UNIVERSITATEA: ‚DUNĂREA DE JOS’

FACULTATEA: ŞTIINŢA ŞI INGINERIA ALIMENTELOR

SPECIALIZAREA: ŞTIINŢA ŞI INGINERIA ALIMENTELOR

PROIECT

TEHNICI DE MEMBRANĂ

MASTERAND:

2010

UNIVERSITATEA: ‚DUNĂREA DE JOS’

FACULTATEA: ŞTIINŢA ŞI INGINERIA ALIMENTELOR

SPECIALIZAREA: ŞTIINŢA ŞI INGINERIA ALIMENTELOR

MICROFILTRAREA ŞI OSMOZA

INVERSĂ ÎN INDUSTRIA

LAPTELUI

Elementul important este membrana: “bariera selectivă care separă două

compartimente şi permite trecerea preferenţială a unei specii în raport cu altele, sub influenţa

unei forţe de transfer”. Puterea de separare este rezultatul diferenţei în viteza de transfer a

componenţilor, determinată de forţa de transfer şi de interacţiile cu membrana.

INTRODUCERE

DEZVOLTAREA TEHNICILOR DE MEMBRANĂ

Toate procesele de membrană au aplicabilitate directă în separarea, concentrarea sau

fracţionarea substanţelor din soluţie, amestecuri de gaze sau vapori.

Dializa a fost primul proces de membrană introdus de Graham (1866) pentru purificarea

soluţiilor coloidale. Bechold (1907) foloseşte termenul de ultrafiltrare pentru a evidenţia

importanţa raportului dimensional dintre diametrele particulelor şi razele porilor din

membrană. Acest procedeu era folosit pentru studiul sistemelor disperse coloidale care pot fi

separate prin membrane naturale similare celor de dializa.

Elford (1930), Manegold (1940) şi Ferry (1936), cercetează, pe baza legii lui Fick (1855),

curgerea prin membrane şi metodele de stabilire a porozităţii acestora. Elford şi Ferry (1934)

aplică ultrafiltrarea pentru separarea lichidelor biologice, pentru ca apoi, Ferry (1936) să

fundamenteze procedeul ca tehnică curentă de laborator, iar Grabar (1943) să o aplice la

fracţionarea extractelor biologice.

În paralel, se dezvoltă tehnicile de separare în câmp electric prin membrane

semipermeabile ionice: electroforeza (EF), electrodializa (ED) şi electroosmoza (EO).

Totodată, apar preocupări sistematice pentru formarea membranelor polimere sintetice cu

proprietăţi de permeabilitate şi transport adecvate ultrafiltrării şi electrofiltrării.

Încă de acum trei decenii, tehnicile membranare au fost utilizate în diverse sectoare ale

industriei alimentare. Principalele avantaje ale utilizării acestor procese în industria alimentară

rezidă în posibilităţile de separare controlată a componentelor după dimensiuni moleculare, cu

reţinerea simultană a celulelor de microorganisme. În felul acesta, se evită denaturarea şi

distrugerea termică a unor componente esenţiale, menţinerea microflorei caracteristice multor

produse de fermentaţie sau a unor derivate destinate consumului direct. Toate aceste avantaje

converg spre un consum energetic mult mai mic decât în tratamentele clasice pentru efecte

echivalente de separare, aditivare, condiţionare şi formulare.

Aplicaţiile din industria laptelui s-au remarcat atât prin diversitatea domeniilor, cât şi prin

extinderea lor la scară industrială, chiar din anii 70-74. Utilizarea cu precădere a proceselor de

osmoză inversă şi de ultrafiltrare a permis obţinerea unei game variate de produse destinate

consumului direct, dar şi a numeroşi aditivi tehnologici cu largă aplicabilitate prin

proprietăţile lor funcţionale.

În industria laptelui, ultrafiltrarea s-a utilizat pentru reducerea efectului poluant al

zerului de la fabricarea brânzeturilor, dar, în scurt timp, a fost extinsă la separarea şi

concentrarea proteinelor din lapte, la fabricarea brânzeturilor, a produselor lactate acide, a

analogilor de unt, a deserturilor lactate.

În prezent, osmoza inversă (OI), nanofiltrarea (NF) şi electrodializa (ED) au devenit

tehnici curente pentru concentrarea şi demineralizarea zerului de la fabricarea brânzeturilor, a

permeatului de la ultrafiltrarea laptelui.

Laptele destinat consumului uman poate fi clasificat după tratamentul tehnologic aplicat,

în două categorii:

lapte crud (fără încălzire).

lapte tratat termic (prin încălzire).

Laptele crud poate prezenta un interes nutriţional prin conservarea unor caracteristici

native ale componentelor, dar constituie un anumit risc pentru sănătatea consumatorului.

Laptele tratat termic, pasteurizat sau sterilizat, este lipsit de bacterii patogene şi are o

durată de conservare superioară. Pasteurizarea este realizată într-un regim temperatură/ durată

de menţinere care asigură distrugerea bacilului tuberculozei (Mycobacterium tuberculosis),

cel mai termorezistent dintre bacteriile patogene. Concomitent, se reduce şi numărul total de

germeni prin procedeul convenţional (100-120°C/18-20 min) sau prin procedeul UHT

(Ultra Higt Temperature) (135-150°C/2-3 secunde) care, datorită consumului energetic relativ

redus şi, mai ales, calităţii laptelui obţinut, este în prezent larg utilizat în industrie.

