CC BY
30
HayKOBMM BiCHMK ^tBiBCtKoro Ha^OHa^tHoro yHiBepcMTeTy
BeTepMHapHoi Megw^HM Ta öioTexHO^oriw iMem C.3. I^M^Koro
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
ISSN 2519-268X print ISSN 2518-1327 online
doi: 10.15421/nvlvet8512 http://nvlvet.com.ua/
UDC 637.247:637.044-021.146.4
Investigation of membrane process for the lactose extract from buttermilk concentrates
S. Bondar, A. Trubnikova, O. Chabanova
Odessa national Academy of food technologies, Odessa, Ukraine
Article info
Received 06.02.2018 Received in revised form
06.03.2018 Accepted 12.03.2018
Odessa National Academy of Food Technologies, Kanatna, 112, Odessa, 65039, Ukraine. Tel.: +38-095-045-30-31 E-mail: sc228004@ukr.net
Bondar, S., Trubnikova, A., & Chabanova, O. (2018). Investigation of membrane process for the lactose extract from buttermilk concentrates. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. 20(85), 62-69. doi: 10.15421/nvlvet8512
Improving dairy production technologies, including ice cream, from the secondary raw materials through the introduction of innovative technologies allows you to save energy and resources. Buttermilk as a secondary material resource has valuable properties. They are due to the content of proteins, phospholipids, vitamin F, and others. Application of a butter-milk as a basis for lactose and low-calcined products, including ice cream is restrained by the content of lactose at the milk level. Among the known methods for the removal of lactose are widely used enzymes, membranes and their combination. The presented work is aimed at studying the main dependencies of the membrane treatment of the buttermilk by ultra- and diaphiltration with nano-filtration permeate obtained by appropriate treatment of the oil filtration fluid permeate. In experiments, hollow-fiber ultrafiltration (UV) membranes VPU-15 and nano-filtration (NF) flat membranes OPMN-P produced by «Bnadunop» (Russia) were used. Both types of membranes were used as part of laboratory membrane installations. The .study used standard methods for determining the components of the buttermilk and its products UV and NF. For each membrane, filtrate performance and selectivity were determined depending on the operating parameters of UV permeate nanofil-tration and diaphiltration (DF). UV retentate of the buttermilk on hollow fibers at a pressure of 0.15 MPa and a temperature of 50 °C. was obtained at a concentration factor F = 4. The low selectivity of the VPU-15 membrane for lactose (4%) and high protein (99.6%) have been established. The nanofiltration of UV buttermilk permeate was carried out at a pressure range of 0.5 ... 2.0 MPa. From 0.5 to 1.5 MPa linear dependence of specific productivity on pressure at temperature 20 ... 22 °C is established. At concentration factor F = 4 in the retentate of nanofiltration 17.9% of lactose was observed, and in NF permeate 0.05% with the same concentration of salts of 0.7%. With continuous diafiltration of the UV retentate of the buttermilk, an increase in the membrane's productivity was observed with increasing temperature to 8.2 ... 10 l/m2 ■ h. The lowest concentration of lactose (0.01%) in the UV retentate was observed with the use of a sevenfold volume of NF permeate as a solvent. The effect of lactose removal was 99.8%. The results of the studies have shown that the combination of ultrafiltration and continuous diafiltration with NF permeate gives the desired result of the removal of lactose from the buttermilk concentrate. The best parameters of the research process were a pressure of 1.5 MPa and a temperature of 50 °C. The obtained data can become the basis for obtaining mathematical dependencies for an estimation of an effective membrane method. Further research will be needed because of the problem of membrane contamination and their regeneration and disinfection.
Key words: buttermilk, lactose, ultrafiltration, nanofiltration, diafiltration purification, buttermilk concentration.
