СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЫВОРОТКИ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ФОСФОРА
METHOD OF PRODUCING SERUM WITH LOW PHOSPHORUS CONTENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, содержание фосфора в которой понижено.
По настоящей заявке испрашивается приоритет по японской патентной заявке № 2009-220086, поданной 25 сентября 2009 года, содержание которой введено здесь ссылкой в полном объеме.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подсырная сыворотка является побочным продуктом производства сыра. Как правило, эту сыворотку используют в качестве сырьевого материала для получения сывороточного белка или лактозы, или используют в качестве сырьевого материала для улучшения вкуса хлеба или сладкой выпечки, в качестве сырьевого материала для получения напитков или в качестве сырьевого материала для получения смеси для детского питания или аналогичного им.
Однако при использовании сыворотки в качестве сырьевого материала для получения смеси для детского питания ввиду того, что сыворотка включает большое количество минеральных веществ, существуют ограничения для потенциальных применений полученной в результате смеси для детского питания.
Как правило, для достижения композиции, аналогичной грудному молоку, смесь для детского питания получают с содержанием белка в пределах от 9,5 до 11 г и содержанием фосфора в пределах от около 6,8 ммоль на 100 г порошкообразного продукта. Дополнительно композиция белка в смеси для детского питания, как правило, состоит из 40% казеина и 60% сывороточного белка для достижения композиции аналогичной грудному молоку.
Проводят деминерализацию изолята сывороточного белка высокой степени очистки или концентрата сывороточного белка с удалением многих минеральных веществ, включая фосфор, что позволяет получить композицию, которую можно использовать в композиции смеси для детского питания с содержанием белка и содержанием фосфора, близким к таковому в грудном молоке.
Однако продолжают проводиться исследования микроэлементов, находящихся в грудном молоке, которые по существу очень важны для новорожденных грудных детей, и в максимальной степени желательно использовать смеси для детского питания, в которых используют подсырную сыворотку или другие сырьевые материалы, полученные из молока, содержащие микроэлементы молока, которые прошли удаление компонентов, таких как фосфор, который может присутствовать в количествах, избыточных для грудных детей.
Например, в случае, когда в качестве источника казеина используют кислотный казеин (казеин: 84%, фосфор: 23 ммоль/100 г), то содержание казеина можно легко контролировать, но по возможности предпочтительно в качестве источника сывороточного белка в максимальной степени использовать обезжиренное сухое молоко (казеин: 27,2%, сывороточный белок: 6,8%, фосфор: 31 ммоль/100 г) с сывороткой.
В этом случае сыворотка имеет содержание фосфора в пределах от 18 до 22 ммоль/100 г сухих веществ, и такое содержание фосфора должно быть снижено до не более чем в пределах от 6 до 12 ммоль/100 г сухих веществ. Следовательно, продолжает существовать необходимость в развитии технологии, способной приблизить смеси для детского питания к композиции грудного молока, при этом очень важно снижение содержания фосфора в сыворотке.
Одной из технологий снижения содержания фосфора в сыворотке является способ с использованием ионообменной смолы (смотрите, например, непатентный документ 1).
Дополнительно известные способы получения сыворотки с низким содержанием фосфора включают (A) способы, в которых используют только ионообменную смолу (смотрите, например, патентный документ 1), (B) способы, в которых деминерализацию сначала проводят при использовании электродиализной или нанофильтрационной (NF) мембраны или аналогичного им для снижения деминерализационной нагрузки на ионообменную смолу, и затем частично деминерализованную сыворотку пропускают через сильнокислотную катионообменную смолу и сильноосновную анионообменную смолу (смотрите, например, патентный документ 2), или (C) способы, в которых сыворотку сначала пропускают через катионообменную смолу в водородной форме и анионообменную смолу в хлоридной форме, и затем подвергают электродиализу или нанофильтрации (смотрите, например, патентный документ 3).
В способе, описанном в непатентном документе 1, сыворотку сначала пропускают через катионообменную смолу, регенерированную в водородную форму, с замещением таким образом катионов металла ионами водорода и с получением на выходе из ионообменной смолы кислого элюата. Затем элюат пропускают через анионообменную смолу, регенерированную в гидроксидную форму, с замещением, таким образом, анионов (цитрат, фосфат, хлорид или лактат) ионами гидроксида для деминерализации. Этот способ позволяет достичь высокого показателя деминерализации в пределах от 90 до 98%.
+
В способе получения сывороточного белка с низким содержанием фосфора, описанном в патентном документе 1, разведенный концентрат сывороточного белка имеет содержание сывороточного белка 70% масс. и pH разведенного раствора отрегулирован до 4 или ниже. Затем раствор последовательно контактирует с катионообменной смолой в H форме и анионообменной смолой с получением таким образом сывороточного белка с низким содержанием фосфора, в котором содержание фосфора снижено до в пределах не более чем 0,15 мг на 1 г белка.
В патентном документе 2 описывается способ концентрирования и деминерализации подсырной сыворотки, и в Примере 4 этого документа из раствора обезжиренной кислой подсырной сыворотки при использовании ультрафильтрации удаляют высокобелковые вещества, затем для проведения одновременного концентрирования и деминерализации используют мембрану обратного осмоса, по существу, с низким показателем обессоливания. Затем полученный сывороточный концентрат для деминерализации пропускают через сильнокислотную катионообменную смолу и сильноосновную анионообменную смолу ионообменного устройства со смешенным наполнителем.
В способе, описанном в патентном документе 3, концентрированную сыворотку сначала вводят в слабокатионную колонку или колонку с карбоновой кислотой для проведения ионообмена в пределах от 60 до 70% двухвалентных катионов на протоны, и ионообмена в пределах от 5 до 15% моновалентных катионов на протоны. Затем полученный в результате элюат вводят в колонку со смешенным наполнителем, содержащим сильнокатионную ионообменную смолу и сильноанионную ионообменную смолу, заменяя таким образом оставшиеся ионы кальция и магния протонами. Дополнительно, ионы натрия и калия также заменяют протонами, и сульфатные анионы подвергают ионообмену на ионы хлора с выходом сильно кислотного элюата (pH в пределах от 2 до 2,5). Этот элюат вводят в устройство для электродиализа и удаляют большую часть анионов хлора и большую часть протонов. Затем полученный в результате продукт пропускают через сильную анинообменную смолу для замены ионов цитрата и фосфата ионами хлора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[Патентный документ 1] японская патентная публикация (по гранту) № 3411035.
[Патентный документ 2] японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № Sho 58-175438.
[Патентный документ 3] японская патентная публикация (по гранту) № 3295696
НЕПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[Непатентный документ 1].
Milk Comprehensive Dictionary [Miruku Sogo Jiten], published by Asakura 15 Publishing Co., Ltd., first edition January 20, 1992, стр. 375-377.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
Кальций и магний являются важными нутриентами, уровни потребления которых установлены во многих странах. В Японии эти уровни потребления приведены в «Dietary Reference Intakes for Japanese (2005)». Однако в Японии согласно докладам, таким как «Results of National Health and Nutrition Survey 2005», нутритивная достаточность таковых, рекомендованная к потреблению с пищей, не адекватна. В результате широко распространены пищевые продукты, обогащенные кальцием и магнием, и добавки. Кальций и магний являются нутритивными компонентами, которые могут быть указаны в составе пищевого продукта с заданной нутритивной функцией, и при удовлетворении определенным требованиям пищевые продукты могут быть указаны как обогащенные кальцием или магнием. Таким образом, широко признается важность кальция и магния в питании.
Молочные продукты считаются высококачественным источником кальция, и сыворотка не является исключением, также хорошим источником кальция является сыворотка с низким содержанием фосфора, содержание которого в ней было понижено.
Другими словами, предпочтительна сыворотка с низким содержанием фосфора, в которой сохранено изначальное содержание кальция и магния сыворотки, используемой в качестве сырья, но при этом снижено содержание фосфора.
Дополнительно, в таких случаях, когда сыворотку используют в качестве сырьевого материала для смеси для детского питания, как правило, предпочтительно, чтобы в сыворотке было снижено содержание натрия и калия, и, следовательно, желательно получить сыворотку с низким содержанием фосфора, в которой сохранено изначальное содержание кальция и магния сыворотки, используемой в качестве сырья, но при этом снижено содержание фосфора, натрия и калия.
Однако способы, описанные в указанных выше патентных документах 1-3 и непатентном документе 1, все включают стадию деминерализации при использовании катионообменной смолы, и это приводит к удалению не только моновалентных катионов, но также двухвалентных катионов, таких как кальций и магний, которые имеют высокую нутритивную ценность.
