CC BY
69
УДК 628.16.08
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕМБРАННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
ПОДСЫРНОЙ СЫВОРОТКИ
© В.Ю. Богомолов, С.И. Лазарев, В.И. Кочетов, В.П. Горбунов, А.В. Краснова
Ключевые слова: мембрана; ультрафильтрация; молочная сыворотка; затраты энергии; гидромеханическая пастеризация.
Работа посвящена проблемам использования вторичного молочного сырья на сыродельных предприятиях. Пр о-веден анализ энергозатрат на переработку вторичного молочного сырья в ценные конечные продукты и предложены пути повышения эффективности этого процесса. Рассмотрены вопросы совмещения в одной стадии процессов концентрирования и деминерализации сыворотки, вопросы охлаждения ее в процессе концентрирования, а также предложен способ гидромеханической пастеризации молочного сырья.
Процесс производства сыра, как правило, организуется по классической схеме получения сычужных сыров - сырная масса свертывается из молока под действием сычужных ферментов. Вторичным продуктом при такой схеме производства является подсырная сыворотка. При этом масса продукта составляет юсыр = 1020 % массы исходного молока, а юсыв = 80-90 % массы приходится на молочную сыворотку [1].
Внедрение безотходных и малоотходных технологий, позволяющих перерабатывать вторичное молочное сырье в ценные белковые продукты, - ключ к повышению эффективности промышленной переработки молока в России. Один из примеров таких технологий -мембранное концентрирование подсырной сыворотки с получением сухих сывороточных концентратов. Технологическая схема такого процесса представлена на рис. 1.
После свертывания молока в сыроизготовителях Изг. 1, Изг. 2 и Изг. 3 сырная масса удаляется на линию прессования, а сыворотка удаляется через нижний слив сыроизготовителей в блок накопительных емкостей Е1. После слива сыворотки на мембранном модуле УФ начинается ее концентрирование. Получаемый на выходе из мембранного аппарата УФ концентрат подается на блок из четырех распылительных сушилок, отмеченных на схеме (рис. 1) словом «Сушка». Порошок концентрата после сушки упаковывается на упаковочном станке для сыпучих пищевых продуктов Упак. и готов к реализации.
В сыворотке остаются полноценные белки, содержащие значительные количества незаменимых аминокислот, которые используются организмом для синтеза белков печени, образования гемоглобина и плазмы крови. Кроме того в сыворотку переходят все водорастворимые витамины, соли и микроэлементы молока. Поэтому использование такого вторичного молочного сырья является перспективным путем для молочной промышленности [2].
Говоря о путях повышения эффективности мембранного концентрирования подсырной сыворотки, следует в первую очередь оценить энергетическую
эффективность данного процесса. Для этого сравним затраты энергии на получение 1 кг концентрированного сывороточного белка с затратами энергии на производство 1 кг белка в виде основного продукта - сыра на одном из предприятий Тамбовской области - Бондар-ском сыродельном заводе.
Производство сыра на данном предприятии начинается с наполнения трех сыроизготовителей объемом V = 5000 л каждый. Для этой операции задействуется насосное оборудование производительностью Онш = = 10 м3/ч. Энергопотребление насосов составляет ^нас = 18 кВт-ч. При полной загрузке технологической линии на наполнение сыроизготовителей затрачивается Хнад = 1,5 ч времени и энергии:
N — - т — 27 кВт
1Унап ''нас тнап 27 кВт.
(1)
К массе молока добавляется незначительное количество сычужных ферментов и начинается перемешивание. В течение тперем=1,5 ч смесь перемешивается в сыроизготовителях. Образующаяся при этом твердая масса свернувшихся веществ измельчается. Затратами энергии на перемешивание и дробление сырной массы в рамках данной работы мы можем пренебречь.
Как показала практика работы завода, выход молочной сыворотки составляет около юсыв = 80 % от массы исходного молока. Таким образом, после остановки сыроизготовителей из них сливается сыворотки
Рис. 1. Технологическая схема объединенной линии производства сыра и сухого сывороточного концентрата КСБ-80
V = і • V • ' * ' 1
100%
■ — 12 т.
(2)
При этом, согласно технологии, юб.сыр = 80 % молочных белков переходит в конечный продукт - сыр, а оставшиеся юб.сыв = 20 % - в сыворотку.
Среднее содержание белка в молоке составляет
®мол = 3,2 % по массе. В пересчете на чистый белок это означает, что из исходных тбелм = м480 кг белков в молоке объемом
Vмол — і -V — 15 000 л,
(3)
в сыр переходит габелсыр = 384 кг, а в сыворотку -
,„„12000 _ тбел.сыр — 96 кг.
