CC BY
99
го
а-
46
48
)(і
{■
іп
51
53
54
, 55 . 59
. 62 .66-80
637.133:532.71
ОБРАТНЫЙ ОСМОС. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
в. и. ДОЛНИКОВСКИЙ, к. К. ПОЛЯНСКИЙ
Воронежский технологический институт
В последние годы с целью концентрирования молочного сырья все большее распространение находит обратный осмос (00). Отличаясь коренным образом от таких процессов, как фильтрование, экстракция, он не требует применения кислотных и основных реагентов, протекает без изменения фазового состояния разделяемых веществ и малом энергопотреблении (табл. 1) [1, 2, 3, 4].
Таблица 1
Процесс Потребление энергии, кВт'ч/ 1000 кг Н20
Выпаривание 626
Вымораживание 92
Теоретический минимум при опреснении морской воды 0,8
Опреснение обратным осмосом Опреснение обратным осмосом 4,0
Концентрирование молока обратным осмосом
9-19
Первые установки обратного осмоса для молочной промышленности были изготовлены фирмами ЭСБ (Дания), АЬсог и РС1 (США). ГЮЭ и РС1 являются ведущими фирмами по производству обратноосмотических аппаратов. В 1977 г. в Западной Европе эксплуатировалось 13 установок, изготовленных ими, общей производительностью 70 м3/ч с поверхностью мембран 3100 м2 [5, 6]. К началу 1984 г. поверхность фильтрации действующих в мире аппаратов возросла более чем в 10 раз, составила 46 000 м2 [7] и по оценке [8] удвоится к 1990 г. Почти 80% установленных мощностей используется для концентрирования сыворотки, треть из которых для ультрафильтр ационных пермеатов.
С 1975 г. фирма РС1 использует обратный осмос для концентрирования подсырной сыворотки [9]. Готовый продукт с массовой долей сухих веществ 24% представляет собой нативные белки высокого качества. В настоящее время фирма эксплуатирует 100 установок обратного осмоса. В числе основных их преимуществ отмечает относительно небольшие размеры и затраты на монтаж. Использование обратноосмотических установок позволило увеличить производительность имеющихся вакуум-выпарных аппаратов, снизить затраты на концентрирование и транспортные расходы. С целью предупреждения осаждения фосфата кальция фирма разработала метод, предусматривающий снижение pH до уровня 5,7—6,0 углекислым газом. Расход С,02 составляет 600—1000 мг/л. Последующее удаление проходит медленно, но это дает свои преимущества. так как обеспечивается микробиологическая стабильность продукта.
В перспективе концентрирование будет проводиться без применения С02 с использованием разработанных фирмой неацетатцеллю-лозных мембран ZF 99. Эти мембраны работают при более высоких давлениях, что позволяет снизить рабочую температуру до 10— 15°С.
На рис. 1 представлена схема промышленной четырехступенчатой установки обратного осмоса для концентрирования сыворотки и пермеатов молочного сырья с 6 до 20% массовой доли сухих веществ. В первой ступени поддерживаются постоянными давление и температура на уровне 3,0 МПа и 25°С, в четвертой соответственно 3,8 МПа и 33°С. За время 20-часового цикла концентрирования при неизменной температуре рабочее давление повышается от первой до четвертой ступени соответственно до 3,4 и 4, 3 МПа.
Промышленная установка обратного осмоса фирмы «Пасилак»: 1 — насос высокого
давления; 2 — рециркуляционные насосы; 3 — охладитель; 4 — подача исходной сыворотки; 5 — предварительный фильтр; 6 — исполнительный механизм выпуска концентрата; 7 — рефрактомер проточный; 8 —■ выход концентрата; 9 — выход пермеата.
Такого типа обратноосмотическая установка работает на молочном заводе в г. Зденка (Югославия). Молочная сыворотка от производства сыра «Чеддер» последовательно обрабатывается на установках ультрафильтрации и обратного осмоса. Состав исходного продукта и продуктов разделения представлен в табл. 2.
Таблица 2 Данные [12] противоречивы в том смысле,
Показатели Состав продукта, %
пермеат- УФ концент- рат-00 пермеат- 00
Белок 0,08 0,20 0,00
Небелковый азот 0,18 0,70 0,01
Лактоза 4,46 17,53 0,02
Пыль казеиновая 0,45 1.68 0,04
/Кир 0.00 0,00 0,00
Сухие вещества 5,06 20,03 0,07
Белок/СВ 4,15 4,09 4/29
Переработано за
20 ч работы, к 160800 40200 120600
Техническая характеристика обратноосмотической установки:
Количество модулей БОБ 30—19 17
Поверхность мембран СА 990, м2 323
Удельная производительность, л/(м-ч) 18,67
Рабочая температура, °С 30
Время непрерывной работы, ч 20,5
Время мойки мембран, ч 3,5
Потребление в сутки:
электроэнергия, кВт• ч 710
пар (мойка), кДж 50
охлаждение, ккал МДж 2013
вода для мойки, м3 10
Моющие и Дезинфицирующие вещества:
ультрасил-50, кг 7,4
лимонная кислота (0,75%, кг 5,5
РЗ-РХОША (0,3%), кг 2,2
Работая сила, ч 2,5
Анализ литературных данных показывает серьезное отставание Советского Союза от ■зарубежных стран по реализации научно-технических разработок .этого перспективного метода в молочной промышленности. В публикациях, относящихся к этой теме, дается противоречивая информация об оптимальных условиях проведения процесса [10, 11, 12, 13]. Это можно объяснить несовершенной экспериментальной базой научных исследований, использованием лабораторных установок малого размера, не позволяющих с достоверной точностью перенести опытные данные на аппарат промышленного масштаба. Так, В. Б. Тишин ¡13] делает вывод,, что скорость жидкости в мембранном канале не оказывает влияния на проницаемость мембран. Выводы ошибочны и вызваны тем, что экспериментальная установка имела слишком короткий мембранный канал (250 мм) для проведения подобного рода экспериментов. Входные и выходные эффекты в такой установке имеют ту же значимость, что и исследуемый фактор.