Например, в Таблице II-4.3 в непатентном документе 1 показатель деминерализации, приведенный для сыворотки, которая была деминерализована при использовании ионообменной смолы, составляет 97%, а композиция после деминерализации, приведенная на 100 г сухих веществ, включая общее содержание кальция и магния, составляет 5,43 ммоль/100 г сухих веществ, содержание фосфора составляет 10 ммоль/100 г сухих веществ, и общее содержание натрия и калия составляет 1,71 ммоль/100 г сухих веществ, что указывает на то, что была удалена большая часть кальция и магния.
Дополнительно, в способе, описанном в патентном документе 1, целевые показатели на 1 г белка составляют не более чем 0,227 мг кальция, не более чем 0,057 мг магния и не более чем 0,15 мг фосфора (эквивалентные показатели рассчитаны относительно содержания сухих веществ в сыворотке, которая содержит 12% масс. белка, как общее содержание кальция и магния, составляющее не более чем 0,0961 ммоль/100 г сухих веществ, и содержание фосфора, составляющее более чем 0,0581 ммоль/100 г сухих веществ), что указывает на отсутствие технологии, позволяющей сохранить кальций и магний.
Настоящее изобретение было разработано в свете указанных выше обстоятельств, и объект настоящего изобретения относится к способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, в которой было снижено содержание фосфора, но при этом не снижено содержания кальция и магния.
Дополнительно, в предпочтительном варианте объект настоящего изобретения относится к способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, в которой может быть снижено содержание фосфора, натрия и калия, но при этом не снижено содержания кальция и магния.
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ НАСТОЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
В результате интенсивных исследований, нацеленных на достижение указанных выше объектов, авторы настоящего изобретения установили, что прохождение жидкой, используемой в качестве сырья сыворотки с низким содержанием хлора через ионообменную смолу в хлоридной форме, содержание фосфора может быть эффективно снижено, при этом не снижено содержания кальция и магния.
Дополнительно, авторы настоящего изобретения также установили, что при использовании для деминерализационной обработки прошедшего обработку при использовании анионообменной смолы элюата с пониженным содержанием фосфора методом нанофильтрации может быть снижено содержание натрия и калия, при подавлении снижения содержания кальция и магния, и что если во время деминерализационной обработки молярное соотношение содержания хлора относительно общего содержания натрия и калия (хлор/(натрий+калий)) в целевой обрабатываемой жидкости, поданной на деминерализационную обработку нанофильтрацией, высокое, то проницаемость для натрия и калия при нанофильтрации повышается с получением улучшенного деминерализационного эффекта.
В одном из аспектов настоящее изобретение относится к способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, способ включает проведение деминерализационной обработки при использовании нанофильтрации, проведение первой стадии деминерализации используемой в качестве сырья жидкой сыворотки с получением жидкой сыворотки с низким содержанием хлора, содержание хлора в которой снижено до не более чем 30 ммоль на 100 г сухих веществ, и стадию прохождения жидкой сыворотки с низким содержанием хлора через ионообменную смолу, где ионообменная смола представляет анионообменную смолу, и в качестве анионообменной смолы используют по меньшей мере анионообменную смолу в форме хлорида.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где pH используемой в качестве сырья жидкой сыворотки составляет в пределах от 6 до 7, и pH жидкой сыворотки с низким содержанием хлора и pH элюата на выходе из анионообменной смолы составляют для обеих в пределах от 6 до 7.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где содержание хлора в жидкой сыворотке с низким содержанием хлора составляет не более чем 20 ммоль на 100 г сухих веществ.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где в сыворотке с низким содержанием фосфора содержание фосфора составляет не более чем 12 ммоль на 100 г сухих веществ, и общее содержание кальция и магния составляет по меньшей мере 10 ммоль на 100 г сухих веществ.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где способ дополнительно включает вторую стадию деминерализации путем обработки элюата, полученного при прохождении через анионообменную смолу, деминерализационной обработкой при использовании способа нанофильтрации.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где молярное соотношение содержания хлора относительно общего содержания натрия и калия (хлор/(натрий + калий)) в целевой обрабатываемой жидкости, поданной на деминерализационную обработку на второй стадии деминерализации, составляет по меньшей мере 0,35.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где способ включает стадию прохождения жидкой сыворотки с низким содержанием хлора не более чем 30 ммоль на 100 г сухих веществ через ионообменную смолу, где ионообменная смола представляет анионообменную смолу, и в качестве анионообменной смолы используют по меньшей мере анионообменную смолу в форме хлорида, где pH жидкой сыворотки с низким содержание хлора составляет в пределах от 6 до 7, и pH элюата, полученного при прохождении через анионообменную смолу, составляет в пределах от 6 до 7.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где содержание хлора в жидкой сыворотке с низким содержанием хлора составляет не более чем 20 ммоль на 100 г сухих веществ.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где содержание фосфора в сыворотке с низким содержанием фосфора составляет не более чем 12 ммоль на 100 г сухих веществ, и общее содержание кальция и магния составляет по меньшей мере 10 ммоль на 100 г сухих веществ.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где способ дополнительно включает деминерализационную обработку нанофильтрацией элюата, полученного при прохождении через анионообменную смолу.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к указанному выше способу получения сыворотки с низким содержанием фосфора, где проводят деминерализационную обработку нанофильтрацией элюата, полученного при прохождении через анионообменную смолу, молярное соотношение содержания хлора относительно общего содержания натрия и калия (хлор/(натрий+калий)) в целевой обрабатываемой жидкости, поданной на деминерализационную обработку, составляет по меньшей мере 0,35.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к сыворотке с низким содержанием фосфора, которая является идеальной для получения смеси для детского питания.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение позволяет получить сыворотку с низким содержанием фосфора, в которой содержание фосфора снижено, при подавлении при этом снижения содержания кальция и магния.
Дополнительно, проведение указанной выше второй стадии деминерализации позволяет получить сыворотку с низким содержанием фосфора, в которой снижено содержание фосфора, натрия и калия, при подавлении при этом снижения содержания кальция и магния.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На Фиг. 1 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь для серий тестовых примеров между снижением фосфора при прохождении через анионообменную смолу в хлоридной форме и содержанием хлора перед прохождением через анионообменную смолу.
ВАРИАНТЫ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее настоящее изобретение будет описано более детально.
Используемая в качестве сырья жидкая сыворотка.
При получении сыра, казеина, казеина натрия или йогурта или аналогичного им в качестве сырьевого материала используют молоко, полученное от коров, коз или овец или аналогичное им, оставшаяся прозрачная жидкость после удаления фракции молочного сгустка известна как сыворотка. Сыворотка, используемая в настоящем изобретении, может представлять необработанную сыворотку, полученную простым отделением фракции молочного сгустка; обработанную сыворотку, полученную обработкой необработанной сыворотки проведением предварительной обработки, такой как обезжиривание и/или удаление белка; или порошкообразный продукт, полученный обработкой необработанной сыворотки или предварительно обработанной сыворотки при использовании традиционных способов сушки, таких как распылительная сушка или лиофильная сушка. Также могут быть использованы коммерчески доступные порошкообразные сыворотки, и в идеале порошкообразные сыворотки, в которых содержание хлора снижено проведением предварительной обработки.
Используемая в качестве сырья жидкая сыворотка может представлять любую жидкость, содержащую сыворотку, и жидкая сыворотка может быть просто использована как таковая или может быть использована в виде водного раствора порошкообразной сыворотки. Если требуется, также в качестве используемой в качестве сырья жидкой сыворотки может быть использован концентрат, полученный предварительным концентрированием жидкости.
Сыворотка и используемая в качестве сырья жидкая сыворотка предпочтительно нейтральны. В частности, pH используемой в качестве сырья жидкой сыворотки предпочтительно составляет в пределах от 5,5 до 7,4, и более предпочтительно в пределах от 6 до 7.
pH, составляющий в приведенных выше пределах используемой в качестве сырья жидкой сыворотки, не нуждается в проведении нейтрализации и поэтому последующая стадия деминерализации может быть проведена при использовании способа нанофильтрации, и стадия прохождения жидкой сыворотки через ионообменную смолу может быть проведена в нейтральной области, и может быть предотвращено разрушение или денатурация сывороточного белка, кислотное расщепление или щелочная реакция сахаров. Дополнительно, отсутствует какая-либо опасность снижения срока службы нанофильтрационной мембраны, даже если используют мембрану с низкой щелочеустойчивостью.
Первый вариант воплощения изобретения
Первая стадия деминерализации
Первая стадия деминерализации представляет стадию деминерализационной обработки нанофильтрацией используемой в качестве сырья жидкой сыворотки с получением жидкой сыворотки с низким содержанием хлора.
