CC BY
10БАРОМЕМБРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ КАК ФАКТОР ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА
BAROMEMBRANE MILK WHEY PROCESSING TECHNOLOGY AS A FACTOR OF FOOD SECURITY OF THE URAL REGION
В.А. ЛАЗАРЕВ
Заместитель директора Института торговли, пищевых технологий и сервиса, доцент кафедры пищевой инженерии Уральского государственного экономического университета, к.т.н.
V.A. LAZAREV
Vice-director of the Trade, Food technology and Services Dept., Associate Professor of the Food Engineering Dept. of the Ural State University of Economics, Cand. Sc. (Tech.)
АННОТАЦИЯ
В статье раскрыты основные проблемы продовольственной безопасности региона в отрасли переработки молока. Рассмотрены основные направления переработки молочной сыворотки. Предложен метод безотходной переработки молочной сыворотки с применением баромембранной технологии. Приведено авторское решение безотходной переработки молочной сыворотки в две стадии: ультрафильтрации молочной сыворотки на керамических мембранах отечественного производства без предварительной подготовки, обратноосмотическом концентрировании пермеата с последующим смешиванием. Экспериментально определены оптимальные режимные параметры процессов ультрафильтрации и обратного осмоса, подтвержденные в условиях производства. ABSTRACT
The article reveals the main problems of food security in the region in the milk processing industry. The main directions of processing of whey are considered. A method of non-waste processing of whey with the use of baromembrane technology is proposed. The author's solution of non-waste processing of whey in two stages is presented: ultrafiltration of milk whey on domestic-produced ceramic membranes without preliminary preparation, reverse-osmotic concentration of permeate and mixing both of products. The optimal regime parameters of ultrafiltration and re-
verse osmosis processes, confirmed in production conditions, were experimentally determined.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Переработка молока, мембранная технология, продовольственная безопасность, молочная сыворотка, ультрафильтрация, обратный осмос, Уральский регион. KEYWORDS
Milk processing, membrane technology, food security, milk whey, ultrafiltration, reverse osmosis, the Ural region.
Введение
Переработка молока является важным сегментом отрасли молочного животноводства. Объемы переработки молочного сырья в России продолжают ежегодно увеличиваться, но при этом импорт молочных продуктов из-за рубежа сокращается незначительно. Особенно остро стоит проблема утилизации молочной сыворотки, образующейся в большом количестве при производстве различных видов сыров и творога [1]. Отношение к сыворотке как к отходу производства, 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 тонн сыворотки, получаемой в мире, до 50% сливается сточными водами в канализацию. На терри-
392
тории России, по экспертным оценкам, этот процент достигает 80% и более [2].
Основными направлениями и продуктами переработки молочной сыворотки являются:
• использование в натуральном виде (изготовление пастеризованных и кисломолочных напитков на основе сыворотки; применение в хлебопечении в качестве улучшителя; 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 т.ч. деминерализованная; сыворотка сброженная сгущенная и т.д.);
• выделение наиболее ценных компонентов (сухие концентраты сывороточных белков; молочный жир; лактоза и др.);
• биологическая конверсия [2].
По данным статистического портала Ru-Stat [3], товарооборот России с другими странами по товарам из группы «молочная сыворотка» («молочная сыворотка, сгущенная или несгущенная, с добавлением или без добавления сахара или других подслащивающих веществ; продукты из натуральных компонентов молока, с добавлением или без добавления сахара или других подслащивающих веществ») с января по декабрь 2016 г. составил более 58.1 долл. млн, общим весом 118 тыс. тонн (рис. 1).
Основной товарооборот пришелся на товары «сыворотка молочная, сгущенная или нет, с добавлением сахара или без» (84%) и «прочие молочные продукты с добавлением или без добавления сахара» (16%). В структуре товарооборота по странам на первом месте Беларусь (77%), на втором месте Аргентина (10%).
Рис. 1. Структура товарооборота России по товарам группы «молочная сыворотка»
Как показывает анализ, 99% продукции группы товаров «молочная сыворотка» в настоящее время импортируется из-за рубежа, что делает отечественные предприятия молочной отрасли зависимыми от по-
394
ставщиков-импортеров, как с позиции ценообразования, так и с точки зрения выполнения обязательств по срокам реализации поставок товарной продукции.
