Тетра Пак. Технология производства молока

Подождите немного. Документ загружается.

становится вместо нежелательного побочного продукта производства важным сырьем для производства

высококачественных продуктов. Некоторые используемые сегодня продукты описаны в этой главе.

Различные технологии переработки сыворотки

Сыворотка должна быть переработана как можно быстрее после ее получения, так как благодаря ее

составу в ней начинают быстро размножаться бактерии. В противном случае необходимо немедленно охладить

сыворотку до температуры 5С, чтобы временно остановить рост бактерий.

Если разрешено законом, можно консервировать сыворотку путем добавления бисульфита натрия

обычно в концентрации 0,4%, считая как двуокись серы (SO

), или перекиси водорода (H

) – обычно в

концентрации 0,2%, исходя из 30%-ного раствора H

Выделение казеиновых частиц и сепарирование жира

В сыворотке всегда присутствуют казеиновые частицы. Они отрицательно воздействуют на выделение

жира, поэтому их следует удалить из сыворотки в первую очередь. Для этого можно использовать различные

типы сепарирующих устройств – например, циклоны, центробежные сепараторы или вращающиеся фильтры.

Жир отделяется с помощью центробежных сепараторов.

Отделенные частицы часто спрессовывают, подобно сыру, после этого их можно использовать при

производстве плавленого сыра и после созревания также при приготовлении пищи.

Содержание жира в подсырных сливках в основном составляет 25–30%. Их можно повторно

использовать для нормализации молока при производстве сыра, а также для производства специальных

продуктов с повышенным содержанием жира.

Охлаждение и пастеризация

Сыворотка, которую до обработки предполагается хранить, должна быть охлаждена или пастеризована

сразу после отделения жира. При кратковременном хранении (10–15 часов) для снижения активности бактерий

охлаждения обычно достаточно. При более продолжительном хранении необходимо произвести пастеризацию

сыворотки.

Концентрирование сухих веществ

Сгущение

Сгущение сыворотки обычно производится в вакууме в выпарном аппарате с падающей пленкой

жидкости с двумя или более корпусами. До середины семидесятых годов, чтобы сократить расходы энергии,

использовались выпарные аппараты, имеющие до семи корпусов. В большинстве таких аппаратов стали

использовать термическое и механическое сжатие испарений, чтобы дополнительно снизить расходы на

выпаривание.

На многих заводах были также установлены аппараты обратного осмоса трубчатой конструкции для

предварительного концентрирования сыворотки перед отправкой обратно фермерам или окончательным

концентрированием в выпарном аппарате. После концентрирования до 45–65% содержания твердых веществ

концентрат быстро охлаждают до температуры около 30С в пластинчатом теплообменнике и перемещают в

изолированный танк с рубашкой для дальнейшего охлаждения до 15–20С при постоянном перемешивании. Эта

процедура может занять 6–8 часов, чтобы образовавшиеся кристаллы имели как можно меньший размер,

благодаря чему сухой продукт будет негигроскопичным. Сгущенная сыворотка представляет собой

перенасыщенный раствор лактозы, и при определенных условиях температуры и концентрации она может

начать кристаллизоваться до того, как покинет выпарной аппарат. При концентрациях твердых веществ свыше

65% продукт становится настолько вязким, что теряет текучесть. Дополнительная информация по обратному

осмосу и выпарным аппаратам приведена в главе 6, разделы 6.4 и 6.5.

Сушка

Обычно сыворотку сушат так же, как молоко, то есть в барабанных или распылительных сушилках (см.

раздел о сухом молоке в главе 17). При использовании барабанных сушилок возникает проблема: сложно снять

слой сухой сыворотки с поверхности барабана. Поэтому перед сушкой с сывороткой смешивается наполнитель

– например, пшеничные или ржаные отруби, чтобы облегчить процесс удаления сухого продукта со стенок

барабана. Распылительная сушка сыворотки является наиболее широко используемым методом.

Перед сушкой концентрат сыворотки обрабатывается, как описано ранее, для того чтобы в нем

образовались небольшие кристаллы лактозы, благодаря этому продукт становится негигроскопичным и не

образует комков при впитывании влаги.

Кислую сыворотку, которая образовалась при производстве домашнего сыра и казеина, сложно

высушивать из-за высокого содержания молочной кислоты. Она агломерируется и образует комки при

распылительной сушилке. Сушка может быть облегчена путем нейтрализации и введения добавок, например,

обезжиренного молока и зерновых продуктов, но этот тип сыворотки сейчас не перерабатывается.

Разделение сухих веществ на фракции

Выделение белка

Ранее для выделения сывороточных белков использовали различные технологии осаждения, но сегодня

в дополнение к технологиям осаждения и комплексообразования используется мембранное и

хроматографическое разделение (фракционирование). Процесс, который чаще всего использовался для

выделения белков из сыворотки,– это термическая денатурация. Осажденные в ходе этого процесса белки

являются либо нерастворимыми, либо слаборастворимыми – в зависимости от условий денатурации – и

называются термически осажденными сывороточными белками (ТОСБ). Финк (Fink) и Кесслер (Kessler) (1988)

установили, что максимальная степень денатурации сывороточных белков составляет 90% для всех

денатурируемых фракций. Протеозопептонная фракция, составляющая около 10% сывороточных белков,

считается неденатурируемой.

