Мембранные технологии в переработке молочного сырья: от микрофильтрации до обратного осмоса

Что такое мембранные технологии и каким образом они нашли «своё место» в переработке молока наряду с традиционными технологиями?

В современном мире происходит стремительное изменение культуры питания и переоценка пользы различных пищевых продуктов, в том числе и молочных продуктов.

В борьбе за потребителя переработчики молока готовы внедрять новые технологические решения. Понятие «новые» в данном случае означает не только производство новых продуктов, но и улучшение качества, ценности и свойств существующих, в том числе традиционных молочных продуктов.

Здесь на помощь переработчикам и пришли мембранные технологии. Основой любой мембранной технологии является мембранная фильтрация — процесс разделения сырья на компоненты/группы компонентов посредством фильтрации через механический барьер — мембрану.

Мембранная фильтрация находит широкое применение почти во всех основных технологиях переработки молока — от производства питьевых молочных продуктов до технологий производства продуктов глубокого фракционирования молочного сырья и производства ингредиентов для детского питания.

И это неудивительно, ведь молочное сырьё идеально подходит для мембранного разделения: состоит преимущественно из воды — жидкость легко проходит через мембрану (фильтр) под действием давления, и сухих веществ, состоящих из нескольких групп компонентов, отличающихся по размеру — жиры, белки, лактоза, минеральные вещества, которые легко разделить, подобрав правильный размер фильтрующей ячейки мембраны.

Микро-, ультра-, нанофильтрация и обратный осмос: в чём их принципиальное различие и как размер пор мембраны определяет сферу применения каждой технологии?

Существует несколько вариантов классификации мембранных технологий, однако самой распространённой является градация по размеру отсекаемых частиц или размеру пор мембранного элемента: микрофильтрация (MF) — разделение компонентов происходит на «микро» уровне, т. е. в диапазоне от 0.1 мкм до 10 мкм; ультрафильтрация (UF) — разделение происходит на уровне от 0.01 мкм до 0.1 мкм или от 10 нм до 100 нм; нанофильтрация (NF) — в диапазоне от 1 нм до 10 нм; обратный осмос — молекулярный уровень менее 1 нм.

Как известно, молочное сырьё состоит из воды и сухих компонентов, представляющих из себя органические и неорганические вещества, существенно отличающиеся по размеру. Эта важная особенность позволяет нам определить область применения той или иной технологии мембранной фильтрации.

Движущей силой процесса мембранной фильтрации является избыточное давление, создаваемое и поддерживаемое в системе центробежными насосами.

Эффективность процесса фильтрации и производительность зависят от общей конфигурации оборудования и соотношения ряда ключевых показателей работы системы: общее давление / перепад давления (Δp) на одну мембрану и на один мембранный корпус, тип мембран и общая мембранная площадь, уровень и качество автоматизации.

Однако существуют и строгие требования к сырью, подаваемому в систему, — от выполнения этих требований также зависит эффективность процесса.

Как микрофильтрация (MF) позволяет производить «молоко с увеличенным сроком хранения» (ESL) и эффективно очищать сырьё без термообработки?

Микрофильтрация (MF) является одной из самых распространённых мембранных технологий в переработке молока. Процесс протекает при низком давлении, размер пор фильтрующих элементов может колебаться в диапазоне от 0.1 мкм до 10 мкм в зависимости от поставленной задачи.

Более 90% всех существующих установок микрофильтрации в мире предназначены для бактериальной очистки молока. Данный процесс также известен как «холодная пастеризация».

Уникальность процесса в том, что он позволяет максимально эффективно очистить молоко от микроорганизмов путём механической фильтрации через мембраны с размером ячейки 1–1.5 мкм, позволяет исключить температурное воздействие, максимально сохраняя нативные свойства белков. Важно отметить, что микрофильтрация в данном случае не «убивает» бактерии, она их «убирает» из молока, убирает активные бактерии, споры, а также остатки ранее уничтоженных бактерий. При этом компонентный состав молока не подвергается каким-либо изменениям.

Глубокая бактериальная очистка молока с использованием микрофильтрации существенно улучшает микробиологические характеристики питьевого продукта, такой продукт имеет длительные сроки хранения и позиционируется как ESL-молоко — extended shelf life milk.

Установку микрофильтрации (MF) легко интегрировать в существующую линию производства молочных напитков, она проста в обслуживании и полностью автоматизирована.

Помимо очистки молока, где ещё в молочной отрасли успешно применяется микрофильтрация?