Дослвдження мембранного процесу видалення лактози з концентрату маслянки
С.М. Бондар, А.А. Трубшкова, О.Б. Чабанова
Одеська нацюнальна академiя харчових технологт, м. Одеса, Украна
Удосконалення технологш виробництва молочних продуктiв, у т. ч. морозива, з вторинног сировини за допомогою впрова-дження тновацшних технологш дае змогу заощадити енергю та ресурси. Маслянка як вторинний матерiальний ресурс мае цтт властивостi. Вони обумовлет вмктом бттв, фосфолiпiдiв, вШамту F та т. Застосування маслянки як основи для безлактозних та низьколактозних продуктiв, у т. ч. морозива, стримуеться вмктом лактози на рiвнi молока. Серед вiдомих методiв видалення лактози широке застосування мають ферментт, мембранн та гх комбтащя. Представлена робота мае на метi вивчення основ-них залежностей мембранног обробки маслянки шляхом ультра- та дiафiльтрацii нанофтьтращйним пермеатом, отриманим вiдповiдною обробкою ультрафтьтращйного пермеату маслянки. У експериментах застосовували порожнистоволоконн ульт-рафтьтрацты (УФ) мембрани ВПУ-15 та нанофiльтрацiйнi (НФ) плост мембрани ОПМН-П виробництва «Владипор» (Ро^я). Обидва типи мембран використовувались у складi лабораторних мембранних установок. У до^дженн застосовувались стандарта методики визначення складових маслянки та п продуктiв УФ та НФ. Для кожног мембрани визначали продуктивтсть за фильтратом та селективтсть залежно вiд робочих параметрiв нанофтьтрацп УФ пермеату та дiафiльтрацii (ДФ). УФ ретен-тат маслянки на порожнистих волокнах при тисковi 0,15 МПа та темnературi 50 °С отримували при факторi концентрування F = 4. Встановлена низька селективтсть мембрани ВПУ-15 за лактозою (4%) та висока за бтком - 99,6%. Нанофтьтращя УФ пермеату маслянки проводилась у дiапазонi тиску 0,5...2,0 МПа. Вiд 0,5 до 1,5 МПа встановлено лтшну залежтсть питомог продуктивностi вiд тиску при температурi 20.22 °С при факторi концентрування F = 4у ретентатi нанофтьтрацп спостер^ галось 17,9% лактози, а у НФ пермеатi 0,05% при однаковш концентрацп солей 0,7%. При безперервнш дiафiльтрацii УФ ретен-тату маслянки спостеркалось зростання продуктивностi мембран з ростом температури до 8,2.10 л/м-год. Найменша конце-нтращя лактози (0,01%) у УФ ретентатi спостер^алась при застосуваннi семикратного об'ему НФ пермеату як розчинника. Ефект видалення лактози становив 99,8%. Результаты до^джень показали, що комбтащя ультрафтьтрацп та безперервног дiафiльтрацii за допомогою НФ пермеату дае бажаний результат видалення лактози з концентрату маслянки. Найкращими параметрами процесу до^джень були тиск 1,5 МПа та температура 50 С. Одержан дан можуть стати основою для отри-мання математичних залежностей для оцтки ефективного мембранного способу. Подальшi до^дження будуть необхiднi через проблему забруднення мембран та гхню регенеращю i дезтфекщю.
Ключовi слова: маслянка, лактоза, ультрафтьтращя, нанофтьтращя, дiафiльтрацiйне очищення, концентрування маслянки.
Вступ
Удосконалення технологш виробництва молочних продукпв, у т. ч. морозива, 1з вторинно! сировини разом 1з розробкою шновацшних технологш 1 продукпв шдвищено! бюлопчно! цшносп дае змогу вирши-ти проблему енерго- та ресурсозбереження. В цьому сенс розробка науково-обгрунтованих технологш молочно-бшкових концентрапв з маслянки з низьким вм1стом лактози е актуальним 1 перспективним на-прямком у харчовш науш.
Щнш властивосп маслянки, зокрема, як джерела бшшв, фосфолшщв, виашну F тощо, визначають доцшьшсть И використання як основи для багатьох молочних продукпв (Hramcov аМ Vasilii, 2003; Нгек et а1., 2011; Vyshemirskij, 2011).
Серед проблем останшх рошв, що супроводжують споживання молочних продукпв, особливого поши-рення набувае лактазна недостатшсть людей. Вона може мати лише спадкове 1 набуте походження. Сим-птоми захворювання в1дом1 й пов'язаш з незасвоен-ням лактози. Коли у травних шляхах людського орга-шзму цей дисахарид не пдрал1зуеться, надходить у товстий кишшвник 1 стае живильним середовищем бактерш. Вони метабол1зують лактозу, що супрово-джуеться газоутворенням. Лактоза та продукта И бактер1ального розпаду значно шдвищують осмотич-ний тиск середовища товсто! кишки. Результат ефекту - д1арея, шо виникае внаслвдок обводнения порожни-ни кишшвника за рахунок осмотичних явищ ^ Stefano et а1., 2005; Хю^ et а1., 2017). Авторитетш медичш органи, все ж наголошують, що молочш продукта повинш залишатись у рацюш людей з лактаз-ним дефщитом ^иЛу et а1., 2010).
Проблема видалення лактози з молочних продукпв залишаеться актуальною. Вона може вир1шуватись через застосування вщповвдних ферменпв та шляхом молекулярно-ситових явищ. Останш реал1зуються
через впровадження мембранних технологш концент-рування та сепарування.
Для обробки рщких середовищ, зокрема маслянки, мембранш процеси е альтернативою традицшним способам завдяки ушкальним особливостям (ввдносно низьк1 температури обробки, безперервшсть, збере-ження нативних властивостей, простота апаратурного оснащення, низьк1 енерговитрати).
