CC BY
55
УДК 637.146.3(045) DOI: 10.24411/0235-2486-2019-10101
изучение процесса переработки сыворотки методом нанофильтрации
О.А. Кувшинова, канд. техн. наук; М.А. Березин, канд. техн. наук мордовский государственный университет им. н.П. огарева, г. саранск
Реферат
По данным министерства сельского хозяйства в 2017 г. в России произведено 17,86 млн т молока. Около 10 млн т используют для получения творога и сыра. Образующаяся при этом сыворотка содержит значительные количества вредных минеральных примесей и является экологической проблемой молочного производства из-за большой биологической потребности в кислороде для ее утилизации. Однако после очистки от вредных примесей и концентрирования сыворотку можно использовать для приготовления разнообразных высококачественных продуктов, корма для животных и как промышленное сырье для других отраслей. Целью настоящей работы являлось изучение процесса концентрирования под-сырной сыворотки методом нанофильтрации. Работа выполнялась на базе лаборатории «Энергоэффективные технологии переработки сырья и материалов» Института механики и энергетики (г. Саранск). Мембранная очистка проводилась на модернизированной лабораторной мембранной установке LabUnit М20. Объект исследования - подсырная сыворотка ООО Сыроваренного завода «Сармич» (г. Инсар). Каждый этап исследования включал серию из пяти циклов «нанофильтрация сыворотки - мойка» с оценкой эффективности мойки средствами компании Diversey (США). Установлено, что в процессе фильтрации сыворотки имеет место линейное снижение коэффициента проницаемости, обусловленное образованием и ростом гелевого слоя на поверхности мембранных элементов. Значения концентраций растворенных веществ в среднем составляют в исходном продукте 17,6%, в фильтрате и концентрате 0,67% и 17,23%. Таким образом, использование нано-фильтрации позволяет переработать сыворотку с возможностью создания полностью автоматизированного безотходного производства с высокой производительностью и низкими энергетическими затратами. Продукт не подвергается тепловому воздействию, при котором денатурируют и коагулируют белки, содержащиеся в сыворотке.
Ключевые слова
деминерализация, нанофильтрация, полимерные мембраны, регенерация, сыворотка Цитирование
Кувшинова О.А., Березин М.А. (2019) Изучение процесса переработки сыворотки методом нанофильтрации // Пищевая промышленность. 2019. № 7. С. 54-57.
Studying the process of serum processing by nanofiltration method
O.A. Kuvshinova, Candidate of Technical Sciences; M.A. Berezin, Candidate of Technical Sciences Mordovian State University named N.P. Ogarev, Saransk
Abstract
According to the Ministry of Agriculture, in 2017, Russia produced 17.86 million tons of milk. About 10 million tons are used to produce cottage cheese and cheese. The whey produced in this case contains significant amounts of harmful mineral impurities and is an environmental problem of dairy production due to the high biological oxygen demand for its utilization. However, after purification from harmful impurities and concentration, the whey can be used to prepare a variety of high-quality products, animal feed and as industrial raw materials for other industries. The purpose of this work was to study the process of concentration of sub-whey by the method of nanofiltration. The work was carried out on the basis of the laboratory «Energy efficient technologies for processing raw materials and materials» of the Institute of Mechanics and Energy (Saransk). Membrane cleaning was carried out on a LabUnit M20 upgraded laboratory membrane unit. The object of the research is cheese whey from LLC Sarmich Cheesecake Plant (Insar). Each stage of the study included a series of five cycles «serum nanofiltration - washing» with an assessment of the effectiveness of the washing with the funds of Diversey (USA). It was established that in the process of filtration of the serum, there is a linear decrease in the permeability coefficient, due to the formation and growth of the gel layer on the surface of the membrane elements. The values of the concentration of solutes on average in the starting product are 17.6%, the filtrate and concentrate are 0.67% and 17.23%. Thus, the use of nanofiltration allows the processing of whey with the possibility of creating a fully automated waste-free production with high productivity and low energy costs. The product is not exposed to heat, in which the proteins contained in the serum are denaturated and coagulate.
Key words
nanofiltration, polymer membranes, regeneration, demineralization, serum Citation
Kuvshinova O.A., Berezin M.A. (2019) Studying the process of serum processing by nanofiltration method // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost. 2019. № 7. P. 54-57.
