L'homogénéisation est le traitement mécanique des matières premières qui ont traversé des filtres à lait, à la suite de quoi des boules de graisse sont dispersées (écrasées) sous l'action d'une force externe - pression, courant haute fréquence, ultrasons, etc.

Pourquoi l'homogénéisation est-elle nécessaire ?

Lors du stockage versé dans bidons de lait produit, la graisse flotte à la surface du fait qu'elle est plus légère que le plasma (inverse). La matière première est défendue. Un gros morceau de graisse, remontant vers les couches supérieures, se heurte à d'autres comme lui. Sous l'influence des immunoglobulines, une agglutination se produit (collage d'éléments individuels et leur précipitation à partir de mixture homogène). En conséquence, la consistance change et la qualité diminue, ce qui n'est pas souhaitable. Si les globules gras sont cassés en petits morceaux, ils ne colleront pas ensemble en un film à la surface.

La vitesse d'ascension de la boule de graisse dépend de sa taille - plus elle est grande, plus elle est rapide. Selon la formule de Stokes, il est directement proportionnel au carré du rayon de la masse. La taille des globules gras varie de 0,5 à 18 microns. Après homogénéisation, elle diminue d'un facteur 10 environ ( la taille moyenne sortie - 0,85 µm). Cela signifie qu'ils flotteront 100 fois plus lentement. De plus, dans les petites mottes, de taille inférieure à 1 micron, les forces de répulsion mutuelle sont supérieures aux forces d'attraction.

Lors du broyage de la graisse, la substance de sa carapace est redistribuée. Une partie des phosphatides passe dans le plasma et les protéines plasmatiques se dirigent vers l'enveloppe externe de petits globules. Grâce à ces facteurs, l'émulsion grasse est stabilisée dans le lait. Avec un degré de dispersion élevé, le processus de décantation n'est pas observé, la graisse ne flotte pas, les flacons de lait sont remplis d'un produit de meilleure qualité. La crème, le fromage cottage, le beurre, etc., fabriqués à partir de matières premières homogénéisées (homogènes), ont de meilleures caractéristiques organoleptiques et une meilleure consistance, les nutriments sont absorbés plus rapidement et plus complètement par l'organisme.

L'homogénéisation permet de :

• Lait ou crème pasteurisé, versé dans conteneurs en acier inoxydable ont acquis une teneur en matières grasses, une couleur et un goût uniformes.
• Le lait et la crème stérilisés sont mieux conservés.
• Aucun film gras ne s'est formé sur les produits laitiers fermentés et les caillots protéiques étaient plus solides et de meilleure consistance.
• Dans les conserves de lait condensé, lors d'un stockage à long terme, la phase grasse ne se démarquait pas.
• Dans le lait entier en poudre, il y avait moins de matières grasses libres, sans coquilles de protéines - cela conduit à l'oxydation.
• Les boissons à base de lait fermenté reconstitué, la crème et le lait n'ont pas développé d'arrière-goût aqueux et le goût du produit est devenu plus intense.
• Le lait avec une charge (par exemple, le cacao) s'est avéré plus visqueux, sans sédiment, avec un meilleur goût.

Mécanisme d'homogénéisation

Il est recommandé d'homogénéiser après le passage du lait bain de pasteurisation longue durée.

Pour cela, appliquez différents types dispositifs. Les plus courantes sont les unités de type vanne. À la base, ce sont des pompes à piston. haute pression. Le fluide est passé à travers de très petits trous. Dans le même temps, le débit augmente fortement. Les globules gras sont broyés, les petits morceaux résultants sont immédiatement recouverts d'une coque protéique. Pourquoi cela se produit sera discuté dans la deuxième partie de l'article.

L'homogénéisation est devenue un procédé de fabrication standard couramment pratiqué comme moyen d'empêcher l'émulsion grasse de se séparer par gravité. Gaulin, qui a mis au point ce procédé en 1899, en a donné la définition suivante en français : « Fixer la composition des liquides ».