Нативные белки сыворотки, являющиеся составной частью сухой сыворотки, могут быть легко

получены путем ее тщательной сушки. Из-за неподходящего состава они находят лишь ограниченное

применение в производстве продуктов питания (содержание белков, высших молочных сахаров и золы

составляет около 11%). По этой причине была разработана технология выделения нативных белков сыворотки в

чистом виде. Нативные сывороточные белки, полученные методом мембранного разделения или с помощью

ионообменной технологии, имеют хорошие функциональные показатели растворимости, пенообразования,

эмульгирования и гелеобразования.

Выделение белка с помощью ультрафильтрации

Концентрат нативного белка имеет очень хороший спектр аминокислот с высокими степенями

содержания доступного лизина и цистеина.

Концентрат сывороточных белков (КСБ) – это порошок, получаемый при высушивании ретентата,

образующегося при ультрафильтрации сыворотки. Он описывается с точки зрения содержания белка, при этом

доля белка в сухих веществах колеблется от 35 до 85%. Для того чтобы содержание белка в продукте составляло

35%, жидкую сыворотку необходимо сконцентрировать в 6 раз до достижения уровня содержания сухих

веществ 9%.

Пример: из 100 кг сыворотки образуется 17 кг ретентата и 83 кг пермеата при концентрировании в 6

раз (5,88). В таблице 15.3 приведен состав сыворотки и получаемых ретентата и пермеата.

Таблица 15.3

Состав сыворотки и получаемых ретентата и пермеата

Компонент Содержание в 100 кг Содержание в 17 кг Содержание

обычной сыворотки ретентата в 83 кг

пермеата

кг % кг % кг %

Белок 0,55 0,55 0,55 3,24 0 0

Лактоза 4,80 4,80 0,82 4,82 3,98 4,80

Зола 0,80 0,80 0,14 0,82 0,66 0,80

NPN* 0,18 0,18 0,03 0,18 0,15 0,18

Жир 0,03 0,03 0,03 0,18 0 0

Всего сухих веществ: 6,36 6,36 1,57 9,24 4,79 5,78

* Небелковые азотистые соединения

с экономической точки зрения для производства. Затем необходимо провести диафильтрацию

концентрата, чтобы удалить как можно больше лактозы и золы и увеличить концентрацию белка относительно

содержания сухих веществ в продукте. Диафильтрация – это процедура, при которой во время фильтрации в

продукт добавляется вода, чтобы вымыть низкомолекулярные вещества, обычно лактозу и минеральные соли,

которые пройдут через мембрану.

Содержание белка (%) в сухом остатке, вычисленное по данным таблицы 15.3:

Большая часть протеина, обычно >99%, остается вместе практически 100%-ного жира. Концентрация

лактозы, небелковых азотистых соединений и минеральных веществ в ретентате и пермеате практически такие

же, как и в исходной сыворотке, за исключением незначительного снижения их содержания. Конечные

концентрации в разделяемых растворах во многом зависят от:

• Типа мембраны

• Параметров потока

• Типа исходной сыворотки (разбавленная водой, предварительно концентрированная после

деминерализации и т.д.).

Для получения концентрации протеина 85%-ная жидкая сыворотка сначала концентрируется в 20–30

раз путем ультрафильтрации до содержания твердых веществ 25%; такая концентрация считается наиболее

приемлемой

1 Установка для ультрафильтрации

2 Танк для сбора пермеата

3 Буферный танк для сывороточного ретентата

4 Вакуум

5 Сушилка

6 Расфасовывание

Таблица 15.4

Состав некоторых сухих концентратов сывороточного белка в %

Продукт 1 2 3 4

Белок в сухом остатке 35 50 65 80

Вода 4,6 4,3 4,2 4,0

Неочищенный белок (Nх6,38) 36,2 52,1 63,0 81,0

Чистый белок 29,7 40,9 59,4 75,0

Лактоза 46,5 30,9 21,1 3,5

Жиры 2,1 3,7 5,6 7,2

Минеральные вещества 7,8 6,4 3,9 3,1

Молочная кислота 2,8 2,6 2,2 1,2

Спецификация продукта:

1 Заменитель обезжиренного молока, 35% белка в сухом остатке

2 Протеиновая добавка в другие пищевые продукты, 50% белка в сухом остатке

3 Практический предел концентрации белка при использовании только ультрафильтрации, 65% белка в

сухом остатке

4 Продукт, полученный при использовании ультрафильтрации и дополнительной диафильтрации, 80%

белка в сухом остатке

Сыворотка и сывороточный ретентат

Сгущенный сухой ретентат

Пермеат

Конденсат

Пар

Испарения

100 x 0,55 1,57 = 35

В таблице 15.4 приведены составы некоторых типичных сухих концентратов сывороточных белков.

Линия по производству сухого белка при помощи ультрафильтрации. Около 95% белка переходит в

пермеат, при этом в сухом продукте концентрация белка достигает 80–85% (в расчете на содержание сухих

веществ). Дополнительная информация по использованию ультрафильтрации приведена в главе 6.4.

