CC BY
53Процессы и машины агроинженерных систем
Код ВАК 05.20.01 УДК 664;66.081.6
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ БЕЗЛАКТОЗНОГО МОЛОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ БАРОМЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ
В.А. Тимкин1, Л.А. Новопашин1, П.С.Минин1.
1 ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия
Анотация. Молочные продукты являются важной частью рациона питания человека. Однако многие люди страдают непереносимостью молочного сахара - лактозы и не могут употреблять молоко и продукты, содержащие молоко. Решением данной проблемы является производство безлактозного молока и на его основе безлактозных молочных продуктов.
Главная причина непереносимости лактозы человеком - отсутствие или недостаточное количество фермента лактазы, обусловленное генетически [1-3]. Для обеспечения полноценного питания этой группы населения необходимо производить безлактозное молоко и на его основе безлактозные молочные продукты.
Ключевые слова: Молоко, лактоза, баромембранный процесс.
SOME ASPECTS OF DEVELOPMENT OF LACT-FREE MILK TECHNOLOGY USING
BAROMEMBRANE PROCESSES
V.A. Timkin1, L.A. Novopashin1, P.S. Minin1.
1 FSBEI HE Ural SAU, Ekaterinburg, Russia
Abstract. Dairy products are an important part of the human diet. However, many people are intolerant to milk sugar - lactose and cannot consume milk and foods containing milk. The solution to this problem is the production of lactose-free milk and lactose-free dairy products based on it.
The main cause of lactose intolerance in humans is the absence or insufficient amount of the enzyme lactase, due to genetics [1-3]. To ensure adequate nutrition for this population group, it is necessary to produce lactose-free milk and lactose-free dairy products based on it.
Keywords: Milk, lactose, baromembrane process.
Постановка проблемы (Introduction) Молочные продукты являются важной частью рациона питания человека. Однако многие люди страдают непереносимостью молочного сахара - лактозы и не могут употреблять молоко и продукты, содержащие молоко. Решением данной проблемы является производство безлактозного молока и на его основе безлактозных молочных продуктов. Главная причина непереносимости лактозы человеком - отсутствие или недостаточное количество фермента лактазы, обусловленное генетически [1-3]. Для обеспечения полноценного питания этой группы населения необходимо
производить безлактозное молоко и на его основе безлактозные молочные продукты. Безлактозное молоко (наименование согласно ТР ТС 033/2013 «продукт переработки молока безлактозный») — продукт переработки питьевого молока, в котором лактоза гидролизована или удалена. От обычного молока оно отличается только отсутствием или низким содержанием лактозы. По российскому регламенту безлактозным считается молоко с содержанием не более 0,1 грамма лактозы на 1 литр продукта [2].
Анализ современного состояния данного вопроса показал, что на сегодняшний день в мире существуют три технологии производства безлактозного молока [4-13]: кисломолочные смеси на основе молочного белка, расщепление лактозы ферментами и применение мембранных методов разделения. Смеси на основе молочного белка получают путем составления молочной смеси из отдельных компонентов и последующего сквашивания кисломолочной закваской. Получаемый продукт полезен, но не является молоком. При расщеплении лактозы с помощью ферментов происходит процесс, аналогичный происходящему в организме здорового человека. Недостаток данного способа в том, что используемые ферменты могут повышать сладость или придавать посторонние привкусы молочным продуктам. Технология с применением мембранных методов, разработанная фирмой Valio (Финляндия), позволяет получить молоко с естественным вкусом, содержание лактозы в котором менее 0,01%. Основной технологической стадией является процесс ультрафильтрации, при котором из молока удаляется часть лактозы. На следующем этапе добавляется фермент лактазы, который расщепляет оставшуюся лактозу. Как нами уже отмечалось, каждая из перечисленных технологий имеет свои достоинства и недостатки [3 -7].
