Исследование влияния баромембранных технологий на процесс производства желатина

Введение. В современной науке и практике все чаще используются мембранные процессы. Данная технология способна решать любые задачи по фильтрации, концентрированию и очистке пищевых компонентов. Один из видов мембранных процессов – баромембранная технология, которая используется в разных отраслях, таких как: пищевая, химическая и биотехнологическая промышленность. Одним из перспективных направлений пищевой и биотехнологической отрасли является производство желатина разных марок и категорий. За последнее время в России увеличилось использование мембранных технологий, поэтому рынок мембран плотно закрепился и проходит стадию формирования [1].

Желатин – это водорастворимый белок, имеющий молекулярную массу от 20 до 250 кДа. Желатин получают из кожи и костей животных. Его широко применяют в производстве пищевых продуктов и фармацевтическом производстве. В пищевой промышленности желатин является одним из водорастворимых полимеров, который можно использовать для улучшения стабильности и консистенции пищевых продуктов [2]. Желатин состоит из уникальной последовательности аминокислот. На рисунке 1 представлена химическая структура желатина, которая содержит повторяющиеся последовательности триплетов глицин – X – Y, где X и Y часто представляют собой аминокислоты пролина и гидроксипролина [3].

CO—NHCO

Glycine Proline Y

Рис. 1. Химическая структура желатина

CH2N—CH NH

Технология производства желатина достаточно сложная и продолжительная по времени. Основные стадии производства могут продолжаться от 15 ч до 12 недель. При этом самым энергозатратным является процесс концентри- рования желатиновых бульонов, обычно их концентрируют до содержания сухих веществ от 12 до 35 %. На рисунке 2 представлена классическая схема производства желатина [4, 5].

Рис. 2. Классическая схема производства желатина из костного сырья

После стадии экстракции экстрагированные разбавленные растворы желатина концентрируют и фильтруют. Традиционный метод концентрирования – испарение желатиновых бульонов в три стадии: предварительное концентрирование, основное концентрирование и завершающая стадия для высокой концентрации. Традиционный метод имеет некоторые недостатки, такие как потребление большого количества энергии, выброс углеводородов в атмосферу [6].

При производстве желатина требуются большие тепловые энергозатраты, так как технология производства связана с отделением влаги, поэтому возникла потребность в изучении повышения эффективности производства желатина методом баромембранных технологий [7, 8].

С целью ресурсосбережения предлагается использовать ультрафильтрацию на этапе концентрирования желатиновых бульонов. Ультрафильтрационные установки имеют ряд преимуществ для производства пищевых продуктов, одно из основных – снижение количества вакуум-выпарных аппаратов за счет применения ультрафильтрационных установок, которые в свою очередь удаляют большую часть свободной влаги из желатинового бульона. При всех плюсах имеется и недостаток – высокая стоимость промышленного оборудования для реализации баромембранных технологий на производстве.

Цель исследования: изучение влияния условий эксплуатации ульрафильтрационных мембран на концентрационные характеристики растворов желатина.

Задачи исследования: дать характеристику используемой ультрафильтрационной установке; установить рабочие параметры для проведения ультрафильтрации желатиновых бульонов; исследовать влияние процесса ультрафильтрации на физико-химические показатели желатинового бульона и продуктов его фильтрации.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являлся желатиновый бульон. В экспериментальных исследованиях использовали лабораторную ультрафильтрационную установку МФУ-Р-45-300 (Россия). В качестве фильтрующих элементов использовали полимерные ультрафильтрующие элементы ЭРУ (Россия) в количестве 3 штук. Контролируемое давление находилось в пределах 3,0 Бар, с перепадом в напорном и возвратном коллекторе не более 0,2–0,5 кгс/см2. Содержание белка определяли на анализаторе общего азота (белка) RAPID N ELEMENTAR, работающего по методу Дюма – сжигание пробы с регистрацией общего азота на детекторе теплопроводности. Определение содержания сухих веществ производили на рефрактометре ИРФ-454Б2М. Пробу предварительно разбавляли водой. Результат умножали на коэффициент разведения. Концентрацию ионов водорода (величину рН) определяли экспресс-методом с помощью рН-метра модели Testo 206-pH2.

Экспериментальные исследования проводились на базе НИИ биотехнологии Кемеровского государственного университета. Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ (НШ-2694.2020.4).

