Wstęp

Wirowanie jest jedną z czterech grup operacji: mechanicznego rozdziału obok sedymentacji, filtracji i przesiewania. Podczas sedymentacji dwie nierozpuszczalne w sobie ciecze lub ciecz i ciało stałe ulegają rozdzieleniu na skutek działania siły ciężkości. Ten powolny proces bywa często przyspieszany przez zastosowanie siły odśrodkowej i wówczas nazywany jest wirowaniem. Efekt tej operacji zależy od charakteru cząstek ulegającym rozdziałowi i od działających na nie sił. Ważnymi cechami cząsteczek są ich wielkość, kształt, gęstość, a płynu - lepkość i gęstość. W zależności od własności rozdzielanego materiału, konstrukcji wirówki i charakteru otrzymanych frakcji wirowanie można traktować jako:

• proces rozdziału emulsji - polegający na rozdzieleniu dwóch cieczy wzajemnie nierozpuszczalnych,

• proces klaryfikacji - w którym następuje rozdzielenie zawiesiny o niedużym stężeniu fazy stałej (do 10% objętości),

• proces odszlamowania - czyli rozdzielenie zawiesiny o dużym stężeniu fazy stałej.

Po raz pierwszy wirówki zostały zastosowane w przemyśle spożywczym przez de Lavala do oddzielania bogatej w tłuszcz frakcji mleka, czyli śmietany. Współczesne wirówki do mleka są typu „zamkniętego”, to znaczy odtłuszczone mleko i śmietanka są odprowadzane z bębna przewodami hermetyzowanymi, co zapobiega pienieniu się mleka odtłuszczonego. Wirówki odtłuszczające spełniają także funkcję czyszczącą, gdyż na peryferiach bębna zbiera się szlam, który musi być co jakiś czas usuwany. Oprócz przemysłu mleczarskiego proces wirowania znalazł zastosowanie między innymi:

• w przemyśle krochmalniczym do oddzielania krochmalu od tak zwanej owocowej,

• w przemyśle drożdżowym do osadzania drożdży z mleczka drożdżowego,

• w przemyśle owocowym do wstępnego klarowania pitnych soków owocowych,

• w cukiernictwie do oddzielania wykrystalizowanego cukru od melasy.

Trochę historii

Wynalezienie wirówki do ciągłego odtłuszczania mleka w latach 80 - tych ubiegłego wieku pozwoliło na tworzenie mleczarstwa przemysłowego. Spowodowało to zapotrzebowanie na wykwalifikowane kadry mleczarskie. W 1897 roku zrodziła się myśl o założeniu stałej szkoły mleczarskiej, a 6 marca 1902 galicyjski wydział krajowy we Lwowie podjął decyzję w sprawie założenia Szkoły Mleczarskiej w Rzeszowie.

Rodzaje wirówek

W zależności od wielkości współczynnika rozdziału K_r (K_r=
; siła odśrodkowa/ siła grawitacji) wirówki można podzielić na dwie grupy:

• wirówki normalne, których K_r jest mniejsze od 3000,

• ultrawirówki, których K_r jest większe od 3000.

Te pierwsze służą do rozdziału różnego rodzaju zawiesin, natomiast drugie do podziału emulsji i zawiesin, w których faza stałą jest bardzo subtelnie rozdrobniona. Ponadto wirówki można podzielić na 3 inne grupy:

• separacyjne, stosowane do rozdziału emulsji,

• sedymentacyjne, stosowane do rozdziału trudno filtrujących się zawiesin i klarowania zawiesin z niewielką ilością fazy stałej.

• filtracyjne, służące do rozdziału zawiesin z krystaliczną lub ziarnistą fazą stałą oraz do odwodnienia różnych materiałów.

Do wirówek separacyjnych należą separatory cieczy (będące także ultrawirówkami) z bębnem o małej wysokości, pracujące przy 5000- 10 000 obrotów/minutę, oraz ultrawirówki rurowe z bębnem rurowym osiągające szybkość 14 000 do 45 000 obrotów/minutę. Lepszy rozdział uzyskuje się w separatorach talerzowych, gdzie masa cieczy jest rozdzielana na dużą liczbę cienkich warstw, przepływających między stożkowatymi talerzami, dzięki czemu występuje laminarny przepływ cieczy, który zmniejsza drogę osadzania.

