Введение
Использование мембранных методов в производстве пищевых продуктов – это относительно новая, но очень конкурентоспособная область. На данный момент мембраны очень успешны, а иногда их успех и вовсе невозможен для других методов.
Молочная промышленность одной из первых оценила эффективные методы переработки сырья (молока и кисломолочных продуктов) с использованием мембранных методов разделения, сгущения и концентрирования продуктов. Ранее большие объемы сыворотки либо сбрасывались в канализацию, что недопустимо с экологической точки зрения, либо перерабатывались с серьезными финансовыми затратами. Использование методов мембранного разделения и концентрирования позволило получить значительный экономический эффект. И теперь применение этих процессов в переработке молока даже не обсуждается, - во многих компаниях установлены мембранные установки, выполняющие различные функции в производственных процессах. Это же, но небольшими темпами, можно наблюдать при производстве соков, напитков, пива, растительных масел.
Использование установок мембранной фильтрации - оптимальное решение для нормализации белка, производства концентрата сывороточного белка или концентрата молочного белка, при производстве сгущенных и сухих молочных продуктов. Процесс мембранной фильтрации отличается низкими эксплуатационными расходами и простотой обслуживания.
2. Мембранные методы в производстве продуктов питания
Использование мембранных методов в производстве пищевых продуктов дает возможность очищать и концентрировать растворы без нагрева и испарения. Они также используются для подготовки технологической воды, стабилизации безалкогольных напитков и виноградных вин, сгущения натуральных соков, пастеризации, извлечения ценных ингредиентов из технологических сливов различных отраслей промышленности, очистки промышленных сливов.
Использование мембранных процессов в производстве продуктов питания позволяет значительно снизить энергозатраты на процессы осушения фруктовых и овощных соков, сиропов, экстрактов, если сравнивать мембранные процессы с процессами выпаривания или замораживания. Также такой метод улучшает качество и способен увеличить выход получаемых продуктов.
Сами мембранные технологии представляют собой очистку и разделение продуктов смешивания, механического соединения определенных веществ. Это осуществляется следующим образом: сосуд делится мембраной на две секции. Первая часть сосуда заполнена смесью из двух разных фаз. На каждую фазу действует движущая сила, которая проявляется либо через градиенты давления, концентрации, либо через градиенты температуры или электрического потенциала.
Мембрана может различать два типа молекул из-за различий в размере, форме или химической структуре. Для осуществления процесса диффузии и всех этапов разделения необходим какой-то минимум количества энергии, и этой движущей силой является разность химических потенциалов участников процесса по обе стороны мембраны. Разделение будет идти самопроизвольно, пока химический потенциал каждого из участников системы не выровняет свое значение по обе стороны мембраны. Разделение будет получено, но лишь до определенной стадии.
2.1 Мембраны
Существует множество мембранных процессов, основанных на разных принципах или механизмах разделения, которые можно использовать для разделения объектов разного размера, от частиц до молекул. Несмотря на это, у всех мембранных процессов есть одно общее - мембрана.
Мембрана представляет собой открытую систему, отличающуюся неустойчивым состоянием, на границах которой различные составы разделяемой смеси удерживаются под действием сил разной природы извне. Мембрана – это материал, который создает селективный барьер между двумя растворами и остается скрытым для определенных частиц, молекул или веществ, не нарушая при этом основной поток. Мембрана позволяет некоторым компонентам проникать с потоком, а другим - нет, и они концентрируются в граничной зоне.
Основными характеристиками мембран являются:
Селективность;
Пропускаемость;
Стабильность
Химическая и термическая устойчивость.
Мембрану можно рассматривать как сердце мембранного процесса, которое работает как селективно пропускаемая черта между двумя фазами. Первую фазу называют как сырье, а вторую – пермеатом.
Достижение разделения получается за счет того, что одно составляющее исходной фазы транспортируется через мембрану с большей скоростью, чем другое или другие звенья фазы.
Мембраны классифицируются по различным критериям в разных мембранных процессах. Но наиболее простая классификация – это классификация всех мембран по происхождению:
природные (биологические)
синтетические.
