Ультрафильтрационное концентрирование молочной сыворотки на пилотной установке трубчатого типа

С ростом молочной отрасли в России наблюдается рост производства молочных продуктов. Только в 2017 г. производство сыра в РФ увеличилось на 4,6%. При производстве сыра образуется достаточное количество отходов, таких как сырная сыворотка. Небольшая ее часть используется в пищевой промышленности, но сыворотка имеет короткий срок годности и требует скорейшего применения. По этой причине сыворотка после производства сыра чаще всего сливается в канализацию, что является неправильным по отношению к окружающей среде. Из-за высокой загрязняющей способности слив сыворотки в стоки создает экологическую проблему для окружающей среды. В большинстве стран мира его слив в стоки запрещен и криминализирован [1]. Стоимость очистки сточных вод, загрязненных молочным предприятием, которое перерабатывает 100 т молока в день, эквивалентна затратам на очистку сточных вод в городе с населением 80 тысяч человек.

В исследованиях [2] авторы изучили влияние скорости движения сыворотки по мембране и падения давления на процесс ультрафильтрации и установили основные параметры оптимального режима. Недостатками данной работы является то, что авторы не отобразили в работе данные по коэффициенту задержания и удельному выходному потоку.

В своих исследованиях [3] авторы могут получить сыворотку, в которой присутствуют мембранные технологии, чтобы повысить концентрацию полезных компонентов. Параметры творожной сыворотки производства ООО «ПМК» (г. Полевской) приведены после концентрированного ультрафильтрационного метода на керамических мембранах отечественного производства.

В статье [4] авторы приводят характеристику методов баромембранной фильтрации – микро-, ультра-, нанофильтрации, обратного осмоса и возможности их применения в производстве молока и молочной продукции. Предоставляют общую схему переработки сыворотки. В работе не показываются конкретные возможности тех или иных мембранных обработок.

В работе [5] авторы дают краткую характеристику молочной сыворотки и получаемых из нее продуктов, которые можно использовать в качестве ингредиентов для производства различной пищевой продукции, также в работе рассматриваются способы концентрирования молочной сыворотки с применением мембранных технологий.

В своих исследованиях [6] авторы предлагают комплексный метод концентрирования молочной сыворотки на фракции с получением чистого молочного белка, пищевой лактозы, а также с получением сухой сыворотки. В работе не приведены экспериментальные данные.

В работе [7] иностранными коллегами был разработан оптимизированный метод разделения для получения изолированного α-лактогло-булина и β-лактоглобулина с применением мембранной технологии. В зависимости от характеристики мембраны данный метод можно использовать в промышленных масштабах.

В исследованиях [8] авторы проводили исследования по концентрированию белка из молочной сыворотки, а также применяли мембранные технологии для опреснения лактозы из натуральной соленой сыворотки.

Авторы в работе [9] проводят сравнения трех направлений извлечения белков из молочной сыворотки, а именно хроматографический метод, применение мембранной технологии, а также комбинированные методы. Рассматривается использование этих методов вместе с оценкой их эффективности и чистоты полученных белков.

Разработанные керамические композитные мембраны с использованием оксида алюминия с диоксид циркониевым покрытием позволяют с высокой долей концентрации отделить белок от лактозы из молочной сыворотки [10].

Авторы в работе [11] предложили новый подход к выделению белка из сладкой сыворотки с использованием мембранного разделения с последующей триптической обработкой пермеата.

Исходя из проведенного литературного обзора, можно сделать вывод, что молочная сыворотка является мощным пищевым ресурсом, который нецелесообразно выливать в сточные воды, а возможно получение качественного продукта с применением мембранной технологии.

Цель работы – исследование удельного выходного потока, и коэффициента задержания молочной сыворотки после производства сыров из козьего и коровьего молока, а также выведение закономерности влияния коэффициента задержания на удельный выходной поток.

Экспериментальная часть

Когда из молока получают сыр, некоторые полезные элементы попадают в сыворотку (таблица 1).

Таблица 1.

Распределение компонентов молока [12, 13]

Table 1.

Milk component distribution [2, 3]

Компонент | Component	Переход в сыр, % Going cheese, %	Переход в сыворотку, % Going whey, %	Потери, % Losses, %
Молоко коровье | Cow’s milk
Сухие вещества | Dry substance	48,5	48,5	3,0
Белки | Proteins	76,0	22,0	2,0
Жир | Fats	86,0	10,0	4,0
Лактоза | Lactose	5,0	92,0	3,0
Молоко козье | Goat milk
Сухие вещества | Dry substance	48,0	48,0	4,0
Белки | Proteins	71,5	25,5	3,0
Жир | Fat	51,6	48,2	2,0
Лактоза | Lactose	6,0	92,0	2,0

Из таблицы 1 видно, сколько питательных веществ содержится в сыворотке. Из этого можно сделать вывод, что сливать их в канализацию нецелесообразно и с экономической

Для эффективного концентрирования белков в подсырной сыворотке применяли ультрафильтрационные мембраны трубчатого типа производства АО «ЗАВКОМ» (таблица 2).

точки зрения.

Таблица 2.

Основные характеристики ультрафильтрационной мембраны

Table 2.

The main characteristics of the ultrafiltration membrane

Мембрана Membrane	Рабочее давление, МПа Working pressure, MPa	Удельная проницаемость (минимальная) по дистиллированной воде, дм3/ (м2 · ч), The specific permeability (minimum) for distilled water dm3/(m2*h).	Коэффициент задержания Retention rate
			по миоглобину by myoglobin	по альбумину by albumin	по γ-глобулину by γ-globulin
АО «ЗАВКОМ» AO “ZAVKOM”	0,1	2,33×10-4	0,950	0,970	0,980

Эксперименты проводились на пилотной установке трубчатого типа (рисунки 1–2).