Примерные затраты энергии на производство одного кг белка в виде сыра составят
Nбел — *^нап сыр /
т.
бел.сыр
= 27 кВт / 384 кг = 0,07 кВт/кг.
(4)
Таким образом, в сыворотку, объемом Ксыв= 12 000 л,
,„„12000 , перешло тбел сыр — 96 кг белка.
Рассмотрим процесс концентрирования этого белка на мембранной ультрафильтрационной установке. Производительность предлагаемой установки в промышленном исполнении составляет Омем = 16 000 л/ч. Потребляемая мощность - Wмем= 15 кВт-ч. Таким образом, затраты энергии на концентрирование —
= 16 000 л сыворотки на данной установке составят ^мем = 15 кВт. При этом эффективность разделения в среднем составляет Пмем = 85 %. Исходя из того, что по вышеприведенным расчетам в Ксыв=12 000 л сыворотки
,„„12000 , содержится тбел сыр — 96 кг белка, получаем содержание белка в — 16 000 л сыворотки - т66^^ —
= 128 кг.
Масса извлеченного на мембранах белка составит
изв — 'Лмем • тб6000 — 109 кг
тбел іґ\ґ\п/ тбел.сыв 109 кг.
100%
(5)
Учитывая затраты энергии на процесс концентрирования, получим энергозатраты на 1 кг концентрированного белка:
N
к Ж
кбел _ гг мем
— 0,14 кВт/кг.
(6)
Сравнивая результаты вычислений (4) и (6), видно, что процесс концентрирования подсырной сыворотки с энергетической точки зрения значительно менее выгодный, по сравнению с основным производством. Это объясняет отсутствие интереса со стороны отечественной промышленности к малоотходным производственным циклам. Однако, говоря об эффективности таких производств, следует учитывать различную стоимость конечных продуктов - сухого сывороточного концен-
трата и сыра. Несмотря на значительные затраты энергии, отпускная стоимость сывороточных концентратов значительно превышает стоимость сыра и покрывает все производственные издержки, сохраняя рентабельность производства. Поэтому с энергетической точки зрения процесс вполне эффективен.
Другая сторона вопроса об эффективности концентрирования вторичного молочного сырья - это высокая степень его минерализации. При концентрировании сывороточных белков в концентрат переходит значительное количество минеральных солей, содержащихся в сыворотке, что сужает возможности применения полученных концентратов. Для применения в качестве добавок в пищевые продукты необходима деминерализация сыворотки. Степень минерализации сыворотки может достигать 70 %, что также создает дополнительные трудности при ее распылительной сушке [3].
Введение дополнительной стадии деминерализации в технологическую схему решает задачу производства пищевого продукта высокого качества, однако издержки и энергетические затраты при этом возрастают.
Повысить эффективность переработки в таких условиях возможно лишь путем совмещения процессов концентрирования сыворотки и ее деминерализации в одном аппарате. Такое совмещение возможно в элек-тробаромембранных аппаратах, разрабатываемых в Тамбовском государственном техническом университете, в которых мембранное разделение совмещено с удалением минеральных солей под действием электрического поля.
Но наложение на мембранные аппараты электрических полей неизбежно ведет к нагреванию сыворотки в процессе работы аппарата за счет протекания по ней электрического тока [4]. Учитывая легкую сбраживае-мость сыворотки, такое нагревание нежелательно.
Поэтому следующим этапом повышения эффективности процесса переработки может стать эффективное охлаждение сыворотки, концентрата и электродов аппарата [5]. Разработана конструкция электробаромем-бранного аппарата, позволяющего эффективно осуществлять деминерализацию сыворотки за счет наложения электрического поля и непрерывно охлаждать раствор и электроды за счет циркуляции теплоносителя. На конструкцию данного аппарата подана заявка на патент РФ № 2013121636.
Для оптимизации параметров проведения процесса разработана программа для ЭВМ «Расчет влияния температуры на кинетические параметры электробаромем-бранного процесса». Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2013618596. Программа позволяет автоматизировано определять степень нагрева мембранного аппарата при известных условиях протекания процесса. По полученным данным можно рассчитать основные параметры процесса, и принимается решение о необходимости отвода избытка тепла для оптимизации процесса.
Еще одной составляющей эффективной переработки вторичного молочного сырья является предотвращение порчи молочного продукта в процессе переработки или временного хранения (накопления). Долгое время на предприятиях молочной отрасли этот вопрос решался пастеризацией сырья для уничтожения патогенных микроорганизмов.
При пастеризации происходит тепловая обработка молочного сырья при температуре Г = 80 °С определенное время, за которое происходит гибель микроорганиз-
т
б
мов. Затем молочное сырье охлаждается и направляется на дальнейшую переработку.
