Odpady: Zagospodarowanie odpadów z przemysłu mleczarskiego

Tematyka odpadów, związanych z przemysłem spożywczym, to niezwykle rozległy obszar obejmujący mnóstwo zagadnień, teorii i przeróżnych rozwiązań nie tylko w zakresie nauk technicznych i technologicznych, ale także prawnych, ekonomicznych i środowiskowych. Bezodpadowa gospodarka w dzisiejszych czasach wydaje się już prawie niemożliwa. Produkcja przemysłowa rozwija się, a prawo nie zawsze nadąża z przygotowaniem stosownych do danego problemu przepisów i regulacji.

Na nierozważnej gospodarce odpadami cierpi najbardziej środowisko naturalne, a w konsekwencji również i ludzie. Powszechnie znane są problemy związane z zagospodarowaniem odpadów zwłaszcza tych, które „produkowane” są na dużą skalę, będąc wynikiem pracy różnych instalacji przemysłowych.

Odpad definiuje się w różnoraki sposób biorąc pod uwagę: przydatność użytkową, źródło pochodzenia, uciążliwość dla środowiska i uwarunkowania prawne. Zasadniczo odpady określane są jako wszystkie przedmioty oraz substancje stałe jak i również niebędące ściekami ciekłe substancje, które powstały jako wynik prowadzonej przez działalności gospodarczej bądź bytowania człowieka. Przedmioty te i substancje są nieprzydatne w miejscu, a także czasie, w którym powstały. Za odpady uważa się również osady ściekowe.

Zagrożenia ekologiczne, czyli zjawiska oraz procesy przyrodnicze mogą prowadzić do pogorszenia warunków życia, negatywnie wpłynąć na zdrowie lub przyrodę wokół nas. Przemysł mleczarski oddziałuje w głównej mierze na jakość wód otwartych, w mniejszym stopniu zaś na jakość powietrza i gleby. Dzieje się tak ze względu na specyfikę surowca oraz na technikę i technologię.

W przemyśle spożywczym zużywa się znaczne ilości wody, odprowadza duże ilości ścieków płynnych, a ponadto składowane są uciążliwe odpady w ilości rosnącej w każdej chwili. Około 99% odpadów powstałych w przemyśle poddawanych jest odzyskowi. Składowaniu poddawanych jest około 1,1% powstających odpadów. Do głównych odpadów powstających w przemyśle mleczarskim zalicza się serwatkę. Dalszemu przetworzeniu ulega około 15% serwatki.

Serwatka sprzedawana jest na paszę dla zwierząt, a w nielicznych przypadkach jest proszkowana. Serwatkę przetwarza się także na wyroby jadalne bądź na te stosowane do produkcji alkoholu. Nie należy kierować jej na wylewiska. Serwatka stosowana jest także do uzyskania biomasy drożdżowo-białkowej oraz środków fermentacyjnych do produkcji antybiotyków, paliw, białek jednokomórkowców. Utylizacja odpadów przeprowadzona w sposób prawidłowy przynosi oprócz korzyści finansowych również pozytywny wpływ na środowisko. Wiadomo że odpady pochodzące z przemysłu rolno-spożywczego zawierają wiele cennych składników odżywczych, a także innych składników, które są przydatne w różnych procesach produkcyjnych. To z kolei powinno mieć zasadniczy wpływ na sposób ich dalszego wykorzystania, dlatego też prowadzone są badania mające na celu prawidłową gospodarkę odpadami.

Jednym z głównych odpadów pochodzących z przemysłu mleczarskiego to: maślanka, serwatka, mleko paszowe. Maślanka stanowi produkt uboczny powstający podczas przetwarzania śmietany na masło. Przeciętnie maślanka to przede wszystkim woda (92%), około 4% laktoza, 3% związki azotowe, około 0,5% tłuszczu oraz około 0,5% innych związków mineralnych. Z kolei serwatka to produkt uboczny powstały w wyniku produkcji serów, twarogów, kazeiny lub innych preparatów białek mleka. W przypadku serwatki jej skład chemiczny podyktowany jest składem chemicznym mleka.

