13. Мембранные методы обработки молока, сыворотки: микрофильтрация, ультрафильтрация, электрофорез, диализ, их использование в молочной промышленности.

Мембранные методы обработки используют с целью изменения солевого состава молока, выделение составных частей молока. Мембранная фильтрация разработана для концентрирования и выделение твердых веществ из их смеси с водой. Проводится с помощью мембран (полупроницаемые перегородки). Используются установки с применением обратного осмоса, электродиализные установки, ультрофильтрационные, микрофильтрационные. Главными достоинствами мембранных способов разделения являются: -возможность направленного регулирования свойств и состава молочных продуктов при сравнительно небольших энергетических затратах; -возможность создания новых молочных продуктов с пониженной калорийностью и высокой биологической ценностью, это рациональное использование вторичного сырья (мол. сыворотки) на основе безотходных технологических процессов. Часть потока проходящая через мембраны носит название- фильтрат, или пермеат, часть потока которая задерживается мембраной называется концентрат, или ретентат

1) установки с применением обратного осмоса: Способом ОО проводят концентрирование практически всех веществ находящихся в растворе и выделение чистого растворителя. ОО - это практический процесс сгущение раствора, т.е. фильтруется влага. Имеет низкие энергозатраты, тепловой расход и при этом сохраняется качество продукта. Для проведения мембранной обработке сырья существуют обратные осмотические установки, раз в 14 дешевле ОО, чем выпарные установки. V₁=1-2м/с; V₂=0,1-0,2м/с; р₁=1-6МПа; диаметр пор 1-3 нм.

2)Нанофильтрация- Давление 1-4МПа, диаметр пор 5-20нм.С их помощью получают лактозу и некоторые аминокислоты.

3)Ультрофильтрационные установки:Здесь мембрана более проницаема , но менее, чем при МФ. УФ- концентрируют белки и жиры,d=40-50нм;t=52±2C и р=0,1-1МПа. В результате УФ получается белковый и жировой концентрат.

3) микрофильтрационные установки: МФ- осуществляется при низких давлениях 0,01-0,05 МПа, d до 10 мкм,бактерии и жировые шарики, крупные мицеллы казеина.

4) электродиализ - один из эффективных способов демирализации сыворотки (обессоливание). Это перенос ионов из одного раствора в другой, который осуществляется через селективную мембрану (избирательно-пропускающую) под действием электрического тока.Получают сыворотку деминерализованную, напитки на основе сыворотки. Смеси для мороженного, лактоза, заменители женского молока, лактулоза, дет пр.

Сущность процесса заключается, что под действием электрического тока мембранная перегородка пропускает ионы одного заряда и служит барьером для ионов противоположного заряда. Можно разделить вещества, которые образуют заряженные комплексы.

Такие вещества как лактоза, сахароза, не имеющие заряда, в электролизе не участвуют.

При протекании постоянного тока катионы солей молочной сыворотки перемещаются по направлению к катоду, а анионы солей- к аноду. Катионы молочной сыворотки переходят через катионитовую перегородку и попадают в рабочий раствор (в соседнюю камеру). Дальнейший путь катиона преграждает анионитовая мембрана, а анионам – катионитовая, т.о. соли молочной сыворотки концентрируется в рабочем растворе. По мере увеличения концентрации рабочего раствора, он разбавляется водой, либо удаляется в канализацию и набирается новый рабочий раствор.

Электрод-ры представляют собой многокамерные конструкции с чередующимся порядком и чередующимися мембранными перегородками. В результате электролиза органолептические показатели молочной сыворотки значительно улучшаются и продукты полученные методом электролиза чаще всего используются, как заменители женского молока.

Преимущества молочной сыворотки

-менее выраженная горечь, за счет удаления минеральных веществ;

-пониженная кислотность

-улучшенные органолептические показатели

5)Ионный обмен. Применяется для регулирования солевого и кислотного состава молочной сыворотки. При этом сохраняется ценность, улучшаются органолептические свойства и характеристики.

Сущность процесса в том, что при определенных условиях между твердым телом (ионно-обменная смола) и раствором содержащим нежелательные примеси происходит обмен ионов. В результате которой на поверхности твердого тела адсорбируется нежелательные ионы, которые удаляются из сыворотки, а из смолы поступает ион, но менее вредный.

