автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Процессы модификации состава творожной сыворотки с получением молочной основы для напитков

Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный университет _прикладной биотехнологии_

на правах рукописи

Юрин Виктор Николаевич

ПРОЦЕССЫ МОДИФИКАЦИЙСОСТАВА ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ С ПОЛУЧЕНИЕМ МОЛОЧНОЙ ОСНОВЫ ДЛЯ НАПИТКОВ

Специальность: 05.18.12. - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2003 г.

Работа выполнена на кафедре «Технологического оборудования и процессов отрасли» Московского государственного университета прикладной биотехнологии.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.В. Космодемьянский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ В.Л.Карамзин

кандидат технических наук, профессор В.Н. Вельттцев

Ведущая организация: Государственное Унитарное предприятие Производственно- экспериментальный молочный завод РАСХН

Защита диссертации состоится «Я?» Октября 2003г. в .1^..... ч на заседании диссертационного Совета К 212.149.02 в Московском государственном университете прикладной биотехнологии (МГУПБ), по адресу: 109316 г.Москва, ул. Талалихина д.ЗЗ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПБ. Автореферат разослан « .15? » 2003.г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета, Л /

кандидат технических наук, доцент Никифоров Л.Л.

14 ¿ъ о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

* и

Актуальность проблемы сформулирована в первой главе диссертации. Объем вырабатываемой в молочной промышленности молочной сыворотки (МС) достигает 90% от объема молока, перерабатываемого на творог, сыр и казеин. МС, содержащая около половины массы веществ безводной части молока, относится к категории ценных вторичных сырьевых ресурсов молочной промышленности, который пока не используется рационально. При этом упускаются большие возможности повышения эффективности и уровня ресурсосбережения при переработке молока для молочной промышленности в целом.

Большой вклад для решения данной проблемы сделали отечественны ученые: Н.Н.Липатов, Н.Н. Липатов-(мл), А.Н. Храмцов, В.Д. Харитонов, М.В. Залашко, К.К. Полянский, В.Е. Жидков, И.А. Рогов, К.К. Горбатова, А.М.Шалыгина, А.Г. Борисов, Е.А. Фетисов, Т. Сенкевич и их школы.

Не смотря на проводимые на протяжении многих лет интенсивные поиски решения проблемы, она остается актуальной и сегодня.

В целом спрос на МС и продукты ее переработки обусловлен противоположным влиянием следующих факторов. К факторам, стимулирующим утилизацию МС, относятся:

- высокая пищевая и биологическая ценность основных компонентов МС;

- высокая удельная себестоимость природоохранных мероприятий, связанных о эвакуацией МС со стоками предприятий.

К факторам, сдерживающим мероприятия по утилизации МС, относятся:

- неудовлетворительные органолептические свойства МС;

- высокая удельная себестоимость традиционных для молочной промышленности способов переработки МС, что не в последнюю очередь обусловлено большим содержанием в ней воды (90%) и растворенным состоянием компонентов.

В последнее время активно развивается направление глубокой переработки методами пищевой биотехнологии МС, без полного разделения ее компонентов основанное на их преобразовании в вещества с биологически активными и технологически полезными свойствами, с выработкой привлекательных и полезных для потребителей продуктов.

Такой подход позволяет ограничить или исключить применение дорогостоящих технологических операций по разделению компонентов МС с использованием тепло-массообменных и баромембранных процессов, а вырабатываемый продукт рассматривать как основу для получения различных продуктов, в частности, прохладительных напитков, обладающих лечебно-профилактическими свойствами.

Этот подход использован в качестве основной концепции данной работы и состоит

.! >

в:

- направленном преобразовании основных компонентов МС для улучшения их технологических и потребительских свойств, и повышения эффективности используемых процессов пищевой биотехнологии; '

- использовании и наиболее эффективном комбинировании процессов и технологий" ских приемов, взятых из разных направлений переработки МС путем их проведения в едином рабочем пространстве и рациональной последовательности выполнений; !Г'

- теоретическом анализе и математическом моделировании кинетики используемых процессов пищевой биотехнологии для проектирования высокоэффективных технических средств переработки МС. В данной работе объектом исследования явЛяеТс"» творожная сыворотка (ТС)

Основные свойства напитков формируются на стадии переработки ТС в молочную основу (МО). Общие требования к МО:

- она должна содержать основные натуральные компоненты ТС: термостабильные белки, углеводы, минеральный комплекс, витамины, органические кислоты;

- из состава МО должны быть исключены: жир, как нестабильный при хранении компонент; термолабильная фракция белков ТС, которая коагулирует при тепловой пастеризации;

- в МО должно быть ограничено содержание лактозы (в интересах контингента потребителей напитка, страдающих непереносимостью лактозы) и летучих жирных кислот, в значительной мере определяющих сывороточный запах;

- в МО должны присутствовать: натуральнее компоненты ТС, весь витаминный и минеральный комплексы молока, лактоза (Л), молочная кислота (МК) и ее производные, в частности, например, лактат кальция (ЛК), как продукт ее нейтрализации,„(служащий источником поддержания кальциевого баланса в организме и повышающий полноту тепловой коагуляции термолабильных белков ТС), а так же термостабильные белки ТС. Из МО должны быть удалены все дисперсные компоненты, она должна быть прозрачной;

- проявление негативных органолептических свойств не должно превышать уровней позволяющих маскировать их пищевыми добавками.

Цель и задачи исследования. Целью является получение из натуральной ТС молочной основы, содержащей компоненты молока и продукты преобразования ее компонентов для последующей выработки прозрачных прохладительных напитков с' лечебно-профилактическими свойствами, по схеме, обеспечивающей высокий уровень ресурсосбережения.

Для достижения поставленной цели репщись следующие задачи:

1. Изучить балансовые закономерности молочнокислого процесса в ТС и нейтрализации молочной кислот Провести экспериментальное исследование кинетики этих процессов. Провести теоретический анализ и математическое моделирование кинетики молочнокислого процесса в ТС, с получением уравнения для расчета его продолжительности.

2. Провести экспериментальные исследования кинетики процесса тепловой коагуляции белков ТС с модифицированным углеводным и кислотно-солевым составом. Путем теоретического анализа уточнить влияние транспортного фактора в математической модели этого процесса, с получением расчетного уравнения его продолжительности. ,

3. Разработать эффективный способ удаления дисперсных компонентов из осветленной ТС, произвести его теоретический анализ, обосновать предложения по его интенсификации и повышению полноты разделения фаз, выполнить экспериментальное исследование и математическое моделирование кинетики с получением предпочтительного режима процесса.

4. Использовать полученные балансовые соотношения и кинетические уравнения в расчетах при разработке исходных требований для проектирования оборудования.

5. Определить состав оборудования линии по промышленной переработке ТС в прохладительные напитки с лечебно-профилактическими свойствами

6. Определить срок окупаемости промышленной реализации результатов исследования.

Научная новизна. Теоретически обоснована и синтезирована процессовая схема модификации углеводно-кислотного, солевого и белкового состава ТС с получением МО для напитков с леяебно-профилаггическими свойствами.

На основе теоретического анализа разработана математическая модель кинетики и установлены балансовые соотношения для сквашивания ТС молочнокислыми бакте-' риальными культурами, с последующей нейтрализацией МК. Разработан метод расчета выхода компонентов ТС с модифицированным углеводно-кислотным и солевым составом в зависимости от значения титруемой кислотности, с учетом требуемых органолеп-тических свойств для напитков и продолжительности процесса.

Путем теоретического анализа уточнено выражение транспортного фактора в математической модели тепловой коагуляции белков ТС, с получением расчетного уравнения кинетики процесса. '

Теоретически обоснован и разработан способ микрофильтрации высокодисперсных систем с периодической импульсной промывкой фильтра фильтратом и синхронной выгрузкой концентрата в объеме фильтрационного канала, обеспечивающий повышение эффективности процесса. Посредством его теоретического анализа и математического моделирования разработан метод расчета массовой доли дисперсных компонентов в концентрате в зависимости от технологических и технических параметров. Практическая значимость. На базе выполненных исследований разработало технико-экономическое обоснование проекта и схема линии опытно-промышленной переработки ТС в МО для напитков, производительностью б тонн в сутки и исходные требования на ее проектирование.

Разработан проект реконструкции и произведен расчет оборудования опытно-промышленного участка выработки молочной основы для напитков на базе существующего на ОАО «ОМЗ» участка по выделению казеиновой пыли и жира из ТС. Разработаны исходные требования на проектирование опытно-промышленных образцов резервуара для обработки ТС и установки для микрофильтрации.

Запатентованы устройства [3, 12, 13]. Результаты исследований использованы при разработке проекта реконструкции сывороточного отделения творожного цеха Очаковского молочного завода, и используются в учебном процессе МГУПБ, в дипломных и в научно-методической работах.

В приложениях к диссертации представлены документы, подтверждающие достоверность результатов проведенных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научных чтениях, памяти проф. Э.И. Каухчешвили М.МГУПБ (1997), проф. А.И. Пелеева М.МГУПБ (1998), проф. Н.Е.Федорова (2002). На заседаниях кафедры «Технологическое оборудование и процессы отрасли» МГУПБ, на между- ■ народной научной конференции «Пищевой белок и экология» М.МГУПБ 2000г., на Международной научной конференции «Пища. Экология. Человек.» 2001Г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 7 основных разделов,"' работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, спи1 сок информационных источников, состоящий из 13 наименований, и 7 приложений на 25 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе сформулированы актуальность проблемы и цель исследования.

Во второй главе произведен анализ информации по изучаемой проблеме на основе анализа имеющейся научно-технической информации в результате чего установлено, что поставленная цель может быть достигнута при условиях:

1. Преобразования методами пищевой биотехнологии основных компонентов ТС без их выделения-и при ограничении ввода добавок на технологические цели в биологически, технологически и органолептически ценные вещества, обладающие высокой биологи- . ческой ценностью.

2. Полного выделения из ТС натуральных и образовавшихся при обработке дисперсных компонентов (белковых коагулятов, жира, биомасс).

3. Для повышения эффективности переработки ТС при проектировании участка переработки ТС следует предусмотреть использование биологических методов обработки, как наименее затратных, сокращение или исключение операций по транспортировке и промежуточному резервированию, путем совмещенного в пространстве выполнения разных Процессов, в -частности путем использования емкостной аппаратуры и возможностей интенсификации процесса.

4. Для проектирования новой аппаратуры необходимо получить данные по кинетике и ( балансам выполняемых процессов.

Переработка МО в напитки, посредством ввода в нее пищевых добавок и подготовки к реализации, выполняется по традиционной схеме, с использованием существующего оборудования хорошо изучена. Поэтому необходимые для достижения поставленной цели исследованияхвязаны с процессами переработки ТС в МО.

г ч (

В третьей главе синтезированы процессовая и аппаратурная схемы переработки творожной сыворотки в молочную основу для производства прохладительных напитков с лечебно- профилактическими свойствами.

Последние обусловлены присутствием в МО основных комцонентов натурального молока и продуктов их преобразования в более биологически и технологически полезные формы - производные лактозы и белков, отсутствие примесей характерных для воды из природных источников и водопровода. Негативные биологические, органолепти-ческие и технологические свойства ТС, как сырья для выработки МО, обусловлены присутствием жира термолабильных белков, избытком лактозы, присутствием летучих жирных кислот, биомассы и белкового коагулята.

Процессовая схема переработки ТС должна обеспечить их выделение, нейтрализацию или превращение в другие формы, а так же обеспечить получение МО в виде прозрачной жидкости со слабо выраженными сывороточными окраской, запахами и вкусом, в степени, позволяющей их маскировать путём ввода пищевых добавок. В напитки на МО могут бьггь дополнительно введены, также другие биологически и органолептически полезные активные вещества. Схема проведения исследования представлена на рис. 1.

