CC BY
45
УДК 532.785
Экспериментальные исследования процесса сгущения нанофильтрата молочной сыворотки с сопутствующей кристаллизацией лактозы
Славоросова Елена Викторовна, аспирант e-mail: s3009e@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Куленко Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, доцент e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Шевчук Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Фиалкова Евгения Александровна, доктор технических наук, профессор e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация: В статье представлены результаты экспериментальных исследований процесса сгущения нанофильтрата молочной сыворотки, совмещенного с кристаллизацией лактозы, проведенных на опытной модели кристаллизатора-вы-паривателя. Обосновано направление оптимизации температурных режимов процесса кристаллизации.
Ключевые слова: кристаллизация, выпаривание, нанофильтрация, творожная сыворотка.
Традиционно переработка сыворотки на лактозу связана с потерей её остальных ценнейших сухих веществ. Еще более распространенным способом переработки молочной сыворотки является её сушка. Основной недостаток сухой сыворотки - избыток лактозы и солей, что ограничивает область её применения.
Наиболее целесообразным способом переработки сыворотки является ее частичное сгущение до 20-30 % содержания сухих веществ и деминерализация до 50 % солей с применением нанофильтрации с последующей диафильтрацией [1-3] и дальнейшее концентрирование сыворотки выпариванием, совмещенным с кристаллизацией лактозы. Отделение кристаллической лактозы позволяет получить ценный гуманизированный продукт - делактозированную деминерализованную молочную сыворотку, которая по своему составу приближается к натуральному молоку и преимуществом которой является преобладание в ней сывороточных белков, легкоусвояемых организмом [4-5].
Известные способы производства делактозированной деминерализованной сыворотки по западным патентным источникам являются весьма затратными и энергоёмкими. Например, из патента США «продукт из молочной сыворотки» следует, что из сыворотки удаляют с помощью электродиализа до 30-40 % солей. Обессоленную сыворотку выпаривают под разрежением при температуре до 68 °С до содержания сухих веществ 40-60 %. Полученный концентрат охлаждают до осаждения не менее 40 % сухих веществ. Осажденную лактозу отделяют путем фильтрации, декантации или на центрифуге [6].
Предложенный новый способ переработки молочной сыворотки, включает следующие этапы: поступление сыворотки —> нанофильтрацию —> кристаллизацию, совмещенную с выпариванием —> центрифугирование. Причем нанофиль-трация, совмещая концентрирование сыворотки (до 25-30 % содержания сухих веществ) с её частичной деминерализацией (удаляется до 50 % солей) и, сохраняя при этом остальные составные части сыворотки, является энергоэффективным и не нарушающим состава сыворотки способом концентрирования. Совмещение кристаллизации с выпариванием позволяет исключить дорогостоящее и требующее больших объемов сыворотки вакуум-выпаривание из процесса переработки молочной сыворотки [7-8].
Целью работы является обоснование оптимальных режимов работы барбо-тажного кристаллизатора-выпаривателя с водяным охлаждением и подогревом путем экспериментальных исследований процесса сгущения сыворотки совмещенного с кристаллизацией лактозы.
Для исследований использовалась творожная сыворотка, полученная ОАО УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина. Начальный объем творожной сыворотки составлял 50 л, содержание сухих веществ 6,1 %. Температуру контролировали термометром типа ТЛ-4. Содержание сухих веществ в сгущённой молочной сыворотке определяли рефрактометром РЛ-2. Сгущение и деминерализацию сыворотки проводили с помощью нанофильтрации с последующей диафильтрацией. Нанофиль-трация проводилась на баромембранной установке фирмы TIA, оснащенной нано-фильтрационной мембраной марки ЭРН-33-Н с молекулярной массой отсечки 200 Да, что позволяет концентрировать все ценные компоненты творожной сыворотки, пропуская при этом ионы одновалентных элементов и частично молочную кислоту. Процесс нанофильтрации осуществляли при температуре 40 °С и постоянной удельной скорости фильтрации. По достижении концентрации сухих веществ в на-нофильтрате 20 % начинался процесс диафильтрации путем подачи деионизиро-
ванной воды в продуктовую емкость. При этом расход деионизированной воды равнялся расходу удаляемого фильтрата. После окончания диафильтрации осуществлялось заключительное концентрирование. Содержание сухих веществ в полученном нанофильтрате творожной сыворотки составило 27,2 %, степень деминерализации 47 %. Последующее сгущение сыворотки, совмещенное с кристаллизацией лактозы, осуществлялось на экспериментальной установке (рис. 1).
