CC BY
38
УДК 637.146.4:66.974.434
Совершенствование процесса концентрирования творожной сыворотки
нанофильтрацией
Шутро Роман Витальевич, аспирант кафедры «Технологического оборудования»
e-mail: roma-shutro@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Шевчук Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологического оборудования» e-mail: Vshevchuk@list.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Куленко Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологического оборудования» e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Славоросова Елена Викторовна аспирант кафедры «Технологического оборудования»
e-mail: s3009e@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. В статье уточнены оптимальные параметры нанофильтрации творожной сыворотки и предложена схема оптимизации управления процессом нано-фильтрации.
Ключевые слова: творожная сыворотка, нанофильтрация, концентрирование.
По данным Росстата производство творога в России за 2016 год составило 405 тыс. тонн при выходе сыворотки порядка 80%, объёмы творожной сыворотки составляют 1,6 млн. тонн. По экспертным оценкам переработке подвергается всего 20% сыворотки, а оставшиеся 80% сливаются сточными водами в канализацию [1]. Это связано с тем, что такая сыворотка трудно поддаётся тепловой обработке, процессам сгущения, кристаллизации и сушке, а конечный продукт имеет низкое качество, поскольку творожная сыворотка является наиболее сложной в плане технологической обработки в виду ее высокой минерализации (около 0,6%) и повышенной кислотности (от 60 до 900Т и более) при достаточно низком содержании сухих веществ (5-7%) [2].
Особенностью молочной промышленности России, в отличие от зарубежных стран, является то, что на большинстве предприятий творожную сыворотку получают от 5 до 30 тонн в сутки. Поэтому применение высокопроизводительного зарубежного оборудования является экономически невыгодным.
К инновационным способам переработки молочной сыворотки можно отнести баромембранные (микро-, ультра-, нанофильтрацию и обратный осмос) и электромембранные (электродиализ) [3, 4, 5]. Свою популярность они набирают благодаря своей энергоэффективности, надёжности и удобстве в управлении.
Известен скомбинированный способ применения мембранных установок, основанный на сочетании процессов ультрафильтрации и обратного осмоса, получивший название «ультра-осмос» [6, 7].
Из существующих в настоящее время баро- и электромембранных технологий наиболее целесообразной, на наш взгляд, является нанофильтрация, достоинствами которой являются: высокая экономичность концентрирования и эффект частичной деминерализации при обработке сыворотки [8, 9]. При этом авторами [10] экспериментально подтверждается высокая селективность мембран по лактозе до 98%, а также возможность снижения минерализации растворов лактозы. Нанофильтрация занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. Давление при нанофильтрации колеблется от 5 до 40 бар, а размер пор - от 0,5 до 10 нм [11, 12].
Как правило, для использования в производстве в качестве компонента нормализации белково-углеводного состава нанофильтратов сыворотки достаточно содержание сухих веществ (СВ-далее) до 20-22%. Для повышения СВ и увеличения степени деминерализации и раскисления молочной сыворотки в процессе нанофильтрации возможно совмещение его с помощью дополнительной операции -диафильтрации. Сущность диафильтрации заключается в добавлении в концентрат определённых объёмов дионизированной воды в процессе нанофильтрации. При этом данный метод разрабатывался в качестве альтернативного и менее затратного метода деминерализации. Тем не менее, следует отметить, что проведение диафильтрации приводит к снижению производительности нанофильтрацио-ной обработки сыворотки и дополнительному расходу ионизированной воды [13, 14].
Оптимизации процесса нанофильтрации посвящено множество работ, в том числе [15]. Согласно предложенной авторами [15] технологии, оптимальное давление фильтрации составляет 25 бар, температура 40 0С. При факторе объемного сжатия 3,5-4 концентрация сухих веществ составляет 20%.
Целью настоящей работы было уточнение оптимальных технологических параметров нанофильтрации творожной сыворотки и оптимизация схемы управления
процессом.
