Производство ультраконцентратов кукурузного экстракта на мембранных установках

УДК 664.2: 66.081.6

производство ультраконцентратов кукурузного экстракта на мембранных установках

В.Л. КУДРЯШОВ1, кандидат технических наук, зав. лабораторией

Н.Д. ЛУКИН2, доктор технических наук, зам. директора

Д.Н. ЛУКИН2 , кандидат экономических наук, зав. отделом

всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии, ул. Самокатная, 4б, Москва,111033, Российская Федерация

2Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация

Резюме. В статье охарактеризована отечественная технология производства концентрированного кукурузного экстракта с использованием современных установок, основанных на баромембранных процессах ультрафильтрации и обратного осмоса. Их применение в две стадии позволяет изготавливать высококачественные ультраконцентраты кукурузного экстракта с высоким содержанием белка и других биологически активных веществ, отвечающие требованиям не только комбикормовой, но и пищевой, медицинской и микробиологической промышленности. Применение баромембранных процессов в отличие от использования вакуум-выпарных установок исключает образование меланоидинов, которые не расщепляются пищеварительными ферментами. Концентрирование экстракта на мембранных установках происходит при более низкой температуре (порядка 45 °С), чем на вакуум-выпарной (порядка 60 °С), что приводит к уменьшению термической денатурации белков и других биологически активных веществ. Энергетическая составляющая себестоимости производства концентрированного кукурузного экстракта на основе мембранных процессов снижается в 4,5 раза. Использование выработанных в условиях ОАО «Хоботовское предприятие «Крахмалопродукт» образцов концентрированного кукурузного экстракта обеспечило повышенный выход лизина, «кислой» протеазы, каротиноидных и пекарских дрожжей при биосинтезе, чем концентрат, изготовленный на вакуум-выпарной установке. Ультраконцентрат отличается более высокими потребительскими свойствами, он прозрачен, прошел холодную «стерилизацию», обладает лучшей растворимостью и имеет светло-желтый цвет (подобный цвету сгущенного молока). Ключевые слова: ббаромембранные процессы, ультрафильтрация, обратный осмос, вакуум-выпаривание, кукурузный экстракт, ультраконцентрат кукурузного экстракта, энергозатраты.

Для цитирования: Кудряшов В.Л., Лукин Н.Д., Лукин Д.Н. Производство ультраконцентратов кукурузного экстракта на мембранных установках //Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №11. С. 105-107.

Одна из актуальных проблем кукурузокрахмального производства - очистка и концентрирование кукурузного экстракта (КЭ), который, наряду с мезгой, глюте-ном и зародышем, может служить ценным вторичным сырьем.

В связи с низкой хранимоспособностью нативный (исходный) кукурузный экстракт (НКЭ) концентрируют по известной технологии [1], как правило, на импортных вакуум-выпарных установках (ВВУ) с получением концентрированного КЭ (ККЭ), содержащего 35-45% сухих веществ (в статье обозначается аббревиатурой ВВУ-ККЭ).

Процесс выпаривания характеризуется такими недостатками, как интенсивное пено-, накипе- и на-гарообразование, а также относительно быстрый

коррозионным износом ВВУ. Но самое главное, выпаривание не может обеспечить необходимой для производства пищевых добавок и медпрепаратов химической и микробиологической чистоты конечного продукта.

Кроме того, упаренный концентрированный кукурузный экстракт имеет коричневый цвет, обусловленный интенсивным образованием меланоидинов, которые не расщепляются пищеварительными ферментами, а также могут ингибировать действие ряда ферментов (например, инвертазы и каталазы) и некоторые процессы микробиосинтеза [2].

Эффективное импортозамещение после вхождения РФ в ВТО возможно только при условии производства конкурентоспособной по критерию цена-качество продукции. Это зависит от стоимости и свойств сырья, квалификации персонала, а главное от использования эффективных, предпочтительно отечественных, технологий и оборудования, обеспечивающих низкие трудо- и энергозатраты, а также потери сырья. К их числу относятся технологии, основанные на применении мембранных процессов (МП), в которых используют полупроницаемые мембраны, позволяющие селективно разделять и концентрировать вещества находящиеся в растворенном состоянии в зависимости от их молекулярной массы [3]. Несмотря на спрос бизнеса на инновации, достаточно широкое применение МП в водоподготов-ке, пищевой и микробиологической отраслях [4-6], в крахмалопаточной промышленности РФ их до сих пор практически не используют.

