Современные технологии охлаждения в молочной промышленности

Молоко — продукт с высокой биологической ценностью и такой же скоропортящийся продукт. Уже в первые минуты после дойки запускаются микробиологические и ферментативные процессы, которые меняют кислотность, аромат и технологическую пригодность сырья. Чем быстрее и равномернее мы выведем молоко из «опасной» температурной зоны, тем выше будет выход качественной продукции: от питьевого молока до сыра и йогурта.

В этой связи одно из самых популярных решений — охлаждение ледяной водой через внешние теплообменники. Метод учитывает ключевой принцип: максимальный градиент температур и высокий коэффициент теплоотдачи на старте процесса. Но «ледяная вода» — лишь часть набора современных технологий. На практике производители комбинируют пластинчатые охладители, чиллеры (прямого расширения и гликолевые), ледобанки, тонкослойные (пленочные) решения и резервные контуры, чтобы системно управлять холодом.

Ниже — подробный разбор, как устроены эти технологии, чем они отличаются, на каких этапах цепочки «ферма — приемка — переработка — хранение — отгрузка» применяются и что учитывать при выборе.

Почему скорость и равномерность охлаждения критичны

Микробиология. Свежевыдоенное молоко (~ +37 °C) — идеальная среда для роста бактерий. Падение температуры до +4 °C за считанные минуты радикально замедляет микробиологические процессы, снижая исходное обсеменение перед пастеризацией.

Физико-химия. Быстрое охлаждение стабилизирует жировые глобулы, уменьшает активность липазы и протеаз, защищая вкус и сыропригодность. Медленное или неравномерное охлаждение провоцирует рост кислотности, «плоский» вкус, повышенные потери при коагуляции.

Срок годности и экономика. Чем раньше и глубже выполнено охлаждение, тем дольше молоко остается в кондиции, уменьшаются списания, повышается гибкость планирования партий на заводе.

Ключевые критерии оценки систем холода

1. Производительность и «пиковая» готовность. Способность быстро снять нагрузку при залповой подаче сырья (например, утренний и вечерний удои).

2. Равномерность охлаждения. Отсутствие «теплых карманов» и перегревов по тракту.

3. Гигиеничность. Полная совместимость с CIP, минимизация «мертвых зон» и прокладок, которые трудно отмыть.

4. Энергоэффективность (COP/EER). Сколько электроэнергии тратится на единицу отведённого тепла.

5. Гибкость и масштабируемость. Возможность роста мощностей, подключение дополнительных контуров, каскадов.

6. Надёжность и сервис. Устойчивость к обледенению, отказам компрессоров, стабильная работа автоматики.

7. Полная стоимость владения (CAPEX + OPEX). Не только цена закупки, но и обслуживание, моющий химикат, вода, дренаж, потери продукта.

Обзор технологий и их роль в процессе

Пластинчатые охладители (PHE, пластинчатые теплообменники)

Как работает. Молоко и охлаждающая среда (чаще всего ледяная вода или гликоль) движутся по альтернативным каналам между тонкими гофрированными пластинами из нержавеющей стали. Глубокий турбулентный режим даёт высокий коэффициент теплоотдачи и минимальное «приграничное» сопротивление.

Плюсы.

• Мгновенное охлаждение за один проход: с ~ +35…+37 °C до +2…+4 °C.

• Компактность и низкая ΔT-«прибавка» (малый температурный подход).

• Полная CIP-совместимость.

Минусы.

• Чувствительность к засорению при плохой предфильтрации.

• Требует стабильного источника холода (ледяной воды/гликоля), иначе падает производительность.

Где применять. На приемке молока (фор-кулер), на ферме в связке с танком-охладителем, в линиях творога/сыворотки для стабилизации температуры перед дальнейшими стадиями.

Охлаждение ледяной водой (Ice Water, ледобанк)

Как работает. Создаётся «банк» льда в резервуаре: ночью или вне пиков компрессоры замораживают часть объёма, а в пик (приемка сырья) лёд тает, отдавая «скрытую теплоту плавления» и поддерживая воду при 0…+1 °C. Эта вода циркулирует через PHE и/или рубашки танков.

Плюсы.

• Высокая пиковая отдача холода за счёт фазового перехода льда.

• Буферизация нагрузки: компрессоры работают более равномерно, можно использовать ночной тариф.

• Низкая температура теплоносителя (почти 0 °C) — быстрый отбор тепла на старте.

Минусы.

• Дополнительный CAPEX на ледобанк и циркуляцию.

• Потери при неэффективной теплоизоляции и обмерзании теплообменников.

