Совершенствование процесса выделения белков молока и молочной сыворотки методом электрофлотации

Сбросы пищевых производств загрязняют окружающую среду, поскольку при переработке пищевого сырья участвуют вода и воздух. Пищепе-рерабатывающие предприятия ухудшают экологическую обстановку, несмотря на то, что они непосредственно не производят и не используют токсичные вещества.

Во многих странах мира уделяется серьезное внимание проблеме очистки сточных вод молочного производства в связи с высокой концентрацией содержащихся в них органических веществ. Сточные воды молокоперераба-тывающих предприятий представляют собой многокомпонентную дисперсную систему, содержащую белки, жиры, углеводы. Белки молока и молочной сыворотки являются наиболее универсальным и ценным источником аминокислот. Однако, попадая в сточные воды молокоперерабатывающих предприятий, белки делают их опасными для окружающей среды вследствие потребления значительных количеств кислорода при окислении. Наиболее концентрированной частью сточных вод молочного производства являются смывные воды, образующиеся при первом ополаскивании оборудования и содержащие остатки молочной продукции.

Первичная механическая очистка сточных вод предприятий молочной промышленности включает отстаивание, фильтрование, центрифугирование, вторичная — биологическая очистка, основана на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения водоемов. Традиционно применяемые методы извлечения белков дороги, мало эффективны, не обеспечивают соблюдения требуемых стандартов по качеству воды и занимают значительные производственные площади.

Повышение эффективности разделения суспензий возможно физико-химическими методамиэлектрофлотацией, коагуляцией, флокуляцией. Разработка научных основ очистки сточных вод пищевых предприятийактуальная задача, позволяющая решать вопросы охраны окружающей среды и утилизации содержащихся в воде ценных продуктов.

Актуальность проблем промышленной экологии, связанных с организацией высокоэффективной очистки промышленных стоков от биоорганических высокомолекулярных соединений подтверждена заключением Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Воронежской области (Приложение 1).

По данным Международной молочной федерации до 50% мирового объема молочной сыворотки направляется в канализацию. Известно, что для окисления 1 л сыворотки необходимо 50 г кислорода, что более чем в 10 раз превышает этот показатель для бытовых сточных вод.

Вместе с тем, в настоящее время становятся все более актуальными вопросы снабжения населения белковыми продуктами питания. При остром дефиците животного белка в питании человека на Земле имеются значительные запасы белкового сырья, которое используется нерационально. К таким источникам запасов относятся вторичные сырьевые ресурсы молочной промышленности. Особая роль в решении указанных вопросов отводится молочной сыворотке, содержащей около 200 ценных компонентов молока.

Высокая биологическая и пищевая ценность белков молочной сыворотки обуславливает целесообразность их выделения и использования в виде пищевых продуктов для непосредственного употребления или в качестве полуфабрикатов с целью обогащения различных продуктов питания и кормов для сельскохозяйственных животных.

Несмотря на большое разнообразие способов выделения белковых компонентов из молочной сыворотки эта проблема остается актуальной и требует разработки новых, более эффективных и менее энергоемких методов.

Теоретические и практические аспекты флотационного разделения белковых систем исследовались в работах А. И. Русанова, В. Г. Левича, В. Н. Измайловой, Б. М. Матова, Г. Л. Генцлера. Однако подробное исследование таких процессов в отношении белков молока и молочной сыворотки не проводилось.

Цель диссертационной работы: разработка научно обоснованных путей повышения эффективности процесса извлечения белковых веществ из водных гетерогенных систем, в том числе, из промышленных стоков молочного производства и из сыворотки электрофлотацией с применением коагуляции и флокуляции.

Научная новизна:

— установлены кинетические закономерности процесса электрофлотационного выделения белков молочного происхождения из водных растворов;

— интерпретирован механизм процесса массоотдачи в системе межфазная поверхность — жидкая фаза при электрофлотационной обработке водных систем, содержащих белок и белок — полиэлектролитный комплекс;

— изучены закономерности процесса электрофлотации белоксодержа-щих растворов, позволяющие направленно регулировать аминокислотный состав пенного продукта;

— разработана математическая модель нестационарного процесса флотационного выделения белков из водных растворов.