Обезжиривание концентрата сывороточных белков (КСБ)

Обезжиренный сухой концентрат сывороточных белков, в сухом остатке которого содержится 80–85%

белка, является крайне интересным для использования в некоторых производствах – например, в качестве

заменителя яичного белка во взбиваемых пищевых продуктах типа меренги – и может также использоваться как

ценный ингредиент в пищевых продуктах и фруктовых напитках.

Образующийся в результате сыворотки ретентат обрабатывают на установке для микрофильтрации, при

этом в готовом продукте, сухом концентрате сывороточных белков (80–85% сухих веществ), содержание жира

снижается с 7,2% до менее 0,4%. В ретентате, полученном при микрофильтрации, концентрируются жировые

шарики и бактериальные клетки; его собирают и хранят отдельно. После микрофильтрации обезжиренный

пермеат направляется для дальнейшего концентрирования на вторую ультрафильтрационную установку, после

чего на диафильтрацию. Сыворотка предварительно нагревается (1) и сепарируется (2) для выделения

максимально возможного количества жира в виде 25–30%-ных сливок. Эти сливки могут в дальнейшем

использоваться для нормализации молока, используемого для изготовления сыра. При сепарировании

нерастворимые частицы также удаляются. После этого сыворотка пастеризуется (1) и охлаждается примерно до

55–60С перед подачей в танк для промежуточного хранения. После сбора сыворотка перекачивается в первую

установку для ультрафильтрации (4), где ее концентрация повышается примерно в 3 раза. Ретентат

перекачивается в установку для микрофильтрации (5), в то время как пермеат направляется в бак для сбора

после регенеративного охлаждения (1).

Ретентат, который содержит большую часть жиров и бактерий, после микрофильтрации собирается

отдельно, а обезжиренный пермеат направляется далее на установку для ультрафильтрации и диафильтрации

(6). Образующийся КСБ с содержанием сухих веществ 20–25% перед расфасовкой высушивается в

распылительной сушилке для снижения содержания влаги максимум до 4%.

Выделение денатурированных сывороточных белков

В основном сывороточные белки не осаждаются при воздействии сычужного фермента или кислоты.

Тем не менее возможно осаждение сывороточных белков с помощью кислоты, если они предварительно были

подвергнуты термическому денатурированию. Процесс разделяется на две стадии:

• Осаждение (денатурация) белка при одновременной термической обработке и регулировке рН

• Концентрирование белков с использованием центробежного сепарирования.

Денатурированные сывороточные белки могут быть смешаны с молоком, предназначенным для

производства сыра перед сычужным свертыванием; они захватываются пространственной структурой,

образованной молекулами казеина при коагуляции. Это открытие способствовало активному поиску метода

осаждения и отделения сывороточных белков так же, как и технологии производства сыра с повышенным

выходом продукта, сохраняющим характерный аромат и текстуру сыра.

Технологическая линия Centri-Whey для производства денатурированных сывороточных белков. После

регулирования уровня рН сыворотка перекачивается через промежуточный танк (1) в пластинчатый

теплообменник (2) для регенеративного нагрева. Температура сыворотки поднимается прямым впрыском пара

(3) до 90–95С, после чего она проходит через трубчатую секцию выдержки (4) со временем выдержки 3–4 мин.

На этой стадии для снижения уровня рН вводится кислота. Кислота может быть как органической, так и

неорганической (например, молочная кислота или пищевая хлористоводородная /соляная/ кислота). Белки

модифицируются под действием тепла в трубчатой секции выдержки (4) в течение 60 сек. После

регенеративного охлаждения примерно до 40С осажденные белки отделяются от жидкой фракции в очистителе

(6), где удаляются все нерастворимые частицы. Очиститель разгружается с интервалами около 3 мин.

Собранный белок представляет собой 12–15%-ный концентрат с содержанием чистого белка 8–10%. Этот метод

позволяет выделить 90–95% коагулированных белков.

Добавление концентрированных сывороточных белков в молоко, предназначенное для производства

сыра (особенно в производстве мягких и полутвердых сыров), вызывает незначительные изменения в

характеристиках коагуляции. Структура сгустка улучшается и становится более однородной, чем при обычных

методах. Обработанные сывороточные белки являются более гидрофильными, чем казеин. При производстве

сыра Камамбер, например, отмечено увеличение выхода продукта на 12%.

Хроматографическое выделение лактопероксидазы и

лактоферрина

В целом использование натуральных биологически активных веществ крайне необходимо для

продуктов детского питания, оздоровительных продуктов питания, косметических кремов и зубных паст.

Примерами таких соединений являются биологически активные протеины лактопероксидаза и лактоферрин,

которые содержатся в небольших концентрациях в сыворотке, обычно 20 мг/л лактопероксидазы и 35 мл/л

лактоферрина. Для выделения этих белков из подсырной сыворотки в промышленных масштабах Шведская

молочная ассоциация (SMR) разработала и запатентовала технологический процесс, основанный на

хроматографии.

Главный принцип, используемый в процессе,– это тот факт, что как лактопероксидаза, так и

лактоферрин имеют изоэлектрические точки в щелочной области (рН 9,0–9,5) т.е. эти белки имеют

положительный заряд в сладкой сыворотке с нормальным рН 6,2–6,6, в то время как остальные белки

сыворотки, например, -лактоглобулин,  -лактальбумин и альбумины сыворотки крови имеют при том же рН

отрицательный заряд. Поэтому наиболее подходящий процесс отделения лактопероксидазы и лактоферрина –

это пропускание сыворотки через специальную ионообменную смолу с целью селективной адсорбции.

