Nanofiltracja w przemyśle mleczarskim: zastosowanie i korzyści
- Szczegóły
Techniki membranowe stały się popularnymi metodami rozdzielania mieszanin. W zależności od tego, z jakiego materiału zbudowana jest membrana oraz jakie posiada właściwości selektywne, membrany służą do prowadzenia procesu rozdziału cząstek o wielkości rzędu od dziesiątych części mikrometra (µm) do dziesiątych części nanometra (nm). Do technik membranowych zalicza się takie procesy jak mikrofiltracja, ultrafiltracja, nanofiltracja, odwrócona osmoza.
Zalety technik membranowych
Techniki membranowe to techniki separacji, do zalet których zalicza się takie aspekty jak niskie zużycie wody, stosunkowo proste zwiększanie skali technologicznej, dzięki modułowemu systemowi, który ułatwia rozbudowę stacji membranowej, możliwość sprawnego prowadzenia procesu rozdziału w sposób ciągły, możliwość zautomatyzowania pracy stacji membranowej czy możliwość łączenia stacji membranowej z innymi maszynami prowadzącymi odrębne procesy jednostkowe w technologicznym parku maszynowym hali produkcyjnej.
O wydajności danej instalacji decyduje jednostkowa wydajność membran. Łatwy dobór typu i wielkości membran ułatwia fakt stosowania ich zarówno na skalę laboratoryjną jak i przemysłową. Nowoczesne podejście do projektowania przekroju niekołowego membran pozwala na osiąganie możliwie jak największej powierzchni filtracyjnej membran. Bardzo ważna jest także możliwość uzyskania zbilansowanej relacji pomiędzy powierzchnią filtracyjną a wielkością instalacji. Daje to możliwość projektowania instalacji na skalę laboratoryjną oraz przemysłową.
Techniki separacji membranowej niewątpliwie umożliwiają osiągnięcie wysokiego stopnia separacji membranowej, co dla konwencjonalnych technik rozdziału jest często wręcz niemożliwe do osiągnięcia.
Zastosowanie nanofiltracji
Nanofiltracja stosowana jest w celu oddzielenia jonów metali ciężkich bądź cząsteczek o bardzo małych rozmiarach. W przemyśle mleczarskim techniki filtracji membranowej wykorzystywane są do zagęszczania, standaryzacji białek i kazeiny, zagęszczania białek w mleku czy serwatce czy izolacji białek z mleka bądź serwatki. Za pomocą membran filtracyjnych możliwe jest też usunięcie bakterii. Membrany stosuje się także w produkcji na przykład sera feta, sera fromage czy serka mascarpone, a także do produkcji świeżego sera z mleka ukwaszonego lub śmietany.
Szeroki zakres granic rozdziału membran mikrofiltracyjnych oferuje rozległe możliwości ich zastosowania - nie tylko do znanych od blisko 2 dekad aplikacji z zakresu usuwania bakterii i przetrwalników z mleka czy też solanki serowarskiej, lecz coraz częściej także do odpylania i odtłuszczania serwatek czy też frakcjonowania składników mleka, maślanki oraz słodkiej i kwaśnej serwatki.
Instalacje ceramiczne, pomimo wyższych kosztów inwestycyjnych, okazały się niezawodną i atrakcyjną alternatywą dla układów opartych na membranach polimerowych. Kilkukrotnie wyższa wydajność filtracji z jednostki powierzchni, wyższa selektywność rozdziału składników mleka (standaryzacja kazeiny w mleku procesowym lub frakcjonowanie białek przy produkcji koncentratów kazeinowych), długa żywotność, łatwość i niski koszt regeneracji chemicznej membran to podstawowe zalety membran ceramicznych, które sprawiły, że membrany te na stałe zadomowiły się w wielu polskich zakładach mleczarskich.
