CC BY
35
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ В МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Султанбекова П.С.1, Оралсынкызы М.2, Мейрбекова А.С.3 Email: [email protected]
1Султанбекова Парида Сынабаевна - кандидат технических наук, доцент; 2Оралсынкызы Молдир - магистр, старший преподаватель;
3Мейрбекова Акерке Серикбайкызы - магистр, преподаватель, кафедра водных ресурсов, землепользования и агротехники, Южно-Казахстанский университет им. М. Ауэзова, г. Шымкент, Республика Казахстан
Аннотация: комплексное и рациональное использование ценнейшего сельскохозяйственного сырья - молока в рамках агропромышленного комплекса возможно на основе его промышленной переработки по безотходной технологии с полным использованием сухого остатка или раздельным извлечением отдельных компонентов.
На предприятиях молочной промышленности концентрация органических веществ в сточных водах в основном обусловлена потерями сырья и молочной продукции в технологическом процессе. Сточные воды после мойки оборудования и помещений также содержат значительное количество органических загрязнителей и относятся к производственным загрязненным сточным водам, которые также должны подвергаться очистке. Нормы расхода воды на производственные нужды составляют от 1,9 до 6,3 м3 на 1 т перерабатываемого молока, а удельный расход сточной воды в зависимости от типа и мощности производства составляет от 1,5 до 5,6 м3. Большинство сточных вод необходимо очищать перед сбросом в водоем, так как при сбросе 1 м3 неочищенных сточных вод загрязняется 40-60 м3 природной воды. В связи с этим разработка и внедрение перспективной, безотходной и высокоэффективной мембранной переработки отходов молочной промышленности -молочной сыворотки особенно актуальны.
Ультрафильтрация представляет собой метод мембранного разделения, при котором с помощью градиента давления и полупроницаемой мембраны достигается фракционирование компонентов раствора по величине и структуре их молекул. Этот метод используется для получения из молочной сыворотки либо из молока высокомолекулярного концентрата (задерживаемого мембраной) и низкомолекулярной фракции. В результате ультрафильтрации получается белковый концентрат, содержащий высокомолекулярные соединения молочной сыворотки (и соответственно его концентрации компоненты), и фильтрат (пермеат) - раствор лактозы, минеральных солей и других низкомолекулярных соединений, аналогичный по составу молочной сыворотке.
Применение ультрафильтрации в молочной промышленности открывает широкие возможности получения новых видов продуктов с заданным химическим составом и высокой биологической ценностью. Переработка молочной сыворотки при помощи данных технологий не только снижает нагрузку на очистные сооружения, но и улучшает экологизацию всего молочного производства.
Ключевые слова: ультрафильтрация, мембрана, экологизация,молочна сыворотка, сточные воды, концентрат.
ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ULTRAFILTRATION APPLICATION IN DAIRY INDUSTRY
12 3
Sultanbekova P.S. , Oralsynkyzy M. , Meirbekova A.S.
1Sultanbekova Parida Synabaevna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor;
2Oralsynkyzy Moldir - Master, Senior Lecturer;
3Meirbekova Akerke Serikbaikyzy - Master, Lecturer,
DEPARTMENT WATER RESOURCES, LAND USE AND AGRICULTURAL TECHNOLOGY, SOUTH KAZAKHSTAN UNIVERSITY NAMED AFTER M. AUEZOV, SHYMKENT, REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Abstract: the integrated and rational use of valuable agricultural raw materials - milk within the agroindustrial complex is possible on the basis of its industrial processing using waste-free technology with full use of dry residue or separate extraction of individual components.
At dairy enterprises, the concentration of organic substances in wastewater mainly caused losses of raw materials and dairy products in the technological process. Wastewater after washing of equipment and premises also contains a significant amount of organic pollutants and refers to industrial contaminated wastewater, which must also be treated. Rates of water consumption for production needs are from 1.9 to 6.3 m3 per 1 ton ofprocessed milk, and specific consumption of waste water depending on the type and capacity of production is from 1.5 to 5.6 m3. Most wastewater must be treated before discharging into the reservoir, since when discharging 1m3 untreated wastewater, 40-60 m3 of natural water is contaminated. In this regard, the development and introduction of promising, waste-free and highly efficient membrane processing of milk industry waste - milk whey are especially relevant.
Ultrafiltration is a method of membrane separation, in which by means of a pressure gradient and a semi-permeable membrane, fractionation of solution components by the size and structure of their molecules is achieved. This method is used to obtain from milk whey or milk a high molecular weight concentrate (retained by the membrane) and a low molecular weight fraction. As a result of ultrafiltration, a protein concentrate containing high molecular weight compounds of milk whey (and, accordingly, its concentration components) and a filtrate (permeate) - a solution of lactose, mineral salts and other low molecular weight compounds similar in composition to milk whey are obtained. Application of ultrafiltration in dairy industry opens up wide possibilities of obtaining new types of products with given chemical composition and high biological value. Processing of milk whey using these technologies not only reduces the load on treatment facilities, but also improves the greening of all dairy production.
