Procesy membranowe: M&M – mleko i membrany

Techniki separacji membranowej to techniki, które znalazły zastosowanie w przemyśle spożywczym, w tym w mleczarskim, w ochronie środowiska czy w technologiach oczyszczania ścieków. Trwające już od kilku dekad prace nad technikami filtracji membranowej wciąż przynoszą zadowalające efekty w zakresie rozdziału mieszanin ciekłych. Techniki takie jak nanofiltracja NF, ultrafiltracja UF czy mikrofiltracja MF stanowią obecnie źródło niezwykle cennej, praktycznej wiedzy w zakresie separacji składników mleka i nie tylko. Specjaliści z branży mleczarskiej mogą czerpać wiedzę na temat tych skutecznych metod rozdziału oraz korzystać z wieloletniego doświadczenia dostawców modułów membranowych.

Modułem membranowym nazywany jest element instalacji, w którym umieszczona jest membrana – półprzepuszczalna przegroda stanowiąca istotę procesu. W przemyśle mleczarskim mleko musi zostać przygotowane w odpowiedni, higieniczny i „mikrobiologicznie czysty” sposób – przez wiele lat cel ten osiągano stosując pasteryzację. Przełom przyniosły właśnie techniki separacji membranowej, a zakłady mleczarskie rozpoczęły masową produkcję mleka o przedłużonej trwałości. Mleko o przedłużonej trwałości – w skrócie ESL (Extended Shelf Life), to znany zakładom mleczarskim produkt, który dzięki mikrofiltarcji, zachował smak świeżego mleka oraz trwałość. Rozpoczęcie produkcji mleka ESL było strzałem w dziesiątkę, o czym świadczy wolumen sprzedaży detalicznej.

Cenne białka i substancje mineralne znajdują się w mleku świeżym. Co prawda zamknięte w kartonowym opakowaniu mleko UHT może być przechowywane w warunkach temperatury pokojowej przez długie miesiące, to jednak w wyniku procesów pasteryzacji, sterylizacji, mleko traci wiele składników odżywczych, a dodatkowo spada wartość sensoryczna produktu. Pod tym względem przewaga mleka ESL nad mlekiem UHT jest znaczna.

W procesie produkcji mleko surowe początkowo schładza się do temperatury około 2-4°C, następnie poddawane jest wirowaniu na wirówkach przy temperaturze 45-60°C i w zależności od założonej przez producenta końcowej zawartości tłuszczu w produkcie, normalizuje się ilość tłuszczu do wymaganego poziomu. Gdy poziom tłuszczu jest satysfakcjonujący, następuje mikrofiltracja, a kolejnym etapem jest homogenizacja mleka. W wyniku procesu homogenizacji prowadzonej w homogenizatorach, kuleczki tłuszczu zawarte w mleku ulegają rozbiciu na wiele mniejszych. Dzięki temu nie następuje podstój tłuszczu. Ponadto produkt zyskuje większą stabilność.

Dobrym rozwiązaniem okazało się połączenie technik membranowych oraz pasteryzacji do produkcji mleka ESL. Efektem tego połączenia powinien być produkt stabilny, pozbawiony mikroorganizmów chorobotwórczych czy martwych komórek. Taki szczelnie zamknięty produkt może być przechowywany w warunkach chłodniczych nawet 21 dni. Zastosowanie mikrofiltracji w produkcji mleka ESL pozwala na usunięcie niepożądanych drobnoustrojów chorobotwórczych przy zachowaniu nieznacznie zmienionej zawartości witamin i minerałów oraz walorów smakowych. Redukcja ilości mikroorganizmów sięga 99,99%.

Mikrofiltracja to jedna z technik separacji membranowej. W mikrofiltracji, półprzepuszczalną przegrodę stanowi najczęściej porowata membrana ceramiczna. W przypadku stosowania membran do produkcji mleka ESL wykorzystuje się te o średnicy porów z zakresu 0,8-1,4 µm. Innowacyjność w technikach membranowych to także efektywna konstrukcja samych membran i ich kanałów. Zastosowanie kształtu kanałów membran innych niż okrągłe pozwoliło tym samym na efektywne i skuteczne zwiększenie powierzchni filtracji. Takie rozwiązanie to znak rozpoznawczy firmy TAMI Industries, która posiada bogate doświadczenie w zakresie dostarczania swoich rozwiązań w przemyśle mleczarskim. TAMI Industries od lat projektuje, wytwarza i wdraża rozwiązania oparte na technikach separacji membranowej. Na rynku można znaleźć także rozwiązania firm GEA, Mlekomat, Alfa Laval, Milk Hydrosan. Ważnym elementem w ciągu technologicznym jest wspomniane odtłuszczenie mleka, ze względu na zapychanie porów membran przez zbyt duże kuleczki tłuszczowe.

