− исключить слив сыворотки
в окружающую среду, что понизит общий
уровень экологической опасности в стране;
− максимально полно использовать
все составные части молока – уникального
продукта, созданного природой;
− дать возможность небольшим
молочным заводам России получать дополнительную
прибыль, необходимую для развития, а зачастую
и для выживания.
В настоящее время в России
сложилась благоприятная ситуация для
быстрого и усиленного внедрения НФ-технологий
переработки молочной сыворотки. С одной
стороны, из-за дефицита резко повысились
цены на молоко заготовляемое, а, следовательно,
и на молочные продукты. Поэтому, включение
в состав последних дешевых и качественных
сывороточных НФ-концентратов может принести
значительную прибыль. С другой стороны,
ряд отечественных машиностроительных
организаций успешно освоили производство
современного баромембранного оборудования,
в том числе и НФ-установок, не уступающих
по качеству зарубежным аналогам, но значительно
более дешевых [2].
Обратный осмос
Обратный осмос-разделение растворов через
полупроницаемые мембраны с порами размером
менее 50 нм при давлении 1-10 Мпа. Через мембрану
проходит вода, а все остальные части задерживаются
мембраной. При обратном осмосе через
мембраны проходит только вода, а все остальные
части молочного сырья задерживаются
мембраной. Происходит концентрирование
молочного сырья. Размеры пор мембран
составляют от 0,001 до 0,0001 мкм. Поэтому процесс
фильтрации при обратном осмосе идентичен
процессу удаления воды из молочного сырья
выпариванием. Сквозь мембраны. могут
проходить лишь вода и одновалентные ионы
Na+, К+. Процесс обратного осмоса осуществляется
под давлением 3—6 МПа и температуре 20
°С. Применение высокого давления при
обратном осмосе объясняется тем, что
в этом случае приходится преодолевать
осмотическое давление раствора, которое
резко возрастает для низкомолекулярных
соединений [1].
Разделить ВМС и НМС трудно,
деление это часто условно, поэтому нельзя
четко разграничить процесс ультрафильтрации
и обратного осмоса. В обоих случаях требуется
преодолевать осмотическое давление раствора,
т. к. растворитель переносится в направлении,
противоположном возрастанию концентрации
растворимого вещества. Практически обратный
осмос сводится к сгущению раствора. Преимущество
его - возможность проведения процесса
при любых температурах, меньшие энергетические
затраты и расход тепловой энергии. Это
особенно важно при выработке пищевых
продуктов, где выпаривание при повышенных
температурах приводит к нежелательным
последствиям.
Обратноосмотическая обработка
молока и молочных продуктов в основном
используется для концентрирования, однако,
возможны и другие области применения.
Предварительное удаление половины водной
фазы молока и сыворотки на обратноосмотической
установке позволяет в 14 раз снизить энергозатраты
и в 2,5-3,0 раза увеличить производительность
вакуум-выпарных установок по выпуску
сгущенных молочных продуктов.
Применение агрегатов с мембранами 3-го
поколения для изготовления жидких концентратов
обычной и гидролизованной сыворотки
целесообразно на заводах малой мощности
и предприятиях с недостаточным обеспечением
паром. В дальнейшем эти концентраты транспортируют
на специализированные заводы [7].
Применение обратного осмоса
в пищевой промышленности довольно распространено
и включает в себя обработку мясных побочных
продуктов, жиров и масел, молока, напитков,
а также фруктовых и овощных соков. Обратноосмотическая
технология используется либо самостоятельно,
либо в сочетании с микрофильтрацией,
УФ и/или выпариванием для концентрации,
очищения или восстановления ценных компонентов
из пищевых растворов.
Одно из основных преимуществ
обратного осмоса при использовании в
пищевой промышленности - это уменьшение
затрат из-за уменьшения расхода энергии
или полное устранение энергоемкого процесса
выпаривания.
Энергия, потребляемая технологией
обратного осмоса, составляет примерно
110 кДж/кг воды. С другой стороны, наиболее
эффективный выпариватель для пищевой
промышленности потребляет 700 кДж/кг.