54
7/2019 пищевая промышленность issn 0235-2486
Введение. Одной из проблем молочного производства является получение большого количества различных видов сыворотки в качестве побочного продукта. В исходной форме из-за малой концентрации она почти не имеет ценности, но компоненты ее применимы в качестве добавок в продукты питания, корма для животных и как промышленное сырье для других отраслей [1].
Состав сыворотки значительно колеблется в зависимости от ее вида, наиболее ценными компонентами являются липи-ды, белки и углеводы. Также в сыворотку переходят минеральные соли молока, небелковые азотистые соединения, витамины, ферменты, гормоны, иммунные тела, органические кислоты. Все эти вещества составляют 25 % от общего количества белков сыворотки [2].
В процессе хранения без обработки состав и свойства ее изменяются. Лактоза как наименее устойчивый компонент подвергается в результате действия молочнокислых бактерий ферментативному гидролизу. В результате повышается титруемая кислотность, снижается рН, повышается мутность сыворотки. Происходит гидролиз белков и жира, изменяется вкус сыворотки, могут накапливаться нежелательные и даже вредные вещества [3].
срок хранения сыворотки натуральной при комнатной температуре всего 6 ч. Практически считается, что при хранении молочной сыворотки без обработки в течение 12 ч она теряет до 25% энергетической ценности [4]. При хранении сыворотки понижаются ее активная кислотность, массовая доля лактозы и титруемая кислотность повышаются. сроки хранения молочной сыворотки составляют всего несколько часов, и ее использование возможно только в тех условиях, когда она после поступления на предприятие сразу подается на переработку. В связи с этим молочная промышленность разрабатывает способы консервирования натуральной молочной сыворотки путем повышения в ней сухих веществ, консервирования сахаром или другими консервантами, а также ее высушиванием [5]. такая обработка позволяет успешно сохранить качество сыворотки в течение 24-36 ч.
По данным [6] применение мембранных технологий позволяет в сутки из 100 т сыворотки (молока) получить 30т концентрата и 70 т воды, которая может быть возвращена в технологический процесс для мойки оборудования или питания котлов. Это обеспечивает экономию энергозатрат и ресурсов при последующем сгущении на вакуум-выпарных аппаратах и уменьшает водозабор на предприятии.
наиболее распространенным способом сгущения сыворотки является нанофиль-трация, позволяющая частично деминера-
лизовать концентрат. Опыт ведущих перерабатывающих предприятий молочной промышленности показывает, что экономически обоснованное применение на-нофильтрационных технологий позволяет сгущать продукт до 18-20% содержания сухих веществ [3, 7-8].
Несмотря на популярность и преимущества баромембранных технологий разделения молочных продуктов, одной из наиболее сложных технико-экономических задач является разработка и внедрение эффективных методов восстановления их проницаемости (регенерации). На производстве в основном применяется химическая мойка, которая обеспечивает в течение сравнительно короткого промежутка времени практически полное восстановление проницаемости мембран при небольших затратах на ее внедрение [9].
Цель работы - изучение процесса переработки подсырной сыворотки методом нанофильтрации на модернизированной лабораторной мембранной установке LabUnit M20 компании Alfa Laval (Швеция) [10]. Место исследования - Институт механики и энергетики, на базе лаборатории «Энергоэффективные технологии переработки сырья и материалов» (г. Саранск). Объект исследования - подсырная сыворотка ООО Сыроваренного завода «Сармич» (г. Инсар).
Каждый этап включал серию из пяти циклов «фильтрация сыворотки - мойка» с оценкой эффективности очистки моющими средствами компании Diversey (США): щелочное Divos 116; кислотное Divos 2; энзимное Divos 80-2 с щелочной добавкой Divos 95.
Нанофильтрация проводилась на полимерных мембранах селективностью 300 Дальтон фирмы Alfa Laval, смонти-
рованных в плосколистовом мембранном модуле с созданием общей площади фильтрации 0,0692 м2.
С учетом высокой селективности на-нофильтрационных мембран (рис. 1) для их расконсервации, мойки и оценки регенеративной способности моющих средств используется очищенная методом обратного осмоса вода с содержанием растворенных веществ не более 100 мг/л [11].
мембранная очистка подсырной сыворотки осуществлялась при температуре 22±2 °С при среднем давлении в системе 24 бар до снижения коэффициента проницаемости на 20%. В процессе фильтрации измерялись давление на входе и выходе трансмембранного канала, производительность по пермеату и ретентату, а по завершении цикла отбирались пробы для определения рН-фактора ретентата и пермеата. На пятом цикле, после завершения этапа, дополнительно отбирались пробы пермеата для определения в них наличия микрофлоры.
