Способ производства молочного сахара

Область техники

Изобретение относится к молочной промышленности и может быть использовано при производстве молочного сахара.

Предшествующий уровень техники

Известен способ производства молочного сахара из соленой сыворотки (патент РФ на изобретение №2360006, кл. C13K 5/00, A23C 21/00, опубл. 27.06.2009), предусматривающий нагревание соленой сыворотки до температуры 35-40°С, сепарирование при этой температуре, деминерализацию соленой сыворотки, на первой стадии которой проводят нанофильтрацию при давлении 2,0-2,5 МПа до степени деминерализации 20-25% и содержания сухих веществ 18-20%. На второй стадии проводят электродиализ фильтрованной сыворотки до достижения 0,5-0,6%. Ее осветляют термокислотной коагуляцией с подкислением до рН 4,4-4,6, выдерживают при температуре 90-95°С и отделяют белки при этой температуре. Проводят охлаждение и сгущение при температуре 55-60°С до содержания сухих веществ 60-65%. Кристаллизуют лактозу в сиропе в течение 20-22 часов при охлаждении до 8-10°С. Кристаллы отделяют центрифугированием при этой температуре и сушат при 120-140°С. Получают молочный сахар, имеющий доброкачественность 95-97%.

Известен также способ получения пористых таблеток молочного сахара (патент РФ на изобретение №2661200, кл. МПК A23C 1/00, C13K 5/00, A23C 21/00, опубл. 16.07.2018), который включает обезжиривание молочной сыворотки, отделение казеиновых частиц, ультрафильтрацию, нанофильтрацию для частичной деминерализации и концентрирования, электродиализное обессоливание до содержания минеральных веществ 0,04%, сгущение в вакуум-выпарном аппарате до 60-65% сухих веществ, кристаллизацию лактозы из пересыщенных сиропов, промывку водой с температурой 5-6°С, отделение кристаллов лактозы до влажности 7-10%, причем формование пористых таблеток в матрице осуществляют с использованием устройства для получения пористых таблеток молочного сахара в два этапа, на первом этапе формование идет за счет вибрации, на втором этапе происходит втирание верхнего слоя таблетки в матрицу, сушка и охлаждение пористых таблеток.

Ближайшим техническим решением к предложенному является способ получения молочного сахара с поточной кристаллизацией лактозы (патент РФ на изобретение №2658441, кл. МПК A23C 23/00, C13K 5/00, опубл. 21.06.2018), который предусматривает ультрафильтрацию обезжиренного молока при температуре 18-20°С, полученный пермеат с содержанием сухих веществ 5,2-5,4% направляют на нанофильтрацию, где при температуре 18-20°С обессоливают до уровня 25-30% и концентрируют до содержания сухих веществ 18-20%. Пермеат после нанофильтрации подают на электродиализ, где при температуре 18-20°С обессоливают до уровня 70-90% и получают доброкачественность раствора 0,955-0,974, сгущают до коэффициента пересыщения 1,8-2,7, далее направляют на поточную кристаллизацию до конечной температуры 10-12°С с темпом охлаждения 1,5-2,0°С/мин.

Основным недостатком всех перечисленных выше способов является то, что достигаемый в них с помощью нанофильтрации уровень деминерализации лактозосодержащего сырья в 25-30% является незначительным, вследствие чего, для достижения необходимого уровня деминерализации в 90%, требуется длительная электродиализная обработка.

Зависимость концентрации солей в обрабатываемом растворе от времени работы электродиализной установки, при постоянном электрическом напряжении на мембранном пакете, выражается экспоненциальным законом:

С = С₀ ⋅ e^-kt , (1)

где С – текущее значение зольности сырья, трактуемой как отношение концентрации золы к массовой доле сухих веществ;

С₀ – ее начальное значение;

t – время работы электродиализной (ЭД) установки;

k – константа, отражающая эксплуатационные характеристики ЭД-установки.