Приближенные данные о закономерностях концентрирования молочной сыворотки обратным осмосом дает работа [11]. Авторы утверждают, что проницаемость мембран МГА-100 пои достижении Массовой доли лактозы в концентрате 18% снижается в 1,5 раза. В действительности снижение проницаемости происходит интенсивнее вследствие возрастания осмотического давления концентрированной сыворотки до 3,0—3,5 МПа [14].
что производительность установки показана при 30°С — 3,6 л/ч, а при 27°С — 4,5 л/ч. Исследование влияния температуры на процесс авторами проводилось без термостати-рования системы, что послужило причиной недостоверных результатов.
Таким образом, углубляя общие представления о характере изменений основных параметров обратного осмоса, эти экспериментальные данные не могут служить основой для расчета промышленных установок.
С целью определения эффективности применения отечественных аппаратов обратного осмоса с рулонными обратноосмотическими элементами для концентрирования пермеатов молочной сыворотки, модернизации установки, а также эксплуатационных и экономических показателей процесса, отработки оптимальных режимов были проведены научные исследования и опытно-промышленные выработки концентрата сывороточного лактозного в периодическом и непрерывном режимах ¡15, 16]. Испытания проведены в производственных условиях Воронежского гормолзавода № 2 и Владимирского молочного комбината [18] с использованием ультрафильтрационной установки А1-ОУП и промышленного аппарата обратного осмоса 11ЧЖМ-2-007, Технические характеристики которого и прямое назначение описаны в работе [17].
Приводится метод расчета непрерывного процесса концентрирования пермеата сыворотки обратным осмосом и его аппаратурное оформление.
Обработкой экспериментальных данных по обраткоосмотичёскому концентрированию методом теории подобия получено критериальное уравнение, описывающее массообмен на мембранах в аппаратах непрерывного действия, отличающиеся от известных тем, что в кем числом Эйлера учтено влияние осмотического давления на процесс. Предложен метод расчета аппарата обратного осмоса на ЭВМ, позволяющий более точно рассчитать функцию убывания площади мембран но длине кана л а, производительность, оптимальную
схему соединения модулей в установке. Аппарат обратного осмоса предлагается использовать в комплекте с ультрафильтрационной установкой А1-ОУС для выработки молочного сахара и сухого лактозомни ерального концентрата [19].
Аппараты обратного осмоса данного типа в сочетании с ультрафильтр ационной и элек-тродиализной установкой используются при выработке опытно-промышленных партий глюкйзогалактозного сиропа на Владимирском молочном комбинате по разработанной НПО «Углич» нормативно-технической документации.
Постановлением Совета Министров СССР от 24.03.85 № 248 «О мерах по широкому внедрению мембранных процессов в отраслях АПК, медицинской промышленности и других отраслях народного хозяйства» преду-
смотрен ческих I сырья в концент молочне Техни осмопн. ВНИЭЬ сравнит установ молочні новку : на Угл роделы сырной
Произво,
удаляе
Потребл:
ГИЯ, КІ
Г абарит! Хвысс
Стоимос Кшгачей одну 5 Стоимос-Время на прс Срок с кап. р Расход Расход Расход Время С
Сам: варите воротк раза с ку не : Новлег паемос рассто окупа?
,5л 2
Щ0ІЗ-
ыысле, казана ,5 л/ч. а про-зстати-ачиной
гдстав-
ювных
;спери-
сновой
и приютного ескими меатов :танов-
ІЧЄСКИХ
ималь-иссле-аботки ( в пе-¡5, 16]. зенных № 2 и [18] с : уста-парата гческие азначе-
ывного . сыво-ітурное
зых по ию медальное 1 мем-ВЕЯ, ОТІМ чис-І6СКОГО )Д рас-ЭВМ, функ-длине альную се. Ап-ісполь-ПОИНОЙ (ОЧНОГО 'О КОН-
типа в [ элек-гя при партий димир-ианной і доку-
СССР рокому граслях И дру-преду-
смотрено создание и освоение обратноосмотических установок производительностью ЬООО л сырья в час с мембранами на подложке для концентрирования обезжиренного молока,
молочной сыворотки и лактозного раствора.
Технико-экономические показатели обратноосмотической установки АІ-ООБ конструкции ВНИЭКИпродмаш приведены на основе сравнительного анализа с вакуум-выпарной установкой марки А2-ОВВ-4 при обработке молочной сыворотки (табл. 3). Первую установку АІ-ООБ планируется эксплуатировать на Угличском опытно-экспериментальном сыродельном заводе для концентрирования под-сырной сыворотки.