Способ нанофильтрации представляет способ, включающий стадию отделения обрабатываемой целевой жидкости, которая подана на нанофильтрацию, для деминерализационной обработки с получением пермеата, прошедшего через нанофильтрационную мембрану, и ретентата, не прошедшего через мембрану.
Нанофильтрационная (NF) мембрана представляет мембрану, расположенную в области между ультрафильтрационными (UF) мембранами и обратноосмотическими (RO) мембранами, а нацеленную на разделение частиц с показателями молекулярной массы в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч дальтон, что эквивалентно молекулярному размеру в нанометровой области. Наряду с минеральными веществами, сахарами, аминокислотами, витаминами и тому подобными эти частицы имеют малую молекулярную массу и низкую способность проникновения через нанофильтрационную мембрану.
Хотя конкретные примеры нанофильтарционных мембран включают DL, DK и HL серии мембран от GE Water Technologies, Inc., SR-3 серии мембран от Koch Membrane Systems Inc., DOW-NF серии мембран от Dow Chemical Company, и NTR серии мембран от Nitto Denko Corporation (каждый из которых является названием продукта), они не ограничивают потенциальный список.
В зависимости от предполагаемого применения финальной полученной сыворотки с низким содержанием фосфора может быть выбрана подходящая нанофильтрационная мембрана для получения заданной композиции сыворотки с низким содержанием фосфора.
Способы нанофильтрации являются идеальными для проведения селективной деминерализации моновалентных минеральных веществ и поскольку демонстрируют высокий показатель обессоливания для кальция и магния, они могут быть использованы для снижения содержания хлора в используемой в качестве сырья сыворотке, при подавлении снижения при этом содержания кальция и магния.
Другими словами, при деминерализационной обработке используемой в качестве сырья жидкой сыворотки с использованием нанофильтрационной мембраны ионы хлора, содержащиеся в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке, проникают через нанофильтрационную мембрану и переходят в пермеат. В противоположность двухвалентные катионы минеральных веществ почти не проникают через нанофильтрационную мембрану и сохраняются в ретентате.
Следовательно, при использовании способа нанофильтрации может быть получен ретентат (жидкая сыворотка с низким содержанием хлора), в котором снижено содержание хлора, при подавлении при этом снижения содержания кальция и магния в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке.
При деминерализационной обработке нанофильтрацией pH обрабатываемой жидкости почти не изменяется. Следовательно, при использовании нейтральной используемой в качестве сырья жидкой сыворотки может быть получена нейтральная жидкая сыворотка с низким содержанием хлора. pH жидкой сыворотки с низким содержанием хлора составляет в пределах от 5,5 до 7,4, и более предпочтительно в пределах от 6 до 7.
Устройство для нанофильтрации, используемое в настоящем изобретении, может быть соответствующим образом выбрано из устройств предшествующего уровня техники.
Например, устройство может включать мембранный модуль, содержащий нанофильтрационную мембрану, питающий насос, который подает обрабатываемую целевую жидкость на мембранный модуль, устройство, которое удаляет пермеат, прошедший через нанофильтрационную мембрану, из мембранного модуля, и устройство, удаляющее ретентат, который не прошел через нанофильтрационную мембрану из мембранного модуля. Аппарат работает по периодическому принципу и также включает танк для используемой в качестве сырья жидкости, содержащий обрабатываемую целевую жидкость перед подачей на мембранный модуль, и устройство, которое возвращает ретентат, удаленный из мембранного модуля, обратно в танк с используемой в качестве сырья жидкостью.
Операция мембранного разделения может быть проведена с использованием периодической системы концентрирования, в которой пермеат удаляют, а ретентат возвращают в танк с используемой в качестве сырья жидкостью. Дополнительно к стадиям удаления пермеата и возврата ретентата в танк с используемой в качестве сырья жидкостью также система может быть обеспечена стадией диафильтрации, на которой в танк с используемой в качестве сырья жидкостью добавляют объем воды, эквивалентный удаленному пермеату. Дополнительно, непрерывная система, в которой обрабатываемая целевая жидкость подается непрерывно в мембранный модуль, и также непрерывно удаляют ретентат и пермеат. Также возможна комбинация двух систем.
При периодической системе концентрирования деминерализация и концентрирование могут быть проведены одновременно. Также за счет проведения диафильтрации может быть достигнута более высокая степень деминерализации.
Содержание хлора в жидкой сыворотке с низким содержанием хлора, полученной на первой стадии деминерализации, а именно в жидкости, которую затем пропускают через анионообменную смолу, как указано ниже, составляет, как правило, не более чем 30 ммоль, предпочтительно не более чем 20 ммоль и более предпочтительно не более чем 15 ммоль на 100 г сухих веществ. При условии, что содержание хлора в жидкой сыворотке с низким содержанием хлора составляет 30 ммоль или менее, содержание фосфора может быть снижено более легко при прохождении жидкой сыворотки с низким содержанием хлора через анионообменную смолу в хлоридной форме. Дополнительно, если содержание хлора в жидкой сыворотке с низким содержанием хлора составляет 20 ммоль или менее, то эффективность процесса снижения содержания фосфора значительно улучшается.
Содержание хлора в жидкой сыворотке с низким содержанием хлора может контролироваться через степень деминерализации, достигаемую при использовании способа нанофильтрации, и может быть дополнительно снижено, например, увеличением времени деминерализационной обработки.
Другими словами, количество удаляемого хлора рассчитывают как (объем пермеата) x (концентрация хлора в пермеате), и, следовательно, снижение может быть продолжено за счет продолжения деминерализационной обработки при условии, что продолжает образовываться пермеат и пермеат включает хлор.
Хотя нет конкретных ограничений по нижнему пределу содержания хлора, становится все труднее и труднее снизить содержание хлора при усилении деминерализационной обработки. Как правило, фактическое содержание хлора составляет 5 ммоль или более на 100 г сухих веществ.
На первой стадии деминерализации деминерализационная обработка нанофильтрацией может быть проведена два или более раза с изменением условий.
Дополнительно, в таких случаях, когда сыворотка в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке представляет прошедшую предварительную обработку сыворотку, и содержание хлора в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке составляет около 30 ммоль или менее на 100 г сухих веществ, используемая в качестве сырья жидкая сыворотка нуждается в обработке на первой стадии деминерализации и может быть использована без модификации в качестве жидкой сыворотки с низким содержанием хлора для прохождения через анионообменную смолу. В таких случаях, когда содержание хлора в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке превышает 20 ммоль, но составляет не более чем 30 ммоль на 100 г сухих веществ, используемую в качестве сырья жидкую сыворотку предпочтительно подвергают первой стадии деминерализации для снижения содержания хлора до не более чем 20 ммоль на 100 г сухих веществ, для более эффективного снижения содержания фосфора используют ионообмен.
В таких случаях, когда содержание хлора в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке составляет не более чем 20 ммоль на 100 г сухих веществ, используемая в качестве сырья жидкая сыворотка может быть как пропущена через анионообменную смолу без проведения первой стадии деминерализации, так и подвергнута обработке на первой стадии деминерализации для дополнительного снижения содержания хлора.
Прохождение через анионообменную смолу
Жидкую сыворотку с низким содержанием хлора, содержание хлора в которой снижено проведением первой стадии деминерализации, затем пропускают через ионообменную смолу.
Ионообменная смола в настоящем изобретении состоит из анионообменной смолы. Другими словами, не проводят обработку прохождением жидкой сыворотки через катионообменную смолу.
Анионообменная смола включает по меньшей мере анионообменную смолу в хлоридной форме.
Прохождение жидкой сыворотки через анионообменную смолу предпочтительно проводят в нейтральной области. В частности, pH жидкой сыворотки с низким содержанием хлора, прошедшей через анионообменную смолу, и pH элюата (здесь и далее указанный как «прошедшая ион-обмен сыворотка») - оба предпочтительно находятся в пределах от 5,5 до 7,4, и более предпочтительно в пределах от 6 до 7.
По этой причине ионообменную смолу в OH-форме предпочтительно не использовать в качестве анионообменной смолы и предпочтительно использовать только ионообменную смолу в форме хлорида в качестве анионообменной смолы. Дополнительно, прохождение жидкости через анионообменную смолу в OH-форме приводит к получению щелочной жидкости, что ингибирует, таким образом, выделение фосфора и делает трудным снижение содержания фосфора, и это является другой причиной, по которой применение анионообменной смолы в OH-форме нежелательно.
