CC BY
83
УДК 541.18.045
Роль и эффективность мембранных процессов
при модернизации пищевой промышленности
В.Л. Кудряшов, канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии
Создание конкурентоспособной российской экономики в условиях затяжного глобального кризиса и членства в ВТО возможно только за счет внутренних кредитно-финансовых источников и освоения новых (пятого и шестого) технологических укладов [1], основу которых наряду с другими составляют и нанобиотехноло-гии, развивающиеся в системном единстве с мембранной технологией (МТ).
Решением Правительственной комиссии по научно-технической политике МТ получила статус критической технологии федерального уровня
(КТФУ). При этом МТ одна из немногих, которая обеспечивает развитие других КТФУ, например, «Биотехнология», «Экология и рациональное природопользование», «Новые материалы» и др.
В мировой науке и практике существует широкий класс мембранных процессов (МП), различающихся, в основном, свойствами мембран (диаметром пор, используемыми материалами) и движущими силами, включающий [2]:
баромембранные (БМП) - обратный осмос (ОО), нанофильтрацию (НФ), ультрафильтрацию (УФ) и микрофильтрацию (МФ);
электромембранные (ЭМП) - электродиализ, электрофорез, транспортное обеднение, непрерывный ионный обмен и электроосаждение;
испарение через мембрану (ИМ) и мембранную дистилляцию (МД);
диализ, пьезодиализ и разделение на жидких мембранах;
мембранное диффузионное газоразделение (МГД).
Основные преимущества БМП (наиболее распространенных МП) предопределяются отсутствием нагревания, фазовых переходов, а также неприменением дополнительных реагентов и теплоносителей. Они объективно позволяют сохранять в нативном биологически активном состоянии белки, аминокислоты, витамины, ферменты и другие биоло-
Ключевые слова: мембранные процессы; ультрафильтрация; микрофильтрация; нанофильтрация; обратный осмос.
Key words: membrane processes, ultrafiltration, microfiltration, reverse
гические ценные (активные) вещества (БАВ), а следовательно, производить продукты питания повышенной пищевой и биологической ценности. При использовании МП достигаются: углубление переработки и исправление некачественного сырья и воды; вовлечение вторичного, обедненного и нетрадиционного сырья; холодная «стерилизация»; уменьшение потерь сырья и продуктов питания при хранении за счет создания в складах газовой среды оптимального состава, а также резкое уменьшение энергозатрат (например, по сравнению с выпариванием в 4-5 раз).
Входящая в ядро новых укладов современная биотехнология может эффективно развиваться только в системном единстве с МП, обусловленной необходимостью выделять, очищать и концентрировать продукты микробиосинтеза с сохранением БАВ. Для этих целей в последние годы интенсивно создаются и внедряются мембранные биореакторы (МБР), основанные на оптимальном сочетании биореакторов (ферментеров, дрожжегенераторов, аэротенков, ме-тантенков) с мембранными модулями и установками (МУ).
В МБР биохимические реакции протекают одновременно с выделением (разделением) их продуктов на полупроницаемых мембранах. Они выгодно отличаются как от систем с иммобилизованными (на различных носителях и мембранах) ферментами и микроорганизмами, так и от биореакторов для глубинного культивирования микроорганизмов и/или для гид-
ролиза (ферментолиза, автолиза) высокомолекулярных соединений, дрожжей и других микроорганизмов. От первых - тем, что ферменты (или микроорганизмы-продуценты) находятся в растворе и биохимические процессы не лимитируются медленно протекающими процессами диффузии, а от вторых - возможностью смещения биосинтеза или гидролиза в сторону образования целевых продуктов [3].
Целесообразность и эффективность применения МП в пищевой и перерабатывающей промышленности доказаны отечественными и зарубежными исследованиями и особенно опытом промышленного их применения в высокоразвитых странах мира, где практически все предприятия этих отраслей используют МУ на тех или иных стадиях.
Перспективные области применения МП укрупненно представлены в таблице (за исключением общих для всех отраслей). К последним относятся:
подготовка воды, непосредственно вводимой в алкогольные и безалкогольные напитки, для восстановления (разведения) соков, молока и др. [46], а также для паровых и водогрейных котлов [7];
очистка оборотной воды и стоков в аэротенках и метантенках [8];
регенерация моющих растворов бутылко-банко-моечных машин;
создание оптимальной газовой среды в складах и хранилищах (фруктов, ягод, овощей, зерна и готовой продукции).
На основе собственных исследований и анализа литературы специалисты лаборатории мембранных технологий (ЛМТ) ВНИИПБТ считают целесообразным дополнительно выделить следующие перспективные сферы и направления НИОКР по использованию МП.