Существуют и другие применения микрофильтрации в переработке молока. Безусловно, микробиологическая очистка — это основное применение, поэтому процесс актуален и для фильтрации молочной сыворотки.

Последнее время это направление становится всё более актуальным в связи с тем, что для производства белковых концентратов из сыворотки требуется высокая степень очистки не только от микроорганизмов, но и от жира.

Порой эта задача не под силу самому современному сепаратору, микрофильтрация же позволяет максимально удалить жировую фракцию, при этом сохраняя нативные свойства нетермостабильных сывороточных белков в связи с отсутствием температурного воздействия на сырьё.

Микробиологическая очистка посредством микрофильтрации активно используется в сыродельных производствах для очистки рассолов для посолки сыров. Дополнительная очистка рассола позволяет проводить непрерывную регенерацию рассола, улучшить его качество и автоматизировать процесс.

Нельзя не упомянуть ещё об одном важном применении микрофильтрации — фракционирование казеина и нативных сывороточных белков. Для процесса фракционирования казеина используются мембраны с более тонким размером фильтрующей ячейки — около 0.08–0.1 мкм. Концентрат казеина, полученный мембранным способом, принято называть мицеллярным казеином.

Мицеллярный казеин пользуется спросом не только в сыродельном производстве, но и в производстве специфического питания.

Как ультрафильтрация позволяет регулировать белок в молоке?

Ультрафильтрация (UF) — процесс, занимающий ведущую нишу среди всех мембранных процессов в переработке молока. На сегодняшний день ультрафильтрация — наиболее эффективный метод фракционирования молочных белков.

Процесс протекает при относительно невысоком давлении, а отсечка по молекулярной массе колеблется в пределах от 5 000 до 25 000 Дальтон. Особенность в том, что такая отсечка позволяет отделить и сконцентрировать не только казеиновые, но и сывороточные белки.

Процесс протекает без температурного воздействия на компоненты молочного сырья, что позволяет сохранить его нативные свойства. Технология находит широкое применение в производстве питьевых молочных продуктов.

Обработка сырья на оборудовании ультрафильтрации позволяет как повысить содержание белков, так и понизить, в зависимости от содержания белков во входящем молоке-сырье и от целей производства. При этом процесс обычно организован «поточно», установка не требует больших затрат энергии и непрерывного контроля оператора.

Традиционные напитки, обогащённые белками, позволят расширить существующую линейку питьевых продуктов, улучшить биологическую ценность напитков, оптимизировать производство. Также нельзя забывать, что производство продуктов, обогащённых белками, сейчас «в тренде».

Зачем сыроделам необходима ультрафильтрация?

Возможность регулировать белковый состав молочного сырья с помощью мембранного оборудования вызывает интерес у сыроделов.

Эта технология более известна как «стандартизация» по белку, то есть в данном случае ультрафильтрация решает одну из важных задач — возможность ежедневно получать молочную смесь заданного состава вне зависимости от содержания белков в молоке-сырье.

Помимо этого, решается и другая важная задача: уменьшается общий объём молочной смеси за счёт удаления части лактозы и воды, без потери белка, что позволяет увеличить выход сыра с одной варки, тем самым уменьшить загрузку сыроизготовителей.

Существует несколько технологических решений по организации процесса:

1. Нормализация содержания белков в обезжиренном молоке «в потоке». Данная схема основана на ультрафильтрации всего объёма обезжиренного молока, направляемого на производство сыра, для достижения требуемого содержания белков (3.6–4.2%). Следующим этапом будет нормализация по жиру «в потоке», и далее готовую смесь направляют в линию производства сыра.
2. Подготовка концентрата молочного белка для нормализации молочной смеси по белку. Данная схема основана на ультрафильтрации части обезжиренного молока для производства концентрата молочного белка (около 9–10% белка). Полученный концентрат можно использовать для стандартизации по белку оставшейся части обезжиренного молока либо стандартизации молочной смеси.
3. Стандартизация по белку нормализованной по жиру молочной смеси. Данная схема основана на ультрафильтрации всего объёма молочной смеси для достижения требуемых значений жира и белка. Особенность этой технологии в том, что ультрафильтрация будет работать с «жирным» сырьём, но для современных установок это не проблема. Достаточно правильно сконфигурировать установку, подобрать специальные мембраны и грамотно настроить режимы работы и мойки.

Производство концентратов молочных и сывороточных белков — новый тренд или необходимость?