В качестве анионообменной смолы в хлоридной форме может быть использована анионообменная смола, переведенная в хлоридную форму заранее при использовании солевого раствора или соляной кислоты. Конкретные примеры ионообменной смолы включают продукты IRA402BL и IRA958 от Rohm and Haas Company, и PA316 от Mitsubishi Chemical Corporation (каждый из которых является названием продукта).
Однако они не ограничивают потенциальный список и в зависимости от предполагаемого применения финальной полученной сыворотки с низким содержанием фосфора может быть выбрана подходящая анионообменная смола для получения заданной композиции сыворотки с низким содержанием фосфора.
Прохождение жидкой сыворотки с низким содержанием хлора через анионообменную смолу в форме хлорида приводит к снижению содержания фосфора в сыворотке. В результате может быть получена прошедшая ионообмен жидкая сыворотка с пониженным содержанием фосфора. С другой стороны, содержание двухвалентных катионов минеральных веществ снижается только очень незначительно при прохождении через анионообменную смолу в хлоридной форме.
Следовательно, может быть получена прошедшая ионообмен жидкая сыворотка с пониженным содержанием фосфора, при подавлении снижения содержания кальция и магния.
Для достижения предпочтительного содержания фосфора в сыворотке с низким содержанием фосфора, приведенной ниже, содержание фосфора в прошедшей ионообмен жидкой сыворотке предпочтительно составляет не более чем 12 ммоль и более предпочтительно составляет 10 ммоль на 100 г сухих веществ.
Условия прохождения жидкости через анионообменную смолу в хлоридной форме могут быть установлены в соответствии с целевым показателем содержания фосфора в элюате, при условии, что условия не вызывают кристаллизацию лактозы.
В таких случаях, когда жидкость, содержащая сыворотку, проходит через анионообменную смолу в хлоридной форме, чем ниже содержание сухих веществ в объеме потока на единицу ионообменной способности ионообменной смолы, тем выше становится эффективность ионообмена, и тем выше снижение содержания фосфора как результат прохождения через смолу. Другими словами, если объем ионообменной смолы определен как A (единицы: л), а количество сухих веществ в элюате определено как В (единицы: кг), тогда при сравнении, проводимом при использовании той же смолы, содержание фосфора в элюате снижается как соотношение сухих веществ к объему смолы, представленному B/A. Дополнительно, для достижения большего снижения содержания фосфора в элюате концентрация сухих веществ в жидкости, прошедшей через смолу, предпочтительно снижена, и скорость потока предпочтительно снижена (замедленна).
Концентрация сухих веществ в жидкости, прошедшей через анионообменную смолу в хлоридной форме, составляет, например, предпочтительно в пределах от 4 до 40%, и более предпочтительно в пределах от 5 до 20%. Если содержание сухих веществ составляет менее чем 4%, то прохождение жидкости занимает больше времени, и ухудшается производительность. Дополнительно, чем ниже становится концентрация сухих веществ, тем больший показатель концентрации требуется установить при проведении концентрирования на последующих стадиях. Если концентрация сухих веществ превышает 40%, то вязкость жидкости становится слишком высокой, и повышается риск кристаллизации лактозы.
Скорость потока во время прохождения жидкости составляет, например, в пределах от 2 до 12 SV и более предпочтительно в пределах от 3 до 8 SV. Если скорость потока составляет менее чем 2 SV, то прохождение жидкости занимает больше времени, и ухудшается производительность. Если скорость потока превышает 12 SV, то увеличивается потеря давления. SV представляет относительный объем жидкости, проходящей через смолу за единицу времени, относительно объема ионообменной смолы, таким образом, что скорость потока при объеме жидкости, эквивалентном объему ионообменной смолы, проходящей через смолу за 1 час, считается равной 1 SV.
Температура, при которой жидкость пропускают через ионообменную смолу, предпочтительно составляет в пределах от 2 до 50°C и более предпочтительно в пределах от 3 до 15°C. Если эта температура составляет менее чем 2°C, то жидкость становится слишком вязкой. Дополнительно, если температура становится слишком низкой, то возникает опасность замерзания жидкости. В противоположность, если температура превышает 50°C, то возникает риск денатурации белка или покоричневения, или аналогичного им. Для подавления роста микроорганизмов температура предпочтительно составляет не более чем 10°C.
Полученная таким способом прошедшая ионообмен жидкая сыворотка (элюат) может быть использована без дополнительных модификаций в качестве жидкой сыворотки с низким содержанием фосфора или, если необходимо, может быть подвергнута одной или более пост-обработке при использовании традиционных способов. Эти пост-обработки предпочтительно представляют обработки, которые не вызывают повышение содержания фосфора в жидкости. Дополнительно, пост-обработки предпочтительно также не вызывают снижение содержания кальция и магния в жидкости.
Например, прошедшая ионообмен жидкая сыворотка может быть сконцентрирована с получением концентрированной жидкой сыворотки с низким содержанием фосфора. Дополнительно, если необходимо, полученная прошедшая ионообмен жидкая сыворотка может быть подвергнута концентрированию и затем подвергнута стадии сушки, такой как лиофильная сушка или распылительная сушка, с получением порошкообразной сыворотки с низким содержанием фосфора. Сыворотка с низким содержанием фосфора может быть использована в качестве сырьевого материала для других продуктов.
Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, прохождение жидкой сыворотки с низким содержанием хлора, прошедшей деминерализационную обработку нанофильтрацией через анионообменную смолу в хлоридной форме, позволяет получить сыворотку с низким содержанием фосфора, как проиллюстрировано в приведенных ниже Примерах. Дополнительно, в используемой в качестве сырья сыворотке подавлено снижение содержания кальция и магния.
Содержание фосфора в финальной сыворотке с низким содержанием фосфора предпочтительно составляет не более чем 12 ммоль и более предпочтительно не более чем 10 ммоль на 100 г сухих веществ.
Обеспечение содержания фосфора не более чем 12 ммоль удовлетворяет идеальному уровню для использования в смеси для детского питания.
Дополнительно, общее содержание кальция и магния в сыворотке с низким содержанием фосфора предпочтительно составляет по меньшей мере 10 ммоль на 100 г сухих веществ. В частности, общее содержание кальция и магния в сыворотке с низким содержанием фосфора составляет в пределах от 13 до 17 ммоль/100 г сухих веществ, что является идеальным для сырьевого материала, используемого в смеси для детского питания.
Полученная сыворотка с низким содержанием фосфора в варианте воплощения настоящего изобретения имеет благоприятное пониженное содержание фосфора, при подавлении снижения при этом содержания кальция и магния, содержащегося в используемой в качестве сырья сыворотке, и, следовательно, по существу, сыворотка с низким содержанием фосфора идеальна для использования в смеси для детского питания.
Смесь для детского питания представляет порошкообразное вещество, полученное, как технологической обработкой сырого молока, коровьего молока, центрифугированного молока или пищевого продукта, полученного при использовании такого молока в качестве сырьевого материала, так и при использовании такого молока или пищевого продукта в качестве основного сырьевого материла с последующим добавлением нутриентов, необходимых для грудных детей.
Второй вариант воплощения изобретения
В этом варианте воплощения изобретения вторую деминерализационную обработку проводят для деминерализации при использовании нанофильтрации прошедшей ионообмен жидкой сыворотки (элюат), полученной после первой стадии деминерализационной обработки, снижая таким образом содержание натрия и калия.
Первая стадия деминерализации/Первая стадия ионообмена
В данном варианте воплощения настоящего изобретения первую стадию деминерализации и прохождение жидкой сыворотки через анионообменную смолу (здесь и далее в данном варианте воплощения настоящего изобретения указана как «первая стадия ионообмена») проводят так же, как и в первом варианте воплощения настоящего изобретения.
На первой стадии деминерализационной обработки используемую в качестве сырья жидкую сыворотку подвергают деминерализационной обработке при использовании нанофильтрационной мембраны; хлорид, натрий, калий и тому подобные, содержащиеся в используемом в качестве сырья жидком пермеате сыворотки, проходят через нанофильтрационную мембрану и переходят в пермеат. Следовательно, при проведении первой стадии деминерализации получают ретентат (жидкая сыворотка с низким содержанием хлора), в котором содержание хлора в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке снижено, при подавлении снижения содержания кальция и магния, и в которой содержание натрия и калия также снижено.
Следовательно, на первой стадии ионообмена, когда жидкая сыворотка с низким содержанием хлора проходит через анионообменную смолу, содержание фосфора в жидкости снижается, а содержание хлора повышается. Соответственно, получают элюат (здесь и далее в данном варианте воплощения настоящего изобретения указан как «первая прошедшая ионообмен жидкая сыворотка»), в котором снижено содержание фосфора, при подавлении при этом снижения содержания кальция и магния в используемой в качестве сырья жидкой сыворотке, а содержание хлора повышено до уровня выше, чем таковой, в жидкой сыворотке с низким содержанием хлора. В данном варианте воплощения настоящего изобретения первую прошедшую ионообмен жидкую сыворотку, полученную таким образом, затем подают на вторую стадию деминерализации.
