CC BY
9УДК: 664.97; 66.081.63
РАЗРАБОТКА НАНОБИОМЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОНЦЕНТРИРОВАННОГО РАСТВОРА ЛАКТОЗЫ
Тимкин Виктор Андреевич, 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 )
Новопашин Леонид Алексеевич, 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: novopashin-leonid@ya.ru)
РецензентЛ.А. Минухин, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пищевой инженерии аграрного производства ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 221-4110)
Ключевые слова: молочная сыворотка, лактоза, нанофильтрация, ультрафильтрация, концентрат, пермеат.
Аннотация.Проблема получения лактозы в виде промышленного продукта - молочного сахара изучается во всем мире. Международная молочная федерация (ММФ) уделяет постоянное внимание лактозе в плане рационального использования лактозосодержащего сырья (ЛСС) -молочной сыворотки. Получение молочного сахара из вторичных сырьевых ресурсов молочной промышленности реализует концепцию безотходного производства, исключает загрязнение окружающей среды и дает ценнейший углевод и его производные для обогащения продуктов питания, напитков, медицинских препаратов, кормовых средств и для технических целей.
DEVELOPMENT OF NANO BIO MEMBRANE TECHNOLOGY FOR THE PRODUCTION OF
CONCENTRATED SOLUTION OF LACTOSE 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)
ReviewerL.A. Minukhin, doctor of technical sciences, professor, professor of food engineering of agrarian production, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 (343) 221-41-10) Key words:whey, lactose, nanofiltration, ultrafiltration, concentrate, permeate.
Annotation
The problem of obtaining lactose in the form of an industrial product - milk sugar is being studied all over the world. The international dairy Federation (MMF) pays constant attention to lactose in terms of the rational use of lactose-containing raw materials (LSS) - whey. Obtaining milk sugar from secondary raw materials of the dairy industry implements the concept of waste-free production, eliminates environmental pollution and provides valuable carbohydrate and its derivatives for the enrichment of food, beverages, medicines, feed and for technical purposes.
В России лактоза в настоящее время в основном импортируется из-за рубежа, что ставит отечественные предприятия в зависимость от поставщиков - импортеров. С целью обеспечения продовольственной безопасности региона целесообразно разработать безотходные технологии переработки молочной сыворотки и на ее основе производство высококачественной лактозы.
В Свердловской области объемы производства молока, а соответственно и молочной сыворотки, постоянно увеличиваются. В соответствии с государственной целевой программой по развитию сельского хозяйства и регулированию рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы объемы производства молока к 2016 году должны возрасти на 11,8 процента, а к 2020 году на 30 процентов [1, 2].Одним из пунктов Плана основных мероприятий по обеспечению продовольственной безопасности населения Свердловской области является совершенствование инновационной деятельности предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности [3].
Известно, что проблема переработки молочной сыворотки является актуальной задачей для многих молочных предприятий - производителей сыра и творога [4]. 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. Организация комплексной переработки молочной сыворотки не под силу многим предприятиям, так как требует больших финансовых вложений. Известные способы получения лактозы, конечным продуктом которых является кристаллическая лактоза, обладают такими недостатками, как длинная технологическая цепочка, большие энергетические затраты, необходимость предварительной подготовки молочной сыворотки [5, 6, 7]. Однако, как показывает практика, в таких отраслях промышленности как молочная, кондитерская, хлебобулочная, микробиологическая использование лактозы в виде концентрированного водного раствора является более выгодным, так как раствор лактозы дешевле кристаллической лактозы, значительно проще технологическое и аппаратурное оформление переработки молочной сыворотки.
В настоящее время предпочтительными для разделения молочной сыворотки с целью выделения лактозы являются баромембранные технологии [8]. Ультрафильтрация и нанофильтрация позволяют получать качественный продукт, процесс протекает без нагрева сыворотки, минимальны затраты энергии по сравнению с выпариванием и сушкой. 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 переработки должен состоять из двух стадий -ультрафильтрации на первом этапе и нанофильтрации (диафильтрации) на заключительном этапе. Причем, процесс ультрафильтрации необходимо осуществлять с применением керамических мембран, которые не требуют подготовки сыворотки. 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 переработки подсырной и творожной сыворотки (табл. 1) с целью получения водного раствора лактозы. Исследования проводились в
лабораторных условиях (УрГЭУ) на лабораторной установке (рис.1). Были использованы керамические ультрафильтрационные мембраны производства ООО «НПО «Керамикфильтр» (Россия, Москва) и нанофильтрационные мембраны DOW NF245 (США).
Таблица 1. Состав молочной сыворотки (средние значения)
Параметры Сыворотка творожная Сыворотка подсырная
Белок общий, % 0,93 0,71
Лактоза, % 4,27 4,93
Жир, % 0,35 0,12
Минеральные вещества, % 0,65 0,61
СВ, % 6,20 6,37
Молочная сыворотка подавалась на ультрафильтрацию без какой-либо подготовки. Параметры процесса ультрафильтрации: давление 0,3 МПа,
ю
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
температура 150С, степень концентрирования 10. Получаемый в процессе разделения белковый концентрат (альбумин) представлял собой раствор сливочной структуры, с содержанием сухих растворенных веществ около 15% СВ. Пермеат (лактозно-солевой водный раствор) представлял собой прозрачную жидкость со слабым по окраске желто-зеленым цветом. Основным компонентом пермеата является лактоза. Показатели исходного и конечного продуктов после ультрафильтрации приведены в табл. 2.
