Способы переработки отходов в молочной промышленности

              На выработку сгущенной сыворотки с 60% сухих веществ расходуется подсырной 11,1  кг,  творожной 13,2 кг/кг, с 40% - соответственно 7,1 и 8,5 кг/кг; а несепарированной с 40% сухих веществ 6,8 кг/кг. 
 

     ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ.

              Технологический процесс производства сыворотки осуществляется в следующей последовательности: сбор сыворотки, пастеризация, охлаждение, ферментация, охлаждение, фасование, хранение.

              Линейка оборудования переработки  сыворотки начинается с емкостей  приемки сыворотки. Количество  емкостей определяется объемом перерабатываемой сыворотки. Из этих емкостей сыворотка направляется на выпарной аппарат ПСС (паровой секционный сепаратор) и упаривается примерно в 10 раз. После продукт переработки выгружается в емкости приемки концентрата. На выходе мы получаем белковый концентрат, из которого путем введения добавок получается кормовая добавка. После чего продукт можно отправлять на упадочный аппарат. В результате получаем кормовую добавку для животноводства и птицеводства, со значительным сроком хранения. Линейка оборудования переработки может меняться в зависимости от характеристики действующего производства переработки молока.  
 

      МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СЫВОРОТКИ

       История создания мембранных процессов в мировой молочной промышленности началась в 1972 г., когда в Дании была смонтирована первая промышленная мембранная ультрафильтрационная установка. Первые публикации по микрофильтрации молочного сырья появились за рубежом в 1965 г., а в нашей стране – в 1967 г.

     Приятно отметить тот факт, что первая в мире монография «Мембранные методы переработки молока и молочных продуктов» была опубликована российскими учеными Н.Н. Липатовым, А. Марьиным и Е.А. Фетисовым в 1976 г.  
Особенностью мембранных технологий 1980-х годов являлось то, что получаемый пермеат (фильтрат) молочной сыворотки с содержанием сухих веществ 5, -5,5% использовался в натуральном виде без дальнейшей переработки: в качестве корма для животных (Дания), удобрений для полива сельскохозяйственных полей (Новая Зеландия), а также для производства безалкогольных напитков (США). В дальнейшем динамика роста объемов переработки молочной сыворотки мембранными методами привела к тому, что технологии усложнились и были направлены на получение пищевых продуктов. С точки зрения эффективности производства, в те времена выгодно было получать из пермеата подсырной сыворотки следующие продукты: этиловый спирт (содержание алкоголя 96%) – выход продукта до 40%; пищевую лактозу (содержание лактозы 95%) – выход до 75%; глюкозогалактозный сироп (концентрация сухих веществ до 62 %) – выход до 97%.  
Что же произошло с мембранными процессами за последние 10 лет? Появились новые поколения мембран (металлокерамических), мембранные установки с высокой производительностью и уровнем технологического обеспечения, технологии глубокой переработки молочной сыворотки. А еще ужесточились требования к экологии и безопасности производства. Все это способствовало тому, что мембранные технологии поднялись на следующий виток своего развития.  
Характерен тот факт, что мембранная техника в начале XXI века начала распространяться на все области переработки пищевого сырья, вторичных ресурсов и сточных вод. Анализ сегментации рынка мембранных процессов в Европе дает следующую картину: 49% рынка занимает микрофильтрация; 18% – ультрафильтрация; 16% – обратный осмос; 17% – электродиализ. Обратите внимание, что в этой статистике отсутствует нанофильтрация, хотя области ее использования еще до конца не изучены. При этом объем мирового рынка производства мембран и мембранных модулей составляет более 2,5 млрд. долларов США и продолжает расти. Следует учитывать и тот факт, что стоимость материалов и производства собственно мембран составляет 1/3 стоимости мембранного модуля. Для Европы прогнозируется рост производства мембран и мембранных модулей на 7,9% ежегодно, для США – на 8,2%. 
Мембранные процессы тесно связаны с молекулярной массой и размерами компонентов сырья, поэтому для сложной гетерогенной системы, к которой относится молочная сыворотка, они подходят в первую очередь. Для переработки молочной сыворотки используются как электромембранные (электродиализ, электроактивация), так и баромембранные процессы (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос). Электродиализ используется как для раскисления кислой сыворотки (творожной, казеиновой), так и для деминерализации различных видов сыворотки (подсырной, соленой, творожной, казеиновой) и пермеатов. В зависимости от требований заказчика, по сыворотке можно проводить электродиализ как натуральной, так и частично подсгущенной сыворотки. Причем подсгущение может быть произведено как на обратноосмотических, так и на вакуум-выпарных установках. Содержание сухих 
веществ в подсгущенном сырье (сыворотка или пермеат) может быть до 8%, т. е. объемы сырья, транспортируемого на электродиализную обработку, могут быть уменьшены в 3- 4,5 раза. Режимы эксплуатации электродиализной установки зависят от уровня деминерализации (50-90%), особенностей конкретного сырья и дальнейшего использования обессоленной сыворотки. В частности, нами апробированы в промышленных условиях электродиализные установки АО «МЕГА» (Чехия) в технологиях обработки натуральной подсырной, творожной и соленой, а также подсгущенной сыворотки (творожной, подсырной). Полученная деминерализованная сыворотка, обладающая повышенной сладостью, была использована в нашей лаборатории для выработки широкого спектра продуктов, в том числе молочных (цельномолочная продукция, мороженое, намазки, сыры, молочный сахар) и кондитерских изделий (пряники, печенье, конфеты). Технологии некоторых продуктов в настоящее время проходят промышленное внедрение. Помимо этого электродиализная обработка сиропов лактулозы и мелассы молочного сахара была осуществлена в полупромышленных условиях (пилотная установка ED-ипсилон) и подтвердила перспективность мембранных процессов в совершенствовании технологий этих продуктов.  
Эффективность производства в первую очередь оценивают по экономическим показателям. Мембранные установки, несмотря на достаточно высокую стоимость, могут окупаться в короткие сроки (от 6 до 15 мес.) при условии их бесперебойной работы и поступлении на переработку сыворотки от 80 т/сутки и выше, а также от выбранных технологических решений по получению конечных продуктов. Разница в стоимости конечного продукта, получаемого из сыворотки, может колебаться в десятки раз (например, деминерализованная сыворотка или лактулоза). Немаловажную роль играет и тот факт, что, помимо экономического эффекта, исключаются экологический ущерб и штрафы за слив сыворотки. 
 

