CC BY
14УДК: 664.97; 66.081.63
ПРОИЗВОДСТВО КОНЦЕНТРАТА МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ БАРОМЕМБРАННЫМИ
МЕТОДАМИ
В.А.Тимкин, кандидат технических наук, доцент, профессор, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 912 240 70 50; , Е-mail: ural.membrana@yandex.ru )
Л.А. Новопашин, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: novopashi n-leoni d@ya. ш)
Рецензент Л.В. Денежко, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО Уральский ГАУ (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: denejko@yandex.ru)
Ключевые слова:молочная сыворотка, лактоза, нанофильтрация, ультрафильтрация, концентрат, пермеат.
Аннотация:
В данной статье рассмотрены вопросы утилизации молочной сыворотки. Показано, что даже такая не сложная переработка как концентрирование молочной сыворотки может привести к быстрой окупаемости вложений и получению прибыли предприятием. При решении задачи, связанной с необходимостью подготовки молочной сыворотки, сделан вывод, что процесс концентрирования должен состоять как минимум из двух стадий - ультрафильтрации на первом этапе и нанофильтрации (обратном осмосе) на заключительном этапе. При этом, процесс ультрафильтрации необходимо осуществлять с применением керамических мембран, которые не требуют подготовки сыворотки. Приведены результаты исследований концентрирования подсырной сыворотки в лабораторных и промышленных условиях.
THE PRODUCTION OF WHEY PROTEIN CONCENTRATE BAROMEMBRANE METHODS
V. A. Timkin, candidate of technical sciences, associate professor, professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 912 240 70 50;, E-mail: ural.membrana@yandex.ru)
L.A. Novopashin, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
Reviewer L.V. Denezhko, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: denejko@yandex.ru)
Key words: whey, lactose, nanofiltration, ultrafiltration, concentrate, permeate. Annotation
This article discusses the disposal of whey. It is shown that even such a simple processing as the concentration of whey can lead to a rapid return on investment and profit enterprise. In solving the problem associated with the need for the preparation of whey, it is concluded that the concentration process should consist of at least two stages - ultrafiltration at the first stage and nanofiltration (reverse osmosis) at the final stage. At the same time, the process of ultrafiltration should be carried out using ceramic membranes, which do not require the preparation of serum. The results of studies of the concentration of cheese whey in laboratory and industrial conditions.
Известно, что проблема утилизации сыворотки является актуальной задачей для многих молочных предприятий - производителей сыра и творога [1, 2]. Отношение к сыворотке как к отходу производства, сброс ее в канализацию, или того хуже - непосредственно в водные или другие природные объекты, говорит о низкой культуре производства на данном предприятии, нехозяйственном подходе как к окружающей среде, так и к собственным материальным ресурсам.
Так как молочная сыворотка богата многими ценными компонентами [3], то во всем цивилизованном мире принято ее перерабатывать, организуя безотходное производство. При этом, комплексная переработка сыворотки позволяет получать уникальные и дорогие продукты -чистую лактозу, сухую деминерализованную молочную сыворотку, концентраты сывороточных белков и т.д. Организация такого производства не под силу многим предприятиям, так как требует больших финансовых вложений. Однако практика показывает, что даже такая не сложная переработка как концентрирование молочной сыворотки может привести к быстрой окупаемости
вложений и получению прибыли предприятием. Сывороточный концентрат, с содержанием 20% и более сухих растворенных веществ, может использоваться как самостоятельный продукт во многих отраслях пищевой промышленности [3, 4], а также непосредственно на молокоперерабатывающем предприятии. Из него можно получить сухую сыворотку, организовав процесс сушки у себя, или отправляя концентрат на централизованную сушку.
В настоящее время для концентрирования молочной сыворотки предпочтительными являются баромембранные технологии [3 - 6]. Обратный осмос, нанофильтрация и ультрафильтрация позволяют получать качественный продукт. При этом, в концентрате остаются в нативном состоянии все белковые вещества, так как процесс протекает без нагрева сыворотки. Минимальны и затраты энергии по сравнению с концентрированием методом выпаривания. На рынке мембранного оборудования, на сегодняшний день, лидируют зарубежные фирмы GEA, APV, TetraPak, AlfaLaval. Их продукция имеет высокое качество, интересный дизайн, высокий уровень автоматизации и, как следствие, высокие цены.