Таблица 2. Показатели исходного и конечного продуктов после ультрафильтрации (средние значения)
Параметры Сыворотка творожная Сыворотка подсырная
концентрат пермеат концентрат пермеат
Белок общий, % 8,45 0,01 6,82 0,01
Лактоза, % 4,27 4,25 4,92 4,95
Жир, % 3,30 0,00 1,04 0,00
Минеральные в-ва, % 0,70 0,65 0,67 0,61
СВ, % 16,72 4,91 13,45 5,57
Лактозно-солевой водный раствор (пермеат) подавался на нанофильтрацию без какой-либо подготовки. Параметры процесса нанофильтрации: давление 2,7 МПа, температура 15 0С,
степень концентрирования 4. Получаемый в процессе разделения концентрат представлял собой прозрачный раствор с интенсивным по окраске желто-зеленым цветом, с содержанием сухих растворенных веществ около 20%СВ. Пермеат, представлял собой практически чистую воду, с небольшим количеством солей. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля нанофильтрации приведены в табл. 3.
Далее решался вопрос деминерализации полученного концентрата. Как показали эксперименты, эффективно удалить соли можно в процессе
Таблица 3. Показатели исходного и конечного продуктов после нанофильтрации (средние значения)
Параметры Сыворотка творожная Сыворотка подсырная
концентрат пермеат концентрат пермеат
Белок общий, % 0,04 0,00 0,04 0,01
Лактоза, % 16,77 0,10 19,75 0,10
Жир, % 0,00 0,00 0,00 0,00
Минеральные в-ва, % 0,70 0,60 0,67 0,55
СВ, % 17,51 0,70 20,46 0,66
диафильтрации - повторной нанофильтрации с предварительным разбавлением концентрата дистиллированной водой. Степень разбавления 1:4, параметры процесса нанофильтрации не
изменялись. В результате трехкратного проведения процесса диафильтрации был получен продукт - водный раствор лактозы (табл. 4).
Таблица 4. Показатели водного раствора лактозы после диафильтрации (средние значения)
Параметры Водный раствор лактозы (сыворотка творожная) Водный раствор лактозы (сыворотка подсырная)
Белок общий, % 0,04 0,04
Лактоза, % 17,25 20,35
Жир, % 0,00 0,00
Минеральные в-ва, % 0,01 0,01
СВ, % 17,30 20,40
Рисунок 2 - Схема получения концентрированного раствора лактозы
Разработанная технология получения концентрированного водного раствора лактозы с содержанием сухих веществ порядка 20%СВ приведена на рис.2. Концентрированный водный раствор лактозы может использоваться как полуфабрикат в молочной промышленности или упаковываться и применятьсяв других отраслях промышленности. Использование предложенной технологии позволит: сократить время производства концентрированного раствора лактозы; упростить технологический процесс; снизить энергетические затраты.
Полученные результаты позволяют, на наш взгляд, внедрять инновационную технологию и высокотехнологичное, конкурентоспособное оборудование для производства концентрированного водного раствора лактозы как на крупных молочных предприятиях так и на предприятиях небольшой мощности.
Предлагаемая технология производства лактозы позволит обеспечить продовольственную безопасность региона, исключив зависимость от зарубежных поставщиков.
Литература
1. Синельников Б.М., Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Рябцева С.А., Серов А.В. Лактоза и ее производные. - СПб: Профессия, 2007.
2. Тимкин В.А. Баромембранные процессы в молочной промышленности // Аграрный вестник Урала. 2017. № 6 (160). С. 10.
3. Тимкин В.А., Лазарев В.А.Производство концентрата молочной сыворотки баромембранными методами // Переработка молока. 2014. № 5 (175). С. 32-34.
4. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Безотходная переработка молочного сырья.- М,: КолосС, 2008,- 200
с.
5. Тимкин В.А., Лазарев В.А. Определение осмотического давления многокомпонентных растворов пищевой промышленности // Мембраны и мембранные технологии, 2015, том 5, № 1, с. 48-56.
6. Тимкин В.А., Горбунова Ю.А., Лазарев В.А. Применение отечественных керамических мембран // Молочная река. 2015. № 2 (58). С. 56-58.
7. Патент 2474622 РФ, С1, С13К5/00. Способ производства молочного сахара/ Топал О.И.,
Башанов О.С. (Россия). Заявлено 07.07.2011. Опубликовано 10.02.2013.
8. Тимкин В.А. Баромембранные процессы в производстве концентрированных плодоовощных соков и других жидких пищевых сред. Авторефератканд. дисс. М. ВГЗИПП, 1997.
Literature
1. Sinelnikov B. M., Hramtsov A. G., Evdokimov I. A., Ryabtsev S. A., Serov A. V. Lactose and its derivatives. - SPb: Profession, 2007.
2. Timkin V. A. Baromembrane processes in the dairy industry // Agrarian Bulletin of the Urals. 2017. № 6 (160). P. 10.
3. Timkin V. A., Lazarev V. A. Production of whey concentrate by baromembrane methods // milk Processing. 2014. № 5 (175). P. 32-34.
4. Khramtsov A. G., Nesterenko p. G. Waste-free processing of raw milk.- M,: Colossus, 2008,- 200
p.
5. 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.
6. Timkin V. A., Gorbunov, Y. A., Lazarev V. A. the Use of domestic ceramic membranes // Milk river. 2015. № 2 (58). P. 56-58.
7. Patent 2474622 RF, S1, S13K5/00. Method of production of milk sugar/ Topal O. I., Bashanov O. S. (Russia). Announced 07.07.2011. Published on 10.02.2013.
8. Timkin V. A. Baromembrane processes in the production of concentrated fruit and vegetable juices and other liquid food media. AbstractofCand. Diss. WGSIPM., 1997.