Для достижения уровня деминерализации Д=0,9 (90%), значение времени tо, рассчитанное по формуле (1), составит

t₀ = 1/k ⋅ ln (C₀/C) (2)

Так как по определению Д = 1 – С/С₀, то

С₀/С = 1/(1 – Д) (3)

Подставим (3) в (2)

t₀ = 1/k ⋅ ln (1/1 – Д) (4)

При Д=0,9,

t₀ = 1/k ⋅ ln 10 = 2,3/k (5)

Частичная деминерализация лактозосодержащего сырья с помощью нанофильтрации до уровня деминерализации Д₁=0,3 (30%), позволяет сократить время последующей электродиализной обработки, необходимое для достижения необходимого значения Д=0,9. Действительно, подставив в формулу (1) вместо С₀ значение С₁, достигаемое после нанофильтрации, получим

t₁ = 1/k ⋅ ln (С₁/С) (6)

Так как С₁ = С₀ (1 – Д₁), а С = С₀ (1 – Д), то окончательно

t₁ = 1/k ⋅ ln (1 – Д₁/1 – Д) = t₀ = 1/k • ln (0,7/0,1) =

= 1/k ⋅ ln 7 = 1,94/k (7)

Разделив выражение (5) на (7), получим

t₀/t₁ = 2,3/1,94 = 1,18 (8)

Таким образом, использование нанофильтрации в качестве, не только малоэнергоемкого метода предконцентрирования лактозосодержащего сырья, но и для его частичной деминерализации, позволяет сократить время, затрачиваемое на последующую ЭД-обработку на 18% или, что одно и то же, повысить в 1,18 раза производительность ЭД-установки.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения – создание способа производства молочного сахара с более высокой производительностью.

Задачей предлагаемого способа является усовершенствование процесса нанофильтрации, обеспечивающего более высокое значение уровня деминерализации лактозосодержащего сырья при сохранении производительности работы нанофильтрационной (НФ) установки.

Техническим результатом является повышение уровня деминерализации лактозосодержащего сырья после его нанофильтрации до значений 0,52-0,60 без снижения производительности НФ-установки, что приводит к сокращению времени последующей ЭД-обработки для достижения необходимого уровня деминерализации, равного 0,9.

Указанный технический результат достигается тем, что способ производства молочного сахара предусматривает ультрафильтрацию обезжиренного молока или молочной сыворотки, нанофильтрацию пермеата, электродиализ до уровня деминерализации 90% от исходной зольности, сгущение, кристаллизацию лактозы, отделение кристаллов лактозы, их промывку и сушку, причем согласно изобретению, нанофильтрацию осуществляют по периодической схеме, начиная с фиксированного объема сырья, составляющего 15-20% от исходного объема сырья, с последующей подачей в выделенный объем оставшейся части сырья со скоростью, равной скорости отвода фильтрата, получаемого в процессе нанофильтрации.

Осуществление изобретения

Способ производства молочного сахара предусматривает ультрафильтрацию обезжиренного молока или молочной сыворотки, нанофильтрацию полученного пермеата до уровня деминерализации 52-60% и содержания сухих веществ 24-26%, электродиализ до достижения конечного уровня деминерализации 90%, сгущение на вакуум-аппарате до коэффициента пересыщения 1,8-2,7, охлаждение пересыщенного сиропа с темпом охлаждения 1,5-2,0°С/мин до температуры 10-12°С, кристаллизацию лактозы в течение 20-22 часов, отделение кристаллов, их промывку и сушку.

Основным техническим результатом является сокращение времени очистки лактозосодержащего сырья от минеральных веществ. Действительно, если после нанофильтрации по предлагаемому способу, достигнутый уровень деминерализации будет равен Д₂=0,6, то время t₂, затрачиваемое на последующий электродиализ до достижения конечного уровня деминерализации, равного Д=0,9, рассчитанное по формуле (7), будет равно

t₁ = 1/k ⋅ ln (1 – Д₂/1 – Д) = t₀ = 1/k ⋅ ln (1 – 0,6/1 – 0,9) =

= 1/k ⋅ ln 4 = 1,38/k (9)

Сравнивая t₂ в (9) с t₁ в (7) для обычной нанофильтрации, получим, что по предлагаемому способу время ЭД-обработки сократилось в 1,4 раза по сравнению с аналогом t₁/t₂ = 1,94/1,38 = 1,41.

Еще одним техническим результатом является то, что повышение уровня деминерализации лактозосодержащего сырья с обычных значений 25-30% до 52-60% приводит к пропорциональному повышению выведения из сырья и других низкомолекулярных соединений, например, небелкового азота, плохо выводимого из сырья с помощью электродиализа. Это приводит к дополнительному повышению доброкачественности УФ-пермеатов на 0,5-1,2%, что имеет важное значение при получении молочного сахара высоких кондиций.

Дополнительным положительным техническим результатом является то, что усиленное выведение низкомолекулярных компонентов в предлагаемом способе приводит к более быстрому снижению осмотического давления в концентрируемом нанофильтрацией сырье по сравнению с аналогами. При заданном значении рабочего давления на НФ-установке это приводит к повышению конечной концентрации сухих веществ в сырье с обычных 18-20% до 24-26%, что обеспечивает значительную экономию энергоресурсов при последующем сгущении сырья на вакуум-выпарной установке.