Т а б л иц а 3
Показатели Базовый Проекти-
вариант руемый
А2-ОВВ-4 ваоиант
А1-00Б
Производительность по 5000
удаляемой влаге, кг/ч 4000
Потребляемая электроэнер- 128
гия, кВт-ч 17
Габариты (длинаХширинаХ 6,82Х4,78Х 12Х6Х
Хвысота), м Х6,46 Х4.5+11Х Х6Х4.5 + + 10X6X4,5
Стоимость, руб. 196794 198500
Количество мембран на 500
одну установку, м2 —
Стоимость мембран, руб./м2 — 20
Время непрерывной работы 10
на продукте, ч —
Срок службы до первого 5
кап. ремонта, лет 5
Расход пара, кг/ч 1000 730
Расход воды, м3/ч 37 2
Расход холода, кВт-ч — 59
Время безразборной мойки, ч 3 3
Сама по себе информация о том, что предварительное концентрирование молока и сыворотки обратным осмосом позволяет в 1,5—2 раза сократить расходы на их транспортировку не является новой. Вместе с тем [20] установлена конкретная зависимость сроков окупаемости обратноосмотической установки от расстояния транспортировки (рис. 2). Сроки окупаемости быстро уменьшаются с ростом
Рис. 2.
дистанции транспортировки и минимальны при 400—500 км.
Анализируя данные Международной молочной федерации о структуре размещения молочной промышленности в некоторых странах [21] (табл. 4), можно сделать вывод, что наибольший эффект такой метод доставки сырья будет иметь в Австралии. Ежегодно здесь перевозится 5,5—6,4 млн. т молока автотранспортом на расстояние 350—750 км. На эти цели затрачивается 48—100 млн. долларов. Не случайно именно в этой стране ведутся интенсивные исследования по этому направлению [22].
Таблица 4
Страна Общее производство молока, тыс. т н Я 03 X На молочную ферму, 1 На молочную установку обратного осмоса, тыс. т. На молочное предприятие, тыс. т
Австрия 2230 27 17 9,5 11,0
ФРГ 22050 89 43 28,3 35,3
Нидерланды 11790 319 176,8 64,8 193,3
Великобритания 15670 64 272 21,5 26,3
Дания 4917 114 129 15,4 21,8
Норвегия 1780 5,5 45 9,9 13,2
Швеция 3338 7,4 76 33,7 123,6
Финляндия 2908 8,6 28 17,2 18,1
Австралия 5574 0,7 273 30,1 41,9
На базе персональных компьютеров ІВМ
проведен системный анализ вариантов использования обратного осмоса для снижения транспортных затрат. Входящие в модель
капитальные затраты включают стоимость обратноосмотической установки, ее монтажа, молочного сырья, концентрата, химических реактивов тепловой обработки и т. д.
Производственные затраты, вошедшие в модель, учитывают замену мембран, гарантийный ремонт, затраты на кислотную и щелочную мойку мембран и их дезинфекцию, а также потребление электроэнергии, пара, затраты на охлаждение, расход воды.
На основании расчетов определены транспортные затраты на литр молока и общая экономия от применения обратного осмоса. Предварительная экономическая оценка транспортировки молока после концентрирования обратным осмосом характеризуется следующими данными:
объем переработки молока в год, т —■ 20000 производительность установки, л/ч —- 5000 количество рабочих дней в году — 350
транспортные расходы, ц/л —■ 2,0
экономия транспортных затрат с применением обратного осмоса, % — 50
Соотношение производственных затрат на обратноосмотическую установку представлено на рис. 3.
Таким образом, эффективность транспортировки молока с предварительным концентрированием обратным осмосом в первую оче-
редь определяют структура размещения молочных ферм в регионе, объемы переработки молока, расстояние транспортировки, а также общие капитальные затраты на обратноосмотическую установку. Экономическая эффективность зависит от производительности установки, кроме того, на нее оказывают влияние сроки службы мембран и их стоимость, трудовые затраты, стоимость электроэнергии.
Фирмой «Пасилак» (Дания) периодически публикуются данные, иллюстрирующие экономические преимущества применения обратного осмоса для концентрирования. Однако сравнений с современными вакуум-выпарными аппаратами с падающей пленкой не проводилось.
Таблица 5
Статьи затрат Обратный осмос 6—12% 5-корпусной ВВА 12—53,3% 7-коопусной ВВА 6—53,3% 2-корпусной ВВА 6-53,3%
Капитальные вложения 1500000 1600000 2200000 2700000
Амортизация (8 лет) 187000 200000 275000 337500
Проценты 67500 72000 99000 121500
Эксплуатация 15000 16000 22000 27000
Зарплата 30000 30000 30000 30000
Мембраны 90000 — — —
Итого за год 390000 318000 42СОСО 516000
Пар — 1330 2343 4S9
Электроэнергия 280 277 370 2310
Мойка 160 71 83 87
Текущие ежедневные затраты 2000 2950 4500 4930
Текущие затраты на 1 т удаляемой влаги 5 9,52 6,34 6,94
В табл. 5 представлены результаты эксне-р и м ентальных и сс л е до ван и й НИИ молочной промышленности Дании о влиянии на производственные затраты различных комбинаций применения обратноосмотических и вакуум-выпарных установок [201.
