乳粉加工装备
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《中国食品与包装工程装备手册》第210页（7800字）
1 概述
乳粉加工装备是以优质乳、优质脱脂乳、优质蔗糖为原料加工成全脂乳粉、脱脂乳粉、脱脂速溶乳粉、全脂甜乳粉等产品的装备。
乳粉加工关键为杀菌、浓缩、干燥和包装，本节主要叙述乳粉干燥工艺装备。我国乳粉业经历了从平锅法到滚筒法、小型压力喷雾、单效压力喷雾卧式平底干燥、离心喷雾平底塔式干燥、双效蒸发压力喷雾锥形塔式干燥到多效蒸发自控生产的发展过程，现可生产日处理鲜乳1～40t的成套装备。开始使用微机监控，但用自动包装的企业不多。今后乳粉加工装备发展方向为大型化、节能型和自动化。
2 乳粉加工工艺
本节主要介绍全脂乳粉加工工艺(图1－8－14)。
图1－8－14 全脂乳粉加工工艺流程图
2．1 原料乳
制造乳粉的原料乳应是健康牛的新鲜优质乳汁，具新鲜乳风味，无肉眼可见的杂质，酸度低于20°T。其乳脂肪含量应高于3．0%，总乳固体高于11．5%，不得含有任何其他化学物质和防腐剂，色泽不能显红色、绿色或显着黄色，外观应为均匀无沉淀流体。
2．2 原料乳验收、过滤、净化、冷却、贮乳和标准化等工艺
参见本章第1节。
2．3 杀菌
杀菌主要目的是杀死乳中微生物，破坏酶的活力。全部杀灭大肠杆菌及葡萄球菌等病原菌，一般细菌则可杀灭99．5%，经杀菌后乳粉保藏性能良好。杀菌使用挤压辊筒或列管式杀菌器，杀菌温度80～85℃，持续时间5～10min；用板式杀菌装置，杀菌温度80～85℃，时间15s；用超高温瞬时杀菌装备，温度120～124℃，时间2～4s。
2．4 浓缩
浓缩操作应去除原料乳中水分的70%～80%，即浓缩终了时浓乳的体积约为原料乳体积的1／4，其时浓度为12～14°Bé，所含总乳固体为40%～45%，乳温47～50℃时相对密度为1．089～1．100。使用真空浓缩，可降低牛乳沸点，避免高温作业，有利于保持牛乳的营养成分，改善色、香、味和溶解度，并有一定的脱臭作用。
浓缩用真空浓缩锅，真空度84～85kPa，乳温51～56℃，每锅浓缩时间为50～75min。用双效降膜式蒸发器，蒸发室温度第一效70℃，第二效45℃，真空度85～89kPa。真空浓缩加热蒸汽使用压力为0．1～0．15MPa。具体确定牛乳浓缩终点，用间歇出料设备可凭操作人员经验，观察乳的沸腾状态和飞溅到视镜上乳滴的粘稠度决定，也可由静止液位的高低决定。间歇出料设备或连续出料设备，其浓缩终点都可由抽样测定浓缩乳的波美度或相对密度。根据以上所述指标确定其浓缩终点。
2．5 过滤
浓缩乳在喷雾干燥前需经过滤，以去除其中杂质使喷雾干燥能够顺利进行。过滤使用双联过滤器。
2．6 喷雾干燥
干燥使得液态浓缩乳转变为固态乳粉。喷雾干燥通过压力或离心力作用，使浓缩乳经雾化器在干燥室分散成雾状微粒，并与鼓入的热风进行热交换，迅速失去所含水分转变成乳粉。用喷雾干燥工艺，干燥速度快，干燥过程可在10～30μs中完成，因此能保持原有的色、香、味和营养价值，并有较好的冲调特性。采用压力喷雾干燥法，浓缩乳料温40～56℃，喷雾压力9．8～15．7MPa，热风温度140～200℃，排风温度75～85℃，干燥室温度70～90℃，干燥室真空度2．0～3．3kPa，喷出乳滴大小10～200μm，乳粉颗粒直径10～100μm，平均为35～40μm。用离心喷雾干燥法，浓缩乳料温45～50℃，热风温度200～220℃，干燥室温度85～95℃，排风温度80～90℃，乳粉颗粒直径30～200μm，平均100μm。使用这两种工艺，乳粉中水分含量均低于2%。