     ПРОИЗВОДСТВО МОЛОЧНОГО САХАРА – СЫРЦА ИЗ ОЧИЩЕННОЙ СЫВОРОТКИ.

     Первоначальная  технологическая схема получения  молочного сахара – сырца включала огневую выпарку сыворотки с  последующим выделением и отделением кристаллов путем прессования. Для  осуществления процесса использовали котел и рычажный пресс. Затем Г. Кутырин (78( внедрил схему с выпариванием сыворотки в открытых котлах с кристаллизацией лактозы в ушатах, отделением кристаллов отслоением и сушкой их в сушилках с огневым подогревом. Процесс усовершенствовали Чебатарев (1934) и сотрудники Ленинградского химико- технологического института молочной промышленности, внедрив выпаривание в концентраторах А. Фиалкова.

     А. Розанов (34( разработал промышленную схему  производства сахара – сырца с  включением специального оборудования: подогревателей, вакуум- аппаратов, центрифуг, фильтр – прессов и вакуум-сушилок. По результатам разработки поточно-механизированной линии производства молочного сахара- сырца (А. Фиалков и И. Нейштадт, 1959) были созданы ванны для отваривания альбумина, сушилки, кристаллизаторы.

     Внесение  реагентов осуществляют для коагуляции белков. Их вносят в нагретую сыворотку  для подкисления подсырочной  сыворотки до 30 - 35( Т и раскисления  ее до творожной сыворотки до 10 – 15( Т.

     Сыворотку подкисляют молочной кислотой, которая  образуется в процессе брожения лактозы. Кислотность специально приготовленной кислой сыворотки достигает 150 – 200( Т, или 1500 г молочной кислоты на 100 л. Для подкисления можно так же использовать соляную и трихлоруксусную кислоту. 
Серная кислота образуется с солями кальция нерастворимые соединения, что снижает эффективность выпаривания.

     Подкисление кислой сыворотки и соляной кислотой по эффективности удаления белка  равноценны. Однако кислую сыворотку  следует предварительно приготовить  и на образование молочной кислоты  расходуется лактоза, что ухудшает выход готового продукта. Для подкисления 1 т перерабатываемой сыворотки требуется 150 – 200 л кислой. Подкисление 1 т сыворотки кислой, исходя из потерь лактозы, обходится в 1 р. 70 к. (Л. Соколова, 1955). Кроме того, емкость ванн или танков для приготовления кислой сыворотки составляет обычно 5 – 10 т, т.е. они занимают значительную площадь.