Premièrement, l'homogénéisation conduit à la division des globules gras en beaucoup plus petits (voir Fig. 1). En conséquence, le crémage est réduit et la tendance des boules à se coller les unes aux autres ou à former de gros agglomérats peut également être réduite. Fondamentalement, le lait homogénéisé est produit mécaniquement. Il est entraîné à grande vitesse à travers un canal étroit.

La destruction des globules gras est obtenue par une combinaison de facteurs tels que la turbulence et la cavitation. En conséquence, le diamètre des billes diminue à 1 micron, ce qui s'accompagne d'une multiplication par quatre à six de la surface de la surface intermédiaire entre la graisse et le plasma. En raison de la redistribution de la substance de la coquille, qui recouvrait complètement les globules gras avant leur destruction, les globules nouvellement formés ont des coquilles insuffisamment solides et épaisses. Ces membranes comprennent également des protéines de plasma de lait adsorbées.

Fox, avec ses collègues, a étudié le complexe graisse-protéine obtenu en homogénéisant le lait. Il a prouvé que la caséine est le composant protéique du complexe et qu'elle est peut-être associée à la fraction grasse par des forces d'attraction polaires. Il a également découvert que les micelles de caséine sont activées lorsqu'elles traversent la valve de l'homogénéisateur, ce qui les prédispose à interagir avec la phase grasse.

Exigences de processus

La condition physique et la concentration de la fraction grasse lors de l'homogénéisation affectent la taille des globules gras. L'homogénéisation du lait froid, dans lequel la matière grasse est principalement présente à l'état solidifié, n'est pratiquement pas réalisable. Le traitement du lait à une température de 30-35°C conduit à une dispersion incomplète de la fraction grasse. L'homogénéisation est vraiment efficace lorsque toute la phase grasse est à l'état liquide, et à des concentrations normales pour le lait. Les aliments à haute teneur en matières grasses ont tendance à former de gros globules gras, en particulier à de faibles concentrations de protéines de lactosérum à haute teneur en matières grasses. La crème avec une teneur en matières grasses supérieure à 12% ne peut pas être homogénéisée avec succès à une pression élevée standard car le manque de matériau membranaire (caséine) fait que les globules gras se collent en grappes. Pour une homogénéisation suffisamment efficace, un gramme de graisse doit contenir 0,2 gramme de caséine.

Les processus d'homogénéisation à haute pression entraînent la formation de petits globules gras. Avec une augmentation de la température d'homogénéisation, la dispersité de la phase grasse augmente - proportionnellement à la diminution de la viscosité du lait à des températures élevées.

Habituellement, l'homogénéisation est effectuée à une température de 55 à 80°C, sous une pression de 10 à 25 MPa (100-250 bar), selon le type de produit traité.

Caractéristiques de débit

Lorsque le flux traverse un canal étroit, sa vitesse augmente (voir Fig. 2). La vitesse augmentera jusqu'à ce que la pression statique diminue à un niveau auquel le liquide bout. La vitesse maximale dépend principalement de la pression d'entrée. Lorsque le fluide quitte la fente, la vitesse diminue et la pression commence à augmenter. L'ébullition du liquide s'arrête et les bulles de vapeur explosent.

Théories de l'homogénéisation

Au fil des années d'application du processus d'homogénéisation, de nombreuses théories ont surgi qui expliquent le mécanisme d'homogénéisation à haute
pression. Deux théories expliquant le système dispersé huile-eau par analogie avec le lait, où le diamètre de la plupart des gouttelettes est inférieur à 1 micron, ne sont pas devenues obsolètes à ce jour.
Ils permettent d'expliquer l'influence de divers paramètres sur l'efficacité de l'homogénéisation.

La théorie de la destruction des boules par des tourbillons turbulents ("microvortex") est basée sur le fait que dans un fluide se déplaçant à grande vitesse, un grand nombre de microflux turbulents.

Si un microflux turbulent entre en collision avec une goutte qui lui est comparable, celle-ci est détruite. Cette théorie permet de prédire l'évolution des résultats d'homogénéisation avec l'évolution de la pression appliquée. Ce lien a été trouvé dans de nombreuses études.