Молекулы лактопероксидазы и лактоферрина при взаимодействии зарядов связываются с функциональными

группами катионного обменника или имеющими отрицательные заряды, что приводит к фиксации этих молекул

на ионообменной смоле, в то время как остальные сывороточные белки проходят сквозь ионообменник,

поскольку имеют отрицательный заряд. Для того чтобы этот процесс был пригоден для использования в

промышленных масштабах, он должен отвечать некоторым основным требованиям. Одно из них – это

необходимость использования сыворотки без нерастворимых включений для поддержания высокой скорости

потока во время загрузки, поскольку через ионообменную смолу для достижения насыщения должны пройти

очень большие объемы сыворотки.

Поперечная микрофильтрация с размерами пор 1,4 мкм при равномерном трансмембранном давлении

зарекомендовала себя как хорошая технология получения сыворотки без твердых включений. Постоянный

поток 1200–1500 л/м

час поддерживается в течение 15–16 часов. При подобной предварительной обработке

сыворотки можно избежать нарастания обратного давления в ионообменной колонне.

Ионообменная смола до падения скорости поглощения имеет емкость поглощения 40–45 г

лактопероксидазы и лактоферрина на литр смолы. При объеме смолы 100 л можно обработать почти 100 000 л

сыворотки за один цикл.

При правильно выбранных условиях вымывания адсорбированных биологически активных белков из

колонны можно получить очень чистые фракции лактопероксидазы и лактоферрина. Для этого используются

растворы солей в различных соотношениях. Белки элюируются в достаточно высокой концентрации порядка 1%

от веса. При ионном обмене концентрация лактопероксидазы и лактоферрина повышается почти в 500 раз по

сравнению с исходной сывороткой. При дальнейшей обработке элюируемого раствора на установках

ультрафильтрации и диафильтрации получают очень чистый белковый продукт – с чистотой около 95%.

Наконец после стерильной фильтрации в поперечном микрофильтре с размерами пор 0,1–0,2 мкм

концентрированные белки подвергают распылительной сушке.

Выделение лактозы

Лактоза является основным ингредиентом сыворотки. Существуют два основных метода ее выделения в

зависимости от исходного сырья:

• Кристаллизация лактозы в необработанной, но концентрированной сыворотке

• Кристаллизация лактозы в сыворотке, из которой перед концентрацией был удален белок при помощи

ультрафильтрации или другого метода.

При использовании обоих методов получается слой мелассы, который может быть высушен и

использован в качестве фуража. Пищевая ценность продукта может быть значительно повышена, если из

мелассы были удалены соли и добавлены высокоценные белки.

Кристаллизация

Цикл кристаллизации определяется следующими факторами:

• Поверхность кристалла, подходящая для роста

• Чистота раствора

• Степень насыщения

• Температура

• Вязкость

• Перемешивание кристаллов в растворе.

Некоторые из этих факторов во многом зависят друг от друга, например, степень насыщения раствора и

вязкость.

Технологическая линия для производства лактозы. Сыворотка предварительно концентрируется в

вакуум-выпарном аппарате до концентрации 60–62% сухих веществ и направляется в танки для кристаллизации

(2), где в нее добавляется затравка (кристаллы). Кристаллизация происходит медленно, в зависимости от

предварительно установленной программы температура/время. Танки снабжены охлаждающими рубашками и

оборудованием для контроля за температурой. Они также снабжены специальными мешалками. После

кристаллизации взвесь обрабатывается в декантирующих центрифугах (3), где происходит сепарирование

кристаллов, которые высушивают (4) и размалывают обычно в молотковой дробилке, после чего просеянная

лактоза расфасовывается (5).

Для более простого и эффективного отделения кристаллов лактозы из раствора стартовая

кристаллизация должна проводиться таким образом, чтобы размер кристаллов превышал 0,2 мм (чем больше,

тем лучше разделение).

Степень кристаллизации определяется как количество -лактозы, превратившейся в требуемую форму -

лактозы, поэтому охлаждение должно проводиться в строго контролируемых, максимально оптимизированных

условиях.

Сепарирование лактозы

Для отделения кристаллов лактозы могут использоваться центрифуги различных типов. Одна из них –

это горизонтальная декантаторная центрифуга, которая работает непрерывно и имеет шнековый конвейер для

вывода лактозы. Два аппарата устанавливаются последовательно. Лактоза, полученная на первом, проходит

вторичное сепарирование на втором. Во время сепарирования посторонние ингредиенты вымываются из

лактозы таким образом, что достигается высокая степень очистки. Остаточное содержание влаги в лактозе после

второго сепарирования не превышает 9%, а содержание сухих веществ составляет около 99%.