Анализ лгтературних джерел та постановка про-блеми. Сьогодш при виробнищга молочно! продукци з низьким вмютом лактози застосовують дешлька способ1в. Наприклад, досить поширеш технолопчш прийоми, коли лактоза розпадаеться у процеа тра-дицшного виробництва. Це стосуеться насамперед кисломолочних продукпв. Природнш вм1ст лактози у цьому випадку зменшуеться внаслвдок розвитку кис-ломолочно! м1крофлори. Вживання таких продукпв дозволено для ос1б з1 слабкими симптомами несприй-няття лактози, коли фермент лактаза присутня в ор-гашзм1, але р1вень и активносп недостатнш для нормального травлення. Кисломолочш бактери розкла-дають тшькн деяку частку лактози (Potemska et а1., 2017).
У деяких випадках рекомендуеться безпосередньо при споживанш !ж1 додавання спещальних препа-рапв, наприклад, Лактазар (Ipatova, 2012), що по-легшують травлення лактози. Однак под1бш препара-ти у багатьох випадках негативно впливають на орга-нолептичш властивосп 1 сам процес споживання продукпв, сум1сний з прийомом медикаменпв, стае не дуже приемним.
Найб1льш розповсюдженим способом зменшення вмюту лактози у молоц 1 молочних продуктах е вико-ристання ферменту лактази. Лактаза здатна розклада-ти до 98% лактози. З лактози утворюеться глюкоза та галактоза. Вихщний склад молока в основному збер1гаеться. Однак за рахунок глюкози молоко набувае солодкого присмаку. Не вам споживачам таке молоко стае до вподоби. Кр1м того, невелика (близько
1%) частка лактози залишаеться у молощ. У хворих i3 високою чутливютю до лактози подiбнi низьколак-тознi продукти викликають негативну реакщю ор-ганiзму. Процес ферментативного гiдролiзу здебшь-шого е перюдичним, а фермент дорогим (Hramcov, 2009).
Для под1бних випадшв несприйняття лактози ро-зроблене повшстю безлактозне молоко. На ринку безлактозних молочних продукпв домшують таш, що випускають торгов1 бренди Valio Zero Lacrose, Real Goodness, Tine Lactosefri, Latter тощо. В основ1 технологи безлактозного молока е винаходи, захищеш патентами, ф1рми Valio. При застосуванш ферменпв !х додають безпосередньо в молоко або в пакет, призна-чений для фасування молока, або використовують 1моб1л1зований вар1ант лактази. Останнш споаб доз-воляе використовувати фермент повторно, але приз-водить до втрати активности Под1бн1 способи широко використовуе щдприемство Organic Valley (США) (Pashkovskaja, 2007). Недолши ферментативного пд-рол1зу, окр1м солодкого смаку молока, пов'язаш та-кож 1з жорстким контролем рН, температури та три-валосп процесу. Також необхвдно виключити розви-ток сторонньо! мшрофлори у процеа шкубацп лак-този.
Останшм часом деяш виробники (Dunker, Rohman, Considini) з метою зменшення вм1сту лактози (при-близно до 1...1,6%) до пдролггичного розщеплення застосовують мембранш методи. Це дозволяе значно зменшити солодшсть продукту тсля ферментно! обробки.
Визнаним лидером у впровадженш мембранного сепарування лактози з молока е ф1рма Valio. Ушкаль-на технолопя ще! ф1рми дозволяе випускати молоко 1з вм1стом лактози на р1вш 0,01%. Таким чином, под1бне безлактозне молоко можуть вживати особи з най-вищою чутливютю до лактози. Технолопя мембранно! фттрацп ф1рми Valio мае за основний уль-траф1льтрац1йний процес обробки молока. У цьому випадку з молока видаляеться частина лактози за рахунок властивостей мембрани затримувати високо-молекулярн1 компоненти молока та пропусками низь-комолекулярн1 сполуки (лактозу, мшеральш речовини тощо). Коли у молощ забезпечуеться м1н1мальна за технолопею концентрац1я лактози, у молоко додаеть-ся фермент лактаза. Оск1льки на стадп мембранно! обробки за рахунок комбшаци мембранних процес1в концeнтрацiя лактози зменшуеться, г1дрол1з не приз-водить до накопичення високого вмюту глюкози i в^дпов^дно - виникнення солодкого присмаку у мо-лоц1 так, як це бувае при виключно ферментнш обробц1 молока. Кр1м того, безлактозне молоко Valio мае на 35% менше вуглевод1в, що зменшуе ка-лор1йн1сть молока приблизно на 20% (Pashkovskaja, 2007). На основ1 розробленого продукту ф1рма випус-кае щлу низку молочних продукт1в без лактози.