Пример 1.

Исходный объем пермеата, полученный после ультрафильтрации обезжиренного молока объемом 60 л, с начальной концентрацией сухих веществ 5,22%, зольностью 0,61% и доброкачественностью 78,1% подвергался нанофильтрации по периодической схеме на лабораторной НФ-установке с площадью мембран 0,98 м², при температуре 18±1°С и давлении на входе 30 бар. Начальный объем сырья был равен 11 л. Подвод пермеата к фиксированному объему осуществлялся таким образом, чтобы маркер, фиксирующий величину объема в сырьевой емкости, не изменял своего положения, что и свидетельствовало о том, что скорость подвода сырья к работающей установке была равна скорости уходящего фильтрата. Процесс нанофильтрации был завершен через 58 мин, после полного расхода нативного пермеата. В полученных 11 л НФ-концентрата массовая доля сухих веществ составляла 25,9%, зольность 0,25%, доброкачественность 88,2%. Уровень деминерализации составил

Д = 1 – 0,25/0,61 = 0,59 (59%)

Далее, НФ-концентрат был подвергнут электродиализной обработке до достижения зольности 0,06%, что соответствовало уровню деминерализации 0,92 (92%). Доброкачественность сырья после ЭД-обработки повысилась до 95,1%.

С целью получения молочного сахара, 2 л из полученного деминерализованного НФ-концентрата с массовой долей сухих веществ 23,8% были сгущены на лабораторной роторной вакуум-выпарной установке до массовой доли сухих веществ 61,3%. Полученные 0,77 л кристаллизата с температурой 72°С помещались в термостат и охлаждались с темпом 2°С/мин до 11°С. При этой температуре кристаллизат выдерживался в течение 20 часов, надосадочная жидкость осторожно сливалась, а полученные кристаллы латоы промывались 400 мл дистилированной воды с температурой 6°С. После отстоя, надосадочная жидкость вновь сливалась, а полученные кристаллы лактозы высушивались в сушильном шкафу при 70°С до постоянного веса. Было получено 685 г лактозы с влажностью 2,8% и доброкачественностью 99,3%.

Пример 2.

Исходный объем пермеата, полученный после ультрафильтрации подсырной сыворотки объемом 60 л, с начальной концентрацией сухих веществ 4,95%, золностью 0,72% и доброкачественностью 77,3% подвергался нанофильтрации по периодической схеме при температуре 18±1°С и давлении на входе 30 бар. Начальный объем сырья был равен 11 л. этот объем сырья, за счет равенства скоростей подвода сырья в сырьевую емкость и отвода фильтрата поддерживался постоянным на протяжении всего процесса нанофильтрации. Процесс нанофильтрации был завершен после полного расхода нативного пермеата через 61 мин. В полученных 11 л НФ-концентрата массовая доля сухих веществ составляла 24,1%, зольность 0,31%, доброкачественность 86,8%. Уровень деминерализации составил

Д = 1 – 0,31/0,72 = 0,57 (57%)

Далее, НФ-концентрат был подвергнут электродиализной обработке до достижения зольности 0,065%, что соответствовало уровню деминерализации Д = 1 – 0,065/0,72 = 0,91 (91%). Доброкачественность сырья после ЭД-обработки повысилась с 86,8% до 94,6%.

Как и в примере 1, 2 л деминерализованного НФ-концентрата были использованы для производства молочного сахара. При массовой доле сухих веществ в НФ-концентрате после его ЭД-обработки 23,1% было получено 637 г молочного сахара с влажностью 2,78% и доброкачественностью 99,1%. Значения всех параметров при получении молочного сахара были взяты из примера 1.

Величина фиксированного объема в 15-20% от исходного объема сырья была установлена экспериментальным путем. Именно такая величина фиксированного объема позволяет закончить процесс нанофильтрации в тот момент, когда, одновременно, заканчивалось сырье, подаваемое в фиксированный объем и достигалось минимальное декларируемое значение скорости фильтрации, снижение которой обуславливалось нарастанием осмотического давления в концентрируемом нанофильтрацией сырье.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «новизна».

Сравнительный анализ показал, что в уровне техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, а также не подтверждена известность влияния этих признаков на технический результат. Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого способа в молочной промышленности и может быть использовано при производстве молочного сахара, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».