Separatory talerzowe służą do rozdzielania emulsji i klarowania drobnoziarnistych zawiesin. W niektórych separatorach talerze mają na obwodzie po 3 otwory co 120
(separatory do mleka) w innych urządzeniach tego typu (np.: do zagęszczania zawiesiny drożdży) w ogóle nie ma otworów. Jeżeli w talerzach są otwory to tworzą one 3 pionowe kanały przelotowe, które dochodzą do pozbawionego otworów górnego talerza, zwanego rozdzielającym. W separatorach talerzowych emulsja wprowadzana jest rurą centralną do dolnej części bębna, a następnie płynie do góry pionowymi kanałami utworzonymi przez talerze i rozpływa się w szczelinach pomiędzy nimi. W przestrzeni międzytalerzowej, pod wpływem siły odśrodkowej składnik cięższy jest kierowany ku obwodowi a lżejszy ku osi. W związku z tym w szczelinach tworzą się dwa strumienie płynące w kierunkach przeciwnych: strumień składnika lekkiego po zewnętrznej powierzchni dolnego talerza (do osi bębna) i strumień składnika cięższego, po wewnętrznej powierzchni talerza górnego.

W wirówkach przeznaczonych do rozdziału zawiesin (talerze bez obrotów) ciecz jest kierowana najpierw na ściany, gdzie osadzają się największe cząstki, a następnie przepływa do przestrzeni międzytalerzowych, kierując się ku osi obrotu. Ponieważ szybkość obrotowa separatorów talerzowych wynosi od 5 000 do 10 000 obrotów/minutę, a średnica bębnów ok. 250-300 mm, przyspieszenia odśrodkowe są kilka tysięcy razy większe od przyspieszenia ziemskiego. Ponadto mają one dużą powierzchnię osadzania, co zapewnia im znaczną wydajność. Zaletą jest również krótki czas rozdzielania i możliwość prowadzenia procesu w warunkach sterylnych, co dla przemysłu spożywczego nie jest bez znaczenia.

Ultrawirówki rurowe mogą być stosowane do oddzielania lub klarowania cieczy. W porównaniu z separatorami talerzowymi mają mniejsze rozmiary i prostszą konstrukcję, jednakże przy rozdzielaniu zawiesiny o bardzo małych cząsteczkach ciała stałego ich wydajność może być mniejsza na skutek unoszenia stałych cząstek w warunkach burzliwego ruchu cieczy w bębnie ultrawirówki.

Wirówki sedymentacyjne ze względu na charakter pracy dzielą się na trzy grupy: wirówki o działaniu okresowym, półciągłym i ciepłym. W dwóch pierwszych typach urządzeń osad usuwany jest okresowo, co jest dość kłopotliwe, bo wymaga zatrzymywania urządzenia i ręcznego usuwania szlamu. Dużą popularnością cieszą się wirówki dyszowe, usuwające fazę stałą w sposób ciągły (faza stała pod działaniem siły odśrodkowej jest wyznaczana przez dysze rozmieszczone na obwodzie bębna) i wirówki samooczyszczające się wyposażone w system hydrauliczny umożliwiający zamykanie i otwieranie bębna bez zatrzymywania maszyny. Stężenie fazy stałej w zawiesinie rozdzielonej za pomocą wirówki dyszowe może dochodzić do 25%, a w wirówce samooczyszczającej się od 1 do 10%. Do rozdzielania układów zawierających znaczna koncentrację fazy stałej stosuje się wirówki dekantacyjne o nieco innej konstrukcji.

Składa się ona z bębna roboczego bębna ślimaka. Prędkość obrotowa ślimaka jest mniejsza od prędkości bębna roboczego. To powoduje, że wydzielane w czasie wirowania cząstki fazy stałej są transportowane przez ślimak do wylotu znajdującego się przy większym końcu bębna, a ciecz płynie w kierunku przeciwny, przy czym następują jej klarowanie. Dekantery mogą być stosowane rozdzielania zawiesin zawierających do 50% masy fazy stałej.

Wirówki filtracyjne pod względem wielkości K_r, należą do wirówek normalnych, ich cechą charakterystyczną jest perforowany bęben o poziomej albo pionowej osi obrotu. Bęben może być wyłożony dodatkowo od wewnątrz tkaniną filtracyjną. Pod wpływem siły odśrodkowej podawana zawiesina jest odrzucana na ścianę bębna, na której zatrzymują się cząstki osadu. Problem usuwania osadu z bębna w tego typu wirówkach może być różnie rozwiązany. W wirówkach skrobakowych usuwanie osadu odbywa się za pomocą skrobaka, a w tłokowych za pomocą przesuwającego się tłoka.

Wstęp z mleka

Z fizycznego punktu widzenia mleko jest przykładem polidyspersyjnego układu niejednorodnego, który może być poddawany różnym procesom mechanicznym prowadzącym do wydzielania poszczególnych składników. Najstarszym i najprostszym sposobem rozdziału mleka jest wykorzystanie siły ciążenia ziemskiego. Jest to jednak proces bardzo powolny. Współdziałanie rozdziału mleka dokonuje się za pomocą wirówek lub technikami separacji membranowej. W przetwórstwie mleka wirówki znajdują zastosowanie nie tylko do oddzielania fazy tłuszczowej, lecz mają także inne zastosowania jak np. oczyszczanie, wydzielenie drobnoustrojów, oddzielenie serwatki od masy białkowej przy produkcji serów homogenizowanych, oddzielenie kryształków laktozy.