Мембранш методи видалення лактози з р1зних продукт1в переробки молока (сироватки i маслянки) застосовують науковщ з метою зб1льшення ступеня чистоти шнцевих продукт1в, наприклад сухих бшко-во-л1п1дних концентрат1в. Це дозволяе також забезпе-чити високий ступ1нь утил1заци вторинних продукт1в
переробки молока, спростити технолог1чну схему, зменшити енерго- i ресурсовитрати та негативний вплив на довшлля (Kunizhev and Shuvaev, 2004; Har'ju, 2005). Комбiнацiя сучасних способiв обробки ультра-, мiкро-, нанофiльтрацiя та зворотний осмос забезпечуе збереження властивостей основних молочних компо-нeнтiв i !хню бiологiчну цiннiсть (Cuartas-Uribe et al., 2009).
Однак уважнiший розгляд проблемних публiкацiй приводить до висновку, що маслянка, здебшьшого розглядаеться як цшне джерело лiпiдних фракцiй молока (у т. ч. MFGM). Застосування мембранних способiв Г! обробки в основному спрямоване на iзо-ляцiю бшшв i лiпiдiв. Низькомолeкулярнi компоненти вщграють у цьому випадку роль баласту. На наш погляд, такий пвдхщ дещо обмежуе сферу викори-стання маслянки. Зокрема, якщо застосовувати мем-бранш концентрати маслянки за основу при вироб-ництвi низьколактозного морозива, виникае проблема збереження мшеральних складових маслянки. Проблему можна вирiшити, якщо комбiнувати уль-трафiльтрацiю та дiафiльтрацiю з нанофiльтрацiею ультрафiльтрацiйного пермеату. Для цього треба встановити основш залежносп, що супроводжують видалення лактози з маслянки за допомогою мембран, зокрема порожнистоволоконно! конструкци. Встанов-лeнi особливостi процесу дiафiльтрацii як ключового процесу, що забезпечуе практично повне вилучення лактози з маслянки зi збереженням нативних складо-вих молока, дають змогу подальшо! розробки замкне-ного технолоичного циклу концентрування та очищения маслянки. Порiвияно з мембранно-ферментативними та ферментативними способами видалення лактози виключно мембранний споаб дозволить оргаиiзувати процес безперервно, для будь-яких обсягiв безлактозно! основи iз високим ступенем автоматизацii i контролю виробництва. Крiм того у цьому випадку можна гарантувати чита й бажанi характеристики продукту.
Мета та завдання дослгджень. Мета роботи -вивчення основних залежностей мембранно! обробки маслянки шляхом ультра- та дiафiльтрацil нанофт-трацшним пермеатом, отриманим ввдповвдною оброб-кою ультрафiльтрацiйного пермеату маслянки.
Мета досягалась через виршення завдань:
- аналiз стану питання мембранно! обробки вторинних молочних продукпв, у т.ч. маслянки;
- вибiр мембран та обладнання для лабораторних дослщв;
- створення лабораторного стенду для вивчення процeсiв, пов'язаних з мебранним очищенням мас-лянки;
- проведення експерименлв для одержання необх1дних даних шляхом прямих вимiрiв хiмiчних аналiзiв та розрахуншв залежно в1д характеристик мембран та робочих парамeтрiв процeсiв;
- аналiз отриманих даних для висновшв щодо можливостi застосування процeсiв ультра-, нано- та дiафiльтрацiйних процeсiв для ефективного видалення лактози iз маслянки;
- визначення «слабких» ланок процеав та встановлення перспектив подальших дослвджень в обраному напрямку.
Матерiали та методи дослвджень
Маслянка та ii концентрат. Маслянка, отримана при виробнищга вершкового масла способом перю-дичного збивання на п1дприемств1 «ГМЗ №1» м. Одеси, була об'ектом ультрафшьтрацшного конце-нтрування та д1аф1льтрацИ з метою отримання основи для низьколатозних продукпв.
Х1м1чний склад продукпв ультрафшьтрацшно! об-робки маслянки при р1зних факторах концентрування наведено у таблиц 1. Концентрацш компоненпв х1м1чного складу визначали за загальноприйнятими методиками (Inihov and Brio, 1971; Krus' et al., 2000).
Таблиця 1
Х1м1чний склад продукпв мембранно! обробки маслянки
Показник Маслянка свiжа УФ ретентат F = 3 УФ пермеат F = 3
Масова частка 3,2 0,4 4,5 9,6 1,2 4,54 0,11 4,48
бшку, % Масова частка жиру, % Масова частка лактози, %
Масова частка
мшеральних речо-вин, % 0,7 0,7 0,7
У склад1 установки е половолоконний модуль АР-0,2 з мембранами ВПУ-15. Молекулярна маса роздь лення мембран (cut-off) 15 кДа. Виробник мембран -м. Митщ1, Роая. Матер1ал мембран - пол1ам1д.
