CC BY
154
ТИМКИН Виктор Андреевич
Кандидат технических наук, доцент кафедры пищевой инженерии аграрного производства
Уральский государственный аграрный университет
620075, РФ, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42 Контактный телефон: (912) 240-70-50 e-mail: ural.membrana@yandex.ru
ЛАЗАРЕВ Владимир Александрович
Старший преподаватель кафедры пищевой инженерии
Уральский государственный экономический университет
620144, РФ, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45 Контактный телефон: (903) 084-83-77 e-mail: protoss@eka-net.ru
МИНУХИН Леонид Аронович
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой пищевой инженерии аграрного производства
Уральский государственный аграрный университет
620075, РФ, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42 Контактный телефон: (902) 870-27-59 e-mail: minukhin@list.ru
Баромембранная технология переработки молочной сыворотки как фактор продовольственной безопасности региона
Ключевые слова: переработка молока; мембранные технологии; нанотехнологии; продовольственная безопасность; концентрирование сыворотки; инновации; ультрафильтрация; обратный осмос.
Раскрыты проблемы продовольственной безопасности региона в отрасли переработки молока. Рассмотрены основные направления переработки молочной сыворотки. Предложен метод безотходной переработки молочной сыворотки с применением баромембранной технологии. 2 Приведено авторское решение ультрафильтрации молочной сыворотки на керамических мем-° бранах отечественного производства без предварительной подготовки. Экспериментально < определены оптимальные режимные параметры процесса ультрафильтрации, подтвержден-^ ные в условиях производства.
ереработка молока является важным сегментом отрасли молочного животновод-
п:
м I ства. В настоящее время объемы переработки молочного сырья достигают сущест-
^ венных величин (в 2011 г. объем переработки молока в мире составил 396 млн т, что на
д 2,9% больше показателя 2010 г.) и продолжают увеличиваться. Известно, что проблема
^т утилизации сыворотки является актуальной задачей для многих молочных предпри-
п ятий - производителей сыра и творога 1]. Отношение к сыворотке как к отходу произ-
| водства, сброс ее в канализацию, или того хуже - непосредственно в водные или другие
§ природные объекты, говорит о низкой культуре производства на данном предприятии,
@ нехозяйственном подходе как к окружающей среде, так и к собственным материальным
ресурсам. По расчетам Международной молочной ассоциации, из 140 млн т сыворотки, получаемой в мире, до 50% сливается сточными водами в канализацию. На территории России, по экспертным оценкам, этот показатель достигает 80%. Молочная сыворотка содержит около 50% сухих веществ молока, поэтому практикуемый на сегодня повсеместный ее слив в канализацию эквивалентен ежегодной потере 1,5 млн т молока.
Так как молочная сыворотка богата многими ценными компонентами, то во всем цивилизованном мире принято ее перерабатывать, организуя безотходное производство. Основными направлениями переработки молочной сыворотки являются [2]:
• использование в натуральном виде (изготовление пастеризованных и кисломолочных напитков на основе сыворотки; применение в хлебопечении в качестве улуч-шителя; производство кормовых смесей для сельскохозяйственных животных);
• производство концентратов (концентрирование в сухом и сгущенном виде с различным содержанием сухих веществ - смеси сухие молочные обезжиренные; альбумин молочный; сыворотка молочная сухая, в том числе деминерализованная; сыворотка сброженная сгущенная и т. д.);
• выделение наиболее ценных компонентов (сухие концентраты сывороточных белков; молочный жир; лактоза и др.);
• биологическая конверсия.
В России основная масса данной продукции в настоящее время импортируется из-за рубежа, что делает отечественные предприятия молочной отрасли зависимыми от поставщиков-импортеров как с позиции ценообразования, так и в плане выполнения обязательств по срокам реализации поставок товарной продукции. С целью обеспечения продовольственной безопасности региона целесообразно разработать собственные безотходные технологии переработки молочной сыворотки, реализуемые с использованием отечественного оборудования, и производства на ее основе новых высококачественных пищевых продуктов.
Комплексная переработка сыворотки - сложный процесс, осуществляемый с применением большого количества дорогостоящего оборудования. Организация такого производства не под силу многим предприятиям, так как требует больших финансовых вложений. Однако практика показывает, что даже такая несложная переработка, как концентрирование молочной сыворотки, может привести к быстрой окупаемости вложений и получению прибыли предприятием. Сывороточный концентрат с содержанием 20% и более сухих растворенных веществ может использоваться как самостоятельный продукт во многих отраслях пищевой промышленности [2 , а также на самом предприятии-производителе. Из него можно получить сухую сыворотку, организовав процесс сушки на месте или отправляя концентрат на централизованную сушку.