Занимаясь решением выше поставленной задачи, мы пришли к выводу, что в основе разрабатываемой технологии должен быть процесс диафильтрации, в котором ультрафильтрационное разделение молока позволяет отвести большую часть воды и лактозы в виде пермеата, а затем, концентрат разбавляется водой, после чего процесс циклически повторяется до заданного содержания лактозы.
Методология и методы исследования (Methods)
Объектом исследования явилось - обезжиренное молоко, соответствующее ГОСТ Р 535032009 (таблица 1). Для каждой серии экспериментов использовалось молоко в объеме 10 литров. Таблица 1 - Физико-химические показатели обезжиренного молока (средние значения)
Параметры Молоко
Белок общий, % (масс.) 3,05
Лактоза, %(масс.) 4,65
Жир, %(масс.) 0,05
Минеральные вещества, %(масс.) 0,8
Сухие вещества, % (масс.) 8,6
Водородный показатель, рН 6,65
Кислотность, 0Т 17,5
При выполнении работы использовали стандартные и оригинальные методы исследования. Исследование процесса диафильтрации проводилось в лабораторных условиях на установке (рис.1).
Рисунок 1 - Лабораторная установка Установка позволяет одновременно работать с двумя различными мембранными элементами. Контур циркуляции установки содержит бак накопитель объемом 20 л.
Скорость течения раствора над мембраной рассчитывалась по уравнению:
u = Q/S,
где u - скорость течения раствора над мембраной, м/с;
Q - расход раствора в установке (определяется по ротаметру), м3/с; S - площадь сечения надмембранного канала, м2 Площадь сечения надмембранного канала рассчитывалась по уравнениям: для цилиндрической ячейки
S = п d2/4,
для плоскокамерной ячейки
S = a b,
где d - внутренний диаметр трубчатого керамического мембранного элемента, м; a, b - ширина и высота надмембранного канала, м.
Для оценки режима течения раствора в надмембранном канале, рассчитывался критерий Рейнольдса по уравнению
Re = u da/v,
где da - эквивалентный диаметр надмембранного канала, м; v - коэффициент кинематической вязкости раствора, м2/с.
Для керамической мембраны da = d, для плоской полимерной мембраны эквивалентный диаметр рассчитывался по уравнению:
dэ = 4S/n,
где П - периметр, омываемый потоком раствора, м.
В установке осуществляется разделение исследуемого раствора в мембранной ячейке на два потока - поток, прошедший через мембрану (пермеат), и поток, оставшийся над мембраной (концентрат).
Исследования проводились с органическими и неорганическими мембранами: листовые полисульфонамидные УПМ-20, УПМ-50М, трубчатые одноканальные керамические мембраны серии КУФЭ (0,01 и 0,02), «TAMI Deutschland GmbH» (Германия).
Результаты (Results)
Лабораторные исследования по выбору предпочтительных мембран выполнялись последовательно: вначале исследовали закономерности процесса диафильтрации в зависимости от температуры, а затем в зависимости от давления рабочей среды.
Исследование процесса диафильтрации целесообразно начать с установления необходимых гидродинамических условий в надмембранном пространстве. Известно, что скорость диффузии растворенных веществ с большой молекулярной массой (более 500) очень мала и, вследствие этого, процесс диафильтрации сопровождается значительным влиянием концентрационной поляризации. Как видно из зависимости G(u) (рис. 2) проницаемость мембран увеличивается с повышением скорости течения молока над мембраной. Это можно объяснить тем, что при увеличении скорости u уменьшается толщина надмембранного слоя у поверхности мембраны, а именно в этом слое и происходит изменение концентрации.
Эксперименты показали, что проницаемость мембран при разделении молока существенно зависит от продольной скорости u. Дело в том, что при невысоких скоростях (u < 0,5 м/с) локальная концентрация часто достигает такого предела, что на поверхности мембраны образуется гелеобразный слой, который значительно снижает проницаемость (G < 5 дм3/(м2ч)). Причем, чем выше производительность мембраны, тем больше должно быть значение u для преодоления
процесса гелеобразования. Для мембран КУФЭ и TAMI это значение и > 1,0 м/с. Для мембран УПМ это значение и > 0,5 м/с.