Наибольшее распространение в АПК на сегодняшний день получили баромембранные процессы движущей силой, которых служит гидростатическое давление, а именно микрофильтрация (МФ), ультрафильтрация (УФ), нанофильтрация (НФ) и обратный осмос (ОО). Они отличаются низкими энергозатратами, легко автоматизируются и не требуют ручного труда.

С другой стороны, к наиболее актуальным проблемам кукурузокрахмального производства относятся очистка и концентрирование кукурузного экстракта [7], а также финишная и предварительная очистка различных видов сахаристых продуктов (мальтозная патока, глюкоза, глюкозо-фруктозные сиропы, фруктозы и др.) [8].

Цель исследований - оценить технико-экономическую эффективность и перспективу использования мембранных процессов для производства концентрированного кукурузного экстракта.

Условия, материалы и методы. Предмет исследования - нативный кукурузный экстракт. Общее содержание растворенных и взвешенных сухих веществ (СВ) в зависимости от метода замачивания и качества сырья в этом продукте составляет 5-12%, в том числе он содержит белки, аминокислоты, полипептиды, стимуляторы роста, микроэлементы и другие БАВ. При общем количестве азота около 8 мг% в его состав входят до 16 аминокислот, в том числе порядка 360 мг/г а.с.в. (абсолютно сухих веществ) связанных, 100 мг/г а.с.в. свободных, молочная кислота, а также витамины В1, В2, В5, В8, РР и Н [1].

Рис. 1. Блок-схема линии концентрирования НКЭ с использованием вакуум-выпарной установки: 1 - отстойник-флотатор; 2 - вакуум выпарная установка (ВВУ); 3 - конденсатор ВВУ; 4 - градирня.

Это крупнотоннажное вторичное сырье (10-15 м3/ч на заводе средней мощности), которое в сконцентрированном виде обычно используют в субстратах микробиологических производств, комбикормах, заменителях цельного молока и удобрениях.

По-нашему мнению, экстракт может быть перспективным сырьем и для производства пищевых добавок, а также некоторых медпрепаратов, например, лактатов магния (необходимы для функционирования клеток и поддержания ионного баланса в мышцах, в том числе миокарда); фитина (используется для стимуляции кроветворения, укрепления костной ткани и лечения некоторых нервных заболеваний); инозита (витамин В8, необходимый клеткам спинного и головного мозга, способствующий противодействию атеросклерозу и ожирению, поддержанию эластичности сосудов, стимуляции роста волос).

Перспективу имеет и производство препаратов биотина (в экстракте его содержится до 60 мкг/г а.с.в.), который в дополнение к ранее известным свойствам нормализует состояние костного мозга, клеток крови, нервных тканей, мужских семенных желез, волос, кожи, рост и развитие детей; снижает сахар при диабете II типа; участвует в восстановлении иммунитета, замедлении процессов старения, а также апробируется в инновационных методах в онкологии [9].

Экономическую эффективность линий с применением мембранных установок, в сравнении с ваккум-выпарными, оценивали исходя из паспортных данных выбранных марок промышленного оборудования обычно используемого для этих целей:

трехступенчатая вакуум-выпарная установка Т-Е-10-3-СВ - производительность по испаряемой влаге 10 т/ч; расход пара 0,36 т/т испаряемой влаги; расход охлаждающей воды 15 м3/ т испаряемой влаги; потребляемая мощность 140 кВт;

градирня вентиляторная ГРД-150М - расход охлаждаемой оборотной воды 156 м3/ч; потребляемая мощность 3,7 кВт;

циркуляционный насос оборотной воды 1Х 150-125315 - производительность 200 м3/ч; напор 32 м.в.ст.; потребляемая мощность привода - 55 кВт;

мембранная УФ-установка конструкции ВНИИПБТ, работающая в проточном режиме - потребление электроэнергии 8 кВт-ч/м3 пермеата;

мембранная ОО-установка конструкции ВНИИПБТ с рулонными мембранными элементами - потребление электроэнергии 4 кВт-ч/м3 пермеата.

Цена электроэнергии принята равной 4 руб/кВт-ч, пара - 640 руб./т.

Результаты и обсуждение. Создать конкурентоспособную импортозамещающую технологию и оборудование (как показали НИОКР и опытно-промышленные испытания, проведенные совместно ВНИИК, ВНИИПБТ и ОАО «Хоботовское предприятие «Крахмалопродукт») можно при условии использования мембранных установок (МУ) вместо вакуум-выпарных [10].

При этом задача производства высококачественного микробиологически чистого, соответствующего требованиям пищевой и медицинской промышленности концентрата кукурузного экстракта решается путем применения баромембранных процессов в 2-е стадии.