2．7 冷却
喷雾干燥后全脂乳粉应及时从干燥室内出粉，并及时冷却到30℃以下。否则在高于乳脂肪熔点(28～30℃)的环境下，乳粉中游离脂肪过多，容易造成脂肪氧化变质，降低乳粉品质。冷却用流化床式冷却床，可使乳粉温度降到18℃以下。
2．8 筛粉
通过筛粉分离部分微粉，使成品乳粉颗粒大小均匀。筛粉用吊悬式筛粉机或电动筛粉机，筛网规格20～30目。若使用流化式冷却床冷却乳粉，设备本身已具筛粉功能。
2．9 包装
全脂乳粉乳脂肪含量高，易受阳光氧气作用而变化，且乳粉颗粒表面积大，容易吸潮。故要求乳粉包装室室温控制在18～20℃，空气相对湿度在75%以下。乳粉包装通常采用复合薄膜袋，以避免光线、水分和气体的渗入，若用铁罐充氮密封包装，其保藏期可达3～5年。乳粉包装可用自动称量包装机。
2．10 全脂甜乳粉加工
全脂甜乳粉加工工艺是在全脂乳粉加工工艺的基础上增加加糖工序而成。将优质蔗糖化成糖浆，经杀菌过滤后使用，杀菌温度95℃，保温时间10～15min。浓缩操作若使用盘管式真空浓缩锅，糖浆在牛乳浓缩终点前加入乳中；若使用连续式浓缩装备，糖浆可在牛乳浓缩前加入乳中，经浓缩后浓缩乳的浓度为20～22°Bé，相应的干物质含量为45%～50%。
2．11 脱脂乳粉加工
脱脂乳粉加工工艺是在全脂乳粉加工工艺的基础上增加原料乳的脱脂工序而成，即经过滤净化后的原料乳需经牛乳分离机分离，除去稀奶油，使脱脂乳的含脂率不超过0．1%，用其作为原料加工成脱脂乳粉。牛乳分离时乳温35～38℃。若脱脂乳粉产品是用于添加面粉烤制面包用的，则脱脂乳杀菌时可采用85～88℃，30min的杀菌条件。真空浓缩终点浓缩乳的浓度为20～22°Bé，相应的干物质含量为35%～40%。
2．12 脱脂速溶乳粉加工
脱脂速溶乳粉可采用二段法加工(干燥－吸潮－再干燥)，即以普通的脱脂乳粉为基粉经吸潮互相附聚、再干燥、冷却、粉碎过筛而成。生产基粉时预热、杀菌和浓缩等操作要限制在较低温度下进行，以使乳中乳清蛋白质变性程度低于5%。使用二段法加工，其工序较多，费用较高，若干代表性的工艺流程均属专利。使用流化床附聚法也可直接生产脱脂速溶乳粉。干燥室中潮湿的、已部分附聚的乳粉出粉后进入振动流化床，通过附聚、干燥、冷却和过筛等操作加工成速溶乳粉。用一段法生产，可将尼罗(Niro)直通式速溶粉瞬间形成机连接到干燥室出料口组成成套设备加工。
二段法生产脱脂速溶乳粉，加工基粉时用高温短时间杀菌，杀菌温度80℃，时间15s；低温浓缩，浓缩时料温45～50℃或55～60℃。一段法生产用尼罗直通式速溶乳粉瞬间形成机，应相应提高浓缩乳的浓度，减低喷雾压力以期先行制得大颗粒乳粉，同时应降低干燥室的排风温度。
乳粉成品主要指标，全脂乳粉：水分2．0%，脂肪30．6%，蛋白质26．2%，乳糖35．5%，灰分5．7%。脱脂乳粉：水分3．0%，脂肪1．0%，蛋白质36．0%，乳糖52．0%，灰分8．0%。全脂甜乳粉蔗糖含量应低于20%。
3 关键装备
3．1 立式顺流压力喷雾干燥设备
立式顺流压力喷雾干燥设备是当前我国最常用的乳粉干燥设备之一，全套设备主要包括干燥塔、热风系统、喷雾系统和粉尘收集系统等几大部分(图1－8－15)。
图1－8－15 立式顺流干燥设备示意图
1－高压管 2－压力喷雾器 3－空气加热器 4－进风机 5－回转出料阀 6－筛子 7－螺旋绞龙 8－排风机 9－布袋过滤器 10－干燥塔 11－热风分配箱
3．1．1 干燥塔 干燥塔为圆柱体状，作为提供干燥热交换场所，其底部呈圆锥体结构，便于出粉。干燥室热风筒周围安装呈螺旋状的水夹套冷却装置，离心水泵从循环水箱泵入冷却水，该冷却装置可减轻乳粉干燥过程的热变性焦化。