Wyróżnia się serwatkę podpuszczkową, kwasową, kazeinową. Poszczególne składniki oscylują wokół wartości takich jak około 5% suchej masy, 0,03% tłuszczu, 0,5% białka, około 5% laktozy, około 0,8% to popiół. W przypadku mleka paszowego należy wspomnieć, że jest to produkt uboczny o płynnej konsystencji, który stanowi odpad z linii produkcyjnej, wszelkie zlewki czy też wycieki ze zwrotów. Odpady mleczarskie opisane wyżej są poddawane różnym sposobom utylizacji, do których należą w przypadku maślanki na przykład: wtórny przerób jako półprodukt do produkcji maślanki spożywczej bądź sera prasowanego III gatunku, który przeznacza się do topienia tzw. gouda maślankowa bądź też przekazywana była do innych zakładów mleczarskich do dalszego wykorzystania.

W kwestii serwatki, odpad ten przekazuje się rolnictwu, a następnie do bezpośredniego spasania. Jeśli chodzi o mleko paszowe to również ten odpad może zostać przekazywany rolnictwu i następnie do spasania bezpośredniego.

Z całego sektora rolno-spożywczego przemysł mleczarski jest branżą, w której potrzeby produkcyjne, a także obsługa infrastruktury zakładowej wymaga dostarczenia największej ilości wody, która zużywana jest na mycie urządzeń lub posadzek w zakładach. To z kolei generuje duże ilości ścieków, a te muszą zostać odprowadzone do oczyszczalni ścieków. Ścieki pochodzące z przemysłu mleczarskiego niosą ze sobą duży ładunek zanieczyszczeń, a to ze względu na obecne w nich pozostałości wypłukanego, przerabianego mleka, których zawartość może sięgać nawet 4%. Ponadto oprócz odpadów pochodzących bezpośrednio od surowca dochodzi jeszcze problem związany z opakowaniami, których przemysł mleczarski generuje bardzo dużo w postaci odpadów. Charakterystyczne są odpady powstające w przemyśle mleczarskim w postaci produktów ubocznych produkcji tj. serwatka, osady z wirówek i innych urządzeń, skrzepów, albo wręcz kawałków serów bądź odpadów poprodukcyjnych, które nie spełniły na przykład wymogów jakościowych.

Problemy z zanieczyszczeniem powietrza wynikłego z działalności zakładów mleczarskich są związane z emisją zanieczyszczeń w postaci sadzy, popiołu, związków lotnych, których źródła upatruje się w związku z suszeniem rozpyłowym mleka bądź serwatki. Przyczyną emisji pyłów do atmosfery mogą być na przykład niesprawnie działające urządzenia odpylające jak chociażby cyklony. Problemem są także związki chemiczne wydostające się z instalacji chłodniczych. Zakłady mleczarskie realizują różne działania związane z poprawą bezpieczeństwa ekologicznego, takie jak: zwiększenie ekologicznej świadomości pracowników poprzez szkolenia, zwiększenie zakresu obowiązków oraz zwiększenie wpływu na decyzje podejmowane w obrębie stanowiska pracy. Kolejnym sposobem jest zmniejszenie strat i przecieków podczas gospodarowania surowcami, poprzez regularne oględziny powierzchni magazynowych, magazynowanie zbiorników na powierzchni utwardzonej oraz dbanie o nieblokowanie przejść. Poszerzany jest także zakres automatyzacji produkcji, uzdatnianie wody do procesu produkcji. Stosowane są również działania ograniczające zły wpływ na środowisko naturalne w dziale transportu, a także mające zredukować poziom hałasu, a także sterowanie stanem powietrza w obszarach produkcyjnych. Zakłady mleczarskie mogą też przeznaczać środki finansowe na inwestycje, często kosztochłonne tj. budowa własnej oczyszczalni ścieków, zakup nowego kotła, systemu chłodzenia, nowej technologii, oprogramowania i sprzętu informatycznego, zakup filtrów do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłowych oraz wdrożenie systemu zarządzania środowiskowego.

Serwatka to uboczny produkt przeróbki mleka na twarogi, sery podpuszczkowe lub kazeinę. Biorąc pod uwagę skład, a także parametry fizyczno-chemiczne, serwatka może być słodka lub kwaśna. Słodka serwatka powstaje w wyniku ścięcia mleka podpuszczką, natomiast kwaśna w wyniku koagulacji mleka. W Polsce przeważa duża ilość serwatki kwaśnej, ze względu na dużą produkcję serów twarogowych i termizowanych. Możliwe jest otrzymanie z serwatki proszków serwatkowych, laktozy albo koncentratów białek serwatkowych. W membranowych procesach zagęszczania serwatki produktem ubocznym jest permeat, z którego można jeszcze uzyskać laktozę, syrop laktozowy, kwasy organiczne, alkohol, biomasę oraz paliwo przemysłowe.

Serwatka może być wykorzystywana w wielu gałęziach przemysłu nie tylko spożywczego, ale i farmaceutycznego. Dla przemysłu ważne są składniki serwatki tj. białka, laktoza, tłuszcz mlekowy, witaminy, związki mineralne, związki azotowe, aminokwasy i niebiałkowe enzymy. Serwatkę można także wykorzystywać do produkcji alkoholu etylowego, który ma zastosowanie w przemyśle spożywczym, chemicznym, farmaceutycznym czy kosmetycznym. Zutylizowanie serwatki to poważny problem, m.in. ze względu na biochemiczne zapotrzebowanie na tlen.

Warto zwrócić uwagę na fakt, że serwatka stanowi przeszkodę w poprawnym przebiegu procesów biologicznych wykorzystywanych w konwencjonalnym sposobie oczyszczania ścieków. Jeśli wprowadzi się serwatkę do środowiska naturalnego, skutkować to będzie zmianami w fizycznej i chemicznej strukturze gleby, ponadto może spowodować zmniejszenie plonów. Gdy dojdzie do zanieczyszczenia serwatką zbiorników wodnych doprowadza do wyniszczenia ekosystemów wodnych ponieważ dochodzi do wyczerpywania rozpuszczonego w wodzie tlenu. Dlatego ścieki pochodzące z przemysłu mleczarskiego charakteryzują się większą ilością zanieczyszczeń organicznych, w porównaniu ze ściekami komunalnymi bądź bytowymi.

Unieszkodliwianie odpadów jest kosztowne, toteż nie dziwią nieustanne próby poradzenia sobie z nimi przez przemysł mleczarski. Osad ściekowy poddaje się zagęszczeniu mechanicznemu, stabilizacji tlenowej w wydzielonych komorach oraz procesowi odwadniania przy wykorzystaniu prasy filtracyjnej. Osad z kolei wykorzystywany jest do nawożenia gleb, a to ze względu na to, że osady uzyskiwane ze ścieków pochodzących z przemysłu mleczarskiego charakteryzują się wysoką zawartością związków biogennych, z kolei zawartość azotu czy fosforu stanowi o ich własnościach nawozowych. Osady z przemysłu mleczarskiego są bogate w substancje organiczne, nawozowe, a to z kolei uzasadnia ich wykorzystanie w postaci pełnowartościowego nawozu, który zapewni prawidłowy rozwój roślin. Te osady, które powstają w oczyszczalniach ścieków mogą również podlegać procesom przeróbki, które umożliwią ich wykorzystanie w postaci nawozu albo też zastosowanie do rekultywacji.

Białka serwatkowe to powszechnie uznane białka o właściwościach prozdrowotnych. Ich właściwości odżywcze sprawiły, że stały się pożądanym funkcjonalnym składnikiem żywności. Te białka serwatkowe, które stosowane są do wzbogacania produktów żywnościowych posiadają status GRAS, czyli Generally Recognized As Safe. Co ważne, białka serwatkowe zawierają wszystkie aminokwasy egzogenne, których to organizm nie potrafi samodzielnie syntetyzować, a są one z kolei konieczne do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Wynika z tego, że produkty wzbogacone w białka serwatkowe są pełnowartościowe. Producenci z branży mleczarskiej poszli o krok dalej wykorzystując powstałą serwatkę do produkcji nowego wyrobu – napojów serwatkowych typu mlecznego, gaszące pragnienie i napojów z sokiem owocowym. Technologia przetwarzania serwatki a także prowadzone prace nad udoskonaleniem metod separacji oraz frakcjonowania białek serwatkowych pozwalają na wyprodukowanie preparatów białek, które znajdują się w serwatce w niewielkich ilościach.