На первой стадии путем ультрафильтрации нужно полностью удалить из нативного экстракта остатки зерна, крахмала, другие взвешенные вещества и коллоиды и получить микробиологически чистый (благодаря холодной «стерилизации» на мембранах) кристально прозрачный (с коллоидным индексом SDI меньше 5,0) УФ-пермеат (фильтрат, прошедший через УФ-мембрану).

На второй стадии с помощью обратного осмоса этот УФ-пермеат необходимо сконцентрировать и получить глубокоочищенный ультраконцентрат кукурузного экстракта (УК-КЭ) с более высоким относительным содержанием белка и других биологически активных веществ благодаря одновременному удалению зольных и других низкомолекулярных балластных веществ.

Наряду с повышением качества концентрата кукурузного экстракта, использование мембранных установок позволяет устранить главные недостатки ВВУ - высокие инвестиционные и энергетические затраты.

Для объективной оценки затрат энергии и энергетической составляющей себестоимости производства концентрированного кукурузного экстракта были разработаны упрощенные блок-схемы переработки нативного кукурузного экстракта, основанные на использовании вакуум-выпарных или мембранных установок со строго одинаковой начальной производительностью - 13,8 м3/ч (рис. 1 и 2). Концентрация сухих веществ в использовавшемся в опытах сырье составляла 9%.

Сравнительные расчеты показали, что на линии с использованием вакуум выпарной установки (см. рис. 1) потребление электроэнергии ВВУ составляет 140 кВтч; градирней - 3,7 кВтч; насосом оборотной воды - 55 кВтч (всего 198,7 кВт-ч), потребление пара - 10 х 0,36 = 3,6 т/ч, выход концентрированного экстракта 3,75 м3/ч.

Энергосоставляющая себестоимости: (4 х 198,7 + 640 х 3,6):3,75 = 826 руб./т.

На линии с двумя мембранными установками (см. рис. 2) потребление электроэнергии УФ-установкой

Рис. 2. Блок-схема линии концентрирования НКЭ с использованием 2-х мембранных установок: 1 - отстойник-флотатор; 2 и 3 - мембранные ультрафильтрационная и об-ратноосмотическая установки.

равно 107,2 кВтч; ОО-установкой - 40,8 кВтч (всего 148 кВтч), выход концентрированного экстракта -3,2 м3/ч.

Энергосоставляющая себестоимости: (4 х 148) : 3,2 = 185 руб./т.

Таким образом, энергосоставляющая себестоимости концентрирования нативного кукурузного экстракта с применением мембранных установок в 4,5 раза меньше, чем с помощью вакуум-выпарных.

Следует отметить, что в РФ серийно выпускаются 6-и ступенчатые выпарки, которые по критерию цена-качество и особенно по энергозатратам значительно превосходят зарубежные аналоги. Но они эффективно работают в основном с жидкостями не содержащими взвесей и коллоидов, к которым относятся УФ-пермеаты. Поэтому, кроме представленных, перспективна также схема, основанная на сочетании УФ-установки с ВВУ, позволяющая сконцентрировать НКЭ до 70% СВ.

Процесс концентрирования экстракта в мембранных установках происходит при более низкой температуре (порядка 45 °С), чем в ВВУ (порядка 60 °С), что приводит к уменьшению термической денатурации белков и других БАВ и, следовательно, дает возможность производить ультраконцентрат кукурузного экстракта повышенного качества, пригодный для использования в пищевых добавках и медпрепаратах.

Опытно-промышленная партия УК-КЭ была наработана на экспериментальной линии с 2-мя мембранными установками в условиях ОАО «Хоботовское предприятие «Крахмалопродукт». Ультраконцентрат отличается более высокими потребительскими свойствами, он прозрачен, прошел холодную «стерилизацию», обладает лучшей растворимостью и имеет светло-желтый цвет (подобный цвету сгущенного молока).

Исследования, проведенные во ВНИИПБТ, показали, что использование ультраконцентрата обеспечивает повышенный выход лизина, «кислой» протеазы, каратиноидных и пекарских дрожжей при биосинтезе, чем ВВУ-ККЭ [11]. Причем наибольший рост эффективности выявлен при биосинтезе пекарских дрожжей, что естественно, так как в ультраконцентрате практически отсутствуют меланоидины при повышенном содержании биотина, инозита и пантотеновой кислоты, крайне необходимых для нормального роста дрожжей.

выводы. Сравнительные расчеты показали, что энергетическая составляющая затрат на концентрирование нативного кукурузного экстракта на мембранных установках меньше, чем в вакуум-выпарных, в 4,5 раза.