Существуют и другие преимущества
обратного осмоса:
способность производить сепарацию
без теплового воздействия, сохраняя качество
продукта;
уменьшение объема потребляемой
воды - благодаря повторному использованию
отработанной воды;
потенциал системы больше -
благодаря возможности получения новых
продуктов;
уменьшение объема отходов;
сравнительно небольшое занимаемое
пространство и невысокие капиталовложения
из-за устранения необходимости установки
парогенератора.
Недостатки заключаются в:
необходимости затрачивать
время и средства для подтверждения безопасности
продукции и получения разрешения от управления
по пище и лекарствам на использование
новых мембранных материалов в пищевой
промышленности;
отсутствие определенных сведений
об износостойкости мембран, продолжительности
срока эффективной эксплуатации и стоимости
их замены;
чувствительность к уровню
рН и химическая инертность;
ограничение величины рабочего
давления в определенных конструкциях;
проблемы загрязнения мембран
при переработке определенных жидкостей.
Постоянные улучшения обратноосмотических мембран и развитие передового технического оборудования привели к широкому применению технологии обратного осмоса в молочной промышленности [1,2].
Особые случаи применения обратного
осмоса в молочной промышленности представляют
собой концентрацию сыворотки при приготовлении
сыра, концентрацию молока, обессоливание
сыворотки.
Для концентрации сыворотки применяют
обратный осмос в сочетании с другими
процессами. Пермеат сыворотки после УФ
используют для производства сывороточного
протеина, лактозы, а отходы содержат сниженное
количество биологического кислорода.
В молочной промышленности
чаще всего используются цилиндрические
и тарельчато-рамочные конфигурации, однако
вследствие высоких капитальных и эксплуатационных
затрат этих конфигураций, они заменяются
спиральными модулями для тех продуктов,
которые требуют более низких концентраций
(менее 15%) [5].
Электродиализ
Электродиализ – это перенос ионов из одного
раствора в другой, который осуществляется
через мембрану, под действием электрического
поля, которое создается электронами,
расположенными по обе части мембран.
Электродиализу подвержены только те
вещества, которые при растворении диссоциируют
на ионы или образуют заряженные комплексы.
Электро-нейтральные вещества(лактоза)
в процессе не участвуют.
Электродиализ - один из наиболее эффективных
способов деминерализации МС. Суть этого
процесса - селективная ионитовая мембрана,
находясь в контакте с раствором, под влиянием
электрического поля пропускает ионы
одного заряда и служит барьером для ионов
противоположного заряда.
В настоящий момент в молочной
промышленности электродиализной обработке
подвергают молочную сыворотку с целью
ее деминерализации, что снижает количество
находящихся в сыворотке минеральных
солей. В ней, кроме белков и лактозы, содержится
большое количество минеральных солей,
что затрудняет ее переработку на продукты
питания, особенно для детей. Отделение
сыворотки от минеральных солей при помощи
электродиализа в 8–10 раз дешевле, чем
при использовании для этой цели ионообменных
смол.
Биологическая ценность сыворотки
обусловлена содержащимися в ней белковыми
азотистыми веществами, углеводами, липидами,
минеральными солями, витаминами, органическими
кислотами, что характеризует ее, как биологически
активную жидкость. Сывороточные белки
богаты дефицитными незаменимыми аминокислотами,
что позволяет отнести их к наиболее биологически
ценной части белков молока. Находящийся
в сыворотке в количестве 0,1-0,3 % жир более
диспергирован, чем в молоке, что положительно
влияет на его усвояемость.
В молочной сыворотке разнообразный минеральный
состав. В ней содержатся практически
все соли и микроэлементы молока, преобладают
калий, натрий, кальций, магний, железо,
и микроэлементы. Минеральные вещества
в сыворотке находятся в состоянии молекулярного
раствора или в коллоидном – в виде солей
органических и неорганических кислот.
Значительна витаминная ценность сыворотки.
В ней остаются почти все водорастворимые
витамины молока, а в некоторых случаях
их оказывается больше, чем в молоке, за
счет синтеза молочнокислыми бактериями.
В молочную сыворотку переходит примерно
до 50% жирорастворимых витаминов молока
[12].
Однако, при использовании сыворотки
возникают недостатки, такие как повышенная
титруемая кислотность, большое количество
соли, но решить данную проблему возможно
подвергнув молочную сыворотку электродиализу.