Концентрирование сыворотки проводилось по следующим вариантам:
1. На установке обратного осмоса с б до 12% и до 53,3% ка пятикорпусном закуум-выпарном аппарате с падающей пленкой.
2. Концентрирование с 6 до 53,3% на семикорпусном вакуум-выпарном аппарате с падающей пленкой.
3. Концентрирование с б до 53,3% на ва-куум-выпарном аппарате циркуляционного типа с механической компрессией пара.
Для расчетов использованы такие данные: Стоимость пара, гульд./т 30
электроэнергии, гульд./кВт 0,14
Потребление пара 5-корпусным ВВа, т/ч 0,13 7-корпусным ВВА, т/ч 0,10
2-корпусным ВВА с механической компрессией пара, т/ч 0,71
Потр е б л я е м а я мощность обратный осмос, кВт-ч 5
5-корпусной ВВА, кВт-ч 90
7-корпусной ВВА, кВт-ч 120
циркуляционный с механической компрессией пара, кВт-ч 750
Из данных табл. 5 видно, что аппарат обратного осмоса имеет самые низкие капитальные вложения и затраты на тонну удаляемой влаги. Потребление энергии, затраты и эффективность использования энергии для разных способов концентрирования показаны в табл. 6. Среди выпарных аппаратов текущие затраты на удаление влаги — наименьшие у 7-корпусного аппарата, однако при продол-ж''тгль?;ой эксплуатации 5-корпусной аппарат уменьшает эти преимущества, так как требует меньших ежедневных затрат. Наименьшие затраты на удаление 1 т воды достигаются комбинированным применением обрат-ноосмотического и 5-корпусного вакуум-вы-пзрного аппаратов. Текущие ежедневные затрать? и на 1 т удаляемой влаги соответственно равны 4,950 и 6,97 гульден.
Обр; гноосмотические концентраты цельного, обезжиренного молока и сыворотки все шире применяются для выработки цельномолочной продукции, молочных консервов, масла, молочного сахара [23, 24, 25]. В полупромышленном масштабе на Воронежском гсрмолзаводе № 2 апробирована технология молочного сахара из сыворотки термохлор-
Обра: 5-корі ООН-5 7-кор! 2-кор
калыщ ного ос В пн лия) п ной ус икгаро цельно! мембрг на осн рабочи 2,5-8,! вами IV мембрг темпер ставил, однако
ЛОГИЧЄ
дукта териал шей в уменьц ЭТОГО '
увелич рабочи нирова фекцш требуе сочета лает и
ПрОИЗБ
Пос. разрез активи а зонь требов центри ноосмс модул! станда Подоб испытг логии нежсю Мел 55°С і приме: ства. 1 довані лении водите 3 ч он та до ЛЮ лоз
ІЛ МО-аботки а так-ратно-ІЯ эф-ьности ывают стои-іектро-
ически
эконо-
обрат-
Зднако
.рными
прово-
и ц а 5
і
,3%
рат об-питаль-дяемой j и эф-пя раз-заны в 'екущие ыпие у продол-шпарат ак тре-аимень-(остига-обрат-уум-вы-ные за-втветст-
[ цель-тки все цельяо-гсервов, В полу-ржском нологня мохлор-
Таблица 6
Способ концентрирования £=* • С~. — 5 в £ Эс §-£. V—. С S3 Н С= ё 1 ё. ~ -с -^ с Электроэнергии в час Стоим. энергии, гульдеи/т н сс V Электро- энергия, МДж/т ■ н GJ *§ ^ OS В целом, МДж/т
Обратный осмос 20.0 5,0 0,70 18,0 18,0 51,4
5-корпусной ВВА 15.5 130,0 5,8 4,71 361,4 20,9 382,3 541,6
00 + 5-корпусной ВВА 35,5 56.8 5,3 2,45 157.9 19,, 1 177,0 265,1
7-корпусной ВВА 35,5 100.0 3,4 3,48 278,0 12,2 290,2 405,5
2-корпусной ВВА 35,5 20,0 21,1 3,55 55,6 78,0 131,6 291,3
кальциевого осаждения с применении оорат-ного осмоса и электродиализа [23].
В институте молочной технологии (Австралия) проведены испытания полупромышленной установки обратного осмоса компании Ultrapore Pty Ltd производительностью 400 л цельного молока в час 124] с поверхностью мембран 14 м2 в виде спиральных элементов на основе ацетата целлюлозы. Предельные рабочие значения температуры — 30°С и pH 2,5—8,5 лимитировались химическими свойствами мембран. Удельная производительность мембран при степени концентрирования 2, температуре 30°С и давления 4000 кПа составила 16 дм3/(м2-ч). В результате опытов, однако, получен продукт с плохим микробиологическим качеством. Первые порции продукта выходят из установки с высокой бактериальной обсемененностью, прогрессирующей в ходе опыта, что в конечном итоге уменьшает поток пермеата в 2—3 раза. Для этого типа мембран характерно экстенсивное увеличение микрофлоры в установке между рабочими циклами. Исследование по комбинированию способов мойки мембран и дезинфекции не решили эту проблему. Установка требует продолжительного цикла мойки в сочетании с ручной очисткой секции, что делает процесс неэффективным с точки зрения производственных затрат.