Сушка

Лактоза высушивается после сепарирования до содержания остаточной влаги 0,1–0,5% в зависимости

от дальнейшего использования продукта. Во время сушки температура не должна превышать 93С, так как при

более высоких температурах образуется -лактоза. Время сушки также должно учитываться. Во время быстрой

сушки образующийся тонкий слой аморфной (бесформенной некристаллической) лактозы способствует

формировонию -кристаллогидрата, что в дальнейшем может привести к образованию комков. Обычно сушку

производят в сушильном аппарате с псевдоожиженным слоем. Поддерживается температура 92С, время сушки

составляет 15–20 мин. Высушенный сахар транспортируется с помощью воздуха при температуре 30С, при

этом одновременно происходит охлаждение сахара.

Кристаллы перемалывают в порошок сразу после сушки и расфасовывают.

Рафинирование лактозы

В некоторых случаях требуется более высокая степень чистоты продукта – например, при производстве

фармацевтических препаратов. Поэтому лактоза должна дополнительно рафинироваться. Во время

рафинирования лактоза повторно растворяется в горячей воде до концентрации 50%. Одновременно

добавляются активированный уголь, фосфат и фильтрующий агент. После фильтрации раствор лактозы

поступает в танк, где происходит кристаллизация. Очищенную лактозу сепарируют, сушат, перемалывают и

упаковывают.

Деминерализация (удаление солей)

Поскольку сыворотка имеет достаточно высокое содержание солей, около 8–12%, в пересчете на сухой

остаток, ее пригодность в качестве пищевого продукта ограниченна. После частичной (25–30%) или сильной

(90–95%) деминерализации сыворотки для нее, тем не менее, можно найти разнообразные области применения.

Частично деминерализованный концентрат сыворотки может использоваться, например, при производстве

мороженого кварго и в хлебопекарной промышленности, в то время как сильно деминерализованная сухая

сыворотка (или концентрат) может быть использована при изготовлении продуктов детского питания, а также

многих других.

Принципы деминерализации

Деминерализация включает в себя удаление неорганических солей и небольшое снижение содержания

органических ионов, таких как остатки молочной и лимонной кислот. Частичная деминерализация основана на

использовании поперечных фильтрующих мембран, предназначенных для пропускания частиц с размером в

пределах нанометра (10–9 м). Такой тип фильтрации называется нанофильтрацией.

Деминерализация высокой степени основана на применении одного из методов:

• Электродиализа

• Ионного обмена.

Частичная деминерализация при помощи нанофильтрации

При использовании специальной мембраны обратного осмоса небольшие частицы, некоторые

моновалентные ионы, например, ионы натрия, калия, хлора и небольшие молекулы органических соединений

типа мочевины и молочной кислоты могут пройти сквозь мембрану вместе с водным раствором. Такой

мембранный процесс известен как ультраосмос, “текущий” обратный осмос и нанофильтрация.

В настояшее вреия чаще всего используются спиральные витые мембраны, обладающие большей

компактностью. Дополнительная информация о мембранах этого типа приведена в главе 6.4 “Мембранные

фильтры”.

Скорости прохождения ингредиентов обычной сладкой сыворотки сквозь фильтр при нанофильтрации

приведены в таблице 15.5.

Как показывает таблица, снижение содержания хлоридов в сладкой сыворотке может достигать 70%, а

натрия и калия – 30–35%. Причиной такой разницы в концентрациях ионов является необходимость

поддержания электрохимического баланса между положительно и отрицательно заряженными ионами.

Критичным фактором в нанофильтрации при обработке сыворотки является тот факт, что просачивание

лактозы сквозь мембрану, которое должно быть сведено до минимума (менее 0,1%), чтобы избежать проблем с

высокой биологической потребностью в кислороде в отработанной воде (пермеате). Установка оборудования

для нанофильтрации на линии обработки сыворотки может использоваться в следующих ситуациях:

• В качестве недорогой альтернативы для устранения соленого привкуса обычной сладкой сухой

сыворотки

• В качестве предварительного этапа обработки перед окончательной деминерализацией сыворотки

путем электродиализа и ионного обмена

• Для удаления кислоты из сыворотки, образующейся при производстве казеина, в процессе получения

которого была использована соляная или молочная кислота; следует учесть, что скорость проникновения через

мембрану ионов лактатов низкая, в то время как у свободных молекул молочной кислоты скорость высокая

• Для снижения содержания соли в соленой сыворотке (например, при производстве сыра Чеддер).

Деминерализация высокой степени

Электродиализ

Электродиализом называется перенос ионов через неселективные полупроницаемые мембраны под

действием постоянного тока. Используемые мембраны имеют функции обмена как анионов, так и катионов, что

позволяет при электродиализе снизить минеральное содержание в обрабатываемой жидкости, например,

морской воде или сыворотке.

Схема устройства электродиализной установки. Она состоит из набора отсеков, разделенных

чередующимися катионными и анионными обменными мембранами, которые располагаются на расстоянии 1

мм друг от друга. В крайних отсеках находятся электроды. Между парой электродов может находиться до 200

таких ячеек. Пара электродов, каждый из которых располагается в конце этой группы ячеек, имеет отдельные

промывочные каналы, через которые циркулирует поток рассола, защищающий электроды от химического

воздействия.

Сыворотка в процессе переработки и рассол подаются в установку в чередующиеся ячейки.

Блок ячеек может быть подключен к пластинчатому теплообменнику или пластинчатому модулю

ультрафильтрации.