Najistotniejszą częścią wirówki jest bęben, który w wirówce mleczarskiej nosi nazwę bąka, w nim dzięki sile odśrodkowej zachodzi wspomniane rozdzielenie mleka pełnego na śmietankę i mleko chude z pozostawieniem na ścianach pewnej ilości tak zwanego szlamu, złożonego głównie z zanieczyszczeń mechanicznych i drobnoustrojów. Bąk wirówki składa się z podstawy osiowej nasadki zwanej krzyżem, z pakietu talerzy rozdzielczych (kilkudziesięciu), talerza głównego, tak zwanego śmietankowego (specjalna konstrukcja, brak otworów bocznych), czaszy (dzwonu), bąka i z nakrętki.

Szczelność między kołnierzem podstawy, a dolną krawędzią czaszy uzyskuje się za pomocą pierścieniowej uszczelki gumowej. W wirówkach większych ( o wydajności ponad 2 000 l mleka/ h) podstawa bąka - podczas jego czyszczenia i mycia - nie jest zdejmowana z wrzeciona. Tłumaczy się to dużą masą bąka w związku z grubością jego ścian, które muszą wytrzymać wysokie ciśnienie (powyżej 1000kG/cm³) i naprężenia. Mleko zwykle doprowadzane od góry do wewnętrzno - osiowej podstawy bąka, przedostaje się na jego spód, stamtąd przechodzi do pionowych kanałów a stosie talerzowym, a następnie do wąskich przestrzeni międzytalerzowych, gdzie następuje oddzielenie się wszystkich większych kuleczek tłuszczowych (średnica 3
m i więcej) i ich szybkie zbieranie się w częściach trzyosiowych bąka. Jednocześnie mleko chude pod wpływem siły odśrodkowej przesuwa się w odwrotnym kierunku w przestrzeniach międzycząsteczkowych, zbiera w peryferyjnej części bąka i stamtąd ponad talerzem śmietankowym przedostaje się do otworu wylotowego umieszczonego w szyjce czaszy baka. Zbierająca się w części trzyosiowej śmietanka pionowo przesuwa się do umieszczonego wyżej otworu wylotowego śmietanki. Odpowiednie blaszane koliste nasadki tak zwane odbieracze zamieszczone nad bakiem służą do oddzielnego odprowadzania śmietanki i mleka chudego. Ilość sprowadzanego mleka do wirówki jest regulowana za pomocą pływaka umieszczonego nad otworem wpustowym w zbiorniku nalewowym dla mleka pełnego. Bak wirówki osadzony jest na wrzecionie nadającym mu obroty. Wrzeciono uzyskuje napęd od dużego, pionowego koła ślimakowego, które w wirówkach o napędzie mechanicznym bezpośrednio jest sprzężone ze ślimakiem elektrycznym. W wirówkach ręcznych istnieje jeszcze jedna przekładnia trybowa dzięki czemu przy 40 - 60 obrotach korby na minutę osiąga się 7 - 9 tysięcy obrotów bąka. Cała przekładnia trybowa jest centralnie oliwiona. Wszystkie części napędowe wirówki znajdują się we wspólnym opancerzeniu, które w dolnej części przechodzi w mocną podstawę, a ta z kolei soi na podkładach gumowych dokładnie pionowo przytwierdzona do podłoża. Po so stałego osprzętu w większych wirówkach zalicza się licznik obrotów oraz urządzenie śrubowe do hamowania i unieruchomienia baka. W wirówkach ręcznych wskaźnikiem pełnej liczby obrotów baka jest milknięcie dzwonka umieszczonego przy korbie. Wrzeciono wirówki ma 3 łożyska: górne elastyczne, dolne umieszczone poniżej koła ślimakowego oraz pod spadem, łożysko podporowe wsparte na śrubie regulacyjnej.

Zasada działania bąka

W I fazie kuleczki tłuszczowe wydostające się z otworów w talerzach na skutek większej prędkości wywołanej działaniem strumienia zmywającego mleka niż prędkości wynikającej z siły wyporu w polu przyspieszenia dośrodkowego podążają z prędkością wypadkową w kierunku odśrodkowym. Jednocześnie poruszają się ku polnemu talerzowi ze względu na mniejszą prędkość strumienia mleka nad dolnym talerzem niż pod górnym.