Зависимость G(u) показывает (рис. 2), что проницаемость у большинства органических мембран становится постоянной при скорости течения молока над мембраной и > 2,5 м/с. Для неорганических мембран увеличение проницаемости наблюдается и при и > 2,5 м/с, но зависимость становится заметноположе. Такие гидродинамические условия соответствуют числам Рейнольдса при течении в трубчатом канале Re > 4400, при течении в плоском канале Re > 5050. Для исключения значительного влияния концентрационной поляризации на процесс диафильтрации мы рекомендуем поддерживать скорость течения молока над мембраной и=3,0 м/с.
Рисунок 2 Зависимость проницаемости мембран от скорости течения молока над мембраной
Исследование влияния рабочего давления на характеристики мембран осуществлялись в диапазоне 0,15 - 0,5 МПа (рис. 3 и 4). Выше значение проницаемости наблюдались у неорганических мембран на основе керамики. Такой результат можно объяснить жесткой структурой неорганических мембран, не зависящей от влияния рабочего давления. У органических мембран можно отметить тенденцию к росту, а затем к выравниванию и даже небольшому снижению проницаемости с увеличением рабочего давления. Они более чувствительны к влиянию давления.
ф 70 ^ 60 £ 50 О 40 30 20 10 0
ТАМ1 15 кЭ ТАМ1 50 кЭ УПМ-20 УПМ-50М КУФЭ (0,01) КУФЭ (0,02)
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Р(МПа)
Рисунок 3 Зависимость проницаемости мембран от давления
Как показала зависимость ф(Р), селективность мембран имеет свойство изменять свои значения при изменении рабочего давления (рис. 4). Наиболее заметны эти изменения в области Р=0,25-0,4 МПа. Максимальную селективность среди органических мембран имеет мембрана УПМ-50М (ф=0,99). Селективность всех исследуемых органических мембран чувствительна к изменению рабочего давления.
Максимальную селективность среди неорганических мембран имеет мембрана КУФЭ (0,01) (ф=0,987). Селективность всех неорганических мембран не так чувствительна к изменению рабочего давления, по сравнению с органическими мембранами.
Рисунок 4 Зависимость селективности мембран по белкам от давления
Свойство мембран принимать разные значения селективности с изменением давления, связана, на наш взгляд, с диффузией белков через мембрану при малых значениях рабочего давления Р и менее жесткой структурой органических мембран при высоких значениях Р.
Анализ зависимостей в(Р) и ф(Р) (рис. 3 и 4) показал, что для процесса диафильтрации молока рабочее давление необходимо поддерживать в диапазоне 0,3-0,35 МПа.
Исследование влияния температуры на характеристики мембран осуществлялись в диапазоне 1 = 35-75 0С. Проницаемость мембран повышается с увеличением температуры (рис. 5). Увеличение температуры приводит к снижению вязкости молока и повышению производительности мембран. С(дм3/м2ч)
60 50
О
40 30 20 10
И-1-1-1-1-1-1
35 40 45 50 55 60 65
ТАМ1 50 кЭ ТАМ1 50 кЭ2 ТАМ1 50 кЭ3 ТАМ1 50 кЭ4 КУФЭ (0,01) КУФЭ (0,01)2 КУФЭ (0,01)3 КУФЭ (0,01)4
0
Рисунок 5 Зависимость проницаемости мембран от температуры
Для изучения влияния температуры на характеристики мембран были использованы образцы молока с разной концентрацией (от 8,5 до 20 % СВ), что соответствует исходной концентрации молока и концентрированного молока при диафильтрации. Это было сделано с целью анализа процесса диафильтрации в течение всего производственного цикла.
