Ультрафильтрацию используют для концентрирования молока посредством удаления из белкового раствора (ретентата) влаги и лактозы, а обратный осмос — для удаления влаги из сыворотки для получения концентрированного раствора лактозы и сывороточного белка. Кроме того, сгущая белок молока посредством ультрафильтрации (в том числе сывороточные белки) с последующим обратным осмосом пермеата (сыворотки), можно получить практически очищенный от белка концентрат лактозы, который может содержать соли, удаляемые при электродиализе.
В оборудовании для ультрафильтрации и обратного осмоса для отделения жидких компонентов (пермеата) от ретентата используют мембраны, при этом процесс зависит от используемого давления и пористости мембран.
Конструкция установок ультрафильтрации, используемых в промышленной переработке молочных продуктов, сильно различается.
Микрофильтрация (MF)
это один из видов мембранной фильтрации, где механизм разделения компонентов происходит по диаметру частиц, размер которых лежит в диапазоне 10-50µм. Давление позволяет проходить через поры мембран частицам соли, сахара, некоторым белкам, и задерживать бактерии, жировые шарики, частицы крупных белков, например крупные мицеллы казеина. Рабочее давление процесса составляет 0,01-0,5 МПа.
Установка микрофильтрации эффективно в потоке удаляет примеси и вредные микроорганизмы из солевого раствора, сохраняя при этом химический баланс солевого раствора. В сравнении, с прочими методами обработки солевого раствора, данный метод является наиболее конкурентным благодаря тому, что мертвые клетки удаляются, в то время как при пастеризации они лишь убиваются. Более того, использование установки избавляет от «черных точек» на поверхности сыра, «цветения», плесени и т. д. Исчезает необходимость в пастеризации солевого раствора.
Основное применение микрофильтрации:
Ультрафильтрация (UF)
это один из видов мембранной фильтрации с низким давлением, которая отделяет коллоидные частицы и высокомолекулярные вещества, размер которых лежит в диапазоне 1-10 µм, в этот диапазон попадают казеин, сывороточные белки, крупные молекулы жира.
Рабочее давление, в общем, не превышает 1МПа. Ультрафильтрационные мембраны являются, также основой, скелетом, т.н. support на который накладывают композитные мембраны, применяемые в других процессах, таких как, обратный осмос, первапорация и сепарация газов. Ультрафильтрацию применяют, прежде всего, для кларификации растворов, т.е. удаление из них крупных, коллоидных частиц, а также для сгущения белковых растворов.
Основное применение ультрафильтрации — переработка сыворотки и молока.
Сыр Feta и прочие сыры такого типа производятся посредством полной концентрации молока с использованием процесса ультрафильтрации. Затем в полученный ретентат вносят заквасочные культуры, сычужный фермент, соль и прочие добавки и отправляют прямо на упаковку.
Основное применение у льтрафильтрации:
Нанофильтрация (NF)
Э то один из видов мембранной фильтрации, которая отделяет молекулы, размер которых лежит в диапазоне 0,0005-0,001µм. В этот диапазон попадает лактоза и некоторые аминокислоты, а некоторые одновалентные ионы, например натрия и калия проходят через поры мембран. Рабочее давление применяемое при нанофильтрации колеблется в пределах от 1 до 3 МПа. Мембраны нанофильтрации предназначены для отделения воды и части минералов. В результате сгущения получается концентрат (ретентат) и пермеат (вода с содержанием минералов и солей). Чаще всего сгущение на установке нанофильтрации проводят до 18%-20% сухих веществ, ввиду максимальной экономической эффективности. Более того, полученную в качестве нанофильтрации — пермеата воду можно очистить на установке обратного осмоса и использовать на технологические нужды.
Таким образом, если сыворотку сгущать посредством установки нанофильтрации, происходит частичная деминерализация концентрата. Поэтому, в некоторых случаях (например, переработка солёной сыворотки) нанофильтрация может быть высокоэффективной и экономически целесообразной.
Сыворотка, переработанная посредством нанофильтрации, может быть направлена на дальнейшее производство сухого порошка.