Эксперименты проводились на творожной сыворотке. Средние значения основных технологических параметров творожной сыворотки представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные технологические параметры творожной сыворотки
Параметр Литературные данные [16] Исследуемая сыворотка, средние значения
Массовая доля сухих веществ, % 4,2-7,4 6,4
Титруемая кислотность, 0Т 50-85 65
Активная кислотность, ед рН 4,0-5,3 4,4
Электропроводность, мСм/см 8-9 8,5
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.
12 11 10 9
Рисунок 1. Схема экспериментальной нанофильтрационной установки 1 - продуктовый бак; 2,3 - ручной клапан; 4 - насос; 5 - предохранительный клапан; 6,9 - манометр; 7 - мембранный модуль; 8 - расходомер; 10 - игольчатый вентиль; 11 - термометр; 12 - теплообменник
Характеристики экспериментальной установки и нанофильтрационной мембраны представлены в таблице 2.
Таблица 2-Характеристики нанофильтрационной установки
Мембрана:
изготовитель Владипор
материал Полипитеразинамид
марка РН 33 Н
активная площадь S, м2 2
температура, 0С < 40
давление Р, бар < 25
Установка:
Мембрана:
изготовитель Владипор
материал Полипитеразинамид
объём бака, V 50 л
насос САТ РиМР, 311
мощность 2,2 кВт
расход 900 л/ч
Давление, температура, содержание сухих веществ и скорость фильтрации регистрировались соответственно манометром, термометром, рефрактометром и расходомером. Все графики были построены по усредненным значениям пяти экспериментальных выработок, максимальное отклонение от средних значений не превышало 5%.
В первую очередь была определена величина давления начала фильтрации в зависимости от температуры, которая соответствовала данным [11] и не составляла отклонения от средних значений более 2%.
Исследования показали: давление начала фильтрации существенно снижается с 7 бар до 4,4 при повышении температуры. Также повышение температуры оказывает положительное влияние на скорость фильтрации и, следовательно, производительность процесса во всем диапазоне давлений. Следует отметить, что повышение температуры с 20 до 40 °С дает увеличение скорости фильтрации практически в 1,5 раза при давлении 25 бар. По мере концентрирования сыворотки скорость фильтрации снижается вследствие нарастания вязкости и плотности продукта, а также ввиду увеличения концентрационной поляризации. Исходя из вышеизложенного, следует: повышение температуры улучшает энергетические и динамические характеристики процесса нанофильтрации [15].
со' н о и
в
о а
X к
X &
к
ч
о «
я са
о
о о я
♦ ^соп$1:, 25л/мЗч ■ Р=СОП5^ 20бэр
20
40
100
120
60 80 Время т, мин
Рисунок 2. Зависимость массовой доли сухих веществ от времени
Наиболее важным параметром, контролируемым в процессе нанофильтрации, является массовая доля сухих веществ в концентрате. На рисунке 2 представлены
кривые изменения массовой доли сухих веществ от времени в двух режимах: 1-й - поддержание постоянного давления Р=const=2 Мпа; 2-й - поддержание постоянной удельной скорости фильтрации J=const=25л/м2ч. При постоянном давлении процесс фильтрации протекает почти в 1,5 раза быстрее, чем при поддержании постоянной удельной скорости фильтрации. Процесс концентрирования останавливался при достижении максимальной концентрации сухих веществ 20-22%. Это связано с тем, что процесс фильтрации при давлении 2,0 МПа прекращается, а увеличение давления более 2,5 МПа может привести к разрушению мембраны.
На основе опыта эксплуатации экспериментальной установки нами разработана схема автоматического управления процессом нанофильтрации на установке периодического действия (рис. 3).
Принцип действия установки заключается в следующем: после заполнения емкостного аппарата продуктом, где предусмотрено поддержание требуемой температуры, оператором включается продуктовый насос 1. После чего продукт проходит мембранный модуль 2 и возвращается обратно в емкостной аппарат. На основании опытных данных на щите управления 3 устанавливаем давление 2,0 МПа. Изменение давления осуществляется путём изменения производительности насоса 1 преобразователем частоты. Начинается процесс фильтрации. На трубопроводе выхода фильтрата предусмотрен расходомер 5, который выводит данные о расходе фильтрата на панель оператора, установленную в щите управления 3. Также нами предусмотрена автоматическая аварийная остановка двигателя в случае увеличения разности давлений, которая меряется датчиками давления 7, 8, следовательно, на входе и на выходе продукта. После достижения заданного значения сухих веществ оператор на щите управления 3 выключает насос 1.