Вторая стадия деминерализации
Нанофильтрационная мембрана и устройство для нанофильтрации, используемые на второй стадии деминерализации, могут быть теми же, что и используемые на первой стадии деминерализации.
На второй стадии деминерализации проводят деминерализационную обработку первой прошедшей ионообмен жидкой сыворотки при использовании нанофильтрации, полученный ретентат (здесь и далее в данном варианте воплощения настоящего изобретения указан, как «вторая деминерализованная жидкая сыворотка»), в котором содержание натрия и калия в первой прошедшей ионообмен жидкой сыворотке снижено, при подавлении снижения при этом содержания кальция и магния.
На второй стадии деминерализации молярное соотношение содержания хлора относительно общего содержания натрия и калия (хлор/(натрий + калий)) (здесь и далее указанно как «соотношение Cl/(Na+K)») в целевой обрабатываемой жидкости, поданной на деминерализационную обработку нанофильтрацией, составляет по меньшей мере 0,35.
При условии, что соотношение Cl/(Na+K) составляет по меньшей мере 0,35, проницаемость для натрия и калия при нанофильтрации (здесь и далее указанная как «проницаемость (Na+K)») удовлетворительно высокая. Более предпочтительно соотношение Cl/(Na+K) составляет 0,5 или более.
В описании настоящей патентной заявки проницаемость (Na+K) является показателем, представленным формулой (1), приведенной ниже. Единицами для указания содержания натрия (здесь и далее указанно как «содержание Na») и содержания калия (здесь и далее указанное как «содержание K») являются ммоль/л жидкости.
Проницаемость (Na+K) = (общее содержание Na и К в пермеате)/(общее содержание Na и К в ретентате)...(1).
В данном варианте воплощения настоящего изобретения, если первую стадию ионообмена проводят способом, аналогичным таковому в первом варианте воплощения настоящего изобретения, таким образом, что содержание фосфора снижается до не более чем 12 ммоль на 100 г сухих веществ, то соотношение Cl/(Na+K) в полученной первой прошедшей ионообмен жидкой сыворотке, как правило, значительно больше, чем 0,35, например, как правило, 0,8 или более.
Дополнительно, на второй стадии деминерализации в таких случаях, когда нанофильтрацию проводят при использовании системы периодического концентрирования или диафильтрационной системы, проницаемость (Na+K) снижается, и эффективность деминирализации ухудшается, поскольку снижается соотношение Cl/(Na+K) в целевой обрабатываемой жидкости. Соответственно, соотношение Cl/(Na+K) в целевой обрабатываемой жидкости предпочтительно составляет 0,35 или более и более предпочтительно 0,5 или более, например, при прохождении обрабатываемой целевой жидкости через анионообменную смолу в хлоридной форме за второй промежуток времени.
В случае если соотношение Cl/(Na+K) первой прошедшей ионообмен жидкой сыворотки, поданной на вторую стадию деминерализации, составляет 0,8 или более, то легко может быть сохранено соотношение Cl/(Na+K) 0,35 или более до снижения содержания натрия и калия до заданного уровня, даже без обеспечения дополнительной стадии повышения содержания хлора в жидкой сыворотке.
Верхний предел соотношения Cl/(Na+K) может составлять 1,2 в случае, когда показатели содержания каждого из хлора, натрия и калия снижены в деминерализованной сыворотке, полученной по настоящему изобретению. В случае, когда относительно высокое содержание хлора может быть сохранено в сыворотке относительно натрия и калия, верхний предел соотношения Cl/(Na+K) может составлять 1,5.
Вторая стадия ионообмена
На второй стадии деминерализационной обработки для повышения содержания хлора в обрабатываемой целевой жидкости, подаваемой на нанофильтрационную деминерализационную обработку, стадия может быть обеспечена прохождением обрабатываемой целевой жидкости через анионообменную смолу в хлоридной форме (здесь и далее в данном варианте воплощения настоящего изобретения указана как «вторая стадия ионообмена») перед подачей обрабатываемой целевой жидкости на деминерализационную обработку. Эта вторая стадия ионообмена может повышать содержание хлора при подавлении снижения при этом содержания кальция и магния, и если содержание хлора составляет не более чем 30 ммоль на 100 г сухих веществ, то также не следует ожидать дополнительного снижения содержания фосфора за счет ионообмена.
Например, на второй стадии деминерализации после прохождения ретентата, полученного подачей на деминерализационную обработку нанофильтрацией первой прошедшей ионообмен жидкой сыворотки через анионообменную смолу в хлоридной форме (вторая стадия ионообмена), жидкая сыворотка может быть подана на вторую деминерализационную обработку нанофильтрацией. Указанное выше прохождение через анионообменную смолу в хлоридной форме (вторая стадия ионообмена) и деминерализационная обработка нанофильтрацией могут быть повторены поочередно множество раз, то в качестве финальной деминерализационной обработки проводят нанофильтрацию.
Дополнительно, в таких случаях, когда деминерализационную обработку проводят при использовании нанофильтрации с использованием системы периодического концентрирования, жидкую сыворотку из танка с используемым в качестве сырья материалом пропускают через анионообменную смолу в хлоридной форме и затем полученная в результате жидкость может быть возвращена в танк с используемым в качестве сырья материалом.
Дополнительно, в таких случаях, когда соотношение Cl/(Na+K) снижается во время деминерализационной обработки нанофильтрацией, соотношение Cl/(Na+K) может быть повышено за счет прохождения обрабатываемой целевой жидкости через анионообменную смолу в хлоридной форме, как указано выше.
Условия, при которых обрабатываемая целевая жидкость проходит через анионообменную смолу в хлоридной форме во время второй стадии ионообмена, могут быть установлены согласно целевому показателю содержания хлора в элюате, при условии, что условия не вызывают кристаллизации лактозы. Как указанно выше, чем ниже показатель соотношения сухих веществ к объему смолы = (количество сухих веществ в элюате)/(объем ионообменной смолы), или другими словами, чем ниже содержание сухих веществ в объеме потока на единицу ионообменной способности ионообменной смолы, тем выше становится эффективность ионообмена, и тем выше снижение содержания фосфора как результат прохождения через смолу. Следовательно, для достижения большего повышения содержания хлора в элюате концентрация сухих веществ в жидкости, прошедшей через смолу, предпочтительно снижена, и скорость потока предпочтительно снижена (замедленна).
Примеры предпочтительных условий прохождения жидкости через анионообменную смолу на второй стадии ионообмена такие же, как указанные для первой стадии ионообмена.
Ретентат (вторая деминерализованная жидкая сыворотка), полученный после финальной нанофильтрации, может быть использован как жидкая деминерализованная с низким содержанием фосфора сыворотка без дополнительной модификации. Дополнительно, если требуется, вторая деминерализованная жидкая сыворотка может быть подвергнута концентрированию или подвергнута сушке при использовании традиционного способа с получением порошкообразной деминерализованной сыворотки с низким содержанием фосфора. Однако считается, что сыворотка по настоящему изобретению более подвержена выпадению осадка под воздействием тепла по сравнению с традиционной сывороткой, и, следовательно, в таких случаях, когда желательно подавить выпадение осадка, может быть использована подходящая технология, такая как снижение температуры тепловой обработки, сокращение времени тепловой обработки или снижение концентрации сухих веществ во время нагревания.
Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, проведение дополнительной деминерализационной обработки нанофильтрацией прошедшей ионообмен жидкой сыворотки, полученной в первом варианте воплощения настоящего изобретения, позволяет получить сыворотку с низким содержанием фосфора, в которой содержание фосфора, натрия и калия в используемой в качестве сырья сыворотке снижено, при подавлении снижения при этом содержания кальция и магния.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения общее содержание натрия и калия в финальной деминерализированной сыворотке с низким содержанием фосфора предпочтительно составляет не более чем 40 ммоль и более предпочтительно не более чем 32 ммоль на 100 г сухих веществ.
Как указанно в первом варианте воплощения настоящего изобретения, содержание фосфора предпочтительно составляет не более чем 12 ммоль и более предпочтительно не более чем 10 ммоль на 100 г сухих веществ.
Дополнительно, как указанно выше, для первого варианта воплощения настоящего изобретения общее содержание кальция (здесь и далее указанное как «содержание Ca») и содержание магния (здесь и далее указанное как «содержание Mg») предпочтительно составляет по меньшей мере 10 ммоль на 100 г сухих веществ. Общее содержание кальция и магния составляет в пределах от 13 до 17 ммоль на 100 г сухих веществ, что является идеальным для сырьевого материала, используемого в смеси для детского питания.
