Исследования влияния нанофильтрации и электродиализа на минеральный состав творожной сыворотки

Перед производителями молока и молочной продукции поставлены важные задачи – увеличить объёмы производства, обеспечить импортозамещение и не допустить резкого роста розничных цен на продукцию. Развитие молочной отрасли России нельзя представить без поступательного повышения эффективности производства [1]. Одним из направлений решения данной задачи является ресурсосбережение, поскольку затраты на сырьё в среднем составляют 60‒70% от себестоимости молочной продукции в зависимости от региона России [2].

Высокоэффективные ресурсосберегающие технологии в молочной отрасли ориентированы на переработку вторичного сырьевого ресурса – молочной сыворотки, объёмы которой ежегодно растут. Мировое производство молочной сыворотки в 2015 г. составило около 178 млн т [3], причём основной объём (около 90%) приходится на подсырную сыворотку, которая более технологична в переработке [4].

В РФ общий объём молочной сыворотки в 2017 г. составил около 6,6 млн т [5] и имеет тенденцию к росту, так как введение эмбарго в 2014 г. стимулировало увеличение собственного молокоёмких белковых продуктов. Но особенность российского производства сыворотки заключается в том, что 60% ее общего объёма составляет творожная сыворотка, переработка которой имеет свои технологические нюансы ввиду особенностей химического состава и физико-химических свойств [6].

Таким образом, изучение состава сыворотки и его изменение в результате различных способов обработки является актуальной задачей, решение которой позволит понять закономерности изменения состава сыворотки в результате проведения таких технологических процессов как наноконцентрирование и электродиализное обессоливание. Это позволит моделировать состав сывороточных концентратов для дальнейшего использования и, в том числе, для создания новых продуктов различного назначения. Например, деминерализованную сыворотку широко при-мененяют: в детском специализированном питании, цельномолочных продуктах, консервах, кондитерских, хлебобулочных и мясных изделиях [4].

Так, в 2016 г. производство этих продуктов составило 117 тыс. т. И тем не менее в этом секторе есть большой потенциал для развития: ежегодно в Россию импортируется около 140 тыс. т молочной сыворотки, причём 94% из Республики Беларусь [7].

Целью настоящей работы было исследование влияния нанофильтрационной и электродиализной обработок на изменение физико-химических характеристик в концентратах натуральной творожной сыворотки.

Известно, что энергоэффективность процесса концентрирования методом нанофильтрации выше, чем при обратноосмотической обработке, а потери по лактозе и белку составляют ничтожно малые доли [10]. Эффект деминерализации, в зависимости от типа сыворотки, может превышать 30%, а по некоторым данным достигает 50%, что делает нанофильтрацию исключительно экономически привлекательным процессом для применения в технологии переработки творожной сыворотки, как в качестве основного метода частичной деминерализации, так и в качестве вспомогательного перед электродиализом или ионным обменом [11].

В качестве образцов для исследования была взята натуральная творожная сыворотка полученная при выработке обезжиренного творога на линии Я9-ОПТ на ОАО УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина. Средние значения основных технологических параметров творожной сыворотки представлены в таблице 1 .

Таблица 1. Основные технологические параметры творожной сыворотки

Параметр	Литературные данные	Исследуемая сыворотка, средние значения
Массовая доля сухих веществ, %	4,2‒7,4	6,4
Титруемая кислотность, 0Т	50-85	65
Активная кислотность, ед рН	4,0‒5,3	4,4
Электропроводность, мСм/см	8-9	8,5

Получение наноконцентратов сыворотки и её обессоливание осуществлялось на экспериментальной установке (рис. 1) . Творожная сыворотка, предварительно очищенная от белковой пыли и подогретая до 40 ⁰ С, подаётся в продуктовый бак 1, при этом клапан 2 находятся в закрытом, а клапан 3 в открытом положениях. После включения насоса 4 сыворотка начинает циркулировать по первому контуру, через нанофильтрационный модуль, но процесс концентрирования ещё не начался, поскольку не создано давление. Игольчатым вентилем 10 постепенно поднимаем давление в установке до 2,0 МПа. С этого момента начался процесс концентрирования. Давление в установке измеряется тахометрами 6,9, температура термометром 11. Разделение сыворотки происходит в мембранном модуле 7, после чего концентрат возвращается обратно в продуктовый бак 1, а фильтрат отводится через расходомер 8, так же в установке предусмотрено поддержание заданной температуры в теплообменнике 12. Таким образом первый модуль замкнут и процесс протекает до прекращения отделения фильтрата. После этого понижается давление до 0,0 МПа и концентрат запускается на второй контур через электродиализный модуль 13, который состоит из пакета мембран и насоса. В модуле происходит удаление солей и раскисление концентрата. Концентрат после прохождения электродиализного модуля 13 возвращается обратно в продуктовый бак 1, процесс протекает до достижения электропроводности 1500 мкСм/м.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки

1 ‒ продуктовый бак; 2,3 – ручной клапан; 4 – насос; 5 – предохранительный клапан; 6,9 – манометр; 7 – мембранный модуль; 8 – расходомер; 10 – игольчатый вентиль; 11 – термометр; 12 – теплообменник; 13 – электродиализный модуль.

Характеристики экспериментальной установки и нанофильтрационной мембраны представлены в таблице 2 .

Таблица 2. Характеристики нанофильтрационной установки

Мембрана

изготовитель	Владипор
материал	Полипитеразинамид
марка	РН 33 Н
активная площадь S, м2	2
температура, 0С	≤ 40
давление Р, бар	≤ 25
Установка:
объём бака, V	50 л
насос	САТ PUMP, 311
мощность	2,2 кВт
расход	900 л/ч

Отбор проб для анализа осуществлялся согласно ГОСТ 26809-86 [9] в стерильные ёмкости объёмом 300 мл. После чего проводились анализы на минеральный состав и физико-химические показатели, согласно методам определения влаги и сухого вещества, методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище. Массовая доля белка определялась методом Кьельдаля, содержание кальция - титриметрическим методом, токсичные элементы определялись атомно-абсорбционным методом. Полученные данные представлены в т аблице 3 и диаграммах (рис. 2, 3, 4, 5) .

Таблица 3. Изменение минерального и физико-химического состава натуральной творожной сыворотки и её концентратов

Показатель	Творожная сыворотка	Концентрат творожной сыворотки	Обессоленный концентрат творожной сыворотки
Общая минерализация (сухой остаток в воде), %	5,55	19,6	19,7
Массовая доля золы, %	0,72	1,25	0,39
Массовая доля белка, %	0,45	1,4	1,4
Углеводы, %	3,88	16,18	17,41
Калий, мг/кг	3300,42	4155,62	685,01
Натрий, мг/кг	448,85	639,46	86,58
Магний, мг/кг	120,49	375,53	216,27
Кальций, мг/кг	1067,57	2720,93	728,57
Железо, мг/кг	57,75	69,57	38,84

Рисунок 2. Динамика изменения общей минерализации и содержания углеводов в процессе концентрирования и обессоливания

о 0,6

0,2

1,4

1,2

xp

§ §: 0,8

Творожная сыворотка

Концентрат творожной сыворотки

Обессоленный концентрат творожной сыворотки

• ■ Массовая доля золы ■ Массовая доля белка

Рисунок 3. Динамика изменений массовой доли золы и белка в процессе концентрирования и обессоливания

Рисунок 4. Динамика изменения содержания калия и кальция в процессе концентрирования и обессоливания

Творожная сыворотка

Концентрат творожной сыворотки

Обессоленный концентрат творожной сыворотки

■ Натрий ■ Магний ■ Железо

Рисунок 5. Динамика изменения содержания натрия, магния и железа в процессе концентрирования и обессоливания

По данным [12], в начале электродиализной обработки удаляются только однозарядные ионы (К+, Nа+, Cl- ), а ионы, имеющие более высокий заряд, удаляются только после 50%-ного уровня деминерализации. Массовая доля таких микроэлементов, как Fe, в процессе электродиализа меняется незначительно. Вместе с тем, следует обратить внимание, что при электродиализе и нанофильтрации из сыворотки практически полностью удаляются ионы хлора. Следовательно, при деминерализации сыворотки хорошо удаляются анионы неорганических кислот. Органические кислоты, согласно данным по молочной кислоте, выводятся со скоростью, промежуточной между таковой у одно- и двухзарядных неорганических анионов. Это следует учитывать при раскислении сыворотки.

Таким образом, можно сделать вывод, что процессы нанофильтрационного концентрирования и деминерализации, а также электродиализ взаимно дополняют друг друга. Проведенные экспериментальные исследования минерального состава концентратов творожной сыворотки показали высокую эффективность применения нанофильтрации и электродиализа и целесообразности их совместного применения.