1. Разделение гидролизатов (авто-лизатов, ферментолизатов) дрожжей Saccharomyces, Torula и Candida на фракции с различной ММ, которые в зависимости от последней имеют специфический вкус с преобладанием в различных сочетаниях оттенков хлебного, мясного, сладкого, кислого, острого, жареного и горького. Это создает возможность при оптимизации состава пищевых продуктов того или иного типа (включая органолептику и вкус) подбирать гидролизат с соответствующей ММ.
Следует отметить важность создания отечественного крупнотоннажного производства таких гидролизатов прежде всего для мясной промышленности, так как они позволяют заменять запрещенные Дополнением № 8 к СанПиН 2, 3, 2.1078-01 с 01.07.2008 г.
MODERNIZATION OF FOOD INDUSTRY
усилители вкуса и аромата - глютами-новую кислоту (Е 620) и глютамат натрия (Е 621).
2. Производство комплексного ферментного препарата супероксиддисму-тазы (СОД) [15]. СОД обладает чрезвычайно высокой антиоксидантной активностью - нейтрализует один из самых опасных свободных радикалов - супероксид.
Он относится к натуральным БАВ, так как содержится в слюне и сыворотке крови человека и представляет собой одну из форм естественной защиты организма человека от действия мутагенных факторов, снижая уровень Н2О2 и О2. Кроме того, СОД повышает иммунитет и оказывает высокий положительный эффект при лечении повреждений сердечной мышцы, атеросклероза, диабета, анемии, лейкемии и онкологических заболеваний. Он перспективен в качестве натурального пищевого антиокислителя, например, взамен синтетического бутил-гидротолуола.
В ЛМТ из дрожжей БэссИаготусеБ сегеу/'з/'эе (пекарских и пивных) после обработки ультразвуком отработан процесс выделения и концентрирования СОД с помощью МФ- и УФ-мем-бран с ММ=32,5 кДа (Си, - СОД) и с ММ=86-88 кДа (Мп - СОД).
3. Отделение основного (95 % от общего количества) яичного легкоусвояемого (не требующего для усвоения в желудке ферментативной обработки) белка овальбумина (являющегося расщепленной формой полипептида с ММ = 46 000) от другого яичного белка - овамукоида с ММ = 28 000, способного взаимодействовать с проте-азами и ингибировать их активность. Это позволяет повысить пищевую ценность овальбумина, а овомукоид использовать в медицинских препаратах для детоксикации организма при патологиях, сопровождающихся активацией протеолиза, а также в перо-ральных препаратах инсулина.
С помощью мембран из яичного белка можно одновременно выделить и сконцентрировать антибактериальный (катализирует гидролиз полисахарида, входящего в состав клеточных стенок ряда бактерий) фермент лизо-цим (ММ которого 14 600). Он отнесен к «идеальным» природным имму-номодуляторам, в обязательном порядке входит в состав поликомпонентных продуктов питания детей (особенно раннего возраста) и чрезвычайно востребован на рынке.
4. Получение высокоценных растворимых недорогих (дешевле соевых) пищевых изолятов и концентратов белков из цитоплазматической фракции листостебелиной массы красного клевера, люцерны и других трав (био-
Области применения МП в пищевой промышленности
Отрасль Сферы применения
Спиртовая Переработка зерновой и вторичной барды, производство ультраконцентратов ферментов [3; 6; 8]
Ликероводоч-ная Очистка (стабилизация) ликероводочных изделий и полуфабрикатов (морсов, соков и экстрактов), водок и воды [4; 5]
Пивобезалко-гольная Переработка остаточных дрожжей и дробины; очистка и холодная «стерилизация» пива и безалкогольных напитков; производство концентратов пивного сусла [9]
Молочная и маслосыро-дельная Переработка пахты, обрата, сыворотки с концентрированием белка и лактозы; концентрирование (сырного и творожного сгустка); нормализация и холодная «стерилизация» молока по технологии «Бактотеч» [10]
Мясная и птицеперерабатывающая Регенерация посолочных рассолов; выделение и концентрирование желатина, сычужных ферментов, белков из мясных бульонов, плазмы крови, яиц, пера и субпродуктов [11]
Крахмалопаточ-ная Переработка картофельного сока, глютена, кукурузного экстракта [12]; очистка мальтозных, глюкозных, глюкозо-фруктозных и фруктозных сиропов
Масложировая Производство концентратов и изолятов белка из шротов и сои [13]; очистка растительных масел и соапстока
Плодоовощная Очистка, холодная «стерилизация» и концентрирование соков; производство пектина [14]
Сахарная Очистка диффузионного и преддефекованного сока и жомопрессовой воды; производство пектина из жома
Винодельческая Очистка, исправление (некондиционного), холодная «стерилизация» вина и коньяка перед розливом, переработка коньячной барды (шшшЛесИпо'Л^ег.ги; ехргеББ-есо.ги)
Дрожжевая Переработка бражки после выделения пекарских дрожжей (А.с. СССР №1634710)
массы) путем ее отделения от клетчатки и хлоропластовой (кормовой) фракции с последующей очисткой и концентрированием на УФ- и НФ-мембранах [16].