Kuleczki tłuszczowe oddalające się od osi obrotu wykazują większą prędkość przy malejącej prędkości strumienia mleka, prędkość przepływu cieczy maleje bowiem w miarę zbliżania się do obwodu talerzy. W efekcie w punkcie B następuje zrównanie prędkości, a prędkość wypadkowa przyjmuje kierunek prostopadły do talerza. Od tego momentu rozpoczyna się II faza ruchu kuleczki w kierunku dośrodkowym. Moment, w którym kuleczki rozpoczynają II fazę ruchu, zależy od ich wielkości. Im kuleczki większe, tym wcześniej rozpoczynają ruch dośrodkowy, a najmniejsze kuleczki są porywane ze strumieniem mleka odtłuszczonego. W górnej części bąka pakiet talerzy rozdzielczych zakończony jest specjalnym talerzem bez otworów( tak zwany talerz śmietankowy), który zapobiega ponownemu łączeniu się mleka odtłuszczonego ze śmietanką, kierując je poprzez odpowiednie otwory do oddzielny dwóch odbieralników. W górnej części talerza śmietankowego, w wylocie śmietanki, zamontowany jest gwintowany od zewnątrz pierścień służący do regulacji ilości odprowadzanej śmietanki. Wkręcanie tego pierścienia w kierunku osi bąka wirówki powoduje zmniejszenie ilości wypływającej śmietanki, zwiększenie zawartości tłuszczu w mleku odtłuszczonym. Podstawowa zasada działania wykorzystująca siłę dośrodkową i różnicę gęstości rozdzielanych składników jest taka sama dla wszystkich wirówek. Natomiast w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych można wyróżnić 3 główne typy wirówek:

• otwarte - są rozwiązaniem najstarszym i najprostszym. W wirówkach takich zarówno mleko pełne, jak i produkty rozdziału- śmietanka i mleko odtłuszczone kontaktują się z powietrzem. Jest to niekorzystne gdyż mleko odtłuszczone silnie się pieni, dochodzi do niekontrolowanych zanieczyszczeń z powietrza, dodatkowo uszkadzają się otoczki kuleczek tłuszczowych, co może przyspieszać procesy oksydacji tłuszczu, takie wirówki stosuje się przy przetwarzaniu małych ilości mleka w gospodarstwach indywidualnych. Nie znajdują one zastosowania przemysłowego.

• zamknięte - różnią się od otwartych tym, że dopływ mleka do bąka odbywa się pod własnym ciężarem, ale odpływ mleka odtłuszczonego i śmietanki odbywa się pod ciśnieniem i jest zamknięty. Kontakt mleka z powietrzem jest już bardzo ograniczony, wirówki takie można jeszcze spotkać w niektórych zakładach mleczarskich.

• hermetyczne- wykluczają kontakt powietrza z mlekiem w jakimkolwiek stadium procesu wirowania, zarówno mleko pełne, jak i śmietanka i mleko odtłuszczone transportowane są rurociągami pod ciśnieniem. Wirówki takie są podstawowym typem wirówek stosowanych w zakładach mleczarskich.

Wydajność procesu wirowania oraz dokładność odtłuszczenia mleka zależą od wielu czynników, a do najważniejszych z nich należą:

• przyspieszenie dośrodkowe, które uwarunkowane jest liczbą obrotów bąka i średnicą bąka wirówki. Średnice wirówek odtłuszczających do mleka mają pewne ograniczenia wynikające z wytrzymałości mechanicznej materiałów konstrukcyjnych, gdyż przy przyspieszeniu dośrodkowym około 6000g na ścianę bąka wirówki wywierane jest ogromne ciśnienie, dlatego na ogół średnice bąków nie przekraczają 0,6m. korzystniej jest zwiększać liczbę obrotów bąka w czasie, gdyż prędkość poruszania się wirowanych cząstek zależy od kwadratu liczby obrotów bąka. W warunkach przemysłowych wirówki odtłuszczają mleko do zawartości tłuszczu poniżej 0,05%.

• liczba talerzy i odległość między nimi. Talerze mają kształt ściętego stożka i dzielą strumień płynu na wiele warstw o grubości około 0,5mm, dzięki czemu osiąga się laminarny przepływ wewnątrz bąka i skraca drogę osadzania cząstek. W bąkach wirówek przemysłowych występuje kilkadziesiąt talerzy odpowiednio wyważonych i kolejno ponumerowanych.

• czas przebywania mleka w bąku. Uwarunkowany jest on głównie objętością bąka wirówki i natężeniem przepływu mleka przez wirówkę. Zwiększając natężenie przepływu mleka przez wirówkę, zwiększa się zawartość tłuszczu w mleku odtłuszczonym. Jednak w przypadku, gdy wirówka wykorzystywana jest tylko do normalizacji mleka, ważniejsza od dokładności odtłuszczenia jest wydajność wirówki, gdyż po przejściu przez wirówkę, mleko odtłuszczone, za pomocą dokładnych układów normalizacyjnych, mieszane jest z odpowiednią ilością śmietanki do określonej zawartości tłuszczu, na przykład 2%.