D'autre part, la théorie de la cavitation stipule que les gouttelettes de graisse sont détruites ondes de choc résultant de l'explosion de bulles de vapeur. Selon cette théorie, l'homogénéisation se produit lorsque le liquide quitte l'espace. Ainsi, la contre-pression requise pour la cavitation est d'une grande importance dans ce cas. Cela a été confirmé dans la pratique. Cependant, l'homogénéisation est possible sans cavitation, mais dans ce cas elle est moins efficace.

Fig.3 Destruction des globules gras aux premier et second stades d'homogénéisation.
1 Après la première étape
2 Après la deuxième étape

Homogénéisation en une et deux étapes

Les homogénéisateurs peuvent être équipés d'une ou deux têtes d'homogénéisation connectées en série. D'où le nom : homogénéisation en une étape et homogénéisation en deux étapes. Les deux systèmes sont illustrés dans les figures 5 et 6. Dans l'homogénéisation en une seule étape, toute la perte de charge est utilisée
en une seule étape. Avec l'homogénéisation en deux étapes, le total
la pression est mesurée avant le premier étage P 1 et avant le deuxième étage P 2 .

Pour une efficacité d'homogénéisation optimale, une variante à deux étages est généralement utilisée. Mais les résultats souhaités peuvent être obtenus si le rapport P 2 : P 1 est d'environ 0,2. La version à une étape est utilisée pour l'homogénéisation

• produits faibles en gras
• produits nécessitant une viscosité élevée (formation de certains agglomérats).
• dans les produits nécessitant une faible viscosité
• pour la réalisation efficacité maximale homogénéisation (micronisation).

La figure 3 montre la formation et la destruction des accumulations de globules gras dans la deuxième étape d'homogénéisation.

Influence de l'homogénéisation sur la structure et les propriétés du lait

L'effet d'homogénéisation a un effet positif sur structure physique
et propriétés du lait et se manifeste par les éléments suivants :

• Réduire la taille des globules gras, ce qui empêche la crème de se déposer
• Couleur plus blanche et appétissante
• Résistance accrue à l'oxydation des graisses
• Arôme et goût améliorés
• Sécurité accrue des produits laitiers fermentés à base de lait homogénéisé.

Cependant, l'homogénéisation présente également certains inconvénients. Parmi eux:

• Impossibilité de séparation du lait homogénéisé
• Une sensibilité légèrement accrue à la lumière, à la fois du soleil et des lampes fluorescentes, peut conduire à un soi-disant goût ensoleillé.
• Résistance à la chaleur réduite - particulièrement prononcée lors du test de la première étape d'homogénéisation, d'homogénéisation du lait écrémé et dans d'autres cas qui contribuent à la formation d'accumulations de globules gras
• L'inadéquation du lait pour la production de fromages à pâte mi-dure et à pâte dure, car le caillot ne séparera pas bien le lactosérum.

Homogénéisateur

Des homogénéisateurs à haute pression sont généralement nécessaires pour assurer une efficacité d'homogénéisation maximale.

Le produit entre dans l'unité de pompage, où il est pressurisé par une pompe à piston. Le niveau de pression généré dépend de la contre-pression, déterminée par la distance entre le piston et le siège dans la tête d'homogénéisation. La pression P 1 signifie toujours la pression d'homogénéisation. P 2 est la contre-pression du premier étage d'homogénéisation ou la pression à l'entrée du deuxième étage.

Fig.4 L'homogénéisateur est une grande pompe à haute pression avec un dispositif de contre-pression.
1 Moteur d'entraînement principal
2 entraînement par courroie trapézoïdale
3 Manomètre
4 Mécanisme à manivelle
5 pistons
6 Joint de piston
7 Bloc pompe en acier inoxydable coulé
8 soupapes
9 Tête d'homogénéisation
10 Système hydraulique

Fig.5 Homogénéisation en une étape. Schéma de la tête d'homogénéisation :
1 vanne
2 Anneau d'impact
3 Selle
4 Entraînement hydraulique

Pompe à haute pression

La pompe à piston est entraînée par un puissant moteur électrique (pos. 1 sur la Fig. 4) à travers vilebrequin et bielles - cette transmission convertit la rotation du moteur en mouvement alternatif des pistons de la pompe.

