CC BY
62
637.344.8:661.73с
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОЛОЧНОЙ сыворотки ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА молочной кислоты
Мариан КУЯВСКИ, Ежи РЫМАШЕВСКИ, Гражина ЦИХОШ
Институт технологии молочного дела Сельскохозяйственно-техническая академия в Ольштыне, Польша
Молочная сыворотка — особенно ценный побочный продукт пищевой промышленности — не только в Польше, но и в других странах до сих пор используется лишь на 50%, а значительные ее количества, поступающие в сточные воды, серьезно загрязняют водную среду и очистные сооружения [1].
Использование в молочной промышленности веществ, содержащихся в сыворотке, обусловлено стремлением исключить один из наиболее опасных элементов загрязнения сточных вод, а также утилизировать все ее компоненты. Благодаря переработке молочной сыворотки можно снизить содержание загрязняющих веществ на 95—97%, т. е. уменьшить примерно в 100 раз биохимическую потребность в кислороде, составляющую для сыворотки 35000—50000 мг 0?/дм3, тогда как предельнодопустимая норма при сбросе в открытые воды составляет 700 мг 02/дм3 [2].
Одним из направлений рационального использования молочной сыворотки является производство молочной кислоты. В институте технологии молочного дела Сельскохозяйственно-технической академии в Ольштыне разработали технологию производства молочной кислоты из сыворотки по методу ионного обмена.
До сих пор при производстве молочной кислоты для очистки раствора применяли активированный уголь, что не всегда приносило положительные результаты. Поэтому целесообразен поиск других методов очистки. Другой важной проблемой является оценка и характеристика сточных вод, образующихся в процессе производства молочной кислоты, поскольку от этого зависит подбор методов их обезвреживания. Именно этим вопросам посвящена наша работа.
1. Производство молочной кислоты. В опыте применили смесь штаммов Lactobacillus bulgaricus (168, 1711, 1722, 2591, 259г) из коллекции предприятия по производству молочных биопрепаратов в Ольштыне. В качестве питательной среды использовали сычужную сыворотку, освобожденную от белков по методу ультрафильтрации с применением мембраны Hl DX50 (50000 дальтонов). Сыворотку обогащали ионами Zn+ + , Mg+ + , Mn+ + по 0,012% и добавляли к ней 0,5% дрожжевого экстракта [3]. Производство молочной кислоты проводили периодическим способом с постоянной нейтрализацией образующейся молочной кислоты с помощью 3 н. NH4OH, поддерживая постоянный уровень pH 5,5—5,6, а также постоянную температуру 42° С, постоянную скорость вращения мешалки 21 рад/с и постоянный объем питательной среды. Сыворотку инокулировали в количестве 5% ее объема. Производственный процесс проводили до прекращения прироста расхода гидроокиси аммония. До и после окончания процесса в питательной среде определяли содержание лактозы по методу Бертрана [4]. По окончании производственного процесса из посткультивационной жидкости удаляли биомассу молочно-кислых бактерий путем центрифугирования на центрифуге Шарплесса при
5500 g (20000 об/мин). Полученные растворы pa3j лили на порции, которые отдельно подвергли следу щей обработке: двукратному сгущению с помощ] выпарного аппарата Simax; ультрафильтрации помощью устройства для диализа и обратнс осмоса Amicon DC 2 с мембраной Hl DP10 (100 дальтонов) со скоростью 10 см3/мин; непосре ственному процессу ионного обмена.
2. Процесс ионного обмена. В процессе ионно обмена использовали ионит Wofatit KPS произвс ства ГДР. Это стироловый, сильнокислый ионообмЕ ник, структурированный дивинилбензолом, соде жащим сульфогруппы. Wofatit KPS поставляет в натриевой форме [5]. Через подготовленш для обмена ионит [5—10] пропускали раство] лактата аммония. Фракции собирали по 25 с до достижения предельного момента, т. е. до обн ружения в элюате ионов аммония NH^ [10]. I достижении предельного момента ионит промыва, дистиллированной водой, потом регенерировали 2,3 раствором НС1 до выравнивания концентрации с ляной кислоты на входе и выходе из колонки, а э тем снова промывали дистиллированной водой , исчезновения реакции на хлориды [10].