Рисунок 3. Схема автоматизации экспериментальной установки 1 - продуктовый насос; 2 - мембранный модуль; 3 - щит управления;
4 - расходомер; 5, 6 - датчики давления
Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что оптимальным давлением концентрирования является диапазон от 2, но не более 2,5 МПа. Но для увеличения срока службы мембран не следует приближаться к давлению 2,5 МПа и тем более его превышать, т.к. это может привести к ее разрушению. Полученные при таких параметрах концентраты с содержанием сухих веществ от 20 до 22% удобны для дальнейшего использования.
Предложенная схема управления процессом, является удобной и легко адаптируемой для различных условий эксплуатации установки. А также возможно лег-
ко вписать установку в технологическую сеть любого предприятия.
Список литературы:
1. Научное обоснование перспективного направления переработки молочной сыворотки / Е.В. Славоросова, В.Г. Куленко, В.Б. Шевчук, Е.А. Фиалкова // Инновационные тенденции развития Российской науки. Материалы VIII Международной научно-практической конференции молодых ученых, Красноярск, 1 января-31 декабря 2015. - 2015. - С. 251-254.
2. Особенности концентрирования творожной сыворотки мембранными методами / В.Г. Куленко, Е.А. Фиалкова, Д.М. Костюков, М.С. Золоторева, И.А. Евдокимов, В.Б. Шевчук // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. - 2013. - №3 (36) - С. 132-136.
3. Справочник по переработке молочной сыворотки. Технологии, процессы и аппараты, мембранное оборудование / Г.Б. Гаврилов, А.Ю. Просеков, Э.Ф. Кравченко, Б.Г. Гаврилов. - СПб.: ИД Профессия, 2015. - 176 с.
4. Свитцов, А.А. Введение в мембранные технологии / А.А. Свитцов. - М.: ДеЛи Принт, 2007. - 208 с.
5. Baker R.W. Membrane Technology and Applications / R.W. Baker. - Chichester : John Wiley & Sons. - 2004. - 538 p.
6. Гаврилова, Н.Т. Новое в Сыроделии / Н.Т. Гаврилова // Молочная промышленность: экспресс-инф. - М.: ЦНИИТЭИмясомолпром. - 1986. - Вып. 7. - С. 9-10.
7. Henning D.R., Bear R.J., Hassan A.N, Dave R., Major Advances In Concentrated And Dry Milk Products, Cheese, And Milk Fat-Based Spreads. - J. Dairy Sci. 89: 11791188. - 2006.
8. Варивода, А.А. Молочная сыворотка мембранной обработки в технологии плавленых сыров / А.А. Варивода // Международный научно-исследовательский журнал. - 2014. - №2-1(21). - С. 80-84.
9. Шохалова, В.Н. Деминерализация и нейтрализация творожной сыворотки в процессе нанофильтрации / В.Н. Шохалова, А.А. Кузин, Н.Я. Дыкало, Е.Ю. Нероно-ва, В.А. Шохалов // Молочнохозяйственный вестник - 2016. - №1(21). - С. 98-104.
10. Bernard S. Horton. Anaerobic fermentation and ultra-osmosis // Bull/ of the JDF N 212. Session IY - Modification of lactose (continued) and demineralization/ - ch. 12. - P. 77-83.
11. Properties of nanofiltration membranes; model development and industrial application / by Johannes M.K. Timmer. - Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2001.
12. Лактоза и ее производные / Б.М. Синельников, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, С.А. Рябцева, А.В. Серов. - СПб.: Профессия, 2007. - 768 с., ил., табл.
13. Костюков, Д.М. Совершенствование процесса производства сухой деминерализованной творожной сыворотки: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12 / Костюков Дмитрий Михайлович. - Вологда-Молочное, 2016. - 25 с.
14. Хараев, Г.И. Баромембранные процессы: учеб. пособ. / Г.И. Хараев. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2005. - 84 с.