У ход1 обробки визначали фактор концентрування маслянки за формулою (1):
F=V,, v
(1)
де, Vo,Vk - початковий i кшцевий обем маслянки при ультрафшьтраци вiдповiдно.
Селектившсть мембран щодо бiлка та лаш^ визначали за формулою (2), (%):
С - С
R _ С-Сф (2)
де Ск, Сф - концентращя компонентiв в концент-ратi та фшьтрап вiдповiдно, %.
Робочий тиск процесу визначали за формулою (3):
Р + Р
р _ вх_eUL (3)
де Рвх, Рвих - тиск на входi i виходi з модуля ввдпо-вiдно, МПа.
Нанофильтращя УФ пермеата маслянки. В екс-периментах використовували плоскорамну мембран-ну установку, оснащену мембранами з полiамiду для нанофшьтрацп ОПМН-П фiрми «Владшор», Росiя.
Умови експлуатаци мембран ОПМН-П: максимальна температура - 45 °С; робочий дiапазон рН -вщ 2 до 12.
Робочi характеристики наведенi в табл. 2.
Таблиця 2
Робочi характеристики мембран типу ОПМН-П
Ультрафшьтрацшне концентрування маслянки. Для обробки маслянки використовували лабораторну мембранну установку для ультраф№трацп УПЛ-0,6 (рис. 1).
Рис. 1. Лабораторна мембранна установка для ультрафшьтраци УПЛ-0,6
Характерситика мембрани ОПМН-П
Робочий тиск, МПа 1,6
Мшмальна продуктившсть по фiльтрату при температурi 25 °С, дм3/м2год Селективнiсть, % 100
по 0,2%, MgSO4, не менше 98,5
по 0,15%, NaCI, не менше 55,0
Стшюсть з Cl, млн-1, не менше 1
Вид мембран i установки, що використовували у роботi показано на рис. 2. та 3.
Рис. 2. Мембрана марки ОПМН-П («Владшор», Ро^)
Рис. 3. Лабораторная установка ФТ-01
Установка укомплектована шестеренчастим насосом високого тиску. Мембрани мають форму диска. Загальна площа мембран в установщ 0,5 м2. В ход1 концентрування визначали продуктивнють мембран за допомогою м1рного цилшдра 1 секундом1ра. В НФ пермеап визначали лактозу 1 мшеральш речовини. Отриманий НФ пермеат використовували для д1афь льтраци УФ ретентату маслянки як буфер.
Дiафильтрацiя УФ ретентату маслянки. Процес проводився в безперервному режим1 зпдно з1 схемою, наведеною на рис. 2.4. У емшсть 2 наливали УФ рете-нтат маслянки. Посудину герметизували гумовим корком, через який проходили три скляш трубки.
1-водний термостат 6-половалоконний модуль
2-смшсть для концентрату 7а,б- манометри
3-магштна мшалка 8- м1рний цилшдр 4а,б,в - скляш трубки 9-кран
5- перистальтичний насос 10-триходовий кран
11-емнють для нанофшьтрата (буфера) Рис. 4. Схема лабораторно! мембранно! установки для дослщження процесу д1аф1льтрацп концентата маслянки
Кожна з трубок через сил1коновий шланг з'еднувалася з1 сво!м контуром. Трубка 4А - з контуром подач1 НФ пермеату з емносп 11, трубка 4Б - з контуром повернення ретентату в вихвдну емшсть, трубка 4В - з контуром подач1 ретентату в половоло-конний мембранний модуль. Вся система для д1афшь-трацп була герметичною 1 забезпечувала сталють об'ему концентрату, який шддавався очищенню в1д лактози. Цей ефект досягався тим, що в м1ру видален-ня пермеату р1вень рвдини у вихвдтй емносп знижу-вався. Це викликало розрвдження в емносп. В1дпов1д-но до розрвдження з емносп НФ пермеату ввдбувалася подача буфера. Таким чином, об'ем ретентату весь час залишався постшним. Регулюючи тиск краном 9 1 швидшстю потоку через модуль, зм1нювали витрати буфера 1 пермеату. Продуктившсть процесу визнача-
ли за об'емом пермеату за допомогою м1рного цилш-дра 1 секундом1ра. В ход1 д1афшьтраци в пермеап та ретентап контролювали вмют лактози. Для вир1вню-вання концентрацп в об'ем1 застосовували магшгау мшалку. Температура тдтримувалася водним термостатом.