ПРИМЕРЫ
Далее настоящее изобретение будет описано более детально при использовании приведенных ниже иллюстрирующих Примеров, приведенные примеры не ограничивают объем притязаний настоящего изобретения. Если ясно не указанно иное, то все «%», приведенные в описании, относятся к «% масс.».
Пример 1
Первая стадия деминерализации
Для растворения 5 кг порошкообразной подсырной сыворотки (белок: 13,0%, жир: 1,0%, углеводы: 76,2%, зола: 7,8%, влага: 2,0%, фосфор: 19 ммоль/100 г) добавляют воду с получением, таким образом, 55 кг используемой в качестве сырья жидкой сыворотки (pH 6,8).
Полученную таким образом используемую в качестве сырья жидкую сыворотку пропускают через нанофильтрационную мембрану (DL3840C-30D, от GE Water & Process Technologies, Inc.) и проводят деминерализационную обработку при использовании диафильтрационной системы. Другими словами, используют диафильтрационную систему, в которой ретентат возвращают в танк с используемой в качестве сырья жидкостью, при этом в танк с используемой в качестве сырья жидкостью добавляют объем воды, эквивалентный объему пермеата, поддерживая таким образом объем жидкости в танке с используемой в качестве сырья жидкостью на постоянном уровне, при проведении этой операции используют периодическую деминерализационную обработку до достижения массы пермеата 50 кг. Полученная таким образом жидкость внутри танка с используемой в качестве сырья жидкостью представляет в этот момент жидкую сыворотку с низким содержанием хлора. Масса этой собранной жидкой сыворотки с низким содержанием хлора составляет 64,0 кг с содержанием сухих веществ 4,4 кг.
Стадия ионообмена
Затем 64 кг полученной таким образом жидкой сыворотки с низким содержанием хлора с концентрацией сухих веществ около 6,9% пропускают через колонку, заполненную 4 л анионообменной смолы в хлоридной форме (IRA402BL, от Rohm and Haas Company) при скорости потока 6 SV и температуре жидкости в пределах от 5 до 10°C с получением таким образом 71,2 кг прошедшей ионообмен жидкой сыворотки (элюат) с концентрацией сухих веществ 6,0%. В этом Примере прошедшая ионообмен жидкая сыворотка представляет жидкую сыворотку с низким содержанием фосфора.
В Таблице 1 для каждой используемой в качестве сырья жидкой сыворотки, жидкой сыворотки с низким содержанием хлора и прошедшей ионообмен жидкой сыворотки приведены pH, общее содержание натрия (Na) и калия (K) на 100 г сухих веществ (в Таблице указано как Na+K), общее содержание Ca и Mg на 100 г сухих веществ (в Таблице указано как Ca+Mg), содержание фосфора (в Таблице указано как P), и содержание хлора (в Таблице указано как Cl). Единицы содержания минеральных веществ приведены как ммоль/100 г сухих веществ (это также приведено ниже).
Таблица 1
pH
Единицы: ммоль на 100 г сухих веществ
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
Используемая в качестве сырья жидкая сыворотка
6,8
93,2
16,9
19,3
46,3
Жидкая сыворотка с низким содержанием хлора
6,8
67,2
18,9
19,5
15,6
Прошедшая ионообмен жидкая сыворотка (жидкая сыворотка с низким содержанием фосфора)
6,6
67,9
15,6
10,8
72,0
Как видно из Таблицы 1, pH используемой в качестве сырья жидкой сыворотки, жидкой сыворотки с низким содержанием хлора и прошедшей ионообмен жидкой сыворотки по существу не изменен, все показатели pH находятся в пределах от 6,6 до 6,8.
По сравнению с используемой в качестве сырья жидкой сывороткой прошедшая ионообмен жидкая сыворотка демонстрирует удовлетворительное снижение содержания фосфора при минимальном снижении содержания кальция и магния.
Пример 2
В 71,2 кг прошедшей ионообмен жидкой сыворотки по Примеру 1 (концентрация сухих веществ: 6,0%, pH 6,6) добавляют достаточное количество воды до повышения массы до 78,7 кг. Расчет соотношения Cl/(Na+K) в прошедшей ионообмен жидкой сыворотке проводят на основе показателей Таблицы 1 с получением в результате 1,06. В этом Примере прошедшую ионообмен жидкую сыворотку используют в качестве обрабатываемой целевой жидкости, подавая ее сначала на деминерализационную обработку второй стадии деминерализации.
Вторая стадия деминерализации
Прошедшую ионообмен жидкую сыворотку подвергают деминерализационной обработке при использовании того же самого устройства для нанофильтрации, что на первой стадии деминерализации по Примеру 1. Другими словами, деминерализационную обработку проводят при использовании системы периодического концентрирования, в которой ретентат возвращают в танк с используемой в качестве сырья жидкостью до достижения массы пермеата 50 кг, и затем продолжают нанофильтрационную деминерализационную обработку при использовании диафильтрационной системы до достижения массы пермеата 13 кг (а именно общая масса пермеата 63 кг от начала деминерализационной обработки). Полученную таким образом жидкость внутри танка с используемой в качестве сырья жидкостью рассматривают как вторую жидкую деминерализованную сыворотку (деминерализованная жидкая сыворотка с низким содержанием фосфора). Масса собранной второй деминерализованной жидкой сыворотки составляет 24,8 кг, концентрация сухих веществ составляет 14,7%, и pH составляет 6,4.
В Таблице 2 приведена композиция на 100 г сухих веществ полученной второй деминерализованной жидкой сыворотки (деминерализованной жидкой сыворотки с низким содержанием фосфора).
Таблица 2
Единицы: г на 100 г сухих веществ
Единицы: ммоль на 100 г сухих веществ
Жир
Белок
Углеводы
Зола
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
1,0
12,7
83,7
2,5
18,7
14,4
10,8
18,4
Как видно из Таблицы 2, получена сыворотка с низким содержанием фосфора, удовлетворяющая сниженным показателям содержания фосфора, натрия и калия. Дополнительно, по сравнению с используемой в качестве сырья жидкой сывороткой снижение содержания кальция и магния минимально.
Расчет соотношения Cl/(Na+K) во второй деминерализованной жидкой сыворотке проводят на основе показателей Таблицы 2 с получением в результате 0,98. В этом Примере вторая деминерализованная жидкая сыворотка представляет жидкость, полученную после деминерализации финальной обрабатываемой целевой жидкости, подавая ее на нанофильтрационную деминерализационную обработку, соотношение Cl/(Na+K) не может быть больше, чем таковое у финальной обрабатываемой целевой жидкости, поданной на нанофильтрационную деминерализационную обработку. Соответственно, поскольку соотношение Cl/(Na+K) обрабатываемой целевой жидкости, поданной сначала на деминерализационную обработку второй стадии деминерализации (а именно прошедшей ионообмен жидкой сыворотки), составляет 1,06, а соотношение Cl/(Na+K) финальной целевой обрабатываемой жидкости, поданной на деминерализационную обработку, должно составлять по меньшей мере 0,98, очевидно, что соотношение Cl/(Na+K) обрабатываемой целевой жидкости может быть сохранено на уровне значительно выше, чем 0,35.
Пример 3
Первая стадия деминерализации
Для растворения 8 кг порошкообразной подсырной сыворотки (белок: 12,4%, жир: 1,1%, углеводы: 77,1%, зола: 5,6%, влага: 3,8%, фосфор: 19 ммоль/100 г), прошедшей предварительную обработку (деминерализация) нанофильтрацией, добавляют воду с получением таким образом 87 кг используемой в качестве сырья жидкой сыворотки.
При использовании той же самой нанофильтрационной мембраны, что и в Примере 1, проводят периодическую деминерализационную обработку при использовании диафильтрационной системы до достижения массы пермеата 24 кг. Полученную таким образом жидкость внутри танка с используемой в качестве сырья жидкостью рассматривают как жидкую сыворотку с низким содержанием хлора.
Стадия ионообмена
Затем из 87 кг полученной жидкой сыворотки с низким содержанием хлора удаляют 66,7 кг (сухие вещества: 6 кг). В удаленный образец добавляют достаточное количество воды с получением 75,1 кг жидкости с концентрацией сухих веществ около 8%, и эти 75,1 кг жидкости пропускают через колонку, заполненную 6 л той же анионообменной смолы в хлоридной форме, что и по Примеру 1, при скорости потока 6 SV и температуре жидкости в пределах от 5 до 10°C с получением 76,1 кг прошедшей ионообмен жидкой сыворотки (элюат) с концентрацией сухих веществ 7,4%. В этом Примере прошедшая ионообмен жидкая сыворотка представляет жидкую сыворотку с низким содержанием фосфора.