Proces filtracji membranowej
Proces membranowy polega na przepuszczeniu zawiesiny, mieszaniny lub roztworu (czyli ogólnie surówki - nadawy, do której oczyszczenia dążymy) przez membranę. W efekcie nadawa (inaczej roztwór zasilający) zostaje rozdzielona na dwa strumienie: strumień permeatu oraz strumień retentatu. Strumień permeatu stanowi tę część strumienia zasilającego (nadawy, surówki), która przeniknęła przez półprzepuszczalną barierę - membranę. Pozostała część roztworu zasilającego, która przez membranę nie przeniknęła, nazywana jest retentatem.
Separacja w membranie może być skutkiem mechanizmu nazywanego efektem sitowym: przechodzenia małych cząsteczek przez membranę i jednoczesnego zatrzymywania dużych cząsteczek. To, w jaki sposób zostaną „posegregowane” cząsteczki po obu stronach membrany z uwzględnieniem wielkości tych cząsteczek, ma wpływ wielkość porów zastosowanej membrany.
Proces nanofiltracji żywo zainteresował sektor przemysłu spożywczego, przyciągając jego uwagę ze względu na stosowanie niższych wartości ciśnienia niż te stosowanych w przypadku procesów odwróconej osmozy RO. Membrany nanofiltracyjne występują w różnych konfiguracjach, zależnie od zastosowań: służą do koncentracji, frakcjonowania i oczyszczania różnych produktów jadalnych z rozcieńczonych strumieni.
Zastosowanie membran w przemyśle spożywczym
Przemysł przetwórstwa spożywczego stosuje nanofiltrację w produkcji napojów, nabiału, olejów roślinnych i innych artykułów spożywczych w celu separacji, koncentracji/oczyszczania, odkwaszania, demineralizacji, redukcji liczby drobnoustrojów itp.
W przemyśle spożywczym wykorzystywane są różnorodne technologie oparte na membranach. Oprócz wspomnianych: mikrofiltracji (MF), ultrafiltracji (UF), nanofiltracji (NF), istnieją także procesy osmozy bezpośredniej (FO), destylacji membranowej (MD), elektrodializy (ED), perwaporacji (PV) czy bioreaktory membranowe (MBR).
Wpływ na przemysł mleczarski
Techniki membranowe wywarły w ostatnich trzech dekadach ogromny wpływ na polski przemysł mleczarski. Rosnące zapotrzebowanie tej branży na skuteczne metody rozdziału składników mleka i jego pochodnych oraz coraz surowsze wymagania co do jakości produktu finalnego są siłą napędową dla rozwoju technik filtracji i separacji cieczy, w tym technik membranowych. Rosnąca popularność filtracji membranowej wynika zarówno z ciągłego udoskonalania materiałów stosowanych do produkcji membran, jak i ciągle poszerzającego się obszaru ich aplikacji w praktyce przemysłowej.
Wiadome jest również to, jak istotne jest ponowne wykorzystanie wody. W produkcji żywności niezbędne i wręcz wymagane są skuteczne, a także ekonomiczne procesy odzyskiwania pierwotnej jakości wody, przywracania jej jakości. Techniki membranowe dają możliwość osiągnięcia tego celu przy jednoczesnej kontroli kosztów.
Przyszłość technik membranowych
Można spodziewać się, że procesy membranowe odegrają istotną rolę w zrównoważonym modelu gospodarki o obiegu zamkniętym w przemyśle biopochodnym, gdyż znacząco zmniejszają ślad węglowy i wodny. Niewątpliwie zastosowanie technik membranowych w przemyśle spożywczym umożliwia producentom żywności wprowadzanie nowych produktów, a także poprawę jakości istniejących produktów.
Tabela: Przykłady zastosowań technik membranowych w przemyśle mleczarskim
| Technika membranowa | Zastosowanie |
|---|---|
| Mikrofiltracja (MF) | Usuwanie bakterii i przetrwalników z mleka, klarowanie solanki serowarskiej |
| Ultrafiltracja (UF) | Zagęszczanie lub frakcjonowanie białek w mleku i serwatce |
| Nanofiltracja (NF) | Oddzielanie jonów metali ciężkich, demineralizacja |
| Odwrócona osmoza (RO) | Koncentracja mleka, odzyskiwanie wody z serwatki |
tags: #przemysł #mleczarski #nanofiltracja #zastosowanie