Результаты исследования. С целью исследования баромембранных технологий в процессе производства желатина использовали ультрафильтрационную установку МФУ-Р-45-300. Данная мембранная фильтрационная система МФУ-Р предназначена для фильтрации различных растворов. Она позволяет получать концентраты или фильтраты растворов, отделяя молекулы различных размеров в зависимости от установленных мембран. Внешний вид ультрафильтрационной установки МФУ-Р-45-300 представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Ультрафильтрационная установка МФУ-Р-45-300

Установка оснащена тремя фильтрационными аппаратами, укомплектованными полимерными фильтрационными рулонными элементами ультрафильтрации с размерами пор от 5 до 100 кДа, что позволяет получить белковый концентрат с высокой молекулярной массой. Также установка имеет теплообменник, позволяющий регулировать температуру фильтруемой жидко- сти. Конструкция позволяет при необходимости производить процесс фильтрации в непрерывном режиме, получая необходимый объем фильтрата или степень концентрации раствора. Технические характеристики ультрафильтрационной установки МФУ-Р-45-300 представлены в таблице.

Технические характеристики ультрафильтрационной установки МФУ-Р-45-300

Параметр	Данные
Количество аппаратов разделения, одновременно монтируемых на установке, шт.	1–3
Тип аппарата	АРС-0.25
Количество фильтрационных элементов, шт.	3
Номинальный порог задержания в нанофильтрационном элементе, Да	400
Рабочее давление, Мпа, не более	0,6
Температура рабочей среды, оС, не более	50
pH рабочей среды	2–11
Минимальный удерживаемый объем установки, л	3,0–3,5
Напряжение питания, В	220
Частота тока, Гц	50
Установочная мощность, кВт	1,3
Масса, кг	55
Габаритные размеры, см
Длина	982
Ширина	420
Высота	1261

Для фильтрации использовали полимерные УФ-мембраны ЭРУ, которые обеспечивают разделение исходного продукта на ретентат (концентрат) и пермеат (фильтрат). В своем составе ретентат имеет белки и незначительное количе- ство минеральных веществ, которые переходят в него в процессе фильтрации исходного раствора. При этом пермеат в своем составе имеет отфильтрованные соли и минералы [9]. УФ-мембраны представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Полимерные УФ-мембраны ЭРУ

Принципиальная схема экспериментальной желатина представлена на рисунке 5.

установки УФ для концентрирования раствора

Рис. 5. Принципиальная схема экспериментальной установки УФ для концентрирования раствора желатина:

1 – вход фильтруемой жидкости; 2 – выход фильтрата; 3 – слив концентрата; 4 – выход промывной воды; Е1 – приемная емкость; АР – фильтрационный аппарат; Н1 – циркуляционный насос; М – манометр; Т1 – термометр; Т01 – теплообменник

С целью исследования влияния баромембранных технологий на процесс производства желатина в приемную емкость Е1 помещали полученный экстракционным методом желатиновый бульон в количестве 10 л. Контролируемое давление находилось в пределах 3,0 Бар, с перепадом в напорном и возвратном коллекторе не более 0,2–0,5 кгс/см2.

Для изучения эффективности применения ультрафильтрационного метода концентрирования желатиновых бульонов определяли физико-химические показатели желатинового бульона и полученных в ходе фильтрации продуктов (пермеат и ретентат). Результаты представлены на рисунке 6.

	Массовая доля белка, %	Массовая доля сухих веществ, %	рН, ед.
■ Ретентат (концентрат)	13,68	12,94	6,8
■ Пермеат (фильтрат)	0,27	0,35	6,7
■ Желатиновый бульон	4,53	4,87	6,5

Рис. 6. Физико-химические показатели желатинового бульона и продуктов его фильтрации

По результатам полученных данных можно сделать вывод, что использование ультрафильтрации полимерными мембранами при давлении в пределах 3,0 Бар в процессе концентрирования желатиновых бульонов дало возможность сконцентрировать раствор по отношению к белкам контрольного образца (исходного желатинового бульона) на 61,97 %, по отношению к сухим веществам – на 62,88 %. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности применения баромембранных технологий, в том числе ультрафильтрационных методов, в технологических процессах производства желатина. Также можно предположить, что использование рассмотренных методов способствует получению более качественного, высокомолекулярного белка – желатина, который востребован в пищевой и биомедицинской промышленностях.

Выводы. Таким образом, при использовании баромембранных технологий в процессе производства желатина, а именно в процессе концентрирования на ультрафильтрационной установке МФУ-Р-45-300, оснащенной полимерными фильтрационными рулонными элементами ультрафильтрации с размерами пор от 5 до 100 кДа, при рабочем давление в пределах 3,0 Бар, с перепадом в напорном и возвратном коллекторе не более 0,2–0,5 кгс/см², удалось сконцентрировать желатиновый раствор по отношению к белкам контрольного образца (исходного желатинового бульона) на 61,97 %, по отношению к сухим веществам – на 62,88 % соответственно. Полученные показатели свидетельствуют о высокой эффективности использования данных технологий в процессе концентрирования желатиновых бульонов.