В Таблице 3 для каждой используемой в качестве сырья жидкой сыворотки, жидкой сыворотки с низким содержанием хлора и прошедшей ионообмен жидкой сыворотки приведены pH, общее содержание Na и K на 100 г сухих веществ, общее содержание Ca и Mg на 100 г сухих веществ, содержание фосфора и содержание хлора.
Таблица 3
pH
Единицы: ммоль на 100 г сухих веществ
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
Используемая в качестве сырья жидкая сыворотка
6,4
60,0
19,5
19,7
17,3
Жидкая сыворотка с низким содержанием хлора
6,4
53,6
19,8
19,2
11,6
Прошедшая ионообмен жидкая сыворотка (жидкая сыворотка с низким содержанием фосфора)
6,1
55,0
16,3
9,5
67,5
Как видно из Таблицы 3, pH используемой в качестве сырья жидкой сыворотки, жидкой сыворотки с низким содержанием хлора и прошедшей ионообмен жидкой сыворотки по существу не изменен, все показатели pH находятся в пределах от 6,1 до 6,4. По сравнению с используемой в качестве сырья жидкой сывороткой прошедшая ионообмен жидкая сыворотка демонстрирует удовлетворительное снижение содержания фосфора при минимальном снижении содержания кальция и магния.
Пример 4
В 76,1 кг прошедшей ионообмен жидкой сыворотки по Примеру 3 (концентрация сухих веществ: 7,4%, pH 6,1) добавляют достаточное количество воды до повышения массы до 83,2 кг. Расчет соотношения Cl/(Na+K) в прошедшей ионообмен жидкой сыворотке проводят на основе показателей Таблицы 3 с получением в результате 1,23. В этом Примере прошедшую ионообмен жидкую сыворотку используют в качестве обрабатываемой целевой жидкости, подавая ее сначала на деминерализационную обработку второй стадии деминерализации.
Вторая стадия деминерализации
Прошедшую ионообмен жидкую сыворотку подвергают деминерализационной обработке при использовании того же самого устройства для нанофильтрации, что на первой стадии деминерализации по Примеру 3. Другими словами, деминерализационную обработку проводят при использовании системы периодического концентрирования, в которой ретентат возвращают в танк с используемой в качестве сырья жидкостью, до достижения массы пермеата 45 кг. Затем продолжают нанофильтрационную деминерализационную обработку при использовании диафильтрационной системы до достижения массы пермеата 25 кг (а именно общая масса пермеата 70 кг от начала деминерализационной обработки). Полученную таким образом жидкость внутри танка с используемой в качестве сырья жидкостью рассматривают как вторую жидкую деминерализованную сыворотку (деминерализованную жидкую сыворотку с низким содержанием фосфора). Масса собранной второй деминерализованной жидкой сыворотки составляет 30 кг, концентрация сухих веществ составляет 14,0%, и pH составляет 6,2.
В Таблице 4 приведена композиция на 100 г сухих веществ полученной второй деминерализованной жидкой сыворотки (деминерализованной жидкой сыворотки с низким содержанием фосфора).
Таблица 4
Единицы: г на 100 г сухих веществ
Единицы: ммоль на 100 г сухих веществ
Жир
Белок
Углеводы
Зола
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
1,2
12,5
84,3
2,0
13,9
11,0
8,9
16,3
Как видно из Таблицы 4, получена сыворотка с низким содержанием фосфора, удовлетворяющая сниженным показателям содержания фосфора, натрия и калия. Дополнительно, по сравнению с используемой в качестве сырья жидкой сывороткой снижение содержания кальция и магния минимально.
Расчет соотношения Cl/(Na+K) во второй деминерализованной жидкой сыворотке проводят на основе показателей Таблицы 4 с получением в результате 1,17. В этом Примере поскольку вторая деминерализованная жидкая сыворотка представляет жидкость, полученную после деминерализации финальной обрабатываемой целевой жидкости, поданной на нанофильтрационную деминерализационную обработку, соотношение Cl/(Na+K) обрабатываемой целевой жидкости, поданной на нанофильтрационную деминерализационную обработку, должно составлять по меньшей мере 1,17. Другими словами, очевидно, что соотношение Cl/(Na+K) обрабатываемой целевой жидкости может быть сохранено на уровне значительно выше, чем 0,35.
Сравнительный пример 1
В этом Примере проводят только деминерализационную обработку при использовании нанофильтрации, таким образом, не проводят стадию прохождения жидкости через ионообменную смолу. Деминерализационную обработку проводят таким образом, чтобы объем пермеата был больше, чем таковой, полученный на первой стадии деминерализационной обработки по Примеру 1.
Другими словами, для растворения 5,6 кг порошкообразной подсырной сыворотки (белок: 12,6%, жир: 1,0%, углеводы: 76,8%, зола: 8,08%, влага: 1,6%, фосфор: 18,3 ммоль/100 г) добавляют воду с получением таким образом 100 кг используемой в качестве сырья жидкой сыворотки (pH 6,9).
Полученную, таким образом, используемую в качестве сырья жидкую сыворотку подвергают периодической деминерализационной обработке при использовании той же самой нанофильтрационной мембраны, что и в Примере 1, до достижения массы пермета 50 кг.
Затем деминерализационную обработку продолжают проведением трех повторов стадии нанофильтрации, на которых в ретентат добавляют 50 кг воды и проводят деминерализацию до получения дополнительных 50 кг пермеата. Полученная таким образом жидкость внутри танка с используемой в качестве сырья жидкостью представляет деминерализованную жидкую сыворотку (Сравнительный пример).
В Таблице 5 для каждой используемой в качестве сырья жидкой сыворотки и деминерализованной жидкой сыворотки (Сравнительный пример) приведены общее содержание Na и K на 100 г сухих веществ, общее содержание Ca и Mg на 100 г сухих веществ, содержание фосфора и содержание хлора.
Таблица 5
Единицы: ммоль на 100 г сухих веществ
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
Используемая в качестве сырья жидкая сыворотка
93,2
16,6
18,6
47,9
Деминерализованная жидкая сыворотка (Сравнительный пример)
49,5
18,5
18,2
1,8
В этом примере деминерализационную обработку нанофильтрацией продолжают до достижения значительно более высокой массы пермеата по сравнению с таковой, полученной в Примере 1, но почти без снижения содержания фосфора. Общее содержание Na и К в полученной жидкости значительно выше, чем целевой показатель 40 ммоль/100 г, и содержание фосфора значительно выше, чем 12 ммоль/100 г.
Сравнительный пример 2
В этом Примере перед прохождением используемой в качестве сырья жидкости через анионообменную смолу не проводят деминерализационную обработку нанофильтрацией, но проводят ее после прохождения через анионообменную смолу.
Другими словами, для растворения 6,6 кг порошкообразной подсырной сыворотки (белок: 13,2%, жир: 0,9%, углеводы: 76%, зола: 7,9%, влага: 2,1%, фосфор: 21,2 ммоль/100 г, хлор: 42,6 ммоль/100 г) добавляют воду с получением таким образом 93 кг используемой в качестве сырья жидкой сыворотки (pH 6,8).
Полученную таким образом используемую в качестве сырья жидкую сыворотку пропускают через колонку, заполненную 5 л анионообменной смолы в хлоридной форме по Примеру 1 с получением 99,2 кг (сухие вещества: 6,3 кг) элюата (прошедшей ионообмен жидкой сыворотки). Для повышения массы до 108 кг в элюат добавляют достаточное количество воды и проводят деминерализационную обработку, подавая жидкость в то же самое устройство для нанофильтрации, что и используемое в Примере 1.
Условия прохождения используемой в качестве сырья жидкой сыворотки через анионообменную смолу в хлоридной форме включают скорость потока 6 SV и температуру жидкости в пределах от 5 до 10°C.
Показатель pH элюата (прошедшей ионообмен жидкой сыворотки) составляет 6,5.
Деминерализационную обработку нанофильтрацией проводят при использовании системы периодического концентрирования, в которой ретентат возвращают в танк с используемой в качестве сырья жидкостью до достижения массы ретентата 68,6 кг. Полученную таким образом жидкость внутри танка с используемой в качестве сырья жидкостью рассматривают как деминерализованную жидкую сыворотку (I). Общая масса деминерализованной жидкой сыворотки (I) составляет 39 кг, содержание сухих веществ составляет 15,6%, и pH составляет 6,3.