Keywords: ultrafiltration, membrane, greening, milk whey, waste water, concentrate.
УДК 637.344
Мероприятия по сбору и промышленной переработке белково-углеводного молочного сырья в различные пищевые, кормовые и технические продукты и полуфабрикаты экономически выгодны и окупаются в сравнительно короткие сроки [1]. Однако в ряде случаев эти мероприятия оказываются экономически менее эффективными по сравнению с выпуском основной молочной продукции (сыры, молочные консервы, мороженое и др.). В этой связи важное значение имеет совокупная оценка переработки белково-углеводного молочного сырья (особенно молочной сыворотки) и охраны окружающей природной среды -экологический мониторинг.
Интенсификация промышленного производства, рост потребления природных ресурсов привели к необратимым процессам в окружающей среде, затруднению восстановления нарушенного экологического равновесия. Для решения
экологических проблем прежде всего необходимо осознание их наличия и серьезности. Сегодня для многих специалистов стало очевидным, что выдвижение на первый план учета экологических аспектов производственных процессов, производимой продукции не является модой, а становится жизненной необходимостью. В связи с этим международное сообщество проявляет все большую заинтересованность в охране окружающей среды, защите интересов будущих поколений.
В области повышения уровня экологизации пищевой и перерабатывающей промышленности агропромышленного комплекса [2] наиболее важными направлениями являются: переход от техногенного типа развития к устойчивому экологически безопасному, для чего требуется экологизация всех отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности. При разработке методов экологизации с учетом необходимости снижения техногенного влияния процессов производства продуктов питания на окружающую среду требуется изучение технико-технологических, экономических, экологических и других факторов в их взаимосвязи, согласованность хозяйствующих субъектов и государства, сбалансированность ресурсов и вариантность выбора; коренное улучшение материально-технической базы отраслей, оснащение предприятий оборудованием и техникой нового поколения, в том числе для высокоэффективной очистки выбросов и сбросов, переработки вторичного сырья и отходов; внедрение прогрессивных ресурсосберегающих малоотходных технологий комплексной переработки сырья, вторичных ресурсов и отходов (в большинстве отраслей такие технологии разработаны, но практически не реализованы) широкое привлечение региональных бюджетных, внебюджетных и других видов инвестиций; совершенствование всей системы водного хозяйства предприятий, увеличение объемов оборотных и повторно используемых вод, снижение расхода свежей воды, уменьшение объема сточных вод, особенно загрязненных и сбрасываемых без очистки, с перспективным переходом на замкнутые циклы.
Повышение эффективности общественного производства неразрывно связано с рациональным использованием всех сырьевых ресурсов на принципах малоотходной и безотходной технологии. Высокая питательная ценность и уникальные биологические свойства молока предопределяют необходимость использования всех его компонентов исключительно в пищевых целях. Однако традиционная технология промышленной переработки молока не позволяет использовать все составные части молока (сухой остаток) в такие молочные продукты, как сливочное масло, сыр, творог, казеин и др. При их производстве неизбежно получают побочные продукты в виде обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки, которые широко используются для выработки пищевых продуктов, кормовых средств, медицинских и технических препаратов. Фактически они являются дополнительным источником сырья, относятся ко вторичным материальным ресурсам и могут быть объединены условным обобщающим термином - нежирное молочное сырье.
При производстве молочных продуктов в ЮКО получают в сутки около 100 тонн сыворотки. Часть из них используется для скармливания сельскохозяйственных животных, однако большая часть сбрасывается в водоемы, нанося значительный вред окружающей среде. Помимо чисто экономического ущерба от потери ценного молочного сырья, это приводит к серьезной экологической проблеме.
При производстве некоторых видов сыров на сыродельных предприятиях образуется соленая сыворотка. При этом она содержит от 2,3 до 2,8 % золы при массовой доле сухих веществ 7,4 - 8%. Высокая зольность соленой сыворотки резко ограничивает возможности ее использования на пищевые и кормовые цели. По этой же причине в непереработанном виде она создает проблемы для очистных сооружений - ее слив в канализационную систему сыродельного завода наказывается значительными штрафными санкциями за экологию. Вместе с тем высокая концентрация минеральных веществ в соленой сыворотке обусловливает ее высокую
удельную электропроводность. Этот показатель для соленой сыворотки в 6 - 7 раз выше, чем для подсырной, и в 4-5 раз выше, чем для творожной.