• rozkład wielkości kuleczek tłuszczowych. W mleku pełnym kuleczki tłuszczowe mają średnicę 0,1-15
  m. W 1 cm³ mleka występuje około 10⁹-10¹⁰ kuleczek tłuszczowych. Najmniejsze kuleczki (poniżej 1
  m) stanowią około 75% liczby kuleczek tłuszczowych, ale stanowią tylko 2% całego tłuszczu w mleku. Graniczna średnica kuleczek tłuszczowych przechodzących do mleka odtłuszczonego w wirówkach przemysłowych wynosi 0,7-1,0
  m, co oznacza, że kuleczki tłuszczowe o średnicy poniżej 1
  m nie dadzą się odwirować na wirówkach przemysłowych. Mleko krów różnych raz wykazuje zróżnicowany rozkład wielkości kuleczek tłuszczowych, a kuleczki tłuszczowe w mleku kozim są wyraźnie mniejsze niż w mleku krowim.

• temperatura wirowanego mleka. Ogrzewanie mleka przed wirowaniem ułatwia oddzielanie kuleczek tłuszczowych ze względu na obniżenie lepkości osocza mleka i zwiększenie różnicy między gęstością osocza i tłuszczu oraz niewielkie zwiększenie wielkości kuleczek tłuszczowych. Ogrzewanie mleka do temperatury około 45
  przyspiesza 2-3- krotnie prędkość osadzania pojedynczych kuleczek tłuszczowych w wirówce w porównaniu z mlekiem wirowanym w temperaturze 15
  . Obecnie, w specjalnych wirówkach przemysłowych do „wirowania mleka na zimno”, mleko wiruje się nawet w temperaturze 4-5
  , z tym ,ze zawartość tłuszczu w uzyskanym mleku odtłuszczonym wynosi około 0,07-0,10%/

• właściwa obsługa wirówki. Polega na braku wibracji, przecieków, usuwaniu szlamu wirówkowego.

• zawartość tłuszczu w śmietance- im większa zawartość tłuszczu w śmietance, tym większa zawartość tłuszczu z mleku odtłuszczonym.

Wirówki spełniają nie tylko rolę urządzeń do odtłuszczania mleka, ale także do normalizacji mleka, czyli otrzymania mleka o określonej zawartości tłuszczu. Ponadto wirówki spełniają bardzo ważną rolę związaną z oczyszczaniem mleka z zanieczyszczeń.

Rozwój konstrukcji wirówek odtłuszczających

Od mniej więcej od 1860 roku notuje się próby zastosowania siły odśrodkowej przy odtłuszczaniu mlek, to jednak pierwszą udaną, choć nie w sposób ciągły pracującą wirówkę do mleka skonstruował w 1877 roku niemiecki inżynier Lefeldt, a wirówkę odtłuszczającą mleko w sposób ciągły- szwedzki inżynier Gustav de Laval w 1879 roku. Jego wirówka wykazuje już znaczne podobieństwo do wirówek współczesnych.

Następne lata przynosiły stałe ulepszenia. Na przykład w 1883 roku Lefeldt zastosował elastyczne górne łożysko wrzeciona, co dało równomierniejszy chód wirówki dzięki tak zwanemu samo balansowaniu bąka. Bardzo ważnym udoskonaleniem było zamieszczenie wewnątrz bąka zwartego pakietu talerzy rozdzielczych(od około 15 do 120 sztuk, zależnie od wielkości wirówki). Ulepszenie to wprowadzone przez Bechtolsheima w 1888 roku, dzięki rozdzieleniu mleka na cienkie warstwy paręsetkrotnie skracało drogę wędrówki kuleczek tłuszczowych, a ponadto wybitnie zwiększało powierzchnię kontaktu bąka z mlekiem, przeciwdziałając przez to niepożądanym poślizgom i wirom mleka. Wprowadzenie talerzy podniosło blisko 3- krotnie wydajność wirówek przy jednoczesnym znacznym obniżeniu zwartości tłuszczu w mleku chudym do około 0,05% z poprzednich 0,10-0,15%. Bardzo istotnym udoskonaleniem była zapoczątkowana w latach trzydziestych hermetyzacja przewodów wirówek. W dotychczasowych wirówkach otwartych zarówno dopływ mleka pełnego, jak odpływ mleka chudego i śmietanki zachodził w warunkach nieszczelności, z nieograniczonym mieszaniem się płynów i powietrza. Mleko chude, skutkiem gwałtownego rozbijania się i mieszania z powietrzem w odbieraczu, wychodziło z wirówki w stanie silnego spienienia. Było to wysoce uciążliwe również i z tego względu, że spienione chude mleko nie mieściło się w konwiach, w których dostarczane było mleko pełne. Wirówka półzamknięta ma uszczelniony odpływ mleka chudego, które ponad talerzem śmietankowym przedostaje się do niewielkiej pierścieniowej przestrzeni, z której- bez mieszania się z powietrzem- wyczerpywane jest za pomocą zamieszczonej nieruchomo tarczki wirnikowej. Tarczka ta spełnia rolę niejako wirnika pompy odśrodkowej z tą jednak różnicą, że ruchu wirowego dokonuje chude mleko, przekształcając w ten sposób swą energię kinetyczną na energię parcia. Dzięki powstałemu ciśnieniu mleko chude bez pomocy pompy może być przekazywane do wyżej zamieszczonego zbiornika wydawczego lub uprzednio jeszcze skierowane do płytowego pasteryzatora.

