Мембранните технологии в хранително-вкусовата индустрия

Инж. Р. Стефанов, инж. Б. Кючуков и д-р ф.м.н. И. Варзанов, пред Инженер.bg

 

Млечната промишленост е една от първите, признали ефективността на методите за преработка на млечните суровини с помощта на мембранни технологии за разделяне, сгъстяване и концентрация на продуктите. Понастоящем използването на мембранни процеси в преработката на мляко почти не се обсъжда. В много предприятия този въпрос е решен с инсталиране на мембранни инсталации, извършващи различни функции при производството на млечни продукти. Обект на разглеждане в статията са същността и приложението на мембранните технологии.

 

Фирмите РУСИС, ПОЛИКОРП и ИЛВА предлагат пълен цикъл на изпълнение на мембранни инсталации в преработката на мляко - от проектиране до производство и монтаж, използване на СIP процеси, пълна автоматизация и включване на оборудването в единна автоматична система на млекопреработващите предприятия. Помпеното оборудване, което се използва за създаване на високи налягания и транспортиране на млякото, както и дозиращите помпи за СIP (миещи) процесите, са производство на водещата компания GRUNDFOS.

 

Микрофилтрацията (МF) е вид мембранна филтрация, при която механизмът на разделяне на компонентите се извършва по диаметъра на частици, размерът на които е в интервал от 10 - 50μm. Микрофилтрацията е най-грубият от всички видове филтрации. Налягането в процеса на микрофилтрацията  позволява през мембранните пори да преминат частици на сол, захар, някои протеини (белтъчини), бактерии, мастни глобули, частици мицели от казеин. Работното налягане на процеса е в диапазона 0.01 - 0.5 MPa. Неговото предназначение е да разделя малки частици, суспендирани в течности. Мембраните за микрофилтрация се класифицират в зависимост от най-малките частици, които се задържат в мембраните, обикновено в границите между 0,1 и 10 μm . Микрофилтрацията изисква най-ниско работно налягане от всички методи за филтрация, което обикновено е в границите от 0,7 до 3,5 бара.

Микрофилтрацията ефективно отстранява замърсяванията и вредните микроорганизми в саламурата за сирене, като се поддържа химичния баланс на разтвора. В сравнение с други методи на обработка на саламура, този метод е най-конкурентен, защото мъртвите клетки се отстраняват, докато при пастьоризацията те просто се убиват. Освен това, чрез използването на метода се елиминират "черните точки" от повърхността на сиренето, спори,  мухъл и др.  Изчезва необходимостта от пастьоризация на саламурата.

Основни области на приложение на микрофилтрацията в хранително-вкусовата промишленост е в:

 - Производство на трапезни води, сокове, вино, безалкохолна бира, обработка на мляко, суроватка и саламура;

 - Премахване на бактерии, мухъл, спори и дрожди (студена пастьоризация);

 - Фракциониране на протеини(белтъчини), например в млякото;

 - Обезмасляване на суроватка и на мляко за производство на протеинови концентрати.

 

Ултрафилтрацията (UF) е вид мембранна филтрация при ниско налягане, която разделя колоидни мастни белтъчини във високомолекулярни вещества, размерът на които е в диапазона от 0,01 - 0,5 μm. В този диапазон попада казеинът, протеиновите (белтъчини), големите молекули на мазнините. Работното налягане, като цяло, е по-малко от 15 барa. Ултрафилтрационите мембрани са основата, на която се наслагват композитни мембрани, използвани при други процеси, като обратна осмоза, сгъстяване(изпаряване) и сепарация на газовете. Ултрафилтрацията се използва предимно за отстраняване на големи колоидни (мастни) частици, както и за сгъстяване на  белтъчините.

 

Основното приложение на ултрафилтрацията в млечната промишленост

е при сгъстяването на суроватката  и млякото. В случай на преработка на суроватката,  ултрафилтрацията позволява да се сгъстят  суроватъчните белтъчини (протеини) чрез отделянето на водата и частично на минералите и лактозата. Обикновено ултрафилтрацията се използва за производство на суроватъчен протеинов концентрат (WPC) със съдържание на протеин в сухото вещество от 34% до 85%.

С използване на последваща допълнителна обработка като микрофилтрация (MF), могат да бъдат напълно изолирани протеините и се получава суроватъчен протеинов изолат (WPI). Както WPC, така  и WPI, се радват на огромно търсене в Европа, а в някои държави WPC и WPI са дори борсови  стоки.

Когато се използва ултрафилтрация за концентриране на  мляко, концентратът се получава с високо съдържание на протеини, при паралелно отделяне на вода, лактоза и минерали. Концентратът се използва за производство на различни видове сирена и млечен протеинов концентрат (MPC) или за по-нататъчно извличане на млечния протеинов изолат (MPI).

Сирене „Дунав” и други сирена от този вид са произведени от млечен концентрат, като се използва процес на ултрафилтрация. В получения концентрат се добавят закваски и мая, като след протичане на ферментационен процес се добавя солов разтвор, след което той се пакетира. Съществува и технология, при която от млечния концентрат след добавянето на закваска, мая и сол се произвежда сирене от типа „Фета”, което се пакетира директно.

