Опыт применения ультра- и нанофильтрационных...

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРА- И

НАНОФИЛЬТРАЦИОННЫХ

МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ

КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ МОЛОЧНОЙ

СЫВОРОТКИ.

А.Р.Сидоров , С.Ю. Ларионов,

В.Г.Дзюбенко

ЗАО «РМ Нанотех», г. Владимир

ЗАО «НПК Медиана-Фильтр»

Состояние проблемы

• Сыворотка является большой экологической проблемой молочного производства из-за большой биологической потребности в кислороде для ее утилизации. В исходной форме из-за малой концентрации она почти не имеет ценности, но компоненты сыворотки применимы в качестве добавок в продукты питания, корма для животных и как промышленное сырье для других отраслей. Компоненты сыворотки могут быть сгущены и фракционированы с помощью мембранных технологий. За счет этого отходы производства превращаются в ценный продукт для рынка.

Состояние проблемы • На 1 т сыра или творога приходится 9 т сыворотки.

• В среднем на одном молокозаводе образуется около 100

тон сыворотки в сутки.

• При производстве сыра и творога в России в год

образуется более 5 млн тон сыворотки. Используется

только 20%.

• Около 200 тысяч тон в пересчете на сухую сыворотку

сбрасывается ежегодно в качестве отхода.

• Более 70 тысяч тон в год сухой сыворотки

импортируется.

Процессы мембранного

разделения

• Для концентрирования сывороточного белка

(частицы массой 10 кДа и выше) обычно применяют

ультрафильтрацию

• Нанофильтрация (граница разделения 200 Да)

используется для концентрирования белков и

лактозы.

• С помощью обратного осмоса можно

сконцентрировать все компоненты сыворотки. В

результате получается прозрачная обессоленная

вода.

Специальная конструкция мембранных элементов для

молочной промышленности

Продукция ЗАО «РМ Нанотех»

Тип мембранного

элемента Приложения

Порог осечки белков

Тип фильтрации

NanoUF 8040-20 Концентрация белков,

молока 20 000 Ультрафильтрация

NanoUF 8040-50 Концентрация белков,

стерилизация 50000 Ультрафильтрация

NanoNF Концентрация лактозы,

углеводов 200 Нанофильтрация

NanoRO Финишное обессоливание <100 Обратный осмос

Состав молочной сыворотки

Показатель

Нормы для сыворотки

подсырной творожной казеиновой

Плотность, кг/м3, не менее 1023 1023 1023

Кислотность, 0Т, не более 20 75 70

Массовая доля сухих веществ, %, не менее 4 4 4

В том числе:

лактозы, %, не менее

жира, %, не более

4,0

0,1

3,5

0,2

3,5

0,1

Особенности молочной сыворотки

• График зависимости плотности и динамической вязкости молочной

сыворотки от температуры* • *Исследование плотности и вязкости натуральной молочной сыворотки. Шаманаева Е.А., Огурцов Н.А.

Схема установки

Для проверки свойств элементов была использована пилотная установка

в составе которой входил:

1. Входной насос

2. Корпус для размещения мембранного элемента

3. Два манометра (на входе и выходе)

4. Два ротаметра для определения расхода фильтрата и концентрата

5. Датчик электропроводности

6. Датчик температуры.

7. Теплообменник

8. рН-метр

Исходные данные

Для экспериментов использовались 300 л свежей творожной

сыворотки Дмитровского молочного завода. Содержание сухих

веществ в сыворотке составляло около 4%, из них – 3,5%-

лактоза, и 0,3%- белок, 0,2 % - минеральные соли.

Для проведения экспериментов были выбраны:

• мембранный элемент NanoUF4040-20 с отсечкой белков с

молекулярным весом около 20 кДальтон

• нанофильтрационный мембранный элемент типа NanoNF4040 с

отсечкой белков с молекулярным весом около 200 Дальтон

Режим работы

Qпермеата (л/ч) Pвх. (бар) Т (град) СИП (%)

УФ 150 5 23-38 7

НФ 140 18-27 26-31 10

НФ (после УФ) 150 14-17 26-38 13

СИП- степень извлечения пермеата

Удельная проницаемость ультрафильтрационной мембраны

при 40С

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

1,00 1,25 1,75 2,25

Anorm40

К

А

А- удельная проницаемость мембраны , л/(час*м2*бар)

К- степень концентрирования

Удельная проницаемость нанофильтрационной мембраны

при 40С

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

1,00 1,20 1,40 1,60 1,83 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,14

НФ Anorm40

УФ+НФ Anorm40

К

А- удельная проницаемость мембраны , л/(час*м2*бар)

К- степень концентрирования

А

Результаты эксперимента

Концентрация СВ

Исходная Пермеат Ретентат

Исходная концентрация св 4,04%

Ультрафильтрация 4,04% 3,71% 5,47%

Нанофильтрация (после УФ) 3,71% 0,17% 9,02%

Нанофильтрация 4,04% 0,81% 10,42%

Выводы

• Проведенные эксперименты показали, что мембранные

элементы компании ЗАО «РМ Нанотех» серии NanoUF и

NanoNF могут быть успешно использованы в молочной

промышленности для концентрирования белков и лактозы из

молочной сыворотки.

• Использование нанофильтрации позволяет более чем в три раза

сконцентрировать сыворотку

• Двухступенчатая схема позволяет выделить белок на первой

стадии и лактозу на второй. Кроме того эта схема позволяет

использовать мембранные (электродиализ) или ионообменные

методы удаления молочной кислоты перед стадией

нанофильтрации.

Применение 1

Для маленьких объемов сыворотки (10-50 т/сутки) рентабельно

только производство концентрата для корма животных. Для этого

сыворотку обезвоживают обратным осмосом или

нанофильтрацией.

Применять концентрат можно прямо на месте производства:

• с содержанием сухих веществ

12 % для выпойки свиней и

15 % -для выпойки телят.

• Концентрат с 18 % сухих веществ можно транспортировать для

дальнейшей переработки (сушки).

Применение 2

Использование белка, полученного из сыворотки с помощью

ультра –или нанофильтрации, позволяет увеличить выход:

• Творога на 30-35%

• Мягких сыров –на 15-25 %

• Твердых сыров на 10-15%

Применение 3 • Чистую лактозу после высушивания применяют в хлебопечении,

для производства продуктов детского питания, напитков, как компонент лекарств в таблетках.

• Гидролиз лактозы приводит к образованию лактулозы, позволяет удвоить сладость лактозы.

• При низком уровне гигиены переработки и без деминерализации сыворотку можно использовать на корм животным или, подвергнув ферментации, получить кормовые дрожжи, биоэтанол, биогаз, молочную кислоту, пенициллин, стартовые культуры и пр.

Спасибо за внимание