Материал: Мембранные способы переработки молочного сырья

Мембранные способы переработки молочного сырья

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

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

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] .

мембранный переработка молочный

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 <javascript:c_word[1]=fchng(1)> обработки молочного сырья обычно классифицируют в соответствии <javascript:c_word[8]=fchng(8)> с размером удерживаемых <javascript:c_word[13]=fchng(13)> или пропускаемых фильтром частиц. Можно отметить <javascript:c_word[19]=fchng(19)> 2 основных <javascript:c_word[21]=fchng(21)> класса процессов: мембранный процесс фильтрации и обычная <javascript:c_word[25]=fchng(25)> фильтрация частиц. Обычная фильтрация частиц употребляется <javascript:c_word[36]=fchng(36)> при выделении взвешенных частиц более <javascript:c_word[41]=fchng(41)> чем 10 мкм, в то время как мембранная фильтрация изолирует <javascript:c_word[52]=fchng(52)> частички <javascript:c_word[53]=fchng(53)>, величина <javascript:c_word[55]=fchng(55)> которых меньше <javascript:c_word[57]=fchng(57)>, чем 10 микрон. Между обычной <javascript:c_word[64]=fchng(64)> фильтрацией и мембранной фильтрацией имеется некоторое количество <javascript:c_word[70]=fchng(70)> немаловажных <javascript:c_word[71]=fchng(71)> различий:

Структура фильтрационного материала. Фильтрационный материал с раскрытой <javascript:c_word[83]=fchng(83)> и образованный <javascript:c_word[85]=fchng(85)> структурой употребляется <javascript:c_word[87]=fchng(87)> при обычной фильтрации, а при мембранной фильтрации используется <javascript:c_word[96]=fchng(96)> узкая <javascript:c_word[97]=fchng(97)> мембрана с контролируемым размером пор.

Воздействие давления. При мембранной фильтрации, влияние <javascript:c_word[113]=fchng(113)>-движущая сила <javascript:c_word[115]=fchng(115)> процесса, а при обычной <javascript:c_word[120]=fchng(120)> фильтрации влияние <javascript:c_word[122]=fchng(122)> используется <javascript:c_word[123]=fchng(123)> лишь <javascript:c_word[124]=fchng(124)>, чтоб <javascript:c_word[126]=fchng(126)> ускорить <javascript:c_word[127]=fchng(127)> процесс.

Конструктивное оформление процесса. При обычной фильтрации поток фильтруемой среды ориентирован <javascript:c_word[142]=fchng(142)> перпендикулярно поверхности фильтра, в то время как фильтрация может проводиться в раскрытой <javascript:c_word[155]=fchng(155)> системе. При мембранной фильтрации, поток фильтруемой среды направляется параллельно поверхности фильтра, а поток, проникающий <javascript:c_word[173]=fchng(173)> через <javascript:c_word[174]=fchng(174)> мембрану (пермеат) движется перпендикулярно поверхности фильтра. Это так называемая фильтрация в поперечном потоке или тангенциальная фильтрация. Мембранная фильтрация обязана <javascript:c_word[197]=fchng(197)> проводится в замкнутой системе.

Степень разделения <javascript:c_word[206]=fchng(206)>. При обычной фильтрации выделяемые частички <javascript:c_word[212]=fchng(212)> могут быть отсоединены полностью от жидкости, а мембранная фильтрация дозволяет <javascript:c_word[224]=fchng(224)> лишь <javascript:c_word[225]=fchng(225)> концентрировать <javascript:c_word[226]=fchng(226)> выделяемые частички <javascript:c_word[228]=fchng(228)> в меньшем <javascript:c_word[230]=fchng(230)> объеме относительного начального <javascript:c_word[233]=fchng(233)> размера <javascript:c_word[234]=fchng(234)> 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:

) 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.

) 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.

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

) 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.

Основная характеристика мембранных процессов разделения молока

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:

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].

Схема переработки молока с использованием микрофильтрации представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема переработки молока с использованием микрофильтрации

Ультрафильтрация

Ультрафильтрация (УФ)- это процесс фильтрации под давлением 0,1-0,5 Мпа, с помощью полупроницаемых мембран, с размерами пор 50-100 нм. Концентрат включает в себя все сывороточные белки. К большим молекулам относятся казеиновые мицеллы с размером частиц от 0,01 до 0,1 мкм и молекулярной массой 10 000-100 000. К макромолекулам относятся сывороточные белки с размером частиц от 0,001 до 0,01 мкм и молекулярной массой от 1000 до 10 000. Кроме того, к макромолекулам можно отнести витамины, имеющие почти такие же размеры и молекулярную массу, что и сывороточные белки, а также лактозу с частицами размером от 0,0001 до 0,001 мкм и молекулярной массой от 100 до 1000.

Рисунок 3. Пример схемы переработки молока с использованием метода ультрафильтрации

В молочной промышленности УФ используют для выделения белков из молока или молочной сыворотки. В процессе УФ, некоторая часть сыворотки (фильтрат) проходит через мембраны, оставляя при этом на фильтре сывороточные белки. Полученный фильтрат состоит, главным образом, из воды, лактозы и минеральных солей. Другая часть сыворотки (концентрат) проходит между мембранами, унося при этом и выделившиеся белки. Таким образом, концентрат включает все сывороточные белки и ту оставшуюся часть воды, лактозы и минеральных солей, которая не прошла через мембраны. Отношение размера концентрата и сыворотки, поступившей на УФ, составляет обычно 1 : 5 [12].