В связи с лучшими потребительскими свойствами на сконцентрированный с помощью мембран ультраконцентрат экстракта может быть установлена более высокая цена, чем на упаренный, что позволит сократить срок окупаемости инвестиций.

Литература.

1. Романенко В.Н., Филиппова Н.И. Комплексное использование сырья в крахмалопаточном производстве. М.: Агропро-миздат, 1985. 176 с.

2. Пигменты пищевых производств (меланоидины) /О.А. Селеменев, О.Б. Рудаков, Г.И. Славинская, Н.В. Дроздова. М.: ДеЛи принт, 2008. 246 с.

3. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. М.: ДеЛи принт, 2007. 208 с.

4. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. М.: ДеЛи плюс. 2013. 679 с.

5. Кудряшов В.Л. Роль и эффективность мембранных процессов при модернизации пищевой промышленности//Пищевая промышленность. 2012. №10. С. 14-16.

6. Безгин В.М., Козлов В.Е. Мембранное фракционирование биомолекул при промышленном изготовлении биопрепаратов // Вестник Курской госсельхозакадемии. 2012. № 9. С. 64-66.

7. Эффективные технологии переработки кукурузного экстракта на основе мембранных процессов./ В.Л. Кудряшов, Н.С. Погоржельская, Н.Д. Лукин, Т.А. Стельмах, С.И. Каширин, А.Д. Клишин// Тр. международ. науч.-прак. конф. «Глубокая переработка зерна для производства крахмала и сахаристых продуктов». М.: ООО «НИПКЦ Восход-А», 2013. С.137 -144.

8. Волков Н.В., Лукин Н.Д., Кудряшов В.Л. Использование процессов мембранного разделения паточных сиропов //Материалы 3-ей Конф. молодых ученых и специалистов Отделения «Хранения и переработки сельхозпродукции РАСХН.(10 дек. 2009г.)». М.: ГНУВНИИМП. С.89-91.

9. Громова О.А. Традиционные и новые взгляды на витамин Н (биотин) // Практика педиатра. 2007. №9.

10. Патент RU № 2521511. Способ очистки и концентрирования кукурузного экстракта. Заявл. 29.12.2012; опубл. 27.06.2014.

11. Ультраконцентрат кукурузного экстракта - перспективный компонент питательных сред: технология производства и перспектива использования /В.Л. Кудряшов, М.Б. Оверченко, Е.Н. Соколова, Н.А. Фурсова // Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов. М.: ВНИИПБТ, 2014. С. 379-385.

production of retentates of corn extract on membrane units

V.L. Kudryashov1, N.D. Lukin2, D.N. Lukin

'All-Russian Research Institute of Food Biotechnology, ul. Samokatnaya, 4b, Moskva, 111033, Russian Federation 2All-Russian Research Institute for Starch Products, ul. Nekrasova, 11, Kraskovo, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation Summary. The article characterizes the domestic technology of production of concentrated corn extract (CCE) using modern membrane units, based on the baromembrane processes (BMP) of ultrafiltration and reverse osmosis. Application of these processes in two stages enables to produce high-quality retentates of CCE with high content of protein and other biologically active substances, meeting the requirements of not only feeding, but also food, medicine and microbiological industries. Application of BMP in contrast to vacuum-evaporators excludes the formation of melanoidins, which are not digested by digestive enzymes. The concentration of extracts in the membrane units occurs at a lower temperature (about 45 degrees), than in vacuum-evaporators (about 60 degrees), which leads to the decrease in the thermal denaturation of proteins and other biologically active substances. The energy component in production cost of CCE can be reduced 4.5 times on the basis of membrane processes. The use of CCE samples, produced under conditions of OAO "Khobotovskoe Predpriyatie "Krakhmaloproduct", ensured higher output of lysine, "acid" protease, carotinoid and bakery yeast at the biosynthesis, than the concentrate, produced in the vacuum-evaporator. The retentate is characterized by higher consumer properties, since it is clear, underwent cold "sterilization", has better solubility and light-yellow color (similar to the color of the condensed milk).

Key words: baromembrane processes, ultrafiltration, reverse osmosis, vacuum-evaporation, corn extract, retentate of corn extract, energy cost.

Author Details: V.L. Kudryashov, Cand. Sc. (Tech.), head of laboratory (e-mail: vera_vikir@mail.ru); N.D. Lukin, D. Sc. (Tech.), deputy director; D.N. Lukin, Cand. Sc. (Econ.), head of division

For citation: Kudryashov V.L., Lukin N.D., Lukin D.N. Production of Retentates of Corn Extract On Membrane Units. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2015. V.29. No11. Pp. 105-107 (In Russ.).