Применение мембранных процессов при утилизация подсырной сыворотки с использованием ультрафильтрации (50 т/сут.).

Мембранные системы БИОКОН.

 

ЗАО «Научно-производственное предприятие БИОКОН»

Генеральный директор, к.т.н., Зябрев А..Ф.

 

1.      Исходные данные:

      1) Максимальный объем сыворотки  - 50 т в сутки;

      2) Режим работы: одно сменный по 12 часов.

      3) Рабочий режим при ультрафильтрации: - ультрафильтрация – 10 час в смену;

                                                                               - мойка и регенерация мембран – 2 час в смену.

 

2.      Предлагаемые решения.

1)      Концентрирование сыворотки в 6-7 раз до содержания сухих веществ 11,5 % с возвратом ее в качестве заменителя молока в производство мягких сыров и творога.

2)       Получение сухого сывороточного концентрата СКБ-УФ с содержанием белка  52%.

3)      Получение сухого высокоочищенного сывороточного концентрата СКБО-УФ с содержанием белка 70 - 80%.

4)      Получение сбалансированной высокоочищенной аминокислотной смеси.

3.      Описание процессов.

         Предварительная обработка сыворотки перед ультрафильтрацией включает осветление (отделение остатков жира и казеина) и пастеризацию с целью подавления заквасочных культур.

          Обычно отделение жира и казеина из сыворотки, производится на центробежном сепараторе-сливкоотделителе производительностью 5200 л/ч по исходному потоку сыворотки. Сепаратор делит поток на обезжиренную сыворотку при производительности 5000 л/ч и жирную сыворотку с содержанием жира около 9 % при производительности 200 л/ч.

         Обезжиренная сыворотка после тепловой пастеризации, выдерживается в течение 30 мин при температуре 55-60 ⁰С для того, чтобы высадить фосфат Са, являющийся основным источником забивания мембран, и направляется на стадию ультрафильтрации.

 

3.1.            Концентрирование сыворотки в 6-7 раз до содержания сухих веществ 11,5 % (30% WPC) с возвратом ее в качестве заменителя молока  в производство мягких сыров и творога или с последующей сушкой.

3.1.1.      Процесс.

           Возврат концентрированной сыворотки в качестве заменителя молока возможен только при производстве мягких сыров и творога. При этом требуется некоторая подработка технологии, связанная с определением соотношения в смеси молока и заменителя молока, при этом необходимо учитывать, что доля (содержание) сывороточных белков будет постепенно увеличиваться в сыворотке после каждого использования смеси.

          Схема процесса ультрафильтрации и содержание компонентов сыворотки в процессе концентрирования приведены ниже.

 

СХЕМА ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СЫВОРОТКИ

                       

                                                                       УМС-100                           УМС-100

                                                                                                                      Концентрат

                                         Сыворотка  5000 л/час                           2500 л/ч                                   800 л/час      

                                      

 

                                                                                                   

                                                                                                                                                     Фильтрат 4200 л/час

 

Таблица 3.1. Содержание компонентов в сыворотке,  концентрате и пермеате.

 

 

           Концентрированная сыворотка непрерывно выводится из установки с производительностью 800 л/час и направляется через пастеризатор в накопительную емкость для дальнейшего использования в качестве заменителя молока или последующего выпаривания и сушки.

         Отходом процесса является пермеат – раствор, в котором содержится около 82 %  лактозы.

 

      3.1.2. Оборудование (основное).

1)      Ультрафильтрационная установка УФС-200

      (на базе 2-х модулей УМС-2/100 (100 м²)  ЗАО «БИОКОН») – 1 шт.  ……….. $ 69700.

 

             3.1.3.   Экономические показатели.

 Годовая производительность: по заменителю молока (160 дней в году) -  1280 т,

         Закупочная цена молока:         -  $ 143,3/т   (4500 руб./т)

                    Общая сумма экономии за счет заменителя молока:    $ 183 тыс.   

         Капитальные затраты (около):                           - $ 69,7 тыс.

