Мембранные способы переработки молочного сырья

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

 

 

 

 

Кафедра технология сырья и

продуктов животного        

происхождения

           

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:

Общая технология отрасли

на тему:

Мембранные способы переработки молочного сырья

 

Выполнила:

 

.

 

Проверила:

 

Дата сдачи на кафедру 

 

Дата защиты 

 

            Оценка  

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………….…...…3

Мембранные методы обработки молочного сырья………… ………..…....6

Микрофильтрация……………………………………………….……..…...10

Ультрафильтрация………………………………………....…...….……..…13

Нанофильтрация…………………………………………………..…....…...19

Обратный осмос……………………………………………………….……23

Электродиализ……………………………………………………...…….…26

Диафильтрация……………………………………………………….….….31

Индивидуальное задание……………………………………...………..…..32

Заключение……………………………………………….……………..…..34

Литература………………………………………………………………..…36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Методы мембранной фильтрации – микрофильтрация, ультрафильтрация (УФ), нанофильтрация (НФ) и обратный осмос – это процессы, применяемые для фракционирования растворов, протекающие под давлением с использованием пористых полупроницаемых полимерных или неорганических материалов[4]. Технологии баромембранной фильтрации нашли широкое применение в различных отраслях промышленности для очистки или концентрирования жидких сред. Молочная промышленность была одной из первых отраслей, в которой методы мембранной фильтрации стали широко использоваться для разделения жидких компонентов систем. Внедрение процессов УФ и обратного осмоса в мировой практике началось в 1960-е годы после создания полимерных мембран I поколения (на основе ацетатцеллюлозы). Совершенствование технологий происходило в первую очередь за счет создания мембран нового поколения. Так, в 1970-е годы были созданы мембраны II поколения (на основе полисульфона), а затем мембраны III поколения (металлокерамические).

Отечественные научные исследования в области разработки и применения мембранных технологий в молочной промышленности были начаты во второй половине 1970-х годов, и уже в 1977 г. были выданы исходные требования на проектирование УФ-установок на мембранах I поколения [2]. Первые промышленные установки отечественного производства для УФ молока и сыворотки появились в середине 1980-х годов на нескольких заводах: ПЭЗ НПО «Углич», Владимирском молочном комбинате, Воронежском городском молочном заводе, производственно-экспериментальном заводе ВНИМИ, Александровском маслосырзаводе и др. Однако при разработке нового оборудования сказались недостаточность фундаментальных исследований в области мембранных процессов и отсутствие опыта конструирования. Одним из основных направлений считалась технология получения белковых концентратов для пищевых целей, что приводило к нерациональному использованию молочного сырья, к тому же промышленное производство моющих средств для мембранного оборудования так и не было организовано. В силу вышеперечисленных причин в то время, как отечественные разработчики конструировали установки с мембранами II поколения, в мире уже успешно внедрялись установки с керамическими мембранами. В начале 1990-х годов работы по внедрению технологии ультрафильтрации на молочных предприятиях практически прекратились вследствие сокращения бюджетного финансирования и разразившихся в стране политического и финансового кризисов. Начиная с 2000 г. отечественные производители молочных продуктов вновь стали проявлять интерес к мембранным технологиям, претерпевшим за прошедшее десятилетие значительные изменения.

Баромембранная фильтрация позволяет разделять жидкость на два потока – пермеат и ретентат. В зависимости от задачи определенные компоненты молочного сырья либо концентрируются, либо удаляются [8]. Процессы характеризуются низким энергопотреблением, например, за счет экономии пара, поскольку являются альтернативой вакуум-выпарному концентрированию, могут осуществляться при низких температурах (8–10 °С), что обеспечивает микробиологическую безопасность и позволяет сохранить ряд полезных веществ перерабатываемого сырья [12] (белки, в том числе сывороточные, в нативном состоянии, витамины, ферменты, гормоны).

Основным компонентом баромембранного оборудования являются полупроницаемые мембраны, которые можно разделить на две большие группы: из органических материалов (полимерные); из неорганических материалов (керамические). Мембраны обеих групп имеют свои преимущества и недостатки.

Преимущества керамических мембран: длительный срок эксплуатации (до 10 лет), высокая механическая прочность, устойчивость к воздействию химических веществ, щелочных и кислотных сред (рН 0–14), высокой температуре (до 300 °С). На начальных этапах разработки оборудования керамические элементы позволили оптимизировать конструкцию и создать новые технологии переработки молочного сырья. Основными недостатками керамических мембран являются: ограниченный диаметр пор, небольшая площадь активной поверхности мембранного элемента, повышенный расход моющих средств и энергии, как следствие, увеличение стоимости и сроков окупаемости оборудования.