С экономической точки зрения, для формирования состава компонентов напитков с лечебно-профилактическими свойствами предпочтительны в первую очередь продукты преобразования компонентов ТС, которые могут быть получены без их выделения. Таким комитентом может быть ЛК.

Для выполнения указанных требований к составу МО и условий ее формирования, обработка ТС должна быть произведена в определенной последовательности.

Рис. 1. Схема проведения исследований.

Предлагаемая процессовая схема представлена на рис. 2. Использованные в ней процессы разделены на две группы. К первой группе отнесены основные процессы, служащие для непосредственного выполнения технологических операций. Во вторую группу включены вспомогательные процессы, используемые для создания условий повышающих эффективность основных процессов. Основные процессы выполняются в следующей последовательности:

№ № ПРОЦ ЕССЫ Продукты

Вспомогательные „Щ, Основные «.Т™«.

1. ТС| (Свежая натуральная)

2. Заполнение резервуара. О Нагрев в потоке до Те ПОВ Дозировка 3 и РД Пе- О ремешивание О Молочнокислый О процесс ТС: (ТС1 с пониженным содержанием Л, повышенной кислотностью)

3. Слив Ж ПОВ Отстаивание Ж О ТС, (ТСг обезжиренная)

Ж

4. Дозирование ГК Пере- О мешиванне О Нейтрализация О части МК и летучих кислот ТС4 (ТС3 с нормальной кислотностью, ослабленным запахом + ЛК+ОМ)

5. Нагрев до Тксб «ни На- ПОВ грев до Тксв «пт О Тепловая обработка: •нейтрализация ЕМ о •пастеризация о •коагуляция СБ о ТС; (ТС4 пастеризованная + БМН + СБК)

6. Слив ОТС ПОВ Отстаивание КП О + КСБК + ОМ ТС6 (ТС5 осветленная-ОТС)

ККП + КСБК + КОМ

7. Охлаждение ТС в потоке до ТИф ПОВ Микрофильтра- ПОВ ции ОТС ТС, (ТСе Прозрачная - МО)

КСБК +■ КБМН

8. Подготовка моюще- О дезинфеинрующих средств Мойка и дезин- ПОВ фекЦия оборудования

Рис. 2 . Процессовая схема производства МО для напитков (условные обозначения см. с. )

1 Натуральную свежую творожную сыворотку по мере выработки сливают в специализированный резервуар через проточный теплообменник в котором нагревают ее до температуры сквашивания (для этого возможно использование-теплоты, аккумулированной в результате её регенерации на стадии (4), которая 'поддерживается на постоянном уровне. Одновременно вносят закваску и ростовые добавки. На начальной стадии молочнокислый процесс (сквашивание) осуществляют при перемешивании смеси. После прекращения перемешивания и отстаивания жира удаляют отстой жира сливом поверхностного слоя ТС.

2. После повышения кислотности до заданного уровня в ТС вносят гидроксид кальция в заранее известном (рассчитанном) количестве, необходимом для снижения кислотности до заданного уровня.

3. ТС сначала нагревают до ТКС6 мин посредствам подачи в рубашку резервуара теплоносителя нагретого с использованием утилизированной и аккумулированной теплоты, затем путём инжекции пара до Тксв опт, и выдерживают при этой температуре при перемешивании в течение времени коагуляции термолабильной фракции СБ. При этом происходит нейтрализация молочнокислой биомассы и пастеризация ТС. После этого перемешивание прекращают.

4. Начинают постепенный отвод из верхнего слоя осветлённой ТС со скоростью определяемой производительностью микрофильтрацнонного аппарата, холодной водой, при помощи поверхностного отборника, с одновременным охлаждением ТС в проточном теплообменнике до температуры микрофильтрации 50°С (желательно с аккумулированием отведённой теплоты в тепловой аккумулятор). При этом на дне резервуара происходит накопление осадка, включающего казеиновую пыль и коагулят СБ, который смешивают с концентратом белка, полученным микрофильтрацией ТС, для последующего использования в качестве компонентов других видов продукции или ферментативного биосинтеза.

5. Осветлённую ТС, подвергают тангенциальной микрофильтрации на трубчатых

фильтрах с поверхностным селективным слоем в режиме импульсной обратной фильтрации. Фильтрат представляет собой основу для выработки прохладительных напитков с лечебно-профилактическими свойствами. Рис. 3. Аппаратурная схема переработки творожной сыворотки в МО. 1. - резервуар для комплексной обработки ТС, 2. - баки для ввода компонентов, 3 - нагреватель ТС, 4. - труба для поверхностного слива ОТС, рубашка для теплообмена с тепло- или хладо— носителем, б - мешАжа, 7. сборник ОМ, 8. - сборник концентрата СБК и БМН, 9. - микрофильтрационный аппарат, 10.' - насос давления микрофильтрации, 11. сборник Мирового концентрата, 12. - паровой инжектор,

13. - поверхностный сборник жира, 14. слив жирового концентрата, 15. центробежный забрызгиватель моюще-дезинфицирующих расворов, 16- подача моюще дезинфецирующих растворов, 17. теплообменник для ТС и ОТС.

6. Из полученной основы для напитков путём ее смешивания в отдельном резервуаре с пищевыми добавками, которые придают ей привлекательные цвет, вкус и запах, а также дополнительные полезные свойства, вырабатывают напитки. Возможна сатурация напитков.

7. Напитки пастеризуют, охлаждают и затаривают.

Управление температурным режимом процессов выполняется при помощи проточного теплообменника, рубашки резервуара, а также инжекцией пара в продукт. Нагрев ТС до температуры биосинтеза при заполнении аппарата и охлаждении осветленной ТС до температуры микрофильтрации выполняется поочередно в одном проточном теплообменнике.

Аппаратурная схема представлена на рис. 3. Для промышленной реализации предложенного проекта схемы, переработки ТС большое значение имеет временной фактор.

Переработка ТС должна быть согласованна с временным графиком творожного производства предприятия. При этом важно ограничить промежуточного накопления-и хранения ТС. Поскольку самый продолжительный молочнокислый процесс биосинтеза протекает в резервуаре для снижения затрат целесообразно в том же резервуаре выполнить также ряд других процессов которые протекают быстрее.

Так, реакция нейтрализации молочной кислоты протекает достаточно быстро и практически не влияет на общую продолжительность процесса, и может быть во времени и пространстве совмещена с биосинтезом.

Тепловая коагуляция сывороточных белков также может быть выполнена в течение 30 мин. в том же резервуаре, что и предшествовавшая обработка, путём поверхностного подогрева до минимальной температуры тепловой коагуляции ^ ш» .= 65°С и последующего пароконтактного нагрева и выдержки ТС, при оптимальной температуре 1д от = 95°С. Вместе с тепловой коагуляцией, пастеризацией, нейтрализация биомассы также выполняются в общем рабочем пространстве. Охлаждение ТС в проточном теплообменнике совмещается по времени с осаждением белкового коагулята, и отстаиванием в резервуаре в ходе поверхностного слива осветленной ТС, с объемной скоростью равной производительности микрофильтрационной установки. Предварительная оценка общей продолжительности резервуарной обработки ТС составляет около 15 час.

Окончательно общая продолжительность может быть определена по результатам исследования кинетики выполняемых процессов.

В четвертой главе, посвященной исследованию процесса молочнокислого процесса и нейтрализации кислот молочной сыворотки путём стехиометрического анализа уравнений реакций с учетом атомных масс, участвующих элементов составлен баланс массы этого процесса с продуцированием молочной кислоты (сквашивание ТС) и последующей нейтрализацией её гидроксидоми кальция и натрия, с получением лактатов кальция и натрия.

Из него следует, что в результате биоконверсии из 1кг лактозы образуется 1.053 кг молочной кислоты; а на нейтрализацию её 1 кг расходуется 0.41 кг гидроксида кальция, или 0.444 кг гидроксида натрия. Исходя из приведённого выше соотношения.между массой лактозы и образовавшейся в результате её преобразования молочной кисло-; ты, совместно с данными баланса массы процесса определения титруемой кислотности по ГОСТ 3621-92 получено соотношение подтверждащее известные эксперименталь-. ные данные по соответствию 1 ° Т изменению массовой доли МК в растворе на 0,009%.

Представленные данные могут быть положены в основу мониторинга углеводно-кислотного и солевого состава компонентов ТС в процессах её биосинтеза и нейтрализации кислот путём вычисления изменения массовых долей лактозы Сл, Смк, Слк в зависимости от измеряемой титруемой кислотности. Метод удобен ввиду простоты измерения последней.

Кинетика молочнокислого процесса в ТС определяется рядом внешних и внутренних факторов, влияющих на скорость процессов, протекающих вне и внутри клеток.

На практике для управления внутренними факторами процесса используют в основном подбор наиболее эффективных штаммов микроорганизмов и их композиции. Так для молочнокислого сквашивания ТС часто используют ацидофильную или болгарскую палочку, а также смесь последней с 25% термофильных стрептококков.

В производственной практике управление жизнедеятельностью микроорганизмов осуществляют главным образом - путём использования внешних факторов.

К внешним факторам относятся физические, химические и биологические свойства среды обитания и начальное состояние системы.

К основным функциям бактериальной клетки, определяющим её развитие относятся различные виды обмена веществ (в основном белковый, углеводный и липид-ный), их ферментативные превращения, а также репликация.

По массе перерабатываемых веществ для молочнокислых микроорганизмов первое место занимают углеводы, за ними белки. Путём углеводного обмена высвобождается энергия, необходимая для построения структурных элементов клетки. Небольшая часть потребляемых углеводов (менее 1%) преобразуется в полисахариды и многоатомные спирты, входящие в состав капсул, и цитоплазмы клеточных мембран и составляющие 15 - 20% сухой биомассы.

Путём белкового обмена клетка получает вещества, служащие для построения её структурных элементов. Белки составляют 50 - 80% сухого вещества биомассы. Математическая модель молочнокислого процесса. Из-за множественности и недостаточной изученности указанных факторов, определяющих скорость роста клеток и биомассы в целом, детальный теоретический анализ их взаимосвязанного влияния на скорость обмена веществ среды обитания биомассы, с последующим синтезом математической модели и выводом обобщающих кинетических зависимостей, связан с большими трудностями. Поэтому при математическом анализе кинетики биосинтеза рассматривалась задача внешнего обмена с получением кинетического уравнения, в котором влияние внутренних факторов учтено опытными значениями кинетических коэффициентов. К наиболее значимым внешним фактором кинетики биосинтеза лактозы ТС следует отнести свойства среды обитания микроорганизмов, которые изменяются в ходе процесса.

К ним относятся концентрации основных наиболее потребляемых компонентов (белков и лактозы), а также оказывающих ингибирующее влияние продуктов жизнедеятельности (в основном - молочной кислоты).

Объектом математического анализа служили палочковидные формы молочнокислых бактерий. Они отличаются слабой протеолитической и сильной сахаролитиче-ской активностью. При этом рассматривались функции внешнего белкового обмена -как источника материалов, потребляемых с целью построения структурных элементов клетки и лактозы - как источника энергии, затрачиваемой на необходимые для этой цели процессы.

При составлении математической модели кинетики процесса использованы известные данные по строению и составу клеток палочковидных молочно кислых лакто-бактерий. Фактор репликации принимали во внимание только для начального момента,

в который средние продольный и поперечный размеры клеток принимались равными 1 =12,5 * Ю^м, 6=0,75 * М^м (по известным предельным размерам клеток перед делением: 1о= 5-20 * 10"*м, 6=1 - 1,5 * Ю^м). Если в сухом веществе клетки содержится 50% белка, а в клетке 20% сухого вещества, то 1 кг потребляемого белка дает прирост биомассы в 10 кг. После внесения в ТС 5% закваски Lb. Bulgaricum, в 1 см3 содержится около 100*106 клеток.

С учетом указанных ранее размеров клеток, их число в 1 кг ТС, Zo = Ю"; при плотности клетки около рш =1000 кг/м3, вычисленная начальная биомасса в 1 кг ТС равна Скл=14,7*10"3кг, что соответствует массовой доле клеточного белка Сб,кл= 1,47*10"*. Расчетная начальная площадь поверхности биомассы в 1 кг заквашенной ТС составляет SOM4.71 М2/кг.

Текущие значения массовой доли биомассы Скл и удельной площади ее поверхности S", в одном килограмме ТС находятся в соотношении:

Си = 0,25 Рил 8 S [4.1]

Скорости роста массы клетки и переработки лактозы выражены методом теории переноса массы. При этом, ввиду малости поперечных размеров палочковидных форм, условия массоотдачи на поверхности клеток для потребляемого компонента отражены предельным значением критерия Нуссельта Nu=2, из чего следует значение коэффициента массоотдачи:

р = 2 D / б [4.2]

Скорость переноса компонента к поверхности биомассы отнесенная к одному кг ТС:

dC / dr = 2 D S рте С / 8„л [4.3]

Здесь D - коэффициент молекулярной диффузии потребляемого компонента, м2 / с; р^ -плотность ТС, кг/м3. При принятых неизменными внутренний качественный и количественный составы компонентов. При принятых неизменными внутреннего качественного и количественного составов компонентов клетки, потенциал внешнего массопере-носа выражен текущим значением массовой доли С потребляемого компонента в ТС. При математическом моделировании ферментативного процесса с участием палочковидных форм допускается, что изоморфное деление клеток не оказывает существенного влияния на кинетику начальной фазы развития популяции. Рост биомассы происходит за счет увеличения длины клеток. Количество клеток в течение всего процесса принимается постоянным и равным начальному (после внесения закваски).

В ходе молочнокислого процесса вТС, биомасса увеличивается приблизительно в 10 раз; во столько же раз возрастает масса включённого в него белка Се,«л, чго количественно составляет сотые доли от массовой доли белка в ТС. Это дает основание считать его массовую долю в ТС в процессе биосинтеза величиной постоянной. Сб = Сбн

Увеличение скорости процесса внешнего белкового обмена происходит пропорционально увеличению площади поверхности популяции. Тогда с учетом поведенных данных скорость роста площади поверхности биомассы, в одном кг ТС определяется скоростью внешнего подвода потребляемого компонента (белка), которая выражается уравнением массоотдачи для двухфазных систем (4.3.) в виде:

dS / dt « 80 К» De S рте СБН / ( 82 р™) (4.4.)

Из уравнения (4.3) записанного для белка, а так же с учетом (4.1.), (4.2.) при Сб = const, вытекает уравнение скорости роста площади удельной поверхности биомаСы в м2/(кг*с)

dS/dr = XS

Здесь X = 80 Кб DB S„ ртс С6н / (82 Ркл) (4.5)

X - постоянный обобщенный коэффициент скорости для белкового обмена; Вб-коэффициент переноса белковых веществ ТС м2/с; Кб - коэффициент скорости внутреннего обмена; Сб - массовая доля белка в биомассе; Се - массовая доля белковых веществ в ТС. ,

Исходя из начального условия: Б - Бо при т = О, можно привести уравнение (4.4) в интегральную форму, выражающую зависимость площади поверхности биомассы от времени биосинтеза:

в = во е ~Хт (4.6.)

В результате углеводного обмена при приобразовании лактозы её концентрация в ТС уменьшается значительно, что требует анализа влияния данного фактора на кинетику процесса. . , ,

Скорость внешнего углеводного обмена выражена уравнением (4.3.) с1Сл / <1т = 2 К„ рл Э рте Сл или с учетом : <ЗСЛ /<к =- У8СЛ, где Э - по (4.6.); рл по (4.2.); постоянный обобщенный коэффициент скорости углеводного обмена:

. У = 2КлЦ,ртс/ 8,. (4.7.)

Уравнение (4.7.) в интегральной форме имеет вид: [6,10]

1п(Сл/Сло) = У80(1-е") (4.8.)

где К„ -опытный коэффициент скорости внутреннего обмена лактозы; рл - коэффициент массоотдачи для лактозы (м/с)

Уравнение (4.8.) зависимости снижения массовой доли лактозы от времени может быть использовано для обобщения данных измерений; в нем X и У - опытные константы, отражающие соответственно факторы скорости обмена белка и лактозы. Экспоненциальный характер уравнения, соответствующий начальному этапу процесса, подтверждается многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями. На последующих этапах темп уменьшения массовой доли лактозы понижается

под влиянием, как самого

уменьшения, так и увеличения массовой доли, продуктов биосинтеза - в основном молочной кислоты, ин-гибирующей процесс (рис. 4)

Рис.4.Кинетика молочнокислого процесса и режим нейтрализации:!, 2, 3. - процесс, при Ь = 0,03; 0,06; 0,12. 4.-е присутствии КП, 5. -органолептическое предпочтительное

соотношение массовых долей МК и ЛК, 6. - нейтрализация МК после сквашивания, 7. - двукратная нейтрализация МК, 8. - сквашивание с добавкой в ТС белкового гидролизата. Д° ТБ; Д° Тн - изменение кислотности при сквашивании лактозы и при нейтрализации МК

Экспериментальное исследование кинетик и молочно кислого процесса проведено на лабораторном стенде включающем термостат 2В-151 в который устанавливается сосуд емкостью 5л для ТС и вращающаяся с частотой 1,6 с"1 мешалкой (модифицированный критерий Рейнольдса Rem = 1,16*103). После дезинфекции сосуда в свежую ТС вводили закваску Lb. Buigaricu'm в количестве, соответствующем объемной доле L=3-12%, и сквашивали в условиях перемешивания (препятствующего осаждению казеиновой пыли в течение 12-24 часов). В ходе процесса из сосуда в фиксированные моменты времени отбирали пробы ТС для измерения титруемой кислотности по ГОСТ 3624-92. Опыты проводили при разных значениях L с трехкратной повторностью на образцах ТС, взятых из разных партий свежей ТС, вырабатываемой на линии Я90ПТ по производству творога на ОАО "ОМЗ". Результаты экспериментов по изучению кинетики молочнокислого процесса ТС приведены на рис. 4. Из графиков видно, что на начальном этапе молочнокислый процесс протекает в ускоренном темпе (т.н. «экспоненциальная» фаза). После достижения 130°Т темп роста кислотности начинает снижаться под нарастающим ингибирующим влиянием повышения содержания продукта молочнокислого процесса - молочной кислоты, а так же в результате снижения массовой доли лактозы. По этой причине предпочтительным является режим с частичной нейтрализацией МК после сквашивания (линия 2-6 рис. 4.) Повышение скорости процесса за счет добавления в ТС белкового гидролизата (линия 8) не столь значительно, как в результате увеличения массовой доли вносимой закваски (приблизительно пропорционально L - линии 1, 2, 3). Из графика 4 также следует, что продолжительность процесса в присутствии КП сокращается.

Наиболее предпочтительным принят режим преобразования состава ТС соответствующий сквашиванию ТС до 150°Т в течение 16 часов, с нейтрализацией МК до 90°Т. Сквашивание ТС до более высоких значений кислотности при использовании L.Bulgaricum с точки зрения режима работы творожного производства нецелесообразно из-за значительного увеличения продолжительности процесса. Более глубокое сквашивание возможно при условии интенсификации этого процесса.

При изучении необходимой полноты нейтрализации молочной кислоты в ТС раскислитель в виде порошка гидроксида кальция вносили многократно или одновременно в начале или в конце сквашивания. Требуемое конечное значение титрируемой кислотности определяли органолептическим методом.

Условием органолептически предпочтительного конечного значения кислотности служила маскировка горьковатого привкуса лактата кальция кислым вкусом молочной кислоты. Экспериментальным методом с использованием экспертной органо-лептической оценки (приложение № 5). было установлено, что условие соблюдается при соотношении:

Д°Т„ / Д°Тб = 0,6 (4.9)

Здесь Д°Т„ и Д°Тб - изменение значения титруемой кислотности в результате молочнокислого процесса и нейтрализации МК.

В результате нейтрализации МК после сквашивания (рис 4. линии 2-6) существенно ослабевает острый «сывороточный» запах, что, по-видимому, свидетельствует о нейтрализации летучих кислот. [6]

Характер всех рафиков соответствует стадии ускоренного процесса в пределах отслеживаемых изменений кислотности. Значения коэффицентов X и У уравнения 4.8., установлены по данным экспериментального исследования кинетики начальной стадии процесса путем спрямления функции 4.8. и минимизации до 0,09 среднеквадратичного отклонения данных измерений методом Matead Professional 2000: X = 0,319; У = 6,878

♦ЮЛ

При полученных значениях коэффициентов скорости уравнение (4.8.) может быть использовано при инженерных расчетах реакторов для биосинтеза ТС с использование болгарской палочки, в частности для вычисления продолжительности процесса в зависимости от заданных значений во, С„, С„о.

Уравнение может бьгть использовано в качестве базового для расчетных кинетических зависимостей для других видов палочковидных молочнокислых бактерий.

В пятой главе произведены теоретические и экспериментальные исследования полноты и скорости тепловой коагуляции белков ТС с модифицированным углеводно-солевым и кислотным составом. Закономерности тепловой коагуляции белков натуральной ТС хорошо изучены. При температурах 80-95^3 коагулирует термолабильная фракция белков в течение 10-15 минут. Температурный режим коагуляции для исследованной ТС не изменяли, поскольку он удобен для промышленной обработки, и кроме того, может быть использован одновременно для пастеризации ТС и нейтрализации молочнокислой биомассы.

Тепловая коагуляция относится к категории сложных процессов последовательного вида. Его первой стадией является тепловая денатурация термолабильной фракции СБ. Скорость тепловой денатурации белков обычно выражают кинетическим уравнением первого порядка, которое с позиции закона действия масс для этого процесса является базовым. Для многокомпонентной композиций СБ возможны отклонения от указанного значения порядка реакции, ввиду того, что отдельные белковые компоненты проявляют разную термолабильность. При низкотемпературном тепловом воздействии и неглубокой денатурации некоторые из них ренатурируют. При базовом значении порядка реакции уравнение денатурации имеет вид:

(1Сд/ с1т,-АдСн;

Ш.-Ад(1-Ся)

<1т (5.1)

где Сн и Сд -массовые доли нативного и денатурированного СБ, от массы термолабильной фракции СБ; Ад - коэффициент скорости тепловой денатурации.

Уравнение (5.1.) в интергальной форме принимает вид:

С, =1-е-4" (5.2)

В качестве базового уравнения для коагуляции используют предложенное Смолухов-ским уравнение второго порядка, которое применительно к тепловой денатурации белков имеет вид: «1Ск / йт = Ак (Сд - Ск)2 (5.3) здесь Сд - Ск - массовая доля белка в активном состоянии, рассматриваемая как движущая сила коагуляции; Ск- массовая доля коагулята от массы термолабильной фракции белков ТС. Совместное решение (5.2) и (5.3.) дает уравнение:

*£л. = -А,(}-е-1':у-+2А,(1-е">')Ск-А1:С1 (5.4)

В интегральную форму уравнение (5.4.) может быть преобразовано аналитически. Уравнением задачи является нелинейное уравнение Риккати, которое приведено к уравнению Бесселя нулевого порядка.

Синтез полученного решения имеет познавательное значение, что обуславливает научную ценность произведенного математического анализа процесса тепловой коагуляции.

Экспериментальные исследования коагуляции производили с использованием ТС, вырабатываемой на линии Я9-ОПТ в творожном цехе ОАО «ОМЗ».

Образцы ТС были отобраны из пяти разных выработок. Сравнительную оценку полноты тепловой коагуляции белков в зависимости от глубины преобразования углеводно-солевого состава ТС и продолжительности тепловой обработки определяли по измеренной толщине осадка, полученного отстаиванием в специально изготовленных пробирках диаметром 16 мм и большой длиной (500 мм), что позволяло повысить точность измерений относительной высоты осадка. Было проведено 2 серии опытов.

В первой серии ставилась задача определить зависимость максимальной полноты тепловой коагуляции белков от углеводно-кислотного и солевого состава, модифицируемого по предлагаемой схеме обработки ТС при постоянном режиме тепловой обработки (рекомендуемая температура 95°С, продолжительность теплового воздействия 20 минут). Высокая продолжительность (заведомо больше используемой в промышленной практике) применена для достижения наиболее полной коагуляции термолабильной фракции белков ТС при данной температуре.

Опыты проводили в следующем порядке:

1. Образец ТС объемом 5л, взятый на линии Я90ПТ заквашивали и сквашивали до конечной кислотности по методике, изложенной в разделе 4.

2. В ходе сквашивания через 2-4 часа отбирали по 2 пробы объемом 0,5л каждая в сосудах, в которых нейтрализовали молочную кислоту гидроксидом кальция со снижением титруемой кислотности до уровня, определяемого по графику 5 на рис. 4. По методике, изложенной в разделе 4 вычисляли массовые доли ЛК и МК.

3. Одну из каждой пары проб освобождали от казеиновой пыли фильтрацией через фильтровальную бумагу типа ФОБ-1 ГОСТ 12026-76 после кратковременного отстаивания.

4. Все пробы предварительно подогретые до 65°С в сосудах , помещенных в водяную баню подвергали быстрому пароконтактному нагреву до 95°С на специально созданном стенде, изображенном на рис. 5. с выдерживанием в нагретом состоянии Рис. 5. Стенд для тепловой коагуляции ТС: а. -коагулятор, б. парогенератор, 1. - сосуд с сывороткой, 2. мешалка, 3 крышка, 4 термометр, 5. инжекатор, 6. паропровод, 7. электронагреватель, 8. сосуд с водой, 9. крышка,

\

ща

II-

10. электротрансформатор напряжения, 11. вольтметр, 12. амперметр в течение 20 минут и последующим быстрым охлаждением до 65°С. Стенд состоит из коагулятора и парогенератора. Пароконтактный нагрев в коагуляторе начинается в момент закипания воды в парогенераторе. Быстро прекращение нагрева обеспечивается отключением подачи электричества к спирали парогенератора погруженной в воду. Для

Я

ас

0.1-

005

т

!

ускорения охлаждения в ТС вводили спирально свернутый лист алюминия, охлажденный до -10°С.

5. После тепловой обработки, быстрого охлаждения и постепенного доохлаждения погружением сосуда в холодную воду, до 20°С при слабом перемешивании, ТС от каждой пробы

Рис. 6. Полнота выделения скоагулированных белков из творожной сыворотки с модифицированным составом компонентов путем ее отстаивания в присутствии казеиновой пыли (I). и без нее (2) в зависимости от полноты преобразования 5глеовдно-кислотного и солевого состава ТС; (3) значение для натуральной творожной сыворотки, заливали в отдельные стеклянные пробирки с плоским дном. Высота уровня ТС в пробирках была 500мм. ТС выдерживали в пробирках в охлажденном состоянии в течение суток для полного выпадения белкового осадка. Измеренная относительная высота

__ 1

1 I 1 )

'----

Слк%

осадка служила показателем его объемной доли. По данным измерений построены графики зависимости полноты тепловой коагуляции белка от массовой доли Ж (Слк) в натуральной ТС (при изоэлектрическом значении кислотности, соответствующем рН=4,5) в преобразованном составе компонентов ТС, по данным линий 2-6 рис 4 в присутствии КП и для ОТС (рис. 6.) (значение СЛк служит показателем глубины преобразования углеводно- кислотного и солевого состава ТС по разработанной схеме ее обработки).

Из графика следует, что полнота коагуляции белков возрастает с увеличением глубины преобразования состава ТС с учетом данных раздела 4.

В предпочтительном температурном режиме была проведена вторая серия опытов по исследованию кинетики тепловой коагуляции белков в образцах ТС с предпочтительным модифицированным углеводно-солевым и кислотным составом, в присутствии казеиновой пыли и без нее, а также для натуральной ОТС при рН = 4,5.

В ходе тепловой обработки при 95°С ТС поминутно отбирали пробы ТС, в которых измеряли объемную долю осадка коагулята. Последнюю относили к максимальному ее значению, полученному в первой серии опытов (рис. б.) Результат рассматривали как массовую долю Сб« белка скоагулировавшего за промежуток времени тепловой обработки пробы ТС (от общей массы его термолабильной фракции в пробе).

По данным измерений повторенных трехкратно с

осреднением значений, построены графики зависимости полноты тепловой коагуляции белка, скорости

тепловой коагуляции от времени (рис. 7. линии 1, 2, 5.). Вычислены их отклонения от

стандартного значения с выявлением промахов и относительной средней погрешности (0,09). Путем

графического дифференцирования по графику 2 построен Рис. 7. Кинетика тепловой коагуляции белков ТС с модифицированным углеводным и солевым составом, в присутствии казеиновой пыли (1) и без нее (2), (3) - массовая доля сывороточного белка в ТС в активном состоянии, 4 - скорость тепловой коагуляции сывороточных белков, 5 - для натуральной ОТС при рН~ 4,5.

график зависимости скорости коа1уляции от продолжительности тепловой обработки (рис. 7. линия 4.). На его основе установлены численные значения Ад = 0,034; Ак = 0,298 констант уравнения (5.4.) их последовательным подбором с минимизацией ос-редненных расхождений теоретической (5.4.) и экспериментальной функций (11%), путем использования метода Matead Professional 2000. По этим данным и уравнению (5.4.) построен график (3).

В шестой главе рассмотрены закономерности процесса тангенциальной микрофильтрации, использованного в качестве второй ступени выделения КСБК и КБМН из ТС, для достижения ее прозрачности. Он может быть применен как для осветленной так и не осветленной ТС.

В результате проведенного анализа возможных способов удовлетворения изложенных требований были выдвинуты следующие предложения:

1. С учетом слабой связанности частиц в слое осадка образующегося при микрофильтрации (в отличие от слоя геля при ультрафильтрации), для повышения скорости микрофильтрации целесообразно оказывать разрушающее воздействие на слои осадка, в результате чего он будет вынесен тангенциальным потоком за пределы фильтрационного канала, освободив его стенки для фильтрации с более высокой скоростью. В качестве такого воздействия может быть использована импульсная обратная фильтрация путем кратковременного повышения давления фильтрата в системе его отвода до уровня обеспечивающего изменение на противоположное направление вектора перепада давления на фильтрующей стенке канала. При этом существенно снижаются затраты на создание тангенциального течения за счет снижения его скорости.

2. Для повышения производительности микрофильтрационной установки, вслед за разрушением слоя осадка предложено осуществлять кратковременный отвод высококонцентрированной белковой суспензии, выходящей из фильтрационных каналов при повышенном содержании белка. Объем отводимой дозы концентрата должен приблизительно соответствовать суммарному объему фильтрационных каналов.

На основе этих предложений синтезирован способ тангенциальной фильтрации, с периодическим разрушением осадка и отводом его в составе циркулирующего потока за пределы канала фильтра из циркуляционного контура в объеме равном объему фильтрационного канала.

Способ следует рассматривать как частное решение, вытекающее из разрабаты-' ваемого МГУПБ и КемТИ с участием ОАО «ОМЗ» общего подхода к интенсификации фильтрации высокодисперсных систем путем дозированного отвода концентрата из пограничной области концентрационной поляризации фильтруемой жидкой системы.

Таким образом достигается повышенное содержание веществ в концентрате (что особенно важно, когда целевым продуктом служит концентрат). При высокой скорости фильтрации и снижения скорости тангенциального течения \ут уменьшаются энергозатраты, отнесенные к единице объема получаемого фильтрата. Функцию ограничения накопления осадка на фильтрующей поверхности выполняет обратная импульсная фильтрация. Процесс протекает в стадии нестационарного режима, что резко повышает его интенсивность. Внутриканальный «тангенциальный» поток ТС служит только для выноса за пределы трубчатого фильтра разрушенного слоя белкового осадка, осевшего на фильтрующей поверхности. Исключается необходимость применения многостадийной фильтрации, что существенно снижает стоимость используемого оборудования. Для данного способа произведена аналитическая оценка зависимости значения Ср юн от технологических и технических параметров. Условию получения прозрачного фильтрата отвечает значение Со ф =0; Со ц приближается к Со нач Объем фильтрата, полученно-т го за промежуток времени фильтрации между начальными моментами выгрузки концентрата при средней ср, за этот промежуток скорости фильтрации, (м/с):

Уф,кои= «'ф.ср вфШф/Жкон (6-1)

Здесь и'ф - осредненная скорость фильтрации , м/с : Тф -- 2К0Н - продолжительность непрерывной фильтрации между импульсами отвода концентрата, с. Бф = л с1ф,юи 1; Бф- площадь фильтрующей поверхности канала фильтра, м2; ¿01Я11 - диаметр канала , м; / - длина фильтрующей поверхности канала, м; тф - число фильтров

В результате отвода объема Уф фильтрата, в циркуляционной контур одновременно поступает такой же объем фильтруемой суспензии , содержащий массу дисперсной фазы, равную массе выделенного осадка, кг:

кон Рнвч Сэ пач тф (6.2)

Здесь риач- начальная плотность суспензии. Общая емкость циркуляционного контура:

Здесь УФмт = 0,25ж/д М1/ * п - емкость фильтрующей части канала фильтра;

V - суммарная емкость соединительных каналов циркуляционного контура. Если обозначить Уц / Уф как= ш, то V,, = Уф Кан гп, к моменту выгрузки концентрата, массовая доля белкового коагулята в циркуляционном контуре достигнет конечного значения:

, , . =0),иот+ г/ „ (6.3)

Уирп +МХ и Рте 11

Мх

После подстановки (6.1) и (6.2) уравнение (6.4) принимает вид: Со

кон "" Со нач + 1/(0,25 афг кои п/«фср+1) (6.4)

Скорость получения концентрата (м/с) может быть вычислена по уравнению:

«-„он ~ V ф ср

(Св нач /С0 кон ) / (1 - Со нач /Со кон ) (6.5)

Из уравнения (6.4) следует, что с уменьшением с!ф и возрастает Си кон> поэтому наиболее подходящими для реализации предлагаемого способа следует считать микрофильтры с малыми диаметрами каналов.

, Значение п минимизируется рациональным конструированием циркуляционного контура фильтрационной установки. Уменьшение г

кон приводит к снижению среднего

значения ¡скорости фильтрации шср.

Для отработки способа и режима микрофильтрации была создана опытная лабораторная установка проточного типа с использованием трубчатого керамического микрофильтрационного элемента фирмы «Керамикфильтр» с внутренней селективной поверхностью диаметром 6 * Ю м, рабочей длиной 0,75 м. Необходимые структурные характеристики фильтра были установлены подбором селективности и проницаемости фильтрующих элементов по ТС на основе анализа опытных данных. Прозрачность вырабатываемого фильтрата оценивали по показаниям нефелометра НФЛ. Достаточным для прозрачных напитков принято значение показателя прозрачности 0,01.

Схема установки приведена на рис. 8. Емкости 13 заполняются ТС поочередно, по мере опорожнения. Фильтрат непрерывно самотеком отводится из корпуса 16 через верхний канал (нижний служит для опорожнения сборника) в поршневое устройство 3 для создания периодической импульсной обратной фильтрации (путем вытеснения фильтрата из цилиндра поршнем, приводимым в движение вручную) с целью периодического удаления осадка с фильтрующей поверхности. Давление обратной фильтрации определяется по манометру 4 с устройством для регистрации максимума. Для обеспечения заданного уровня давления обратной фильтрации усилия нажима от ручки к штоку поршневого .устройства передается через специально подобранную пружину. Фильтрат отводится из устройства 3 через канал 2.

1 - накопитель фильтрата, 2 -канал для отвода фильтрата, 3 - поршневое устройство для импульсного повышения давления фильтрата, 4. регистрирующий манометр давления обратной фильтрации, 5. канал для отвода воздуха, 6 - канал для слива фильтрата из сборника, 7 - канал слива концентрата, 8 - переключатель направления потока, 9 - канал импульсного отвода концентрата, 10 - канал для отвода воздуха из циркуляционного контура, 11- перестальтический насос, 12 - патрубок ввода ТС в циркуляционной контур, 13 - емкости для выдавливания ТС сжатым воздухом, 14. компрессор, 15 - трубчатый керамический фильтр, 16 - сборник концентрата, 17 - накопитель концентрата, 18 — вентель регулировки давления, 19 - манометр давления фильтрации.

Микрофильтрации подвергали осветленную ОТС с модифицированным белково-углеводным и кислотным составом, полученную в результате молочно-кислого процесса (с повышением титруемой кислотности от 60°Т до 150°Т) и последующим снижением кислотности нейтрализацией кислот до 95°Т, подвергнутую тепловой обработке (при температуре 95°С в течение 4-10 мин) и осветлению отстаиванием белкового коагулята (при температуре 60°С в течение 4,5 часа в сосуде при высоте уровня 160 мм).

Измерения Со производили 4-х кратно для образцов взятых из трех разных выработок ТС на линии Я90ПТ. Осветленную ТС фильтровали при разном давлении (0,150,05 МПа) в постоянном и знакопеременном импульсном режимах. Перед фильтрацией фильтры промывали по метедике ВНИМИ для керамичиских фильтров.

При знакопеременном режиме обратную импульсную фильтрацию осуществляли при перепаде давления 0, 05 МПа. Предпочтительным был импульсный режим фильтрации при одинаковых значениях прямого и обратного перепада давления, С повышением прямого перепада давления более 0, 05 МПа, возникает необходимость увеличения обратного перепада давления для полного восстановления скорости фильтрации. Однако при высоких давлениях становится заметным постепенное снижение средней скорости импульсной фильтрации, по-видимому, из-за глубокого внедрения белка в каппилярно-пористую структуру селективного слоя фильтра. Важным достоинством использованного способа является отсутствие необходимости существенного повышения скорости течения осветленной ТС в канале трубчатого фильтра, что снижает энергетические затраты на процесс.

Экспериментально проверена теоретически обоснованная эффективность разработанного способа фильтрации с периодическим отводом концентрата. Согласно разработанному способу, концентрат отводится с частотой равной или кратной .частоте обратной фильтрации. Обьем импульсного отвода концентрата равен объему внутреннего канала фильтра. Отвод концентрата должен осуществляться непосредственно на выходе из внутреннего канала фильтра. Для реализации способа на выходе из канала фильт-

ра 15 экспериментальной установки смонтировано регулирующее устройство 8, которое открывается одновременно с импульсом обратной фильтрации на промежуток времени необходимый для вытеснения из канала суспензии в объеме канала при разных частотах ъ и гкв„.

Так при фильтрации по предлагаемому способу в течение 150 с при гкт = 0,00666с'1 и 2 = 0,034 с", Со кон = 0,24, а средняя скорость составляет 62 л / (м2 ч).

Сравнение экспериментальных данных разных способов микрофильтрации показало наиболее высокую эффективность разработанного способа.

Рис. 9. Предпочтительный синхронный режим управления воздействия на микрофильтрацию ОТС. При Ъ = Ъ «„ = 0,033 С1: 1. - изменение скорости фильтрации в импульсном режиме (3- в непрерывном режиме без отвода концентрата); 2-накопление фильтрата; 4- режим изменения давления; 5 - режим периодического отвода концентрата.

В течение часа непрерывной работы установки существенного снижения производительности зафиксировано не было, по-видимому, в следствие периодического обновления осадка.

Для более полного использования возможностей способа произведен анализ влияния режимных и конструктивных параметров на эффективность микрофильтрации.

Для поиска предпочтительных значений частоты уравнение 6.4. преобразовано в форму: 4-№фср 1

- (--1) (6.6.)

<1ф(п+1) Сокон -Соижч

Из полученных данных следует, что при частоте импульсов г = 0,034 с"1 в течение промежутка времени фильтрации между его началом фильтрации и первым импульсом

промывки филыра средняя скорость фильтрации составляет 110 л / (м2 час), или 30,5 * 10 "'м/с. При этом значении г, значении <1ф = 6 * 10"3м; п = 5; С о ко„ = 0,1; Сви = 0,01 по уравнению (6.6) получается значение г «он = 0,037 с"1, что округленно соответствует времени фильтрации между импульсами отвода концентрата 30 с (т.е. для опытной установки нет необходимости в отводе концентрата после нескольких импульсов промывки фильтра). Рис. 10. Проточная экспериментальная установка для микрофильтрации. 1-3 ходовой клапан для периодического перекрытия контура циркуляции и открытия канала 9 отвода концентрата; 2 -канал подачи ОТС на микрофильтрацию; 3- насос создающий

давление фильтрации; 4 - насос контура циркуляции, 5- воздушный колпак, б - блок фильтров; 7 - устройства для импульсного изменения на обратное перепада давления фильтрации; 8 - канал отвода фильтрата.

Оба действия могут выполняться с одинаковой рассчитанной частотой. Этот режим фильтрации показан на рис 9. Используя возможности разработанного способа микрофильтрации, можно увеличить массовую долю дисперсных компонентов в концентрате. Так, согласно уравнению 6.4. при уменьшении диаметра канала фильтра с 6 до 1 мм, значение Со кон возрастает от 0,1 до 0,56. В общем случае столь высокое значение дан-ноготюказателя может потребоваться при высокой ценности фильтрата.

Для инженерного расчета процесса микрофильтрации по предлагаемому способу необходимо иметь экспериментально полученную зависимость ^ф (\ут, т) для неустановившейся стадии безимпульсного процесса при предпочтительном перепаде давления фильтрации, не вызывающего заметного сжатия осадка и запирания капилляров, при некотором значении \ут. Значения Со нач, Со кон и производительность установки должны быть известны.

Основные положения расчетов включают:

- определение экономически и технически оправданных «Гф ср, по которому при помощи уравнения 6.6. определяют частоту гк0„;

- по заданной производительности установки, балансу массы и скорости фильтрации вычисляют площадь фильтрующей поверхности;

- вычисляют общее количество трубчатых фильтров и конструктивные размеры блоков.

На основе приведенных данных по режиму и кинетике микрофильтрации осветленной ТС, содержащей коагулят молочных белков и биомассу, произведен расчет площади рабочей поверхности производственной микрофильтрационной установки (рис. 10) При скорости фильтрации 110 л / (м2ч) с использованием импульсной обратной фильтрации и производительностью установки 2 т/ч по фильтрату расчетная площадь ее фильтрующей поверхности составляет 18,2 м1. Установка работает в непрерывном режиме, имеет один контур циркуляции концентрата. При внутреннем диаметре трубчатого фильтра 1 мм и рабочей длине 1 м площадь его фильтрующей поверхности равна 3,14 * 10'3 м2. В качестве такого фильтра могут быть использованы полые полимерные волокна фирмы «АСАХИ» с максимальным поперечным размером капилляров 0,1 мкм, чему соответствует расчетное значение Со кон =0,5. Из приведенных данных следует, что установка для микрофцльтрации ТС должна иметь 5800 трубчатых фильтров. Если фильтры объединены в блоки по 1000 шт., то потребуется 6 блоков. Диаметр блока 180 мм. Конструктивно решены устройства для создания импульсного давления в фильтратном пространстве, вызывающего обратную фильтрацию, а так же устройства для периодического отвода концентрата.

Седьмая глава посвящена практическому использованию полученных научных результатов. Согласно аппаратурной схеме А на рис 3. на основе произведенный'исследований разработан проект и состав оборудования опытно-промышленного участка производства резервуарньм способом из ТС молочной основы для напитков с лечебно-профилактическими и оздоровительными свойствами (на базе существующего на ОАО-«ОМЗ» отделения по выделению из ТС казеиновой пыли и жира, с получением белкового и жирового концентратов, с приданием ему функции выработки МО).

В виду отсутствия специализированного резервуара для комплексной опытно-' промышленной обработки ТС с использованием процессов биосинтеза с нейтрализацией МК, тепловой коагуляцией СБ, тепловой нейтрализации биомассы и пастеризации , осветленной ТС, отстаивание КМБК, и жира, и их слива, предусмотрена реконструкция' существующего резервуара емкостью 6т. с мешалкой, путем его оснащения: поверхностным обогревателем для поддержания температуры ТС молочнокислого процесса,

барботером для паро-контактного нагрева ТС при пастеризации и тепловой коагуляции бежов; устройствами для поверхностного слива (декантации) осветленной ТС и жирового отстоя;

Рис. i 1. Промышленная линия производства напитков из творожной сыворотки. А. - участок выработки молочной основы для напитков, В. - участок выработки напитков на молочной основе. 1. - резервуар для комплексной обработки ТС; 2. - заквасочник; 3. - теплообменник для управления температурой ТС; 4. - насос для подачи ОТС и создания давления фильтрации; 5. - установка для микрофильтрации ОТС; 6. - резервуар для сбора концентрата дисперсных компонентов; 7. - резервуар для жирового концентрата; 8. - резервуар для накопления молочной основы и ее смешивания с пищевыми добавками; 9. - смеситель для пищевых добавок; 10 - сатуратор напитка; 11. -полуавтомат для розлива и укупорки; 12., 13. -полуавтомат для изготовления бутылок с печью для разогрева прессформ; 14. - автомат для этикетировки; 15. - установка для мойки оборудования; MP, ДР - моющие и дезинфицирующие растворы, ограничителем нижнего слива концентрата белкового коагулята (КМБК) с устройством для сбора минерального осадка; подъемной крышкой; контрольно-

измерительными приборами;

устройствами для механизированной мойки резервуара и удаления минерального осадка; установкой для приготовления моющих и дезинфицирующих растворов. Участок обработки сыворотки дополнительно оснащается следующими видами оборудования: установка заквасочная Л5-ОЭУ-0,35; теплообменник А1 ООЛ-3; электронасос центробежный Г2-ОПА; установка микрофильтрационная (вновь проектируемая); ванна БМП; резервуар ОМВ - 6,3; сатураторнная установка ОКА - 2.12МЗ; полуавтомат розлива газированных напитков ИТФ; установка микрофильтрационная производительностью 2 т/ч осветленной ТС для выработки МО для напитков.

Разработаны устройство и исходные требования на проектирование специализированного резервуара для промышленной комплексной обработки ТС и микрофильтрационной установки, а так же исходные требования на проектирование промышленной линии производства напитков на МО.

Результаты исследования будут использованы при разработке проекта реконструкции сывороточного отделения творожного цеха ОАО «ОМЗ».

Произведен расчет состава основного оборудования промышленной линии переработки ТС в МО и производства из нее напитков (рис. 11) Представленная схема линии предусматривает возможность охлаждения осветленной ТС в проточном теплообменнике, используемом также для подогрева ТС до температуры биосинтеза.

Разработано технико-экономическое обоснование проекта опытно-промышленного линии переработки ТС в напитки, и бизнес- план переработки ТС в МО для напитков, их производства и реализации, (PROJECT 2000 Microsoft). Срок окупаемости проекта 9 месяцев.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Синтезированы экономически, технологически и технически обоснованные про-цессовая и аппаратурная схемы переработки ТС в молочную основу для прохладитедь-ных напитков с лечебно-профилактическими свойствами посредством модификации ее углеводно-кислотного, солевого и белкового состава процессами пищевой биотехнологии, выполняемыми в теоретически и экспериментально обоснованной последовательности, обуславливающих высокую эффективность производства.

2. На основе теоретического анализа разработана математическая модель кинетики молочнокислого процесса в ТС с использованием палочковидных бактериальных культур. Получено уравнение зависимости текущих значений массовой доли лактозы от продолжительности процесса, установлены численные значения коэффициентов кинетического уравнения. На основе стехиометрического анализа молочнокислого процесса, реакций нейтрализации МК, гидроксидом кальция и натрия, с учетом стандартной методики тетрования получены балансовые соотношения по выходу компонентов ТС с модифицированным составом в зависимости от значения титруемой кислотности.

3. По результатам экспериментальных исследований молочнокислого процесса и нейтрализации кислот ТС предложен метод определения режима переработки ТС с формированием требуемых органолептических свойств МО для налитков.

4. По результатам произведенных экспериментальных исследований кинетики и полноты тепловой коагуляции белков ТС с модифицированным составом получены зависимости полноты и кинетики тепловой коагуляции термолабильных белков от состава компонентов ТС, использованные для определения численных значений кинетических коэффициентов; разработана математическая модель и получено уточненное уравнение кинетики тепловой коагуляции белков ТС.

5. Разработан интенсивный способ получения прозрачной ТС с высокой полнотой удаления взвесей методом тангенциальной микрофильтрации с обратной импульсной фильтрацией и периодическим отводом концентрата белкового коагулята, предложено его техническое решение, обеспечивающее высокие значения полноты выделения фильтрата, интенсивности процесса, снижение удельных энергозатрат. Предложен метод расчета такого аппарата.

6. Теоретически и экспериментально изучена количественная взаимосвязь технологических и технических параметров процесса микрофильтрации по предложенному способу. Получено уравнение отражающее их взаимосвязь.

7. Установлен предпочтительный режим тангенциальной микрофильтрации ТС с импульсной обратной фильтрацией и периодическим отводом концентрата, обеспечивающие высокую эффективность процесса.,

8. Разработаны устройства и исходные требования на проектирование опытно-промышленных образцов резервуара для комплексной обработки ТС и микрофильтрационной установки для получения прозрачной молочной основы для напитков, а так же линии переработки ТС в напитки с составом оборудования, минимизирующим кали-, тальные затраты.

9. Разработано технико-экономическое обоснование проекта линии промышленной переработки ТС в МО для напитков; разработан состав ее оборудования. Срок окупаемости 9 месяцев.

10. Результаты исследований использованы при разработке проекта реконструкции сывороточного отделения творожного цеха Очаковского молочного завода и в учебном процессе МГУПБ. , ,

. Г )|

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Бредихин СЛ. Разделение компонентов и преобразование творожной сыворотки. Матриалы научных чтений «Научное наследие проф.Э.И.Каухчешвили.» М.МГУПБ. 1997. с 89.

2. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Боресков В.Г., Якушев О.И., «Кинетика ферментативных процессов» / Известия ВУЗов. Пищевая технология. № 5-6, 1998г. с 74-75

3. Юрин В.Н., Смирнов В.Ю., Космодемьянский Ю.В «Линия переработки жидких продуктов». Патент РФ № 2147415, Приоритет от 24.06.1999.

4. Юрин В.Н., Кулаков A.B., Космодемьянский Ю.В., Бредихин С.А., Бредихина О.В. «Математическая модель тепловой коагуляции белков молочной сыворотки. «Пищевой белок и экология» материалы международной научной конференции М.МГУПБ. 2000г- с260.

5. Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н., Якушев О.И., Сидоров М.А. Применение теории переноса массы к анализу кинетики микробиологических процессов: Материалы научных чтений «Теоретические и практические аспекты построения и расчета оборудования пищевых производств» МГУГ1Б, М.: 1998г., С 12.

6. Смирнов В.Н., Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В. Выделение белков из молочной сьщоротки. М.: МГУПБ. - 1999.68с.

7. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Бредихин С.А., Кулаков A.B. «Процессы пищевой биотехнологии в производстве молочной основы для напитков» М.: Пищевая промышленность № 11,2001г. с. 12-15.

8. Юрин В.Н. «Очаковский молочный завод» / Деловая столица М.:2001г. с.б-7

9. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Бредихин С.А. «Математическая модель ферментативного биосинтеза молочных продуктов палочковидными формами молочнокислых лактобактерий.» Научные труды МГУПБ, посвященные 100-летию проф. Федорова Н.Е., «Теоретические и практические основы развития процессов и аппаратов пищевых производств» М.: 2001г. с.78-79

10. Бредихин С.А., Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В. Технология и техника переработки молока. - М.: Колос, 2001.- 400 с.

11. Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н., Бредихин С.А., Лобасенко Б.А. Тенденция развития фильтрующих систем в процессах разделения жидких дисперсных систем. Материалы международной научной конференции «Пища. Экология. Человек». -М.: МГУПБ2001г.-с. 302.

12. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Бредихин С.А., Бондаренко А.Г. Положительное решение ФИПС о выдаче патента на изобретение по заявке № 2001114417/13(015567) «Резервуар для переработки молочной сыворотки в основу для напитков.

13. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В. «Способ переработки молочной сыворотки в основу для напитков с профилактическими свойствами» Патент РФ № 2197834, Приоритет от 10.02.2003г.

Принятые сокращения:

Б - белок; БМ - биомасса; БМН нейтрализованная БМ; ГК - гидроксид кальция; Ж -жир; ЖЛК - жирные летучие кйслоты; 3 -Ьакваска; КП - казеиновая пыль; ККП, КСБК, КБМН, КОМ - концентраты КП; СБК, БМН, ОМ; Л -лактоза; ЛК - лактат кальция; МО

- молочная основа; МК - молочная кислота; Н - напиток; О - объемная обработка; ОМ

- остаток минеральный; ОТС - осветленная ТС; ОМЗ - Очаковский молочный завод; ПОВ - поверхностная обработка; РД - ростовая добавка; СБК - сывороточный белок нативный и коагулированный; ТС - творожная сыворотка.

Обозначения параметров:

Ад, Ак - коэффициенты скорости денатурации и коагуляции белков; в - площадь поверхности биомассы в кг ТС; <1Ф - диаметр канала фильтра; Сд, Сл, Сн, Ск, Скл, Спк. Смк, Св, Со нан, Со кон. Со ц, Со ф~ массовые доли: белка денатурированного, лактозы, бежа нативного, белка скоагулированного и клеточного, лактата калиция, молочной кислоты, дисперсных компонентов (текущие, начальные и конечные значения в контуре циркуляции, в фильтрате), Бе, Ид - коэффициенты диффузии СБ и Л в ТС; 1 - средняя длина клетки; т - количество трубчатых фильтров, М ос масса осадка; п — доля вспомогательного объема в объеме циркуляционного контура; \'ф ка„ - объем канала трубчатого фильтра; Рф - давление фильтрации; 1б - температура свкашивания; 1Мф -температура микрофильтрации; 1ксб, мин, ксв опт - температуры коагуляции СБ, минимальное и оптимальное значения; Уф кон— объем фильрата полученный за время между выгрузками концентрата; '№ф ср - средняя скорость фильтрации; - скорость тангенциального течения; Х,У - обобщенные коэффициенты скорости биосинтеза Б и Л; Хо -начальное количество клеток в 1 кг ТС; Ъ кон - частота отвода концентрата; Ъ - частота импульсов обратной фильтрации; рв Рл - коэффициенты массоотдачи СБ и Л к поверхности биомассы в ТС; 5 - диаметр клетки; ркъ рте - плотность биомассы, ТС; т -время.

Отпечатано в типографии ООО "Франтэра" ПД № 1-0097 от 30.08.2001г. Москва, Талалихина, 33

Подписано в печать 17.09.2003г. Формат 60x90/16. Бумага "Офсетная №1" вОг/м2. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,56. Тираж 100. Заказ 054.

WWW.FRANTERA.RU

Р 14 б 80

1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Актуальность проблемы.

1.2. Цель исследования.

1.3. Научная новизна.В

1.4. Практическая значимость.

1.5. Апробация работы, публикации, стуктура и объем работы.

2. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИИ ПО ИЗУЧАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ, ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Общая характеристика молочной сыворотки как сырья для производства пищевых продуктов и кормов.

2.2. Белки молочной сыворотки.

2.3. Лактоза.

2.3.1 Свойства лактозы.

2.3.2. Биологические методы обработки лактозы в со ставе молочной сыворотки.

2.4. Выделение дисперсных компонентов.

2.5. Производство напитков из молочной сыворотки.

2.6. Выводы, общая концепция, задачи и схема проведения исследования.

3. ПРОЦЕССОВАЯ И АППАРАТУРНАЯ СХЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ В МОЛОЧНУЮ ОСНОВУ для ПРОИЗВОДСТВА ОСВЕЖАЮЩИХ НАПИТКОВ С ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ.

3.1. Процессовая схема производства МО для напитков.

3.2. Аппаратурная схема переработки творожной сыворотки в МО.

4. БИОФЕРМЕНТАТИВНЫЙ МОЛОЧНОКИСЛЫЙ ПРОЦЕСС И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ КИСЛОТ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ.

4.1. Теоретический анализ процесса.

4.2. Эксприментальное исследование кинетики биосинтеза МК.

5. ТЕПЛОВАЯ КОАГУЛЯЦИЯ БЕЛКОВ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ.

5.1. Теоретический анализ кинетики процесса тепловой коагуляции белков ТС.

5.2. Экспериментальные исследования тепловой коагуляции белков ТС.

6. ВЫДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ОСВЕТЛЕННОЙ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ.

6.1. Разработка способа повышения эффективности процесса микрофильтрации.

6.2. Анализ работы фильтра.

6.3. Экспериментальное исследование усовершенствованного способа микрофильтрации.

7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

1.1. Актуальность проблемы.

Объемы вырабатываемой в молочной промышленности молочной сыворотки (МС) достигают 90% от объема молока, перерабатываемого на творог, сыр и казеин. МС, содержащая около половины массы веществ безводной части молока, относится к категории ценных вторичных сырьевых ресурсов молочной промышленности, который пока не используется рационально. По данным ММФ около половины МС не используется вообще, что требует дополнительных затрат на защиту природы [64, 71, 75].

Эта проблема, характерная не только для нашей страны, специально рассмотрена в Международной молочной федерации (ММФ) и на международных молочных конгрессах [23,67].

Большой вклад для решения данной проблемы сделали отечественны ученые: Н.Н.Липатов, Н.Н. Липатов-(мл), А.Н. Храмцов, В.Д. Харитонов, М.В. Залашко, К.К. Полянский, В.Е. Жидков, И.А. Рогов, К.К. Горбатова, А.М.Шалыгина, А.Г. Борисов, Е.А. Фетисов, Т. Сенкевич и их школы. [8, 12, 26, 37, 38, 49, 52, 57, 66, 71, 74, 82]

Не смотря на проводимые, на протяжении многих лет интенсивные поиски решения проблемы, она остается актуальной и сегодня, в частности ОАО «Очаковский молочный завод» («ОМЗ»), производящее, в частности творог [92]. Убытки, которые несет предприятие от выплат только на природосохранные мероприятия, связанные с попаданием творожной сыворотки (ТС) в промышленные стоки, ежегодно составляют более 500 тыс. рублей.

При этом упускаются большие возможности повышения эффективности и уровня ресурсосбережения при переработке молока для молочной промышленности в целом. Данное положение в зависимости от предлагаемых методов утилизации МС, обусловлено в одних случаях большими удельными затратами на энергию, вспомогательные материалы и оборудование; в других - низким спросом на вырабатываемую продукцию, ввиду ее неудовлетворительных органолептических показателей; в-третьих - трудностями ее использования в натуральном виде из-за сжатости допустимых сроков реализации.[24,26, 74]

За исключением остаточного содержания казеинового коагулята и жира, остальные компоненты МС находятся в растворенном состоянии, что удорожает их выделение.

Использованию МС в натуральном виде на пищевые цели препятствуют ее неудовлетворительные органолептические показатели [76, 101].Согласно проф.М.С.Коваленко и акад. Храмцову А.Г. наибольшее применение в молочной промышленности нашли направления утилизации МС, основанные на её переработке:

1 .Путем полного использования МС без разделения компонентов (напитки).

2.Путем глубокой переработки компонентов МС, с получением их производных (гидролизаты белков и лактозы; лактулоза ) без их выделения из МС, (напитки, ЗЦМ с модифицированным составом компонентов).

3.Путем разделения её натуральных компонентов, и их производных с получением водных концентратов или в сухом виде для последующего их использования на пищевые и кормовые цели (молочный жир, белок, минеральный комплекс, БАВ, концентраты МС, ЗЦМ).

Высокая себестоимость продуктов переработки МС с разделением её компонентов по существующим технологиям, обусловленно в одних случаях их высокой стоимостью оборудования, удельной энергоемкостью (выпаривание, сушка), а в других-большим расходом дорогостоящих вспомогательных материалов (реагенты, мембранные материалы, моющие средства, затраты на природо охранные мероприятия). [24,71]

В целом спрос на МС и продукты ее переработки в указанных направлениях обусловлен противоположным влиянием следующих факторов. К факторам, стимулирующим утилизацию МС, относятся:

- высокая пищевая и биологическая ценность основных компонентов МС;

- высокая удельная себестоимость природоохранных мероприятий, связанных с эвакуацией МС со стоками предприятий.

К факторам, сдерживающим мероприятия по утилизации МС, относятся:

- неудовлетворительные органолептические свойства МС; высокая удельная себестоимость традиционных для молочной промышленности способов переработки МС, что не в последнюю очередь обусловлено большим содержанием в ней воды (90%) и растворенным состоянием компонентов.

В последнее время активно развивается направление глубокой переработки методами пищевой биотехнологии МС, без полного разделения ее компонентов основанное на их преобразовании в вещества с биологически активными и технологически полезными свойствами, с выработкой привлекательных и полезных для потребителей продуктов. [34,74, 76]

Такой подход позволяет ограничить и исключить применение дорогостоящих технологических операций по разделению компонентов МС, тепло- массообменных и баромембранных процессов, а вырабатываемый продукт рассматривать как основу для получения различных продуктов, в частности, прохладительных освежающих напитков, обладающих лечебно-профилактическими и оздоровительными свойствами за счет преобразования части лакозы и белков в биологически активные вещества, использование полного минерального состава молока и других компонентов.

Схемы переработки МС по данному направлению могут быть синтезированы на основе уже известных технологических операций.

В 1998-99 годах по инициативе и под руководством и при личном участии автора на ОАО "ОМЗ" разработана и выполнена научно-техническая программа «Комплексная переработка творожной сыворотки (ТС)». Такая направленность исследований актуальна также и для других предприятий производящих творог.

Программа нацеленна на разработку научно и экономически обоснованной схемы ресурсосберегающей глубокой переработки ТС, в рамках указанного направления с последующей реализацией на предприятии полученных результатов. [85]

Подход к разработке схемы переработки ТС состоит в:

- направленном преобразовании основных компонентов ТС методами пищевой биотехнологии для улучшения их технологических и потребительских свойств; интенсификации процессов;

- использовании и наиболее эффективном комбинировании процессов и технологических приемов, взятых из разных направлений переработки ТС;

- минимизации числа технологических операций путем их совмещения и рациональной последовательности выполнения;

- теоретическом анализе и математическом моделировании кинетики используемых процессов пищевой биотехнологии для создания высокоэффективных технических средств переработки ТС.

Данный подход наиболее эффективно может быть реализован в производстве напитков из ТС содержащих биологически полезные вещества молока, а так же получаемые преобразованием натуральных компонентов без их выделения, и повышающих их потребительскую ценность продукции [71]. Вытекающая из него цель данной диссертационной работы заключается в получении молочной основы для последующей выработки прозрачных прохладительных напитков с лечебно-профилактическими свойствами из ТС, с модифицированным белково-углеводным и солевым составом компонентов.

1.2. Цель исследования.

Целью является получение из натуральной ТС молочной основы для напитков, содержащей компоненты молока и продукты преобразования ее компонентов для последующей выработки прозрачных прохладительных напитков с лечебно-профилактическими свойствами, по схеме, обеспечивающей высокий уровень ресурсосбережения.

1.3. Научная новизна

Теоретически обоснована и синтезирована процессовая схема модификации углеводно-кислотного, солевого и белкового состава ТС с получением МО для напитков с лечебно-профилактическими свойствами.

На основе теоретического анализа разработана математическая модель кинетики и установлены балансовые соотношения для сквашивания ТС молочнокислыми бактериальными культурами, с последующей нейтрализацией МК. Разработан метод расчета выхода компонентов ТС с модифицированным углеводно-кислотным и солевым составом в зависимости от значения титруемой кислотности, с учетом требуемых органолептических свойств для напитков и продолжительности процесса.

Путем теоретического анализа уточнено выражение транспортного фактора в математической модели тепловой коагуляции белков ТС, с получением расчетного уравнения кинетики процесса.

Теоретически обоснован и разработан способ микрофильтрации высокодисперсных систем с периодической импульсной промывкой фильтра фильтратом и синхронной выгрузкой концентрата в объеме фильтрационного канала, обеспечивающий повышение эффективности процесса. Посредством его теоретического анализа и математического моделирования разработан метод расчета массовой доли дисперсных компонентов в концентрате в зависимости от технологических и технических параметров.

1. Адлер ЮП., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.- М.: Наука-1976-280с

2. Алексеева Н.Ю., Павлова Ю.В., Шишкин Н.И. Современные достижения в области химии белков молока: Обзорная информация.-/М.: АгроНИИТЭИММП, 1988. 32с.

3. АС 908305. Способ очистки творожной сыворотки от белковых веществ/ Храмцов А.Г., Холодов Г.И., Чеботарев А.И., Камышкова Т.А опубл. 28.02.82.

4. АС 1741719. Способ извлечения сывороточного белка из молочной сыворотки / Адеева J1.H., Сизиков A.M.- опубл. 23.06.92.

5. Банникова Л.А., Королёва Н.С., Семенихина В.Ф. Микробиологические основы молочного производства.- М.: Агропромиздат, 1987г-400с.

6. Бирюков В.В., Кантсре М.В. Оптимизация периодических процессов культивирования микроорганизмов. М.: Наука. 1985-.15.С

7. Бредихин С.А., Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В. Технология и техника переработки молока. -М.: Колос, 2001. 400с.

8. Борисов А.Г., Новиков О.П., Степанятов В.Е. Фетисов Е.А. Методы извлечения белковых веществ из творожной сыворотки. /Обзорная информация. -М.: ЦНИИТЭР1Мясмолпром,1981г.-20с.

9. Бражников A.M., Рогов И.А., Михайлов H.A., Сильченко М.Н. Возможные подходы к аналитическому проектированию комбинированных продуктов питания //Известия вузов СССР. Пищевая технология. -№3. -1985.-С.22.

10. Варфоломеев С.Д., Калюжный C.B. Биотехнология: кинетические основы микробиологических процессов. М.: Высшая школа, 1990-296.с.

11. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Химия, 1976.-512 с.

12. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. М.: Легкая промышленность, 1984. -344 с.

13. Горбатова К.К. Химия и физика белков молока. М.: Колос, 1993.-192.C.

14. Гост 3624-92 Титрометрические методы определения кислотности.

15. Гост 4495-87 Молоко цельное сухое.

16. Гост 3626-73 Молоко и молочные продукты. Методы определения влаги и сухого вещества.

17. Деменко Н.Д., Яковлев В.Ф., Полянский К.К. Совершенстовование технологии получения молочной кислоты // Молочная промышленность 1994г. с. 25-26

18. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа.-М.: Госиздат физ. мат. лит-ры. -1962. -368 с.

19. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. -М.:Наука, 1985. 398 с.

20. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. -М.:Наука, 1986. -204 с.

21. Дерягин Б.В. Духин С.С., Рулев H.H. Микрофлотация: водоочистка, обогащение. -М.: Химия 1986. - 112с

22. Дьяченко П.Ф. Исследование белков молока / Тр. ВНИМИ. М.: 1959. Вып. 19. 83 с.

23. Жидков В.Е. Развитие биотехнологических аспектов производства альтернативных вариантов тонизирующих напитков на основе лакто-содержащего сырья. / Доклад на соискание ученой степени док.тех.наук. Страврополь 2001г. - 50с.

24. Жидков В.Е. Научно-технические основы биотехнологии альтернативных вариантов напитков из молочной сыворотки. -/Ростов / Д.: из-во СКСВШ. 2000г. 143с.

25. Жоли М. Физическая химия денатурации белков / Пер. с англ.: Под ред. АВ. Волькенштейна. М.: Мир, 1968.- 364 с.

26. Залашко М.В. Биотехнология переработки молочной сыворотки. -М.: Агропромиздат. 1990-192с.

27. Золотин Ю.П. Стерилизованное молоко. М.: - Пищевая промышленность. 1979. - 159 с.

28. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. -М.:Химия, 1985. 448 с.

29. Киреев В.А. Курс физической химии. М.: Химия, 1975г. - 775с.

30. Климовский И.Й. Биохимические и микробиологические основы производства сыра. М.: Пищевая промышленность. 1966. - 207 с.

31. Космодемьянский Ю.В. Процессы и аппараты пищевых производств. -М.: Колос, 1997 .-208 с.

32. Космодемьянский Ю.В.,Полянский К.К. Долниковский В.И.,Полова Е.В.,Бредихин С.А. Современные баромембранные процессы и техника для молочной промышленности. М.: АгроНИИТЭИММП. 1993. 40 с.

33. Кунжиев С.М.,Кимова Э.Т.Низкомолекулярные и безалкогольные молочные продукты. Обзорная информация. М.: АгроЬЖИММП.-1988,-32с.

34. Липатов H.H. Сепарирование в молочной промышленности. М.: -Пищевая промышленность, 1971. - 400 с.

35. Липатов H.H., Чеботарёв Е.А. Гетерогенные свойства подсырной сыворотки. // Известия вузов. Пищевая технология, №2,с41-44.

36. Липатов H.H. Основные направления научных исследований в молочной промышленности. Обзорная информация. /АгроНИИТЭИММП 1992.-56 С.

37. Липатов H.H.: Принципы проектирования состава и совершенствование технологии многокомпонентных мясных и молочных продуктов. /Автореф. дисс. на соискание уч. Степени доктора технических наук. М: 1988. 55

38. Мчелишвили Б.В., Фролов Г.М. Ядерные фильтры: Новый класс микрофильтрационных мембран в прецизионном разделении коллоидных растворов // Вс.хим.общество им. М.Д.Менделеева 1987г. Т.32. №6, с. 641 648.

39. Матов Б.М. Флотация в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1976. -168 с.

40. Мерке Я. Влияние природы суспензии на результаты сепарации. -М.: ЦИНТИпищепром, 1967. -20 с.

41. Налимов В. В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экспериментальных данных. -М.: Наука. -1965. -56 с.

42. Нестеренко, Нестеренко П. Г., Задорожная В.Н., Серов A.B. Производство и использование белков молочной сыворотки. Обзорная информация М.: // ЦНРШТЭИмясомолпром: 1983.- 33с.

43. Отраслевой каталог. Оборудование технологическое для молочной промышленности- М.: НПО "Мир", 1990.- 393 с.

44. Осина Н.И., Товоляева Г.Ф., Кузина Ж.И., Кулешова И.М. Нормирование расхода моющих средств и тканей при производстве молочной продукции. Обзорная информация М.: // АгроНИИТЭИММП. 1992-24с.

45. Патент Р.Ф. № 2025076. Способ очистки молочной сыворотки / Храмцов А.Г., Абдулина Е.Р., Евдокимов И. А. опубл. 30.12.94.

46. Павлов В.А. Новые методы переработки молочной сыворотки/ -М.: Росагропромиздат 1990. -140с.

47. Полищук П.К., Дербинова Э.С., Казанцева H.H. Лабораторный практикум по микробиологии молока и молочных продуктов. —М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1982г-200с.

48. Родионова Н.С., Полянский К.К.: Пищевая и биологическая ценность кисломолочных продуктов с модифицированной углеводной фракцией. /Изв. вузов Пищевая технология-2000 № 1-е 26-27.

49. Полянский К.К, Родионова Н.С., Глаголева Л.Э. Лечебно-профилактические белковые продукты с модифицированным углеводным составом. //Молочная промышленность.-!997.-№2. с 1314.

50. Производство молочнобелковых концентратов: Обзорная информация Б.С. Бедных, И.А. Евдокимов, А.Г. Храмцов и др.- М.: / АгроНИИТЭИММП, 1994. 48 с.

51. Протопопов И.И. Исследование пароконтактного способа тепловой обработки молока с целью оптимизации управления процессом стерилизации питьевого молока. . / Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. - М., 1975.-199с.

52. Пыргару Ю.М. Интенсификация процессов электрокоагуляции сывороточных белков: / Автореф. дис. д-ра техн. наук. Кишинев, 1996. - 17 с.

53. Родионова Н.С. Развитие физико-химических и биотехнологических основ производства функциональных молочных продуктов. / Дисс. На соискание уч.степени докт. Технич наук Воронеж 2000г. 250с.

54. Рогов И.А., Титов Е.И., Митасева Л.Ф.„ Алексахина Р.А., Кроха Н.Г. Пищевые продукты нового поколения. // Известия вузов. Пищевая технология.-№ 1-2-1995- С 59-61

55. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980.-240 с.

56. Румынский Л.З. Математическая обработка результатов экспериментов. -М.: Наука, 1973. 205 с.

57. Русанов А.И., Левичев С.А., Жаров В.Т. Поверхностное разделение веществ (Теория и методы). Л.: Химия, 1981. - 183 с.

58. Семенов Е.В. Методы расчетов процессов обработки дисперсных систем в мясной и молочной промышленности: Моделирование и математический анализ. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.-232 с.

59. Степаненко П.П.Микробиология молока и молочных продуктов. Сергиев Пасад:ОООпВсё для вас-Подмосковье." 1999г.-415с.

60. Сурков В.Д., Золотин Ю.П., Фофанов Ю.Ф., Одерий Л.П. Исследование качества пара для пароконтактной стерилизации молока// Молочная промышленность, №6,1971.- С.32.

61. Смирнов В.Ю., Юрин В.H., Космодемьянский Ю.В. Выделение белков из молочной сыворотки. М.: МГУПБ, 1999. - 68с.

62. Смирнов В.Ю., Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В. Линия для тепловой обработки жидких продуктов. Патент РФ № 2147415, Приоритет от 24.06.1999.

63. Сенкевич Т., Ридель К.Л. Молочная сыворотка: переработка и использование в агропромышленном комплексе / Под ред. H.H. Липатова. М.: Агропромиздат, 1989.- 270 с.

64. Фетисов Е.А., Чагаровский А.П. Мембранные и молекулярно -ситовые методы переработки молока. М.: / Агропромиздат - 1991г. - 272с.

65. Фридрихсберг д. А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия. -1974. -352с.

66. Фогарти В.М. Микробные ферменты и биотехнолоия Москва: Агропромиздат, 1986г.-318с.

67. Храмцов А.Г. Молочная сыворотка. 2-ое издание М.: Агропромиздат, 1990г- 240с.

68. Храмцов А.Г., Василисин C.B., Жаринов А.И. и др. Полное и рациональное использование молочной сыворотки на принципах безотходной технологии. Под редакцией Храмцова А.Г., Василисина C.B.: /Ставрополь! ЙРО 1997-120с.

69. Храмцов А.Г., Василисин C.B., Евдокимов И.А. Очистка биологических жидкостей хитозаном на примере молочной сыворотки // Известия вузов. Пищевая технология. №1. -1997. - С. 39-41.

70. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г.: Безотходная технология в молочной промышленности. -М.: Агропромиздат. 1989.- 279с

71. Храмцов А.Г., Полянский .К.К., П.Г. Нестеренко, C.B. Василисин. Промышленная переработка нежирного молочного сырья. Воронежский университет. 1992.-191с.

72. Храмцов А.Г. Молочная сыворотка. 2-е издание М.: Агропромиздат, 1990г. - 240с.

73. Храмцов А. Г., Жидков В.Е, Холодов Г.И. Биотехнология напитков из молочной сыворотки. Ставрополь:изд. СГТУ-1998г.-143с

74. Храмцов А. Г., Абдулина Е.Р., Евдокимов И.А. Микрофильтрация молочного сырья: Обзорная информация. Москва: / АгроНИИТЭИММП, 1991-1 92с.

75. Чеботарёв Е.А. Санжаровский С.А. Молочная сыворотка как гетерогенная система. Сборник научных трудов, серияПродовольствие, молочная промышленнось." Выпуск №2- /СКАТН, С ГТУ,Ставрополь, 1999г.- 100с.

76. Черников МП. О химических методах определения качества пищевых белков // Вопросы питания. -№1. -1986. -С .42-44.

77. Шилер Г. Г., Шнейдер А.К.,Миргородский Б.Г. и др. Оборудование для производства сыра и переработки сыворотки. М: Агропромиздат. 1990. 207 с.

78. Шалыгина A.M. Перспективные направления исследований в молочной промышленности. // Известия вузов. Пищевая технология -№4- 1 995-с9.

79. Шацкая Н.Г., Крашенинин П-Ф-, Сергеев В.Н. Технология гидролизатов молочных белков и их использование в производстве продуктов диетического питания детей и взрослых. /Обзорная информация. М.: АгроНИИТЭИММП- 1988. -52с.

80. Щедушнов Д.Е. Применение мембранной фильтрации в молочной промышленности: /Обзорная информация. -М.: АгроНИИТЭИММП. 1992,-28с.

81. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Бредихин С.А. «Разделение и преобразование компонентов творожной сыворотки. /Тезисы научных чтений «Научное наследие проф. Э.И. Каухчешвили.» М.МГУПБ. 1997. с89.

82. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Боресков В.Г., Якушев О.И., Кинетика ферментативных процессов // Известия ВУЗов. Пищевая технология. № 5-6, 1998г. с 74-75

83. Юрин В.Н., Смирнов В.Ю., Космодемьянский Ю.В Линия переработки жидких продуктов. Патент РФ № 2147415, Приоритет от 24.06.1999.

84. Юрин В.Н., Кулаков A.B., Космодемьянский Ю.В., Бредихин С.А., Бредихина О.В. Математическая модель тепловой коагуляции белков молочной сыворотки. //Материалы международной научной конференции «Пищевой белок и экология» М.МГУПБ. 2000г- 36-37с.

85. Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В., Бредихин С.А., Кулаков A.B. Процессы пищевой биотехнологии в производстве молочной основы для напитков М.: // Пищевая промышленность № 11, 2001г. с. 24-25.

86. Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н., Бредихин С.А., Лобасенко Б.А. Тенденция развития фильтрующих систем в процессах разделения жидких дисперсных систем. //Материалы международной научной конференции «Пища. Экология. Человек». -М.: МГУПБ 2001г. с. 302.

87. Юрин В.Н. Очаковский молочный завод / Деловая столица М.:2001г. с.6-7

88. Яминский В.В., Пчелин В.А., Амелина Е.А., Щукин В.Д. Коагуляционные контакты в дисперсных системах. М.: Химия. -1982. -184 с.

89. Ястржембский д. С. Техническая термодинамика. M.-JL: Госэнергоиздат, 1960. - 494 с.

90. Dawood A.N.; Abou.M; Adel; Hady S.M. Factors affecting the Hydrolysis of lactose in buffalo and cow milks by lactase. //Egypt J. Dairy Sci, 1985; V13, №2, p.209-216. //

91. Fox P.F., Mulvchieep D.M. Milk proteins: molecular, colloidal and functional properties. //Dairy Res. -1982. V49, №4-p.679-693

92. Hernandes R., Aseino J.A. Production and characterization of skim milk Lactose and proteins// J. Food Sci. 1082. V 47, №6, p. 1895-1898, 1912.

93. Kamei B.S. Fermented whole, wheat flour and whey in food Preporatation // Process Biochem. -1985. Vol. 206 №6. - P.190-193. //

94. Marshall K.A., Harper W.J. Whey protein concentrates. // Bulletin of I.D.F., 1988. №233, -p.21-32. //

95. Kessler H.G. Whey protein denaturation, aggregation and Application. // Brief Communications and Abstracts of Posters Of XXIII International Dairy Congress. 1998. - P.28 //.

96. Kinsella J.E., Whitehead D.M. Modification of milk proteins to functional properties and applications. // XXII International Dairy Congress. 1986. P. -791-804.

97. Morr C.V. Physico chemical basis for functionality of milk proteins. Kiel Milchwirt Forschungsber. - 1983. -V.35, №3. -P.333-334.

98. O'Brien J.M., Morrisey P.A. The maillard reaction in milk Production-Bull. I.D.F. "Heat induced changes in milk." Doc.238, 1989. Charter 8. p. - 53-61.

99. Peace R. Thermal denaturation whey protein. //Bulletin of the I.D.F. 1989. -№238.

100. Shulz G. Rippergez S. Concentration polarization in cross slow Microfiltration. // J. of Membr. Sc. 1989. Vol.40, №2, p. 173-184.

101. Wit J.N. Structure and functional behavior of whey proteins. // Net. Milk Dairy Journal. 1991. Vol.35, №1, P. 47-64.9. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

102. По результатам экспериментальных исследований биосинтеза Л и нейтрализации кислот ТС предложен метод определения режима переработки ТС с формированием требуемых органолептических свойств МО для напитков.

103. По результатам произведенных экспериментальных исследований кинетики и полноты тепловой коагуляции белков ТС с модифицированным составом получены зависимости полноты тепловой коагуляции термолабильных белков от состава компонентов ТС.

104. Путем анализа транспортного фактора коагуляции разработана математическая модель и получено уточненное уравнение кинетики тепловой коагуляции белков ТС, определены численные значения его кинетических коэффициентов по данным эксперимента.

105. Разработан интенсивный способ получения прозрачной ТС с высокой полнотой удаления взвесей методом тангенциальной микрофильтрации с обратной импульсной фильтрацией и периодическим отводом концентрата белкового коагулята.

106. Теоретически и экспериментально изучена количественная взаимосвязь значений технологических параметров процесса микрофильтрации по предложенному способу. Получено уравнение отражающее взаимосвязь технологических и технических параметров.

107. Установлен режим тангенциальной микрофильтрации ТС с импульсной обратной фильтрацией и периодическим отводом концентрата, обеспечивающие высокую эффективность процесса.

108. Разработано технико-экономическое обоснование проекта линии промышленной переработки ТС в МО для напитков; разработан состав ее оборудования. Срок окупаемости 9 месяцев.

109. Результаты исследований использованы при составлении перспективного плана развития Очаковского молочного завода, и используются в учебном процессе МГУПБ.