Основное применение нанофильтрации в производстве молочных продуктов
Обычно нанофильтрацию применяют в случаях, когда из раствора нужно удалить белки, аминокислоты, сахар и другие частицы, оставляя в фильтрате только молекулы соли:
Обратный осмос (RO)
это один из видов мембранной фильтрации, где используются мембраны с наименьшим размером пор, отделяющие молекулы и ионы размером менее 0,0005 µм и пропускающие только воду и низкомолекулярные органические растворители. Механизм разделения имеет диффузионный характер. Из-за высокого осмотического давления рабочее давление для обратного осмоса колеблется в пределе от 1 до 10 МПа.
На практике, процесс обратного осмоса применяют для выполнения двух основных целей:
При использовании установки обратного осмоса для сгущения молока, то концентрация чаще всего доводится до 29% сухих веществ. Полученный при этом пермеат представляет собой технологическую воду. Аналогичный результат получают при использовании обратного осмоса для концентрации обезжиренного молока c окончательными показателями сгущения 28-29%. Такие показатели являются весьма весомыми, поскольку это снижает производственные затраты относительно использования вакуум-выпарных установок на тех же объемах удаленной влаги.
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:
а) предварительное концентрирование белков в молоке для производства традиционных видов сыров; б) значительное изменение соотношения между белками и другими компонентами для создания новых видов сыров; в) нормализация молока по белку для обеспечения однородности и воспроизводимости свойств получаемого сыра не зависимо от сезонности; г) выделение сывороточных белков из сыворотки с целью получения белковых концентратов и лактозного раствора.
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 /4/. Цельное молоко после пастеризации подкисляют соляной кислотой до рН 5,8 для того, чтобы не задерживался Ca 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 0С 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.
В странах с развитой молочной промышленностью (США, Дания, Австралия, Франция и др.) разрабатываются новые технологии производства сыра с использованием концентратов, получаемых УФ.
При производстве сыра и казеина получается около 90 % сыворотки от общего объема перерабатываемого молока. Одним из направлений применения УФ является получение белковых концентратов из сыворотки, которые затем используют в производстве сыра. Другим важным направлением является получение новых продуктов из сыворотки на основе концентратов с высоким содержанием сывороточных белков.
УФ сыворотки позволяет получать белковые концентраты с содержанием белка от 30 до 95 %. В ходе концентрирования происходит также отделение раствора лактозы и солей.
Предварительная обработка сыворотки перед УФ включает осветление (отделение остатков жира и казеина) и пастеризацию с целью подавления заквасочных культур.
Установлено /5/, что оптимальным режимом подготовки сыворотки перед УФ является тепловая обработка при 58-62 0С с выдержкой 60 мин. и доведение рН обрабатываемого продукта до 5,5-6,0. В этом случае происходит инактивация фосфата кальция, который сильно засоряет мембраны.
Широкий ассортимент молочных продуктов на основе сыворотки выпускается в Новой Зеландии и Австралии /4/. В 1987г. в Австралии 26 % получаемой сыворотки обрабатывалось с помощью УФ. Крупнейшая по переработке молока компания Rangitaiki Plains Dairy обрабатывает в год 218 тыс. т молока, в результате чего образуется более 100 тыс. т сыворотки. Для получения сывороточного белка, казеина и лактозы компания использует установки фирмы DDS (Дания). В технологической схеме производства предусмотрены две УФ установки, каждая из которых имеет поверхность мембран 351 м2 и производительность 450 м3/сут. Из 1000 л сыворотки получают 950л пермеата и 40-50 л концентрата, содержащего 14-15% СВ из которых 11,5-12,5% составляет белок. Далее концентрат нейтрализуют, дополнительно концентрируют и высушивают до содержания влаги 4%. Полученные сывороточные концентраты используют для приготовления сливочного мороженого, выработки сыров и поставляют на экспорт.
Ультрафильтрация представляет собой процесс сепарирования на молекулярном уровне. Мембрана Ультрафильтрации пропускает воду, растворенные соли, лактозу и кислоты, так что содержание этих веществ, в процессе концентрации будет оставаться приблизительно на одном и том же уровне по обе стороны мембраны. Мембрана ультрафильтрации задерживает белки, жиры и бактерии, и поэтому только они концентрируются в ретентате. Диафильтрация применяется, когда требуется получить высокое относительное содержание белка в КСБ или КМБ. При диафильтрации в процесс дополнительно вводится вода, при этом понижается относительная концентрация растворённых солей и лактозы и повышается относительная концентрация белка в конечном концентрате.