Таблица 15.5

Проникновение через мембрану ингредиентов нормальной сладкой сыворотки при нанофильтрации

Условия Снижение содержания Процент

Конечное содержание сухих веществ 22% калий 31

Кратность концентрации 4 х натрий 33

Температура 21С хлориды 67

Давление 2,5 МПа (25 бар) кальций 3

магний 4

фосфор 6

цитраты 0

лактаты менее 3

зола 25

всего сухих веществ 3

небелковые азотистые соединения 27

лактоза менее 0,03

Принцип работы

Чередующиеся ячейки в блоке электродиализа работают соответственно как ячейки разбавления и

концентрирования. Сыворотка проходит через ячейки разбавления, а 5%-ный рассол через ячейки

концентрирования.

Когда постоянный ток подается на электроды на концах блока, катионы стараются переместиться к

катоду, а анионы – к аноду. Тем не менее свободное перемещение ионов невозможно, поскольку мембраны

действуют как барьеры для ионов одноименного с ними заряда. Анионы могут проходить через анионную

мембрану, но останавливаются катионной мембраной. И наоборот, катионы могут проходить через катионную

мембрану, но останавливаются анионной мембраной. В результате происходит снижение концентрации ионов в

ячейках разбавления (в сыворотке). Сыворотка при этом деминерализуется до уровня, который зависит от

содержания золы в сыворотке, времени ее нахождения в установке, плотности и вязкости.

Установка для электродиализа может работать как в непрерывном режиме, так и в периодическом.

Периодическая система, которая часто используется для деминерализации свыше 70%, может состоять из

одного набора мембран, в котором обрабатываемая жидкость циркулирует до достижения требуемого уровня

содержания солей. Этот уровень определяется по электропроводности обрабатываемой жидкости. Время

нахождения жидкости в такой системе может составлять 5–6 часов для 90% деминерализации при 30–40С. При

этом желательна предварительная концентрация сыворотки до 20–30% твердых веществ с целью снижения

расхода электроэнергии и увеличения производительности. Перед загрузкой в установку для электродиализа

концентрированную сыворотку следует очищать. При высокой температуре обработки появляется риск роста

бактерий в продукте. Поэтому часто в сыворотку, когда это разрешается, добавляют бактериостатические

соединения типа перекиси водорода. Обрабатываемая жидкость нагревается в ходе обработки, поэтому для

поддержания температуры требуется дополнительное охлаждение. В установках непрерывного действия,

которые состоят из последовательных 5 блоков мембран, время прохождения жидкости может быть снижено до

10–40 мин. Максимальная деминерализация такой установки ограничена 60–70%. Что касается емкости, то

площадь установленных мембран в установке непрерывного действия значительно больше, чем в установке

периодического действия.

Установка для электродиализа может быть автоматизирована и снабжена программируемой системой

мойки. Процедура мойки обычно включает в себя промывку водой, промывку щелочным раствором (до рН 9),

промывку водой, промывку соляной кислотой (рН 1) и окончательную промывку водой. Обычно программа

очистки занимает 100 мин.

Электропитание и автоматизация

В установке для электродиализа используется постоянный ток, поэтому требуется наличие силового

оборудования для регулировки тока в диапазоне от 0 до 150 А и напряжение в диапазоне от 0 до 400 В. Расход,

температура, электропроводность, рН обрабатываемого продукта и технической воды, давление подачи

продукта, разница давления между текущей жидкостью и ячейками установки, а также напряжение на каждой

ячейке установки отображаются и контролируются в ходе работы.

Факторы, ограничивающие использование электродиализа

Основной ограничивающий фактор для использования электродиализа в молочном производстве,– это

стоимость замены мембран, прокладок и электродов, которые составляют 35–40% от общих эксплуатационных

расходов завода. Замена бывает необходима вследствие засорения мембран, которое, в свою очередь,

вызывается:

• Осаждением фосфата кальция на поверхности мембраны катионного обмена

• Отложением белка на поверхности мембраны анионного обмена.

Первая проблема может быть отчасти устранена при правильном подборе профиля потока на

поверхности мембраны и регулярной мойкой кислотой.

Осаждение белков является основным фактором, снижающим срок службы анионных мембран. В

основе этой проблемы лежит следующее: в сыворотке с нормальным значением рН сывороточные белки можно

рассматривать как большие отрицательно заряженные ионы (анионы), которые перемещаются в растворе под

действием электрического поля. Эти молекулы слишком крупные, чтобы пройти через мембраны анионного

обмена, поэтому они образуют тонкий белковый слой на поверхности мембраны со стороны секции, по которой

проходит сыворотка. Для удаления этих отложений с мембраны можно использовать технологии изменения

полярности.

Хотя при частой мойке растворами с высоким значением рН удаляется большая часть отложений, через

каждые 2–4 недели рекомендуется проводить разборку установки для ручной мойки. Стоимость обработки

электродиализом в большой мере зависит от степени деминерализации. Увеличение этой степени

последовательно с 50 до 75% и до 90% каждый раз поднимает стоимость обработки вдвое. Поэтому продукт,

деминерализованный на 90%, стоит в 4 раза дороже продукта, деминерализованного на 50%; причиной этого

является снижение производительности установки при 90% деминерализации.