Как показали эксперименты (рис. 5), зависимость G(t) имеет тенденцию к росту G при увеличении температуры, однако этот рост происходит в определенном диапазоне температур. Температурный интервал мало зависит от типа мембраны, большее влияние оказывает концентрация исследуемого молока. Чем выше концентрация, тем больше интервал температуры, в котором происходит увеличение проницаемости (35-50°С для С=8,5 % СВ и 35-60°С для С=20 % СВ). Дальнейший рост температуры не приводит к заметному увеличению проницаемости мембран. Характер зависимости G(t) можно объяснить, по-видимому, следующими взаимосвязанными явлениями, протекающими в надмембранном и внутри мембранном пространствах, влияющими на проницаемость мембран. За счет повышения температуры снижается вязкость молока. Это приводит к увеличению коэффициента диффузии высокомолекулярных веществ (белков) в надмембранном слое, приближению концентрации к объемной и к уменьшению влияния концентрационной поляризации на процесс, и, как следствие, повышению проницаемости мембран. На графике (рис. 5) это хорошо видно на участках в интервале температур 35-45°С. Повышение температуры выше 45°С приводит к заметному снижению темпа роста проницаемости мембран. Причиной тому является такое значение скорости потока пермеата во внутри мембранном пространстве, при котором этот поток начинает преобладать над скоростью диффузии молекул белка в надмембранном пространстве. Это приводит к увеличению влияния концентрационной поляризации, уменьшению темпа роста проницаемости мембран с повышением температуры. Повышение температуры выше 50-55°С не приводит к заметному увеличению проницаемости мембран, при температуре выше 55°С проницаемость становится практически постоянной.
Влияние температуры на селективность мембран показано на рис. 6. В интервале температуры 35-53°С селективность остается постоянной и имеет высокое значение (0,989 для органической мембраны и 0,985 для неорганической мембраны). Дальнейшее повышение температуры сопровождается снижением селективности. Особенно заметно это снижение при увеличении температуры молока выше 57°С. Селективность органической мембраны снижается на 2,5%, а неорганической на 4,5% при достижении температуры 75°С. Существенное влияние на зависимость ф(1) оказывает концентрация белковой фазы в молоке. Так, при концентрации молока С = 20%СВ, селективность органической мембраны снижается на 4,0%, а неорганической на 9,0% при достижении температуры 75°С. На наш взгляд, этот эффект можно объяснить деформацией молекул с большой массой и их проникновением в поры мембраны.
1
0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9
35 40 45 50 55 60 65 70 75
КУФЭ (0,01) КУФЭ (0,01)2 КУФЭ (0,01)3 КУФЭ (0,01)4 TAMI 50 kD TAMI 50 kD2 TAMI 50 kD3 TAMI 50 kD4
Рисунок 6 Зависимость селективности мембран от температуры
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
В представленной работе проведены лабораторные исследования по следующим направлениям: выбраны предпочтительные мембраны; проанализированы закономерности процесса диафильтрации в зависимости от температуры и давления рабочей среды. Результаты исследований позволили определить предпочтительные технологические параметры процесса диафильтрации молока. Скорость потока молока над мембраной u > 3,0 м/с; рабочее давление Р =
0.35.МПа; температура процесса t = 53 - 55 оС, предпочтительные мембраны КУФЭ (0,01) и TAMI -50 kD. Полученные результаты являются основой для разработки технологии производства безлактозного молока методом диафильтрации.
Библиографический список
1. Горбатова К.К. Химия и физика молока и молочных продуктов. - СПб.: ГИОРД, 2012.
2. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности молока и молочной продукции» (ТР ТС 033/2013), 2013.
3. Минин П.С. Технология производства безлактозного молока с применением баромембранных процессов. В сборнике: Молодые исследователи - развитию молочнохозяйственной отрасли
Сборник научных трудов по результатам работы II всероссийской с международным участием научно-практической конференции. 2018. С. 161-164.
4. Тимкин В.А., Минин П.С. Технология производства безлактозного молока методом диафильтрации - Молочная промышленность. 2018. № 12. С. 58-59.
5. Тимкин В.А. Баромембранные процессы в молочной промышленности - Аграрный вестник Урала. 2017. № 6 (160). С. 10.