Techniki separacji membranowej opierają się na wykorzystaniu selektywnego działania membrany i różnicy ciśnień hydrostatycznych panujących po obu jej stronach. Ciśnienienie transmembranowe powstaje w wyniku różnicy ciśnień hydrostatycznych pomiędzy stroną cieczy pompowanej równolegle do powierzchni membrany, a stroną permeatu. Pod wpływem tych czynników jedne składniki mieszaniny (nadawy) przenikają przez membranę tworząc strumień permeatu, pozostałe zaś tworzą zatężony strumień zwany retentatem. Przepływ cieczy zachodzi równolegle do powierzchni membrany.

Marcin Skrzypek

Właściciel firmy Intermasz – Filtracja Membranowa

Techniki membranowe są ob­szarem ciągłych innowacji produktowych i technologicz­nych. Producenci membran oferują udoskonalone wyroby pozwalające na realizację nowych aplikacji, bądź też prowadzenie znanych wcześniej procesów w sposób bardziej wydajny i ekonomiczny. Dostawcy instala­cji membranowych oferują z kolei nowe rozwiązania techniczne i technologiczne, zwiększając efektywność prowadzonych procesów membranowych. Obserwu­jąc tendencje na rynku europejskim i krajowym moż­na zauważyć wzrost zainteresowania wykorzystaniem technik membranowych – zwłaszcza mikrofiltracji – do produkcji m.in. wyrobów mleczarskich o wydłużonym terminie przydatności lub też o lepszych parametrach jakościowych. Inną z obserwowanych tendencji jest wzrost wykorzystania technik membranowych do produkcji specjalistycznych surowców i półproduktów wykorzystywanych jako dodatki do produktów spo­żywczych lub suplementów diety. Komponenty te są możliwe do uzyskania m.in. dzięki zaawansowanym technikom separacji membranowej, wykorzystującym najczęściej kombinację kilku ciśnieniowych technik membranowych, m.in. mikro-, ultra- czy nanofiltracji. Coraz częściej także stosowane są procesy hybrydo­we, wykorzystujące różne procesy separacyjne, jak np. prądowe techniki membranowe (elektrodializa). Wspomniana wcześniej mikrofiltracja jest najnow­szą i najdynamiczniej rozwijającą się techniką filtracji membranowej w mleczarstwie. Szeroki zakres granic rozdziału membran mikrofiltracyjnych oferuje rozległe możliwości ich zastosowania – nie tylko do coraz po­wszechniejszych aplikacji z zakresu usuwania bakterii i przetrwalników z mleka, czy też solanki serowarskiej, ale coraz częściej także do frakcjonowania składników mleka, maślanki, czy też słodkiej i kwaśnej serwatki. Najnowszą aplikacją jest mikrofiltracja serwatki kwa­śnej w celu jej odpylenia, odtłuszczenia i redukcji pozio­mu mikroflory bakteryjnej. Tak przygotowana serwatka jest całkowicie pozbawiona pyłu kazeinowego, odzna­cza się znaczącą redukcją poziomu OLD, zawiera ca­łość białek serwatkowych i jest doskonałym produktem do dalszego zatężania metodą nanofiltracji lub odwró­conej osmozy oraz demineralizacji i odkwaszania przy pomocy elektrodializy. Instalacja mikrofiltracji zastępuje w takim przypadku wirówkę odtłuszczającą, pasteryza­tor i wirówkę klaryfikującą, pozwalając jednocześnie na uzyskanie lepszych parametrów jakościowych serwatki oczyszczonej. Uzyskiwany w trakcie procesu koncen­trat pyłu kazeinowego i tłuszczu o s.m. > 23% stanowi pełnowartościowy produkt do dalszego wykorzystania. Inaczej, niż w przypadku procesów ultrafiltracji, nanofil­tracji, czy odwróconej osmozy, w których dominującą pozycję zajmują membrany polimerowe, w przypadku instalacji mikrofiltracyjnych bardzo często lub też wy­łącznie (usuwanie bakterii i przetrwalników z mleka, czy serwatki) wykorzystywane są membrany ceramiczne. Jak dowodzi praktyka przemysłowa, instalacje cera­miczne, pomimo wyższych kosztów inwestycyjnych, okazały się niezawodną i atrakcyjną alternatywą dla układów opartych na membranach polimerowych. Kilkukrotnie wyższa wydajność filtracji z jednostki po­wierzchni, wysoka selektywność rozdziału składników, długa żywotność, łatwość i niski koszt regeneracji chemicznej membran to podstawowe zalety membran ceramicznych, które sprawiły, iż membrany te znalazły zastosowanie już w kilkudziesięciu przemysłowych in­stalacjach w polskich zakładach mleczarskich, Firma Intermasz – Filtracja membranowa, specjalizuje się w aplikacjach szerokiego zakresu technik membrano­wych w przemyśle mleczarskim. Prowadzone od ponad 15 lat badania laboratoryjne i półtechniczne, współpra­ca z firmą TAMI Industries (jednym z wiodących produ­centów membran ceramicznych na świecie) oraz z czo­łowymi polskimi wykonawcami i firmami inżynieryjnymi zaowocowały ponad 70 wdrożeniami przemysłowymi w Polsce i w państwach ościennych.