Немаловажно, что молочная сыворотка - возобновляемый природный ресурс, которым, по-видимому, человечество распорядится и достойно оценит, когда неизбежно будут исчерпаны запасы нефти, угля и газа. Гипотетически в обозримой перспективе молочная сыворотка может обеспечить человека продуктами и напитками для повседневного питания, средствами гигиены, энергоносителями (этанол, биогаз), медикаментами и др.
Ассортимент получаемых продуктов из и на основе молочной сыворотки превышает по экспертной оценке 3000 наименований и постоянно расширяется. Как показывает обобщение имеющихся в нашем распоряжении информации и системного анализа практического опыта, решение проблем по переработке и использованию молочной сыворотки возможно, экономически выгодно и экологически необходимо [2].
При больших объемах получаемой молочной сыворотки встает вопрос о ее хранении (резервировании) и транспортировании до технологической обработки. При хранении состав и свойства продукта изменяются (рисунок 1), что обусловлено воздействием молочнокислых бактерий в процессе производства и обсеменением посторонней микрофлорой.
Рис. 1. Зависимость мутности и содержания лактозы сыворотки от времени хранения
Лактоза подвергается ферментативному гидролизу, изменяются рН среды и мутность сыворотки. Кроме этого происходит гидролиз белков и жира, изменяется вкус сыворотки, могут накапливаться нежелательные и вредные вещества. Теоретически считается, что молочная сыворотка при хранении без обработки в течение 12 ч теряет 25 % своей энергетической ценности. Именно поэтому важны процессы первичной обработки и резервирования молочной сыворотки.
Иными словами, по Туркестанской области потенциальные потери ценного нежирного молочного сырья лишь по этой причине могут достичь 2 млн т и в производстве такую сыворотку использовать нецелесообразно [3].
Применение ультрафильтрации в молочной промышленности открывает широкие возможности получения новых видов продуктов с заданным химическим составом и высокой биологической ценностью.
В процессе ультрафильтрации происходит молекулярно-ситовое разделение гетерогенных растворов с использованием мембран с диаметром пор 10 - 100 нм. При этом на мембране задерживаются компоненты молочной сыворотки, т. е. в основном сывороточные белки и остаточный молочный жир, а также некоторые соединения коллоидной степени дисперсности, например соли кальция. Необходимое давление для осуществления процесса ультрафильтрации (по принципу обратного осмоса) находится на уровне 0,1- 1 МПа.
В результате ультрафильтрации получается белковый концентрат, содержащий высокомолекулярные соединения молочной сыворотки (и соответственно его концентрации компоненты), и фильтрат (пермеат) - раствор лактозы, минеральных солей и других низкомолекулярных соединений, аналогичный по составу молочной сыворотке.
Для ультрафильтрации молочной сыворотки используются ацетатцеллюлозные мембраны типа УАМ с селективностью по белку 91 - 97% и лактозе 8-20%;
Составы исходных и конечных продуктов ультрафильтрационных установок при переработка сыворотки следующий:
- исходный продукт: белок - 0,6 - 0,8%, жир - 0,05-0,06 %, лактоза - 4,5-5,1%, зола - 0,5-0,6%, сухие вещества - 4,2-7,0%;
- конечные продукты:
- концентрат сывороточного белка: белок - 11-15 %, жир - 2,5%, лактоза - 1,2%, зола - 0,15%, сухие вещества -11,5-19%;
- пермеат: белок - <0,1 %, жир - <0,1 %, лактоза - 4,0-4,5%, зола - 0,6 - 0,7%, сухие вещества - 3,8 -5,3%, рН = 5,0-5,8 % .
Применительно к творожной сыворотке главными достоинствами мембранного способа разделения являются: возможность направленного регулирования ее состава и свойств при сравнительно небольших энергозатратах, создание на этой основе новых молочных продуктов с пониженной калорийностью и высокой биологической ценностью, рациональное использование творожной сыворотки на основе малоотходных и безотходных технологических процессов.
Преимуществами мембранных технологий являются, увеличение выхода готовой продукции при производстве творога и сыров не менее чем на 15-30%. Данные технологии позволяют снизить количество молочной сыворотки, сбрасываемой в сточные воды. Переработка вторичных ресурсов при помощи данных технологий не только снижает нагрузку на очистные сооружения, но и улучшает экологизацию всего молочного производства.
Список литературы /References
1. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки // Учебное пособие. М., Дели принт, 2004. 587 с.
2. Мануйлова Т.А., Панков Н.Ф. Основные направления деятельности по повышению уровня экологизации предприятие // Пищевая промышленность, Москва, 2007. №7. С. 16-19.
3. Султанбекова П.С., Дуанбекова А.Е., Конарова С., Омиралиева А. Экологический мониторинг и мембранная технология очистки сточных вод молочной промышленности: межд. конф. (Киото, 26-28 февраль, 2018). Япония. Т. 1. С. 245.