После испытаний спиральный модуль был разрезан с целью осмотра. Установлено, что активная поверхность мембран вполне чистая, а зоны выпуска концентрата не отвечают требованиям по чистоте. Таким образом, концентрирование белковых растворов на обратноосмотических аппаратах со спиральным модулем не позволяет получить продукт стандартного микробиологического качества. Подобные выводы сделаны но результатам испытаний, проведенных на кафедре технологии молока и молочных продуктов Воронежского технологического института [26].
Мембраны второго поколения работают при 55°С и pH в диапазоне 1 —12, что позволяет применять простые и дешевые моющие средства. С этими мембранами проведены исследования по 84-часовой программе. При давлении 4 мПа. первые 45 мин удельная производительность составина 10 л/м2-ч), через 3 ч она снизилась до 8, а в конце эксперимента до 3 л/(м2-ч). В сравнении с ацетатцел-люлозными мембранами последние более се-
лективны по отношению к ионам натрия, калия и небелкового азота (табл. 7). Микробиологические показатели продукта улучшаются, если регенерацию мембран проводить 0,1%-ным раствором сульфата натрия при pH 4,0 с добавлением лимонной кислоты. Таким образом, оба варианта мембран не дают приемлемой с точки зрения промышленного использования производительности установки и микробиологического качества продукта.
ГГ а б л и ц а 7
Компонент
CJ н
о
о
Лактоза 0,995—0,998 0,994—0,995 0,999
Белок 1.000 1,000 1,000
Небелковый азот 0.59—0,66 0.68—0,71 0,69—0,72
Натрий 0,87—0,93 0,97 0,98
Калий 0,91—0,94 0,98 0,99
Кальций 0,99—1,00 1,00 О О
Магний 0,993—0,999 1.00 1,00
Последняя серия экспериментов проведена с трубчатыми мембранами второго поколения 7Л7 99. Испытания проведены на цельном молоке 80 ч и в режиме мойки 60 ч при давлении 2,7 МПа. Первые 45 мин удельная производительность составила 18—20 л/(м2-ч), через 3 ч она снижалась до 15 л/(м2-ч) и стабилизировалась на уровне 10—12 л/(м2-ч) в течение последующих 20 ч. Микробиологические показатели продукта лучше, чем в предыдущих опытах (табл. 8).
Диксоном [27] проведены экспериментальные исследования качества молочных продуктов, приготовленных из молока, концентрированного обратным осмосом. Целью исследований становилось разделение молока на сливки и обезжиренное молоко с последующим концентрированием на установке обратного осмоса с мембранами второго поколения. Полученные концентраты в дальнейшем смешивали с водой в требуемом соотношении ¡24].
В качестве ароматизаторов использовали шоколад, ваниль и карамель. Пастеризованные
ИЗВЕСТ1
Таблица 8
Содержание
Проба Мембраны «Ультрапор» Мемб- раны PCI
общее коли- титр психо- троф- иые общее
Непастеризованное
молоко
исходное 8 — — 8
первые порции
концентрата 1100000 — — 36000
обратноосмотический концентрат 110000 — 5500
гіермеат 300 — — 3
Пастеризованное молоко 26 4 33
исходное 26 4 33 3
моющая вода на
входе 470 нет 0 600
моющая вода на
выходе 450 нет 0 400
обратиооемотичес-
кий концентрат (2:1) 25000 4 0 0
ароматические сиропы добавляли в пастеризованное. гомогенизированное и охлажденное молоко перед упаковкой. Обезжиренное молоко вырабатывали по следующей технологической схеме: сепарирование цельного молока, кон-
центрирование обезжиренного молока обратным осмосом, добавление воды в концентрат для достижения стандартного значения массовой доли сухих веществ. В 106 из ! 11 опытов потребителем не отмечено влияние на органолептические с з о ii с т в а новы; пр оду к т о з и ! х качество обработки молода обратным ссмосом с последующим разбавлением водой. Данные табл. 9 показывают, что действие обратного осмоса на витаминный состав мо-л ока не з н а ■ і ител ы і о.
Т г ^ л и ц а 9
Витамины | j Продукт і |о ° о о! ? 5 Г' - і О •°-о £ о о Перме і і
Вь мг/л ЛІ- їлоко 0,26 0,38 На обна-
ружен
Ві, мг/л Молоко 0,10 0,13 То же
В|, мг/л Обезжирся.
л'ОЛОКО 0,43 0,33 »
В2, мг/л Молоко 0,70 0,80 »
В2, мг/л Молоко 1,13 0,94 »
В_. мг/л Обезжирен.
молоко 2,10 2,10 »
С. мг/100 мл То же І.8 1,8 »
Влияние обратноосмотической обработки молока на качество молочных продуктов исследовано рядом других авторов [28, 29]. Установлено, что технологию обратноосмотического концентрирования молока можно использовать без ухудшения качества вырабатываемых продуктов.
Для получения молока, обогащенного небольшим количеством жира, использовался обратноосмотический концентрат с высоким содержанием СОМО. Содержание жира в концентрате уменьшали сепарированием так, чтобы соотношение ЖИР/СОМО отвечало требованиям, предъявляемым к этому продукту. Затем добавляли воду, чтобы довести содержание сухих веществ до стандарта.
Оценка качества продукта проводилась покупателями в магазинах. Результаты органолептической оценки и сравнения с контрольными образцами, а также другие замечания покупателей учитывались в специальных карточках. Разработанные продукты перед дегустацией выдерживались 7 дней при 5°С. Хранимоспособность обратноосмотического концентрата молока мало чем отличается от других молочных продуктов. В проведенных исследованиях 67% потребителей не отметили ухудшения свойств обратноосмотического концентрата, 1!% —отрицательного мнения о продукте, 22% — нейтральны.
