Разработка баромембранной технологии переработки молочной сыворотки

РАЗРАБОТКА БАРОМЕМБРАННОИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ

МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

в. А. ТММкин,

кандидат технических наук, доцент,

Я. А. Минухин,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой,

И. П. ГАЯЬЧАК,

старший преподаватель, 620075, г. Екатеринбург, в. А. ЛАЗАРЕВ, ул. К. Либкнехта, д. 42; аспирант, Уральский государственный аграрный университет тел.: 8 (343) 371-33-63

Положительная рецензия представлена Ю. С. Рыбаковым, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой пищевой инженерии Уральского государственного экономического университета.

Известно, что проблема утилизации сыворотки является актуальной задачей для многих молочных предприятий — производителей сыра и творога [1]. Отношение к сыворотке как к отходу производства, сброс ее в канализацию, или того хуже — непосредственно в водные или другие природные объекты, говорит о низкой культуре производства на данном предприятии, нехозяйственном подходе как к окружающей среде, так и к собственным материальным ресурсам.

Так как молочная сыворотка богата многими ценными компонентами [2], то во всем цивилизованном мире принято ее перерабатывать, организуя безотходное производство. При этом комплексная переработка сыворотки позволяет получать уникальные и дорогие продукты — чистую лактозу, сухую деминерализованную молочную сыворотку и т. д. Организация такого производства не под силу многим предприятиям, так как требует больших финансовых вложений. Однако практика показывает, что даже такая не сложная переработка как концентрирование молочной сыворотки может привести к быстрой окупаемости вложений и получению прибыли предприятием. Сывороточный концентрат, с содержанием 20 % и более сухих растворенных веществ, может использоваться как самостоятельный продукт во многих отраслях пищевой промышленности [2], а также на собственном предприятии. Из него можно получить сухую сыворотку, организовав процесс сушки у себя, или отправляя концентрат на централизованную сушку.

В настоящее время для концентрирования молочной сыворотки предпочтительными являются баромембранные технологии [3, 4]. Обратный осмос, нанофильтрация и ультрафильтрация позволяют получать качественный продукт. При этом в концентрате остаются в нативном состоянии все белковые вещества, так как процесс протекает без нагрева сыворотки. Минимальны и затраты энергии по сравнению с концентрированием методом выпаривания. На рынке мембранного оборудования, на сегодняшний день, лидируют зарубежные фирмы GEA, APV, Tetra Pak, Alfa Laval. Их продукция имеет высокое качество, интересный дизайн, высокий уровень автоматизации и, как следствие, высокие цены.

Как показывает практика, существенной проблемой при переработке молочной сыворотки баромембранными методами, является необходимость ее тщательной подготовки перед подачей в мембранный блок. Подготовка заключается в осветлении сыворот-www.m-avu.narod.ru www.avu.usaca.ru

ки (отделение остатков жира и казеина) на центробежном сепараторе-сливкоотделителе или сепараторе — очистителе, пастеризации осветленной сыворотки (подавление заквасочных культур), выдержке пастеризованной сыворотки с целью осаждения фосфата кальция и других технологических операциях. Это обусловлено конструкцией мембранных элементов рулонного или спирального типа, применяемых зарубежными и отечественными разработчиками мембранного оборудования. Эти мембранные элементы очень чувствительны к механическим включениям в перерабатываемом продукте, а также содержанию в нем жира, особенно растительного происхождения. Недостаточно полная подготовка молочной сыворотки, связанная с нарушением технологии ее проведения или изменением состава исходной сыворотки, приводит к существенному снижению технических характеристик мембранных установок, а также к необходимости частой замены мембранных элементов.

Занимаясь решением задачи, связанной с необходимостью подготовки молочной сыворотки, мы пришли к выводу, что процесс концентрирования должен состоять как минимум из двух стадий — ультрафильтрации на первом этапе и нанофильтрации (обратном осмосе) на заключительном этапе. Причем, процесс ультрафильтрации необходимо осуществлять с применением керамических мембран, которые не требуют подготовки сыворотки. При этом срок эксплуатации керамических мембран в 3-5 раз больше по сравнению с полимерными мембранами, керамические мембраны значительно проще регенерируются.

Ниже приведены результаты исследований концентрирования подсырной сыворотки. Исследования проводились в лабораторных условиях (УрГСХА) и в условиях производства (ООО «Юговской комбинат молочных продуктов, ООО «РостАгроКомплекс»).