В настоящее время для концентрирования молочной сыворотки предпочтительны баромембранные технологии, являющиеся одним из направлений нанотехнологии [3]. Согласно решению Правительственной комиссии по научно-технической политике от 21 июля 1996 г. мембранная технология получила статус критической технологии федерального уровня. Данная технология является ключевой для решения таких важнейших задач, как технологическое обновление отечественной промышленности, обеспечение национальной безопасности и устранение наиболее острых социально-экономических проблем, сложившихся в России в последние годы [4].
Из всего многообразия мембранных технологий для переработки молочной сыворотки чаще всего применяют обратный осмос, нанофильтрацию и ультрафильтрацию, позволяющие получать продукты высокого качества. При переработке данными методами в концентрате остаются в нативном состоянии все белковые вещества, так как процесс протекает без нагрева сыворотки. По сравнению с концентрированием методом выпаривания также существенно снижаются энергетические затраты и увеличивается выход готового продукта.
На рынке мембранного оборудования в настоящее время лидируют зарубежные фирмы GEA, APV, Tetra Pak, Alfa Laval. Оборудование, производимое данными компаниями, имеет высокое качество исполнения, функциональный дизайн, высокую степень автоматизации и, как следствие, высокие рыночные цены.
Как показывает практика, существенной проблемой при переработке молочной сыворотки баромембранными методами является необходимость ее тщательной подготовки перед подачей в мембранный блок. Подготовку можно условно разделить на несколько последовательных стадий:
• осветление сыворотки на центробежном сепараторе-сливкоотделителе или сепараторе-очистителе (отделение остатков жира и казеина);
• пастеризация осветленной сыворотки с целью подавления заквасочных культур;
• выдержка пастеризованной сыворотки с целью осаждения фосфата кальция и другие сопутствующие технологические операции.
Необходимость столь тщательной подготовки исходного сырья обусловлена особенностями конструкции мембранных элементов рулонного или спирального типа, применяемых зарубежными и отечественными разработчиками мембранного оборудования. Эти мембранные элементы очень чувствительны к механическим включениям в перерабатываемом продукте, а также к содержанию в нем жира, особенно растительного происхождения. Недостаточно полная подготовка молочной сыворотки, связанная с нарушением технологии ее проведения или изменением состава исходной сыворотки, приводит к существенному снижению технических характеристик мембранных установок, а также к необходимости частой замены вышедших из строя мембранных элементов.
Занимаясь решением задачи, связанной с необходимостью подготовки молочной сыворотки, мы пришли к выводу, что процесс концентрирования с применением баро-мембранных технологий должен состоять как минимум из двух стадий - ультрафильтрации на первом этапе и нанофильтрации (обратного осмоса) на заключительном этапе. Причем процесс ультрафильтрации целесообразно осуществлять с применением керамических мембран, которые не требуют подготовки сыворотки. При этом срок эксплуатации керамических мембран в 3-5 раз больше, чем полимерных мембран, кроме того, керамические мембраны значительно проще регенерируются.
Ниже приведены результаты исследований концентрирования подсырной сыворотки баромембранными методами. Исследования проводились в лабораторных условиях (Уральская государственная сельскохозяйственная академия) и в условиях промышленного производства (ООО «Юговской комбинат молочных продуктов, ООО «РостАгроКомплекс»).
На лабораторной установке (рис. 1) были определены основные параметры оптимального режима процесса ультрафильтрации молочной сыворотки. В качестве исследуемых мембран были использованы керамические ультрафильтрационные мембраны отечественного производства (ООО «НПО «Керамикфильтр», г. Москва).
Как видно из графика (рис. 2), при допустимой проницаемости мембран, равной 40-10-3 м3/(м2-ч), оптимальная скорость потока сыворотки над мембраной составила 1,5-2,0 м/с. Кроме того, определено оптимальное давление внутри мембранного контура при сохранении приемлемой проницаемости мембран, которое составило 0,3 МПа (рис. 3).
В производственных условиях исследования проводились на пилотной мембранной установке, изготовленной совместно с ООО «Молмашстрой» (г. Екатеринбург), состоящей из ультрафильтрационного и нанофильтрационного модулей.