В странах с развитой молочной промышленностью
все более широко применяется электродиализная
обработка сыворотки. Использование этого
процесса в технологии молока дает возможность
получить дополнительный источник углеводсодержащего
сырья, при правильной переработке которого
значительно повышается эффективность
работы молокоперерабатывающих предприятий,
организуется безотходное производство
молочного сырья, а так же расширяется
ассортимент вырабатываемых продуктов.
Основные направления переработки и использования
деминерализованной молочной сыворотки
на основе электродиализа: детское питание,
молочно-белковые концентраты, сиропы,
напитки, лечебные и диетические продукты,
мороженое, сыры и др.
В отличие от НФ электродиализ позволяет
проводить деминерализацию молочного
сырья до уровня 95 %. При этом большим преимуществом
процесса электродиализа является возможность
регулирования кислотности молочного
сырья, что очень актуально при переработке
кислой молочной сыворотки — творожной,
казеиновой.
В таблицах 3 и 4 представлены показатели
посырной сыворотки до и после деминерализации.
Таблица 3- Показатели подсырной
сыворотки до деминерализации
Сырье |
Массовая доля, % |
Кислотность |
Сухих веществ |
в том числе, % |
титруемая |
активная |
белка |
жира |
лактозы |
Т |
рН |
Сыворотка подсырная |
5,6+0,15 |
0,68+0,3 |
0,3+0,02 |
4,4+0,01 |
13+0,5 |
5,8+0,01 |
Таблица 4-Показатели подсырной
сыворотки после деминерализации
Сырье |
Массовая доля, % |
Кислотность |
Сухих веществ |
в том числе, % |
титруемая |
активная |
белка |
жира |
лактозы |
Т |
рН |
Сыворотка подсырная |
5,5+0,15 |
0,67+0,3 |
0,3+0,02 |
4,4+0,01 |
12+0,5 |
6,3+0,01 |
После деминерализации доля
сухих веществ незначительно уменьшилась,
это объясняется удалением некоторого
количества солей из сыворотки во время
деминерализации, а так же снизился показатель
титруемой кислотности, что объясняется
практически полным удалением ионов хлора
и анионов неорганических кислот. Массовые
доли сывороточных белков, жира и лактозы
практически не подвержены каким-либо
качественным и количественным изменениям
в процессе электродиализа. Что характеризует
деминерализованную сыворотку, как питательную
среду с постоянным составом.
Применение электродиализа
в разработанной технологии позволяет
использовать любую сыворотку, в т.ч. и
кислую, что открывает широкие возможности
по ее применению [6].
Прошедшая необходимую обработку
молочная сыворотка используется для
нормализации молока, полученное при этом
нормализованное молоко может быть использовано
при производстве таких молочных продуктов
как молоко питьевое, кисломолочные напитки,
творог и творожные изделия. При этом получаемые
продукты по своим органолептическим
показателям идентичны молочным продуктам,
вырабатываемым по классической технологии,
а их биологическая ценность значительно
выше за счет увеличения содержания сывороточных
белков молока [13] .
Следует отметить, что регулирование
кислотности молочной сыворотки методом
электродиализа позволяет значительно
улучшить ее технологические свойства
с целью дальнейшей переработки и использовании.
Удаление молочной кислоты обеспечивает
снижение времени кристаллизации и улучшение
процесса сушки, понижение гигроскопичности
сухой сыворотки, повышение степени ее
растворимости. Использование процесса
электродиализа позволяет организовать
на молочном предприятии переработку
на пищевые цели любого вида молочной
сыворотки как сладкой или соленой подсырной,
так и кислой — творожной и казеиновой.
Преимущества переработки молочной
сыворотки с использованием электродиализа:
Стандартизация сырья по минеральному
составу;
Стандартизация сырья по кислотности
(не зависимо от вида сыворотки ее кислотность
будет не более 16 °Т);
Улучшение органолептических
показателей – что расширяет спектр ее
использования;
Снижение гидроскопичности
сыворотки;
Повышение степени растворимости;
Снижение времени кристаллизации
лактозы в сыворотке;
Улучшение процесса сушки;
Снижение себестоимости продукта
за счет уменьшения времени кристаллизации;
Повышение рентабельности производства;
Продукты, получаемые с использованием
деминерализованной молочной сыворотки:
Сгущенные молочные продукты;