Экология/4.Промышленная экология и медицина труда

Богомолов В.Ю., д.т.н. Лазарев С.И., к.т.н. Вязовов С.А.

Тамбовский государственный технический университет, Россия

Особенности процесса мембранной переработки отходов сырных производств

На сегодняшний день, повышение эффективности любого производства неразрывно связано с внедрением безотходных и малоотходных процессов, вторичным использованием образующихся отходов. Актуально это и для молочной отрасли. Так, образующиеся при переработке молока в сыр продукты - обезжиренное молоко, пахта и молочная сыворотка, - согласно ГОСТ Р 51917 - 2002 “Продукты молочные и молокосодержащие. Термины и определения” относятся к вторичным сырьевым ресурсам отрасли. Соответственно, данное вторичное молочное сырье может быть использовано для получения ценных пищевых продуктов. Сейчас это направление переработки активно развивается, однако в России по-прежнему велика доля использования данного сырья в кормовых целях, без получения возможного максимума добавленной стоимости. В данной работе рассмотрены основные вопросы переработки вторичного молочного сырья в ценные пищевые продукты, вопросы разработки и улучшения оборудования, применяемого в этих целях.

Традиционные способы разделения молока, основанные на биотехнологии (закваски, ферменты) и использовании химических реагентов (кислоты, щелочи, соли), обеспечивают получение подсырной (сладкой), творожной (кислой) и казеиновой сыворотки. Рассмотрим переработку подсырной сыворотки. Процесс производства сыра упрощенно сводится к свертыванию сырной массы из молока. Однако масса сыра, творога и казеина составляет 10–20% массы молока, в то время как 80–90% приходится на молочную (подсырную) сыворотку, которая и является основным отходом сыродельных производств. Сыворотка содержит в среднем 50 % сухих веществ молока, в том числе большую часть лактозы и минеральных веществ. Большие объемы образования сыворотки, а также высокое содержание полезных веществ (см. табл. 1), стимулируют производителей использовать этот вторичный ресурс. Однако при переработке сыворотки возникают и определенные сложности.

Таблица 1 - Степень перехода основных компонентов во вторичное молочное сырье

Компоненты молока (100%)	Степень перехода, %, в
	обезжиренное молоко	пахту	молочную сыворотку
Молочный жир	1,4	14	5,5
Белок, всего, в т.ч.	100	100	24,3
Казеин	100	100	22,5
Сывороточные белки	100	100	95
Лактоза	100	100	96
Минеральные соли	100	100	98
Сухое вещество	70,4	72,8	52

Помимо больших удельных объемов образования подсырной сыворотки, следует также отметить, что сыворотка является продуктом биологически активным и легко поддается брожению, что становится особенно актуальным в теплое время года. Кроме того, при хранении состав и свойства сыворотки изменяются. Этому способствует действие молочнокислых бактерий в процессе производства, обсеменение микрофлорой. Лактоза, как наименее устойчивый компонент, подвергается ферментативному гидролизу. Изменяются также рН среды и мутность сыворотки. Кроме того, происходит гидролиз белков и жира, изменяется вкус сыворотки, могут накапливаться нежелательные и даже вредные вещества. По этим причинам хранение сыворотки не желательно. Наиболее эффективна переработка сыворотки непосредственно на предприятии-источнике, в непрерывном цикле производства.

Существуют различные методы переработки сыворотки. Тепловые методы используются для охлаждения сыворотки с целью сохранения ее качества при временном хранении, подогрева – с целью пастеризации, выделения сывороточных белков, проведения некоторых других технологических операций.

Центробежные методы (сепарирование, центрифугирование) используются для выделения из сыворотки жира, казеиновой пыли, коагулированных сывороточных белков, отделения кристаллов сахара, некоторых других технологических процессов. Для сохранения первоначальных свойств сыворотки и некоторых полуфабрикатов помимо пастеризации и охлаждения могут применяться различные способы консервирования.

Наиболее перспективными на сегодняшний момент являются мембранные методы переработки подсырной сыворотки. Применение мембранных методов позволяет осуществлять концентрирование сыворотки в 6-7 раз до содержания сухих веществ 11,5 % с возвратом ее в качестве заменителя молока в производство мягких сыров, либо наладить производство сухого концентрата сывороточного белка с содержанием белка 80% (КСБ-УФ-80). Теоретически степень концентрации отдельных компонентов молочной сыворотки ультрафильтрацией может быть доведена (% в сухом веществе): белки – 83; лактоза – 15; молочная кислота – 1; минеральные соли – 1. Общее содержание сухих веществ в концентрате повышается с 5 до 25 %.