Если говорить о биологических мембранах, то важно знать то, что мембраны — это самая важная часть клеточных компонентов - ядра, митохондрий, хлоропластов, лизосом и так далее. Клетка насыщена мембранными структурами, которые образуют разветвленную, хорошо организованную сеть. Регулирование транспорта ионов, сахаров, аминокислот и других продуктов метаболизма является важной функцией биологических мембран. Природные мембраны занимают большую площадь (к примеру, в организме человека), а также играют универсальную регулирующую роль в обмене веществ. Таким образом, очевидна решающая роль клеточных мембран в процессах биологической регуляции.
Также существует классификация мембран по морфологии. То есть деление твердой синтетической мембраны на пористые и непористые, симметричные и асимметричные. По составу материала: композиционные или однородные по материалу и структуре. По форме: на плоские, трубчатые и половолоконные.
Ассиметричные мембраны представляют собой мембраны, которые состоят из двух и более неоднородных по структуре слоев, но того же материала.
Под композиционными мембранами понимаются мембраны, которые состоят из химически разных слоев. И тогда слой с крупными пористостями самой большой толщины называют подложкой, а слой с мелкими пористостями или совсем без них называют селективным, по причине того, что именно он дает гарантию разделительных свойств мембран.
Половолоконные мембраны представляют собой трубчатые мембраны с диаметром 0,5 мм и больше. Трубчатые мембраны с размером до 5 мм имеют название – капиллярные мембраны.
Жидкие мембраны – это жидкость, которая заполняет поры пористой мембраны. Эта жидкость содержит в себе молекулы вещества-переносчика, обеспечивающие транспорт.
Пористые мембраны применяют для деления молекул и частиц, различающихся по размеру. Селективность этих процессов, как правило, выясняется соотношением размера пор и размера делимых частиц. А на разделение материал мембраны не особо воздействует.
Непористые мембраны умеют разделять друг от друга молекулы похожих размеров, однако, имеющие разные растворимости и коэффициент диффузии. Селективность этих процессов почти абсолютно подчиняется специфическим свойствам материала мембраны.
2.2 Мембранные процессы
Мембранные процессы классифицируются на:
микрофильтрацию;
ультрафильтрацию;
нанофильтрацию;
обратный осмос;
газоразделение;
электродиализ;
первапорацию;
мембранную дистилляцию.
Тип применения зависит от вида функциональности, встроенной в мембрану, которая может быть основана на изоляции по размеру, химическому сродству или электростатике.
Мы будет рассматривать основные 3 типа разделения жидких систем: микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос.
Эти мембранные методы становятся все больше и больше популярными. К примеру, в пивобезалкогольной промышленности мембранный метод дает возможность получения чистых продуктов при обезвоживании фруктовых соков, эссенций и пива, в сахарной промышленности возможно получить свободный от коллоидов фильтрат сахарного сока. Мембранный метод разделения происходит без фазовых превращений и, как правило, при температуре окружающей среды, что несравнимо с методом выпаривания, ректификации, экстракции и других. Минус мембранного метода деления – это загрязнение и забивание мембран взвешенными частицами, в последствие чего уменьшается производительность установки.
Микрофильтрация ультрафильтрация и обратный осмос имеют много общего, ведь для их функциональности требуются полупроницаемые мембраны, которые изготавливаются из одинакового материала. Однако эти процессы имеют разные размеры пор и работают при разном уровне избыточного давления.
2.2.1 Микрофильтрация
Микрофильтрация представляет собой процесс разделения компонентов в поточном режиме при давлении не более 0.3 МПа, через полупроницаемую мембрану с диаметром пор до 1000 нм. Такой процесс широко применяется в молочной промышленности для уменьшения количества микроорганизмов и фракционирования молочных белков.
Уменьшение уровня микроорганизмов в сырье применяется в нескольких случаях:
Для производства питьевого молока с большим сроком хранения. Микрофильтрация обеспечивает микробиологическую безопасность, не изменяя химический состав молока, посредством физического удаления спор, бактерий, мертвых клеток и других примесей. В отличие от традиционной обработки, которая инактивирует микроорганизмы и меняет химический состав.