Как показывает практика, существенной проблемой при переработке молочной сыворотки баромембранными методами, является необходимость ее тщательной подготовки перед подачей в мембранный блок. Подготовка заключается в осветлении сыворотки (отделение остатков жира и казеина) на центробежном сепараторе-сливкоотделителе или сепараторе - очистителе, пастеризации осветленной сыворотки (подавление заквасочных культур), выдержке пастеризованной сыворотки с целью осаждения фосфата кальция и других технологических операциях. Это обусловлено конструкцией мембранных элементов рулонного или спирального типа, применяемых зарубежными и отечественными разработчиками мембранного оборудования. Эти мембранные элементы очень чувствительны к механическим включениям в перерабатываемом продукте, а также содержанию в нем жира, особенно растительного происхождения. Недостаточно полная подготовка молочной сыворотки, связанная с нарушением технологии ее проведения или изменением состава исходной сыворотки, приводит к существенному снижению технических характеристик мембранных установок, а также к необходимости частой замены мембранных элементов.
Занимаясь решением задачи, связанной с необходимостью подготовки молочной сыворотки, мы пришли к выводу, что процесс концентрирования должен состоять как минимум из двух стадий - ультрафильтрации на первом этапе и нанофильтрации (обратном осмосе) на заключительном этапе. Причем, процесс ультрафильтрации необходимо осуществлять с применением керамических мембран, которые не требуют подготовки сыворотки [7, 8]. При этом срок эксплуатации керамических мембран в 3 - 5 раз больше по сравнению с полимерными мембранами, керамические мембраны значительно проще регенерируются.
Ниже приведены результаты исследований концентрирования подсырной сыворотки. Сыворотка по своим характеристикам соответствовала ГОСТ Р 53438 - 2009. Исследования
проводились в лабораторных условиях (УрГАУ) и в условиях производства (ООО «Юговской комбинат молочных продуктов, ООО «РостАгроКомплекс»).
На лабораторной установке (рис.1) были определены основные параметры оптимального режима процесса ультрафильтрации молочной сыворотки. В качестве исследуемых мембран были использованы керамические ультрафильтрационные мембраны производства ООО «НПО «Керамикфильтр». Как видно из графика (рис.2), при допустимой проницаемости мембран, равной 4010-3 м3/ (м2ч), оптимальная скорость сыворотки над мембраной составила 1,5 - 2 м/с. Кроме того, было определено оптимальное давление при допустимой проницаемости мембран, которое составило 0,3 МПа (рис.3).
1 -мембранная ячейка; 2- насос; 3 - циркуляционный бак; 4 — бак для пермеата;
5 — манометр; 6 — ротаметр; 7 — вентиль регулировочный; 8 — охладитель;
9 —термопара; 10 — милливольтметр; 11 — сосуд Дьюара; 12 — разделитель;
13, 14 - вентили.
Рисунок 1 - Схема лабораторной мембранной установки В производственных условиях работа осуществлялась на пилотной установке, изготовленной совместно с ООО «Молмашстрой» (Екатеринбург), (рис. 4). Установка состоит из ультрафильтрационного и нанофильтрационного модулей. В ультрафильтрационном модуле применялись мембраны КУФЭ - 19(0,02) НПО Керамикфильтр (Россия, Москва). В нанофильтрационном модуле применялись мембраны DOW NF245 (США).
Ультрафильтрационный модуль предназначен для разделения сыворотки путем ультрафильтрации на белковый концентрат (альбумин) и пермеат (лактозно-солевой водный раствор). Сыворотка подавалась в ультрафильтрационный модуль из сыроизготовителя, без какой либо подготовки. Получаемый в процессе разделения
V, м/с
Рисунок 2 - Зависимость проницаемости от скорости течения сыворотки над мембраной
концентрат представлял собой раствор сливочной структуры, с содержанием сухих растворенных веществ около 20%. Пермеат представлял собой прозрачный раствор со слабым по окраске желто-зеленым цветом. Основным компонентом пермеата является лактоза. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля ультрафильтрации приведены в табл. 1.