             Срок реализации проекта:                              -  6 месяцев.

 

3.2.            Получение сухого сывороточного концентрата СКБ-УФ с содержанием белка  52% (52% WPC).

   3.2.1. Процесс.

        Схема процесса ультрафильтрации и содержание компонентов сыворотки в процессе концентрирования и сушки приведены ниже.

 

СХЕМА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СЫВОРОТОЧНОГО БЕЛКА (52 % WPC)

                                                                                                                                         

Обезжиренная                                                                                                                     Концентрат       

сыворотка     УМС-100              УМС-100                      УМС-80                                 сыворотки 250 л/ч

80м2       x 4

100 м2     x 2.5

100 м2     x 2

5000 л/ч                       2500л/ч                        1000 л/ч                         250 л/ч                                                              

 

 

 

 

                       2500 л/ч                     1500 л/ч                        750 л/ч                 Пермеат 4750 л/ч                                                                                

 

 

 

Таблица 3.2. Содержание компонентов в сыворотке,  концентрате и пермеате при получении

сывороточных белков с содержанием 52% белка к сухому веществу.

 

         Белковый концентрат с содержанием сухих веществ 18.5 %  непрерывно отводится из установки с производительностью 250 л/ч и направляется через промежуточную емкость на вакуум-выпарку, где содержание сухих веществ доводится до 40 %. После вакуум-выпаривания концентрат подается на распылительную сушилку с производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге. После сушки получается порошок сывороточных белков (4-5 % влажности) с содержанием белка 52 %.

         Отходом процесса является пермеат – раствор, в котором содержится около 82 %  лактозы.

         Этот раствор, после концентрирования и/или сушки может быть использован для производства молочного сахара-сырца, лактулозы (лечебно-профилактического препарата, используемого для лечения заболеваний печени и нормализации работы желудочно-кишечного тракта), в качестве основы питательных сред на фармацевтических заводах, а также при производстве различных напитков.

 

      3.2.2. Оборудование (основное).

2)      Сепаратор-сливкоотделитель производительностью 5000 л/ч – 1шт.   ……. $ 12000.

3)      Ультрафильтрационная установка УФС-280

      (на базе 2-х модулей УМС-100 и одного модуля УМС-80,

       ЗАО «БИОКОН») – 1 шт.  ……………………………………………………... $ 98300.

4)      Вакуум-выпарной аппарат (БУ)

      производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге – 1шт. ………………… $ 13000.

5)      Распылительная сушилка (БУ)

      производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге – 1шт. …………………. $ 70000.

 

             3.2.3.   Экономические показатели.

 Годовая производительность: по стандартному сывороточному белку (КСБ 50%) -  98 т,

                              Отпускная цена КСБ 50% (мировая):                         -  $ 1,46/кг

                                                       Общая сумма продаж:                  $ 143 тыс.   

                                         Капитальные затраты (около):                   $ 210 тыс.

         Капитальные затраты могут быть уменьшены при наличии вакуум-выпарных аппаратов и распылительной сушилки.

             Срок реализации проекта:                              -  1 год.

 

3.3.            Получение сухого высокоочищенного сывороточного концентрата СКБО-УФ с содержанием белка 80%.

3.3.1. Процесс.

          Процесс предварительной подготовки сыворотки перед ультрафильтрацией аналогичен, описанному выше. Схема процесса ультрафильтрации и содержание компонентов сыворотки в процессе концентрирования и сушки приведены ниже. В процессе многоступенчатой ультрафильтрации на последней 4-ой ступени производится диафильтрация для снижения содержания лактозы и солей.