При подготовке молока для производства сыров. Природное содержание анаэробных спор клостридий, которые выдерживают стандартную пастеризацию и могут вызывать вспучивание сыров на последней стадии созревания, можно снизить благодаря микрофильтрации. Она также дает возможность не использовать или использовать в минимальном количестве ингибиторы (такие как нитраты) для получения сыворотки без консервантов.
Для производства сухого молока и сухой сыворотки. Микрофильтрация снижает количество спор и бактерий в жидком сырье, что позволяет улучшить качество сухого молока и сыворотки. В следствие, в сухом продукте сохраняются функциональные свойства белков, благодаря уменьшению тепловой обработки.
При санации сырного рассола. Рассол для посолки сыров подвергается на производствах разным видам обработки: теплом, ультрафиолетом, добавлением консервантов. Все это нужно для удаления нежелательных микроорганизмов, Микрофильтрация выступает альтернативным методом, так как она останавливает отрицательные последствия микробиологического загрязнения.
Также микрофильтрация позволяет фракционировать молочные белки. Это применяется для решения разного рода технологических задач:
При стандартизации объема белка в сырье при производстве сыра. Один из важнейших критериев постоянства процесса производства и стабильности качества готовой продукции в сыроделии – нормализация состава молока. Микрофильтрация дает возможность разделять на фракции казеин и сывороточные белки, поддерживая определенный уровень казеина в сырье, для установления постоянного соотношения казеин/молочный жир. К тому же это дает возможность сгладить сезонные изменения белкового состава сырья, уменьшить потери белка и объем производимой сыворотки, увеличить эффективность работы оборудования и сотрудников.
При производстве казеина и изолятов сывороточных белков (ИСБ). Микрофильтрация дает возможность разделять казеин и СБ. Казеин, подвергнутый фракционированию, используют при производстве высококачественного казеина и казеинатов, в том числе при производстве молочных продуктов, насыщенных казеином. Для производства жидкого стабилизатора, концентрата СБ и микропартикулированных СБ применяется пармеат, который является побочным продуктом фракционирования. В его составе содержатся нативные СБ, которые не подвергались тепловой обработке, ферментативному или бактериальному воздействию. Что позволяет максимально снизить количество отходов производства.
Ультрафильтрация
Ультрафильтрация (УФ) является процессом фильтрации, происходящим под давлением 0.1-0.5 МПа, при помощи полупроницаемых мембран, с размерами пор 50-100 нм. Концентрат состоит из всех СБ. Большими молекулами являются казеиновые мицеллы с размерами от 0.01 до 0.1 мкм и молекулярной массой от 10000 до 100000. Макромолекулами являются СБ с размерами 0.001-0.01 мкм и молекулярной массой 1000-10000, также к ним можно отнести витамины, имеющие похожие размеры и массу, что и СБ, а также лактозу с размером частиц 0.0001-0.001 мкм и массой 100-1000.
В молочной промышленности для получения белков из сырья применяют ультрафильтрацию. При ультрафильтрации часть фильтрата (сыворотки) проходит через мембраны, тем самым оставляя СБ белки на фильтре. Сыворотка содержит воду, лактозу и минеральные соли. А концентрат (вторая часть сыворотки), проходя между мембранами, уносит также белки, которые выделились. Соотношение объемов концентрата и сыворотки примерно равно 1:5.
Ультрафильтрация применяется для стандартизации молока по белку для производства сыра, творога, а также сухих продуктов. В том числе, этот метод применяется для производства свежего сыра, декальцинирования пармеата, снижения объема лактозы в молоке.