Таблица1. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля ультрафильтрации
Параметры Сыворотка Концентрат Пермеат
Белок общий, % 0,71 6,82 0,01
Лактоза, % 4,93 4,92 4,95
Жир, % 0,12 1,04 0,00
Минеральные в-а, % 0,61 0,67 0,61
СВ, % 6,37 13,45 5,57
Нанофильтрационный модуль предназначен для разделения лактозно-солевого водного раствора на концентрат лактозы и пермеат. Раствор подавался в нанофильтрационный модуль без какой либо подготовки. Получаемый в процессе разделения концентрат представлял собой прозрачный раствор с интенсивным по окраске желто-зеленым цветом, с содержанием сухих растворенных веществ более 20%. Пермеат, представлял собой практически чистую воду, с
небольшим количеством солей. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля нанофильтрации приведены в табл. 2.
Р, МПа
Рисунок 3 - Зависимость проницаемости мембран от давления внутри контура Таблица 2. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля нанофильтрации
Параметры Лактозно-солевой раствор Концентрат Пермеат
Белок общий, % 0,01 0,04 0,00
Лактоза, % 4,95 19,75 0,10
Жир, % 0,00 0,00 0,00
Минеральные в-а, % 0,61 0,67 0,55
СВ, % 5,57 20,46 0,66
Концентрат из обоих модулей смешивался в смесителе, в результате получился продукт (концентрат), имеющий сливочную структуру, содержание сухих веществ более 17%, в том числе около 2% белка (табл. 3). Таблица 3. Показатели конечного продукта
Параметры Продукт
Белок общий, % 2,15
Лактоза, % 14,95
Жир, % 0,20
Минеральные в-а, % 0,67
СВ, % 17,97
Кислотность, оТ 19,5
Рисунок 4 - Пилотная установка
Таким образом, проведенные исследования дали возможность разработать технологию и оборудование для переработки молочной сыворотки мембранными методами. Полученные результаты позволяют, на наш взгляд, внедрять высокотехнологичное, конкурентоспособное оборудование для переработки молочной сыворотки как на крупных молочных предприятиях так и на предприятиях небольшой мощности. Литература
1. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Безотходная переработка молочного сырья. - М. КолосС, 2008.
2. Тимкин В.А. Баромембранные процессы в молочной промышленности // Аграрный вестник Урала. 2017. № 6 (160). С. 10.
3. Ожгихина Н.Н., Волкова Т.А. Рациональная переработка молочной сыворотки//
Переработка молока. - 2012.-№ 9.
4. Тимкин В.А., Лазарев В.А. Производство концентрата молочной сыворотки баромембранными методами // Переработка молока. 2014. № 5 (175). С. 32-34.
5. Евдокимов И.А. Современное состояние и перспективы переработки молочной сыворотки
// Переработка молока. - 2011.-№ 9.
6. Тимкин В.А., Лазарев В.А. Определение осмотического давления многокомпонентных растворов пищевой промышленности // Мембраны и мембранные технологии, 2015, том 5, № 1, с. 48-56.
7. Тимкин В.А., Горбунова Ю.А., Лазарев В.А. Применение отечественных керамических мембран // Молочная река. 2015. № 2 (58). С. 56-58.
8. Тимкин В.А. Баромембранные процессы в производстве концентрированных плодоовощных соков и других жидких пищевых сред. Автореферат канд. дисс. М. ВГЗИПП, 1997.
Literature
1. Khramtsov A. G., Nesterenko p. G. Waste-free processing of raw milk. - M. Colossus, 2008.
2. Timkin V. A. Baromembrane processes in the dairy industry // Agrarian Bulletin of the Urals. 2017. № 6 (160). P. 10.
3. Azhgikhina N. N., Volkova T. A. Rational processing of whey// Processing of milk. - 2012.-№ 9.
4. Timkin V. A., Lazarev V. A. Production of whey concentrate by baromembrane methods // milk Processing. 2014. № 5 (175). P. 32-34.
5. Evdokimov I. A. Current state and prospects of whey processing // milk Processing. - 2011.-№ 9.
6. Timkin V. A., Lazarev V. A. Determination of osmotic pressure of multicomponent solutions of food industry // Membranes and membrane technologies, 2015, volume 5, № 1, pp. 48-56.
7. Timkin V. A., Gorbunov, Y. A., Lazarev V. A. the Use of domestic ceramic membranes // Milk river. 2015. № 2 (58). P. 56-58.
8. Timkin V. A. Baromembrane processes in the production of concentrated fruit and vegetable juices and other liquid food media. Abstract of Cand. Diss. WGSIP M., 1997.
