Ikona domuStart / Blog / Odwrócona Osmoza w Przetwórstwie Mleka: Proces, Zastosowania i Korzyści

Odwrócona Osmoza w Przetwórstwie Mleka: Proces, Zastosowania i Korzyści

Szczegóły

W przemyśle mleczarskim, gdzie zużycie wody jest znaczące (średnio 2-8 litrów wody na litr przetworzonego mleka), technologie membranowe, w tym odwrócona osmoza (RO), odgrywają kluczową rolę. Jednym z najdoskonalszych sposobów filtrowania wody jest system odwróconej osmozy, nazywany także filtrem molekularnym. Nie każdy zdaje sobie sprawę z faktu, iż jest to również najczęściej stosowana metoda uzdatniania stosowana przez producentów wody butelkowanej.

Procesy Membranowe w Przetwórstwie Mleka

Do najczęściej stosowanych procesów membranowych opartych na różnicy ciśnień należą odwrócona osmoza (RO), nanofiltracja (NF), ultrafiltracja (UF) i mikrofiltracja (MF). Podstawową korzyścią z procesów membranowych w porównaniu z tradycyjnymi technikami separacji jest fizyczny proces rozdziału bez konieczności stosowania przemian fazowych oraz możliwość zachowania pożądanych fizycznych i chemicznych cech kluczowych składników żywności.

Dzięki ogromnemu postępowi technicznemu w ostatnich latach w produkcji membran, szczególnie w zakresie stosowanych materiałów czy technik wytwarzania, filtracja membranowa znajduje coraz nowsze zastosowania w przemyśle mleczarskim.

Jak działa system odwróconej osmozy?

Głównym elementem systemu odwróconej osmozy jest membrana osmotyczna. Membrana osmotyczna działa na poziomie molekularnym, co oznacza, że tylko cząsteczki wody mogą przez nią przeniknąć, podczas gdy zanieczyszczenia są zatrzymywane i odprowadzane do odpływu. Dzięki temu uzyskana woda jest czysta, zdrowa i bezpieczna do spożycia. Proces ten polega na przepuszczaniu wody przez półprzepuszczalną membranę, która zatrzymuje niemal 96-99% zanieczyszczeń, takich jak:

  • Wirusy i bakterie
  • Metale ciężkie (ołów, rtęć, kadm)
  • Pestycydy i herbicydy
  • Chlor i jego pochodne
  • Związki organiczne
  • Pierwiastki radioaktywne

System odwróconej osmozy z mineralizatorem pozwala uzyskać zbliżony skład wody końcowej niezależnie od jakości wyjściowej, podczas gdy przy nanofiltracji końcowa zawartość minerałów zależy bezpośrednio od parametrów wody surowej.

Przeczytaj także: Sterowniki i usterki ASUS K52J

Odwrócona Osmoza: Zasada Działania

Odwrócona osmoza to metoda uzdatniania wody oparta na zjawisku naturalnej osmozy, w której półprzepuszczalna membrana rozdziela roztwory o różnych stężeniach i przepuszcza wyłącznie wodę. W naturalnej osmozie woda z roztworu o mniejszym stężeniu przepływa do roztworu o większym stężeniu, a różnica poziomów słupa cieczy generuje ciśnienie osmotyczne. Ciśnienie osmotyczne określa wartość potrzebną do zatrzymania przepływu wody przez membranę i osiągnięcia równowagi między roztworami.

W odwróconej osmozie na roztwór o wyższym stężeniu wywierane jest ciśnienie większe niż ciśnienie osmotyczne, co odwraca naturalny kierunek przepływu wody. Woda jest wtedy przeciskana z roztworu o wyższym stężeniu do strony o niższym stężeniu, a substancje rozpuszczone pozostają po stronie koncentratu.

Membrana osmotyczna pracuje w skali molekularnej, zatrzymuje mikroorganizmy oraz związki chemiczne i separuje jony z dokładnością wynikającą z porów rzędu około 0,0005 mikrona. Taki poziom separacji pozwala usuwać z wody sole, małe związki chemiczne, azotany, mangan oraz zanieczyszczenia zatrzymywane wcześniej już na etapie ultrafiltracji. Systemy odwróconej osmozy potrafią usunąć ponad 99% zanieczyszczeń, w tym niemal wszystkie minerały i sole, pozostawiając wodę o parametrach zbliżonych do wody destylowanej.

W oczyszczonej wodzie po odwróconej osmozie naturalne minerały praktycznie nie występują, dlatego stosuje się wkłady mineralizujące, które wprowadzają określoną proporcję jonów wapnia, magnezu i innych składników. Sercem każdego systemu jest moduł membranowy z układem cienkich błon polimerowych w stanie szklistym, o wysokiej temperaturze zeszklenia, dużej masie cząsteczkowej, niskim wskaźniku polidyspersyjności i odporności na hydrolizę oraz atak mikroorganizmów.