Где применять. Фермы и заводы с выраженной пиковой нагрузкой (большие объёмы за короткое окно времени), линии, где критична скорость первичного охлаждения.

Чиллеры прямого расширения (DX-чиллеры)

Как работает. Хладагент кипит напрямую в теплообменнике (например, в рубашке танка), забирая тепло у молока. Нет промежуточного контура.

Плюсы.

• Высокая эффективность за счёт отсутствия промежуточной жидкости.

• Меньше насосной энергии.

Минусы.

• Сложности гигиены при некоторых конструкциях (важны сертифицированные, «молочные» исполнения).

• Риск переохлаждения/подмораживания стенки при неверной настройке.

• Экологические требования к хладагентам и герметичности.

Где применять. Локальные танки-охладители на фермах, где важен прямой и быстрый отбор тепла без длинных трасс.

Гликолевые чиллеры (вторичный контур)

Как работает. Компрессорный контур охлаждает смесь воды и пропиленгликоля (обычно −5…+2 °C), которая циркулирует по PHE и рубашкам. Это вторичный контур, отделяющий хладагент от продукта.

Плюсы.

• Безопасность: продукт контактирует только со сталью, а не с хладагентом.

• Гибкость: один чиллер — много потребителей (танки, линии, помещения).

Минусы.

• Дополнительные потери на насосах и промежуточном теплообмене.

• Необходим контроль концентрации гликоля и материалов уплотнений.

Где применять. Средние и крупные заводы с распределённой системой холода, несколькими зонами и режимами.

Тонкослойные (пленочные) охладители / falling-film

Как работает. Молоко тонкой пленкой распределяется по поверхности теплообменника, что увеличивает площадь контакта и ускоряет теплоотдачу при низком гидравлическом сопротивлении.

Плюсы.

• Очень быстрый отклик при высоких расходах.

• Низкая «температурная прибавка» и бережное воздействие на продукт.

Минусы.

• Повышенные требования к санитарной дисциплине и ровности потока.

• Не везде подходит как универсальный фор-кулер, часто — как специализированный узел.

Погружные/змеевиковые решения

Используются всё реже, поскольку проигрывают по гигиене и управляемости. Допустимы в вспомогательных задачах (например, охлаждение воды/сыворотки в закрытых контурах), но для молока предпочтительны PHE, рубашки и falling-film при полной CIP-совместимости.

Как технологии комбинируют на реальном производстве

Сценарий A: ферма (непрерывная приемка малыми порциями)

• Молокопровод → пластинчатый охладитель + ледяная вода → танк-охладитель (поддержание +2…+4 °C).

• Ночью ледобанк «заряжается», днём/утром отдаёт пик холода.

• Альтернатива: DX-танк при ограниченном бюджете и хорошем сервисе.

Сценарий B: приёмка на заводе (залповые объёмы автоцистерн)

• Узел приемки → двухступенчатый PHE: предохлаждение холодной водой (например, 10–15 °C) → догонка ледяной водой до +2…+4 °C.

• Буферные танки-резервуары с гликолевым поддержанием температуры.

• Чиллер с гликолем питает также помещения, «снежную» воду для CIP-охлаждения и второстепенные потребители.

Сценарий C: сыродельное производство

• Точная температурная лестница: приемка → предсозревание → нагрев/охлаждение коагуляции → обработка сыворотки.

• Гликоль обеспечивает многозонность, ледяная вода — фор-кулер на самых «горячих» стадиях, тепловой насос — рекуперацию тепла на подогрев санитарной воды.

Энергетика и расчёт тепловой нагрузки — в упрощённом виде

Чтобы прикинуть потребный холод, используют формулу:
Q = m · c · ΔT, где m — масса молока, c — удельная теплоёмкость (~ 3,9 кДж/кг·K), ΔT — разница температур.

Пример. 10 000 л молока, охлаждение с +35 °C до +4 °C (ΔT = 31 K).
Принимая плотность ≈ 1 кг/л, Q ≈ 10 000 · 3,9 · 31 = 1 209 000 кДж ≈ 336 кВт·ч отводимого тепла.
С учётом COP чиллера 2,5–4 электрические затраты составят ориентировочно 85–135 кВт·ч на такую партию (без учёта насосов и потерь). Отсюда следуют выводы:

• Буферизация (ледобанк) позволяет «размазать» компрессорную работу и брать ночные тарифы.

• Двухступенчатое предохлаждение (например, водопроводной/скважинной водой до 15 °C, затем ледяной водой) снижает пиковую нагрузку на чиллер.

• Рекуперация тепла (тепловой насос) покрывает часть потребностей ГВС для мойки, поднимая общий КПД системы.