В стоимость работы установки также входят обработка водой, химическими соединениями,

потребляемая электроэнергия и пар. Обработка отработанной воды также сильно затруднена. Во время

обработки при 90% минерализации лактоза проникает сквозь мембраны в количестве 7–10%. Вымытые фосфаты

также накапливаются в отработанной воде. Стоимость электроэнергии составляет 10–15% от производственных

затрат, в то время как химикаты, используемые в производстве, в основном соляная кислота, составляют менее

5%. Стоимость пара, используемого для предварительного нагрева продукта, и стоимость охлаждения для

поддержания температуры обработки составляет 10–15% в зависимости от уровня деминерализации.

Электродиализ является наилучшим методом для деминерализации до 70%, где он успешно конкурирует с

методом ионного обмена.

Ионный обмен

В противоположность электродиализу, процессу, который удаляет ионизируемые вещества из

растворов при постоянной электрохимической основе, ионообменный процесс задействует смолы,

адсорбирующие минеральные вещества из растворов в обмен на другие типы ионов. Смолы имеют

ограниченную емкость, поэтому когда они полностью насыщены, из них необходимо удалить все

адсорбированные минеральные вещества и восстановить перед следующим использованием. Обычно смолы

используются в фиксированных колоннах требуемой конструкции. Ионообменные смолы – это

макромолекулярные пористые пластичные материалы, спрессованные в гранулы диаметром от 0,3 до 1,2 мм для

промышленного применения. С химической точки зрения они действуют как нерастворимые кислоты или

основания, которые при превращении в соли остаются нерастворимыми. Основной характеристикой

ионообменных смол является способность замены подвижных ионов, Электродиализ лучше всего применять

для деминерализации до 70% при дополнительной очистке методом ионного обмена.

которые они содержат, на ионы того же знака заряда, которые содержатся в обрабатываемом растворе.

Простым примером подобной реакции является извлечение хлорида натрия, где R – это обменная группа

нерастворимой смолы. Реакция, описанная выше, специально представлена в равновесном виде, поскольку

направление реакции зависит от концентрации ионов в жидкости и фазы твердых веществ в смоле. Равновесие

характеризуется константой. При регенерации реакция производится в обратном направлении, когда

ионообменная смола, насыщенная натрием, обрабатывается, например, 4%-ным раствором соляной кислоты.

Высокая концентрация ионов перетягивает равновесие влево. Константа равновесия в значительной мере

зависит от типа ионов, что позволяет производить селективный ионообменный процесс. Проще говоря,

многовалентные ионы имеют большую селективность, чем одновалентные, а ионы с той же валентностью

выбираются по размеру. Крупные ионы имеют большую селективность. Что касается катионов, обычно

находящихся в молочных продуктах, селективность уменьшается в следующем порядке: Ca

>Mg

>Na

Аналогично селективность при анионном обмене может быть охарактеризована следующим образом: анион

лимонной кислоты цитрат

3–

>HPO

2–

>NO

–

>Cl

–

. Практически это означает, что ионообменная смола после

полного насыщения при обработке раствора, содержащего различные типы ионов, будет содержать различные

соединения в зависимости от длины колонны. На этом рисунке показано, что происходит при обработке

обычной воды в колонне, загруженной катионообменной смолой с активным ионом водорода. После

регенерации с помощью кислоты ситуация меняется. Можно увидеть, что дольше всех в колонне катионного

обмена задерживаются ионы натрия. Это следует из порядка селективности, описанного выше. Возвращаясь к

рисунку отработавшей катионообменной колонны, можно увидеть, что ионы натрия проникают в смолу в

первую очередь, за ними следуют ионы магния и кальция. Просачивание ионов сквозь колонну может

произойти, когда ионообменная смола не полностью регенерирована, но через некоторое время ионы натрия

вымываются и заменяются ионами водорода. Состояние нижней части ионообменной колонны определяет

попадание ионов в обработанную жидкость.

Катионный обмен: R – H + Na

= R – Na

смола в форме Н

Анионный обмен: R – OH + Cl

–

= R – Cl + OH

–

смола в форме OH

–

Характеристики ионообменных смол

Промышленные ионообменные смолы сегодня изготовлены из полимерных пластмасс, образующих

пористую структуру. Обычно для этого используется полистирол/дивинилбензол и полиакрилаты.

Функциональные группы химически связаны с матричной структурой. Типовыми группами являются: Как

сильные основные, так и кислотные обменные смолы являются полностью ионизированными на всем рН-

интервале от 0 до 14. Слабоосновные и кислотные обменные смолы имеют ограниченную зону рН, где они

проявляют активность. Слабые кислотные обменные смолы обычно не используются при низком значении рн

(0–7), поскольку карбоксильная группа в основном представлена в свободной кислотной форме, что

определяется константой кислотно/щелочной диссоциации (часто выражается как рК

= –10 логарифм

константы диссоциации). При значениях рН выше рК

карбоксильные группы находятся в форме соли и могут

принимать участие в ионообменных реакциях. И наоборот, слабоосновные анионные смолы активны только в

нижнем рН-диапазоне 0–7. С точки зрения упрощения процедуры регенерации предпочтительно везде, где

возможно, использовать слабые смолы. Их можно регенерировать кислотой/основанием соответственно при