Jeśli chodzi o powstały w procesie frakcjonowania białek permeat to również znaleziono rozwiązanie w kwestii zagospodarowania i wykorzystuje się go do produkcji pianki poliuretanowej i plastików biologicznie rozkładalnych. Do produkcji bioenergii idealnie mogą posłużyć ścieki i odpady z przemysłu spożywczego z powodu łatwo rozkładalnych zanieczyszczeń organicznych, ponadto charakteryzują się wysoką zawartością wody i mikroelementów niezbędnych mikroorganizmom do życia.

Ze względu na całe spektrum odpadów organicznych powstających w branży mleczarskiej znaczną ich część można wykorzystać na cele energetyczne i tym samym rozwiązaniu ulega problem związany z koniecznością ich unieszkodliwiania. Co więcej należy wspomnieć, że zastosowane technologie obróbki odpadów mogą się znacznie od siebie różnić. W przypadku optymalizowania wydajności procesu i maksymalizacji produkcji biogazu, a także zawartości metanu w biogazie należy mieć na uwadze to, że metan stanowi około 65% ogólnego składu biogazu.

Nadmierny osad ściekowy poddawany jest zagęszczaniu mechanicznemu, tlenowej stabilizacji w wydzielonych komorach, a następnie odwadnianiu przy użyciu prasy filtracyjnej. Osad ten wykorzystywany jest do nawożenia z uwagi na zawartość azotu i fosforu. Należy jednak pamiętać o tym, że produkcja biogazu w biogazowniach generuje spore ilości pofermentu – czyli odpadu, który siłą rzeczy wymaga zagospodarowania.

Co więcej w kwestii pracy z odpadami powstaje wiele różnych ciekawych rozwiązań przynoszących wymierne, widzialne efekty bądź stanowiące swoisty element ułatwiający bądź podnoszący wydajność całego ciągu technologicznego. Przykładem takiej instalacji może być ultradźwiękowa dezintegracja osadów ściekowych. Tego typu rozwiązanie polega na dostarczaniu z zewnątrz energii w postaci ultradźwięków, które powodują niszczenie, dezintegrację struktur komórkowych obecnych w osadach ściekowych. Niszczeniu ulegają również cząsteczki materii organicznej. W wyniku rozkładania struktur komórkowych do fazy ciekłej osadów ściekowych dochodzi do uwalniania enzymów, substancji które podlegają łatwemu rozkładowi. Takie zabiegi mają na celu ułatwienie ich przepompowywania, a co więcej ich powierzchnia czynna zwiększa się. Ostatni aspekt jest szczególnie istotny ze względu na prowadzoną później fermentację. Odpowiednio przygotowany, poddany dezintegracji ultradźwiękowej osad powoduje, że proces fermentacji przebiega znacznie szybciej oraz zauważalnie stabilniej. Z tego samego ładunku materii organicznej w krótszym czasie możliwe zatem jest uzyskanie większej ilości biogazu. W przefermentowanych osadach ilość materii organicznej maleje, gdyż została przetworzona na biogaz. Problemy odnośnie do pienienia wynikłego z obecności bakterii nitkowatych również zostają rozwiązane. Obecne na rynku rozwiązania zakładają wykorzystanie jednego bądź kilku połączonych w szereg reaktorów cylindrycznych, wyposażonych w mieszadło, a także zamontowane wokół niego i sięgające osadów oscylatorów. Całość dezintegracji prowadzi się w przeciwprądzie. Osady poddaje się dezintegracji ultradźwiękowej w sposób ciągły i długotrwały.

