UNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE

WYDZIAŁ NAUKI O ŻYWNOŚCI

Kierunek: Technologia Żywności i Żywienie Człowieka

Specjalność: Technologia Mleczarska

Inżynieria i techniki membranowe w

przemyśle spożywczym

Produkcja koncentratu białek serwatkowych WPC

Olsztyn 2010

1. Opis zadania projektowego

Produkcja koncentratu białek serwatkowych WPC przy zastosowaniu procesu ultrafiltracji (UF) jest tematem projektu. W przetwórstwie mleka, najczęściej korzysta się z ultrafiltracji w produkcji serów dojrzewających, serów twarogowych, preparatów białkowych, napojów fermentowanych, lodów. Stosując tę metodę można też normalizować białko w mleku przerobowym. Ponadto w wielu krajach metodą UF zagęszcza się mleko w celu zmniejszenia kosztów magazynowania, chłodzenia i transportu mleka.

2. Charakterystyka surowca:

Surowcem poddanym ultrafiltracji do produkcji koncentratu białek serwatkowych jest serwatka.

Parametry fizykochemiczne surowca:

• gęstość 1,0245 - 1,239 g/dm³

• sucha masa 65,76 - 70,84 g/dm³

• tłuszcz 0,85 - 5,06 g/dm³

• laktoza 45,25 - 51,81 g/dm³

• substancje azotowe (ogółem) 1,223 - 1,448 g/dm³

• substancje azotowe niebiałkowe 0,368 - 0,536 g/dm³

• kwas cytrynowy 1,095 - 1,248 g/dm³

• popiół 5,252 - 7,333 g/dm³

• fosfor 0,412 - 0,649 g/dm³

• wapń 0,466 - 1,251 g/dm³

• potas 1,455 - 1,485 g/dm³

• sód 0,505 - 0,528 g/dm³

• chlorki (jako NaCl) 2,092 - 2,195 g/dm³

http://www.geafiltration.com/pl/zastosowania/ultrafiltracja_serwatki.asp

3. Opis produktu

a) dzięki zastosowaniu UF można otrzymać wartościowe produkty białkowe z serwatki kwasowej, uzyskiwanej podczas produkcji kazeiny i serów twarogowych. Podczas UF serwatki kwasowej zostaje usunięta większość kwasów i soli mineralnych, dlatego otrzymany retentat łatwo suszyć metodą rozpyłową bez potrzeby neutralizacji. Mimo że otrzymany preparat białkowy nie odznacza się tak wysoką rozpuszczalnością jak preparat serwatki słodkiej to stosując kombinację ED i UF można uzyskać z serwatki kwasowej doskonałe produkty o dużej zawartości białka.

Techniki membranowe w przemyśle spożywczym są ze sobą najczęściej łączone, tworząc kilka etapów całego procesu produkcyjnego. Takie połączenie technik membranowych pozwala na uzyskanie produktu o wysokiej czystości i lepszej jakości.

b) po zakończonej produkcji serów uzyskujemy serwatkę, którą można poddać zagęszczeniu na membranie do pewnego, ustalonego stopnia zagęszczenia (wydajność procesu i efektywna eksploatacja membrany)

Skoncentrowana frakcja białkowa z serwatki zostaje tutaj zagęszczona. Główna frakcja - laktoglobulina - beta, a także mikrofrakcje (laktoglobulina - alfa, glikomekropeptydy, immunoglobuliny i laktoferryna) dają efekt anaboliczny organizmu. Koncentrat białek serwatkowych zawiera całą gamę aminokwasów. Działanie antykataboliczne zapewnia wysoką zawartość złożonych aminokwasów egzogennych BCAA.

Zawartość aminokwasów w 100g białka:
Alanina - 4,77g
Arginina - 2,79g
Kw.asparginowy - 11,46g
Cystyna - 2,53g
Kw.glutaminowy - 17,68g
Glicyna - 1,03g
Histydyna - 1,93g
*Izoleucyna - 6,02g
*Leucyna - 10,89g
Lizyna - 9,27g
Metionina - 2,53g
Fenoloanilina - 3,49g
Prolina - 7,46g
Seryna - 5,54g
Treonina - 7,37g
Tryptofan - 2,03g
Tyrozyna - 3,34g
*Walina - 6,05g