6. Минин П.С., Тимкин В.А. Технология производства безлактозного молокас применением баромембранных процессов - Переработка молока. 2019. № 12 (242). С. 52-53.
7. Timkin V.A., Gorbunova Y.A. SEQUENTIAL MICRO- AND ULTRAFILTRATION IN THE PROCESS OF PRODUCTION OF COTTAGE CHEESE - Petroleum Chemistry. 2017. Т. 57. № 9. С. 796803.
8. Galianoa F. et al. Advances in biopolymer-based membrane preparation and applications // J. Membr. Sci. 564 (2018) 562-586.
9. Park K. et al. Feasibility study of a forward osmosis/crystallization/reverse osmosis hybrid process with high-temperature operation: Modeling, experiments, and energy consumption // J. Membr. Sci. 549 (2018) 366-376.
10. Sung-Ju Im et al. Feasibility evaluation of element scale forward osmosis for direct connection with reverse osmosis // J. Membr. Sci. 546 (2018) 364-374.
11. Kim J. et al. Osmotically enhanced dewatering-reverse osmosis (OED-RO) hybrid system: Implications for shale gas produced water treatment // J. Membr. Sci. 554 (2018) 282-290.
12. Saren Qia et al. Polymersomes-based high-performance reverse osmosis membrane for desalination // J. Membr. Sci. 555 (2018) 177-184.
13. V.A.Timkin, V.A.Lazarev Determination of the Osmotik Pressure of Multikomponent Solutions in the Food Industri // Petroleum Chemistry Vol. 55 № 4 2015 pp. 301-307.
References
1. Gorbatova K.K. Chemistry and Physics of Milk and Dairy Products. - SPb .: GIORD, 2012.
2. Technical regulations of the Customs Union "On the safety of milk and dairy products" (TR CU 033/2013), 2013.
3. Minin P.S. Technology for the production of lactose-free milk using baromembrane processes. In the collection: Young researchers - to the development of the dairy industry Collection of scientific papers on the results of the II All-Russian scientific and practical conference with international participation. 2018.S. 161-164.
4. Timkin V.A., Minin P.S. Technology of production of lactose-free milk by diafiltration method - Dairy industry. 2018.No. 12.P. 58-59.
5. Timkin V.A. Baromembrane processes in the dairy industry - Agrarian Bulletin of the Urals. 2017. No. 6 (160). P. 10.
6. Minin P.S., Timkin V.A. Technology for the production of lactose-free milk with the use of baromembrane processes - Milk processing. 2019. No. 12 (242). S. 52-53.
7. Timkin V.A., Gorbunova Y.A. SEQUENTIAL MICRO- AND ULTRAFILTRATION IN THE PROCESS OF PRODUCTION OF COTTAGE CHEESE - Petroleum Chemistry. 2017.Vol. 57.No. 9.P. 796-803.
8. Galianoa F. et al. Advances in biopolymer-based membrane preparation and applications // J. Membr. Sci. 564 (2018) 562-586.
9. Park K. et al. Feasibility study of a forward osmosis / crystallization / reverse osmosis hybrid process with high-temperature operation: Modeling, experiments, and energy consumption // J. Membr. Sci. 549 (2018) 366-376.
10. Sung-Ju Im et al. Feasibility evaluation of element scale forward osmosis for direct connection with reverse osmosis // J. Membr. Sci. 546 (2018) 364-374.
11. Kim J. et al. Osmotically enhanced dewatering-reverse osmosis (OED-RO) hybrid system: Implications for shale gas produced water treatment // J. Membr. Sci. 554 (2018) 282-290.
12. Saren Qia et al. Polymersomes-based high-performance reverse osmosis membrane for desalination // J. Membr. Sci. 555 (2018) 177-184.
13. V.A. Timkin, V.A. Lazarev Determination of the Osmotik Pressure of Multikomponent Solutions in the Food Industri // Petroleum Chemistry Vol. 55 No. 4 2015 pp. 301-307.