Зеленый сок, отжатый из люцерны и красного клевера, содержит высокое количество белка (до 45 %) и витаминов группы С, Е, К, В, D и бета-каротина. Красный клевер содержит большое количество флавоноидов, которые чрезвычайно эффективны для лечения и профилактики широко распространенной болезни - атеросклероза.
Содержащиеся же в люцерне БАВы обладают антиаллергическими, антистрессовыми и противовоспалительными свойствами, нейтрализуют гепа-тотоксическое и побочное действие лекарственных препаратов и могут использоваться в качестве общеукрепляющего средства, для повышения умственной работоспособности и концентрации внимания. Все эти БАВ концентрируются совместно с пищевой цитоплазматической фракцией биомассы, повысить биологическую ценность которой можно за счет ее дополнительного ферментолиза.
Эти растительные недорогие добавки эффективны для обогащения белком мясных, молочных и хлебобулочных изделий.
По аналогичной технологии [16] можно перерабатывать сою, ламинарию с производством анальгината натрия, топинамбур и цикорий с производством инулина.
5. Производство биоконсерванта бактериоцина низина [17], которое
включает следующие оптимально совмещенные процессы: культивирования штамма L. ¡эсПб в анаэробных условиях; выделение, очистку и концентрирование низина с помощью БМП и ЭМП ионообмена, адсорбции и сушки.
Низин наиболее эффективен в сыродельной, молочной, консервной и хлебопекарной промышленности. При его применении на 15-25 % снижаются теплоэнергозатраты и температура стерилизации (а следовательно, сохраняются БАВ), повышается допускаемая температура и продлеваются сроки хранения пищи, создается возможность ее транспортировки и хранения вне холодильников.
Так как низин практически не инги-бирует грамотрицательные бактерии и дрожжи, то его применение позволяет предотвращать закисание при производстве этанола, вина, пива, пекарских дрожжей и других продуктов микробиосинтеза за счет подавления посторонней грамположительной микрофлоры.
Накопленный в ЛМТ опыт показывает, что высокий экономический эффект достигается не от прямого включения отдельных МП в существующие производства, а только при целенаправленном системном синтезе принципиально новых технологических систем (линий, потоков) высокого уровня целостности на основе оптимального их совмещения с другими современными процессами.
Из приведенных данных видно, что, с одной стороны, требуется создание большого количества (несколько де-
сятков) различных линий для многих из 32 отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности (некоторые примеры приведены в таблице), а с другой - обрабатываемое на них сырье, полуфабрикаты и отходы в целом ряде случаев имеют близкий состав, а структуры самих линий идентичны. Это позволило на основании методологии системного подхода выявить всего девять обобщенных систем технологических процессов (СТП), проинтегрированных на основе общности их структуры, состава подсистем, особенностей функционирования и перспективы развития [18].
При отработке и оптимизации этих СТП требуется разнообразное лабораторное и опытно-промышленное мембранное и дополняющее оборудование. Для уменьшения затрат целесообразно создание за счет кооперации центра их коллективного пользования при ВНИИ крахмалопродуктов, как сохранившем в своем составе технологическое (с большим количеством разнообразного оборудования по переработке пищевого сырья) и машиностроительное подразделения.
Так как практически во все эти девять СТП наряду с МП входят другие различные биохимические, физические, физико-химические, химические и механические процессы, то их создание возможно только за счет объединения усилий специалистов различных областей знаний, которыми располагает Россельхозакадемия. Для исключения параллелизма, повышения уровня НИОКР и ускорения освоения этих СТП в АПК целесообразно создание совместно с машиностроителями, химиками и биотехнологами межотраслевой целевой комплексной программы, что соответствует вышеназванному Решению правительственной комиссии. При этом за основу направлений исследований могут быть приняты девять выявленных нами СТП с включением заданий по созданию теоретических основ МТ, мембран и установок.
Наряду с БМП и электродиализом, эффективность применения которых в АПК доказана, целесообразно начать НИОКР новых для организаций академии процессов - испарения через мембрану (ИМ) и мембранной дистилляции (МД).
Они оцениваются как перспективные для сепарации (абсолютирова-ния) этанола и других спиртов от воды, а также глубокого концентрирования водных растворов солей, кислот и щелочей, имеющих высокое осмотическое давление.
ИМ проводятся при температуре исходной смеси 30...100°С и давлении пермеата 30-70 мм рт. ст., а МД - при
тех же температурах и давлениях, близких к атмосферному, что дает возможность утилизировать вторичные энергоресурсы и использовать серийное вакуум-оборудование.