15. Закономерности концентрирования творожной сыворотки методом нанофильтрации / Д.М. Костюков, В.Г. Куленко, Н.Я. Дыкало, Е.М. Костюков, В.А. Шохалов, В.Б. Шевчук // Молочнохозяйственный вестник. - 2012. - №1 (5), I кв. - С.
32-36.
16. Храмцов, А.Г. / Технология продуктов из молочной сыворотки / А.Г. Храм-цов, П.Г. Нестеренко. - М.: ДеЛи принт, 2004. - 13 с.
References:
1. Slavorosova E.V., Kulenko V.G., Shevchuk V.B., Fialkova E.A. Scientific basis of a perspective method of whey processing. Materialy VIII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii molodykh uchenykh Innovatsionnyye tendentsii razvitiya Rossiyskoy nauki [Proc. of the 8th Int. Scientific and Practical Conference of Young Scientists "Innovative tendencies in the Russian science development"], 2015, pp. 251254 (in Russian).
2. Kulenko V.G., Fialkova E.A., Kostyukov D.M., Zolotoreva M.S., Evdokimov I.A., Shevchuk V.B. Features of the curd whey concentration by membrane methods. Vestnik Severo-Kavkazskogo Federal'nogo Universiteta [Bulletin of the North-Caucasian Federal University], 2013, V.36, no.3, pp.132-136 (in Russian).
3. Gavrilov G.B., Prosekov A.Yu., Kravchenko E.F., Gavrilov B.G. Spravochnik po pererabotke molochnoy syvorotki. Tekhnologii, protsessy i apparaty, membrannoye oborudovaniye [Handbook on whey processing. Technologies, processes and apparatus, membrane and equipment]. St.Petersburg, Professiya Publ., 2015, 176p.
4. Varivoda A.A. Milk whey of membrane processing in processed cheese technology. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal [International Research Journal], 2014, V. 21, I.1, no.2, pp. 80-84 (in Russian).
5. Shokhalova V.N., Kuzin A.A., Dykalo N.Ya., Neronova E.Yu., Shokhalov V.A. Demineralization and neutralization of curd whey during nanofiltration. Molochnokhozyaystvennyy vestnik [Dairy Bulletin], 2016, V.21, no.1, pp. 98-104 (in Russian).
6. Properties of nanofiltration membranes; model development and industrial application / by Johannes M.K. Timmer. - Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2001.
7. Kostyukov D.M. Sovershenstvovanie protsessa proizvodstva sukhoy demineralizovannoy tvorozhnoy syvorotki. Kand. Diss. [Improvement in the production process of dry demineralized curd whey. Abstract of Cand. Diss.]. Vologda-Molochnoe, 2016, 25p.
8. Kharaev G.I. Baromembrannyye protsessy [Baromembrane processes]. Ulan-Ude,VSGTU Publ., 2005, 84p.
9. Kostyukov D. M., Kulenko V. G., Dykalo N. Ya., Kostyukov E. M., Shokhalov V. A., Shevchuk V. B. Regularities of curd whey concentration by nanofiltration. Molochnokhozyaystvennyy vestnik [Dairy Bulletin], 2012, V.5, I.1, no.1, pp. 32-36 (in Russian).
10. Khramtsov A.G., Nesterenko P.G. Tekhnologiya produktov iz molochnoy syvorotki [Technology of whey products]. Moscow, DeLi Print Publ., 2004, 13p.
Improvement of curd whey nanoconcentration process
Shutro Roman Vital'evich, a post-graduate student of the Technological Equipment Chair
e-mail: roma-shutro@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Shevchuk Vladimir Borisovich, Candidate of Science (Technics), associate professor of the Technological Equipment Chair e-mail: Vshevchuk@list.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kulenko Vladimir Georgievich, Candidate of Science (Technics), associate professor of the Technological Equipment Chair e-mail: techoblab@molochnoe.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Slavorosova Elena Viktorovna, a post-graduate student of the Technological Equipment Chair
e-mail: s3009e@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract. The article specifies the optimal parameters of curd whey nanofiltration and gives the scheme optimizing nanofiltration process control.
Keywords: curd whey, nanofiltration, concentration.