Исследование проводилось в следующей последовательности:
1. Расконсервирование мембранных элементов щелочным раствором.
2. Ополаскивание подготовленной водой и определение начального значения коэффициента проницаемости по воде (30 °C).
3. выполнение пяти циклов «сгущение подсырной сыворотки - регенерация мембранных элементов при постоянном перепаде давления в трансмембранном канале и температуре 20 °С до снижения производительности по пермеату на 20%. Вытеснение рассола из системы подготовленной водой (не менее 5 объемов системы, 30 °С) и определение значения коэффициента проницаемости по воде (Water Flux, 30 °C).
0:28:48 0:36:00
Время, t
Рис. 2. Изменения коэффициента проницаемости мембран Alfa Laval-NF в течение времени фильтрации сыворотки при использовании моющих средств компании Diversey
Расконсервация Циклы фильтрации
Рис. 3. Изменение коэффициента проницаемости по воде мембран Alfa Laval-NF по циклам «фильтрации - мойка» при использовании моющих средств компании Diversey
4. Регенерация мембранных элементов Alfa Laval-NF состоит из следующих этапов:
- мойка кислотным моющим средством Diversey Divos 2 (0,3%, 50 °C, 20 мин);
- ополаскивание подготовленной водой (30 °С);
- мойка ферментным моющим средством Diversey Divos (0,4 % Divos 95 + 0,3% Divos 80-2, 50 °C, 45 мин);
- ополаскивание подготовленной водой (30 °с);
- мойка щелочным моющим средством Divos 110 (0,6%, 50 °C, 30 мин);
- ополаскивание подготовленной водой (30 °с);
- определение текущего значения коэффициента проницаемости по воде (30 °C).
5. Если установка временно не эксплуатируется, то в нее заливается дезинфицирующий раствор, который остается в ней. Перед началом эксплуатации проводится промывка установки водой.
6. Оформление результатов эксперимента.
Разработанный программный комплекс [12] позволяет в динамике статистически обрабатывать и отображать на графике экспериментальные данные процесса мембранного разделения, а также регистрировать их в файле данных. На их основе автоматически рассчитывается ряд параметров, значения которых использованы для оперативного контроля процесса фильтрации, мойки и оценки проницаемости мембранных элементов [13]:
- перепад давления на пакете фильтрационных мембран, бар
(1)
где Р1п, РоМ - давление на входе и выходе из трансмембранного канала, бар;
Физические свойства пермеата и ретентата
Проба рН-фактор Содержание солей (жесткость), мг/л Плотность, кг/м3 Содержание сухих веществ, %
Ретентат Пермеат Ретентат Пермеат Ретентат Пермеат Ретентат Пермеат
Исходный продукт 6,7 - 2500 - 1067,5 - 18,07 -
Цикл № 1 6,1 6,3 2500 1880 1068,0 998,7 18,02 0,63
Цикл № 2 6,4 6,8 2540 1900 1063,7 999,4 17,93 0,58
Цикл № 3 6,1 6,4 2340 1800 1065,2 999,3 17,25 0,69
Цикл № 4 6,4 6,8 2540 1900 1067,0 999,2 16,84 0,64
Цикл № 5 6,4 6,8 2540 1900 1065,0 998,7 17,33 0,68
P0 - нормальное атмосферное давление, бар;
- коэффициент проницаемости, л/(м2^ч)
(2)
где Qл - объемный расход пермеата, л/ч; А2 - суммарная площадь мембран, смонтированных в пакете, м2;
- удельный коэффициент проницаемости, л/(м2^бар)
, к к = —, " АР
(3)
Для повышения точности определения удельного коэффициента проницаемости по воде уравнение (3) модифицировано с учетом погрешности регулирования температуры:
1 1 ^
20, ■ ехр[
\
Т +273,15 303,15
'1
к =
(4)
где Е = 15400 - энергия активации вязкого течения воды, Дж/моль; Н = 8,314 -универсальная газовая постоянная, Дж / (моль^К); Т - температура среды, при которой определен удельный коэффициент проницаемости, °С.
На основе первичных данных построен график изменения коэффициента проницаемости мембран, представленный на рис. 2.