Для предприятий пищевой биотехнологии целесообразно предусмотреть также создание десятой СТП, а именно МБР и реакционных мембран (с иммобилизованными ферментами или микроорганизмами), позволяющих ускорять процессы микробиосинтеза в несколько раз.
Модернизация пищевой промышленности России на основе МТ объективно возможна на отечественной базе, так как в начале 2013 г. войдет в строй в г. Владимире новое крупнейшее в Европе производство мембран и мембранных модулей, создаваемое за счет финансирования РОСНАНО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глазьев, С.Ю. Стратегия опережающего развития России в условиях глобального кризиса/С.Ю. Глазьев. -М.: Экономика, 2010. - 255 с.
2. Свитцов, А.А. Введение в мембранные технологии/А.А. Свитцов. -М.: ДеЛипринт, 2007. - 280 с.
3. Кудряшов, В.Л. Разработка перспективного многоступенчатого мембранного биореактора для биокатализа ценных веществ/В.Л. Кудряшова// В кн. «Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов». - М.: ВНИИПБТ, 2012. - С. 159-168.
4. Рябчиков, Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования/ Б.Е. Рябчиков. - М.: ДеЛипринт, 2004. - 328 с.
5. Бурачевский, И.И. Технология ликероводочного производства/И.И. Бурачевский. - М.: Пищевая промышленность, 2010. - 360 с.
6. Кудряшов, В.Л. Нанофильтра-ция - перспективный способ подготовки воды для производства спир-та/В.Л. Кудряшов//Производство спирта и ликероводочных изделий. -2011. - № 3. - С. 20-25.
7. Кудряшов, В.Л. Подготовка воды для питания паровых и водогрейных котлов/В.Л. Кудряшов//Производ-ство спирта и ликероводочных изделий. - 2003. - № 2. - С. 28-29.
8. Кудряшов, В.Л. Применение мембранных процессов при переработке сточных вод и вторичного сырья спиртзаводов/В.Л. Кудряшов//Эколо-гия промышленного производства. -2009. - № 3.
9. Кудряшов, В.Л. Комплексная линия переработки вторичного сырья
пивзаводов на основе мембранных процессов/В.Л. Кудряшов, А.С. Кис-лов, О.П. Преснякова//Пиво и напитки. - 2008. - № 2. - С. 22-25.
10. Кудряшов, В.Л. Перспективные инновационные технологии с применением мембран для молочной про-мышленности/В.Л. Кудряшов//Сб. докл. VII Межд. научно-практ. конф. -Минск: НПЦ НАН Беларуси. - 2008. -С. 320-325.
11. Кудряшов, В.Л. Перспективные направления НИР для мясной промышленности по производству добавок и переработке вторичного сырья с применением методологии сквозных аграрно-пищевых технологий, мембранных и нанобиотехнологических процессов/В.Л. Кудряшов//Сб. докл. 14-й Межд. научн. конф. памяти В.М.Горбатова «Перспективные направления в области переработки мясного сырья и создания конкурентоспособных продуктов питания». -М.: ВНИИМП, 2011. - С. 127-132.
12. Кудряшов, В.Л. Применение мембранных технологий в крахмало-паточной промышленности/В.Л. Кудряшов, Н.Д. Лукин//Тр. Межд. науч-но-практ. конф. «Крахмал и крахма-лопродукты, состояние и перспективы развития». - М.: ООО «НИПКЦ Вос-ход-А», 2011. - С. 210-213.
13. Шишков, В.А. Получение изоля-тов соевого белка с применением ферментативного гидролиза и мембранных процессов/В.А. Шишков, В.А. Поляков, В.Л. Кудряшов//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. -№ 3. - С. 49-52.
14. Биотехнологические способы переработки плодово-ягодного сырья в производстве соков/Э.С. Гореньков [и др.]//Сб. мат. Всерос. научно-практ. конф. РАСХН. - Углич, 2009. - С. 4750.
15. Павлова, Е.С. Выделение фермента супероксиддисмутазы из дрож-жей/Е.С. Павлова, В.Л. Кудряшов//В кн. «Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК». -М.: ВНИИПБТ, 2006. - С. 88-97.
16. Кудряшов, В.Л. Производство белково-витаминных добавок из ли-стостебельной биомассы/В.Л. Кудря-шов//Пищевая промышленность. -2010. - № 2. - С. 13-15.
17. Кудряшов, В.Л. Синтез биоконсерванта низина на отходах и вторичном сырье ряда биотехнологических производств/В.Л. Кудряшов//Биотех-нология. - 1995. - № 2. - С. 25-28.
18. Кудряшов, В.Л. Научные основы применения мембранных процессов для обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов/В.Л. Кудря-шов//Сб. докл. научн.-практ. конф. Россельхозакадемии. Углич: ВНИИМС, 2004. - С.182-189.