Рисунок 1. Схема опытной установки а) с подогревом б) с охлаждением: 1 - воздушный компрессор; 2 -воздуховод; 3 - корпус кристаллизатора; 4 - пена; 5 - пузырьки воздуха; 6 - устройство для барботирования
воздуха; 7 - вода; 8 - мешалка-пеногаситель; 9 - емкость для воды; 10 - нагревательный элемент.
Экспериментальная установка состоит из одного модельного кристаллизатора и двух емкостей для воды 9. Кристаллизатор состоит из корпуса 3, воздушного компрессора 1, воздуховода 2 и устройства для барботирования воздуха 6. Корпус кристаллизатора и воздуховод помещаются в емкость с водой. В одной из емкостей вода подогревается с помощью нагревательного элемента 10, а в другой - охлаждается путем добавления в нее льда. В емкости с подогревом сыворотка нагревается от воды путем теплопередачи через стенку и от барботируемого воздуха, который, проходя по спиралевидному воздуховоду, нагревается от той же горячей воды. Во второй емкости охлаждение сыворотки осуществляется подобным образом при помощи холодных воздуха и воды. Для осуществления циклического температурного режима кристаллизатор периодически перемещается из одной емкости в другую. При этом охлажденная сыворотка будет нагреваться, а нагретая - охлаждаться.
Начальный объем нанофильтрата в кристаллизаторе 300 мл, что по весу составляет 0,337 кг. Кристаллизатор с сывороткой помещался в емкость с горячей водой и барботировался горячим воздухом в течение 1 часа. Температура воды 70-72 °С, барботируемого воздуха 60 °С. Расход воздуха в кристаллизаторе замерялся по секундомеру при помощи деформирующейся полиэтиленовой ёмкости, которая изменяла свой объём от 0 до 10-3 м3. Расход воздуха составляет 15-10-6 м3/с. Затем кристаллизат охлаждался холодной водой с температурой 4-6 °С и барботировался холодным воздухом с температурой 10 °С в течении 1 часа. Затем данные циклы повторялись с такой же периодичностью еще 10 раз. После каждого нагревания продукт взвешивался, что позволяло определить количество выпарен-
ной влаги. Общее время эксперимента составило 20 ч. Содержание сухих веществ в межкристальном растворе в процессе эксперимента определялось по рефрактометру. Степень кристаллизации лактозы определяли по формуле:
m m — m
тс.в. тс.в. ,
где тв.л - масса выкристаллизовавшейся лактозы, кг;
тс.в. - масса сухих веществ, кг;
тр.с.в. - масса растворенных сухих веществ, кг.
Масса растворенных сухих веществ определяется из формулы:
m
,
где ткр. - масса кристаллизата, кг С.В. - сухие вещества, %.
Изменение содержания сухих веществ и процент выкристаллизовавшейся лактозы представлены на графике (рис. 2а). Как видно из графика существенное снижение сухих веществ в межкристальном растворе за счет интенсификации процесса кристаллизации происходит по достижении сухих веществ в кристаллизующемся растворе около 50 %.
Б
Вреил. ч
—jyiwe эе-шсваз ^.Еизлсталнои зялворе ^ — лете-ь Encw.ma.uii гакгазы*;
Рисунок 2. а) результаты опыта №1
б) результаты опыта №2
При этом значительно нарастает интенсивность кристаллизации, степень кристаллизации лактозы достигает 55 % , а в последнем цикле возрастает до 60 %. В связи с этим представлялось целесообразным произвести сгущение до 50 % сухих веществ, и только после этого производить охлаждение и кристаллизацию лакто-
Эксперимент проводился аналогичным образом. Сгущение осуществлялось путем барботирования горячего воздуха с температурой 60 °С в кристаллизат при одновременном его нагревании с помощью горячей воды с температурой 72-75 °С. Взвешивание кристаллизата проводилось каждый час в процессе выпаривания. Как видно из графика (рис. 2б) за 7 часов выпаривания содержание сухих веществ увеличилось от 27,2 до 50,5 % и при дальнейшем нагревании начало падать. Ми-кроскопирование показало, что началась интенсивная кристаллизация. Степень кристаллизации при этом достигла 57 %. Дальнейшее охлаждение в течение часа позволило понизить сухие вещества до 42,5 %, а степень кристаллизации лактозы повысить до 63,3 %.
Выводы
Установлено, что процесс кристаллизации нанофильтрата творожной сыворотки при одновременном выпаривании позволяет увеличить степень кристаллизации лактозы свыше 60 %. Эксперименты показали, что охлаждение кристалли-зата целесообразно начинать проводить при достижении сухих веществ 50%, что сокращает время процесса кристаллизации более чем в 2 раза.