Именно мембранное направление сегодня является приоритетным, однако и оно требует определенной адаптации существующих мембранных аппаратов под особенности сырья. Одной из важнейших проблем, на ряду с вышеописанными, является необходимость деминерализации сыворотки при ее концентрировании. Это связано с высоким содержанием минеральных солей в исходной сыворотке, препятствующим ее использованию в пищевых целях.

Сравнительная эффективность различных способов мембранной обработки молочной сыворотки и их сочетаний позволяет получать концентраты, состав которых показан в табл. 2.

Таблица 2 - Сравнительная эффективность различных способов мембранной обработки молочной сыворотки

Способ обработки сыворотки или	Состав концентрата
сывороточных концент-ов	белок	лактоза	зола	жир
Гельфильтрация	54	25	14	2
Ультрафильтрация	30-70	20-55	3-5	4-5
Электродиализ	20-35	45-60	3-18	2-4
Ионный обмен	15	78	1	1
Ионный обмен + ультрафильтрация	76	16	1	4

Разработкой аппаратурного оформления процесса мембранного концентрирования подсырной сыворотки сегодня занимается Тамбовский государственный технический университет. Работы выполняются при поддержке ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».

Рассматриваемый технологический процесс включает в себя предварительную обработку сыворотки перед ультрафильтрацией - осветление (отделение остатков жира и казеина) и пастеризацию с целью подавления заквасочных культур. Обычно отделение жира и казеина из сыворотки, производится на центробежном сепараторе-сливкоотделителе по исходному потоку сыворотки. Сепаратор делит поток на обезжиренную сыворотку и жирную сыворотку с содержанием жира около 9 %. Обезжиренная сыворотка после тепловой пастеризации, выдерживается в течение 30 мин при температуре 55-60 °С для того, чтобы высадить фосфат Са, являющийся основным источником забивания мембран, и направляется на стадию ультрафильтрации.

Извлечение неорганических ионов из концентрата возможно совместить со стадией ультрафильтрации, при условии проведения процесса в электробаромембранном аппарате с наложением электрического поля. В таком случае, неорганические анионы и катионы направлено движутся к соответствующим электродам и удаляются с потоками пермеата. Таким образом достигается сокращение технологической схемы концентрирования сыворотки до стадии грубой механической предочистки и непосредственного концентрирования в мембранном аппарате.

Однако при проведении электробаромембранного процесса в промышленных условиях следует учитывать потери тепла, при прохождении через систему электрического тока, т.к. сыворотка активно подвергается брожению при повышении температуры раствора. Повышение температуры в процессе мембранного разделения в ряде случаев влечет к интенсивному нагреванию самих мембран, которые, в зависимости от природы, могут не только показывать высокую чувствительность к рабочей температуре, но и разрушаться под ее влиянием.

Из вышесказанного следует, что при рассмотрении параметров процессов мембранного разделения с наложением электрического поля, необходимо учитывать процессы теплопереноса.

Отходом процесса является пермеат – раствор, в котором содержится около 82 % лактозы. Этот раствор, после концентрирования и/или сушки может быть использован для производства молочного сахара-сырца, лактулозы (лечебно-профилактического препарата, используемого для лечения заболеваний печени и нормализации работы желудочно-кишечного тракта), в качестве основы питательных сред на фармацевтических заводах, а также при производстве различных напитков.

При правильном подборе оборудования и условий проведения процесса, мембранные методы переработки вторичного молочного сырья наиболее выгодны с точки зрения экономики, экологии и технологии. Особое внимание при проектировании таких систем следует обращать на проблемы нагревания раствора и необходимости деминерализации сыворотки.

Литература:

1. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки. – М.: ДеЛи принт, 2004. – 587 с.

2. Полянский К.К., Шапошник В.А., Пономарев А.Н. Деминерализация молочной сыворотки электродиализом. – Молочная промышленность №10, 2004. – с.48 – 49.

3. Кунижев С.М., Шуваев В.А. Новые технологии в производстве молочных продуктов. – М.: ДеЛи принт, 2004. – 203 с.

4. Храмцов А.Г. Молочная сыворотка. – М.: Агропромиздат, 1990. – 240 с.

5. Храмцов А.Г., Василисин С.В. Рациональное использование обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки. – Ставрополь, 2011 – 105 с.