Процессы ультра и микрофильтрации можно рассматривать как одни из самых нужных и интересных процессов, с точки зрения производства новых натуральных ингредиентов, для молочных и иных пищевых отраслей. Применение этих процессов в производстве молочных продуктов, приносит большой экономический и качественный эффект, сохраняя при этом нативность пищевых ингредиентов. Микрофильтрацию можно рассматривать как один из видов ультрафильтрации, т.к. не существует четких границ по размеру частиц, сепарируемых этими методами.
Наша компания, производит широкий ряд установок микро и ультрафильтрации, для переработки молока, молочных продуктов и сыворотки, а так же для селективного концентрирования и извлечения высокомолекулярных компонентов из различных биологических жидкостей (соки, вина, пиво, рассолы, гидролизаты, сиропы).
Установка MES UF Milk работает по принципу фильтрации в перекрёстном потоке с применением спиральных мембран ультрафильтрации. Мембрана разделяет входящий поток на два: ретентат (концентрат) и пермиат (фильтрат). Установки ультрафильтрации, предназначены для непрерывной концентрации сыворотки или молока перед последующей переработкой. Как правило, применяются для производства концентрата сывороточного белка (КСБ) или концентрата молочного белка (КМБ). Нормализация молока по белку для производства сыра и творога также является одной из основных функций установки MES UF Milk.
Ознакомимся вкратце, с возможностями микро и ультрафильтрации, применительно к производству молочных продуктов.
Снижение количества микроорганизмов
Микрофильтрация широко применяется для производства пастеризованного молока высокого качества и молока длительного хранения. По сравнению с традиционной тепловой обработкой, где микроорганизмы инактивируются, а химический состав молока меняется, микрофильтрация физически удаляет из молока бактерии, споры, мертвые клетки и разнообразные примеси, не оставляя практически никаких микроорганизмов и не вызывая нежелательных изменений в химическом составе молока.
При микрофильтрации цельного молока, задерживается 90-98% жира, при этом жировые частицы забивают поры и сильно снижают производительность мембран. Поэтому перед микрофильтрацией необходимо удалить жир из молока на сепараторе сливкоотделителе. После обезжиривания молоко направляется на микрофильтрацию и разделяется при факторе концентрирования 20 раз на концентрат и пермеат. В пермеате, который непрерывно отводится из установки, концентрация бактерий снижается на 99,8 % при использовании керамической мембраны с номинальным размером пор 0,8 мкм. В концентрате, содержание бактерий также может снижаться в десятки раз за счет того, что концентрат в отличие от пермеата находится длительное время (3-4 часа) в циркуляционном контуре при температуре около 50 0 С. Сливки и концентрат от микрофильтрации смешиваются и затем подвергаются «жесткой» пастеризации при возможно более высокой температуре. После этого пермеат смешивается в требуемых пропорциях со сливками и концентратом, для получения стандартизованного по белку и жиру молока, и подвергается обычной пастеризации.
Микрофильтрация может улучшить качество молока для сыроделия. Природное содержание анаэробных спор в молоке, таких как клостридии, которые могут выжить при обычной пастеризации и вызвать нежелательное образование газа в сыре, снижается при помощи микрофильтрации. Более того, микрофильтрация позволяет избежать или значительно снизить использование обычных ингибиторов (например, нитратов), тем самым обеспечив производство молока и сыворотки без консервантов.
Микрофильтрация может значительно улучшить качество сухого молока и сыворотки посредством уменьшения количества бактерий и спор. Как следствие, тепловая обработка может быть сведена к минимуму, что, помимо всего прочего, способствует сохранению функциональных свойств сывороточных белков в сухом продукте.
Химическое и микробиологическое качество сырного рассола, используемого для посолки сыра, значительно влияет на качество сыров. Рассол может содержать нежелательные микроорганизмы, и поэтому он традиционно подвергается разным типам обработки, таким как тепловая обработка, кизельгуровая фильтрация, обработка ультрафиолетом или даже добавление консервантов. Микрофильтрация может легко заменить любой из этих процессов, предотвращая нежелательные последствия.
Фракционирование молочных белков
Что касается контроля и качества технологического процесса, то постоянное и стабильное производство является одной из самых важных составляющих для любого сыродела. Применение микрофильтрации позволяет фракционировать казеин и сывороточные белки, и тем самым нормализовать концентрацию казеина в молоке для достижения правильного соотношения между казеином и жирами в молоке.