W wirówce zamkniętej uszczelnieniu podlega także odpływ śmietanki, która dzięki temu, z ominięciem pompy, może przechodzić do pasteryzatora płytowego. Hermetyczną nazywa się wirówkę, w której szczelny jest także dopływ mleka pełnego, przy czym ze względów konstrukcyjnych dopływ mleka odbywa się od dołu, przez wrzeciono. Do tego celu stosuje się oddzielną pompę wirnikową lub też dolny koniec wrzeciona zaopatruje w wirnik nadający odpowiednie ciśnienie mleku wprowadzanemu do wrzeciona. Tego rodzaju rozwiązanie zastosowane było na przykład w hermetycznej wirówce Alf-Laval. Tarczka wirnikowa odprowadzająca mleko chude obraca się tu razem z bąkiem, a więc przy 6-7 tysiącach obrotów/ minutę. Podnosi się przez to ciśnienie wypływającego mleka chudego. Śmietanka bezpośrednim cienkim przewodem centralnym, a więc bez wirnika, przechodzi do wyżej zamieszczonego przewodu zaopatrzonego zwykle w przepływowy miernik tłustości. Są również wirówki hermetyczne z odgórnym doprowadzaniem mleka pełnego na przykład wirówka Titan, Westfalia, Alfa-Laval.

We wszystkich typach wirówek zamkniętych, a więc półzamkniętych i hermetycznych specjalnej uwagi wymagają uszczelnienia między nasadkami w miejscach ich kontaktu z bąkiem, jak również dławicowe uszczelnienie w dolnej części wrzeciona. Spośród omawianych typów całkowicie hermetyzowana wirówka odznacza się znaczną tolerancją pod względem ilości przepuszczanego mleka w jednostce czasu. Poza tym w wirówkach częściowo lub całkowicie zamkniętych przewidziana jest regulacja ilości wypływającej śmietanki, i tym samym jej tłustości, bez potrzeby zatrzymywania wirówki. W wirówkach hermetyzowanych regulacja odbywa się w biegu, przez ograniczenie za pomocą zaworu ilości odpływającego mleka chudego lub śmietanki.

Wirówki o różnym stopniu hermetyzacji są to urządzenia typowe dla większych mleczarni. Z dalszych udoskonaleń wirówek odtłuszczających wymienić należy ich dostosowanie do ogólnej zasady w przemyśle mleczarskim: czyszczenia i mycia aparatury bez jej każdorazowego rozbierania. Budowane są już wirówki z automatycznym periodycznym usuwaniem szlamu wirówkowego w biegu, w czasie pracy wirówki, umożliwiające ponadto bez rozbierania bąka mycie go odpowiednimi alkalicznymi gorącymi roztworami detergentów z końcowym przepłukiwaniem czystą gorącą wodą. Wyrzucanie szlamu z bąka zachodzi periodycznie w sposób ekspozycyjny, do zbiorniczka zewnętrznego przez rozwierającą się szczelinę w skośnie ustawionych bocznych ścianach bąka.

Wirówki mleczarskie mają zastosowanie w :

Największy udział stanowią wirówki odtłuszczające

• odtłuszczanie mleka - klasycznym zastosowaniem było i jest oddzielenie Meka na śmietankę i mleko chude, stosowane do tego wirówki separacyjne odtłuszczające mleko nie tylko oddzielają tłuszcz od mlek, lecz również odrzucają zanieczyszczenia, które znajdują się w surowym mleku. Odtłuszczane mleko jest następnie np.: ponownie mieszane ze śmietaną, aby uzyskać popasaną zawartość tłuszczu w mleku lub poddawane jest dalszemu przetwarzaniu (np.: ser owarzeniu). Śmietana jest z reguły przetwarzana na masło.

• odtłuszczenie serwatki- serwatka powstająca podczas produkcji sera zawiera jeszcze tłuszcz. Jest to cenny tłuszcz i odzyskiwany jest poprzez odwirowanie w wirówkach do odtłuszczania serwatki.

