Деминерализация и нейтрализация творожной сыворотки в процессе нанофильтрации

Наибольший практический интерес нанофильтрация представляет как способ деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки. Одновременно происходит и концентрирование ее ценных компонентов - белков и лактозы. Технологические показатели НФ-концентратов позволяют использовать их для производства таких продуктов как мороженое, йогурт, напитки и др. [1, 2]. Но при проектировании рецептур и технологических схем производства продуктов на их основе необходимы предварительные исследования по зависимости уровня деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки от степени концентрирования.

Большинство исследований в этой области было проведено на подсырной сыворотке [2,3,4]. Так, A. Roman исследовал деминерализацию кислой подсырной сыворотки с помощью нанофильтрации в комбинации с диафильтрацией, а E. Suarez изучала деминерализацию подсырной сыворотки и УФ-пермеата с помощью нанофильтрации.

Целью работы является исследование степени удаления минеральных солей и молочной кислоты в творожной сыворотке при ее концентрировании нанофильтрацией.

Творожную сыворотку с титруемой кислотностью 70 °Т и рН 4,65, полученную от производства творога на непрерывно-поточной линии подвергали обработке в течение 30 мин при 40 °С и давлении 26 бар на пилотной нанофильтрацион-ной установке, оснащенной мембраной с молекулярной массой отсечки 200 Да. По окончании процесса в концентрате и фильтрате определялись массовая доля молочной кислоты, золы и некоторых ионов минеральных солей в отдельности.

При исследовании состава применялись стандартные и общепринятые методы определения [5–7]. Содержание натрия, калия, кальция, магния определяли атомно-абсорбционным методом с предварительной минерализацией при 200 °С в течение 15 мин с использованием прибора «Spektr AA-220FS».

Степень удаления золы и молочной кислоты в зависимости от фактора концентрирования определялась расчетным путем по предложенному авторами уравнению [8]:

где Д – степень удаления компонента;

N – фактор объемного концентрирования;

k – коэффициент разделения.

Уравнение позволяет определить степень удаления любого компонента при нормальном (без диафильтрации) режиме нанофильтрации. Фактор объемного концентрирования N, определялся как отношение объёма сыворотки к объему фильтрата [2,8]:

где V0 – исходный объем сыворотки;

V – объем концентрата.

Постоянный коэффициент k определялся по данным состава фильтрата и концентрата по формуле [8].

где Сф – концентрация компонента в фильтрате; Ск – концентрация компонента в концентрате.

Коэффициент k является характеристикой нанофильтрационной мембраны и показывает, насколько эффективно применяемые НФ-мембраны пропускают или задерживают тот или иной компонент. В таблице представлены экспериментальные данные состава продуктов разделения творожной сыворотки нанофильтрацией и результаты расчета k [9].

Таблица. Содержание компонентов в продуктах разделения творожной сыворотки нанофильтрацией.

Компонент	Массовая доля, %			Коэффициент разделения, k
	Исходная сыворотка	НФ- концентрат, С к	НФ-фильтрат, С ф
Молочная кислота	0,62	1,55	0,424	0,274
Зола	0,65	1,52	0,488	0,321
Натрий	0,05	0,119	0,037	0,309
Калий	0,121	0,256	0,099	0,386
Кальций	0,104	0,351	0,007	0,021
Фосфор	0,054	0,183	0,003	0,017
Магний	0,081	0,277	0,002	0,007

В производственных условиях оптимальным режимом является концентрирование до N=3,5, что соответствует 18–20 % сухих веществ и продолжительности обработки порядка 30 мин. Проведение нанофильтрации до значения N более 4 из-за резкого снижения производительности установки экономически нецелесообразно [10]. Степень удаления золы и молочной кислоты Д, в зависимости от фактора объемного концентрирования N в диапазоне от 1 до 4 представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость степени удаления золы и молочной кислоты от фактора объёмного концентрирования творожной сыворотки нанофильтрацией

Как следует из рис. 1 для исследуемых компонентов с увеличением фактора объемного концентрирования значения Д повышаются. Абсолютные значения Д для золы выше чем, для молочной кислоты. Максимальное восхождение кривых наблюдается при значениях N до 3,0, после чего интенсивность удаления компонентов снижается. При факторе объемного концентрирования выше 3,5 значения Д практически не изменяются. Это связано с повышением осмотического давления в концентрированном растворе, а также с образованием белкового гелевого слоя на поверхности мембраны [2]. При проведении нормального режима нанофильтрации степень деминерализации при N = 3,5 составляет 33 % и уровень удаления молочной кислоты 29 %.

Теоретический интерес представляет определение степени удаления отдельных ионов, формирующих общий уровень деминерализации. Для этой цели на основании экспериментальных данных состава фильтрата и концентрата (табл.) по уравнению (1) была рассчитана степень удаления ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и Р3+ (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость степени удаления ионов минеральных солей от фактора объемного концентрирования творожной сыворотки нанофильтрацией

С увеличением концентрирования для всех ионов степень деминерализации в исследуемом диапазоне повышается. Однако максимальное удаление наблюдается для ионов Na+ и K+. Для многовалентных ионов зависимости имеют линейный характер при этом значения Д намного ниже, что можно объяснить их большей молекулярной массой по сравнению с одновалентными ионами. При N=3,5 удаление одновалентных катионов составляет 30^40 %, многовалентных - 10^15 %. Полученные результаты согласуются с исследованиями авторов [2, 3].

Выводы.

Максимальная скорость удаления золы и молочной кислоты в процессе нанофильтрации отмечается при концентрировании до N=3,5.

Концентрирование творожной сыворотки нанофильтрацией до значений N более 4,0 нецелесообразно.

Деминерализация сыворотки происходит в основном за счет удаления одновалентных ионов Na+ и К+.