На лабораторной установке (рис. 1) были определены основные параметры оптимального режима процесса ультрафильтрации молочной сыворотки. В качестве исследуемых мембран были использованы керамические ультрафильтрационные мембраны производства ООО «НПО «Керамикфильтр». Как видно из графика (рис. 2), при допустимой проницаемости мембран, равной 40 х 10-3 м3/(м2 х ч), оптимальная скорость сыворотки над мембраной составила 1,5-2 м/с. Кроме того, было определено оптимальное давление при допустимой проницаемости мембран, которое составило 0,3 МПа (рис. 3).

Рисунок 1

Схема лабораторной мембранной установки: 1 — мембранная ячейка; 2 — насос; 3 — циркуляционный бак; 4 — бак для пермеата; 5 — манометр; 6 — ротаметр; 7 — вентиль регулировочный; 8 — охладитель; 9 —термопара;

10 — милливольтметр; 11 — сосуд Дьюара; 12 — разделитель; 13, 14 — вентили

Рисунок 3

Зависимость проницаемости мембран от давления

В производственных условиях работа осуществлялась на пилотной установке, изготовленной совместно с ООО «Молмашстрой» (Екатеринбург) (рис. 4). Установка состоит из ультрафильтрацион-ного и нанофильтрационного модулей. В ультра-фильтрационном модуле применялись мембраны КУФЭ — 19(0,02) НПО Керамикфильтр (Москва). В нанофильтрационном модуле применялись мембраны DOW ОТ245 (США).

Ультрафильтрационный модуль предназначен для разделения сыворотки путем ультрафильтрации на белковый концентрат (альбумин) и пермеат (лактоз-но-солевой водный раствор). Сыворотка подавалась в ультрафильтрационный модуль из сыроизготови-

Рисунок 2

График зависимости проницаемости от скорости течения

сыворотки над мембраной

Рисунок 4 Пилотная установка

теля, без какой либо подготовки. Получаемый в процессе разделения концентрат представлял собой раствор сливочной структуры, с содержанием сухих растворенных веществ около 20 %.

Пермеат представлял собой прозрачный раствор со слабым по окраске желто-зеленым цветом. Основным компонентом пермеата является лактоза. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля ультрафильтрации приведены в табл. 1.

www.m-avu.narod.ru м/м/м/, avu.usaca.ru

Таблица 1

Показатели исходного и конечного продуктов после модуля ультрафильтрации

Параметр Сыворотка Концентрат Пермеат

Белок общий, % 0,91 8,42 0,01

Лактоза, % 4,66 6,25 4,45

Жир, % 0,37 3,4 0,0

Минеральные вещества, % 0,50 2,10 0,45

СВ, % 6,5 20,17 4,91

Таблица 2

Показатели исходного и конечного продуктов после модуля нанофильтрации

Параметр Лактозно-солевой раствор Концентрат Пермеат

Белок общий, % 0,01 0,05 -

Лактоза, % 4,45 20,2 0,1

Жир, % 0,00 0,00 -

Минеральные вещества, % 0,45 0,9 0,4

СВ, % 4,91 21,15 0,5

Нанофильтрационный модуль предназначен для разделения лактозно-солевого водного раствора на концентрат лактозы и пермеат. Раствор подавался в нанофильтрационный модуль без какой либо подготовки. Получаемый в процессе разделения концентрат представлял собой прозрачный раствор с интенсивным по окраске желто-зеленым цветом, с содержанием сухих растворенных веществ более 20 %. Пермеат представлял собой практически чистую воду, с небольшим количеством солей. Показатели исходного и конечного продуктов после модуля нанофильтрации приведены в табл. 2.

Концентрат из обоих модулей смешивался в смесителе, в результате получился продукт (концентрат), имеющий сливочную структуру, содержание сухих веществ более 20 %, в том числе около 8 % белка.

Таким образом, проведенные исследования дали возможность разработать технологию и оборудование для переработки молочной сыворотки мембранными методами. Полученные результаты позволяют, на наш взгляд, внедрять высокотехнологичное, конкурентоспособное оборудование для переработки молочной сыворотки как на крупных молочных предприятиях, так и на предприятиях небольшой мощности.

Литература

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

2. Ожгихина Н. Н., Волкова Т. А. Рациональная переработка молочной сыворотки // Переработка молока. 2012. № 9.

3. Евдокимов И. А. Современное состояние и перспективы переработки молочной сыворотки // Переработка молока. 2011. № 9.

4. Минухин Л. А. Расчет сложных процессов теплообмена и массообмена в аппаратах пищевой промышленности. М. : Агропромиздат, 1986.

www.m-avu.narod.ru

www.avu.usaca.ru