Ефектившсть видалення лактози розраховували залежно ввд концентрацш тд час очищення за формулою (4) :
С - С
ЕВ = -х 100% , (4)
Ско
де Ско ,Скк - концентрацп лактози на початку 1 на-прикшщ процесу ввдповщно для певного д1аоб'ему буфера,%.
Ддафшьтрацшний об'ем буфера складав вщношен-
ня :
В¥ = ^
V.,
(5)
де Vф - об'ем вщбраного фшьтрату, Vк - первин-ний об'ем концентрату маслянки, взятий для очищен-ня.
Результати та Ух обговорення
Ультрафшьтрацшне концентрування маслянки. У робот1 не ставилося завдання дослщження основних законом1рностей процесу ультраф1льтрацп маслянки, осшльки цей процес е досить вивченим ("Хга е1 а1., 2005; Deinychenko ег а1., 2008; Кг^Нк, 2009; Konrad е1 а1., 2013; Deinychenko ег а1., 2017). Однак така обробка була необхщна для отримання ретентату 1 пермеату. Ретентат е основою для отримання без- або низькола-ктозно! основи для виробництва, наприклад, морози-ва. Маслянку концентрували при таких технолопчних параметрах: р = 1,5 атм (0,15 МПа) 1 X = 50 °С на поло-волоконнш установщ. Отриманий пермеат шддавався подальшш наноф1льтрацп. Селектившсть мембран ВПУ-15 щодо лактози, яка розрахована за формулою 2, склала 4%, для б1лка - 99,6%. Наведет в таблиц 1, даш х1м1чного складу свщчать про низьку затримую-чу здатшсть наноф1льтрацшних мембран стосовно до лактози 1, особливо, мшеральних речовин.
Нанофильтращя УФ пермеату маслянки. Експе-риментальна залежнють продуктивносп наноф1льтра-цшних мембран в1д тиску при температур1 20.. .22 °С 1 при об'емнш витрап насоса 200 л/год наведена на рис. 5.
-р=1 МПа
-р=2 МПа
Фактор концентрування^
Рис. 6. Вплив фактор1в концентрування 1 трансмембранного тиску на проникнють наноф1льт-рацшних мембран марки ОПМН
Анал1з даних показуе, що в д1апазош фактор1в концентрування 1-4 при тиску 1,0 МПа падшня продуктивносп сягало понад 2 рази (з 17 до 8 л), тимча-сом як при тиску близько 2,0 МПа падшня склало близько 1,5 раза. Зазначеш факти пояснюються ком-бшованим впливом зростаючого осмотичного потен-шалу розчину, концентрацшною 1 гелевою поляриза-шею мембрани.
Х1м1чний склад продукпв наноф1льтрацп пор1вня-но з вихщним УФ пермеатом наведено в таблиц 3.
Таблиця 3
Змши концентраци лактози та мшеральних речовин при нанофильтрацп УФ пермеата
Показник УФ пермеат НФ ретентат F = 4 НФ пермеат
Масова частка лакто- 4,48 17,9 0,05
зи, %
Масова частка мше- 0,70 0,73 0,70
ральних речовин, %
Рис. 5. Залежнють проникносп нанофшьтрацшних мембран марки ОПМН в1д тиску при обробш УФ пермеату маслянки
Щкаво, що в д1аиазош тиск1в 0,5.. .1,5 МПа залежнють була лшшною. При подальшому збшьшенш трансмембранного тиску спостерйалося менш штен-сивне зростання проникносп. Тиск понад 2,0 МПа в робоп не використовували через обмежеш можливос-п насоса. Кр1м того, детальне вивчення процесу нанофшьтрацп не входило в мету дослщження.
Додатково були отримаш залежносп проникносп мембран в1д використаних фактор1в концентрування (рис. 6).
З даних таблиш 3 випливае, що селектившсть ви-пробуваних мембран щодо лактози була дуже висо-кою (понад 99%). Водночас, селектившсть щодо мь неральних речовин практично дор1внювала 0%.
Дiафильтрацiя УФ ретентату маслянки. При дь аф1льтрацшнш обробщ УФ ретентату маслянки були отримаш експериментальш залежносп проникносп половолоконних мембран при р1зних д1аоб'емах буфера для трьох р1зних температур обробки (рис. 2.7).