Список литературных источников:
1. Дыкало, Н.Я. Диафильтрация творожной сыворотки в процессе нанофильтра-ции [Текст] / Н.Я. Дыкало, Е. А. Фиалкова , Д. М. Костюков // Сыроделие и маслоделие. - 2013. - №2. - С. 26-27.
2. Куленко, В.Г. Особенности концентрирования творожной сыворотки мембранными методами [Текст] / В.Г. Куленко [и др.] // Вестник СКФУ. - 2013. - № 3 (36). - С. 132-136.
3. Шохалова, В.Н. Нанофильтрация творожной сыворотки: теоретические и практические аспекты [Текст] / В.Н. Шохалова [и др.] // Молочная промышленность. - 2014. - № 11. - С. 35-39.
4. The Importance of Whey and Whey Components in Food and Nutrition. - Munich. 2001.
5. 4th International Whey Conference. - Chicago, 2005.
6. Пат. № 3615664 США, МКИ А 23с 21/00. Обработка сыворотки [Текст]/ Francis Leo H.; заявитель и патентообладатель «Foremost Mckesson»; Заявл. 5.12.69. Опубл. 26.10.71
7. Фиалкова, Е.А. Энергоэффективная технология производства сгущенной де-лактозированной деминерализованной сыворотки/ Е.А. Фиалкова, Н.Я. Дыкало, Е.В. Славоросова // Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания. Материалы 4-й международной практической конференции (В двух томах. Том П).-Истра: 2014. С. 351-356.
8. Научное обоснование перспективного направления переработки молочной сыворотки / Е.В. Славоросова [и др.] // Инновационные тенденции развития российской науки: материалы VIII Международной научно-практической конференции молодых ученых / под общ. ред. А.Г.Миронова; Краснояр. гос. аграр. ун-т. -Красноярск. - 2015. - С. 251-254.
References:
1. Dykalo, N. Ya., et al. Diafiltrate cheese whey in the process nanofiltration. Syrodelie i maslodelie. [Cheese and butter], 2013, no. 2, pp. 26-27. (in Russian)
2. Kolenko, V. G., et al. Peculiarities of concentration of cheese whey membrane methods. Vestnik SKFU [Bulletin of NCFU], 2013, no. 3 (36), pp. 132-136. (in Russian)
3. Shokhalova, V. N., et al. Nanofiltration of cottage cheese whey: theoretical and practical aspects. Molochnaja promyshlennost' [Dairy industry], 2014, no. 11, pp. 3539. (in Russian)
4. The Importance of Whey and Whey Components in Food and Nutrition. -Munich. 2001.
5. 4th International Whey Conference -Chicago, 2005.
6. Francis Leo H. Obrabotka syvorotki [Processing whey]. Pat. USA, no. 3615664, 1971.
7. Fialkova, E.A., N.Ya. Dykalo, E.V. Slavorosova. Energy efficient technology of production of condensed galactopyranose demineralized whey. Trudy IV mezhdunarodnoj prakticheskoj konferencii "Nauchnye i prakticheskie aspekty sovershenstvovanija kachestva produktov detskogo i gerodieticheskogo pitanija" [Proc. of the 4th Int. Symp. "Scientific and practical aspects of improving the quality of products for children and elderly persons nutrition"]. Istra, 2014, pp. 351-356. (in Russian)
8. Slavorosova, E.V., et al. Scientific substantiation of perspective directions of processing of whey. Trudy VIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh [Proc. of the VIII Int. Symp. of young scientists]. Agrar. Univ. of Illinois - Krasnoyarsk, 2015, pp. 251-254. (in Russian)
Experimental studies of the milk whey nano-filtrate curdling process with the accompanying lactose crystallization
Slavorosova Elena Viktorovna, a postgraduate student e-mail: s3009e@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kulenko Vladimir Georgievich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of the Technological Equipment Chair e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Schevchuk Vladimir Borisovich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of the Technological Equipment Chair e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Fialkova Evgeniya Aleksandrovna, Doctor of Science (Technics), Professor of the Technological Equipment Chair
e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract. The article gives the results of the experimental researches of the milk whey nano-filtrate curdling process combined with the lactose crystallization made on the experimental unit of crystallizer-evaporator. The direction of temperature regimes optimization of the crystallization process is revealed.
Keywords: crystallization, vapouring, nano-filtration, curd whey.
