К с.-х.н. Бузоверов С.Ю., Сурай Н.М., к.т.н. Бец А.К.

 

Алтайский государственный аграрный университет, Россия

 

Перспективы использования ультрафильтрации

в переработке молока

 

         В настоящее время со стороны отечественных производителей молочных продуктов стал появляться все больший интерес к использованию современных прогрессивных методов обработки молочного сырья.

         Сегодня, около 9 % мирового производства молока и молочной сыворотки обрабатывается путем УФ, из которой получают 50000-80000 т концентратов сывороточного белка в год в зависимости от содержания белка в сухом продукте.

Ультрафильтрация – наиболее часто применяемый мембранный процесс при переработке молочного сырья. УФ подвергают цельное молоко, обезжиренное молоко, предварительно сквашенное молоко, а также сыворотку.

Задачами УФ являются:

        1) предварительное концентрирование белков в молоке для производства традиционных видов сыров;

        2) значительное изменение соотношения между белками и другими компонентами для создания  новых видов сыров;

        3) нормализация молока по белку для обеспечения однородности и воспроизводимости свойств получаемого сыра не зависимо от сезонности;

        5) выделение сывороточных белков из сыворотки с целью получения белковых концентратов и лактозного раствора.

Ультрафильтрация молока. Предварительное концентрирование молока путем УФ увеличивает массовую долю сухих веществ в среднем с 12,5% до 16% и позволяет удвоить производительность последующих стадий. При концентрировании цельного молока в 2 раза в технологическую цепочку включается только УФ – система, а основные операции производства сыра осуществляются по общепринятой технологии.

При дальнейшем концентрировании молока до фактора концентрирования 3-5 (до 40% СВ) для получения и обработки белкового сгустка требуется специальное оборудование.

Один из известных способов получения сгустка из  молочного концентрата заключается в следующем. Цельное молоко после пастеризации подкисляют соляной кислотой до рН 5,8 для того,  чтобы не задерживался кальций на мембранах. Проводят УФ подкисленного молока до фактора концентрирования 2,5. Затем проводят процесс диафильтрации для уменьшения содержания лактозы и доводят фактор концентрирования до 5. В концентрат добавляют бактериальную закваску и выдерживают при 25 °С до достижения рН 5,1 – 5,2. Концентрат разливают в формы, в которые подается раствор молоко свертывающего фермента. Готовый сгусток разрезают и отваривают в фильтрате или воде, снижая содержание влаги до 43 %.

Использование УФ молока повышает выход сыра, например, в производстве сыра Фета расход молока сокращается с 8,5 до 6,5 кг/кг сыра. Кроме того, УФ концентрирование позволяет сократить расход молоко свертывающего фермента (до 60%) и бактериальной закваски, уменьшить  время созревания сыра и продолжительность технологического процесса, а также автоматизировать процесс производства и контроля.

         Исходя из вышеизложенного перед нами была поставлена цель изучить процесс ультрафильтрации молочной продукции и оценить современное оборудование для осуществления этого процесса.

         Схема переработки молока с получением основных молочных продуктов представлена на рисунке. Основными технологическими стадиями являются сепарирование молока с получением масла, ультрафильтрация  обезжиренного молока и обратный осмос. Из концентрата обезжиренного молока получают ассортимент молочных продуктов. Использование мембранных  аппаратов при переработке молока позволяет также решить проблему очистки сточных вод.

Исходя из капиллярно-фильтрационной модели, явление обратного осмоса можно представить следующим образом: на поверхности и внутри капилляров гидрофильной полупроницаемой мембраны образуется слой связанной воды. Ионы солей в растворе при своем тепловом движении захватывают воду у поверхности мембран, образуя гидратные оболочки, и переносят ее таким образом в объем раствора. Снижение концентрации воды у поверхности мембраны, обращенной к раствору, компенсируется переходом чистой воды через мембрану. Такой переход будет происходить до тех пор, пока силы, определяемые притяжением молекул воды к ионам, не будут уравновешены силами гидростатического давления со стороны раствора.

 

                                        Масло

Цельное молоко        Сепарирование                          Сточные воды

                                                                                                             Концентрат

                                                                           Обратный осмос     лактозы

 


                               Ультрафильтрация    Фильтрат 

 

                              Концентрат обезжиренного молока

 


Обогащение           Производство        Производство          Производство

молока                        сыров                кисломолочных          мороженого 

протеином                                                продуктов

                                                                   и творога

Рис.  Схема переработки молока

 

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяют, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности работают проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в аппаратах небольшой.

Недостатком аппаратов для обратного осмоса является высокое рабочее давление, что приводит к необходимости использования специальных уплотнений трубопроводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон. Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций  или модулей, что позволяет собирать аппараты с различной площадью поверхности разделения.

Рассмотрим основные кинетические закономерности процесса. Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления:

∆р=р-π1,                                                  (1)

где р – избыточное давление под раствором,

    π1 –  осмотическое давление раствора.

Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества, то при расчете движущей  силы следует учитывать осмотическое давление фильтрата прошедшего через мембрану. Тогда:

∆р=р-(π1- π2) =р-∆π                                         (2)

Осмотические давления растворов могут достигать десятков мегапаскалей. Давление в обратноосмотических установках должно  быть значительно больше осмотического, так как эффективность  процесса определяется движущей силой  разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так при осмотическом давление морской воды, содержащей 35% солей, равном 2,45 МПа, рабочее давление в опреснительных установках должно составлять около 7,85 МПа.

Для приближенного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа:

π = xRT,                                                    (3)

где x – мольная доля растворимого вещества;

      R – газовая постоянная;

      Т – абсолютная температура раствора, К.

Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых превращений. Работа Ам (Дж) расходуется на создание давление в жидкости и продавливание ее через мембраны:  

                                             Ам =Ас+Апр,                                      (4)

где А – работа на сжатие жидкости, Дж;

     Апр – работа на продавливание жидкости через мембрану, Дж.

Так как жидкость несжимаема, величиной Ас обычно пренебрегают. Работа на продавливание жидкости:

Апр = ∆pV,                                                        (5)

где ∆p – перепад давления на мембране; Н/м2;

     V – объем продавливаемой жидкости,  м3.

Существуют так же наиболее важные технологические свойства мембран как селективность и проницаемость.

Селективность (φ) – это разделяющая способность мембраны, которая определяется по формуле:

φ = (х1 – х2)/х1 • 100 = (1 - х2/х1)100 ,                     (6)

где  х2, х1 – концентрации растворённого вещества в исходном растворе и фильтрате.

Иногда φ (%)  называют коэффициентом солезадержания.

Проницаемость G [в л/м³•ч ] при данном давлении выражается соотношением:

G = V/Fτ,                                         (7)

где  V – объём фильтрата, л; 

       F – рабочая площадь поверхности мембраны, м²;

       τ – продолжительность процесса, ч.

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее целесообразными для использования в процессе ультрафильтрации молока являются керамические мембраны. Керамические мембраны, создаваемые обычно на основе оксидов, нитридов и карбидов ряда металлов, предназначались для микро- и ультрафильтрации различных жидкостей, агрессивных по своей природе или требующих для осуществления эффективных процессов разделения их нагрева до температур свыше 100 °С, где полимерные (органические) мембраны теряют свои свойства или разрушаются. Кроме высокой температурной стабильности, существует еще целый ряд характерных для керамических мембран свойств: механическая стабильность; стойкость к химическому и микробиологическому воздействию; стабильность создаваемых структурных пор и возможность активного управления ими в процессе производства мембран; возможность использования обратных потоков через мембрану; высокая пропускная способность мембран; большой срок службы.