В отличие от керамических, спиральные полимерные мембраны имеют большую площадь активной поверхности и более низкую стоимость, что обусловливает уменьшение размера и удешевление установки. Благодаря широкому диапазону размеров пор полимерные мембраны применяют в большинстве технологических процессов молочной промышленности. Недостаток полимерных мембран по сравнению с керамическими – более короткий срок службы (от 1 до 3 лет). В настоящее время полимерные элементы оказались более конкурентоспособными и получили широкое распространение в большинстве технологических процессов.

Применение методов мембранного концентрирования при переработке молочного сырья открывает для молоко-перерабатывающего предприятия значительные возможности со стороны как создания новых технологий и увеличения рентабельности производства, так и обеспечения экологической безопасности [11] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мембранные способы обработки молочного сырья

 

Мембранные процессы находят широкое применение для фракционирования и концентрирования жидких молочных продуктов. Использование этих процессов позволяет по новому решать вопросы переработки сырья и открывает возможности в разработке новых видов продуктов питания.

Мембранные методы обработки молочного сырья обычно классифицируют в соответствии с размером удерживаемых или пропускаемых фильтром частиц. Можно отметить 2 основных класса процессов: мембранный процесс фильтрации и обычная фильтрация частиц. Обычная фильтрация частиц употребляется при выделении взвешенных частиц более чем 10 мкм, в то время как мембранная фильтрация изолирует частички, величина которых меньше, чем 10 микрон. Между обычной фильтрацией и мембранной фильтрацией имеется некоторое количество немаловажных различий: 
- Структура фильтрационного материала. Фильтрационный материал с раскрытой и образованный структурой употребляется при обычной  фильтрации, а при мембранной фильтрации используется узкая мембрана с контролируемым размером пор. 
- Воздействие давления. При мембранной фильтрации, влияние-движущая сила процесса, а при обычной фильтрации влияние используется лишь, чтоб ускорить процесс. 
- Конструктивное оформление процесса. При обычной  фильтрации поток фильтруемой среды ориентирован перпендикулярно поверхности фильтра, в то время как фильтрация может проводиться в раскрытой системе. При мембранной фильтрации, поток фильтруемой среды направляется параллельно  поверхности фильтра, а поток, проникающий  через мембрану (пермеат) движется перпендикулярно поверхности фильтра. Это так называемая  фильтрация в поперечном потоке или тангенциальная фильтрация. Мембранная фильтрация обязана проводится в замкнутой системе. 
- Степень разделения. При обычной  фильтрации выделяемые частички могут быть отсоединены полностью от жидкости, а мембранная фильтрация дозволяет лишь концентрировать  выделяемые частички в меньшем объеме относительного  начального размера жидкости .

Схема переработки с помощью мембранных методов на рисунке 1

рисунок 1-схема переработки с помощью мембранных методов

 
Достоинства мембранных способов:

-невысокая энергоемкость

-разделение многокомпонентных систем без фазовых превращений отдельных компонентов

-возможность ведения  технологического процесса при  низких температурах, что исключает  потерю свойств некоторых компонентов

-возможность получения  продукта заданных размеров и  свойств

Мембранная фильтрация позволяет отсоединять частицы диаметром меньше, чем диаметры пор мембраны от жидкого сырья с помощью давления в мембране. Подаваемое сырье разделено на 2 потока: пермеат- содержащий воду, и частички меньше мембранных пор. Ретентат- содержащий воду, и частички крупнее мембранных пор. Мембранные методы обработки подразделяются на:

1) Ультрафильтрация- это процесс фильтрации под давлением 0,1-0,5 МПа с помощью полупроницаемых мембран, с размерами пор 50-100 нм. Концентрат включает все сывороточные белки.

2) Обратный осмос-разделение растворов через полупроницаемые мембраны с порами размером меньше 50 нм при давлении 1-10 МПа. Через мембрану проходит вода, а все остальные части задерживаются мембраной.

3) Нанофильтрация – это процесс обратного осмоса с использованием сравнительно открытой мембраны, пропускающей воду и маленькие одновалентные ионы (Na+, Cl).