3．1．2 热风系统 热风系统包括进风机、空气过滤器、空气加热器、热风分配箱和必需的连接管道、调节阀门等。热风系统向干燥室有效干燥部位连续稳定地提供均匀一致、具有一定温湿度的热风，作为乳粉的干燥介质。
(1)进风机 进风机可选用一般的离心式风机，其风量应满足干燥设备水分蒸发量的要求。
(2)空气过滤器 通常采用充满钢丝绒的滤层，滤层应浸植物油后沥干使用。空气通过滤层时，其中杂质被阻挡或被油层吸附。
(3)空气加热器 空气加热器紫铜管上绕缠紫铜翅片后搪锡，饱和蒸汽在加热管内流动，经过滤后的新鲜空气在加热管外翅片间穿过，形成热交换空气加热成热风。需装设相应规格的汽水分离器，用以排除加热管内的冷凝水，提高空气加热器的热交换效率和寿命。
(4)热风分配箱 热风分配箱装设于干燥塔上方，其作用是使热风较为均衡地分配给各分风筒，防止尚未完全干燥的乳粉回流，保证干燥顺利进行。
3．1．3 喷雾系统 喷雾系统主要由高压泵和压力喷雾器所组成。
(1)高压泵 高压泵是压力喷雾干燥的必要设备，用于提供高压浓缩乳，保证供料连续均匀，并使乳中脂肪球破裂，直径变小。高压泵通常是三柱塞式往复泵，压力为15．7～23．5MPa，常用的输出能力分别为800L／h和1500L／h，小型高压泵输出能力为200L／h。高压泵(图1－8－16)作业时，活塞往复运动，吸入阀和排出阀相应地启开和闭合，将浓缩乳吸入并高压排出。在料液排出口还设置安全阀，压力过高时料液可返回到吸入口。
图1－8－16 RPO2高压泵结构示意图
1－排液室 2－排出阀 3－冷却水排出管 4－活塞套 5－活塞 6－吸入阀 7－吸液室 8－泵体
(2)压力喷雾器 压力喷雾器用于压力喷雾干燥中将高压浓缩乳稳定地喷洒成大小均匀的液滴，并均匀地分布于干燥室的有效部分。常用的有M型喷雾器和S型喷雾器两种类型，它们结构简单，操作管理方便，可用于大型干燥室，动力消耗较低。
M型喷雾器［图1－8－17(1)］ 高压浓缩乳经分配板3的小孔、喷嘴4的导沟后从喷头5喷出。M型喷雾器每只流量可达300kg／h，适用于生产能力较大的喷雾干燥。用入造红宝石制成的喷头，其硬度高，耐磨性好，喷孔能保持较高的光洁度，使其喷雾质量良好。M型喷雾器喷孔直径较大，可达1．4～1．5mm，不易堵塞，也相应地增大乳粉颗粒，改善冲调性能。
S型喷雾器［图1－8－17(2)］ 芯子3具有螺旋状小沟，高压浓缩乳沿小沟螺旋式前进，以极高的速度通过喷嘴4的锐孔，成70°左右的锥形角喷射出去，呈涡旋状运动。S型喷雾器喷嘴孔径一般为0．5～1．2mm。
图1－8－17 压力喷雾器结构示意图
(1)M型喷雾器
1－管接头 2－六角螺母 3－分配板 4－喷嘴 5－宝石喷头
(2)S型喷雾器
1－管接头 2－六角螺母 3－芯子 4－喷嘴
3．1．4 粉尘收集系统 粉尘收集系统由排风机、布袋过滤器和螺旋绞龙等部分组成，用于过滤干燥塔排出的废气，并收集其中携带的乳粉微粒，输送回干燥塔的圆锥形底部。
(1)排风机 选用离心式风机，其风量应比进风机风量大20%～40%。
(2)布袋过滤器 布袋过滤器系由多只织物织成的圆筒状滤袋组成。布袋开口端用轧箍固定于花板的凸缘上，另一端则悬挂于振动机构上。带有乳粉粉尘的干燥塔废气自花板下方进入布袋内，废气通过织布的孔隙排出，乳粉微粒滞留于布袋中。振动机构定时拍击布袋，将其击落于下方。
(3)螺旋搅龙 螺旋搅龙置于布袋过滤器下方，起输送作用，将过滤布袋下落的乳粉推送到干燥塔底部回收，与塔内乳粉一起卸出。