Направления применения продуктов ультрафильтрации и ‘плюсы’ этого способа:
Ультрафильтрация цельного и обезжиренного молока, пахты и подсырной сыворотки используется при производстве напитков и сиропов, молочного сахара, кондитерских и хлебобулочных изделий. Положительной стороной является применение составляющих частей молока при производстве продуктов питания посредством экономного использования энергоресурсов. Также совпадение периода максимального потребления напитков и наибольшего объема производства сыворотки. Еще одним немаловажным достоинством является то, что сыворотка хорошо отделяется от белков и др. несахаров, что позволяет получать продукт высокого качества. И последним преимуществом, но не по значимости, является рациональное использование углеводов молока.
Ультрафильтрация творожной сыворотки применяется при производстве напитков, сиропов, а также глюкозно-галактозных сиропов с применением иммобилизованной бета-галактазидазы. У этого вида обработки есть несколько плюсов. Во-первых, замена в мороженом, сгущенном и др. пищевых продуктов сахарозы, что уменьшает возможность образования кариеса у потребителей. Во-вторых, уменьшение стоимости произведенных товаров. В-третьих, применение составных частей молока для производства продуктов питания при экономной трате энергоресурсов.
Ультрафильтрация цельного молока при факторе концентрации менее 2 применяется при производстве сычужных сыров при традиционной технологии, также кисломолочных продуктов. Значительными достоинствами данной обработки является увеличение выхода готовых продуктов на 1-3%, экономия фермента свертывающего молоко, стабилизация процессов производства сыра и качества готовых сыров, улучшение консистенции и предупреждение выделения сыворотки, увеличение пищевой ценности продукта.
Ультрафильтрация цельного и обезжиренного молока при факторе концентрации более 2 применяется для изготовления творога, мягких и рассольных сыров, что позволяет увеличить количество готового продукта на 8-20%, а также уменьшить использования фермента, свертывающего молоко и получать менее кислую сыворотку.
Ультрафильтрация сыворотки применяется для добавления к цельному питьевому молоку и в состав кисломолочных продуктов, при изготовлении сметаны, плавленых сыров, жидких основ и сухих концентратов для напитков, при производстве заменителей цельного молока, майонеза, кондитерских и хлебобулочных изделий. Данная обработка увеличивают биологическую и пищевую ценность питьевого молока и приближает по составу к женскому молоку, а также позволяет достичь плотности консистенции при понижении жирности.
Ультрафильтрацию пахты применяют при изготовлении сметаны и низкокалорийных видов масла. Она улучшает вкус и консистенцию, сохраняет вкус классического сливочного масла.
Обратный осмос
Этот процесс представляет собой разделение растворов при помощи полупроницаемых мембран с порами менее 50 нм при давлении от 1 до 10 МПа. Через мембрану проходит вода, а все остальные составляющие останавливаются мембраной. Молочное сырье концентрируется. Из-за того что размеры пор 0.001-0.0001 мкм, этот процесс такой же, как и удаление воды из молочного сырья выпариванием. Через мембраны проходят только вода и ионы Na+ и K+.
Фактически, процесс обратного осмоса представляет собой сгущение раствора. Большим плюсом этого способа является проведение при любых температурах и небольшие энергозатраты. Это важно, так как выпаривание на высоких температурах может привести к отрицательным последствиям.
Обратный осмос для обработки молока и молочных продуктов применяется в качестве концентрирования.
Основные плюсы такой обработки, кроме снижения энергозатрат:
Отсутствие теплового влияния, что сохраняет качество.
Меньшее количество используемой воды, благодаря вторичному применению отработанной воды.
Меньшее количество отходов.
Занимает немного места и требует небольших капиталовложений.
Минусы:
Чувствительность к pH и хим. инертность.
Нет информации об износостойкости мембран, времени эффективного использования и цены их замены.
Определенные ограничения давления в некоторых конструкциях.
Мембраны имеют свойство загрязняться при переработке некоторых жидкостей.
Благодаря постоянному совершенствованию мембран для обратного осмоса и развитию оборудования эта технология широко используется в молочной переработке. Особыми случаями применения обратноосмотической фильтрации в промышленности является концентрирование сыворотки при изготовлении сыра, концентрирование молока и обессоливание сыворотки.