С целью обеспечения продовольственной безопасности Уральского региона и России в целом, целесообразно разрабатывать и внедрять в производствособствен-ные безотходные технологии переработки молочной сыворотки, реализуемые с использованием отечественного оборудования. Уральский регион и, в частности, Свердловская область обладают значительным потенциалом в области переработки творожной и подсырной молочной сыворотки. В Свердловской области находится более 30 предприятий молокоперерабатывающей отрасли с возможностью расширения ассортимента и снижения издержек производства за счет реализации продуктов переработки молочной сыворотки.
Организация комплексной безотходной переработки молочной сыворотки производства не под силу многим предприятиям, так как требует больших финансовых вложений в сложное и дорогостоящее оборудование. На начальных этапах переработки целесообразно внедрять стадию концентрирования молочной сыворотки, реализация которой позволит достаточно быстро получать прибыль предприятием за счет продаж сывороточного концентрата с содержанием 20% сухих растворенных веществ. Концентрат 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 на специализированные предприятия.
Давно известно, что для концентрирования молочной сыворотки предпочтительными являются баромембранные технологии, являющиеся одним из критически важных направлений развития отечественной науки [4]. 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 технологического обновления отечественной промышленности, обеспечения национальной безопасности, в том числе продовольственной, и устранения острых социально-экономических проблем, имеющихся в России [5].
Из всего многообразия мембранных методов 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 в десятки раз снижаются энергетические затраты.
На рынке мембранного оборудования в настоящее время лидируют зарубежные фирмы GEA, APV, Tetra Pak, Alfa Laval и Tami. Оборудование, производимое
396
данными компаниями, имеет высокое качество исполнения, функциональный дизайн, высокую степень автоматизации и, как следствие, высокие рыночные цены. Также известно, что проблемой при переработке молочной сыворотки баромембранными методами является необходимость ее очистки перед подачей в мембранный модуль, так как полимерные мембранные элементы очень чувствительны к механическим включениям в перерабатываемом продукте, а также содержанию в нем жира. Нарушение технологии проведения подготовки или изменение состава исходной сыворотки приводят к существенному снижению технических характеристик мембранных установок, а также к быстрому износу полимерных мембранных элементов.
Анализ отечественных и зарубежных литературных источников показывает, что процесс концентрирования с применением баромембранных технологий должен состоять из двух стадий — ультрафильтрации с целью отделения высокомолекулярных компонентов (белок) на первом этапе и нанофильтрации или обратном осмосе с целью отделения лактозы и минеральных веществ на заключительном этапе. Процесс ультрафильтрации целесообразно осуществлять с применением керамических мембран, которые не требуют подготовки сыворотки. При этом срок эксплуатации керамических мембран в 3-5 раз больше по сравнению с полимерными мембранами; керамические мембраны значительно проще регенерируются.
Ниже приведены результаты исследований концентрирования подсырной сыворотки баромембранными методами. Исследования проводились в лабораторных условиях Уральского государственного экономического университета на кафедре пищевой инженерии и в условиях промышленного производства Крестьянского (фермерского) хозяйства Аникьева А.В. (г. Полевской Свердловской области).
На лабораторной установке 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).
Определено, что при допустимой проницаемости мембран, равной 40-10-3 м3/(м2-ч), оптимальная скорость потока сыворотки над мембраной составила 1,75 м/с. Кроме того, определено оптимальное давление внутри мембранного контура при сохранении приемлемой проницаемости мембран, которое составило 0,3 МПа.
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 мем-
398
браны КУФЭ-19 (0,01) производства ООО «НПО „Кера-микфильтр"» (г. Москва). Нанофильтрационный модуль был оснащен мембранами ЭРО-100-475 производства ЗАО «НТЦ „Владипор"» (г. Владимир).
Назначение ультрафильтрационного модуля — разделение молочной сыворотки путем ультрафильтрации на белковый концентрат (альбумин) и пермеат (лактозно-солевой 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.
Назначение обратноосмотического модуля — разделение лактозно-солевого водного раствора на концентрат лактозы и пермеат. Раствор подавался в нанофиль-трационный модуль без какой-либо подготовки после процесса ультрафильтрации. В процессе нанофильтра-ционного 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 не-
большим количеством солей, пригодный для С1Р-мойки оборудования [6].
