Ultrafiltracja i Nanofiltracja Laktozy: Zastosowanie w Przemyśle Spożywczym
- Szczegóły
Precyzyjne oddzielenie różnych cząsteczek ma ważne znaczenie w przemyśle spożywczym; zwłaszcza przy produkcji piwa, soku jabłkowego oraz wielu produktów mlecznych. Przykładem prostej, funkcjonalnej i mającej świetne perspektywy rozwoju technologii zapewniającej dobrą jakość produktu spożywczego jest filtracja błonowa.
Co to jest filtracja błonowa?
Filtracja błonowa jest techniką wykorzystującą barierę fizyczną, którą stanowi porowata membrana lub filtr, dla separowania cząstek w środowisku płynnym. Cząstki są rozdzielane z użyciem ciśnienia ze względu na różnice w ich wielkości i kształcie, na co pozwala użycie membran z różną wielkością porów. Wykorzystuje się wiele odmian filtracji błonowej (np. odwrotna osmoza, nanofiltracja, ultrafiltracja i mikrofiltracja - w kolejności zwiększającej się wielkości porów) ale wszystkie one służą do separacji lub koncentracji określonej substancji ze środowiska płynnego.
Podstawowe zastosowania filtracji błonowej
Filtracja błonowa jest podstawową metodą stosowaną przez przemysł spożywczy dla oczyszczania, zagęszczania, frakcjonowania (oddzielania różnych składników), odsalania i klarowania wielu produktów płynnych. Jest ona również stosowana dla poprawy bezpieczeństwa żywności, co osiąga się bez ogrzewania produktów (czego wymagają inne metody). Niektóre przykłady finalnych produktów, które są wytwarzane przy użyciu filtracji błonowej to soki warzywne i owocowe (zwłaszcza sok jabłkowy i marchwiowy), sery (np. ricotta), lody, masło, fermentowane produkty mleczne, mleko odtłuszczone i z niską zawartością laktozy, mleko mikrofiltrowane, wina, cydr, itp.
Rodzaje filtracji membranowej
Ze względu na zakres wielkości separowanych cząstek, klasyczną filtrację membranową można podzielić na kilka rodzajów:
- Mikrofiltracja (MF)
- Ultrafiltracja (UF)
- Nanofiltracja (NF)
- Odwrócona osmoza (RO)
Mikrofiltracja (MF)
Mikrofiltracja (MF) - niskociśnieniowa filtracja mająca na celu oddzielenie cząsteczek o wielkości 0,05-10 mikr. Przez pory membrany przechodzą sole, cukry i białka, a zostają zatrzymane bakterie i tłuszcze. Średnice porów membran do MF mieszczą się w zakresie 0,1 - 10 µm.
Przeczytaj także: Zastosowania mikrofiltracji, ultrafiltracji i nanofiltracji
Proces mikrofiltracji znajduje zastosowanie w klarowaniu (np. w produkcji soków i napojów) oraz sterylizacji (np. mleka).
Największym problemem występującym podczas eksploatacji membran mikrofiltracyjnych jest zmniejszenie strumienia permeatu w czasie. Jest to spowodowane polaryzacją stężeniową lub foulingiem membran. Aby temu zapobiegać należy często regenerować membrany poprzez przemywanie ich odpowiednimi reagentami czyszczącymi i wodą, a co za tym idzie konieczny jest wybór odpowiedniego materiału membranowego, który będzie odporny na działanie czynników chemicznych.
Ultrafiltracja (UF)
Ultrafiltracja (UF) - pozwala oddzielić przechodzące przez membranę cukry, sole od białek i tłuszczy. Pory membran ultrafiltracji zatrzymują cząsteczki o wielkości 0.001 - 0.1 mikr. Proces UF jest absolutną barierą dla mikroorganizmów. Polega na fizycznym odsiewaniu cząstek substancji rozpuszczonych lub koloidalnych przez membrany o odpowiedniej wielkości porów (1 - 100 nm), a wynik rozdziału zależy przede wszystkim od rozmiarów separowanych cząstek.
Proces ultrafiltracji znajduje zastosowanie w:
- przemyśle mleczarskim przy produkcji mleka lub serwatki
- przemyśle spożywczym (np. przy produkcji skrobi)
- metalurgii (np. przy odzyskiwaniu farb z lakierni elektroforetycznych)
- przemyśle tekstylnym (np. przy odzyskiwaniu barwników ze ścieków z farbiarni)
- przemyśle farmaceutycznym (np. przy oczyszczaniu antybiotyków, separacji bakterii, sterylizacji)
- ochronie środowiska
Ultrafiltracja w Serowarstwie
Ultrafiltracja mleka jest uważana za pierwszą w historii serowarstwa istotną modyfikacją technologiczną, przynoszącą istotne korzyści producentom oraz konsumentom. Podczas produkcji serów niektóre składniki mleka są tracone z serwatką (np. węglowodany, witaminy i składniki mineralne). Te straty mają znaczący wpływ na technologię produkcji oraz jej koszt. Przy zastosowaniu ultrafiltracji można skutecznie odzyskać utracone składniki i mogą one być następnie dodane do sera w dalszym etapie jego produkcji. Tym sposobem można poprawić walory żywieniowe sera przy niskich nakładach finansowych.