Применение керамических мембран с размером пор 0.2 мкм позволяет выделить 95% казеинового белка, из обезжиренного молока в нативном состоянии. После концентрирования в 5-6 раз по объему концентрированный раствор, содержащий 15,4% казеина, подается на сушку. Например, из 5 тонн обезжиренного молока получается 0,8 — 1 тонна сгущенного продукта, из которого после сушки получится около 190 — 230 кг сухого белка-казеина 70%-ной чистоты. Можно повысить содержание белка в сухом продукте, применяя диафильтрацию.
Удаление молочного жира
В производстве изолятов белка, таких как изоляты молочного или сывороточного белка, где содержание белка составляет более 90% в сухом остатке, содержание жиров является лимитирующим фактором. Молочный жир концентрируется до высокого уровня, и для достижения заданной концентрации белка требуется удаление молочных жиров. Микрофильтрация – идеальное решение для выполнения этой задачи.
Концентрация белка
В традиционном производстве сыра ультрафильтрация может быть использована для предварительной концентрации сырного молока. В этом случае, содержание белка в молоке растет, что способствует оптимизации использования оборудования для производства сыра и повышает выход продукта. Побочный продукт процесса ультрафильтрации – пермеат – идеально подходит для нормализации содержания белка в других продуктах, например, сухом обезжиренном молоке.
Предварительное концентрирование молока путем ультрафильтрации, 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 установка ультрафильтрации, 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, уже 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 происходило отложение солей кальция на мембранах. Проводят ультрафильтрацию 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 0 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 ультрафильтрации молока повышает выход сыра, например, в производстве сыра Фета расход молока сокращается с 8,5 до 6,5 кг/кг сыра. Кроме того, ультрафильтрационное концентрирование позволяет сократить расход молоко-свертывающего фермента и бактериальной закваски на 30-60%, уменьшить время созревания сыра и продолжительность технологического процесса, а также автоматизировать процесс производства и контроля.
При классическом производстве творога, обязательным побочным продуктом является сыворотка. С применением мембранных технологий а именно ультрафильтрации, можно заметно увеличить выход и интенсифицировать процесс получения творожного сгустка. Цельное молоко концентрируют на установках ультрафильтрации в 5-6 раз по объему, после чего концентрированное, обогащенное белком молоко пастеризуют и охлаждают до 30 0 С, и сквашивают до рН = 4,8. Из концентратов с фактором концентрирования 5 выход творога составляет 100 %, т.е. отстоя сыворотки отсутствует. Полученный творог имеет очень плотную консистенцию приятную на вкус и внешний вид
Ультрафильтрация обычно используется для производства концентрата молочного белка (КМБ), где может привести к повышению содержания белка в сухом остатке. Побочный продукт процесса ультрафильтрации – пермеат – идеально подходит для нормализации содержания белка в других продуктах, например, сухом обезжиренном молоке.
Концентрат сывороточного белка – результат использования ультрафильтрации на разных типах сыворотки (сладкая, кислая, казеиновая) или разных типах пермеатов после микрофильтрации молока. В зависимости от требуемого уровня концентрации белка могут применяться разные технологии ультрафильтрации (например, разведение водой, т.н. диафильтрация). Конечный состав сывороточного белка зависит от нескольких факторов, таких как исходный состав сыворотки, уровень концентрации, тип мембран и параметры процесса. Побочный продукт – пермеат – как правило, содержит лактозу и может быть использован в дальнейших процессах.
Получение концентратов с содержанием белка 30 %WPC(КСБ).
Для достижения концентрации белка в сухом продукте 30 % WPC необходимо сконцентрировать исходную сыворотку в 6 – 8 раз по объему. В жидком концентрате содержание белка составит около 3,6 % при общем содержании сухих веществ 11,4 %.
Получение концентратов с содержанием белка 80 %WPC(КСБ).
Для получения 80 % WPC (содержания белка 80-81 % в сухом продукте) потребуется центробежный сепаратор для отделения жира и казеиновой крошки. Содержания жира в сыворотке после сепарирования будет около 0,05 %. После концентрирования такой сыворотки в 40 раз по объему и применения диафильтрации для уменьшения концентрации лактозы и солей содержание белка в жидком концентрате составит 19,1 % при общем содержании сухих веществ 22,8 %. В этом случае после сушки содержание белка составит WPC 80-81 %.
Получение концентратов с содержанием белка 85-90 %WPC(КСБ).