Do wytwarzania membran używa się m.in. aromatycznych poliamidów, octanu celulozy oraz kompozytów opracowanych przez różnych producentów. Transport wody i jonów przez membranę opisuje się modelami preferencyjnej sorpcji w kapilarach oraz rozpuszczania-dyfuzji, w których współczynniki dyfuzji wody przewyższają współczynniki substancji jonowych.

Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy

Technika odwróconej osmozy została wprowadzona najpierw w instalacjach przemysłowego odsalania wody morskiej, gdzie wcześniej prowadzi się etapowe uzdatnianie wstępne. Uzdatnianie wody morskiej obejmuje filtrację na złożach piasku, koagulację i flokulację koloidów, zakwaszanie oraz zmiękczanie w celu ograniczenia powstawania kamienia, zakwaszanie w celu usunięcia tlenków metali oraz chlorowanie z dodatkiem NaHSO₃ dla kontroli zanieczyszczeń biologicznych.

Obecnie odwrócona osmoza znajduje zastosowanie przy wytwarzaniu wody pitnej ze źródeł powierzchniowych, podziemnych oraz słonej wody morskiej, a także do produkcji wody ultraczystej i wody zasilającej kotły. W sektorze żywności technologia ta służy do koncentracji soków owocowych, roztworów cukru i ekstraktów kawy, w przemyśle galwanicznym do zagęszczania ścieków, a w przemyśle mleczarskim do koncentracji mleka przed produkcją serów.

Zastosowania odwróconej osmozy obejmują również zmiękczanie wody, przygotowanie wody procesowej, produkcję wody ultraczystej w przemyśle elektronicznym oraz koncentrację produktów w przemyśle spożywczym i mleczarskim. Systemy odwróconej osmozy pracują też przy bardzo zabrudzonej wodzie z własnych ujęć, w laboratoriach i w miejscach o gorszej jakości wody, często z rozbudowanym modułem przygotowania wstępnego.

Mikrofiltracja (MF)

Mikrofiltracja (MF) to proces rozdziału, którego siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany. Pod względem struktury membrany do mikrofiltracji składają się z dwóch warstw: cienkiej półprzepuszczalnej warstwy aktywnej (od 10 do 100 µm) i grubszej (od 100 do 200 μm) relatywnie porowatej warstwy nośnej. Warstwy aktywna i nośna mogą być wykonane z tych samych lub różnych materiałów.

Moment przełomowy w zastosowaniu MF w przemyśle mleczarskim nastąpił w latach 80. ubiegłego wieku wraz z wprowadzeniem na rynek membran ceramicznych, co pozwoliło na zastosowanie koncepcji jednolitego ciśnienia transmembranowego (ang. uniform transmembrane pressure, UTP), opatentowanego przez Sanblom w 1974 roku.

Przeczytaj także: Odwrócona osmoza: Twój przewodnik

System UTP przyczynił się znacząco do zmniejszenia problemu zarastania membran (ang. fouling), którego główną przyczyną jest duże natężenie przepływu (tak zwana prędkość przepływu krzyżowego, ang. cross flow velocity) konieczne do uzyskania dużego natężenia odpływu permeatu (ang. flux) i odpowiedniej selektywności. Innowacyjność systemu UTP polega na zastosowaniu, oprócz pompy zasilającej i pompy recyrkulacji retentatu, pompy permeatu wywołującej przepływ permeatu równoległy do przepływu retentatu.

Takie rozwiązanie gwarantuje niskie i jednolite ciśnienie transmembranowe na całej długości membrany, a dzięki temu minimalizuje zarastanie membran i stwarza możliwość wielogodzinnej pracy urządzeń MF. Wprowadzenie dodatkowej pompy (permeatu) przyczynia się do wzrostu kosztów prowadzenia procesu.

Prace prowadzone nad uzyskaniem jednolitego ciśnienia transmembranowego w alternatywny sposób doprowadziły do opracowania membran ceramicznych typu GP (ang. graded permeability) (t. j. Membralox GP, Pall Corp., East Hills, NY). Membrany GP mają równomierną grubość i porowatość selektywnej warstwy membrany, natomiast przepuszczalność warstwy nośnej zmienia się wzdłuż długości membrany, kreując większy opór wobec odpływu permeatu na wlocie retentatu, a mniejszy na wylocie.