Последние годы характеризуются снижением спроса на сухое молоко и сухую молочную сыворотку. Связано это с тем, что рынков сбыта этой продукции становится всё меньше, спрос на традиционные продукты снижается, а конкуренция растёт.

Зачастую возрастающие избытки молока и молочной сыворотки необходимо сушить. Рост конкуренции требует новых технологических решений, которые помогут оптимизировать и расширить производство, улучшить конкурентоспособность, перейти на более современный уровень.

Именно здесь и приходят на помощь технологии «фракционирования» с помощью мембранного оборудования. Одной из самых известных является технология фракционирования молочных белков и лактозы.

Ультрафильтрация позволяет разделить, а нанофильтрация — сконцентрировать эти две большие фракции компонентов. В зависимости от поставленных целей и задач технология может отличаться.

Конечная версия белковой фракции, то есть концентрата молочных белков (КМБ), может быть жидким или сухим продуктом. Уровень содержания белков в концентрате может варьироваться от 40 до 85% в сухих веществах.

Конечная версия безбелковой углеводной фракции — обычно сухой продукт, называемый «UF-пермеат», состоит в основном из лактозы, может быть «полуфабрикатом» для дальнейшего производства лактозы либо может служить сырьём для любых углеводсодержащих продуктов в пищевой промышленности.

Аналогичная технология ультрафильтрации используется и для фракционирования сывороточных белков и лактозы. Основным сырьём здесь выступает сладкая подсырная сыворотка.

Ультрафильтрация позволяет разделить сыворотку на два продукта: белковая фракция — концентрат сывороточных белков (КСБ) и безбелковая углеводная фракция — UF-пермеат, преимущественно состоящий из лактозы.

Так же как и в технологии производства КМБ, сывороточные белки могут быть разной степени концентрирования — от 40–50% в сухих веществах до 90% (изолят).

Особенность и сложность этой технологии в том, что существуют высокие требования к качеству перерабатываемой сыворотки, особенно по микробиологическим показателям, а нетермостабильные сывороточные белки требуют бережной обработки, максимально исключая любые термические воздействия.

Таким образом, можно сказать, что фракционирование и производство концентратов белков отчасти является необходимостью и в то же время следующим шагом в развитии, особенно если это связано с ростом объёмов перерабатываемого сырья.

Однако эта необходимость связана и с новыми трендами в культуре питания — высокобелковые продукты и напитки пользуются хорошим спросом не только как специальное питание, например для спортсменов, но и как часть ежедневного рациона.

В чём преимущества использования ультрафильтрации в технологиях производства мягких творожных и сливочных сыров?

Производство мягких сыров с использованием ультрафильтрации — одно из самых запрашиваемых технологических решений на сегодняшний день.

Безусловно, технология производства творога методом сепарирования всегда будет актуальна, но когда мы говорим об ультрафильтрации, то мы говорим о производстве иного по своему составу, текстуре и органолептическим показателям продукта.

Ультрафильтрация занимает ключевое место в технологическом процессе производства мягкого творога. Именно на ультрафильтрации формируется белково-жировой «сгусток» из сквашенной молочной смеси.

По сути, этот сгусток можно назвать конечным продуктом, его постобработка — это лишь дополнительные «модификации», такие как внесение стабилизаторов и сухих ингредиентов, дополнительная пастеризация, внесение наполнителей, кусочков или «взбивание».

В процессе ультрафильтрации под действием давления и фильтрации через мембраны формируется состав продукта — происходит концентрирование жира, казеиновых и сывороточных белков, формируется текстура продукта — белково-жировая фракция равномерно распределяется по объёму продукта, получается «гладкая» сливочная структура.

Это и есть одно из преимуществ или, можно сказать, особенностей творога или сливочного сыра, полученного на ультрафильтрации. Также к преимуществам можно отнести:

1. Широкий диапазон производительности — в отличие от сепаратора ультрафильтрация может работать в любой заданной производительности.
2. Широкий диапазон получаемых продуктов (разнообразие состава) — дизайн установки можно предусмотреть таким образом, что одну установку ультрафильтрации можно использовать для производства широкого спектра продуктов: от греческого йогурта до высокожирного сливочного сыра.
3. Более высокий выход продукта — это связано с тем, что в процессе ультрафильтрации вся белково-жировая фракция, включая сывороточные белки, переходит в концентрат в полном составе, потерь белка не происходит.

