CC BY
50
УДК 66.974.434
Исследования влияния нанофильтрации и электродиализа на минеральный состав творожной сыворотки
Шутро Роман Витальевич, аспирант кафедры технологического оборудования e-mail: roma-shutro@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»
Шевчук Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологического оборудования e-mail: Vshevchuk@list.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»
Куленко Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологического оборудования
e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»
Ефимов Михаил Сергеевич, магистр 1 курса кафедры технологического оборудования
e-mail: Mihail_efimov144@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»
Аннотация. В статье приведены данные исследования влияния нанофильтрации и электродиализа на минеральный состав творожной сыворотки.
Ключевые слова: творожная сыворотка, нанофильтрация, концентрирование, обессоливание, электродиализ.
Перед производителями молока и молочной продукции поставлены важные задачи - увеличить объёмы производства, обеспечить импортозамещение и не допустить резкого роста розничных цен на продукцию. Развитие молочной отрасли России нельзя представить без поступательного повышения эффективности производства [1]. Одним из направлений решения данной задачи является ресурсосбережение, поскольку затраты на сырьё в среднем составляют 60-70% от себестоимости молочной продукции в зависимости от региона России [2].
Высокоэффективные ресурсосберегающие технологии в молочной отрасли ориентированы на переработку вторичного сырьевого ресурса - молочной сыворотки, объёмы которой ежегодно растут. Мировое производство молочной сыворотки в 2015 г. составило около 178 млн т [3], причём основной объём (около 90%) приходится на подсырную сыворотку, которая более технологична в переработке [4].
В РФ общий объём молочной сыворотки в 2017 г. составил около 6,6 млн т [5] и имеет тенденцию к росту, так как введение эмбарго в 2014 г. стимулировало увеличение собственного молокоёмких белковых продуктов. Но особенность российского производства сыворотки заключается в том, что 60% ее общего объёма составляет творожная сыворотка, переработка которой имеет свои технологические нюансы ввиду особенностей химического состава и физико-химических свойств [6].
Таким образом, изучение состава сыворотки и его изменение в результате различных способов обработки является актуальной задачей, решение которой позволит понять закономерности изменения состава сыворотки в результате проведения таких технологических процессов как наноконцентрирование и электродиализное обессоливание. Это позволит моделировать состав сывороточных концентратов для дальнейшего использования и, в том числе, для создания новых продуктов различного назначения. Например, деминерализованную сыворотку широко при-мененяют: в детском специализированном питании, цельномолочных продуктах, консервах, кондитерских, хлебобулочных и мясных изделиях [4].
Так, в 2016 г. производство этих продуктов составило 117 тыс. т. И тем не менее в этом секторе есть большой потенциал для развития: ежегодно в Россию импортируется около 140 тыс. т молочной сыворотки, причём 94% из Республики Беларусь [7].
Целью настоящей работы было исследование влияния нанофильтрационной и электродиализной обработок на изменение физико-химических характеристик в концентратах натуральной творожной сыворотки.
Известно, что энергоэффективность процесса концентрирования методом на-нофильтрации выше, чем при обратноосмотической обработке, а потери по лактозе и белку составляют ничтожно малые доли [10]. Эффект деминерализации, в зависимости от типа сыворотки, может превышать 30%, а по некоторым данным достигает 50%, что делает нанофильтрацию исключительно экономически привлекательным процессом для применения в технологии переработки творожной сыворотки, как в качестве основного метода частичной деминерализации, так и в качестве вспомогательного перед электродиализом или ионным обменом [11].
В качестве образцов для исследования была взята натуральная творожная сыворотка полученная при выработке обезжиренного творога на линии Я9-ОПТ на ОАО УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина. Средние значения основных технологических параметров творожной сыворотки представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные технологические параметры творожной сыворотки
Параметр Литературные данные [8] Исследуемая сыворотка, средние значения
Массовая доля сухих веществ, % 4,2-7,4 6,4
Титруемая кислотность, 0Т 50-85 65
Активная кислотность, ед рН 4,0-5,3 4,4
Электропроводность, мСм/см 8-9 8,5
Получение наноконцентратов сыворотки и её обессоливание осуществлялось на экспериментальной установке (рис. 1). Творожная сыворотка, предварительно очищенная от белковой пыли и подогретая до 40 0С, подаётся в продуктовый бак 1, при этом клапан 2 находятся в закрытом, а клапан 3 в открытом положениях. После включения насоса 4 сыворотка начинает циркулировать по первому контуру, через нанофильтрационный модуль, но процесс концентрирования ещё не начался, поскольку не создано давление. Игольчатым вентилем 10 постепенно поднимаем давление в установке до 2,0 МПа. С этого момента начался процесс концентрирования. Давление в установке измеряется тахометрами 6,9, температура термометром 11. Разделение сыворотки происходит в мембранном модуле 7, после чего концентрат возвращается обратно в продуктовый бак 1, а фильтрат отводится через расходомер 8, так же в установке предусмотрено поддержание заданной температуры в теплообменнике 12. Таким образом первый модуль замкнут и процесс протекает до прекращения отделения фильтрата. После этого понижается давление до 0,0 МПа и концентрат запускается на второй контур через электродиализный модуль 13, который состоит из пакета мембран и насоса. В модуле происходит удаление солей и раскисление концентрата. Концентрат после прохождения электродиализного модуля 13 возвращается обратно в продуктовый бак 1, процесс протекает до достижения электропроводности 1500 мкСм/м.