Innym rozwiązaniem zmierzającym do redukcji kosztów operacyjnych związanych z zastosowaniem pętli recyrkulacji permeatu (tak jak w systemie UTP), przy jednoczesnej kontroli zarastania membran jest system Isoflux. Membrany Isoflux charakteryzują się stopniowym gradientem grubości aktywnej warstwy membrany wzdłuż jej długości (Saboya i Maubois, 2000), i równomierną porowatością ceramicznej warstwy nośnej. Membrany Isoflux zostały opatentowane przez Grangeon i in. (2002) i są produkowane przez Tami Industries (Nyones, Francja).

Usuwanie Bakterii i Przetrwalników

Celem tego procesu jest fizyczne usunięcie bakterii i przetwalników z mleka lub serwatki, bez zmiany składu chemicznego produktów. Proces mikrofiltracji w tym przypadku prowadzi się na mleku odtłuszczonym ze względu na możliwość zarastania (blokowania) membran przez kuleczki tłuszczowe, których średnica jest zbliżona do bakterii i przetrwalników zatrzymywanych przez membranę.

Dodatkowo, problem blokowania membran został zminimalizowany dzięki zastosowaniu membran ceramicznych o właściwej średnicy porów (najczęściej 1,4 μm). Membrany te określane mianem membran trzeciej generacji umożliwiają prowadzenie procesu przy wysokich prędkościach przepływu i niskim ciśnieniu transmembranowym.

Do usuwania bakterii na skalę przemysłową obecnie stosuje się procesy: Tetra Alcross Bactocatch i Tetra Therm ESL. W procesie Tetra Alcross Bactocatch śmietankę oddziela się od mleka poprzez odwirowywanie, a mleko odtłuszczone poddaje się filtracji na membranach MF o średnicy porów 1,4 μm.

Retentat i śmietanka poddaje się obróbce termicznej (115-130°C przez 4-6 sek.) i miesza z mlekiem odtłuszczonym po procesie MF z przeznaczeniem głównie jako mleko serowarskie. Odpowiednio prowadzony proces pozwala na redukcję liczby drobnoustrojów nawet o 99,9%. Proces Tetra Therm ESL znajduje zastosowanie do produkcji mleka o wydłużonej przydatności do spożycia (ang. extended shelf life), w którym zastosowano minimalną obróbkę cieplną.

Retentat po procesie mikrofiltracji i śmietankę poddaje się działaniu wysokiej temperatury, a następnie miesza z permeatem poddanym pasteryzacji. W dalszej kolejności, mieszanina jest homogenizowana i pakowana. Zastosowanie MF do usuwania bakterii pozwala na wydłużenie terminu przydatności mleka (16-21 dni) w porównaniu z mlekiem pasteryzowanym (6-8 dni), przy jednoczesnym uniknięciu posmaku gotowania, jak to ma miejsce w przypadku obróbki UHT.

Porównanie Filtracji Membranowej

Ze względu na zakres wielkości separowanych cząstek, klasyczną filtrację membranową można podzielić na 3 rodzaje:

  • Mikrofiltracja przemysłowa
  • Ultrafiltracja przemysłowa
  • Nanofiltracja przemysłowa

Tabela: Porównanie Rodzajów Filtracji Membranowej

Rodzaj filtracji membranowej Zakres wielkości porów Typowe zastosowania Ciśnienie robocze
Mikrofiltracja 0,1 - 10 µm Klarowanie napojów, piwa, sterylizacja mleka, usuwanie bakterii i zawiesin w przemyśle spożywczym i biotechnologicznym 0,05 - 0,3 MPa
Ultrafiltracja 0,01 - 0,1 µm Oczyszczanie soków, piwa, produkcja skrobi, wydzielanie białek z mleka i serwatki, oczyszczanie antybiotyków do 0,5 MPa
Nanofiltracja 0,001 - 0,01 µm Zagęszczanie półproduktów biotechnologicznych, usuwanie białek z serwatki, odsalania wody wyższe ciśnienia

Ultrafiltracja (UF) - najczęściej stosowana do zagęszczania białek serwatkowych w mleku i serwatce oraz do normalizowania mleka przeznaczonego do wyrobu sera, jogurtu i innych przetworów mlecznych.

Nanofiltracja i Odwrócona Osmoza

Technologie membranowe Nanofiltracja i Osmoza Odwrócona są to techniki służące traktowaniu jonów jedno- i dwuwartościowych. Nanofiltracja to technika używana w przeciągu ostatnich kilku lat. Dziś, nanofiltracja jest stosowana głównie w odniesieniu do procesu oczyszczania wody pitnej, np. zmiękczanie wody, dekoloryzacja oraz usuwanie mikro zanieczyszczeń. Podczas procesów przemysłowych nanofiltracja jest aplikowana do usuwania specyficznych komponentów, takich jak środki koloryzujące.