立式顺流压力喷雾干燥设备(图1－8－15)工作时，高压浓缩乳和热风均从干燥塔10的顶部进入。牛乳经压力喷雾器2喷出后成直径为10～100μm的极细微滴；热风经分配箱11分配进入分风筒，均匀地送入干燥室中。乳滴和热风在干燥室内自上而下顺流运动，进行充分接触换热。液乳在极短暂的时间内(10～15s)丧失水分，干燥成乳粉，沉降于干燥室底部。底部出口使用回转式出料阀5，可连续不断地自动卸料。干燥塔内湿含量较大的废气，经布袋过滤器9过滤，回收废气所带的乳粉后由排风机8排出。
3．2离心喷雾干燥设备
离心喷雾干燥设备具有圆塔形喷雾室，常用的有两种类型，即锥形底的尼罗(Niro)式和平底的安海德罗(Anhydro)式。本节介绍尼罗式喷雾干燥设备。
尼罗式设备(图1－8－18)与立式顺流压力喷雾干燥设备结构组成相似，但有以下的不同特点。
图1－8－18 尼罗(Niro)式离心喷雾干燥设备示意图
1－乳泵 2－空气过滤器 3－进风机 4－空气加热器 5－喷雾干燥器 6－热风分布器 7－喷雾器 8－风机 9－排风机 10－排风机 11－主旋风分离器 12－小旋风分离器 13－流化床式冷却床 14－冷风机 15－振动输粉机
3．2．1 尼罗式喷雾干燥设备 以离心喷雾转盘及其高速传动机构替代高压泵和高压喷雾器。离心盘利用高速旋转的离心作用喷出浓缩乳，使其雾化成乳滴微粒。我国常用喷枪式和篮式转盘(图1－8－19)作为离心盘。作业中，高速传动机构带动离心盘高速旋转，浓缩乳泵入离心盘后，喷枪式转盘由喷枪直接喷出；篮式转盘则经分配盘3进入转盘4，经其中的沟槽，由喷孔5喷出。转盘的沟槽已从传统的直线状改进为弯曲状，从而大大降低了成品乳粉中包容的空气，减少乳粉氧化的可能性，并使其表观密度提高7%～10%，有利于包装。高速传动机构包括动力装置、增速机构和润滑系统等，结构较复杂。
图1－8－19 离心喷雾转盘结构示意图
(1)喷枪式转盘 (2)篮式转盘
1－主轴 2－进料管 3－分配盘 4－转盘 5－喷孔
离心喷雾适应浓度高、粘度大的浓缩乳喷雾作业，料液浓度可高达50%以上。改变离心盘转速可以调整喷雾量，其增减幅度达±25%。用离心喷雾干燥制成的乳粉，其颗粒较大，冲调性好，但影响保藏性能。而且离心喷雾干燥设备的运行费用要稍高于压力喷雾。
3．2．2 流化床式冷却床 设备包括振动输粉机、冷却床、微粉回收系统和冷风系统。其作用为连续出粉、冷却乳粉和连续筛粉。参见第1篇第14章第4节。
3．2．3 旋风分离器 采用旋风分离器收集干燥塔排出废气中所携带的粉尘。分离器为筒状结构，其上部按切线方向设进气口，中心设排气管。底部开口与阻气阀相连。废气进入旋风分离器后在圆筒内高速旋转，悬浮在气流中的乳粉颗粒被甩向筒壁，后下沉至底部卸出。乳粉颗粒分离后的废气由中央排气管导出，排风机9将其排出系统之外。旋风分离器排出粉尘采用涡旋气封代替回转阀(如闭风机)，其涡流中心负压与旋风分离器内部相同，因此排粉顺利，避免了全脂乳粉在阀门处的粘结。
3．2．4 热风系统中采用间接加热式燃油炉间接加热式燃油炉容易控制，其热效率也高。若限于条件，也可采用蒸汽加热代替。
3．3 尼罗(Niro)直通式速溶乳粉瞬间形成机
该设备连接于尼罗式离心喷雾干燥设备的干燥室下部，用于一段法制造速溶乳粉。设备为一振动式流化床，它可分为3个区段。从干燥室卸出的潮湿乳粉已部分附聚，均匀地分布在第一区段孔板上，同时吹以热风，乳粉继续附聚成为稳定的团粒，并在往复筛动中进入第二区段孔板上。在第二区段继续吹入热风，乳粉继续干燥，其含水率可低于2．5%。在第三区段吹入冷风，使乳粉及时得到冷却。振动式流化床参见第1篇第14章第6节。
3．4 牛乳过滤、净化、冷却、贮乳、标准化、预热杀菌所需装备
上述设备请参见本章第1节和第2节。乳粉称量包装装备参见第2篇第6章及第8章。