В условиях концентрирования производства можно предположить возрастание производства молочных продуктов из концентратов обратного осмоса. В настоящее время получены данные [25, 27] о том, что концентрирование молока обратным осмосом влияет на общие аспекты производства масла: мощность сепаратора, рабочие характеристики маслоизготовителя, массовую долю белкозых веществ в масле и выход готовой продукции. Сравнительные данные о потерях жира в обезжиренное молоко при сепарировании цельного молока и обратноосмотического концентрата в обоих случаях не превышают 0,1%. При сбивании сливок, полученных из молока, концентрированного обратным осмосом на мас-лоизготовнгеле непрерывного действия, з 80% выработок возникали проблемы, связанные с тем, что зерно обезвоживается быстрее, но потери жира в пахту выше в сравнении с контрольными (табл. 10}.
Т а б л и ц а 10
Показателя & к о і К 1 і 1 о О,. g w к О Контр. 1 ... в я Й о
Массовая доля жира в сливках, % 40 40,5 37 38 34 36
Пахта массовая доля жира 0,9 2.2 1,3 3.3 1,1 1,75
массовая доля сухих веществ — ... 9,4 18,3 9,9 18,10
Потери при сбивании, % 1,2 2.8 2,2 4,7 1,9 Ю ОО
Сухой молочный остаток масла, % 1.4 2,8 1,3 2.8 1,5 2.6
В другом случае 30] сбивание сливок с
высоким СОМО, полученных концентрированием вакуум-выпарива'нием, позволяет получить стандартное масло без повышения потерь жира в пахту. Высокие потери жира при
сбиваш
центри]
объясш уменьш логи чес вуют I значит«
ПИТЬ ВІ трате і Теор' зультаї вует п регули Сухо лось и. ми: по вали с сепари ко вна ное м< мосом Пол; жирен качест Йог; ратног от тра ная в (табл.
Контро
моло
СОМ
Обмжі
КОНЦІ
14%
осмо
Обезжі
КОНЦІ
СВ (
ПОСЛІ
ниєм
Оче турио центр мышл| вания иссле, обрат леннь: работ ных 5 следо: мета с[ конце
В
осмос
троль!
тимол
или
в пре
честві
юго не-.зовался зысоким жира в іем так, ітвечало му иро-довести арта. ¡одилась аты ор-і с кон-гіс заме-іециаль-родукты 7 дней ¡юсмоти-
!М ОТЛИ-
ктов. В обителей ратноос-йцатель-'ральны. зводства роизвод-жтратов і я полу-ентриро-:ияет на а: мощ-гристики ¡елковых Ьдукции. жира в [ров а мин ого кон-ют 0,1 %. молока, [ на мас-ї, з 80% ¡энные с е. но по-
И С КОИ-
и ц а
34 36
1,1 1,75
9.9 18,10
1.9 2.8
1,5 2,6
сливок с прирова-зет полу-ения по-кира при
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 1, 1990 .==------.................... 11
сбивании сливок, полученных из молока, концентрированного обратным осмосом, трудно объяснить. Пока не установлено, можно ли уменьшить потери жира изменением технологических факторов процесса или существуют другие методы. В масле доля белка значительно увеличилась, что можно объяснить высоким содержанием СОМО в концентрате молока, из которого получены сливки.
Теоретические расчеты, подтвержденные результатами опытов, показывают, что существует предел, в интервале которого можно регулировать массовую долю СОМО в масле.
Сухое обезжиренное молоко вырабатывалось из одной партии молока двумя способами: по первому цельное молоко концентрировали обратным осмосом, концентрат затем сепарировали; по второму — цельное молоко вначале сепарировали, а затем обезжиренное молоко концентрировали обратным осмосом.
Полученное разными способами сухое обезжиренное молоко идентично по составу и качеству [27].
Йогурт, выработанный с применением обратного осмоса, не имеет вкусовых отличий от традиционного, вместе с тем относительная вязкость его выше, а синерезис ниже (табл. 11).
Таблипа 11
Обработка ¿г § 11 О с й У о !§ к -- и К
Контроль (обезжиренное
молоко с добавлением
СОМО 38 15
Обезжиренное молоко,
концентрированное до
14% СВ обратным
осмосом 56 11
Обезжиренное молоко,
концентрированное до 23%
СВ обратным осмосом с
последующи м р азбавле-
нием водой 62 9
Очень мало информации о высокотемпературной обработке обратноосмотических концентратов. В этом плане для работников промышленности представляют интерес исследования, проведенные Косаком [31]. Целью этих исследований было изучение стабильности обратноосмотических концентратов, разбавленных при ультравысокотемпёратурной обработке и изменений свойств стерилизованных УВТ продуктов во время хранения. Исследовали также эффект добавления гексаметафосфата натрия к обратноосмотическим концентратам перед УВТ-обработкой.
В разбавленном концентрате обратного осмоса (13%), концентрате 00 (25%) и контрольном молоке (13%) устанавливали пятимолярным раствором гидроксида натрия или соляной кислоты активную кислотность в пределах 6,5—6,8. Изучали влияние на качество обратноосмотических концентратов
температуры хранения в интервале 2—40°С. В пробах с добавлением гексаметафосфата натрия в качестве контрольного использовали концентрат молока (22%), полученный на вакуум-выпарной установке (АРУ, Англия) при 50°С.