Les pistons (pos. 5) se déplacent dans le bloc-cylindres haute pression.
Ils sont fabriqués à partir de matériaux à haute résistance. Les pistons sont équipés de doubles joints. L'eau est fournie à l'espace entre les joints pour refroidir les pistons. Du condensat chaud peut également y être fourni pour éviter la recontamination du produit par des micro-organismes pendant le fonctionnement de l'homogénéisateur. Il est également possible d'utiliser du condensat chaud pour maintenir les conditions de production aseptique du produit pendant le fonctionnement de l'homogénéisateur.

Tête d'homogénéisation

Les figures 5 et 6 montrent la tête d'homogénéisation et son système hydraulique. La pompe à piston élève la pression du lait de 300 kPa (3 bar) à l'entrée à une pression d'homogénéisation de 10-15 MPa (100-240 bar), selon le type de produit. La pression à l'entrée du premier étage avant le mécanisme (pression d'homogénéisation) est automatiquement maintenue constante. La pression d'huile sur le piston hydraulique et la pression d'homogénéisation sur la vanne s'équilibrent. L'homogénéisateur est équipé d'un réservoir d'huile commun, qu'il s'agisse d'une version à un étage ou à deux étages. Cependant, dans un homogénéisateur à deux étages, il y a deux systèmes hydrauliques, chacun avec sa propre pompe. La nouvelle pression d'homogénéisation est réglée en changeant la pression d'huile. La pression d'homogénéisation est indiquée sur le manomètre haute pression.

Le processus d'homogénéisation a lieu dans la première étape. Le second sert principalement à deux fins :

Créer une contre-pression constante et contrôlée en direction du premier étage, fournissant ainsi conditions optimales homogénéisation

Destruction des amas collants de globules gras qui se forment immédiatement après homogénéisation (voir Fig. 3).

Notez que la pression d'homogénéisation est la pression avant la première étape, pas la pression différentielle.

Les pièces de la tête d'homogénéisation sont usinées avec précision Rectifieuse. L'anneau de choc est assis à sa place de manière à ce que sa surface intérieure soit perpendiculaire à la sortie de la fente. Le siège est biseauté à un angle de 5 degrés pour donner au produit une accélération contrôlée, empêchant ainsi l'usure accélérée qui serait autrement inévitable.

Le lait sous haute pression pénètre entre le siège et la soupape. La largeur de l'entrefer est d'environ 0,1 mm, soit 100 fois le diamètre de la pression grasse produite par la pompe à piston, convertie en énergie cinétique. Une partie de cette énergie après avoir traversé le mécanisme est à nouveau convertie en pression. L'autre partie est libérée sous forme de chaleur ; chaque perte de charge de 40 bar après passage dans le mécanisme fait monter la température de 1°C. Moins de 1% de toute cette énergie est dépensée pour l'homogénéisation, et pourtant l'homogénéisation à haute pression reste la plus méthode efficace de tous actuellement disponibles.

Fig.6
homogénéisation en deux étapes.
1 Première étape
2 Deuxième étape

Efficacité d'homogénéisation

Le but de l'homogénéisation dépend de la façon dont elle est appliquée. En conséquence, les méthodes d'évaluation de l'efficacité évoluent également.

Conformément à la loi de Stokes, la vitesse de croissance d'une particule est déterminée par la formule suivante, où : v est la vitesse

q - accélération chute libre p est la taille des particules η hp est la densité du liquide η ip est la densité des particules t est la viscosité

Ou v = constante x p 2

Il résulte de la formule que la réduction de la taille des particules est façon efficace réduire l'augmentation de la vitesse. Par conséquent, une diminution de la taille des particules dans le lait entraîne un ralentissement de la vitesse de sédimentation de la crème.