Санитария, CIP и риски

• Только закрытые контуры и гладкие поверхности с качественной полировкой для молочного продукта.

• Полная CIP-интеграция пластинчатых охладителей и рубашек: моющие щёлочи/кислоты, контролируемые скорости потока, верификация концентраций.

• Температурные шоки: избегать локального подмораживания (особенно в DX-системах) — риск кристаллизации воды у стенки и механического стресса белка.

• Предфильтрация перед PHE: уменьшает обрастание камнем и загрязнение.

Сравнение технологий — концентрированные выводы

Пластинчатый охладитель (PHE)

• Лучший выбор для быстрого фор-кулера.

• Требует холодоносителя с низкой температурой и стабильным расходом.

• Полностью CIP-мойка.

Система с ледяной водой

• Максимальная пиковая мощность и скорость стартового охлаждения.

• Удобно «развязывает» компрессоры от пиков, снижая износ и расходы.

• Нужна хорошая изоляция и грамотная автоматика таяния льда.

DX-чиллер (прямое расширение)

• Высокая эффективность, меньше промежуточных потерь.

• Выше требования к настройке и гигиеничной конструкции.

• Риск обморожения стенки при плохом контроле.

Гликолевый чиллер

• Универсальный «холодный хребет» завода, хорош для многозонности.

• Немного проигрывает в эффективности из-за промежуточного контура.

• Комфортен по санитарии и обслуживанию.

Falling-film/тонкослойные решения

• Очень быстрый теплообмен при больших расходах.

• Более чувствительны к дисциплине процесса, чем PHE.

Как выбрать конфигурацию: практическая «шпаргалка»

1. Есть ярко выраженные пики приёмки?
   Да → добавляйте ледобанк как буфер.
   Нет → достаточно гликоля с правильно подобранной холодопроизводительностью.

2. Критична скорость первичного охлаждения до +4 °C?
   Да → PHE + ледяная вода в первой ступени.
   Нет → PHE + гликоль или DX-танк.

3. Нужна многозонность и питание разных потребителей?
   Да → гликолевый чиллер как «универсальный донор» холода.

4. Ограниченный бюджет и простая архитектура фермы?
   Да → DX-танк с проверенной автоматикой и защитами, плюс простейший PHE на приёмке.

5. Стратегия энергосбережения и ночные тарифы?
   Да → ледобанк + оптимизированные графики компрессоров, тепловой насос для ГВС.

Частые ошибки и мифы

• «Чем холоднее, тем лучше». Нет: температура хранения молока 0…+4 °C, ниже — риск частичной кристаллизации воды и текстурных дефектов в последующих стадиях.

• «Один мощный чиллер решит всё». Перегретая и «скачущая» система приводит к частым пускам/остановкам, обмерзанию и перерасходу энергии. Важна буферизация и поузловое управление.

• «Ледяная вода — это обязательно смешение с продуктом». Неверно: применяются закрытые теплообменники, продукт и вода физически разделены.

• «Пластинчатый охладитель — это сложно мыть». Современные PHE рассчитаны под полноценный CIP, при корректной скорости потока и химии отмываются без разборки.

• «Гликоль — опасен для продукта». Используется пропиленгликоль пищевого класса во вторичном контуре; при исправной системе он не контактирует с молоком.

Тренды и перспектива

• Натуральные хладагенты (аммиак, CO₂) и низко-GWP смеси — переход на экологичные решения без потери эффективности.

• Тепловые насосы и рекуперация: «отобранное» у молока тепло возвращают в ГВС, пастеризацию, подогрев CIP-щелочи.

• Цифровизация: предиктивная диагностика компрессоров, мониторинг ΔT, расхода ледяной воды и «холодного долга» в реальном времени.

• Свободное охлаждение (free-cooling) в холодные месяцы: когда наружный воздух частично берёт на себя роль чиллера для предохлаждения воды.

• Модульность: завод растёт — добавляются каскады чиллеров, секции PHE и объём ледобанка без остановки производства.

Итоги

Эффективное охлаждение — стержень качества молочной продукции. Пластинчатые охладители дают высочайшую скорость, системы с ледяной водой обеспечивают пиковую мощность и экономят энергию за счёт буферизации, DX-решения — эталон эффективности при грамотной настройке, а гликолевые чиллеры — универсальная «шина холода» для комплексных производств. Лучшие проекты выстраивают «лестницу холода»: предохлаждение (вода/гликоль) → глубокое охлаждение (ледяная вода) → поддержание температуры в танках и на линиях. Такая архитектура обеспечивает быстрый выход на +2…+4 °C, стабильную работу CIP, низкие издержки и предсказуемое качество партии — от приёмки сырья до готовой продукции на полке.