Пробы подвергали УВТ-обработке на аппаратах альфа-лаваль, где осуществлялась пастеризация при 75°С с выдержкой 25 с, затем нагрев до 140°С с выдержкой 3 с, охлаждение до 72°С, гомогенизация при 13,5 мПа, охлаждение до 45°С, упаковка при 26°С. Установлено, что наиболее устойчивы обратноосмотические концентраты к УВТ-обработке при pH 6,75—6,80. Изучение изменения вязкости стерилизованного обратноосмотического концентрата (26%) в течение 102 сут при различных температурах в интервале 2—40°С позволили установить, что оптимальным является интервал 10—20°С. Более высокие температуры приводят не только к возрастанию вязкости стерилизованных концентратов, но и к снижению активной кислотности с 6,6 до 6,1, резкому росту протеолиза. Эффективность добавок гексаметафосфата натрия (ГМФН) к концентратам иллюстрируется данными табл. 12. Таким образом, добавка гексаметафосфата натрия неэффективна, так как наряду со снижением вязкости она повышает протеолиз.
Таблица 12
Продукт ^.о о"- |е з Вязкость, МПа-с § п С §
Обратноосмотический нет более 50 51
концентрат (25%) 0.1 6,2 ЬЗ
Концентрат с применением нет 26,1 43
ВВА (22%) 0.1 4,9 50
Эксперименты по применению обратного осмоса для производства сыра показывают, что ухудшаются микробиологические показатели исходного сырья. В результате появляется «химический» вкус в сыре. Эта причина сдерживает производство сыра и требует дополнительных исследований. Разрабатываются методы оценки эффекта разделения концентратов для производства сыра по составу и качеству [32].
ВЫВОДЫ
Обратноосмотические методы концентрирования молочного сырья будут находить все большее применение по мере истощения источников питьевой воды, удорожания топливно-энергетических ресурсов, ужесточения требований к охране окружающей среды.
В настоящее время за рубежом эксплуатируется 150—200 обратноосмотических установок. Наиболее эффективно их использование в сочетании с 5-корпусными вакуум-выпарны-ми аппаратами с падающей пленкой. В Дании, США и Австрии обратный осмос эффективно применяют для предварительного кон-
центрирования обезжиренного и цельного молока перед транспортировкой, сокращая при этом транспортные расходы на 40—50%.
В перспективе ожидается увеличение производства продуктов из обратноосмотических концентратов молока. Анализ литературных данных и собственных экспериментальных исследований позволяет сделать вывод, что научные исследования по обратному осмосу сосредоточены на следующих основных направлениях:
разработка не только новых видов молочных продуктов с высокой питательной и биологической ценностью, ко и совершенствование традиционных технологических процессов, включая комбинирование обратного осмоса с ультрафильтрацией и вакуум-выпариванием, для снижения энергоемкости производства, улучшения использования на пищевые цели сывороточных белков и лактозы, а также уменьшения объемов транспортировки молока;
оценка эффективности производства молочных консервов, цельномолочной продукции на основе обратноосмотических концентратов молока;
разработка мембран третьего поколения из керамических и металлических материалов, определение на их основе оптимальных условий процесса для трубчатых, плоскокамерных и рулонных аппаратов;
исследование причин и разработка способов снижения потерь жира при производстве масла методом непрерывного сбивания из сливок, полученных из обратноосмотических концентратов молока;
практическое внедрение технологических процессов с применением обратного осмоса в нашей стране значительно отстает от теоре-ТИ СКИХ It Г к 1'!., д н ■ >му вопросу.
( ако в соответствии с разработанной целевой программой создания мембранного оборудования его разработка будет проводиться с одновременным созданием мембран и моющих средств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дытнерский 10 И. Баромембрзниые процессы. Теория И расчет. — М : Химия, 1986 — 27и. с.
2. М а г s а ! I S. С. The reverse osmosis process //Ausira!. p. Dairy Techno!.—1985.— 40. — J\9 3. — P. 86—87.
3. Иванова Л. H. Основные тенденции развития мембранной технологии в СССР: Сб. научн. трудов ВНИКИМ/Под рея. Костина Я. И., Ивановой Л. Н„ 1987. — С. 3—8.
4. Я г с д и н Г. А., И в а х н о С. Ю. Извлечение и разделение компонентов водных растворов с использованием жидких мембран //Ж. Всес. хим. о-ва и ! Д. И. Менделеева. — ¡987. — 32. — Л» 6. — С. 657—660.
5. Eriksson G., Halis törn В. Omvänd osmos och industninsr //Kemisk tidsk-rift. — 1978. — 90. — № 10. — P. 90—92.
6. E riKSSO n P. Umkehr osmose für Molkekonzentrierung'. — Inventur und Betriebserfahrungen //Nordeuropeisk Mejeri — Tidsskrift. — 1977. — 43. — N° 7,—S. 238 —245.
7. Использование обезжиренного молока, пахты и сыворотки за рубежом. — М.: ЦНИИТЭИмясомол-пром, 1980. — 27 с.