*aminokwasy rozgałęzione BCAA

Skład chemiczny koncentratów białek serwatkowych w zależności od s.m %

Metoda zagęszczania- ultrafiltracja + zagęszczanie w wyparce	Zawartość
		s.m. %	Związki azotowe				Laktoza		Popiół		Kwas mlekowy
				N. ogółem x 6,38		NPN		%	% s.m.	%		% s.m.
				%	% s.m.	%	% s.m.
		18,5	12,8	69,2	0,8	6,2	4,6	24,5		0,7	3,7		0,41
		21,95	15,2			1,0	6,7	5,4			0,82			0,66
		30,0	20,8			1,25	6,0	7,4			1,15			0,92

4. Schemat czynnościowy procesu ultrafiltracji

SERWATKA

OGRZEWANIE

ULTRAFILTRACJA LAKTOZA, SOLE MINERALNE

SERWATKA WSTĘPNIE ZAGĘSZCZONA

ODPAROWANIE NA WYPARCE WODA

KONCENTRAT WPC

5. Schemat umaszynowiony procesu

Rys. Schemat aparatury do prowadzenia procesu ultrafiltracji.

I - zbiornik główny, la - dno zbiornika głównego, Ib - siatka podtrzymująca membranę, 2 - membrana ultrafiltracyjna, 3 - mieszalnik laboratoryjny, 3a - uchwyt mieszadła, 4 - mieszadło łopatkowe, S - _śruba odpowietrzająca, 6 - króciec odprowadzający permeat, 7- zbiornik wyrównawczy, 8, 9- odolejacze, 10 - manometr, 11 - rurociąg doprowadzający sprężone powietrze, 12 - cylinder pomiarowy, zl - zawór kulowy, z2 - zawór grzybkowy.

6. Charakterystyka membrany oraz modułu membranowego

Chemia Membran:

Własności półprzepuszczalną polieterosulfonowa (PES)

Główne cechy membran z PES:

• Kapilarne membrany hydrofilowe wykonane z polieterosulfonu (PES)

• Zaprojektowane do filtracji krzyżowej

• Membrany asymetryczne, możliwa jest filtracja od wewnątrz na zewnątrz kapilary

• Pory formowane przy użyciu metody inwersji faz

• Możliwość uzyskania wysokiej gęstości upakowania na jednostkę objętości

• Niska podatność na zatykanie się

• Mycie metodą płukania zwrotnego

• Bardzo dobre możliwości regeneracyjne i dezynfekcyjne

• Nadają się do wielu cieczy bez konieczności chemicznej obróbki wstępnej, 
  jeżeli to możliwe

• Bardzo dobra odporność chemiczna

• Duża wytrzymałość mechaniczna

Szeroki zakres zastosowań w przemyśle i laboratoriach

 

Typ membrany:

HFK™-131obserwowane z zakresu rozdziału 10000 daltonów

Produkcji:

spiralna z sanitarne rany element netto opakowania zewnętrznego

Opcje:

Średnica:

8.0”

Długość:

38 "

Typowe ciśnienie robocze:

30 - 120 psi (2.1 - 8.3 bar) 30 - 120 psi (2,1 - 8,3 bar)

Maksymalne ciśnienie robocze:

140 psi (9.7 bar) 140 psi (9,7 bar)

Temperatura pracy:

41 - 131°F (5 - 55°C) 41 - 131 ° F (5 - 55 ° C)

Zakres temperatur chemiczna:

105 - 122°F (40 - 50°C) 105 - 122 ° F (40 - 50 ° C)

Dopuszczalne pH - ciągła:

2.0 - 10.0 2,0 - 10,0

Dopuszczalne pH - Clean-In-Place (CIP):

1.8 - 11.0 1,8 - 11,0

Właściwości membrany:

Membrany stosowane w tych modułów składa się z półprzepuszczalnej polieterosulfonowej (PES) warstwy materiału podłoża poliestrowego.

Zakres działania:

Ciśnienie: Maksymalne ciśnienie robocze jest 140 psi (9.7 bar). 140 psi (9,7 bar).

Ciśnienie permeatu: permeatu ciśnienie nie powinno przekraczać wartości wyjściowych (koncentrat) ciśnienie w każdym czasie (W tym w okresie transformacji). Odwrócenie

ciśnienie może spowodować uszkodzenie błony.