 

СХЕМА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООЧИЩЕННОГО СЫВОРОТОЧНОГО БЕЛКА (80 % WPC)

                                                                                                                              Вода 750 л/ч

Обезжиренная                                                                                                                            Концентрат       

сыворотка    УМС-100                УМС-100                    УМС-80                 УМС-80           сыворотки

80 м2     x 8

80м2       x 4

100 м2     x 2.5

100 м2     x 2

5000 л/ч                         2500л/ч                      1000 л/ч                      250 л/ч                         125 л/ч                                        

 

 

 

                   

                      2500 л/ч                       1500 л/ч                       750 л/ч                      875 л/ч              Пермеат                                                                    

 

Таблица 3.3. Содержание компонентов сыворотки и ее концентратов

 

 

 

      3.3.2. Оборудование (основное).

1)      Сепаратор-сливкоотделитель производительностью 5000 л/ч – 1шт.   ……. $ 12000.

2)      Ультрафильтрационная установка УФС-360

      (на базе 2-х модулей УМС-100 и 2-х модулей УМС-80,

       ЗАО «БИОКОН») – 1 шт.  ……………………………………………………... $ 144000.

3)      Вакуум-выпарной аппарат (БУ)

      производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге – 1шт. ………………… $ 13000.

4)      Распылительная сушилка (БУ)

      производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге – 1шт. …………………. $ 70000.

 

                     3.3.3.   Экономические показатели.

 Годовая производительность: по высокоочищенному сывороточному белку (КСБ 80%)-  58 т,

                              Отпускная цена КСБ 80% (мировая):             $ 5,1/кг

                                                       Общая сумма продаж:             $ 295 тыс.   

                                          Капитальные затраты (около):             $ 250 тыс.

         Капитальные затраты могут быть уменьшены при наличии вакуум- выпарных аппаратов и распылительной сушилки.

             Срок реализации проекта:                              -  1 год.

 

 

3.4. Получение сбалансированной высокоочищенной аминокислотной смеси при  утилизации молочной сыворотки.

 

          Высокоочищенная аминокислотная смесь может быть получена путем ферментативного гидролиза и последующего ионного обмена из сывороточных концентратов с содержанием белка  80 % WPC и более.

         В настоящее время аминокислоты и их смеси активно проникают на рынок медицинских препаратов и пищевых продуктов. Они обладают уникальными свойствами, т.к. являются необходимыми компонентами всех жизненно важных систем человека. Аминокислоты выводят из организма радионуклиды и тяжелые металлы, участвуют в регенерации всех тканей и клеток человека и, поэтому незаменимы в хирургии, акушерстве и гинекологии (после родовой период), при ожоговых поражениях тела, при потере крови в результате несчастных случаев и т.п. При профилактическом приеме аминокислоты повышают иммунитет и сопротивляемость человека к неблагоприятным факторам окружающей среды. Особенно благотворно действие аминокислот на людей раннего и пожилого возрастов. Аминокислотные смеси могут также быть использованы взамен соевых изолятов, применяемых при производстве колбас   на мясоперерабатывающих заводах и которые закупаются за границей.

 

          3.4.1.  Процесс получение высокоочищенной аминокислотной смеси.

       Белковый концентрат сыворотки, полученный выше (раздел 3.2.), в количестве 1,25 м³ подается в реактор вместимостью 2 м³, в котором осуществляется гидролиз до аминокислот с помощью высокоэффективного фермента амилопроторизина при температуре 50 ⁰С в течение 5 часов.

       Раствор аминокислот и короткоцепочечных пептидов пропускают через ионообменную колонну объемом 1,5 м³, загруженной 1,3 м³  смолы Ку 2х8 в Н⁺ - форме. На смоле сорбируются аминокислоты и ди, - трипептиды, а фильтрат с колонны собирают в емкость и затем подвергают вакуум-выпариванию и последующей распылительной сушке  производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге.

     Аминокислоты элюируют со смолы 1,3 м³, 2Н раствора NaOH.  Элюат объемом 1,2 м³ собирают в сборнике с мешалкой вместимостью  2 м³, где его нейтрализуют до рН 6,7 – 7,0 концентрированной соляной кислотой.  Нейтрализованный элюат пропускают через ионообменную колонну объемом 300 л со смолой ИА-4. Обесцвеченный раствор аминокислот упаривают в два раза до объема 0,9 м³ и сушат на распылительной сушилке производительностью 100 кг/ч.