Практическая значимость работы. Разработан способ и определены рабочие параметры извлечения казеина и сывороточных белков из водных гетерогенных систем методом электрофлотационной обработки раствора, подтвержденный положительным решением о выдаче патента РФ. Разработаны практические рекомендации по повышению эффективности процесса очистки сточных вод от белковых загрязнений путем их дестабилизации введением полиэлектролита в раствор перед электрофлотацией. Конкретизированы условия проведения электрофлотации для получения пенного белкового продукта, обогащенного отдельными аминокислотами. На основе токсикомет-рической оценки установлена возможность применения полученного белкового продукта в кормовых целях. Разработана конструкция электрофлотационного аппарата для выделения белков из сыворотки.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной академии (с 2001 по 2004 г. г.), Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, 2002 г.), Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003 г.), Всероссийской науч.-практич. конф. «Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (Уфа, 2003 г.), VII Всероссийской науч.-технич. конф. «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2004 г.).

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе получено положительное решение о выдаче патента РФ.

На защиту выносятся:

— новый способ извлечения белковых веществ из водных гетерогенных систем путем электрофлотационной обработки раствора, что подтверждает рабочую гипотезу;

— научно обоснованные параметры предварительной дестабилизации белковых компонентов гетерогенных систем катионным полиэлектролитом с целью повышения эффективности процесса электрофлотации;

— полученные закономерности влияния температуры и плотности тока на условия массоотдачи в газо-жидкостной системе при электрофлотационном выделении белков;

— теоретически обоснованные и экспериментально доказанные значения параметров направленного регулирования аминокислотного состава пенного продукта изменением плотности тока в процессе электрофлотации;

— анализ условий, определяющих скорость и равновесное распределение белков между раствором и поверхностным слоем;

— математическая модель нестационарного процесса флотационного выделения белков из водных растворов;

— новая конструкция электрофлотатора для выделения белков из молочной сыворотки;

— предложения по практическому внедрению процесса электрофлотации в молокоперерабатывающее производство.

В первой главе проведен аналитический обзор информационных источников в области процессов разделения водных гетерогенных систем. Подробно рассмотрены теоретические положения и практические аспекты реализации процессов поверхностного разделения. Приведены сведения о современном состоянии аппаратурного оформления флотационных процессов. Выполненный анализ позволил сформулировать вывод о том, что проблема извлечения белковых компонентов из водных гетерогенных систем методом флотационного сепарирования требует теоретического обоснования и проведения экспериментальных исследований. Применение электрофлотации наиболее целесообразно, с точки зрения возможности направленного регулирования размеров газовых пузырьков и формирования условий массоотдачи в газо-жидкостной системе.

Во второй главе приведена структурная схема исследований, дана характеристика объектов разделения, описана лабораторная экспериментальная установка, приведена методика выполнения эксперимента и методы исследований.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса электрофлотационного разделения водных белоксодержа-щих систем и проведено их обсуждение. На основе полученных результатов разработана и проверена на адекватность математическая модель нестационарного процесса флотационного выделения белков из водных растворов.

В четвертой главе приведена характеристика основных физико-химических свойств пены и пенного продукта, полученных методом электрофлотации.

В пятой главе на основе проведенных исследований представлены рекомендуемые технологические регламенты физико-химической очистки промышленных сточных вод от белковых загрязнений и процесса выделения сывороточных белков из сыворотки. Разработана конструкция электрофлотационного аппарата для выделения белковых компонентов из водных гетерогенных систем. Даны рекомендации по практическому внедрению полученных результатов на предприятиях молочной промышленности. Исследована эффективность применения пенного концентрата подсырной сыворотки в качестве кормовой добавки для животных.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом по заданию Министерства образования Российской Федерации по теме: «Исследование закономерностей и влияния содержания токсикантов в объектах производственной деятельности на окружающую среду», № гос. per. 01.200.1.186.4.

Выводы.

1. Научно обоснованы и разработаны направления совершенствования процесса извлечения белковых веществ из водных гетерогенных систем, в том числе из промышленных стоков молочного завода и сыворотки с применением электрофлотационного метода разделения.

2. Установлены коллоидно-химические особенности процессов коагуляции и флокуляции белков промышленных стоков молочного производства и молочной сыворотки с применением катионного полиэлектролита. Определены концентрационные и температурные параметры процесса: 3,2 мае. % (раствор ВПК-402 с м.д. 5%), 30- 40 °Сдля промышленных стоков и 2,1- 2,6 мае. % (раствор ВПК- 402 с м.д. 9%), 40- 50 °Сдля молочной сыворотки.