Ионный обмен применяется для производства продуктов детского питания, для удаления ионов кальция.

6) Электрофоррез – это процесс разделения диспергированных в жидкости заряженных частиц в-ва под действием эл. поля, исп-ся для разделения белков( казеин на фракции)

МЕМБРАНЫ

Факторы, влияющие на эффективность мембранной фильтрации:

-давление

-температура фильтрации

-рН среды

Температура. Подогрев раствора до температуры 60С интенсифицирует процесс ультрофильтрации. Это связано с тем, что с повышением температуры усиливается броуновское движение и соответственно диффузия растворов, через полупроницаемую мембранную перегородку. Снижается вязкость, что также улучшает процесс фильтрации. Повышение температуры выше 60С, потому что начинается процесс денатурации белков. Поэтому процесс фильтрации проходит при температуре 20С(ОО)-50-55С.

рН среды- оптимальная 6,5-6,7

Мембраны Характеристики полупроницаемых мембран. Это главный элемент мембранных аппаратов (существует 3 поколения мембран).

1 поколение ацетатцеллюлозные мембраны, выполнены из тонкого микропористого фильтрующего слоя (толщина до 1,5мкм), эксплуатируется в диапазоне температур 0-50С, рН 3-8. Недостатки: низкий диапазон температур, низкая механическая прочность (небольшой срок эксплуатации); затрудняет процесс мойки и дезинфекции мембранного оборудования.

2 поколение мембраны, изготовленные из полимерных материалов (полисульфоновые). Температура от 0-80С, рН 2-12, устойчивы к моющим и дезинфицирующим веществам и по структуре мембраны похожи на ацетатцеллюлозы.

3 поколение мембраны выполнены из керамических материалов (металлокерамика, стекла, оксиды металлов). Температура от 0-200С, обладают химической стойкостью, рН 0-14, обладают стойкостью при высоком давлении, повышают срок эксплуатации.

Основные характеристики полупроницаемых мембран- это селективность (избирательность), скорость разделения (или пропускаемая способность).

Селективность мембран выражает задерживающую способность мембран по конкретному компоненту молочного сырья (лактоза, белки, минеральные вещества). Это соотношение R=(r_c-r_ф)/r_c, где r_c-массовая доля определенного компонента в исходном сырье; r_ф-в фильтрате. Полупроницаемая мембрана может иметь определенный или размытый предел разделения. Определенный- это мембраны отделяют частицы с определенной молекулярной массой. Размытый- это мембраны, которые пропускают некоторые частицы с более низкой молекулярной массой. Пределы разделения мембраны зависят от диаметра пор и диаметра молекулы задерживаемого вещества. Скорость разделения зависит от характеристик мембраны, от ее толщины, от площади ее поверхности, от диаметра пор. Направление использования концентрата полученного при ультрафильтрации молочного сырья:

-УФ обработка цельного молока: при производстве твердых сыч. сыров- повышается выход продукта, экономится молокосвертывающий фермент, стабилизируется процесс созревания сыра (повышается качество зрелого сыра);

-УФ обработка цельного и ОБМ- это производство ЦМП: улучшается консистенция сгустков и предотвращается выделение сыворотки сгустка, повышается пищевая ценность продукта. При производстве творогов, мягких сыров- увеличивается выход продукта ( на 8-20%), экономия молокосвертывающего фермента и снижается кислотность сыворотки. При производстве продуктов детского питания- улучшается состав продукта, улучшается пищевая ценность, которая приближается к женскому молоку;

-УФ обработка сыворотки. Могут добавлять к молоку- повышается биологическая и питательная ценность молока. При производстве сметаны (с пониженной жирностью)- дает получение плотного сгустка, повышает потребительскую ценность. При производстве плавленых сыров- улучшаются консистенция и вкусовые качества сыра;

-УФ обработка пахты. При производстве сметаны- для улучшения ее качеств. При производстве низкокалорийных разновидностей сливочного масла- улучшает вкусовые качества.

Использование фильтрата. Фильтрат, полученный при ультрофильтрационной обработке цельного молока, пахты, сыворотки используется при производстве напитков и сиропов. В целях экономии энергоресурсов. При изготовлении молочного сахара преимущества: повышает степень отделения сыворотки от белков и позволяет получать продукт высокого качества. Творожная сыворотка используется при производстве напитков и сиропов.