Rynek oferuje klientom różnorodne rozwiązania w kwestii gospodarki odpadami. Rozwiązaniem szczególnie zasługującym na uwagę jest przetwarzanie biodegradowalnych odpadów na nawóz organiczno-wapniowy. To tak zwana biogospodarka, która opiera się na rozwoju technologii w kierunku dążenia do przekształcania odpadów w wartościowe produkty, które mogą stać się z kolei surowcami w kolejnych procesach technologicznych. Co więcej odpady organiczne, które pochodzą z rolnictwa i przemysłu spożywczego to źródło bardzo cennych substancji, tym bardziej wartościowych gdyż są istotne dla żyzności gleby – jednak, aby mogły zostać dobrze wykorzystane, wymagają odpowiedniego przetworzenia. Dostępny na rynku nawóz organiczno-mineralny to nawóz w skład którego wchodzą związki wapnia oraz związki organiczne. Część organiczna nawozu składa się z szeregu związków powstałych w procesie hydrolitycznych przemian. W instalacji produkcyjnej, a ściślej w reaktorze, w obecności wody, pary wodnej, tlenku i wodorotlenku wapnia temperatura wynosi 60-140°C. W takich sprzyjających warunkach możliwy jest rozkład substancji organicznej do bioaktywnych związków: polipeptydów, peptydów, białek, aminokwasów, związków aromatycznych, glikoproteidów, flawonoidów, estrów, prekursorów fitohormonów, regulatorów wzrostu. W egzotermicznej reakcji powstają hydrat wapnia, węglan wapnia, sole wapniowe kwasów organicznych. W procesie technologicznym cząsteczki substancji organicznej są pokrywane certyfikowanym tlenkiem wapnia, który w reakcji karbonizacji, czyli w reakcji z wodą i ditlenkiem wapnia tworzy trwałe węglany wapnia, które „otoczkują” związki organiczne i substancje mineralne w nich zawarte. Wszystko to sprawia, że po zastosowaniu jako nawóz do gleb nie ulegają one rozpadowi w szybkim tempie – mineralizacji – lecz są stopniowo uwalniane – tworząc tym samym nawóz o kontrolowanym uwalnianiu związków organicznych. Co niezmiernie istotne, związki wapnia w nawozie, a w szczególności powstałe jony wodorotlenowe powstałe z dysocjacji w glebie hydratu wapnia i węglanów wapnia łączą się z jonami wodorowymi i tym samym skutecznie podwyższają pH roztworu glebowego działając odkwaszająco.

Nie sposób nie wspomnieć również o tym, że gleby w Polsce są w przeważającej mierze zakwaszone, a nawóz ten doskonale wpisuje się w potrzeby rolnictwa. Dodatkowo przy powszechnym spadku zawartości masy próchniczej w glebach uprawnych, okazuje się, że nawóz powstały w wyniku mądrego przetworzenia odpadów w instalacji stanowi również doskonałe źródło uzupełniania i odbudowy próchnicy glebowej, zwłaszcza że w nawozie znajdują się związki częściowo rozłożone do form prostych, a więc tym samym są bardziej przydatne do budowy związków próchniczych. Produkt wynikowy przetwarzania odpadów w instalacji producenta ma jeszcze dodatkową zaletę – oddziałuje korzystnie na rozwój i namnażanie się pożytecznej flory bakteryjnej i grzybowej gleby pomagając tym samym w utrzymaniu prawidłowej homeostazy w glebie. Związki powstające wskutek rozkładu substancji organicznej nawozu stymulują stożki wzrostu korzeni i włośników. Jest to produkt wprowadzony na rynek i dostępny w sprzedaży.

Współczesna gospodarka obiegu zamkniętego powoli staje się koniecznością. Skuteczne, przeprowadzone do końca przetworzenie odpadów biodegradowalnych i to w miejscu ich powstawania w sposób bezemisyjny, bezodpadowy, innowacyjny, oszczędny i bezpieczny na tak skuteczny nawóz to prawdziwa rewolucja nie tylko w technologii zagospodarowania odpadów, ale także w nawożeniu i w tworzeniu produktów przyjaznych dla środowiska. Dzięki tak innowacyjnemu rozwiązaniu, oczyszczalnie miejskie, zakłady produkcji żywności, zakłady mleczarskie itp., nie muszą już przeznaczać dodatkowych środków na utylizację odpadów biodegradowalnych ani ponosić odpowiedzialności za te wytwarzane odpady.

W obszarze zagospodarowania odpadów biodegradowalnych wiele już zostało zrobione, pozostaje nam mądrze dbać o środowisko w którym żyjemy, gdyż wiemy już jak to robić.