Из данных следует, что в процессе фильтрации сыворотки имеет место линейное снижение коэффициента проницаемости, обусловленное образованием и ростом гелевого слоя на поверхности мембранных элементов. Согласно принятой методике поддержания в процессе фильтрации постоянного коэффициента сгущения скорость роста толщины гелевого слоя определяется скоростью течения ретента-та вдоль поверхности мембран, а также концентрацией органических соединений (белков, лактозы и жиров) и величиной трансмембранной разности давлений.
График, представленный на рис. 3, показывает, что по мере роста количества циклов «фильтрация сыворотки - мойка» наблюдается снижение темпов падения коэффициента проницаемости для выбранных моющих средств.
В таблице представлены сводные результаты исследования физических свойств пермеата и ретентата после 5 циклов фильтрации через плосколистовые мембранные элементы Alfa Laval серии NF при использовании моющих средств компании Diversey.
56
7/2019 пищевая промышленность issn 0235-2486
Выводы. Таким образом, в результате данных исследований установлено, что:
- значения концентраций растворенных веществ в среднем составляют в исходном продукте 17,6%, в фильтрате и концентрате 0,67% и 17,23%;
- степень снижения проницаемости для плосколистовых мембран составляет примерно 15-19%;
- после каждой мойки при следующей фильтрации показатели ухудшаются в пределах 3-5%. При этом после регенерации величины расходов пермеата и коэффициентов проницаемости возрастают.
Можно сделать вывод, что при процессе деминерализации подсырной сыворотки режим регенерации мембран, состоящий из промывки кислотным, ферментным и щелочным моющими средствами, а также ополаскивания водой до нейтрального уровня pH, подобран верно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боу-Хабиб, Д. От вторичного к ценному продукту. Переработка сыворотки мембранной фильтрацией/Д. Боу-Хабиб, В. Тальхам-мер // Молочная промышленность. - 2009. -№ 9. - С. 64-66.
2. ГОСТ Р 53438-2009. Сыворотка молочная. Технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2009. URL: http://docs.cntd.ru/document/ 1200075961 (дата обращения 21.12.18).
3. Варивода, А.А. Молочная сыворотка мембранной обработки в технологии плавленых сыров/А.А. Варивода // Международный научно-исследовательский журнал. -2014. - № 2 (21). - Ч. 1. - С. 80-84.
4. Храмцов, А. Г. Феномен молочной сы-воротки/А.Г. Храмцов. - СПб.: Профессия, 2011. - 804 с.
5. Куличенко, А.И. Применение продуктов из молочной сыворотки при производстве кондитерских изделий // Молодой ученый. -2013. - № 4. - С. 675-677.
6. Мембранная фильтрация в молочной промышленности [Загол. с экрана]. URL: http://sneks.ru/novosti /membrannaya-filtradya-v-molochnoi-promishlennosti (дата обращения 21.12.2018).
7. Коротецкая, Н.С. Современное состояние и перспективные направления переработки молочной сыворотки/ Н. С. Коротецкая // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2012. - № 4. - С. 51-54.
8. Home Kerry, J. Fouling of microfiltration and ultrafiltration membranes by natural water / Kerry J. Home, Mark M. Clark // Environmental Science & Technology. - 2002. -№ 36 (2002). - Р. 3571-3576.
9. Свитцов, А.А. Введение в мембранную технологию/А.А. Свитцов. - М.: ДеЛи принт, 2007. - 208 с.
10. Печнов, В.И. Реконструкция мембранной установки «LABUNIT М20»/В.И. Печнов,
B.В. Кузнецов, В. Н. Водяков // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы (межвузовский сборник научных трудов, посвященный 100-летию со дня рождения первого декана факультета механизации сельского хозяйства МГУ им. Н.П. Огарева доцента Д. С. Пилипко (19131989 гг.). - Саранск, 2013. - С. 164-170.
11. Шабарин, А.А. Очистка питьевой воды от фторидов методом обратного осмоса/ А. А. Шабарин [и др.] // Вестник Мордовского университета. - 2018. - Т. 28. -№ 1. - С. 36-47.
12. Программа автоматизации системы измерения мембранной установки Alfa Laval LabUnit М20/В.В. Кузнецов [и др.]. Свидетельство РФ № 2018618564 от 16.07. 2018.
13. Кувшинова, О. А. Методика переработки сыворотки на мембранной установке LABUNIT M20 / О.А. Кувшинова, А.Д. Репин, К. В. Семиков // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы (материалы Международной научно-практической конференции). - Саранск: Изд-во Мордовского университета, 2018. -
C. 392-397.
REFERENCES
1. Bou-Khabib D. Ot vtorichnogo k tsennomu produktu. Pererabotka syvorotki membrannoy fil'tratsiyey/D. Bou-Khabib, V. Tal'khammer / Molochnaya promyshlennost'. - № 9. - 2009. -р. 64-66.