12 V 10 ?
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки 1 - продуктовый бак; 2,3 - ручной клапан; 4 - насос; 5 - предохранительный клапан; 6,9 - манометр; 7 -мембранный модуль; 8 - расходомер; 10 - игольчатый вентиль; 11 - термометр; 12 - теплообменник; 13 -
электродиализный модуль.
Характеристики экспериментальной установки и нанофильтрационной мембраны представлены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики нанофильтрационной установки
Мембрана
изготовитель Владипор
материал Полипитеразинамид
марка РН 33 Н
активная площадь S, м2 2
температура, 0С < 40
давление Р, бар < 25
Установка:
объём бака, V 50 л
насос САТ РиМР, 311
мощность 2,2 кВт
расход 900 л/ч
Отбор проб для анализа осуществлялся согласно ГОСТ 26809-86 [9] в стерильные ёмкости объёмом 300 мл. После чего проводились анализы на минеральный состав и физико-химические показатели, согласно методам определения влаги и сухого вещества, методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище. Массовая доля белка определялась методом Кьельдаля, содержание кальция - титриметрическим методом, токсичные элементы определялись атомно-абсорбционным методом. Полученные данные представлены в таблице 3 и диаграммах (рис. 2, 3, 4, 5).
Таблица 3. Изменение минерального и физико-химического состава натуральной творожной сыворотки и её концентратов
Показатель Творожная сыворотка Концентрат творожной сыворотки Обессоленный концентрат творожной сыворотки
Общая минерализация (сухой остаток в воде), % 5,55 19,6 19,7
Массовая доля золы, % 0,72 1,25 0,39
Массовая доля белка, % 0,45 1,4 1,4
Углеводы, % 3,88 16,18 17,41
Калий, мг/кг 3300,42 4155,62 685,01
Натрий, мг/кг 448,85 639,46 86,58
Магний, мг/кг 120,49 375,53 216,27
Кальций, мг/кг 1067,57 2720,93 728,57
Железо, мг/кг 57,75 69,57 38,84
Творожная сыворотка
Концентрат творожной сыворотки
Обессоленный концентрат творожной сыворотки
Общая минерализация (сухой остаток в воде) ■ Углеводы
Рисунок 2. Динамика изменения общей минерализации и содержания углеводов в процессе концентрирования и обессоливания
1,4 1,2
1
§ 0,8
О 0,6
о
о
2 0,4 0,2 0
Творожная сыворотка
Концентрат творожной сыворотки
Обессоленный концентрат творожной сыворотки
Массовая доля золы
Массовая доля белка
Рисунок 3. Динамика изменений массовой доли золы и белка в процессе концентрирования и обессолива-
ния
Творожная сыворотка
Концентрат творожной сыворотки
Калий ■ Кальций
Обессоленный концентрат творожной сыворотки
Рисунок 4. Динамика изменения содержания калия и кальция в процессе концентрирования и обессолива-
ния
Творожная сыворотка
Концентрат творожной сыворотки
Обессоленный концентрат творожной сыворотки
Натрий ■ Магний ■ Железо
Рисунок 5. Динамика изменения содержания натрия, магния и железа в процессе концентрирования и обессоливания
По данным [12], в начале электродиализной обработки удаляются только однозарядные ионы (К+, Nа+, Cl- ), а ионы, имеющие более высокий заряд, удаляются только после 50%-ного уровня деминерализации. Массовая доля таких микроэлементов, как Fe, в процессе электродиализа меняется незначительно. Вместе с тем, следует обратить внимание, что при электродиализе и нанофильтрации из сыворотки практически полностью удаляются ионы хлора. Следовательно, при деминерализации сыворотки хорошо удаляются анионы неорганических кислот. Органические кислоты, согласно данным по молочной кислоте, выводятся со скоростью, промежуточной между таковой у одно- и двухзарядных неорганических анионов. Это следует учитывать при раскислении сыворотки.
Таким образом, можно сделать вывод, что процессы нанофильтрационного концентрирования и деминерализации, а также электродиализ взаимно дополняют друг друга. Проведенные экспериментальные исследования минерального состава концентратов творожной сыворотки показали высокую эффективность применения нанофильтрации и электродиализа и целесообразности их совместного применения.
Литература:
1. Стратегия повышения качества пищевой продукции в РФ до 2030 г.: распоряжение Правительства РФ № 1634-р от 29.06.2016 г.
2. Боева, Н.Д. Проблемы молочной промышленности / Н.Д. Боева // Молочная промышленность. - 2017. - №5. - С. 4.