8. D г i о 1 i E., StratmannH. Membrane-Phenomena and Process.—Wroclaw, 1986. — P. 7.
9. D. P e p p e r. L. H. Pein Concentration of whey by reverse osmosis //Bui. Int. Dairy Federation. — 1987. — № 212.—P. 25.
10. Липатов H. H., Марьин В. A., Фетисов
E. A. Мембранные методы разделения молока и молочных продуктов. — М.: Пищ. пром-сть, 1976. — 168 с.
11. П а в л ® в В. А., Милль Б. E., Бедюх Г. А., Зародин Г. С. Применение метода обратного осмоса и электродиализа при получении молочного сахара из сыворотки хлоркальциевого осаждения /ЦНИИТЭИмясомолпром, 1981. — 33 с.
12. Суворов М. А., Волобуев Г. В., Сафронов А. А., Козлов М. П., Косарев В. А., Д у б я г а В. П. Обратноосмотическое концентрирование лактозы в ультрафильтрате творожной сыворотки //Молочная пром-сть. — 1981. — № 1.— С. 25—27 с.
13. Разработка режимных параметров и теоретических основ применения обратного осмоса для обработки молочного сырья: Отчет о НИР /Научн. рук. Тишин В. Б. ЛТИХП. М., 1982.
14. Д о л н и к о в с к и й В. И., Полански й К. К. Осмотическое давление ультрафильтратов творожной сыворотки //Молочная пром-сть. — 1987. —-№ 8. — С. 30—32.
15. Полянский К- К.. Шаяхметов А. Ш, Дол-кик о в с к и й В. И. и др. Исследование концентрирования творожной сыворотки на установке обратного осмоса //Молочная пром-сть. — 1983. — № 5. — С. 28—30.
16. Шаяхметов А. Ш., Полянский K. К-, Дол-н и к о в с к и й В. И. Разделение и концентрирование компонентов творожной сыворотки обратные Осмосом //Молочная пром-сть. — 1986. — N° 6. —■
26—28.
17. А а а р ob H. H., Мороз В. А., Северин А. В., Шаяхметов А. Ш. Обратноосмотическая установка для очистки воды //Электронная пром-сть. — 1985. — № 2. — С. 56—58.
18. Д о л ни к о в с к и й В. И., Суворов М. А., Шаяхметов A. LIT. О результатах опытно-промышленных выработок сывороточного концентрата из ультрафильтра творожной сыворотки ни установке обратного осмоса //Тез. докл. Всесоюзной научной конференции. — М., 1987, — С. 204—205.
19. Д о л н и к о в ск и й В. Н. Концентрирование пер*
мсйтов молочной сыворотки на аппаратах обрат-нег'1 осмоса рулонного типа’ Дне... канд. техн.
наук, 1988.
20. К : а е г р а а г d G. J., К. а а г е J. О. Concentration and drying of whey and per-
inea íes //Bul. Int. Dairv Federation. —■ 1988. -- № 233. — P. 4—22.
21. Zadow J. G. Reverse osmosis investi-
gation project objectives. //Austral. J. Dairv Techno!, — 1985. — 40. — № 3. — P. 84—85.
22. Cox G. C. Economic evaluation of reverse
osmosis for reduction in milk transport costs //Austral, J. Dairy Technol. — 1.985. —40. — № 3. — P. 113..........117.
23. Павлов В. А. Технология молочного сахара тер-
мохлоркальциевого осаждения: Автореф. дис. ...
канд. техн. наук — М., 1982. — 16 с.
24. Marshall S. С. Reverse osmosis plant operation //Austral. J. Dairv Technol. — 1985. — 40. — N° 3. — P. 88—90.
25. Мурашов В. В., Маслов А. М., Еремин Г. Е. Исследование закономерностей процесса концентрирования обезжиренного молока и пахты методом обратного осмоса //Интенсификация производства сливочного масла /Сб. науч. то. НПО «Углич», 1989. — С. 35—43.
26. П о л я н с к и й К- К., Родионова Н. С. Концентрирование и разделение растворов обезжиренного молока обратным осмосом //Изв. вузов. Пищевая технология. — 1988. № 6. — С. 56—59.
27. Dixon В. D. Dairy products prepared from, reverse osmosis concentrate — market milk products, butter, skim milk powder and yoghurt //Austral. — J. Dairy Techno!. —'1985. — 40. — № 3. — P. 91—95.
28. V e r s t e e g C. Process and guality control aspects of reverse osmosis concentration of milk //Austral. J. Dairy Technol. — 1985. — 40. — № 3. — P. 102—107.
29. Drew P. G., Manners J. G. //Austral. J. Dairy Technol. — 1985. — 40, 108.
30. Con Foo R., Me D о n a 1 d G. J., Dixon B. D. (1977). Austral. J. Dairy
Technol. 32, 154.
31. Kocak H. R. Dairy products manufactured from whole mile concentrated by reverse osmosis. UVT products //Austral. J. Dairy Technol. — 1985. — 40. — № 3. —P. 96—100.
32. Способ производства продукта типа сметаны
/К- К- Полянский, Н. С. Родионова, Л. В. Голубева, А. Ш. Шаяхметов, Н. В. Ларина (СССР): Положит. решение о выдаче А. с. по заявке
Ж» 4365535/31—13 (011769) от 18.01.88.
Кафедра технологии молока а молочных продуктов
Поступила 08.05.90
К. К.