3. Оценка эффективности очистки и осветлен растворов молочной кислоты. Для очистки и осв« ления растворов молочной кислоты различи концентрации применили следующие методы: ультр фильтрацию с помощью устройства для диали и обратного осмоса Amicon DC 2 с мембран Hl DP 10 со скоростью 10 см3/мин; центрифугир вание на центрифуге Шарплесса при 5500 (20000 об/мин); добавление 2% активированно угля [8]; фильтрацию через стандартный диатом Super Cel [11].
Схема опыта приведена на рис. 1. Степень очис ки и осветления определяли на основании экстин ции при 560 нм, используя в качестве образца во ный раствор йода в йодистом калии [12].
4. Оценка сточных вод, образующихся при п лучении молочной кислоты. В качестве сточш вод, образующихся в течение всего процесса пол чения молочной кислоты, рассматривали: биомас молочно-кислых бактерий, остающуюся после центр фугирования посткультивационной жидкости; рас вор регенерирующей соляной кислоты из 1 резе вуара после прохождения через колонку [8]; пр мывную воду, проходящую через колонку.
В образующихся сточных водах определял объем по окончании полного производственно цикла одного брожения; биохимическую потребное в кислороде БПКь по методу разбавления [13 химическую потребность в кислороде ХПК. с п мощью бихромата калия [13].
Обсуждение результатов. В первой части опьг трижды провели производственный цикл получен] молочной кислоты. Характеристика процесса пол чения молочной кислоты на сывороточной пит тельной среде представлена на рис. 2: кривая 1 расход; кривая 2 — содержание молочной кислот; кривая 3 — лактозы. Время брожения—14—15
СБРАЖИВАНИЕ
I
ОТДЕЛЕНИЕ БИОМАССУ СТ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЬ!
ИОННЫЙ ОБМЕН
.ДВУКРАТНОЕ СГУЩЙНИе УЛЬТРАФлШ’РАЦИЯ
5’д.ътрафи;, ътрация Центрифу инрование
С гущ. до 20$
Сгущ.. до 50Й
I
Очиот. актив, углем
С/ГУ» до о ОЙ
Очиот.
актив.
углем
\
Очиот. а ктив. углем
1
Сгущ.
до Z)%
Очист. актив.
углем
1
Crvtll.
Очиот.
актив.
углем
Осветл. диатомитам
I
Сгущ. до 20%
Очист. актив, углем
I
Сгущ. до 20?
I
О^ист. актив, углем ,1
С Гущ. Осветл.
Д"50* Щш
I 1
Очцот. Сгущ. актив. 0 5ГЙ углем А ^
Осветл.
диэто-
г/итом
Осветл.
диато-
митом
ИОННЫЙ ОБМЕН
Очист. Осветл. Сгуш,.
актив. диато- ДО 50<2
углем I митом
Сгущ. Сгуш. Очист.
до 20$ 1 до ?£)% [ актив. уте»«
1 Очист. в Осветл.
актив. диато-
углем 1 митом 1
Сгуш. 1 Осветл.
до 1 диато- митом 1
1 Очист. « Сгущ.
актив. до 50“? 1 Осветл. диатомитом
углем
ИОННЫЙ ОБМЕН /\
wryuj,. до 20%
J
ичмот.
актив.
углем
1
Сгуш. до 50%
1
Очист.
актин.
углем
Сгущ.
до 502
I
очиот.
актив.
углем
Рис. 1
Рис. 2
Количество образованной молочной кислоты колебалось в пределах 3,42—3,84%. В общем констатировали высокий выход молочной кислоты по отношению к перебродившей лактозе, составивший в среднем 97,8%. Степень сбраживания лактозы составляла в среднем 84,1%. Подобные результаты получены ранее [8].
Во второй части опыта исследовали возможности применения катионита Wofatit KPS для получения молочной кислоты из растворов лактата аммония, полученных при брожении. В процессе ионного обмена использовали двукратно сгущенные и не-сгущенные растворы лактата аммония. Катионит Wofatit KPS применяли в соответствии с рекомендациями изготовителя [5]. Регенерацию катионита проводили со скоростью 0,054—0,060 RB V/мин, применяя 2,3 н. раствор соляной кислоты (табл.
1 и 2) в количестве 2,00—2,75 ИВУ на один обменный цикл*.
- Для удаления 'образованных в ходе регенерации хлоридов проводили со скоростью 0,05—0,07 ИВУ/мин промывку водой в количестве 7,7—9,0 ИВУ в течение от 120 до 150 мин. Процесс ионного обмена продолжался от 90 до 120 мин при скорости обмена от 0,030 до 0,060 ИВУ/лшн (табл. 1).
Из полученных результатов следует, что использование при ионном обмене сгущенных растворов лактата аммония нецелесообразно с экономической точки зрения, так как не приводит к существенному
* RBV¡мин — это перемещение порции субстрата, равной объему наполнителя (RBV — resin bad volume), в течение 1 мин. Благодаря этой форме определения скорости перемещения субстрата полученные результаты не зависят от величины используемых колонок.
12 Заказ 0266
Таблица
Условия ионного обмена при использовании катионита
Лактат регенерация 2,3 н. НС1 промывка процесс ионного обмена
продол- житель- ность, мин скорость, RBV/ мин. количе- ство, RBV продол- житель- ность, мин скорость, RBV/ мин количе- ство, воды, RBV продол- житель- ность, мин скорость, RBV/ мин количество субстрата, RBV
Без многократного применения для регенерации соляной кислоты
Несгущенный 47,5 0,057 2,73 135 0,065 8,7 115 0,053 6,05
Сгущенный 50 0,055 2,73 150 0,060 9,0 105 0,030 3,15
С многократным применением для регенерации соляной кислоты
Несгущенный 46 0,055 2,53 140 0,061 8,6 111 0,055 6,10
Сгущенный 50 0,054 2,51 152 0,058 9,0 112 0,030 3,35
После ультрафильтрации 50 0,055 2,45 150 0,060 9,0 120 0,060 7,20
Таблица '2
Величина экстинкции по отношению к образцу молочной кислоты
Вид продукта и этап процесса из не-сгущ. лактата из сгущ. лак- тата два- жды цент- рифу- гиро- ван- ной из лак- тата после уль- тра- филь- тра- ции под- верг- нутой уль- тра- филь- тра- ции
Кислота, полученная после прохождения через ионит лактата аммония 0,250 0,260 0,105 0,000 0,000
после очистки активированным углем 0,120 0,140 0,010
после осветления диатомитом 0,010 0,015
после сгущения до 20% — — — 0,010 0,000
после очистки активированным углем и сгущения до 20% 0,430 0,470 0,280
после осветления диатомитом и сгущения до 20% 0,370 0,320 — —
сгущенная до 50% : 0,920 0,880 0,540 0,195 0,110
50% после очистки активированным углем 0,880 0,810 0,460 0,075 0,085
20% после прохождения через диатомит 0,200 0,175 — — —
20% после вторичного прохождения через диатомит 0,075 0,125
Очистка активированным углем кислоты, сгущенной до 20% 0,410 0,420 0,205 0,000
Сгущение до 50% кислоты, предварительно сгущенной до 20% и очищенной 0,420 0,440 0,460 0,095
Осветление 50% кислоты диатомитом Очистка активированным углем 50% кислоты с самой низкой экстинкцией 0,320 0,290 0,310 0,285 0,390 0,075 —
Сгущение до 50% кислоты ■ предварительно сгущенной до 20% и осветленной диатомитом 0,350 0,380
сокращению процесса и уменьшению количеств; применяемых жидкостей (табл. 1).
В третьей части опыта оценили различные методі очистки и осветления растворов молочной кислоты Темно-желтая окраска молочной кислоты обуслов лена витаминами группы В (сывороточного проис хождения) и соединениями лактозы с белками (обра зующимися после стерилизации в результате реак ции Меллара).
Исследования показывают, что лучшим методой очистки и осветления растворов молочной кислоті является ультрафильтрация (табл. 2). Благодарі применению мембран Н1 БР10 можно удалить ве щества с молекулярным весом свыше 10 тыс. даль тонов. Были достигнуты положительные результаті для лактата аммония и для молочной кислоты полученной в процессе ионного обмена. Растворь молочной кислоты, подвергнутые этой обработке после сгущения до 50% имеют окраску, соответ ствующую норме [12] (табл. 2) —величина экстинк ции по отношению к образцу составляла 0,075
Остальные методы (добавление активированное угля, осветление диатомитом, центрифугированш на центрифуге Шарплесса) приносят значительнс худшие результаты. Данные в табл. 2 показывают что эти методы пригодны для очистки и осветлени> только тех растворов молочной кислоты, концентра ция которых не превышает 20%. Растворы с боль шей концентрацией удалось очистить, но они н< были прозрачными из-за остатков белков (в связі с чем отметили высокую экстинкцию).
Сравнивая различные методы очистки и осветления, констатировали, что эффективность диатомита лишь незначительно превышает эффективное^ активированного угля. Чтобы получить удовлетворительные результаты, следует многократно применять оба процесса. Многократное их применение после очередных этапов производственного ЦИКЛЕ (после каждого сгущения) дает лучшие результаты нежели однократное после сгущения кислоты до 50%
На последнем этапе опыта провели оценку сточны> вод, образующихся в процессе получения молочно{ кислоты по методу ионного обмена. Отметили незначительное загрязнение образующихся сточны> вод. БПКь составляло в среднем 15,7, а ХПК — 80,4 мг О -¿/дм? (табл. 3). Эти величины значительно ниже предельно допустимых для сброса в государственную канализационную сеть, составляющш для БПКъ 700 мг О -г/дм3, а для ХПК — 1000 мг Оч/дм6 [2]. Только кислотность (pH 0,48—1,54) превышает допустимые нормы [2]. Однако, с другой стороны, это явление положительное, так каь в сточных водах с низким pH не происходит раз-
Таблица 3
>личество Кислотность, м-экв./дм3 Сухой
¡точных юд, дм3 pH потенциометрическая титруемая БПКь ХПК остаток, мг/дм3
общая минерал. общая минерал. мг 02/дм3
Без многократного использования кислоты для регенерации 13,3 0,48 403,2 369,2 407,8 358,5 — — 11020
с многократным использованием кислоты для регенерации 26,6 1,54 162,4 119,1 166,3 110,2 15,2 80,4 13865
■ия болезнетворных бактерий. Кислотность сточ-х вод можно уменьшить, многократно их раз-1ляя, либо многократно используя регенерацион-г растворы.
2одержание сухого остатка в сточных водах было ушчным, составляя от 11020 до 13865 мг/дм3. а величины незначительно превышают допусти-е нормы [2]. Содержание сухого остатка зави-главным образом, от биомассы молочно-кис-х бактерий, полученной в результате центрифу-ювания питательной среды. Этот компонент 1ЧНЫХ вод не является продуктом ионного об--1а и совсем не обязательно должен быть отхо-л, что подтверждает работа [3].
1 состав образующихся сточных вод входят
ж,главным образом, хлористый аммоний. В связи 1тим сточные воды могут использоваться в виде :твора как удобрение (особенно наиболее квитированные, вытекающие из колонок непосред-юнно после регенерации).
