Ультрафильтрацию используют для концентрирования молока посредством удаления из белкового раствора (ретентата) влаги и лактозы, а обратный осмос — для удаления влаги из сыворотки для получения концентрированного раствора лактозы и сывороточного белка. Кроме того, сгущая белок молока посредством ультрафильтрации (в том числе сывороточные белки) с последующим обратным осмосом пермеата (сыворотки), можно получить практически очищенный от белка концентрат лактозы, который может содержать соли, удаляемые при электродиализе.

В оборудовании для ультрафильтрации и обратного осмоса для отделения жидких компонентов (пермеата) от ретентата используют мембраны, при этом процесс зависит от используемого давления и пористости мембран.

Конструкция установок ультрафильтрации, используемых в промышленной переработке молочных продуктов, сильно различается.

Микрофильтрация (MF)

это один из видов мембранной фильтрации, где механизм разделения компонентов происходит по диаметру частиц, размер которых лежит в диапазоне 10-50µм. Давление позволяет проходить через поры мембран частицам соли, сахара, некоторым белкам, и задерживать бактерии, жировые шарики, частицы крупных белков, например крупные мицеллы казеина. Рабочее давление процесса составляет 0,01-0,5 МПа.

Установка микрофильтрации эффективно в потоке удаляет примеси и вредные микроорганизмы из солевого раствора, сохраняя при этом химический баланс солевого раствора. В сравнении, с прочими методами обработки солевого раствора, данный метод является наиболее конкурентным благодаря тому, что мертвые клетки удаляются, в то время как при пастеризации они лишь убиваются. Более того, использование установки избавляет от «черных точек» на поверхности сыра, «цветения», плесени и т. д. Исчезает необходимость в пастеризации солевого раствора.

Основное применение микрофильтрации:

• удаление бактерий, плесеней, споров и дрожжей;
• фракционирование белков;
• обезжиривание сыворотки, молока, для производства белковых концентратов.

Ультрафильтрация (UF)

это один из видов мембранной фильтрации с низким давлением, которая отделяет коллоидные частицы и высокомолекулярные вещества, размер которых лежит в диапазоне 1-10 µм, в этот диапазон попадают казеин, сывороточные белки, крупные молекулы жира.

Рабочее давление, в общем, не превышает 1МПа. Ультрафильтрационные мембраны являются, также основой, скелетом, т.н. support на который накладывают композитные мембраны, применяемые в других процессах, таких как, обратный осмос, первапорация и сепарация газов. Ультрафильтрацию применяют, прежде всего, для кларификации растворов, т.е. удаление из них крупных, коллоидных частиц, а также для сгущения белковых растворов.

Основное применение ультрафильтрации — переработка сыворотки и молока.

В случае переработки сыворотки установка ультрафильтрации позволяет сконцентрировать сывороточные протеины (белки) наряду с отделением минералов и лактозы. Обычно установки ультрафильтрации используются для производства белкового сывороточного концентрата (WPC) с содержанием белка в сухих веществах от 34% до 85%.

Используя последующую дополнительную обработку, например микрофильтрацию MF, можно полностью изолировать белки и получить сывороточный белковый изолят (WPI). Как на WPC, так и на WPI имеется огромный спрос в Европе, а в некоторых странах WPC и WPI являются биржевыми торгуемыми товарами.

При использовании UF для концентрации молока, получается ретентат с высоким содержанием белка, с параллельным отделением лактозы и минералов. Ретентат используется для производства различных видов сырного и молочного белкового концентрата (MPC), или, в случае дальнейшей изоляции белков, для молочного белкового изолята (MPI).

Сыр Feta и прочие сыры такого типа производятся посредством полной концентрации молока с использованием процесса ультрафильтрации. Затем в полученный ретентат вносят заквасочные культуры, сычужный фермент, соль и прочие добавки и отправляют прямо на упаковку.

Основное применение ультрафильтрации:

• стандартизация содержания молочных белков, казеина;
• предварительное сгущение молочных белков для производства сыра, творога, брынзы, сыра Фета;
• производство концентрата сывороточных белков WPC и изолята WPI.

Нанофильтрация (NF)

Это один из видов мембранной фильтрации, которая отделяет молекулы, размер которых лежит в диапазоне 0,0005-0,001µм. В этот диапазон попадает лактоза и некоторые аминокислоты, а некоторые одновалентные ионы, например натрия и калия проходят через поры мембран. Рабочее давление применяемое при нанофильтрации колеблется в пределах от 1 до 3 МПа. Мембраны нанофильтрации предназначены для отделения воды и части минералов. В результате сгущения получается концентрат (ретентат) и пермеат (вода с содержанием минералов и солей). Чаще всего сгущение на установке нанофильтрации проводят до 18%-20% сухих веществ, ввиду максимальной экономической эффективности. Более того, полученную в качестве нанофильтрации — пермеата воду можно очистить на установке обратного осмоса и использовать на технологические нужды.

Таким образом, если сыворотку сгущать посредством установки нанофильтрации, происходит частичная деминерализация концентрата. Поэтому, в некоторых случаях (например, переработка солёной сыворотки) нанофильтрация может быть высокоэффективной и экономически целесообразной.

Сыворотка, переработанная посредством нанофильтрации, может быть направлена на дальнейшее производство сухого порошка.

Основное применение нанофильтрации в производстве молочных продуктов

Обычно нанофильтрацию применяют в случаях, когда из раствора нужно удалить белки, аминокислоты, сахар и другие частицы, оставляя в фильтрате только молекулы соли:

• частичная деминерализация и сгущение сладкой и кислой сыворотки;
• частичная деминерализация концентрата сывороточных белков на производстве детского питания, в качестве предварительной обработки, перед электродиализом;
• частичная деминерализация молока;
• частичная деминерализация пермеата после ультрафильтрации;
• рекуперация технологической воды.

Обратный осмос (RO)

это один из видов мембранной фильтрации, где используются мембраны с наименьшим размером пор, отделяющие молекулы и ионы размером менее 0,0005 µм и пропускающие только воду и низкомолекулярные органические растворители. Механизм разделения имеет диффузионный характер. Из-за высокого осмотического давления рабочее давление для обратного осмоса колеблется в пределе от 1 до 10 МПа.

На практике, процесс обратного осмоса применяют для выполнения двух основных целей:

• рекуперации чистого растворителя (чаще всего воды) в практически чистом состоянии без содержания коллоидных и других включений, остающихся в концентрате;
• выборочного разделения веществ между фильтратом и концентратом.
• основное применение Обратного осмоса в молочном производстве
• вступительное сгущение сыворотки, пермеата после ультрафильтрации, молока, фруктового сока (например, яблочного);
• очистка пермеата после обратного осмоса (процесс RO-Polisher) и нанофильтрации, конденсата после сгущения молока, фруктовых соков перед подачей на вакуум-выпарные аппараты.

При использовании установки обратного осмоса для сгущения молока, то концентрация чаще всего доводится до 29% сухих веществ. Полученный при этом пермеат представляет собой технологическую воду. Аналогичный результат получают при использовании обратного осмоса для концентрации обезжиренного молока c окончательными показателями сгущения 28-29%. Такие показатели являются весьма весомыми, поскольку это снижает производственные затраты относительно использования вакуум-выпарных установок на тех же объемах удаленной влаги.

Использование метода обратного осмоса является особенно эффективным, если предприятие специализируется на производстве концентратов или сухих молочных продуктов. Так же те предприятия, которые транспортируют сыворотку или молоко для сушки на соседние предприятия, получают существенную экономию на транспортных расходах, поскольку объёмы перевозки сокращаются в несколько раз.