Разработка нанобиомембранной технологии производства лактозы как фактор продовольственной безопасности Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

ТИМКИН Виктор Андреевич

Кандидат технических наук, профессор кафедры пищевой инженерии

Уральский государственный экономический университет

620144, РФ, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45 Контактный телефон: (912) 240-70-50 e-mail: ural.membrana@yandex.ru

МАЗИНА Оксана Анатольевна

Аспирант кафедры пищевой инженерии

Уральский государственный экономический университет

620144, РФ, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45 Контактный телефон: (919) 373-57-97 e-mail: oksana_mazina70@mail.ru

ПИЩИКОВ Геннадий Борисович

Доктор технических наук, профессор кафедры пищевой инженерии

Уральский государственный экономический университет

620144, РФ, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45 Контактный телефон: (922) 209-42-07 e-mail: bio_teh@bk.ru

Разработка нанобиомембранной технологии

производства лактозы как фактор продовольственной безопасности

Ключевые слова: мембранные технологии; продовольственная безопасность; ультрафильтрация; нанофильтрация; лактоза.

Раскрыты основные проблемы продовольственной безопасности региона в отрасли переработки молока. Рассмотрены основные направления переработки молочной сыворотки. Предложен метод безотходной переработки молочной сыворотки с применением баромембран-ной технологии. Приведена технология получения концентрированного раствора лактозы из молочной сыворотки без ее предварительной подготовки на керамических мембранах отечественного производства. Экспериментально определены показатели исходного и конечного продуктов после процессов ультрафильтрации и нанофильтрации.

П

W

роблема получения лактозы в виде промышленного продукта - молочного сахара .

изучается во всем мире. Международная молочная федерация (ММФ) уделяет пос- о

тоянное внимание лактозе в плане рационального использования лактозосодержащего |

сырья (ЛСС) - молочной сыворотки. 8

Получение молочного сахара из вторичных сырьевых ресурсов молочной промыш- .

ленности реализует концепцию безотходного производства, исключает загрязнение и

окружающей среды и дает ценнейший углевод и его производные для обогащения про- |

дуктов питания, напитков, медицинских препаратов, кормовых средств, а также для §

технических целей [1]. ©

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 производства на ее основе высококачественной лактозы.

В Свердловской области объемы производства молока, а значит 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 гг. объемы производства молока к 2016 г. должны возрасти на 11,8%, а к 2020 г. - на 30% [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 (сброс ее в канализацию или непосредственно в водные или другие природные объекты) говорит о низкой культуре производства на предприятии, нехозяйственном подходе как к окружающей среде, так и к собственным материальным ресурсам. Организовать комплексную переработку молочной сыворотки способны лишь немногие предприятия, так как это 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 [5-7]. 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, а кроме того, технологическое и аппаратурное оформление переработки молочной сыворотки значительно проще.

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, затраты энергии по сравнению с выпариванием и сушкой минимальны. На рынке мембранного оборудования на сегодняшний день лидируют зарубежные фирмы - ОЕА, АРУ, Те^аРак, А1£аЬауа1. 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 и содержанию в нем жира, особенно растительного происхождения. Недостаточно полная подготовка молочной сыворотки вследствие нарушения технологии или изменения состава исходной сыворотки приводит к существенному снижению технических характеристик мембранных установок, а также к необходимости частой замены мембранных элементов.

Решая задачу, связанную 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, чем полимерных мембран, и они 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), %

Параметр 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

Сухие вещества 6,20 6,37

8 3 10 11

Рис. 1. Схема лабораторной мембранной установки: 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

Молочная сыворотка подавалась на ультрафильтрацию без какой-либо предварительной подготовки. Параметры процесса ультрафильтрации: давление - 0,3 МПа; температура - 15 °С; 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 слабого по окраске желто-зеленого цвета. 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 вещества 0,70 0,65 0,67 0,61

Сухие вещества 16,72 4,91 13,45 5,57

Лактозно-солевой водный раствор (пермеат) подавался на нанофильтрацию без подготовки. Параметры процесса нанофильтрации: давление - 2,7 МПа; температура -15 °С; степень концентрирования - 4. Получаемый в процессе разделения концентрат представлял собой прозрачный раствор интенсивного по окраске желто-зеленого цвета 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.

Таблица 3

Показатели исходного и конечного продуктов после нанофильтрации (средние значения), %

Параметр 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 вещества 0,70 0,60 0,67 0,55

Сухие вещества 17,51 0,70 20,46 0,66

Далее решался вопрос о деминерализации полученного концентрата. Как показали эксперименты, эффективно удалить соли можно в процессе 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), %

Параметр 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 вещества 0,01 0,01

Сухие вещества 17,30 20,40

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 применяться в других отраслях промышленности. Использование предложенной технологии позволит: сократить время производства концентрированного раствора лактозы; упростить технологический процесс; снизить энергетические затраты.

Сыворотка

Ультрафильтрация

\ /

Лактоза, вода, соли (пермеат)

Лактоза, вода, соли (ретентат)

Лактоза, вода (ретентат)

Жир, белок (ретентат)

\

Нанофильтрация Г Соли, вода

(пермеат) у

\

\ г

/■ л Вода V Диафильтрация Соли, вода

(пермеат)

\ >

Рис. 2. Схема получения концентрированного раствора лактозы

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 будет способствовать повышению продовольственной безопасности региона, исключив зависимость от зарубежных поставщиков.

Источники

1. Лактоза и ее производные / Б. М. Синельников, А. Г. Храмцов, И. А. Евдокимов и др. СПб. : Профессия, 2007.

2. О Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности в Свердловской области на период до 2020 года : постановление Правительства Свердловской области от 16 октября 2013 г. № 1228-ПП.

3. Концепция обеспечения продовольственной безопасности населения Свердловской области на период до 2015 года / Министерство экономики Свердловской области. Режим доступа: http://econom.midural.ru/content/koncepciya-obespecheniya-prodovolstvennoy-bezopasnosti-naseleniya-sverdlovskoy-oЫasti-na.

4. Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г. Безотходная переработка молочного сырья. М. : КолосС, 2008.

5. Патент 2360006 РФ, С1, С13К5/00, А23С21/00. Способ производства молочного сахара из соленой сыворотки / Евдокимов И. А., Дыкало Н. Я., Пермяков А. В., Смирнов Е. Р. (Россия). Заявлено 02.06.2008. Опубликовано 27.06.2009.

6. Патент 2464321 РФ, С2, С13К5/00, А23С21/00. Способ производства молочного сахара / Куленко В. Г., Фиалкова Е. А., Костюков Е. М., Качалова Е. А., Белозерова Д. А. (Россия). Заявлено 20.12.2010. Опубликовано 20.10.2012.

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. Разработка баромембранной технологии переработки молочной сыворотки / В. А. Тимкин, Л. А. Минухин, И. П. Гальчак, В. А. Лазарев // Аграрный вестн. Урала. 2013. № 7 (113).