Ъ о /
Д|аоб~Егл, ОЧ
Рис. 7. Залежнють проникносп половолоконних мембран ВПУ-15 в1д д1аобема при очищенш концентату маслянки (р = 0,15 МПа)
Тенденщя змши цього показника була однаковою. Спочатку спостeрiгалося падiния проникносп, а потiм збiльшeния i стабшзацш до к1нця процесу. При цьо-му за температури 50 °C ефект був бiльш вираженим: рiзкe зростання з 8,2 л/м2*год при значенш DV = 1,5 i стабiлiзацiя при значенш близько 10 л/м2*год почи-наючи з DV = 3...3,5. Експеримент для температур бшьших н1ж 50 °C не проводився через загрозу дена-тураци цiнних бiлкових компонeнтiв. Аналiз залежно-стей показуе, що зростання продуктивносп при збь льшeннi температури пояснюеться рiзким зниженням в'язкостi, що сприятливо позначаеться на швидкостi потоку в каналi волокон. При цьому знижуеться вплив концeнтрацiйноi i гелево! поляризаци, якi пе-решкоджають проникненню розчинених частинок через мембрану. Цими ж ефектами можна пояснити стале значення проникностi, коли гелевий шар осаду сформувався i прийняв значення стаб^но! товщини по всiй поверхш мембрани. Зростання продуктивностi при дiафiльтрацil пояснюеться, якщо звернути увагу на те, що основна маса низькомолекулярних компо-ненлв видаляеться з концентрату при значеннях дiаоб'ему 0,5...1,5 (рис. 8). Щ речовини в основному
визначають осмотичний потeнцiал розчину. Його падiння, при однаковому робочому тиску, призводить до зростання продуктивносп мембран.
Рис. 8. Залежшсть концентрацп лактози в ретентап та пeрмeатi
Змiну концeнтрацiй лактози в ретентап та пермеа-п показано в табличному виглядi разом з розрахова-ною eфeктивнiстю видалення лактози (табл. 4).
Таблиця 4
Ефектившсть видалення лактози при дiафiльтрацil
Показник
Дiафiльтрацiйиий об'ем, DV
3
4
5
Концентрац1я лактози в ретентап, Скл, % Концентрац1я лактози в пермеа-т!, Сфл, % ЕВ лактози, близько %
1,93
3,07 57,00
0,75
2,10 83,00
0,29
1,57
94,00
0,11
1,22
98,00
0,04
0,99
99,20
0,02
0,83 99,60
0,01
0,71 99,80
1
2
6
7
Розрахунок ефективносп видалення лактози показуе, що для значення дiафiльтрацiйного об'ему 3 по-над 90% цього небажаного компонента видаляеться з ретентату. За сво!ми характеристиками вш стае низь-колатозним. Для досягнення дуже низьких концент-рацiй лактози (менше шж 0,1%) потрiбнi витрати буфера eквiвалeнтнi бiльшe нiж 4 дiафiльтрацiйних об'емiв.
Сeлeктивнiсть мембран щодо лактози протягом всього процесу лишалася нeзмiнною (R = 0,05).
Висновки
Мембранна обробка концентрату маслянки методом дiафiльтрацil була ефективним прийомом для видалення лактози. Якщо як буфер при дiафiльтрацil застосовувати нанофшьтрат УФ пермеату маслянки, можна регулювати вмiст лактози в рeтeнтатi залежно вщ мети. При цьому половолоконш мембрани дозво-ляють отримувати продукт з незмшним сольовим складом. Тестування нових нанофiльтрацiйних мембран для обробки УФ пермеату показало добрi результати проникностi в дiапазонi робочих тисшв 1,0.2,0 МПа i високу селектившсть щодо лактози.
Це дозволяе отримати нанофiльтрат вiльний вiд лактози. Використання його як буфера показуе перспек-тившсть методу дiафiльтрацiйного очищення ретентату маслянки ввд лактози. Сольовий склад продукту зберпаеться через те, що половолоконнi мембрани практично не затримують солей i в малому ступeнi лактозу (R = 5%). Продуктившсть мембран ВПУ-15 при дiафiльтрацil досягла 10 л/м2*год. Цi та iншi отриманi даш можуть бути основою для отримання математичних залежностей. Вони нeобхiднi, напри-клад, для оцiнки eфeктивностi (в т. ч. eкономiчноi) запропонованого способу очищення вщ лактози i порiвняннi його з ¡ншими методами. Вивчення про-блеми забруднення мембрани в данш роботi не про-водилося. Надалi досл1дження даного напрямку обро-бки маслянки триватимуть з урахуванням проблеми регенерацп мембран.
References
Hrek, O.V., Polishchuk, H.Ie., & Onopriichuk, O.O. (2011). Tekhnolohiia produktiv zi znezhyrenoho moloka, molochnoi sy-rovatky i maslianky. Kyiv: NU-KhT (in Ukrainian).
Hramcov, A.G., & Vasilii, C.B. (2003). Promyshlennaja pererabotka vtorichnogo molochnogo syr'ja. Moskva: DeLi print (in Russian).
Vyshemirskij, F.A. (2011). Pahta: minimum kalorij -maksimum biologicheskoj cennosti. Molochnaja promyshlennost'. 8, 43-45 (in Russian).
