применяют поточную линии М6-ОЛ2В (мороженое в вафельном стаканчике), а также линии Л5-ОЭК (мороженое эскимо на палочке).
Закаливание осуществляется как в специальных закалочных камерах на линиях М6-ОЛ2В (t воздуха в камерах до -30 0С) ,так и в эскимогенераторах на линии Л5-ОЭК(бесконтактный способ). В процессе закаливания образуются новые кристаллы льда, происходит их срастание в жёсткий кристаллизационный каркас, что придаёт мороженому большую прочность.
Упаковка. Готовое мороженное упаковывается в потребительскую или транспортную тару. На линии М6-ОЛ2В мороженое после закалочной камеры поступает на стол, откуда оно вручную укладывается в картонную коробку по 32 шт. На линии Л5-ОЭК с помощью отводящего конвейера мороженое подаётся к завёрточной машине, где оно упаковывается в этикетку, поперечный шов скрепляется горячей сваркой, упаковки отсоединяются друг от друга отрезанием. Укладка мороженого осуществляется вручную по 50 шт.
Хранение и транспортировка. Длительное хранение мороженого (свыше 2 месяцев) возможно только при t -30 0С. Допускается хранить мороженое при t -22 – -26 0С – 1-2 месяца и относительной влажностью воздуха 85 – 90%.
Для транспортировки мороженого к месту реализации используют автомобили, оборудованные холодильными камерами.
Продуктовый расчет
Мороженое сливочное 2,5 т. в смену.
Таблица 3.3.1
Наименование продукции |
Количество сырья, % |
Количество сырья, т | |
В смену |
В сутки | ||
1. Молоко коровье цельное |
48,24 |
1206 |
1206 |
2.Сливки из коровьего молока |
18,22 |
455,5 |
455,5 |
3.Молоко цельное сгущенное с сахаром |
9,7 |
241,2 |
241,2 |
4.Молоко, обезжиренное сгущённое с сахаром |
11,5 |
287 |
287 |
5.Сахар- песок |
4,7 |
118,5 |
118,5 |
6.Агароид |
0,3 |
7,3 |
7,3 |
7.Ванилин |
0,02 |
0,4 |
0,4 |
8.Вода питьевая |
3,9 |
96,3 |
96,3 |
Вырабатывается мороженое в вафельном стаканчике на линии М6-ОЛ2В. Годовой объем переработки 2200т.\ год. Рассчитать расход компонентов по рецептуре №1 на 2,5 т.
Таблица 3.3.2
Компоненты |
На 1 т. без потерь кг. |
На 1 т. с потерями кг. |
На 2,5 т. с потерями кг. |
1.Молоко коровье цельное (жир 3,2%, СОМО 8%) |
500 |
511 |
1206 |
2.Сливки из коровьего молока (жир 40%, СОМО 4,8%) |
188,8 |
193 |
455,5 |
3.Молоко цельное сгущенное с сахаром (жир 8,5%, СОМО 26%, сахар 43,5%) |
100 |
102,2 |
241,2 |
4.Молоко, обезжиренное сгущённое с сахаром (СОМО 26%, сахар 14%) |
119 |
121,6 |
287 |
5.Сахар- песок |
49,1 |
50,2 |
118,5 |
6.Агароид |
3 |
3,1 |
7,3 |
7.Ванилин |
0,15 |
0,15 |
0,4 |
8.Вода питьевая |
39,95 |
40,8 |
96,3 |
Итого: |
1000 |
1022,0 |
2412,2 |
9.Карамель (жир 7,5%, сахароза 38,7%, СОМО 64,0%) |
137,3 |
140,3 |
331,1 |
10.Вафельные стаканчики (сухие вещества 96%) |
85,7 |
87,6 |
206,7 |
Окончание таблицы 3.3.2
По приказу № 387 находим Нр смеси на 1 т. мороженого, расфасованного в вафельный стаканчик, с учётом потерь.
Нр = 1022,0 кг.\ т.
Рассчитываем массу компонентов с учётом потерь на 1 т. мороженого при производстве и фасовки по формуле:
Мк.п.=
М к.п.- масса с учётом потерь,
М к.б.п. - масса компонентов без учёта потерь,
Нр.- нормы потерь.