Przeczytaj także: Korzyści z nanofiltracji w mleczarstwie
Nanofiltracja (NF)
Nanofiltracja (NF) - pozwala na separację głównie jednowartościowych jonów, wody i substancji o małej masie cząsteczkowej. Produkcja membran do NF rozpoczęła się dopiero w latach 80. XX w. Siłą napędową w procesie tym jest różnica ciśnień (od 1 do 3 MPa) po obu stronach membrany o właściwościach pośrednich pomiędzy odwróconą osmozą i ultrafiltracją. Membrany stosowane do NF są asymetryczne porowate, wykonane z polimerów o grubości ok. 150 µm i średnicy porów ok. 1 nm. W procesie NF stosowany jest mechanizm separacji sitowy, rozpuszczania i dyfuzji.
Przykłady zastosowania procesu nanofiltracji są następujące: sterylizacja i zmiękczanie wód procesowych i pitnych.
Nanofiltracja pozwala na 100% usunięcie mikroorganizmów, związków koloidalnych i wielkocząsteczkowych oraz mętności. Jest jednak mniej korzystna ekonomicznie w porównaniu z mikrofiltracją i ultrafiltracją aby stosować ją do usuwania tych związków. Stąd też wynika jej główne zastosowanie mające na celu usunięcie twardości. Jest to proces konkurencyjny do zmiękczania metodami chemicznymi, np. z użyciem wapna.
Odwrócona Osmoza (RO)
Proces odwróconej osmozy należy do ciśnieniowych procesów membranowych u podstaw którego leży zjawisko osmozy naturalnej. Odwrócona osmoza różni się od mikro- i ultrafiltracji mechanizmem separacji (rozpuszczanie i dyfuzja). Ponieważ przez pory membran RO mogą przechodzić zarówno cząsteczki rozpuszczalnika jak i substancji rozpuszczonej, separacja związana jest z różnicą w szybkości transportu obu składników. Podstawowe znaczenie dla separacji mają właściwości materiału (polimeru) membrany oraz jego oddziaływania z separowanymi składnikami. Omawiany proces umożliwia zatrzymywanie soli nieorganicznych oraz organicznych małocząsteczkowych.
Zastosowanie w Przetwórstwie Serwatki
Serwatka powstaje jako produkt uboczny podczas wytwarzania serów, jogurtów i kazeiny. Jest bogata w laktozę, białka, witaminy i minerały. Współczesne technologie (takie jak ultrafiltracja, nanofiltracja i odwrócona osmoza) pozwalają na koncentrację białek oraz usuwanie laktozy i soli mineralnych. Dzięki temu uzyskuje się koncentraty (WPC) i izolaty (WPI) białek serwatkowych - kluczowe składniki żywności funkcjonalnej i suplementów.
Przeczytaj także: Ultrafiltracja i Nanofiltracja – co wybrać?
Technologie membranowe mają szczególne zastosowanie w przemyśle mleczarskim, który charakteryzuje się dużym zużyciem wody (średnio 2-8 litrów wody na litr przetworzonego mleka).
Korzyści z Zastosowania Filtracji Błonowej
Zastosowanie filtracji błonowej przynosi wiele korzyści, zarówno konsumentom jak i producentom żywności. Z jednej strony technologia filtracji jest skutecznym sposobem dla osiągnięcia najwyższej jakości i bezpieczeństwa produktów bez ingerowania w podstawowe naturalne własności produktu. Zastosowanie tej metody pozwala na usuwanie z produktu niechcianych składników, takich jak mikroorganizmy czy składniki osadu, które mają negatywny wpływ na jakość produktu. W efekcie produkt spożywczy staje się bardziej atrakcyjny a często ma również dłuższy okres przydatności do spożycia. Z drugiej strony, zastosowanie filtracji błonowej nierzadko pozwala na uproszczenie procedury technologicznej i zwiększa jej wydajność oraz poprawia kontrolę nad procesem produkcyjnym przy jednoczesnym niskim koszcie.
Tabela: Porównanie Metod 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 |
Proces wprowadzania technik filtracji do przemysłu spożywczego jest daleki od ukończenia. Ciągle odkrywa się nowe zastosowania dla tej metody. Nowe perspektywy dla technologii filtracji stworzy zastosowanie lepszych i trwalszych filtrów.
tags: #ultrafiltracja #i #nanofiltracja #laktozy #zastosowanie