Méthodes analytiques

Des méthodes analytiques pour déterminer l'efficacité de l'homogénéisation peuvent être
divisé en deux groupes :

I. Détermination de la vitesse de sédimentation de la crème

Plus à l'ancienne déterminer le temps de débourbage de la crème consiste à prélever un échantillon, à le conserver un certain temps puis à analyser la teneur en matière grasse dans ses différentes couches. La méthode USPH est basée sur ce principe. Par exemple, un échantillon d'un litre est vieilli pendant 48 heures, après quoi la teneur en matières grasses couche supérieure(100 ml), ainsi que dans tous les autres laits. L'homogénéisation est considérée comme satisfaisante si la fraction massique de graisse dans la couche inférieure est 0,9 fois inférieure à celle dans la couche supérieure.

La méthode NIZO est basée sur le même principe. Selon ce procédé, un échantillon de, disons, 25 ml est soumis à une centrifugation pendant 30 minutes à 1000 tr/min à 40°C et un rayon de 250 mm. La teneur en matières grasses de la couche inférieure de 20 ml est ensuite divisée par la teneur en matières grasses de l'ensemble de l'échantillon et le résultat est multiplié par 100. Ce rapport est appelé la valeur NIZO. Pour le lait pasteurisé, il est généralement de 50 à 80 %.

II. Analyse fractionnaire

La distribution de la taille des particules ou des gouttelettes dans un échantillon peut être déterminée par une méthode bien établie utilisant une configuration de diffraction laser (voir Fig. 7), qui envoie un faisceau laser dans l'échantillon dans la cuvette. Le degré de diffusion de la lumière dépendra de la taille et du nombre de particules contenues dans le lait étudié.

Le résultat est présenté sous forme de graphiques de distribution granulométrique. Le pourcentage de graisse en masse est présenté en fonction de la taille des particules (taille des globules gras). La figure 8 montre trois graphiques typiques de distribution de la taille des globules gras. Notez que lorsque la pression d'homogénéisation augmente, le graphique se déplace vers la gauche.

La consommation d'énergie et son effet sur la température

La puissance électrique nécessaire à l'homogénéisation est exprimée par la formule suivante :

Homogénéisateur dans la ligne de production

Habituellement, l'homogénéisateur est installé au début de la ligne, c'est-à-dire avant la dernière section de chauffage dans l'échangeur de chaleur. Plus usines de pasteurisation pour la production de lait de consommation pour le marché de consommation, l'homogénéisateur est situé après la première section de régénération.

Dans la production de lait stérilisé, un homogénéisateur est généralement placé au début du processus de traitement à haute température, qui a lieu dans un système avec chauffage indirect produit, et toujours à la fin du processus dans un système avec chauffage direct du produit, c'est-à-dire dans la partie aseptique de l'usine après la section de stérilisation du produit. Dans ce cas, une version aseptique de l'homogénéisateur est utilisée, équipée de joints de piston spéciaux, de joints, d'un condenseur stérile et d'amortisseurs aseptiques spéciaux.

Un homogénéisateur aseptique est installé après la section de stérilisation des unités avec chauffage direct du produit en cas de production de produits laitiers avec une fraction de masse grasse supérieure à 6-10% et/ou avec une teneur élevée en protéines. Le fait est qu'à des températures de traitement très élevées dans le lait avec haut contenu graisse et/ou protéines, des accumulations de globules gras et de micelles de caséine se forment. Un homogénéisateur aseptique situé après la section de stérilisation décompose ces particules agglomérées.

Homogénéisation complète

L'homogénéisation complète est la méthode la plus courante pour homogénéiser le lait de consommation et le lait destiné à la production de produits laitiers fermentés. La teneur en matière grasse du lait, et parfois la teneur
les résidus secs dégraissés (dans la production de yaourt, par exemple) sont normalisés avant l'homogénéisation.

Homogénéisation séparée

L'homogénéisation séparée signifie que la majeure partie du lait écrémé n'est pas homogénéisée. La crème et une petite quantité de lait écrémé sont homogénéisés. Cette méthode d'homogénéisation est généralement utilisée pour le lait de consommation pasteurisé. Le principal avantage de l'homogénéisation séparée est sa relative économie. La consommation totale d'énergie est réduite jusqu'à 65 % grâce à moins de lait passant dans l'homogénéisateur.