Ултрафилтрацията се използва за :

 - Преработка на пълномаслено мляко, обезмаслено мляко, кисело мляко и суроватка;

 - Стандартизация на съдържанието на млечния протеини и казеин;

 - Предварително концентриране на млечни протеини за производство на сирене, извара, кашкавал, сирене;

 - Производство на суроватъчен протеинов концентрат WPC и изолат WPI;

 - Избистряне на плодови сокове.

 

Нанофилтрацията (НФ) е вид мембранно филтриране, което разделя молекули, чийто размер е в обсега на  0,001 - 0,01 μm. В този диапазон попада лактозата и някои аминокиселини, както и някои моновалентни йони, като натрий и калий, които преминават през порите на мембраните. Работното налягане варира от 10 до 30 бара. Мембраните се използват за отделяне на водата и част от минералите, в резултат на  което се получава концентрат и вода, наситена с минерали и соли. Максимално сухото вещество в концентрата достига до 18% - 20% . Освен това, наситената със соли вода, получена с помощта на НФ, може да бъде пречистена чрез обратна осмоза и използвана за технологични нужди. Ако суроватката се сгъстява чрез  НФ се получава частична деминерализация на концентрата. Поради това, в някои случаи (например, преработка на солена суроватка), НФ може да бъде много ефективна и икономически рентабилна.

Суроватката, преработена с помощта на НФ, може да бъде използвана за производство на сухо мляко.
Основното приложение на НФ е в процеса на производство на млечни продукти, както и в някои отрасли на хранителната индустрия, включително в случай на:

 - Необходимост от  премахване на белтъчини, аминокиселини, захари и други частици, оставяйки във филтъра само молекулите на сол;

 - Частична деминерализация и концентрация на сладко-кисела суроватка;

 - Частична деминерализация на суроватъчен протеин в производството на бебешки храни, като предварително третиране преди електродиализа;

 - Частична деминерализация на мляко;

 - Частична деминерализация на наситения разтвор с минерали и соли, след ултрафилтрация;

 - Обезсоляване на морска вода;

 - Възстановяване на технологична вода.

 

Обратната осмоза (RO) е тип  мембранно филтриране, при което се използват мембрани с най-малкия размер на порите, разделящи молекули и йони, по-малки от 0,001 µм и пропускащи само вода и органични разтворители с ниско молекулно тегло. Механизмът е дифузен. Поради високото осмотично налягане, работното налягане за обратна осмоза е в диапазона от 10 до 100 барa.
На практика, процесът на обратна осмоза се използва за две основни цели:

 - Възстановяване на чистия разтворител (обикновено вода), практически в чисто състояние без съдържание на колоидни или  други примеси, останали в концентрата;

 - Селективно разделяне на веществата между филтрат и концентрат.

Основното приложение на обратната осмоза в производството на млечни продукти e при:

 - Първично сгъстяване на суроватката след ултрафилтрация на млякото;

 - Филтриране (изчистване) на наситения разтвор на кондензата след обратна осмоза (процес RO-Polisher) и нанофилтрация след сгъстяване на млякото, преди  вакуумното изпаряване.

При използване на обратна осмоза за получаване на  кондензирано мляко, концентрацията на сухото вещество е не повече от 29% . Така полученият наситен разтвор представлява технологична вода.

Подобен резултат на сгъстяване се получава при обезмасляване на мляко с окончателния показател на сгъстяване

28 - 29%. Тези показатели са много важни, тъй като намаляват производствените разходи при използването на

вакуумни изпарители за едни и същи обеми за премахване на влага.

Използването на обратната осмоза е особено ефективен метод, ако предприятията са специализирани в производството на концентрати или сухи млечни продукти. Тези предприятия, които транспортират суроватката  или млякото за изсушаване в други предприятия, получават значителни икономии на транспортните разходи, тъй като обемите на превозваното мляко или суроватка намаляват.

Млекопреработващо предприятие „Родопчанка“

Млекопреработващо предприятие „Домлян“

Направеният кратък обзор не обхваща всички технологични процеси, използвани при преработката на мляко.

 

- Инж. Р. Стефанов, фирма РУСИС ЕООД, специализирана в проектиране и изграждане на мембранни технологии и автоматизираните процеси за управление. За контакт: 0889 527 242, електронна поща: rs@rusys.net; tech@sirmaprista.com; www.rusys.net.

 - Инж. Б. Кючуков, фирма ПОЛИКОРП ООД, специализирана в извършването на инженерингова дейност в областта на хранително-вкусовата промишленост. За контакт: 0888 520 925; електронна поща: polytech60@abv.bg.

 - Д-р ф.м.н. И. Варзанов, фирма ИЛВА ЕООД, oторизиран дистрибутор на Грундфос -  индустриални помпи и помпени системи – традиционен доставчик на помпи за мандри. За контакт: 0889 896 897; 0894 406 760,  електронна поща:  ilva@abv.bg;  varzanov@abv.bg.

 

Снимков материал: Предоставен е на редакцията от авторите.

При списването на статията авторите са използвали български и чуждестранни информационни източници.