3. Молочная сыворотка - источник ценных пищевых ингредиентов и дополнительной прибыли / М.С.Золоторева [и др.] // Сыроделие и маслоделие. 2017. - №5. - С. 30-31.
4. Пономарёв, А.Н. Молочная сыворотка как сырьевой ресурс для производства пищевых ингредиентов / А.Н. Пономарёв, Е.И. Мельникова, Е.В. Богданова // Молочная промышленность. - 2018. - №7. - С. 38-39.
5. Рынок молочной сыворотки в России: комплексное исследование рынка [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tebiz.ru/pdf/marketwhey.pdf (дата обращения: 25.05.2018).
6. Khramtsov, A.G. Traditions and innovations of dairy industry / A.G.Khramtsov // Foods and raw materials. 2015. Vol.3.No 1. P. 140-141.
7. Особенности переработки творожной сыворотки / Д.Н.Володин [и др.] // Переработка молока. - 2017. - №3 (210). - С. 17-19.
8. Храмцов, А.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки / А.Г. Храмцов, П.Г. Нестеренко. - М.: ДеЛи принт, 2004. - 587 с.
9. Интернет и право [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. internet-law.ru/gosts/gost/19906 (дата обращения: 05.04.2019).
10. Timmer, J.M.K. Properties of nanofiltration membranes ; model development and industrial application- Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2001.
11. Vagn Westergaard. Milk Powder Technology Evaporation and Spray Drying. Niro A/S. Copenhagen, Denmark, 2004
12. Деминерализованная сыворотка [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://mil-co.ru/produkty/demineralizovannaya-syvorotka/ (дата обращения: 05.06.2019).
References:
1. Strategiia povysheniia kachestva pishchevoi produktsii v RF do 2030 g. Rasporiazhenie Pravitelstva RF 1634-r ot 29 06 2016 g. [Strategy for improving the quality of food products in the Russian Federation until 2030. (Order of the Government of the Russian Federation No. 1634-p dated 06/29/2016)].
2. Boyev, N.D. Problems of the dairy industry. Molochnaia promyshlennost. [Dairy industry], 2017, no.5, P.4.
3. Zolotorova, MS Whey - a source of valuable food ingredients and additional profit. Syrodelie i maslodelie. [Cheese and butter production], 2017, no.5, pp. 30-31.
4. Ponomarev, A.N. Whey as a raw material for the production of food ingredients. Molochnaia promyshlennost. [Dairy industry], 2018, no.7, pp. 38-39.
5. Whey market in Russia: a comprehensive market research [Electronic resource]. Available at: http://tebiz.ru/pdf/marketwhey.pdf. - Date of application: 05/25/2018.
6. Khramtsov, A.G. Traditions and innovations of dairy industry [Text] / A.G.Khramtsov // Foods and raw materials. 2015. Vol.3.No 1. P. 140-141.
7. Volodin, D.N. Features of the processing of cheese whey. Pererabotka moloka. [Milk processing], 2017, no. 3 (210), pp. 17-19.
8. Khramtsov, A.G., Nesterenko P.G. Tekhnologiia produktov iz molochnoi syvorotki. [Technology of whey products]. Moscow: PH DeLi print, 2004, 587 p.
9. Internet and law [Electronic resource]. Available at: http://www.internet-law. ru/gosts/gost/19906. - Date of application: 04/05/2019
10. Timmer, J.M.K. Properties of nanofiltration membranes; model development and industrial application- Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2001.
11. Vagn Westergaard. Milk Powder Technology Evaporation and Spray Drying. Niro A / S. Copenhagen, Denmark, 2004.
12. Demineralized whey [Electronic resource]. Available at: http://mil-co.ru/ produkty/demineralizovannaya-syvorotka/. - Date of application: 06/05/ 2019.
Studies of nanofiltration and electrodialysis effect on the mineral composition of curd whey
Shutro Roman Vitalyevich, Graduate student of the Technological Equipment Department
e-mail: roma-shutro@mail.ru
Federal state budgetary educational institution of higher education Vologda State Dairy Farming Academy named after N. V. Vereschagin
Shevchuk Vladimir Borisovich, Candidate of Sciences (Technology), Associate Professor of the Technological Equipment Department e-mail: Vshevchuk@list.ru
Federal state budgetary educational institution of higher education Vologda State Dairy Farming Academy named after N. V. Vereschagin
Kulenko Vladimir Georgievich, Candidate of Sciences (Technology), Associate Professor of the Technological Equipment Department e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal state budgetary educational institution of higher education Vologda State Dairy Farming Academy named after N. V. Vereschagin
Efimov Mikhail Sergeevich, 1st year Master's student of the Technological Equipment Department
e-mail: Mihail_efimov144@mail.ru
Federal state budgetary educational institution of higher education Vologda State Dairy Farming Academy named after N. V. Vereschagin
Abstract. The article presents data of nanofiltration and electrodialysis effect on the mineral composition of curd whey.
Keywords: curd whey, nanofiltration, concentration, desalting, electrodialysis.