Étant donné que l'efficacité d'homogénéisation la plus élevée peut être atteinte si le lait contient au moins 0,2 g de caséine pour 1 g de matière grasse, la teneur maximale recommandée en matière grasse est de 12 %. La production horaire d'une installation dans laquelle une homogénéisation séparée est effectuée peut être déterminée par la formule suivante.

La production de lait normalisé pasteurisé (Q sm) par heure sera d'environ 9690 litres. Si nous substituons ce chiffre dans la formule 2, nous obtenons,
que le débit horaire de l'homogénéisateur est d'environ 2900 litres,
c'est-à-dire environ un tiers de sa performance totale.

Le schéma des flux dans l'installation pour le lait partiellement homogénéisé est illustré à la Fig.10.

L'effet des produits laitiers homogénéisés sur le corps humain

Au début des années 1970, le scientifique américain K. Oster (K. Oster) a émis l'hypothèse que l'homogénéisation du lait permet à l'enzyme xanthine oxydase de pénétrer à travers les intestins dans système circulatoire. (L'oxydase est une enzyme qui catalyse l'ajout d'oxygène ou l'élimination d'hydrogène d'un substrat.) Selon Oster, la xanthine oxydase contribue au processus d'endommagement des vaisseaux sanguins et conduit à l'athérosclérose.

Cette hypothèse a été rejetée par les scientifiques au motif que le corps humain lui-même produit des milliers de fois plus de cette enzyme que le lait homogénéisé ne pourrait théoriquement lui apporter.

Ainsi, il ne peut y avoir aucun mal à homogénéiser le lait. D'un point de vue nutritionnel, l'homogénéisation n'apporte pas de changements particuliers, sauf, peut-être, que les graisses et les protéines sont décomposées plus rapidement et plus facilement dans les produits homogénéisés.

Cependant, Oster a raison de dire que les processus d'oxydation peuvent être nocifs pour le corps humain et que l'alimentation est importante pour la santé.

Homogénéisation - broyage mécanique des globules gras dans le lait (crème) afin de répartir uniformément la graisse dans la masse totale du produit et d'empêcher sa sédimentation. La densité différente de graisse et de plasma dans la composition du lait et de la crème conduit à la séparation de la fraction grasse lors du stockage des produits. Afin de stabiliser la consistance de la structure du lait et d'améliorer la palatabilité du mélange dispersé, un homogénéisateur alimentaire est utilisé.

L'homogénéisateur de lait produit un effet mécanique sur les matières premières traitées. Le processus de dispersion assure la stabilisation de l'émulsion grasse hautement dispersée et donne au produit une consistance homogénéisée, à savoir, la substance dans la coquille et la structure de la graisse contenue dans le lait subit une redistribution, les protéines plasmatiques sont mobilisées, les phosphatides passent de la coquille du globules gras dans le plasma du produit.

Principe d'opération

Le principe de fonctionnement des principaux types d'homogénéisateurs de lait est basé sur la différence de pression dans le système, à laquelle les liquides aux caractéristiques polydisperses sont convertis en produits de consistance homogène. L'équipement peut être équipé d'une tête de travail de type à un ou deux étages. La dernière modification des unités est conçue pour traiter les matières premières avec un pourcentage élevé de matières grasses.

Les produits laitiers jouent un rôle important dans la nutrition des personnes, en particulier des enfants, des personnes âgées et des malades. Les propriétés diététiques des produits laitiers fermentés sont, tout d'abord, qu'ils améliorent le métabolisme, stimulent l'excrétion des suc gastrique et aiguiser l'appétit. La présence dans leur composition de micro-organismes capables de s'enraciner dans les intestins et de supprimer la microflore putréfiante entraîne l'inhibition des processus de putréfaction et l'arrêt de la formation de produits de dégradation des protéines toxiques qui pénètrent dans le sang humain.

Une étape importante dans la production de produits laitiers fermentés est l'impact mécanique sur la matière première, c'est-à-dire homogénéisation. Il empêche non seulement la sédimentation des graisses, mais contribue également à la production de produits laitiers fermentés de haute qualité avec une texture et un goût améliorés, augmente sa digestibilité par l'organisme et une utilisation plus complète des graisses et des vitamines qu'il contient.