1.Молоко коровье цельное:
Мк.п.= = 511 кг.
2. Сливки из коровьего молока:
Мк.п.= = 193 кг.
3. Молоко цельное сгущенное с сахаром:
Мк.п.= = 102,2 кг.
4. Молоко, обезжиренное сгущённое с сахаром:
Мк.п.= = 121,6 кг.
5. Сахар- песок:
Мк.п.= = 50,2 кг.
6. Агароид:
Мк.п.= = 3,1 кг.
7. Ванили:
Мк.п.= = 0,15 кг.
8. Вода питьевая:
Мк.п.= = 40,8 кг.
Итого: 511 + 193 + 102,2 + 121,6 + 50,2 + 3,1 + 0,15 + 40,8 = 1022,0 кг.
9. Карамель:
Мк. п. = = 140,3 кг.
10. Вафельные стаканчики:
Мк. п. = =87,6 кг.
11.Масса смеси мороженого:
= 2,36 кг.
Рассчитываем массу компонентов с учётом потерь на 2,5 т.
1.Молоко коровье цельное:
Мк. п. = 511 * 2,36 = 1206 кг.
2. Сливки из коровьего молока:
Мк. п. = 193 * 2,36 = 455,5 кг.
3. Молоко цельное сгущенное с сахаром:
Мк. п. = 102,2 * 2,36 = 241,2 кг.
4. Молоко, обезжиренное сгущённое с сахаром:
Мк. п. = 121,6 * 2,36 = 287 кг.
5. Сахар- песок:
Мк.п.= 50,2 * 2,36 = 118,5 кг.
6. Агароид
Мк.п.= 3,1 * 2,36 = 7,3 кг.
7. Ванили:
Мк.п.= 0,15 * 2,36 = 0,4 кг.
8. Вода питьевая:
Мк.п.= 40,8 * 2,36 = 96,3 кг.
9. Карамель
Мк.п.= 140,3* 2,36 = 331,1 кг.
10. Вафельные стаканчики:
Мк.п.= 87,6 * 2,36 = 206,7 кг.
Исходя из результатов продуктового расчета выбираем оборудование для линии производства мороженого.
Для приема и хранения молока принимаем резервуар В2-ОМВ-2,5 номинальной емкостью 2,5м3.
Для перекачивания молока и молочной смеси выбираем роторный насос В3-ОРА-2А производительностью 2 м3/ч, предназначенный для перекачивания по трубам вязких молочных, или иных пищевых продуктов (сливки, концентрированное и сгущенное молоко с концентрацией не менее 45%, смеси для мороженого, кисломолочные продукты) температурой до +90 С.
3. Расчет основных элементов аппарата
3.1 Определение расчетных параметров аппарата
3.1.1 Высота корпуса аппарата
Высоту корпуса аппарата находим, используя рис.1:
h1=H- (HК+100), (3)
где Нк=0,13·D - высота конической части крышки,
100 мм - размер,
который примерно учитывает
3.1.2 Высота жидкости в аппарате
Уровень заполнения аппарата жидкостью выбираем 80%
3.1.3 Расчетное внутреннее давление в аппарате
Расчетное внутреннее давление в аппарате складывается из заданного внутреннего давления и гидростатического давления среды:
РР=Р+РГ,
где РГ - гидростатическое давление среды.
Очевидно:
РГ = с·g·hж=800·9,81·2,5=19620 Па≈0,019 МПа,
здесь g=9,81 м/с2 - ускорение свободного падения,
с=800 кг/м3 - плотность среды
Оцениваем величину гидростатического давления по сравнению с давлением в аппарате
ДР%= (РГ/р) ·100= (0,019/0,1) ·100=19%
В нашем случае расчетное давление равно
РР = Р+РГ = 0,12 МПа.