Для достижения содержания белка 85 % и более в сухом продукте, необходимо удалить полностью жир из сыворотки, то есть его содержание должно быть менее 0,001 %. Удалить полностью жир из сыворотки возможно только путем микрофильтрации на керамических мембранах с размером пор 0,2 мкм.
Обезжиренная сыворотка должна быть сконцентрирована в 45 раз по объему, при этом в процессе концентрирования необходимо добавлять воду для вымывания лактозы. Содержание протеина в жидком концентрате составит 13,3 % при общем содержании сухих веществ 15,1 %. В этом случае после сушки содержание белка составит WPC 85-90 %.
Нормализация белка
Ультрафильтрация может быть использована для нормализации и повышения уровня содержания белка в молоке без использования добавок, таких как сухое молоко. Молоко, обогащенное белком, имеет улучшенный вкус и более полезно для здоровья, а также идеально для производства кисломолочных продуктов (йогурт, кефир, сметана). Для оптимизации использования белка пермеат после ультрафильтрации может быть направлен на снижение содержания белка в молоке.
Фактор сезонности и породы коров оказывают существенное влияние на поддержание постоянного уровня белка в молоке. Нормализация белка с помощью ультрафильтрации может исключить фактор сезонности уровня белка, обеспечив тем самым однородный процесс производства сыра и оптимизацию в использовании оборудования.
Декальцификация (удаление кальция)
Ультрафильтрация может быть использована в качестве основной установки для сепарации в установке декальцификации для удаления кальция из подсгущенного на установке обратного осмоса или предпочтительнее установке нанофильтрации пермеата для производства лактозы. Поскольку фосфат кальция нерастворим, он легко удаляется при помощи технологии УФ, следующей за процессом термального осаждения. Применение этой технологии будет гарантировать получение высококачественной лактозы, где уменьшение содержания кальция фосфата приведет к большему выходу лактозы и меньшему количеству минеральных солей в конечном продукте, а также уменьшит время работы выпарного аппарата. В зависимости от уровня концентрации на УФ, кальций может быть очищен до натурального фосфата кальция, если это требуется.
Свежие сыры
Ультрафильтрация широко используется в производстве белых сыров, где цельное молоко концентрируется до 34,4% сухих веществ, при помощи ультрафильтрации. Ретентат (концентрат) после ультрафильтрации пастеризуется и смешивается со стартовой культурой, сычужным ферментом, и фасуется непосредственно в упаковку, где начинается процесс производства сыра. Процесс очень простой, выход сыра увеличивается на 20% по сравнении с традиционным процессом.
Кисломолочные продукты – термин, который употребляется в качестве общего знаменателя для таких продуктов как творог, зерненый творог, мягкий сыр, сливочный сыр и другие. Включение ультрафильтрации в процесс производства сыра позволяет производить корректировку конечного продукта для достижения заданной комбинации по консистенции, структуре и вкусовым качествам сыра. Нормализация уровня белка для производства данных типов продуктов ведет к увеличению выхода продукта и уменьшению количества кислой сыворотки.
Удаление лактозы
В производстве молока без лактозы ультрафильтрация играет важную роль для получения вкуса, аналогичного свежему молоку. Перед тем как молоко подвергается гидролизу, большая часть лактозы удаляется при помощи ультрафильтрации.
Ультрафильтрация представляет собой процесс сепарирования на молекулярном уровне. Мембрана Ультрафильтрации пропускает воду, растворенные соли, лактозу и кислоты, так что содержание этих веществ, в процессе концентрации будет оставаться приблизительно на одном и том же уровне по обе стороны мембраны. Мембрана ультрафильтрации задерживает белки, жиры и бактерии, и поэтому только они концентрируются в ретентате. Диафильтрация применяется, когда требуется получить высокое относительное содержание белка в КСБ или КМБ. При диафильтрации в процесс дополнительно вводится вода, при этом понижается относительная концентрация растворённых солей и лактозы и повышается относительная концентрация белка в конечном концентрате.
Химическое и микробиологическое качество сырного рассола, используемого для посолки сыра, значительно влияет на качество сыров. Рассол может содержать нежелательные микроорганизмы, и поэтому он традиционно подвергается разным типам обработки, таким как тепловая обработка, кизельгуровая фильтрация, обработка ультрафиолетом или даже добавление консервантов. Микрофильтрация может легко заменить любой из этих процессов, предотвращая нежелательные последствия.