Temperatura: Maksymalna temperatura pracy to 131 ° F

(55°C). (55 ° C). Maksymalna temperatura czyszczenia 122 ° F (50 ° C).

pH: Dopuszczalny zakres dla pracy ciągłej wynosi 2,0 do

10.0.Dopuszczalnego zakresu pH do czyszczenia wynosi 1,8

Instalacja membranowa

7.Tryb pracy instalacji - periodyczny

Rys. Schemat pracy instalacji:

1. zbiornik surowca

2. pompa zasilająca

3. pompa cyrkulacyjna

4. moduł membranowy

8. Eksploatacja instalacji membranowej

Produkt uboczny, którym jest głównie koncentrat laktozy sprzedawany jest do zakładu produkcji pasz dla przeżuwaczy i trzody chlewnej oraz zakładu utylizacyjnego.

Procedura mycia i dezynfekcji

Żywotność membran zależy od prawidłowości ich eksploatacji. Z powodu swoich cech, to jest struktury bardzo wąskich porów i aktywnej powierzchni, membrany wykazują tendencję do absorpcji i adsorpcji składników surowca, dlatego podczas procesu należy ściśle kontrolować parametry fizykochemiczne procesu, zwłaszcza temperaturę, ciśnienie oraz pH.

Optymalną wydajność i selektywność procesów membranowych zapewnia regularne mycie membran po każdym cyklu produkcyjnym.

Mycie środkami chemicznymi trwa z reguły 30-60 min, natomiast enzymatycznymi- 60-90 min. W celu skrócenia czasu mycia stosuje się najwyższą temperaturę, dopuszczalną przez producenta membran, co zwiększa szybkość reakcji chemicznych. Jednakże zbyt częste mycie membran zwiększa koszt ich eksploatacji, na skutek wzrostu zużycia środków chemicznych, wody i skrócenia czasu pracy, oraz negatywnie wpływa na żywotność membran. O skuteczności mycia membran decyduje również jakość stosowanej wody. Do ich mycia powinno stosować się wodę miękką, o niskiej zawartości, przede wszystkim, żelaza, manganu, aluminium i krzemu. Wysoka zawartość ww. pierwiastków zmniejsza skuteczność mycia, a w dłuższym czasie - żywotność i wydajność membran.

Jakość chloru i chemiczna ekspozycja

Przestrzeganie procedur czyszczenia i odkażania w tym stężeń chemicznych, pH i temperatury i czas ekspozycji jest konieczny do osiągnięcia maksymalnej żywotności modułu membranowego. Polecany czas ekspozycji chloru dla membrany typu HFK™-131 to 30 minut dziennie, stężenie chloru resztkowego podczas cyklu czyszczenia (CIP) wynosi 150 ppm, pH 10,5 lub wyższe. Stężenie chloru nigdy nie powinno przekraczać 200 ppm.

9.Literatura

„Mleczarstwo 1” pod redakcją Stefana Ziajki, Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko- Mazurskiego w Olsztynie, Olsztyn 2008, str.346, 368, 362

„Mleczarstwo 2” pod redakcją Stefana Ziajki, Wydawnictwo ART., Olsztyn 1997, str 285, 345, 319

http://www.geafiltration.com/pl/zastosowania/ultrafiltracja_serwatki.asp

http://www.geafiltration.com/pl/zastosowania/ultrafiltracja_serwatki.asp

http://www.kochmembrane.com

Przemysá mleczarski:

- wprowadzenie zamkniĊtych obiegów wody w ukáadzie cháodniczym, grzew-czym i niektórych etapach mycia, np. wykorzystanie wody z ostatniego páukania

do pierwszego páukania w nastĊpnym cyklu (zmniejszenie zuĪycia wody do ok.

90%);

- zastosowanie automatycznych zaworów i wyáączników wody (zmniejszenie

zuĪycia wody);

- czyszczenie (páukanie) pod ciĞnieniem z automatycznym zamykaniem wody

(zmniejszenie zuĪycia wody o 25-35%);

- wypychanie resztek produktów sprĊĪonym powietrzem (zmniejszenie zuĪycia

wody i áadunku zanieczyszczeĔ w Ğciekach);

- dostosowanie pojemnoĞci wanien i naczyĔ (w caáym ciągu produkcyjnym) do

wielkoĞci produkcji (zmniejszenie áadunku zanieczyszczeĔ w Ğciekach);

- wyposaĪenie zbiorników i wanien w czujniki przelania (jw.).

1

2

3

…………4……………….

P

R

UF

R 2000 l/d

30,1 % białek serwatkowych

P 6000 l/d

55 % laktozy,

3,9 % soli mineralnych

SERWATKA

8000 l/d

1,1% białek serwatkowych,

5 % laktozy,

0,7 % soli mineralnych

---