3.2 Расчет обечайки корпуса
В процессе работы аппарата обечайка испытывает следующие деформации:
растяжение в окружном направлении от внутреннего давления,
растяжение по высоте аппарата от осевой растягивающей силы,
3.2.1 Толщина стенки
обечайки при нагружении
,
где ц - коэффициент прочности продольного сварного шва, который принимается в зависимости от типа сварного шва, вида сварки и длины контролируемых швов. Ориентировочно его значение принимают в пределах 0,65-1. Принимаем ц=1, Рр =0,12 Н/мм2 - расчетное давление,
D=1700 мм - диаметр аппарата,
[у] =168 Н/мм2 - допускаемое напряжение для стали 08Х18Н10Т.
Получаем:
SR1 =
3.2.2 Определение
толщины стенки обечайки при
нагружении осевой
Осевая растягивающая сила:
Толщина стенки:
SR 2=
Прибавки к расчетной толщине стенки обечайки:
С = С1+ С2+ С3.
Здесь С1 - прибавка для компенсации коррозии и эрозии:
С1= СЭ +СК
где СЭ - прибавка для компенсации эрозии. СЭ=0, т.к скорость движения среды в аппарате менее 20 м/с и отсутствуют абразивные частицы,
СК - прибавка для компенсации коррозии:
СК= П·ф = 0,1·10 = 1 мм.
Здесь ф = 10 лет - срок службы аппарата,
П=0,1 мм/год - скорость коррозии для стали 08Х18Н10Т.
Тогда
С1= СК+ СЭ = 1+ 0 = 1мм.
Общая толщина обечайки:
S = SR1 + SR2 + C1 = 0.6 + 0.3 + 1 = 1.9 мм
Из ГОСТ 19903-74 «Сталь листовая горячекатаная» принимаем толщину листа 3 мм.
3.2 Расчет эллиптического днища
Толщина стенки днища при нагружении внутренним расчетным избыточным давлением определяется выражением
= = 0,57 мм
Прибавки к расчетной толщине стенки обечайки:
С = С1+ С2+ С3.
Здесь С1 - прибавка для компенсации коррозии и эрозии:
С1= СЭ +СК
где СЭ - прибавка для компенсации эрозии. СЭ=0, т.к скорость движения среды в аппарате менее 20 м/с и отсутствуют абразивные частицы,
СК - прибавка для компенсации коррозии:
СК= П·ф = 0,1·10 = 1 мм.
Здесь ф = 10 лет - срок службы аппарата,
П=0,1 мм/год - скорость коррозии для стали 08Х18Н10Т.
Тогда
С1= СК+ СЭ = 1+ 0 = 1мм.
Общая толщина обечайки:
S = + C = 0.57 + 1 = 1.57 мм
4. Прочностной расчет элементов оборудования
Расчет выполнен при помощи САПР «ПАССАТ» 1.09 ООО «НТП Трубопровод»
Обечайка цилиндрическая №1
Исходные данные
Материал: |
08Х18Н10Т |
Внутр. диаметр, D: |
1,6∙103 мм |
Толщина стенки, s: |
3 мм |
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, c1: |
1 мм |
Прибавка для компенсации минусового допуска, c2: |
0,8 мм |
Прибавка технологическая, c3: |
0 мм |
Сумма прибавок к расчётной толщине стенки, c: |
1,8 мм |
Длина обечайки, L: |
2,5∙103 мм |
Коэффициенты прочности сварных швов:
Продольный шов:
|
= 1 |
Окружной шов:
|
= 1 |
Результаты расчёта:
Допускаемые напряжения для материала 08Х18Н10Т при температуре t = 20 oC (рабочие условия):
[s]20= |
168 МПа |
Модуль продольной упругости для материала 08Х18Н10Т при температуре 20 oC:
E20= |
2∙105 МПа |
Расчёт на прочность и устойчивость по ГОСТ 14249-89
Гладкая обечайка, нагруженная внутренним избыточным давлением (п. 2.3.1.).