Рисунок 1. Общий вид пилотной установки трубчатого типа

Figure 1. General view of a pilot of a tubular type

8   9    10  11   1

Рисунок 2. Технологическая схема пилотной установки трубчатого типа: 1 – исходная емкость; 2 – вентиль; 3 – центробежный насос; 4 – фильтр грубой очистки; 5 – ресивер; 6 – отстойник; 7 – емкость для пермеата; 8 – мембранная ячейка; 9 – манометр; 10 – вентиль; 11 – ротаметр

Figure 2. The technological scheme of a semi-industrial installation of a tubular type: 1 – initial capacity; 2 – valve; 3 – centrifugal pump; 4 – coarse filter; 5 – receiver; 6 – sedimentation tank; 7 – permeate tank; 8 – membrane cell; 9 – pressure gauge; 10 – valve; 11 – rotameter

Установка работает следующим образом: исходную емкость 1 заполняют исследуемым раствором вместимостью не менее 10 л, далее с помощью вентиля 2 подают на центробежный

насос 3 исследуемый раствор, после чего раствор направляется в фильтр предварительной очистки 4, после заполняется ресивер 5, затем раствор направляется в мембранную ячейку трубчатого типа 8, после разделения раствора, пермеат проходит через отстойник 6 и собирается в емкости для пермеата 7, сконцентрированный раствор отправляется обратно в исходную емкость, проходя через манометр 9, регулировка давления происходит за счет вентиля 10, а расход концентрата производится с помощью электрического ротаметра 11.

После проведенных исследований концентрации растворенного вещества определялись методом формального титрования [14].

Исходя из полученных экспериментально значений концентраций растворенного вещества в пермеате и в исходных растворах в пилотной установке рассчитывали коэффициент задержания по формуле:

с

R = 1 —пер, Сисх где Спер – концентрация растворенного вещества в пермеате, кг/м3; Сисх – концентрация растворенных веществ в исходных промывных водах, кг/м3.

Величину выходного удельного потока ультрафильтрационной очистки промывных вод определяли по формуле:

J = Vf ( FT ), где V – объем пермеата, м3; Fм – рабочая площадь поверхности мембраны, м2; τ – время проведения экспериментальных исследований, с.

Результаты и обсуждение

Важнейшей характеристикой процесса является коэффициент задержания мембраной растворенных веществ. Экспериментальные зависимости коэффициента задержания растворенных веществ мембраной производства АО "ЗАВКОМ" от удельного выходного потока ( J , м³/м²·с) представлены на рисунке 3.

Как видно из рисунка 3, коэффициент задержания у сыворотки из козьего молока значительно ниже, причиной этому является более жирная структура сыворотки и образование более прочных пограничных слоев. Из-за большей жирности козьей сыворотки происходит закупорка пор мембран, что сказывается на уменьшении выходного удельного потока по сравнению с сывороткой из коровьего молока. Для решения данной проблемы нужно предварительно сепарировать сыворотку для уменьшения массовой доли жира в сыворотке.

Рисунок 3. Зависимости коэффициента задержания ( R ) растворенных веществ от выходного удельного потока ( J , м³/м²·с) для ультрафильтрационной мембраны производства АО «ЗАВКОМ»

Figure 3. Dependences of the retention coefficient (R) of dissolved substances on the output specific flow (J, m3 / m2·s) for an ultrafiltration membrane manufactured by AO “ZAVKOM”

При концентрировании сыворотки из коровьего молока мы наблюдали следующую картину, что с увеличением выходного удельного потока значительно уменьшался коэффициент задержания, примерно на 20%. Причина этого в образовавшихся в околомембранных слоях пограничных слоях из жира и белка, что препятствует прохождению молекул белка сквозь поры мембраны. Для обеспечения достаточного коэффициента задержания при работе с данной мембраной следует стремиться к значению выходного удельного потока в пределе от 1 до 1,2·108 м3/м2·с. При таком значении удельного потока скорость и коэффициент задержания будут иметь оптимальное значение.

Для качественного определения производительности исходного раствора через мембрану оценивали величину удельного выходного потока растворителя, используя зависимость, основанную на законе Дарси:

J = k(ΔP – (B·exp(n·C исх )exp(A/T))) (1) где B, n, A – эмпирические коэффициенты (таблица 3).

Теоретическое значения коэффициента задержания по белку можно получить из формулы Б.В. Дерягина и др.:

к = 1-

1 – exp

Jk k p 2

D

, (2) exp ( - J^ )

где k 1 , k 2 , k 3 – эмпирические коэффициенты; k р – коэффициент распределения мембран; D – коэффициент диффузии, м²/с.

Значения эмпирических коэффициентов представлено в таблице 4.

Таблица 3.

Значение эмпирических коэффициентов в уравнении (1)

Table 3.

The value of empirical coefficients in equation (1)

Мембрана АО «ЗАВКОМ» Membrane AO “ZAVKOM”
	B	n	A
Коровья сыворотка Cow whey	0,793	0,00025	-1,0751
Козья сыворотка Goat whey	0,563	0,000001	1,21

Таблица 4.

Значение эмпирических коэффициентов в уравнении (2)

Table 4.

The value of empirical coefficients in equation (2)

Мембрана АО « ЗАВКОМ» Membrane AO “ZAVKOM”
	k1	k2	k3
Коровья сыворотка Cow whey	0,678	1,00072	-1,0063
Козья сыворотка Goat whey	0,534	1,0085	1,0000574