Мембранные фильтры
Мембранные фильтры представляют собой тонкие мембраны, изготовленные из биологически инертных эфиров целлюлозы или подобных полимеров, которые пронизаны одинаковыми порами и занимают около 80% объема фильтра. В мембранных фильтрах возможно использование и органических и минеральных мембран.
К недостаткам органических мембран относятся:
хрупкость, слабая устойчивость к давлению и температуре;
сложность очистки и дезинфекции;
недолговременность;
серьёзные потери энергии.
Преимуществами минеральных мембран являются:
высокая механическая стойкость;
выдерживание давления до 200 атм;
термостойкость;
стойкость к химическим веществам, применяемым для дезинфекции;
долговременность.
Пористость мембран возможна от 8 до 10 мкм.
Если говорить о применении мембранных методов именно в производстве продуктов питания, то можно привести в пример использование мембранной фильтрации в виноделии, которая предполагает, как правило, стерилизацию вин перед розливом.
Мембранная фильтрация — это наиболее распространенный метод микробиологической стабилизации напитков без использования химикатов или нагрева. В качестве альтернативы пастеризации холодная стабилизация сохраняет аромат, вкус и нежную структуру вина.
Для стерилизующей фильтрации в основном используют мембраны с порами 1,2 мкм для удаления дрожжей и 0,65 мкм для задержания молочнокислых и уксуснокислых бактерий. Толщина мембраны составляет примерно 150 мкм.
Мембранные фильтры ЭПМ гарантируют абсолютное удержание микроорганизмов, вызывающих порчу вина.
Фильтры тонкой очистки типа ЭПВ с высокой пропускной способностью и функцией задерживания грязи обеспечивают отличную защиту мембранного элемента и увеличивают срок его службы.
Мембранные фильтры работают на полупроницаемых полимерных мембранах, размер пор которых выбирается в зависимости от цели и типа фильтрации, свойств фильтруемой жидкости и содержащихся в ней взвешенных веществ. Путем фильтрации под давлением через мембраны возможно осуществление ультрафильтрации, гиперфильтрации, обратного осмоса и электродиализа.
4. Фронтальное и тангенциальное фильтрование.
На данный момент различают два вида микрофильтрации:
Фронтальное фильтрование, при котором весь объем жидкости, которую фильтрует проходит фильтрующий слой в перпендикулярном положении, а примеси скапливаются на фильтре, образуя засорение. В зависимости концентрации суспензии в материале, циклы фильтрации ограничиваются.
Тангенциальное фильтрование является процессом, который представлен фильтрацией жидкости циркулирующей с определенной скоростью и давлением параллельно фильтрующему слою. Этот слой пропускает раствор, кроме частиц, находящихся в взвешенном состоянии. Самоочищение достигается мембраны давлением жидкости. Сверху мембраны образуется поляризационный слой, который возникает благодаря в разнице давлений между верхней и нижней частями фильтра.
Заключение
Применение мембранных технологий в пищевой промышленности уже заметно набирает вес, так как напрямую связано с качеством выпускаемой продукции, и совершенно очевидно, что будущее за теми технологиями, которые экологически безопасны и просты.
Список использованной литературы
Электронный учебник Физическая химия. Химическая термодинамика. Данилин В.Н.1, Шурай П.Е.1, Боровская Л.В. Кубанский государственный технологический университет, 350072, г. Краснодар, - Тип: учебное пособие,- 2010 Издательство: ФГУП НТЦ "Информрегистр" (Москва).
Исследование термодинамических свойств белково-полисахаридной системы методом дифференциальной сканирующей калориметрии..Бугаец Н.А., Тамова М.Ю., Боровская Л.В., Миронова О.П. Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2003. № 5-6 (276-277). С. 112-113.
Тимашев С.Ф. Физикохимия мембранных процессов. М., Химия, 1988, 240 с.
Введение в мембранную технологию. А. А. Свитцов. Тип: учебное пособие,- 2007. - 207 с. Издательство: ДеЛи принт (Москва).
Введение в мембранную технологию. М. Мулдер. Издательство: Мир, 1999, 513с.