Ponadto istnieją tak zwane wirówki oczyszczające w różnych wersjach, różnią się w zależności od przeznaczenia. Różnią się one od wirówek odtłuszczających tym, że wirówka do odtłuszczenia serwatki oddziela tylko tłuszcze. Takie wirówki oczyszczające są stosowane przede wszystkim w niżej wymienionych przypadkach:

• odpylenie serwatki- zanim serwatka będzie mogła zostać dostarczona do wirówki odtłuszczającej, musi zostać wstępnie oczyszczona. Takie czyszczenie może nastąpić poprzez przecedzenie. Jednakże wstępne oczyszczenie jest najbardziej efektywne wtedy, jeśli zastosuje się specjalnie przeznaczone do tego celu wirówki oczyszczające. Zastosowanie takiej wirówki podnosi wydajność użytej później wirówki do odtłuszczenia serwatki.

• oczyszczanie mleka- w celu oddzielenia zanieczyszczeń od mleka surowego również stosuje się specjalnie przeznaczone do tego celu wirówki oczyszczające.

• oczyszczenie z ługu w systemie CIP- powstały w mleczarni po czyszczeniu w systemie CIP ług musi zostać bez przetworzenia bardzo szybko usunięty. W celu wydłużenia czasu trwałości czyszczenia z ługu w systemie CIP, można zastosować specjalne wirówki oczyszczające. Aby przedłużyć trwałość mleka pitnego lub unikać niepożądanych reakcji podczas procesu wytwarzania sera stosuje się tak zwane wirówki odkażające lub wirówki baktofugacyjne.

• odkażanie względnie baktofugacja- wirówki względnie baktofugujące mogą zostać zastosowane do mleka pitnego, mleka serowarskiego, jak również do serwatki.

Oprócz mleka i serwatki w mleczarniach, serowarniach wytwarza się takie produkty jak: twaróg (ser biały), ser śmietankowy, ser tłusty śmietankowy, olej masłowy, kazeina i cukier masłowy. Do wyrobów tych produktów używa się specjalne wirówki takie jak:

• wyrób twarogu przy użyciu wirówek do twarogu- przeznaczona specjalnie do tego celu, zostaje napełniona zagęszczonym, chudym mlekiem. Nowoczesne wirówki do twarogu oczyszczają z ługu w systemie CIP

• wyrób sera śmietankowego- używane są specjalnie wirówki, które usuwają ług. Wirówka zostaje napełniona nie zagęszczonym, chudym mlekiem, lecz zagęszczonym tłustym mlekiem

• wyrób tłustego sera śmietankowego

• wyrób oleju masłowego- podczas wyrobu oleju masłowego za pomocą wirówek postępuje się zazwyczaj dwustopniowo

• wirówki sedymentacyjne również mają zastosowanie w mleczarstwie:

• wyrób kazeiny

• wyrób cukru mlekowego

• koncentracja pyłu serowego.

Baktofugacja

Baktofugacja jest zabiegiem umożliwiającym poprawę higieniczną stanu mleka w wyniku mechanicznego usunięcia z niego większości bakterii podczas wirowania. Podobnie jak we wszystkich procesach wirówkowych, wydzielanie drobnoustrojów z mleka jest oparte na wykorzystaniu różnicy gęstości mleka i komórek bakterii. W większości przypadków gęstość komórek mikroorganizmów jest większa niż gęstość mleka. Zwłaszcza wysoka gęstość form przetrwalnikujących, trudnych do dezaktywacji podczas obróbki cieplnej stwarza szansę skutecznego ich wydzielania w procesie wirowania, dlatego usuwanie bakterii z mleka w wirówkach jest szczególnie korzystne podczas wyrobu serów długo dojrzewających i produktów od długim okresie przechowywania, jak mleko UHT, proszek mleczny. Jakkolwiek efektywność baktofugacji może być porównywalna z efektem pasteryzacji pod względem liczby usuniętych komórek, to jednak procesy te nie są sobie równoważne. Prawidłowo przeprowadzona pasteryzacja daje pewność, że wszystkie drobnoustroje chorobotwórcze zostały zabite, natomiast żaden proces mechaniczny takiej gwarancji nie daje. Pomimo tego mechaniczne usuwanie drobnoustrojów z mleka znajduje coraz większe zastosowanie w przetwórstwie mleka. Wydzielanie drobnoustrojów z mleka odbywa się w wirówkach talerzykowych o specjalnej konstrukcji bębna. Duża gęstość komórek w porównaniu z gęstością mleka sprawia, że zachowują się on w przestrzeniach międzytalerzowych podobnie jak cząstki zanieczyszczeń stałych w wirówkach czyszczących . wynika stąd, że wzbogacona w bakterie frakcja mleka tworząca koncentrat bakteryjny przepływa w kierunku zewnętrznego obwodu bębna- podobnie do przepływu mleka odtłuszczonego w wirówkach separacyjnych- pozbawione zaś bakterii mleko kieruje się do osi obrotu. W celu skutecznego usunięcia drobnoustrojów z mleka należy ciągle odprowadzać na zewnątrz frakcje o dużej zawartości bakterii, w przeciwnym razie wzrost stężenia komórek w peryferyjnej części bębna skutecznie zablokuje dopływ nowych cząstek, prowadząc do ustalenia się stanu równowagi, a nawet wtórnego skażenia nowych partii mleka. Dlatego też pierwsze wirówki do usuwania drobnoustrojów z mleka tak zwane baktofugi, miały na obwodzie bębna dysze, którymi ciągle odpływał koncentrat bakteryjny. Były to maszyny o stosunkowo małej wydajności przepływu, i w ostatnich latach zostały wyparte przez wirówki z bębnem samooczyszczającym, umożliwiające oczyszczanie 500 cm³ mleka w ciągu 1h/ w nowoczesnych wirówkach wydzielających bakterie z mleka ciecz płynie przez bęben, podobnie jak w wirówkach odtłuszczających, inne jest jednak rozmieszczenie otworów w talerzach, ponieważ płaszczyzna rozdziału znajduje się dalej od osi obrotu. Odmienna jest też konstrukcja talerza rozdzielczego, będącego odpowiednikiem talerza śmietankowego w wirówkach odtłuszczających.