Образующиеся концентраты после модулей ультрафильтрации и обратного осмоса смешивались с получением сывороточного концентрата (табл. 2)
Таблица 1
Показатели исходного и конечного продуктов после модуля ультрафильтрации
Параметры Сыворотка Концентрат Пермеат
Белок общий, % 0,91 8,42 0,01
Лактоза, % 4,66 6,25 4,45
Жир, % 0,37 3,4 0,0
Минеральные вещества, % 0,50 2,10 0,45
Сухие вещества, % 6,5 20,17 4,91
Та бл и ца 2
Показатели конечного продукта (сывороточного концентрата)
Параметры Белок Лактоза, % Жир, % Мине- Сухие ве- Кис-
общий, % ральные щества, % лот-
вещества, ность,
% оТ
Значение 2,15±0,15 14,95±0,02 0,20±0,05 0,67±0,05 17,97±0,22 19,50
Заключение
Приведено авторское решение ультрафильтрации молочной сыворотки без ее предварительной подготовки на керамических мембранах КУФЭ-19 (0,01) производства ООО «НПО „Керамикфильтр"» (г. Москва). Установлено, что процесс ультрафильтрации эффективен до значений концентрации высокомолекулярных ве-
400
ществ в сыворотке С = 8% ВМВ при скорости потока и > 1,5 м/с; давлении Р = 0,3 МПа; температуре t = 20 ± 5 °С с применением керамических мембран КУФЭ-19 (0,01). Определено, что процесс обратноосмотического концентрирования эффективен при температуре t = 20 ± 5 °С, рабочее давление Р = 2,0 — 2,4 МПа для концентрации С = 5 — 15% СВ и Р = 3,8 — 5,0 МПа для концентрации С = 15 — 22% СВ с применением мембран МГА-80П, при этом сыворотка обессоливается на 20%.
Разработана технологическая схема безотходной переработки молочной сыворотки: концентрация белка — 7,1 мг/л; концентрация лактозы — 49,3 мг/л; селективность УФ мембран по белку общему — 0,975; селективность ОО мембран по лактозе — 0,985; доля отбора пермеата на стадии УФ — 90%, на стадии ОО — 75%. Расчет экономических показателей, с учетом всех статей расходов, показал, что срок окупаемости линии составит 18 месяцев. Внедрение предлагаемой технологии безотходной переработки молочной сыворотки на все молокоперерабатывающие предприятия позволит обеспечить продовольственную безопасность Уральского региона и России в целом в сегменте молочной отрасли, исключив зависимость отечественной пищевой промышленности от зарубежных поставщиков продуктов группы товаров «молочная сыворотка».
Библиографический список
1. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Безотходная переработка молочного сырья. — М. КолосС, 2008.
2. Ожгихина Н.Н., Волкова Т.А. Рациональная переработка молочной сыворотки // Переработка молока. — 2012. — № 9. — С. 44-46.
3. Статистический портал Ru-Stat. Экспорт и импорт товаров группы «молочная сыворотка» с января по декабрь 2016 года [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ru-stat.com/ date-M201601-201612/RU/trade/world/010404 (по данным ФТС России).
4. Евдокимов И.А. Современное состояние и перспективы переработки молочной сыворотки // Журнал «Переработка молока». — 2011. — № 9.
5. Платэ Н.А. Мембранные технологии — авангардное направление развития науки и техники XXI века // Крит. технол. мембраны. — 1999. — Т. 1. — С. 4-13.
6. Лазарев В.А., Тихонов С.Л., Муратов А.А. Безотходная мембранная технология переработки молочной сыворотки // Журнал «Индустрия питания». — 2017. — № 1 (2). — С. 60-71.
References
1. Khramtsov AG, Nesterenko PG Wasteless processing of dairy raw materials. — M. KolosS, 2008.
2. Ozhgikhina NN, Volkova TA Rational processing of dairy whey // Processing of milk. — 2012. — № 9. — Р. 44-46.
3. Statistic portal Ru-Stat. Export and import of goods of the "milk whey" group from January to December 2016. http://ru-stat.com/ date-M201601-201612/RU/trade/world/010404 (according to the Federal Customs Service of Russia).
4. Evdokimov I.A. Current state and perspectives of whey processing // Journal of Milk Processing. — 2011. — № 9.
5. Plate N.A. Membrane technology - the avant-garde direction of the development of science and technology of the XXI century // Crete. technol. Membranes. - 1999. - T. 1. - Р. 4-13.
6. Lazarev VA, Tikhonov SL, Muratov AA Wasteless Membrane Technology for Processing Milk Whey // Journal of the Food Industry. - 2017. - № 1 (2). - P. 60-71.
Контактная информация:
Уральский государственный экономический университет 620144, РФ, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45 Ural State University of Economics
620144, RF, Ekaterinburg, 8 Marta/Narodnoy Voli St., 62/45 Тел.: (343) 221-17-26, E-mail: lazarev.eka@gmail.ru