3. Установлен рекомендуемый диапазон параметров процесса: 30−40°С,.

2 2 плотность тока 60- 120 А/м — для обработанных реагентом систем и 150 А/м при выделении белков из сыворотки в нативном состоянии.

4. Разработана и проверена на адекватность математическая модель процесса извлечения белков из водных растворов электрофлотацией, позволяющая прогнозировать результаты проведения процесса при различных условиях.

5. Определены параметры направленного регулирования аминокислотного состава пенного продукта. Определены условия его обогащения проли-ном, треонином и аргинином при 50 А/м2, лизином, лейцином, аспаргиновой кислотой, валином, серином, изолейцином и тирозином при 100 А/м, гисти-дином, метионином, цистином, глицином, фенилаланином и глютаминовой кислотой при 150 А/м .

6. Комплексные исследования физико-химических показателей пены и пенных продуктов (устойчивость, кратность, влагосодержание, электропроводность, химический состав, аминокислотный состав, токсикологическая оценка) позволили обосновать способы рационального использования полученных белковых продуктов.

7. Разработана конструкция электрофлотационного аппарата для выделения белковых компонентов из водных гетерогенных систем.

8. Результаты исследований апробированы в производственных условиях, что подтверждено актами промышленных испытаний.

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОМУ ВЫДЕЛЕНИЮ БЕЛКОВ МОЛОКА И МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ.

5.1. Разработка проектов технологических регламентов выделения белков из водных гетерогенных систем методом электрофлотации и коагуляции.

Результаты исследований процесса коагуляции белков молока и молочной сыворотки полиэлектролитом, а так же влияния параметров газожидкостной системы на процесс электрофлотации стали основой для разработки проектов технологических регламентов физико-химической очистки промышленных сточных вод от белковых загрязнений и процесса выделения сывороточных белков из сыворотки (рис. 5.1, 5.2).

Рис. 5.1. Технологический регламент физико-химической очистки промышленных сточных вод от белковых загрязнений.

Согласно проекту регламента, представленного на рис. 5.1., на первом этапе готовится 5%- ный раствор реагента, который добавляется в промышленные стоки молочного производства с содержанием белка 0,2−0,5% в количестве 3,2 мае. % при температуре 30−40 °С. После предварительной дестабилизации белковых компонентов в течение 120 сек смывные воды направляются в электрофлотационный аппарат, где подвергаются обработке при плотности тока 60−120 А/м2 в течение 180−300 секунд. В процессе электрофлотации происходит осветление сыворотки с содержанием белка 0,2−0,5% и переход белковых компонентов смывных вод в пенный продукт. В результате получаем очищенную жидкость с содержанием белка 0,08−0,1% и комплекс белок — катионный полиэлектролит, который может быть использован в качестве кормовой добавки.

Рис. 5.2. Технологический регламент процесса выделения сывороточных белков из сыворотки.

Представленный на рис. 5.2. проект технологического регламента выделения сывороточных белков позволяет получить не только комплекс белок-катионный полиэлектролит, но и выделить белки в нативном состоянии без предварительной обработки реагентом. Кроме того, при регулировании плотности тока белковый концентрат может быть обогащен отдельными аминокислотами.

Разработанные нами проекты технологических регламентов позволяют рационально решить проблемы экологического влияния предприятий на окружающую среду и получить дополнительный источник белков.

На базе ОАО «Павловскмолоко» была проведена опытно — промышленная проверка результатов выработки белкового концентрата из смывных вод, полученного на основе процесса коагуляции белков смывных вод катионным полиэлектролитом ВПК — 402 согласно технологического регламента, представленного на рис. 5.1.

Испытания проводились в соответствии с планом научных работ Минобразования РФ «Исследование закономерностей и влияния содержания токсикантов в объектах производственной деятельности на окружающую среду», № гос. per. 01.200.1.186.4, код темы по ГРНТИ 87.15.07.

Разрабатываемый способ осуществляли следующим образом. На первом этапе готовили водный раствор ВПК- 402 с концентрацией 5%. Затем вводили раствор реагента в количестве 3,2 мае. % в смывные воды. Процесс проводили при температуре 30−40 °С. После завершения коагуляции для отделения белкового концентрата обработанную жидкость центрифугировали (т= 300 сек., п= 3000 об/мин.).

Показатели смывных вод до обработки и после нее представлены в таблице 5.1.