При такой технологии обработки молочного сырья расходуется значительная часть энергии, зачастую безвозмездно. Кроме того необходимо применять металлоемкую аппаратуру и значительные производственные площади.
Заменой тепловой обработке может быть использование гидромеханической пастеризации. Для этого можно применять конструкцию устройства, представленную на рис. 2. В этом устройстве молочное сырье прогоняется через зазор между дисками 2 и 4, один из которых 4 приводится во вращение. За счет сил вязкого трения и центробежных сил сырье прогоняется от центра дисков к их периферии. На дисках имеются кольцевые проточки, которые при совмещении образуют камеры.
Как следует из закона гидродинамики, при увеличении скорости потока давление в нем уменьшается и может наступить такой момент, когда давление в потоке окажется ниже давления насыщенных паров перемещающейся жидкости. Тогда происходит ее вскипание. Это явление носит название кавитации. Если пары жидкости далее поступают в зону пониженной скорости, то давление в ней повышается, и пузырьки пара схлопываются. При схлопывании происходит резкое повышение скорости движения частиц жидкости. Если это происходит на поверхности, то частицы тормозятся, и возникает гидравлический удар.
При этом давление в микроскопических зонах достигает 100 МПа. Это подтверждается экспериментами. При таком давлении микроорганизмы будут гибнуть, что может быть использовано для целей пастеризации без увеличения температуры. Такая гидромеханическая пастеризация позволит значительно снизить энергозатраты.
Кроме того, кавитационный режим ведет к дроблению жировых частиц в молочном сырье. Оно становится более монодисперсным, что способствует его лучшему усвоению организмом человека.
ВЫВОДЫ
В работе проведен анализ энергозатрат на переработку вторичного молочного сырья в ценные конечные
продукты, рассмотрены пути повышения эффективности такой переработки.
Учитывая все вышеописанные пути оптимизации процесса концентрирования подсырной сыворотки, возможна организация на существующих предприятиях отрасли эффективных линий переработки вторичного молочного сырья, что повлечет не только снижение нагрузки на окружающую среду за счет сокращения сброса сыворотки со сточными водами, но и увеличение прибыли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки. М.: ДеЛи принт, 2004. 587 с.
2. Храмцов А.Г. Феномен молочной сыворотки. СПб.: Профессия, 2011. 804 с.
3. Полянский К.К., Шапошник В.А., Пономарев А.Н. Деминерализация молочной сыворотки электродиализом // Молочная промышленность. 2004. № 10. С. 48-49.
4. Лазарев С.И., Ковалев С.В., Казаков В.Г. Электробаромембранная очистка промывных вод производства 2,2-дибензотиазол-дисульфида // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2013. Т. 19. С. 614-619.
5. Богомолов В.Ю., Лазарев С.И. Вопросы теплопереноса в электро-баромембранных аппаратах плоскокамерного типа // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2013. Т. 19. С. 805-813.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».
Поступила в редакцию 5 июня 2014 г.
Bogomolov V.Y., Lazarev S.I., Kochetov V.I., Gorbunov V.P., Krasnova A.V. IMPROVING EFFICIENCY OF MEMBRANE CONCENTRATION OF CHEESE WHEY
Work is devoted to the problems of the use of secondary raw milk to cheese-making enterprises. Energy consumption for processing of secondary raw milk into valuable final products and suggested ways to improve the process is analyzed. The problems of combining in a single step process of concentration and demineralization of whey and questions of cooling it in the process of concentration are considered, and also provide a method of hydromechanical pasteurization of raw milk.
Key words: membrane, ultrafiltration, milk whey, energy consumption, hydromechanical pasteurization.
Богомолов Владимир Юрьевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра «Прикладная геометрия и компьютерная графика», е-mail: [email protected]
Bogomolov Vladimir Yuryevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, “Applied Geometry and Computer Graphics” Department, е-mail: [email protected]
Лазарев Сергей Иванович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Прикладная геометрия и компьютерная графика», е-mail: [email protected]
Lazarev Sergey Ivanovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of “Applied Geometry and Computer Graphics” Department, е-mail: [email protected]
Кочетов Виктор Иванович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Прикладная геометрия и компьютерная графика», е-mail :[email protected]
Kochetov Viktor Ivanovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Professor of “Applied Geometry and Computer Graphics” Department, е-mail: [email protected]
Горбунов Валерий Петрович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладная геометрия и компьютерная графика», е-mail: [email protected]
Gorbunov Valeriy Petrovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of “Applied Geometry and Computer Graphics” Department, е-mail: [email protected]
Краснова Анастасия Владимировна, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант, е-mail: [email protected]
Krasnova Anastasiya Vladimirovna, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master’s Degree, е-mail: [email protected]