Как нанофильтрация позволяет деминерализовать сыворотку?

Нанофильтрация — это процесс разделения компонентов молочного сырья на молекулярном уровне. Процесс находит применение в технологиях переработки молочной сыворотки, MF- и UF-пермеатов.

Основная цель процесса — это концентрирование сухих веществ, однако особенность и отличие нанофильтрации от обратного осмоса в том, что размер пор мембраны подобран таким образом, чтобы сконцентрировать органические фракции сырья и пропустить в пермеат минеральные вещества и ионы.

Таким образом, уменьшая долю минеральных веществ в концентрате, сырьё частично деминерализуется.

Если основная функция нанофильтрации — концентрирование, рабочее давление в установке будет выше, а мембраны, установленные в системе, должны иметь отсечку по молекулярной массе 100–200 Дальтон. Если основная функция — деминерализация, то рабочее давление будет ниже, а мембраны иметь отсечку 200–300 Дальтон.

Обычно переработчику требуется максимально сконцентрировать сырьё, при этом достичь необходимого уровня деминерализации не ниже 25%. Для этих целей существует дизайн нанофильтрации, предусматривающий работу в средних диапазонах давления 20–25 бар на специальных мембранах, имеющих отсечку по молекулярной массе 245 Дальтон.

Деминерализованная молочная сыворотка и пермеат — более востребованные и конкурентоспособные продукты на рынке, а сухие продукты и ингредиенты, полученные из них, более высокого качества.

Какие применения обратного осмоса актуальны в переработке молочного сырья?

Обратный осмос преимущественно находит применение в двух технологических процессах переработки молочного сырья: технология концентрирования (удаления воды) и технология очистки (RO-полишинг).

Процесс протекает при высоком давлении, отсечка по молекулярной массе не превышает 50 Дальтон, что позволяет задерживать на мембране все сухие вещества молочного сырья, за исключением одно- и некоторых двухвалентных ионов.

Современные установки обратного осмоса имеют возможность концентрировать различное молочное сырьё: цельное молоко, обезжиренное молоко, молочная сыворотка, молочные MF- и UF-пермеаты. Обратный осмос позволяет удалить от 50 до 75% воды, тем самым уменьшить объём сырья в несколько раз.

Зачастую обратный осмос используется для предварительного концентрирования молока или молочной сыворотки перед подачей на линию сушки. Таким образом можно существенно снизить нагрузку на участок сушки и сократить энергозатраты.

Другое важное применение RO-концентрирования — уменьшение объёма молочного сырья для последующей транспортировки.

Нельзя забывать, что обратный осмос концентрирует все компоненты молочного сырья, в том числе и микроорганизмы. Молочное сырьё, подаваемое на обратный осмос, должно быть предварительно обработано и очищено для наилучшей эффективности процесса.

RO-полишинг находит применение в технологиях очистки пермеатов. Пермеат после нанофильтрации молочной сыворотки либо иного молочного сырья (например, UF-пермеата) содержит большое кол-во остатков лактозы и минеральных веществ.

Технология очистки RO-полишинг позволяет очистить пермеат от загрязняющих компонентов.

ROP-воду, полученную после обратного осмоса, возможно вернуть в производство и задействовать для некоторых технологических процессов, таких как диафильтрация и мойка (за исключением последнего ополаскивания). Технология позволяет существенно снизить нагрузку на очистные сооружения, а порой и решить проблему стоков.

Какое оборудование необходимо для внедрения мембранной фильтрации и как компания Clever Machines помогает в модернизации производства?

Подводя итог, можно сказать, что мембранные технологии находят применение почти во всех ключевых технологиях переработки молока. Рано или поздно каждый переработчик приходит к вопросу интеграции того или иного мембранного решения в собственном производстве.

Мы готовы реализовать проект поставки как абсолютно нового технологического решения, так и оптимизировать/модернизировать существующую технологию.

Инжиниринговый центр Clever Machines имеет в своём составе высококвалифицированных специалистов в области переработки молока, в том числе технологов и инженеров, специализирующихся на мембранном оборудовании. Предложение компании включает следующий комплекс услуг:

• Разработка технологического решения
• Проведение пилотных испытаний
• Разработка проектно-инженерного решения
• Подбор и поставка технологического оборудования
• Комплекс работ по запуску оборудования, включая монтаж и программирование
• Гарантийное и сервисное обслуживание

Компания имеет широкие логистические возможности для поставки любых типов мембранного оборудования и мембран.