Затем периодическую нанофильтрацию продолжают при использовании диафильтрационной системы, деминерализацию проводят до достижения массы пермеата 39,0 кг. Полученную таким образом жидкость внутри танка с используемой в качестве сырья жидкостью рассматривают как деминерализованную жидкую сыворотку (II). pH деминерализованной жидкой сыворотки (II) составляет 6,3.
В Таблице 6 для каждой используемой в качестве сырья жидкой сыворотки, элюата (прошедшей ионообмен жидкой сыворотки) и деминерализованной жидкой сыворотки (II) приведены общее содержание Na и K на 100 г сухих веществ, общее содержание Ca и Mg на 100 г сухих веществ, содержание фосфора и содержание хлора.
Таблица 6
Единицы: ммоль на 100 г сухих веществ
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
Используемая в качестве сырья жидкая сыворотка
98,2
17,6
21,7
43,5
Прошедшая ионообмен жидкая сыворотка
97,1
15,4
19,0
92,1
Деминерализованная жидкая сыворотка (II)
23,4
15,6
19,4
13,1
Поскольку в этом Примере не проводят первоначально деминерализационную обработку нанофильтрацией, то используемую в качестве сырья жидкую сыворотку, содержащую 43,5 ммоль хлора на 100 г сухих веществ, просто пропускают через анионообменную смолу в хлоридной форме, содержание фосфора в элюате (прошедшей ионообмен жидкой сыворотке) почти не изменилось по сравнению с используемой в качестве сырья жидкой сывороткой.
Тестовый пример 1
В этом Примере исследуют взаимосвязь между снижением содержания хлора и фосфора на первой стадии деминерализации и снижением содержания фосфора, когда полученная в результате деминерализованная жидкость проходит через ионообменную смолу.
Первая стадия деминерализации
Для растворения 10,5 кг порошкообразной подсырной сыворотки (белок: 13,1%, жир: 0,8%, углеводы: 76,2%, зола: 7,9%, влага: 2,0%, общее содержание натрия и калия: 94,5 ммоль/100 г, общее содержание кальция и магния: 17,5 ммоль/100 г, фосфор: 21,7 ммоль/100 г, хлор: 43,2 ммоль/100 г) добавляют воду с получением таким образом 115 кг используемой в качестве сырья жидкой сыворотки (pH 6,7).
Затем для снижения концентрации хлора в полученной используемой в качестве сырья жидкой сыворотке проводят деминерализационную обработку при использовании той же самой нанофильтрационной мембраны, что и в Примере 1, при использовании диафильтрационной системы, в которой ретентат возвращают в танк с используемой в качестве сырья жидкостью с добавлением, при этом в танк с используемой в качестве сырья жидкостью объема воды, эквивалентного объему пермеата. Во время этой деминерализационной обработки четыре 10-ти кг образца жидкости периодически удаляют из ретентата (жидкая сыворотка с низким содержанием хлора). Включая используемую в качестве сырья жидкость, pH всех пяти образцов жидкости (образцы номер 1-5) составляет 6,8. Композиция минеральных веществ каждого образца жидкости приведена в Таблице 7.
Стадия ионообмена
Около 2 кг каждого полученного образца жидкости подвергают лиофильной сушке с получением серии порошкообразных образцов. Для растворения 22,5 г каждого порошкообразного образца добавляют в воду с получением водных растворов с концентрацией сухих веществ 7%. Каждый водный образец пропускают через колонку, заполненную 15 мл той же самой анионообменной смолы в хлоридной форме, что и в Примере 1, при скорости потока в пределах от 5 до 6 SV и температуре жидкости в пределах от 5 до 10°C, заранее определенный объем элюата собирают от начала выхода элюата из колонки (первый сбор), и также собирают заранее определенный объем последующего элюата (второй сбор). Собранный объем жидкости представляет объем эквивалентный около 10 г сухих веществ в случае первого сбора (соотношение сухих веществ к объему смолы: в пределах от 0 до 0,67), и объем эквивалентный около 12,5 г сухих веществ во втором сборе (соотношение сухих веществ к объему смолы: в пределах от 0,67 до 1,5). Таким образом, для каждого образца жидкости с номерами 1-5 получают элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67, и элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0,67 до 1,5 с получением всего 10 образцов прошедшей ионообмен жидкой сыворотки. pH всех образцов составляет 6,6.
Композиция минеральных веществ каждого из этих образцов прошедшей ионообмен жидкой сыворотки приведена в Таблице 8. В Таблице для композиции элюата с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67 (элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы пределах от 0 до 0,67) просто приведены показатели для анализа, в то время как композиции элюата с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 1,5 (элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 1,5) приведены средневзвешенные показатели показателей для анализа для элюата с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67 и показатели для анализа для элюата с соотношением сухих веществ к смоле в пределах от 0,67 до 1,5. Единицы показателей содержания минеральных веществ представляют ммоль/100 г сухих веществ.
На Фиг. 1 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь между снижением фосфора, рассчитанным как разница между содержанием фосфора в жидкости (элюате) после прохождения через анионообменную смолу в хлоридной форме и содержанием фосфора в образце (жидкая сыворотка с низким содержанием хлора) перед прохождением через анионообменную смолу, и содержанием хлора в образце (жидкая сыворотка с низким содержанием хлора) перед прохождением через анионообменную смолу, где горизонтальная ось представляет содержание хлора перед прохождением через анионообменную смолу (единицы: ммоль/100 г сухих веществ), а вертикальная ось представляет снижение фосфора (единицы: ммоль/100 г сухих веществ).
Таблица 7
Номер образца
Единицы: ммоль/100 г сухих веществ
Na+K
Ca+Mg
P
CI
1 (Используемая в качестве сырья жидкая сыворотка)
96,4
17,8
22,2
44,0
2 (Жидкая сыворотка с низким содержанием хлора)
79,6
18,5
22,1
27,0
3 (Жидкая сыворотка с низким содержанием хлора)
71,5
18,7
22,0
17,3
4 (Жидкая сыворотка с низким содержанием хлора)
66,7
19,3
22,4
11,4
5 (Жидкая сыворотка с низким содержанием хлора)
60,1
19,5
22,3
5,7
Таблица 8
Элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67
Элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 1,5
Номер образца
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
Na+K
Ca+Mg
P
Cl
1
100,2
14,7
13,3
105,0
100,4
14,1
18,6
93,0
2
87,4
15,5
11,4
79,9
85,1
14,6
16,8
74,1
3
75,5
16,0
10,8
84,0
75,2
15,0
16,3
72,0
4
70,2
16,1
9,6
82,6
69,3
15,3
14,5
68,5
5
63,4
16,5
7,4
79,8
63,4
15,7
11,7
66,6
Основываясь на результатах, приведенных в Таблице 7 и 8 и на Фиг. 1, сравнение элюата с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67 и элюата с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 1,5 позволяет заключить, что элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67 демонстрирует после ионообмена значительно большее снижение содержания фосфора и значительно большее повышение содержания хлора.
Другими словами, эффективность ионообмена более высокая для меньшего соотношения сухих веществ к объему смолы.
Когда используемая в качестве сырья сыворотка имеет содержание хлора 44 ммоль/100 г сухих веществ (образец 1), то при прохождении через анионообменную смолу элюат с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 1,5 почти не демонстрирует снижение содержания фосфора, и даже в элюате с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67 содержание фосфора не может быть снижено до уровня не более чем 12 ммоль/100 г.
Когда содержание хлора в жидкости (жидкая сыворотка с низким содержанием хлора) для прохождения через анионообменную смолу в хлоридной форме составляет не более чем 30 ммоль/100 г сухих веществ (образец 2), снижение содержания фосфора повышенно, а для элюата с соотношением сухих веществ к объему смолы в пределах от 0 до 0,67 содержание фосфора может достигать не более чем 12 ммоль/100 г.
Когда содержание хлора в жидкости (жидкая сыворотка с низким содержанием хлора) для прохождения через анионообменную смолу в хлоридной форме составляет не более чем 20 ммоль/100 г сухих веществ (образцы 3-5), снижение содержания фосфора значительно повышено, и чем ниже содержание хлора, тем выше снижение содержания фосфора.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Настоящее изобретение позволяет получить сыворотку с низким содержанием фосфора, в которой при снижении содержания фосфора не снижается содержание кальция и магния.
Дополнительно, обеспечение указанного выше способа второй стадией деминерализации позволяет получить сыворотку с низким содержанием фосфора, в которой содержание фосфора, натрия и калия снижено, при подавлении снижения содержания при этом кальция и магния, и, следовательно, настоящее изобретение может быть использовано при получении пищевых продуктов.