Dzięki niemu powstaje przestrzeń umożliwiające odprowadzanie koncentratu bakteryjnego, podobnie jak w rozwiązaniach odpływu mleka odtłuszczonego, a jednocześnie talerz ten zapobiega wtórnemu mieszaniu się oczyszczonego mleka z koncentratem. Zanieczyszczenia mleka wraz z częścią koncentratu bakteryjnego tworzą szlam, który jest cyklicznie usuwany z bębna, jak we wszystkich wirówkach samooczyszczających. Wirówkę oddzielającą bakterie z mleka zawsze instaluje się w linii technologicznej wraz z płytowym wymiennikiem ciepła, gdyż rozdział najkorzystniej przebiega w temperaturze 55-60
. W tym zakresie temperatur lepkość mleka jest już stosunkowo niska, a zmiany we frakcjach białkowych jeszcze nie zachodzą. Wydzielony z mleka koncentrat bakteryjny oraz szlam wyrzucany z bębna podczas jego otwarcia mają stosunkowo dużą zawartość suchej substancji 12-14%, z czego 6-8% stanowią substancje białkowe. Utrata białka ma związek z dużą gęstością, w związku z tym duże micele kazeinowe mogą być odwirowane razem z komórkami bakterii. W tej sytuacji uzasadnione jest poddanie tej cieczy sterylizacji i zawrócenie jej do procesu technologicznego. Mieszanina szlamu i koncentratu usuniętego z wirówki odpływem fazy ciężkiej jest kierowana do zbiornika, skąd przetłacza się ją do ciśnieniowego sterylizatora zbiornikowego wypełnionego parą. Tam koncentrat osiąga temperaturę 130-135
, a czas przetrzymania wynosi ok. 5s. sterylny koncentrat miesza się następnie z oczyszczonym mlekiem opuszczającym wirówkę, po czym mieszanina przepływa do wymiennika płytowego, gdzie następuje pasteryzacja i dalsza obróbka cieplna, jak podczas przerobu zwykłego mleka. Objętość koncentratu bakteryjnego wraz ze szlamem najczęściej stanowi 2,5 do 3.5% ilości mleka podawanego do wirówki, z czego 85% to koncentrat odprowadzany z wirówki rurociągiem, a pozostałe 15% - szlam wyrzucany podczas częściowego opróżniani bębna. W badaniach przebiegu oczyszczania mleka z drobnoustrojów wykazano, że większość wydzielonych komórek bakterii znajduje się w szlamie, natomiast zawartość bakterii w koncentracie odbieranym z króćca odpływowego jest zbliżona do zawartości mleku surowym. Obecność koncentratu w bębnie jest jednak niezbędna, gdyż pełni on funkcję płynu transportującego bakterie do przestrzeni szlamowej, dlatego niekiedy stosuje się recyrkulację koncentratu i powtórne jego mieszanie z mlekiem dopływającym do wirówki. W takiej sytuacji najczęściej rezygnuje się ze sterylizacji szlamu i zawracania sterylizatu do mleka oczyszczonego. Wybór sposobu odbioru koncentratu bakteryjnego z wirówki i jego obróbki cieplnej zależy od kierunku dalszego przerobu mleka.

---