Ze względu na materiał, z którego otrzymywane są membrany można podzielić je na membrany organiczne i nieorganiczne. Membrany polimerowe należą do grupy membran organicznych i otrzymywane są z materiałów takich jak polisulfon, poliamid czy octan celulozy. Podstawowym mankamentem pracy z membranami organicznymi jest ich ograniczona stabilność chemiczna w przypadku kontaktu z roztworami wodnymi o skrajnych wartościach pH oraz z roztworami zawierającymi rozpuszczalniki organiczne. Membrany ceramiczne zaliczane są do grupy membran nieorganicznych stanowiących alternatywę dla membran polimerowych, wykazując większą od nich odporność chemiczną. Ich proces produkcyjny trwa kilka tygodni i jest to technologicznie zaawansowany proces wymagający wiedzy i doświadczenia.

Na świecie jest tak naprawdę kilku liczących się producentów membran ceramicznych, podczas gdy polimery wytwarzane są przez licznych producentów. Membrany ceramiczne są chętnie wybierane ze względu na wyższą wydajność filtracji z jednostki powierzchni, wyższą selektywność rozdziału składników mleka, długą żywotność i prostotę regeneracji. Membrana ceramiczna choć potrafi być znacznie droższa niż polimery w przeliczeniu na jednostkę powierzchni filtracyjnej, to koszt jej regeneracji jest już relatywnie niski.

Jak wspomniano powyżej, w przypadku gdy instalacja membranowa pracuje w trudnych warunkach, dobrym wyborem są membrany ceramiczne. Prace czynione nad ulepszaniem technik membranowych to przyszłość wielu produktów w przemyśle mleczarskim. Innym wykorzystaniem technik separacji membranowej jest zatężanie składników przed procesem zagęszczania bądź przed procesem suszenia rozpyłowego, do odtłuszczenia serwatki, frakcjonowania składników mleka, maślanki czy serwatki zarówno słodkiej jak i kwaśnej, frakcjonowania białek mleka przy produkcji koncentratów kazeinowych czy do standaryzacji kazeiny, a także zmniejszenie ilości związków mineralnych pozostałych w serwatce, odzyskiwanie tłuszczu z maślanki. Dostawcy rozwiązań filtracji membranowej przeznaczonej do zastosowań w przemyśle spożywczym skupiają się również na tym, aby proces przebiegał w warunkach higienicznych, a czystość mikrobiologiczna produktu nie była poddawana w wątpliwość. Niezwykle ważna jest fachowa wiedza, doświadczenie i znajomość procesu, aby w pełni zadowolić klienta z branży spożywczej. Zachowanie standardów i określonych procedur przyczynia się do zachowania jakości, niezawodności i poprawnej pracy oferowanych produktów. Warto dodać, że procesy membranowe to zaawansowane technicznie rozwiązania. W celu doprowadzenia do jak najbardziej wydajnej, efektywnej filtracji z zachowaniem wysokich standardów higieny i maksymalnego uzysku produktu przy zrównoważonych kosztach eksploatacji, bardzo ważny jest prawidłowy dobór właściwej membrany, która sprosta procesowi filtracji. Prace czynione nad ulepszaniem technik membranowych to przyszłość wielu produktów w przemyśle mleczarskim. Zwłaszcza mała skala to bardzo dobry sposób na testowanie pomysłów i jeśli okażą się one trafione – przeniesienie ich z pomocą wykwalifikowanej kadry na skalę masową. Specjaliści analizują wiele aspektów takich jak wydajność z jednostki powierzchni, opory filtracji, graniczną rozdzielczość membran, siłę napędową procesu rozdziału, fouling, właściwości membran ze względu na materiał, z którego są wykonane i szereg innych obliczeń, charakterystyk i zależności. Szansą na utrzymanie się na rynku wydają się być nowe produkty, nowi odbiorcy, ciągły rozwój, postęp w zakresie stosowanych technik i technologii. Techniki separacji membranowej to przyszłość dla przemysłu mleczarskiego, w którą należy zainwestować już teraz. Chcąc być konkurencyjnym w branży mleczarskiej i przetrwać na rynku, producent nie powinien spychać inwestycji z wykorzystaniem technik separacji membranowej na dalszy plan.

Przykłady zastosowań filtracji membranowej:

• ekstrakcja,
• koncentracja,
• oczyszczanie,
• klaryfikacja,
• frakcjonowanie,
• odzysk środków myjących,
• uzdatnianie wody,
• wstępne zagęszczanie.