4) Микрофильтрация – это процесс разделения компонентов в поточном режиме, давление не превышает 0,3Мпа, через полупроницаемую мембрану с диаметром пор до 1000 нм [2].

Основная характеристика мембранных процессов разделения молока представлена в таблице 1.

Таблица 1. Основная характеристика мембранных процессов разделения молока

Показатель	Микрофильтрация	Ультрафильтрация	Обратный осмос
Средний диаметр частиц, мкм	10-0,1	0,1-0,003	0,003-0,0001
Рабочее давление, МПа	0,02-0,2	0,2-1,0	3,5-8,0
Частицы концентрата	Микрочастицы	Макромолекулы, коллоидные частицы	Гидратированные ионы
Задерживаемые частицы	Кишечная палочка, стафилококки, молочнокислые бактерии	Сывороточные белки, мицеллы казеина, бактериофаги	Ионы натрия, калия, кальция
Загрязнения полупроницаемых мембран	Осадок микрочастиц	Гель	Слой слаборастворимых солей

 

 

Эффективность мембранных способов в значительной мере зависит от рН среды, ионной силы, прилагаемого давления и величины потока жидкости.

Успешно применяется УФ для концентрации сывороточных белков творожной сыворотки. Сывороточно-белковые концентраты и фильтраты, главным образом,  используются при выработке традиционных и новых видов продуктов питания, отличающихся повышенной биологической ценностью, а в частности при производстве продуктов диетического, лечебного и детского питания [10].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микрофильтрация

 

Микрофильтрация – это процесс разделения компонентов в поточном режиме, давление не превышает 0,3Мпа, через полупроницаемую мембрану с диаметром пор до 1000 нм. Основные направления применения микрофильтрации: снижение количества микроорганизмов и фракционирование молочных белков.

Снижение количества микроорганизмов в сырье оказывает положительное влияние в следующих случаях:

Производство питьевого молока с длительным сроком хранения. По сравнению с традиционной тепловой обработкой, при которой микроорганизмы инактивируются, а химический состав молока меняется, микрофильтрация физически удаляет бактерии, споры, мертвые клетки и разнообразные примеси, обеспечивая микробиологическую безопасность, не вызывая нежелательных изменений в химическом составе молока.

Подготовка молока для производства сыров. Природное содержание в молоке анаэробных спор, таких как клостридии, выдерживающих общепринятые режимы пастеризации и вызывающих вспучивание сыров на заключительной стадии созревания, снижается при микрофильтрации. Более того, микрофильтрация позволяет избежать или значительно снизить использование ингибиторов (например, нитратов), обеспечивая получение сыворотки без консервантов.

Производство сухого молока и сухой сыворотки. Микрофильтрация значительно улучшает качество сухого молока и сыворотки посредством снижения количества бактерий и спор в жидком сырье, при этом тепловая обработка сводится к минимуму, что способствует сохранению функциональных свойств сывороточных белков в сухом продукте.

Санация сырного рассола. Рассол для посолки сыров может содержать нежелательные микроорганизмы, и его на предприятиях традиционно подвергают различным видам обработки: тепловой, обработке ультрафиолетом, добавлению консервантов и т.п. Микрофильтрация является альтернативой этим видам обработки, так как предотвращает нежелательные последствия микробиологического загрязнения.

Фракционирование молочных белков. Целесообразно осуществлять для решения ряда технологических задач.

Стандартизация количества белка в молоке при производстве сыра. Нормализация состава сырья в сыроделии является одним из важнейших условий стабильности процесса производства и постоянства качества готовой продукции. Микрофильтрация позволяет фракционировать казеин и сывороточные белки, таким образом, поддерживать нужный уровень казеина в молоке для достижения постоянного соотношения казеин/молочный жир. Это также позволяет сгладить сезонные изменения белкового состава молока, снизить потери белка и количество получаемой сыворотки, повысить эффективность работы оборудования и персонала.

Производство казеина и изолятов сывороточных белков (ИСБ). Микрофильтрация позволяет разделять казеин и сывороточные белки. Фракционированный казеин используется для производства высококачественного казеина и казеинатов, а также в производстве специальных молочных продуктов, обогащенных казеином. Побочный продукт фракционирования (пермеат) содержит нативные сывороточные белки, не подвергавшиеся тепловой обработке и ферментативному (сычужный фермент) или бактериальному (закваски) воздействию. Также используется для получения жидкого стабилизатора, концентрата сывороточных белков (КСБ), микропартикулированных сывороточных белков (МСБ) [7].