Допускаемое давление:
|
= |
2 * 168 * 1 * (3 - 1,8) / (1,6∙103 + 3 - 1,8) |
=0,2518111 МПа |
0,2518111 МПа ³ 0,2189101 МПа
Заключение: Условие прочности выполнено
Расчётная толщина стенки с учётом прибавок:
|
= (0,2189101 * 1,6∙103 )/(2 * 168 * 1 - 0,2189101) + 1,8 |
=2,843109 мм |
Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления:
|
= 2 * ((3 – 1,8) / 1,043109 – 0.8) * (1,6∙103 * (3 – 1,8))1/2 |
= 30,70818 мм |
Минимальное расстояние между “одиночными” штуцерами:
|
= 2 * (1,6∙103 * (3 – 1,8))1/2 |
= 87,63561 мм |
Обечайка, нагруженная осевым растягивающим усилием (п. 2.3.3.).
Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности:
|
= |
3,141593* (1,6∙103 + 3 - 1,8) * (3 - 1,8) * 168 |
=1,014112∙106 Н |
Допускаемое осевое растягивающее усилие:
|
= |
1,014112∙106 * 1 |
=1,014112∙106 Н |
1,014112∙106 Н ³ 2,3223∙105 Н
Заключение: Условие прочности и устойчивости выполнено
Обечайка, работающая под совместным действием внутреннего давления, осевого растягивающего усилия и изгибающего момента.
Проверка условия прочности: |
|
|
= (2,3223∙105 + 0,2189101 * 3,141593 * 1,6∙103 2 / 4) / 1,014112∙106 + 0 / 0 |
= 0,6630182 £ 1 |
Заключение: Условие прочности выполнено
Днище эллиптическое №1
Расчёт на прочность и устойчивость по ГОСТ 14249-89
Исходные данные
Материал: |
08Х18Н10Т |
Внутр. диаметр, D: |
1,6∙103 мм |
Толщина стенки днища, s1: |
5 мм |
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, c1: |
1 мм |
Прибавка для компенсации минусового допуска, c2: |
0 мм |
Прибавка технологическая, c3: |
0 мм |
Суммарная прибавка к толщине стенки, c: |
1 мм |
Высота днища, H: |
350 мм |
Длина отбортовки, h1: |
100 мм |
Радиус кривизны в вершине днища:
|
= 1,6∙103 2 / (4 * 350) |
= 1,828571∙103 мм |
Коэффициент прочности сварного шва:
|
= 1 |
Расчёт в рабочих условиях
Условия нагружения:
Расчётная температура, T: |
20 |
oC |
Расчётное внутреннее избыточное давление, p: |
0,2032301 |
МПа |
Результаты расчёта:
Допускаемые напряжения:
Допускаемые напряжения для материала 08Х18Н10Т при температуре t = 20 oC (рабочие условия):
[s]20= |
168 МПа |
Модуль продольной упругости для материала 08Х18Н10Т при температуре 20 oC:
E20= |
2∙105 МПа |
Днища, нагруженные внутренним избыточным давлением (п. 3.3.1.).
Расчётная толщина стенки с учётом прибавок:
|
=(0,2032301 * 1,828571∙103 )/(2 * 168 * 1 – 0.5 * 0,2032301) + 1 |
= 2,106349 мм |
Допускаемое давление:
|
=2 * 168 * 1 * (5 - 1) / (1,828571∙103 +0.5 * ( 5 – 1)) |
= 0,734197 МПа |
0,734197 МПа ³ 0,2032301 МПа
Заключение: Условие прочности выполнено
Штуцер А
Расчёт прочности узла врезки штуцера
Исходные данные
Элемент: |
Штуцер А |
Условное обозначение (метка) |
А |
Элемент, несущий штуцер: |
Днище эллиптическое |
Тип элемента, несущего штуцер: |
Днище эллиптическое |
Тип штуцера: |
Непроходящий без укрепления |
Материал несущего элемента: |
08Х18Н10Т |
Толщина стенки несущего элемента, s: |
5 мм |
Сумма прибавок к стенке несущего элемента, c: |
1 мм |
Материал штуцера: |
08Х18Н10Т |
Внутренний диаметр штуцера, d: |
50 мм |
Толщина стенки штуцера, s1: |
5 мм |
Сумма прибавок к толщине стенки штуцера (включая коррозию), cs: |
1 мм |
Длина штуцера, l1: |
160 мм |