 

 

    3.4.2.   Перечень основного оборудования.

 

       1)     Аппарат с рубашкой и мешалкой для ферментолиза белков                    2 м³, нерж. ст.;

             2)     Сборник ферментализата                                                                              2 м³, нерж. ст.;

  3)     Ультрафильтрационная установка УФС-360                                                    5000 л/ч;

             4)     Сепаратор сливкоотделитель                                                                              5000 л/ч;

5)        Пастеризатор-охладитель (2 шт.)                                                                        5000 л/ ч;

  6)     Колонна ионообменная (2 шт.)                                                         гуммированная, 2 м³;

       7)    Сборник                                                                                                        1 м³, нерж. ст.;

       8)    Вакуум-выпарной аппарат(1 шт.)                                                              100 кг/ч;

       9)    Сборник элюата (с мешалкой)                                                                  1,5 м³, нерж. ст.;

     10)    Колонна  ионообменная осветляющая (2 шт.)                                     0,5 м³, винилит;

     11)    Сборник осветленного раствора                                                            1,5 м³, нерж. ст.;

     12)    Аппарат с мешалкой (2 шт.)                                                                   2 м³, нерж. ст.;

     13)   Сушилка распылительная (1шт.)                                    100 кг/ч по испаренной влаге

  

 

                     3.4.3.   Экономические показатели.

        Годовая производительность:    по аминокислотной смеси              -  40  т,

                                                              по пептону для питательных сред  -  24  т,

                              Отпускная цена:    аминокислотная смесь                     -  $ 15/кг

                                                              пептон                                                 - $ 6.7/кг

                    Общая сумма продаж:    $ 600 тыс. +  $ 160 тыс.  =  $ 760 тыс.  

                               Себестоимость:    аминокислотная смесь                      -  $ 3/кг

                                                              пептон                                                 -  $ 1.5/кг

                              Годовой доход:                            - $ 604 тыс.  

         Капитальные затраты (около):                         - $ 350 тыс.

             Срок реализации проекта:                              -  1 год.

 

         

4.      Заключение.

              Из рассмотренных четырех вариантов решения проблемы утилизации сыворотки может быть использован на молочном заводе любой из них, с учетом местных условий завода. Однако,   наиболее выгодным по экономическим показателям является 4-ый вариант, при котором из сыворотки получаются аминокислотные смеси.

             В России насчитывается около 150 – 180 молочных заводов, производящих различные сыры, и сбрасывающих в канализацию  каждые сутки от 40 т до 100 т сыворотки, как отход этих производств. Ежесуточно в стоки попадает  около 9 тыс. тонн сыворотки, содержащей питательные вещества для быстрого размножения различной микрофлоры. Таким образом, наносится   невосполнимый вред окружающей среде.

             На базе оборудования, приведенного в  разделе 3.4.2, можно строить при молочных заводах унифицированные цеха по переработке сыворотки и  сдавать их в лизинг, либо продавать их сразу.

 

 

Затраты (эксплуатационные и капитальные)

на ультрафильтрационную установку УФС-360 для концентрирования

сыворотки (WPC 80 %)

 

Производительность 5000 л/час,  в  год, USD

 

 

 

Исходные данные:

1)      Время функционирования: 250 дней/год, 10 час/сутки + 2 час/сутки на мойку, регенерацию.

2)      Срок амортизации:   10 лет.

3)      Техническое обслуживание: 3 % от капитальной цены в год.

4)      Заработок: $ 100/месяц (1/2 чел. в смену)

5)      Электроэнергия: 0,036 $ кВт.час.

6)      Мембраны:  $68/ м²  в 1 год.

7)   Вода (потребление, сброс в канализацию, превышение ПДК): 0,8 $ /м³.

 8)   Потребление:                         Мощность, кВт                     Вода, м³/сутки.

-         ультрафильтрация           35                                             10