В качестве мембранных фильтрующих элементов в ультрафильтрационном модуле применялись мембраны КУФЭ-19(0,02) производства ООО «НПО «Керамикфильтр» (г. Москва). Нанофильтрационный модуль был оснащен мембранами DOW NF245 (производство США).
8 3 10 11
Рис. 1 Схема лабораторной мембранной установки: 1 - мембранная ячейка; 2 - насос; 3 - циркуляционный бак; 4 - бак для пермеата; 5 - манометр; 6 - ротаметр; 7 - вентиль регулировочный; 8 - охладитель; 9 - термопара; 10 - милливольтметр; 11 - сосуд Дьюара; 12 - разделитель; 13, 14 - вентили
Рис. 2 Зависимость проницаемости от скорости течения сыворотки над мембраной
Р, МПа
Рис. 3 Зависимость проницаемости мембран от давления внутри контура
Назначение ультрафильтрационного модуля - разделение молочной сыворотки путем ультрафильтрации на белковый концентрат (альбумин) и пермеат (лактозно-соле-вой водный раствор). Подача сыворотки в данный модуль была организована напрямую из сыроизготовителя, без какой-либо предварительной подготовки. В процессе ультрафильтрационного разделения получался сывороточный концентрат - раствор сливочной структуры с содержанием сухих растворенных веществ около 20%, и пермеат, представляющий собой прозрачный раствор со слабым по окраске желто-зеленым цветом.
Основным компонентом пермеата после ультрафильтрации являлась растворенная лактоза. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля ультрафильтрации приведены в табл. 1.
Таблица 1
Показатели исходного и конечного продуктов после модуля ультрафильтрации, %
Параметр Сыворотка Концентрат Пермеат
Белок общий 0,91 8,42 0,01
Лактоза 4,66 6,25 4,45
Жир 0,37 3,40 0,00
Минеральные вещества 0,50 2,10 0,45
Сухие вещества 6,5 20,17 4,91
Назначение нанофильтрационного модуля - разделение лактозно-солевого водного раствора на концентрат лактозы и пермеат. Раствор подавался в нанофильтрацион-ный модуль без какой-либо подготовки после процесса ультрафильтрации. В процессе нанофильтрационного разделения получался концентрат водного раствора лактозы -прозрачный раствор с интенсивным по окраске желто-зеленым цветом, с содержанием сухих растворенных веществ более 20% и пермеат, представляющий собой практически чистую воду, с небольшим количеством солей, пригодный для С1Р-мойки оборудования.
Показатели исходного и конечного продуктов после модуля нанофильтрации приведены в табл. 2.
Таблица 2
Показатели исходного и конечного продуктов после модуля нанофильтрации, %
Параметр Лактозно-солевой раствор Концентрат Пермеат
Белок общий 0,01 0,05 -
Лактоза 4,45 20,20 0,1
Жир 0,00 0,00 -
Минеральные вещества 0,45 0,90 0,4
Сухие вещества 4,91 21,15 0,5
Образующиеся концентраты после модулей ультра- и нанофильтрации подавались в смеситель, где формировался конечный продукт (сывороточный концентрат), имеющий сливочную структуру с содержанием сухих веществ более 20%, в том числе около 8% белка.
Таким образом, проведенные исследования позволили разработать технологию и оборудование для линии переработки молочной сыворотки баромембранными методами. Полученные результаты позволяют, на наш взгляд, внедрять высокотехнологичное, конкурентоспособное оборудование для переработки молочной сыворотки как на крупных молочных предприятиях, так и на предприятиях небольшой мощности.
Предлагаемая технология безотходной переработки молочной сыворотки позволит обеспечить продовольственную безопасность региона в сегменте молочной отрасли,
исключив зависимость отечественной пищевой промышленности от зарубежных поставщиков продуктов переработки молочной сыворотки.
Источники
1. Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г. Безотходная переработка молочного сырья : учеб. для вузов. М. : КолосС, 2008.
2. Ожгихина Н. Н., Волкова Т. А. Рациональная переработка молочной сыворотки // Переработка молока. 2012. № 9.
3. Евдокимов И. А. Сухая сыворотка. Современное состояние и перспективы переработки молочной сыворотки // Переработка молока. 2011. № 9.
4. Платэ Н. А. Мембранные технологии - авангардное направление развития науки и техники XXI века // Критические технологии. Мембраны. 1999. № 1.