     При подкислении соляной кислотой на 1 т сыворотки требуется более  двух литров (33%-ной концентрации). Ее стоимость (Угличский производственно – экспериментальный завод) составляет 8 коп. При использовании соляной кислоты не расходуется молочный сахар. Широкое распространение соляной кислоты в промышленности, несмотря на ее явное преимущество перед кислой сывороткой, сдерживается затруднениями при ее внесении в сыворотку, что связанно с токсичностью кислоты.

     Под сырную сыворотку можно подкислять мелассой, полученной от предыдущих выработок (Кобринский завод Брестской области, И. Гнатюк). При этом не требуется  специальных реагентов и используется часть лактозы, содержащейся в мелассе. Желаемая кислотность сыворотки после подкисленния мелассой равна 20 – 25( Т.

     Сыворотку раскисляют растворами щелочей NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3.

     При раскислении углекислым натрием  сыворотка в процессе переработки  сильно вспенивается, что ограничивает его применения в промышленности. 
Гидроокись кальция также не нашла широкого распространения в промышленности, что объясняется трудоемкостью приготовления известкового молока. Кроме того, в этом случае кристаллизат имеет тенденцию к загустению, а на греющей поверхности вакуум – аппарата появляется значительный осадок в виде молочного камня.

     Испытание кислотно-щелочного способа (HCl+NaOH) очистки  сыворотки, проведенные на Угличском  производственно -экспериментальном  заводе, ранее использовавшем кислотной (HCl) и соляно-известковый способы, показатели, что в качестве молочного сахара не снижается, а по сравнению с применением кислотного способа даже несколько улучшается. Кристаллизат сохраняет текучую консистенцию, уменьшаются отложения нагара на греющих поверхностях выпарных аппаратов.

     Появление нагара зависит главным образом  от наличия кальция, поэтому интересно  проследить за его изменениями в  процессе коагуляции белковой сыворотки.

     При раскислении сыворотки известковым  молоком количество кальция в очищенной сыворотке увеличивается. Следовательно, часть кальция, введенного в сыворотку, остается в растворе способствуя в дальнейшем выпаривания осадков на греющую поверхность вакуум-аппарата и загустеванию кристаллизата при хранении. Часть кальция остается в сыворотке после хлоркальциевого способа коагуляции.

     Проведенные исследования подтверждают целесообразность кислотно- щелочного способа коагуляции с использованием для раскисления  раствора едкого натра.

     Для внесения щелочи рекомендуется использовать установку.

     Количество  реагентов, необходимых для изменения  кислотной сыворотки, можно рассчитать по формуле:

     Кп * Кн

     Кр= Кф где Кр – количество реагентов  для изменения кислотности сыворотки;

     Кп  – количество реагентов, на которую  необходимо изменить кислотность сыворотки;

     Кн  – величина градусов, на которую  необходимо изменить кислотность сыворотки;

     Кф  – величина градусов, на которую  изменилась кислотность сыворотки  а предварительной пробе.

     Очистка сыворотки осуществляется после  после обработки реагентами. Ее оставляют для отстоя хлопьев белка на 1 – 1,5 ч. Часть хлопьев белка всплывает (особенно при обработке свежей сыворотки), а часть оседает в конусную часть ванны. Об окончании отстоя судят по прозрачности сыворотки с учетом предыдущих выработок. Для контроля можно рекомендовать предварительно спускать сыворотку, наблюдая за цветом жидкости. Сливают сыворотку, постепенно опуская подвижную трубу или через патрубок, установленный на уровне отстоя альбуминного молока.

     После отстоя сыворотку фильтруют через ткань или центрифугируют на очистителях (167(. Цикл работы очистителя зависит от степени предварительного отстоя (его определяют практически). Обычно через один очиститель производительность 5000 л/ч можно пропускать до 8 т отстоявшейся сыворотки (две ванны). Следует тщательно следить за смазкой очистителя, так как он работает при повышенных температурах (85 – 90( С).

     Чистка  сыворотки собирается в промежуточную  емкость (танк) из нержавеющей стали  или эмалированную, откуда направляется на сгущение.