Inne zastosowania nanofiltracji to:

  • Usuwanie pestycydów z wody gruntowej
  • Usuwanie metali ciężkich ze ścieków
  • Recykling wody zanieczyszczonej w pralniach
  • Zmiękczanie wody
  • Usuwanie azotanów

Oczyszczanie wstępne wody doprowadzanej do oczyszczania w procesie nanofiltracji lub Odwróconej Osmozy w ogromnym stopniu wpływa na efekty osiągane w tych systemach. Wymagana forma oczyszczania wstępnego zależy od jakości wody do oczyszczenia. Celem oczyszczania wstępnego jest zmniejszenie zawartości substancji organicznej oraz ilości bakterii, oraz obniżenie wskaźnika zaczopowania/zablokowania (MFI = Modified Fouling Index).

Zawartość materii organicznej oraz ilość bakterii powinny być tak niskie jak to tylko możliwe, aby zapobiegać tak zwanemu "biofouling" membran (zaczopowaniu filtra poprzez zatrzymywane zawiesiny). Zastosowanie oczyszczania wstępnego ma kilka zalet:

  • Membrany maja większą trwałość
  • Czas produktywny systemu jest wydłużony
  • Zarządzanie membranami staje się prostsze
  • Koszty zatrudnienia są niższe

Zrównoważone Zarządzanie Wodą w Mleczarstwie

Europejskie Stowarzyszenie Mleczarstwa (EDA) zwraca uwagę, że woda jest ograniczonym i wrażliwym witalnie zasobem i istotnym elementem dla mleczarstwa: 85-90% składu mleka to woda!

Wiele ostatnich inwestycji w sektorze mleczarskim w kierunku większej cyrkulacji i zrównoważonego rozwoju także skutkuje w postaci bardziej zrównoważonego zarządzania wodą i warunkami sanitarnymi. Poprawa w wydajności użycia wody oraz działania recyklingowe znacznie obniżyły wpływ mleczarstwa na zużycie wody.

Europejski sektor mleczny ustanowił prężną infrastrukturę, która promuje zrównoważone metody produkcji i sprzyja środowiskowej innowacji. W odniesieniu do przetwórstwa, zgodnie z opublikowanymi wynikami badań naukowych, większość zakładów mleczarskich zużywa od 1 do 10 m3 wody na każdy m3 przetworzonego mleka.

Aby osiągnąć zrównoważone zarządzanie wodą w zakładach mleczarskich należy rozważać zarówno ilość jak i jakość wody. Bez względu na to, rozważania dotyczące bezpieczeństwa żywności muszą zawsze dominować nad rozważaniami środowiskowymi.

Zanieczyszczenia w Przetwórstwie Mleczarskim

Zanieczyszczenia w przetwórstwie mleczarskim są krytycznym problemem, który może wpływać na jakość, bezpieczeństwo i trwałość produktu. Produkty mleczne mogą być narażone na wiele rodzajów zanieczyszczeń na różnych etapach produkcji:

  1. Patogeny: takie jak Salmonella, E. coli i Listeria należą do najczęściej występujących zanieczyszczeń mikrobiologicznych w nabiale.
  2. Zanieczyszczenia stałe: do produktów mogą również dostać się zanieczyszczenia stałe, takie jak cząstki, osady i nierozpuszczone ciała stałe.
  3. Pozostałości chemiczne: takie jak pestycydy lub antybiotyki, mogą czasami przedostawać się do produktów mlecznych, jeśli proces przetwarzania nie jest odpowiednio kontrolowany.

Filtracja jako Metoda Usuwania Zanieczyszczeń

Filtracja jest podstawową metodą usuwania zanieczyszczeń z produktów mlecznych, pomagającą zadbać zarówno o jakość produktów, jak i bezpieczeństwo konsumentów.

  1. Metoda mikrofiltracji: wykorzystuje membrany o małych porach do usuwania bakterii i drobnych cząstek z mleka.
  2. Filtracja krzyżowa: to zaawansowana metoda filtracji, w której produkt mleczny przepływa stycznie przez powierzchnię filtra.
  3. Odwrócona osmoza: to skuteczna metoda wykorzystująca półprzepuszczalną membranę do usuwania niemal wszystkich rozpuszczonych ciał stałych i zanieczyszczeń z cieczy.
  4. Ultrafiltracja: kolejny proces wykorzystujący membrany, pozwala na selektywne usuwanie białek, tłuszczów i bakterii.

Wybór odpowiedniego systemu filtracji zależy od konkretnych wymagań produktu mlecznego i skali produkcji. Atlas Copco specjalizuje się w zaawansowanych systemach filtracji technologicznej dostosowanych do zróżnicowanych potrzeb przemysłu mleczarskiego.

tags: #odwrocona #osmoza #mleka #proces

Popularne posty: