Начало промышленного использования мембранных процессов в молочной отрасли, приходящееся на 60-е годы прошлого столетия, связывают с внедрением процесса мембранного выделения белков из молочной сыворотки. Фактически, этим самым был дан старт разработки новых промышленных решений в переработке как молочной сыворотки, так и молочного сырья в целом, которые продолжают активно развиваться и в настоящее время. На сегодняшний день в молочной промышленности для концентрирования и/или фракционирования молочного сырья используется четыре основных процесса мембранной фильтрации: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Эти процессы относят к баромембранным, поскольку в их основе лежит фильтрация сырья через полупроницаемые мембраны, а движущей силой является давление. Между собой баромембранные процессы отличаются размером пор использующихся мембран и давлением, которое требуется для их осуществления (рис.1).

Соответственно, размер пор мембран определяет состав концентрированной (ретентат) и разбавленной (пермеат) фракций, формирующихся во время фильтрации.

Можно выделить несколько направлений применения тех или иных типов мембран в технологиях переработки молока. Микрофильтрационные мембраны используются при выделении казеиновой фракции белка обезжиренного молока, удалении из сырья жировой фракции, в частности, при производстве изолята сывороточных белков, очистке молочного сырья и сырного рассола от микроорганизмов и т.д. [1]. Ульрафильтрационные – для выделения и концентрирования белковой фракции молочного сырья при производстве концентратов молочного и сывороточного белков, нормализации молока по содержанию белка, в производстве творога и творожных сыров или питьевого молока [2].

Нанофильтрационные мембраны применяются для концентрирования и частичной деминерализации молочной сыворотки и пермеатов, образующихся при ультрафильтрации сыворотки и обезжиренного молока. С помощью обратноосмотических мембран можно сконцентрировать все компоненты молочного сырья. Обратноосмотические мембраны также находят широкое применение в технологии доочистки нанофильтрационных пермеатов для удаления остаточной лактозы и минеральных веществ, так называемая технология «RO Polishing».

Несмотря на достаточно большое разнообразие материалов, применяемых для изготовления мембран, на практике в молочной промышленности используются главным образом полимерные мембраны. Керамические применяются реже, в основном, при микрофильтрации и ультрафильтрации [3].

Керамические мембраны изготавливаются из оксида алюминия, оксида циркония или оксида титана, карбида кремния, которые относятся к группе неорганических материалов. Они устойчивы к механическим, химическим и термическим воздействиям, имеют высокую пористость и гидрофильную поверхность.

Современные мембраны на основе синтетических полимеров (полиамида, полипропилена, полиэфирсульфона и т.д.), использующиеся в молочной отрасли, являются анизотропными мембранами второго поколения. Такие мембраны состоят из нескольких структурно неоднородных слоев, включая селективный слой для фракционирования сырья по молекулярной массе, и слои, обеспечивающие механическую прочность и отвод пермеата (рис.2 [4]).

Хотя полимерные мембраны обладают довольно высокой механической, химической, термической и гидролитической стойкостью, в отличие от керамических, они могут быть чувствительны к воздействию сильных окислителей, что приводит к определенным ограничениям при выборе моющих средств.

Как и керамические, полимерные мембраны не подвергаются воздействию микроорганизмов, выдерживают довольно широкий диапазон рН и температур.

Основными характеристиками полимерных мембран являются селективность, проницаемость и скорость разделения. Селективность или задерживающая способность мембран выражается степенью перехода компонента в пермеат. Проницаемость или удельная производительность при данном давлении определяется количеством фильтрата, получаемого в единицу времени с единицы рабочей поверхности мембраны. Оба параметра обусловлены конкурирующими взаимодействиями компонентов с поверхностью мембраны не только за счет размера, молекулярной массы, заряда, но также и формы молекул разделяемых веществ, поэтому подбор мембран является достаточно сложным процессом, требующим большого практического опыта.

Немаловажное значение на эффективность мембранного разделения оказывает накопление адсорбированных макромолекул и других частиц на поверхности мембраны или внутри нее (т.н. концентрационная поляризация), что более выражено в полимерных мембранах, которые являются относительно гидрофобными и облегчают адгезию, в частности, белков по сравнению с керамическими мембранами. Это приводит к усилению концентрационной поляризации (рис. 3) и в целом оказывает негативное влияние на процесс разделения, вызывая снижение потока пермеата, падение давления, сокращение срока службы мембран, нестабильный состав и качество продукта.

Чтобы контролировать загрязнение и уменьшить проблему закупорки пор, используется процесс тангенциальной фильтрации — проток фракционируемого продукта подается вдоль мембраны.

Спецификой мембран, используемых для обработки молочного сырья, так называемых «молочных» мембран (тип «Dairy») является специальное исполнение, ориентированное на устойчивость материала мембран к каждодневному воздействию «загрязнителей» молочного сырья – преимущественно жиров и белковых соединений, устойчивости к химическим реагентам во время ежедневной мойки мембран для восстановления их производительности, устойчивости к низким и высоким значениям pH и температуры («High pH and temperature (HpHT)», устойчивости к воздействию высокого давления и значительным перепадам давления, высокой селективности по целевым компонентам.

Такое исполнение достигается путем использования специально разработанных компонентов, из которых производится мембрана. При этом все компоненты и сама мембрана должны соответствовать международным и российским стандартам, разрешающим их применение в пищевой промышленности.

Конструктивно полимерные мембраны формируются в плоскорамные или рулонные модули. Плоскорамные модули, это сгруппированные в особом порядке листы мембран (рис. 4 а), главным образом используются для фильтрации, высоковязкого сырья, например, сквашенного молочного сгустка.

Рулонные мембранные модули (рис. 4 б) представляют собой несколько последовательно соединенных рулонных мембранных элементов. Каждый мембранный элемент состоит из нескольких пар мембран, разделенных дренажным слоем, по которому пермеат поступает в перфорированную дренажную трубку, являющуюся центральным пермеатным каналом. Рулонные модули обеспечивают высокую плотностью упаковки мембран в единице объема, относительно низкие потери давления, удобство монтажа и демонтажа элементов, гибкость при проектировании технологических линий мембранной обработки.

Зачастую для производства тех или иных продуктов/ингредиентов из молочного сырья необходим комплекс мембранных процессов. В таких технологиях мембранная фильтрация является ключевым узлом, можно сказать «сердцем» процесса, определяющим качество продукта. При этом качество мембран существенно влияет на качество процесса фильтрации, характеристики готового продукта. Мембраны, изготовленные из высококачественных, инновационных и в то же время проверенных материалов, могут прослужить значительно дольше и при этом существенно снизить эксплуатационные расходы на мембранное оборудование в целом.

ООО ДМП уже много лет занимается поставкой и обслуживанием мембранного оборудования для молочной промышленности. Основываясь на собственном опыте, мы можем подобрать мембраны практически для любой фильтрационной установки и предоставить лучшее решение. На сегодняшний день мы имеем постоянно пополняемый склад мембран на территории РФ, в наличии порядка 2000 шт. различных рулонных полимерных мембран от ведущих мировых производителей: Dupont и KOCH, а также керамические мембраны TAMI и полимерные плоскорамные и рулонные мембраны Alfa Laval. Если необходимый тип мембран отсутствует на нашем складе, то существует возможность поставки мембран под заказ, с максимально оптимизированным сроком поставки. Наши специалисты также могут провести аудит имеющегося на предприятии мембранного оборудования и оказать техническую поддержку при подборе и замене мембран для обеспечения эффективной работы установок мембранного разделения.

Список литературы

1. Мембранные технологии переработки сыворотки: эффективные и рентабельные решения [Текст] / Д. Н. Володин, А. С. Гридин, В. К. Топалов [и др.] // Переработка молока: технология, оборудование, продукция. — 2022. — № 7. — С. 6-11
2. Творожные сыры: как повысить эффективность использования сырья [Текст] / Д. Н. Володин, В. К. Топалов, И.А. Евдокимов, [и др.] // Молочная промышленность. – 2023. — №3. – С.13 – 15.
3. France, T.C.; Kelly, A.L.; Crowley, S.V.; O’Mahony, J.A. Cold Microfiltration as an Enabler of Sustainable Dairy Protein Ingredient Innovation. Foods 2021, 10, 2091. : [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/foods10092091
4. Idarraga-Mora, J.A.; Childress, A.S.; Friedel, P.S.; Ladner, D.A.; Rao, A.M.; Husson, S.M. Role of Nanocomposite Support Stiffness on TFC Membrane Water Permeance. Membranes 2018, 8, 111. https://doi.org/10.3390/membranes8040111