     Сгущение  сыворотки осуществляют на вакуум-аппаратах. Аппарат для сгущения сыворотки  под вакуумом должен быть герметичным  с подводом тепла и удалением  из него воздуха (разряжение) до требуемой  температуры кипения. 
Степень разрежения выражают величиной абсолютного давления, или вакуума. 
Вторичный или соковый, пар, образующейся при кипении сыворотки, конденсируется при соприкосновении с холодной водой или стенкой, охлаждаемой водой. Воздух, поступающий в аппарат с сывороткой и через не плотности, удаляют паром паровыми и и механическими вакуум-насосами. 
Применяют выпарные аппараты только из нержавеющей стали.

     Кристаллизация  лактозы осуществляется с учетом качества сиропа по длительному (до 35 ч) или ускоренному (до 15 ч) режимам. Для  контроля за уходом процесса можно воспользоваться температурами. О правильности проведения процесса можно судить по форме (пирамида) и размеру (в среднем 
0,5 мм) кристаллов, содержанием лактозы в мелассе и консистенции кристаллизата.

     Конструкция кристаллизатора обеспечивает выполнение всех технологических операций процесса выделения лактозы из сиропа.

     Кристализзат, освобожденный от хлопьевидного  белкового осадка и промытый водой, на центрифугирование на центрифуги фильтрующего типа, фактор разделения превышает 500. В производстве молочного сахара используют центрифугу ОЦС фильтрующего типа, периодического действия с ручной верхней выгрузкой осадка.

     Мембранная  техника принципиально позволяет производить комплексную переработку молочной сыворотки и получать из нее ряд концентрированных и сухих продуктов: сывороточные концентраты сгущенные и сухие, деминерализованные сывороточные концентраты, лактозные концентраты, молочный сахар, белковые концентраты и др. 
Мембранные методы обработки можно сочетать с традиционными: сепарированием, сгущением, сушкой, гидролизом белков и лактозы ферментными препаратами и др. 
Деминерализованную молочную сыворотку широко применяют в производстве самых разнообразных молочных и других пищевых продуктов. В ряде стран ее используют при производстве продуктов детского питания, напитков, в том числе в комбинации с фруктовыми соками, диетических продуктов, заменителей молочных продуктов и яичного белка при использовании их в производстве кондитерских, хлебобулочных и других пищевых продуктов. 
В молочной промышленности электродиализ нашел широкое применение для деминерализации сыворотки хлоркальциевого осаждения при производстве молочного сахара. Во ВНИКМИ разработан способ получения молочной кислоты из творожной сыворотки с помощью электродиализа. 
С использованием деминерализованной сыворотки ВНИКМИ совместно с Институтом питания АМН СССР разработаны процессы производства продуктов детского питания: сухой молочной смеси «Новолакт», молочной смеси «Крошечка». В УкрНИИмясомолпрома способом электродяализпой обработки подсырной сыворотки получили сухую гуманизирующую добавку (СГДЭД) для использования в продуктах детского питания лечебного и диетического назначения. 
Во ВНИИМС изучена возможность обессоливания с помощью электродиализа белковых концентратов КСБУФЭД, полученных способом ультрафильтрации.

     Процесс производства деминерализованной сыворотки  начинают с предварительной очистки  от молочного жира и казеиновой пыли традиционными способами. Затем сыворотку целесообразно подсгустить. Установлено, что при обессоливании натуральной сыворотки капитальные и производственные затраты выше, чем при обессоливании сгущенной сыворотки, на Ї5% при 59%ном и на 30% — при 90%ном уровне деминерализации. Сгущение сыворотки приводит к снижению энергозатрат на процесс ее обессоливания и на перекачивание насосами, а также к повышению рабочей плотности тока и, следовательно, скорости обессоливания. 
Подсгущение сыворотки проводят до разной степени концентрации сухих веществ: 15—24, 50% и более. При сгущении до 50% и более из сыворотки необходимо удалять образующиеся кристаллы лактозы. 
С помощью электродиализа можно деминерализовать молочную сыворотку до 90%ного уровня. Однако с экономической точки зрения электродиализ оправдывает себя только при уровне деминерализации 70%. По данным фирмы SRT, расход сыворотки при 90%ном уровне обессоливания в 3,5 раза выше, чем при 50%ном. При уровне деминерализации 90% и более обессоливание эффективнее осуществлять другими способами, например с помощью ионообменных смол. 
В нашей стране проводятся работы по модернизации серийно выпускаемой электродиализной установки марки ЭДУ 1400x2, предназначенной для деминерализации воды, с целью ее использования для обработки молочного сырья.