2. GOST R 53438-2009. Syvorotka molochnaya. Tekhnicheskiye usloviya. - M.: IPK Izdatel'stvo standartov, 2009. - URL: http:/docs.cntd.ru/document/ 1200075961. (data obrashcheniya 21.12.18)
3. Varivoda A. A. Molochnaya syvorotka membrannoy obrabotki v tekhnologii plavlenykh syrov / A.A. Varivoda / Mezhdunarod. nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. - № 2 (21). - CH. 1. - 2014. -p. 80-84.
4. Khramtsov A. G. Fenomen moLochnoy syvorotki/A.G. Khramtsov. - SPb.: Professiya, 2011. - 804 p.
5. KuLichenko A.I. Primeneniye produktov iz moLochnoy syvorotki pri proizvodstve kondi-terskikh izdeLiy / MoLodoy uchenyy. -2013. - № 4. - P. 675-677.
6. Membrannaya fiL'tratsiya v moLochnoy promyshLennosti [ZagL. s ekrana]. - URL: http://sneks.ru / novosti / membrannaya-fiLtraciya-v-moLochnoi-promishLennosti (data obrashcheniya: 21.12.2018).
7. Korotetskaya N.S. Sovremen noye sostoyaniye i perspektivnyye napravLeniya pererabotki mo-Lochnoy syvorotki/ N. S. Korotetskaya / AktuaL'nyye probLemy gumanitarnykh i yestestvennykh nauk. - 2012. - № 4. - P. 51-54.
8. Home Kerry J. Fouling of microfiLtration and ultrafiltration membranes by natural water/Kerry J. Home, Mark M. CLark / Environ. Sci. TechnoL. - 2002. - № 36 (2002). -P. 3571-3576.
9. Svittsov A.A. Vvedeniye v membrannuyu tekhnoLogiyu/A.A. Svittsev. - M.: DeLi print, 2007. - 208 p.
10. Pechnov V.I. Rekonstruktsiya membrannoy ustanovki «LABUNIT M20» / V. I. Pechnov, V. V. Kuznetsov, V. N. Vodyakov / Energoeffektivnyye i resursosberegayushchiye tekhnoLogii i siste-my: mezhvuzovskiy sbornik nauchnykh trudov, posvyashchennyy 100-Letiyu so dnya rozhdeniya per-vogo dekana fakuL'teta mekhanizatsii seL'skogo khozyaystva MGU im. N. P. Ogareva dotsenta D. S. PiLipko (19131989 gg.). - Saransk, 2013. - P. 164-170.
11. Shabarin A. A. Ochistka pit'yevoy vody ot ftoridov metodom obratnogo osmosa/A.A. Shabarin, V.N. Vodyakov, A.V. Kotin, O.A. Kuvshinova, YU. I. Matyushkina / Vestnik Mor-dovskogo universiteta. - 2018. - T. 28. -№ 1. - P. 36-47.
12. Programma avtomatizatsii sistemy izmereniya membrannoy ustanovki ALfa LavaL LabUnit M20/V.V. Kuznetsov, O.A. Kuvshinova, V.N. Vodyakov, T. P. Boyarkina. SvideteL'stvo RF № 2018618564 ot 16.07.2018.
13. Kuvshinova O.A. Metodika pererabotki syvorotki na membrannoy ustanovke LABUNIT M20/O.A. Kuvshinova, A. D. Repin, K.V. Semikov / Energoeffektivnyye i resursosberegayushchiye tekhnoLogii i sistemy: mat-Ly Mezhdunar. nauchno-prakt. konf. - Saransk: Izd-vo Mordov. un-ta, 2018. - P. 392397.
Авторы
Кувшинова Ольга Александровна, канд. техн. наук, Березин Михаил Александрович, канд. техн. наук Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Россия, Республика Мордовия, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68, oLga-kuvshinova@rambLer.ru, berezin_ma@mai1.ru
Authors
Olga A. Kuvshinova, Candidate of Technical Sciences, Michail A. Berezin, Candidate of Technical Sciences
Mordovian State University named N.P. Ogarev, 68, Bolshevistskaya str., Saransk, Republic of Mordovia, Russia, olga-kuvshinova@rambler.ru, berezin_ma@mail.ru