превышении теоретически требуемого значения всего на 10–50%. Для сильных кислот требуется превышение

содержания кислоты/основания на 300–400% по сравнению с теоретическим значением регенерации. Для

деминерализации, согласно традиционной методике сильнокислотная катионообменная смола,

регенерированная ионами водорода, используется совместно со слабоосновной анионообменной смолой,

работающей в свободной гидроксильной форме. Нельзя использовать слабокислотную анионообменную смолу

вместо сильной, поскольку устанавливается благоприятное равновесие для обмена катионов водорода и

гидроксильных групп. Другими важными характеристиками ионообменных смол, которые в дальнейшем не

рассматриваются, являются:

• Емкость ионного обмена

• Набухание

• Механическая прочность

• Флюидиазия при промывании слоя

• Падение давления

• Ограничение скорости потока

• Необходимость промывки водой после регенерации.

Ионообменные процессы при деминерализации

Для обработки воды деминерализация методом ионного обмена применялась давно, а в последние 20

лет была применена и для деминерализации сыворотки. По составу сыворотка не является однородным

продуктом. Сыворотка, полученная при производстве казеина/ творога, имеет рН 4,3–4,6, в то время как рН

сладкой сыворотки составляет 6,3–6,6. Основное различие между этими двумя типами сыворотки, помимо

кислотности,– это высокое содержание фосфата кальция в кислой сыворотке. Для вычисления степени

минерализации сыворотки в качестве основы удобно использовать катионы, поскольку анионы, то есть цитраты

и фосфаты, задействуются в протеолитических реакциях. Это затрудняет вычисление содержания конкретного

иона в растворе. Типовое значение содержания катионов в сладкой и кислой сыворотках показано в таблице

15.6. Сыворотку можно характеризовать как жидкость с высоким содержанием солей, что,в свою очередь,

приводит к снижению продолжительности циклов ионного обмена.

Это, в свою очередь, отражается в больших затратах на восстановительные химикаты, если они не

возобновляются.

• Сульфо-группа (сильнокислотный катионный обменник)

• Карбоксильная группа (слабокислотный катионный обменник)

• Четвертичный амин (сильноосновной анионный обменник)

• Третичный амин (слабоосновной анионный обменник)

– SO

–

–COO

–

Традиционный ионный обмен, используемый при деминерализации

Простая деминерализационная установка, работающая по принципу ионного обмена. Сыворотка

сначала попадает в сильную катионообменную смолу с ионами водорода и идет далее в анионный обменник, где

используется слабоосновная анионообменная смола в форме свободного основания. Ионообменные колонны

промываются и регенерируются отдельно друг от друга разбавленной соляной кислотой и гидроксидом натрия

(аммиака). Раз в день колонны дезинфицируются раствором с невысоким содержанием активного хлора. При

деминерализации происходят следующие реакции (NaCl используется здесь как любая другая соль,

содержащаяся в сыворотке, а R представляет нерастворимую смолу).

Катионный обмен: R – H

+ Cl

–

— R – Na + H

+ Cl

–

Анионный обмен: R – OH + H

+ Cl

–

— R – Cl + H

Через ионообменную колонну пропускают различные жидкости в следующем порядке:

• Экстракция (через колонну после регенерации может быть пропущен 10–15-кратный объем сыворотки

по отношению к объему смолы)

• Регенерация

• Вытеснение сыворотки

• Промывание

• Заливка раствора для регенерации

• Промывание водой.

Ионообменные колонны часто изготавливают из мягкой стали, покрытой резиной, чтобы избежать

проблем, связанных с коррозией. Для анионного обмена используются колонны конической формы, чтобы

набухание смолы при переходе из формы свободного основания в форму соли проходило нормально.

Противоток часто используется для регенерации катионообменной смолы. Это означает, что если сыворотка

проходит через колонну сверху вниз, то регенерация происходит снизу вверх. Таким образом, на 30–40%

снижается расход регенерирующих химикатов, но это происходит за счет более сложной конструкции.

Установка может быть легко автоматизирована. Для непрерывной обработки сыворотки необходимо

использовать 2 или 3 параллельные ионообменные системы. Продолжительность нормального цикла составляет

6 часов, 4 из которых необходимы для регенерации.

Таблица 15.6

Содержание катионов в сладкой и кислой сыворотках

Ион

Сладкая сыворотка Кислая сыворотка

% м-экв/л % м-экв/л

Na 0,050 22,0 0,050 22,0

K 0,160 41,0 0,160 41,0

Ca 0,035 17,5 0,120 60,0

Mg 0,007 5,8 0,012 10,0

Всего: 86,3 133,0

Производственные ограничения

Сыворотка – это жидкость с высоким содержанием солей, что уменьшает срок работы между

регенерациями. Это также означает большой расход регенерирующих химических реагентов и высокое

содержание солей в отработанной жидкости, включающее удаленные минеральные вещества и избыток

регенерирующих химических реагентов. Расход промывочной воды также значителен. Особенно при

вымывании излишка гидроксида натрия из слабоанионной смолы. Потери сывороточных белков в колоннах

происходят также вследствие денатурации/абсорбции. Это вызвано значительными колебаниями уровня рН в

сыворотке во время процесса ионного обмена. Потребление восстанавливающих химических реагентов