Троведенный анализ сточных вод показывает, ) они могут после предварительного разбавле-а (в связи с повышенной кислотностью) даже ! очистки сбрасываться в открытые воды. Это утверждает полную пригодность данного метода тучения молочной кислоты из сыворотки, являю-тося одним из лучших способов утилизации )ГО сырья.
\вторы хотели бы поблагодарить Татяну Меж-ньскую за критические замечания и ценные едложения при подготовке работы.
ВЫВОДЫ
1. Предложенная технология получения молоч-й кислоты по методу ионного обмена — один
лучших способов использования молочной сы-ротки.
2. Лучшим методом очистки и осветления раство-в молочной кислоты является ультрафильтра-я.
3. Вследствие низких показателей БПКъ и ХПК сточные воды могут легко утилизироваться. Благо-, даря содержанию солей (главным образом, хлористого аммония) они могут быть ценным удобрением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Jakubowska J., 1975, Serwatka jako surowiec do otrzymywania bialka paszowego oraz spozywczego. Przem. Spoz., 8—9; 328—332.
2. Dziennik Ustaw, 1975, Dziennik Ustaw nr 41, poz. 214.
3. К о r n a с k i K., 1976. Otrzymywanie, charakterystyka ■i zastosowanie suszonych koncentratöw biomasy bakte-rii fermentacji mlekowej. Zesz. *Nauk. ART Olszt. [155]. Techn. Zywn. 9.
4. Budslawski J. Z. Drabent, 1967, Metody analizy zyw-nosci PWRiL Warszawa.
5. Wofatit., 1974, Syntetyczne wymieniacze jonowe. VEB Chemiekombinat Bitterffeld. DDR.
6. P о z n a n s k i S., K. Kornacki, Z. Smietana, J. Ry-maszewski, A. Surazynski, W. Chojnowski, 1974, Tech-niczno-technologiczne aspekty produkcji kwasu mleko-wego w skali przemyslowej przy uzyciu wymieniaczy jonowych. Przem. Spoz., 2; 52—54.
7. Poznanski S., J. Rymaszewski, E. Wodecki,
A. Surazynski, M. Kujawski, 1980, Technologiczno — techniczna koncepcja doswiadczalno-przemyslowej insta-lacji kwasu mlekowego z serwatki. Dokum. IMS Warszawa.
8. R у m a s z e w s k i J., S. Poznanski, M. Kujawski, K. Kornacki, W. Chojnowski, L. Jedrychowski, G. Pszczol-kowska, 1976, Technologia i technika produkcji kwasu mlekowego z serwatki przy uzyciu wymieniaczy jonowych. Dokum. IPM1. Warszawa.
9. Trochimczuk W., L. Bielinski, 1976, Wymieniacze jonowe. Biuro Wyd. «Chemia». Warszawa.
10. Witekowa S., T. Witek, 1970, Cwiczenia z ana-lizv jakosciowej i ilosciowej. PWN. Warszawa.
11. D у Ik о w ski W., T. Golebiewski, 1973. Technologia browarnictwa. PWRiL Warszawa.
12. Polska Norma, 1976, PN-76 A-86060. Kwas mlekowy spozywczy.
13. Hermanowicz W., W. Dozanska, J. Dojlido,
B. Koziorowski, 1976, Fizyko-chemiczne badanie wody i sciekow. Arkady, Warszawa.
Поступила 25.12.89
637.344.8:621.359.7
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ КОМПОНЕНТОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗЕ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ
А. Г. ХРАМЦОВ, Г. И. ХОЛОДОВ, А. И. ТЕРНОВОЙ, А. В. СЕРОВ
Ставропольский политехнический институт Всесоюзный научно-исследовательский институт комплексного использования молока
Электродиализ — один из перспективных методов работки молочной сыворотки [1], которую затем 1Жно использовать для производства продуктов тского и диетического питания. Снижение мине-
ральных веществ в сыворотке целесообразно при получении молочного сахара. Существенно улучшаются условия проведения сгущения и сушки творожной сыворотки после ее деминерализации.
ä