Di Stefano, M., Miceli, E., Mazzocchi, S., Tana, P., Moroni, F., & Corazza, G.R. (2007). Visceral hypersensitivity and intolerance symptoms in lactose malabsorption. Neurogastroenterology and Motility. 19(11), 887-895. doi: 10.1111/j.1365-2982.2007.00973.x.
Xiong, L., Wang, Y., Gong, X., & Chen, M. (2017) Prevalence of lactose intolerance in patients with diarrhea-predominant irritable bowel syndrome: data from a tertiary center in southern China. Journal of Health, Population and Nutrition. 36(1), 38 doi: 10.1186/s41043-017-0113-1
Suchy, F.J., Brannon, P.M., Carpenter, T.O., Fernandez, J.R., Gilsanz, V., Gould, J.B., Hall, K., Hui, S.L., Lupton, J., Mennella, J., Miller, N.J., Osganian, S.K., Sellmeyer, D.E., & Wolf, M.A. (2010). NIH Consensus Development Conference Statement: lactose intolerance and health. NIH Consens State Sci Statements. 27, 1-27.
Potemska, O.I., Kihel, N.F., Danylenko, S.H., & Kopy-lova, K.V. (2017). p-halaktozydazna aktyvnist bakterii, yak kryterii vidboru shtamiv do skladu bak-terialnykh preparativ. Kharchova nauka ta tekhnolo-hiia. 11(3), 35-41. doi: 10.15673/fst.v11i3.604 (in Ukrainian).
Ipatova, M.G. (2012). Laktaznaja nedostatochnost' u detej rannego vozrasta i osobennosti pitanija pri patologii. Razbor klinicheskih sluchaev. Voprosy sovremennoj pediatrii. 11(1), 119-123 (in Russian).
Hramcov, A.G. (2009). Issledovanija v oblasti polucheni-ja bezlaktoznyh molochnyh produktov. Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Molochnaja industrija-2009». M.: AnO «Molochnaja promyshlennost'» (in Russian).
Pashkovskaja, O. (2007). Nizkolaktoznye i bezlaktoznye produkty kompanii Valio. Pererabotka moloka. 11, 42 (in Russian).
Har'ju, M. (2005). Udalenie laktozy iz moloka. Molochnaja promyshlennost'. 4, 52-54 (in Russian). Kunizhev, S.M., & Shuvaev, V.A. (2004). Novye tehnologii v proizvolstve molochnyh produktov. Moskva: DeLi print (in Russian). Cuartas-Uribe, B., Alcaina-Miranda, M.I., Soriano-Costa, E., Mendoza-Roca, J.A., Iborra-Clar, M.I., & Lora-García, J. (2009). A study of the separation of lactose from whey ultrafiltration permeate using nanofiltra-tion. Desalination. 241(1-3), 244-255. doi: 10.1016/j.desal.2007.11.086 Inihov, G.S., & Brio, N.P. (1971). Metody analiza moloka i molochnyh produktov. M.: Pishhevaja promyshlen-nost' (in Russian). Krus', G.N., Shalygina, A.M., & Volokitina, Z.V. (2000). Metody issledovanija moloka i molochnyh produktov. M.: Kolos (in Russian). Kruglik, V.I. (2009). Metodicheskie principy rascheta processov membrannogo frakcionirovanija gidroliza-tov molochnyh belkov. Tehnika i tehnologija pish-hevyh proizvodstv. Kemerovo: KemTIPP. 3, 101-105 (in Russian).
Atra, R., Vatai, G., Bekassy-Molnar E., & Balint, A. (2005). Investigation of ultra- and nanofiltration for utilization of whey protein and lactose. Journal of Food Engineering. 67(3), 325-332. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2004.04.035 Deinychenko, H., Huzenko, V., Mazniak, Z., Melnyk, O., & Skryl, A. (2017). Intensyfikatsiia protsesu ultrafiltratsiinoho kontsentruvannia skolotyn. Pratsi Tavriiskoho derzhavnoho ahrotekhnolohichnoho uni-versytetu. 17(1), 96-104 (in Ukrainian). Konrad, G., Kleinschmidt, T., & Lorenz, S. (2013). Ultrafiltration of whey buttermilk to obtain a phospholipid concentrate. International Dairy Journal. 30(1), 39-44. doi: 10.1016/j.idairyj.2012.11.007 Deinychenko, H.V., Mazniak, Z.O., & Zolotukhina, I.V. (2008). Ultrafiltratsiini protsesy ta tekhnolohii ratsion-alnoi pererobky bilkovo-vuhlevodnoi molochnoi syrovyny. Kharkiv: Fakt (in Ukrainian).