Încălzirea laptelui, care prezintă o structură chimică şi fizică foarte complexă, relativ

fragilă, poate determina numeroase transformări ale substanţelor labile (denaturări,

descompuneri, deplasarea unor echilibre fizico-chimice). Natura şi extinderea acestor

modificări depinde de intensitatea tratamentului termic aplicat. Principalele efecte ale

încălzirii asupra componentelor laptelui sunt prezentate în tabelul 1.

Sub aspect practic, încălzirea laptelui determină modificări ireversibile ale componetelor

şi echilibrelor din lapte care influenţează atât valoarea nutritivă cât şi unele aptitudini

tehnologice. În consecinţă, au fost căutate alte metode fizice pentru îndepărtarea microflorei

din lapte şi, îndeosebi, a bacteriilor sporulate termorezistente, care sunt la originea unor

defecte ale laptelui pasteurizat (Bacillus cereus, Bacillus subtilis) sau ale brânzeturilor

(Clostridium tyrobutiricum).

Utilizarea forţei centrifuge (bactofugarea) a fost o alternativă la pasteurizarea laptelui

destinat fabricării brânzeturilor, în prezent fiind utilizată cu o etapă opţională de sterilizare.

Soluţia cea mai recentă se referă la separarea celulelor de microorganisme prin

microfiltrare (MF). Acesta este unul dintre primele procedee de filtrare dezvoltat comercial

de firma Sartorius-Werke în Germania încă din anul 1929. Utilizată la început doar în

cercetare, microfiltrarea (MF) a fost adaptată ulterior pentru analiza bacteriologică a apei.

Până în 1963, membranele de microfiltrare au fost confecţionate din nitroceluloză sau din

amestec de esteri ai celulozei. Nevoia de îmbunătăţire a rezistenţei chimice şi a stabilităţii la

încălzire a membranelor a determinat intense cercetări în domeniul unor noi materiale şi

metode de fabricare a acestora.

Tabelul 1Efectele încălzirii asupra componentelor laptelui

Componentele laptelui Transformări Consecinţe

Lactoză + proteine Reacţia dintre grupările aldehidice şi aminice, produşi

de condensare coloraţi

lapte crud (fără încălzire) lapte tratat termic (prin

încălzire)Proteine solubile (în principal β-LG)

apariţia grupărilor- SH active şi compuşilor sulfuraţi liberi

denaturare

apariţia gustului de fiert şi a unui sistem reducător

precipitarea proteinelor

Proteine solubile + cazeină formarea amoniacului formarea complexului

k-CN + β-LG

influenţă asupra gustului stabilizarea laptelui prin

preîncălzireCazeina modificarea stării

micelare degradarea moleculei

(defosforilare, ruperea legăturilor peptidice)

precipitarea/gelificarea laptelui

flocularea suspensiilor de CN la temperaturi înalte

Substanţe minerale deplasarea echilibrului Ca/P solubil către Ca/P insolubil

modificarea stratului superficial al micelei

stabilizarea prin preîncălzire

reducerea capacităţii de coagulare enzimatică

influenţă asupra stabilităţii micelelor

În prezent, principalele utilizări ale microfiltrelor sunt pentru purificarea şi sterilizarea

apei, precum şi în analiza microbiologică (tehnica DEFT- Direct Epifluorescent Filter

Technique). În industria alimentară, principala lor utilizare este pentru sterilizarea apei şi

băuturilor, în instalaţii industriale cu module plane sau de tip cartuşe filtrante.

MICROFILTRAREA (MF)

Separare: - microparticule

- compuşi emulsionabili

- microorganisme

Membranele de MF: - pori asimetrici

- pori capilari

Diametrul porilor = 0,1 – 10 μm

Metode de obţinere: - inversia de fază

- deformarea prin întindere

Materiale: - celuloză regenerată - poliamidă

- triacetat de celuloză - poliester

- polisulfonă - policlorură de vinil

- policarbonat - membrane ceramice

Aplicaţii industriale:

- industria alimentară (clarificare şi sterilizare: bere, vin, oţet, sucuri)

- purificarea apelor:

- apă potabilă

- ape reziduale

- spargerea emulsiilor ulei/apă

- purificarea mediilor de biosinteză

- industria chimică (purificare coloranţi)

- industria farmaceutică

CAPITOLUL I

MICROFILTRAREA: SCOP, PRINCIPIUL METODEI ŞI INSTALAŢII

I.1. Scopul microfiltrării

A. Eliminarea microflorei din lapte prin microfiltrare tangenţială

Aplicarea microfiltrării ( sau microfiltrare tangenţială – engl. cross-flow-

microfiltration) în industria laptelui a fost analizată de Merlin şi Daufin, care o apreciază ca

un proces de membrană similar cu ultrafiltrarea. În mod obişnuit, procesele de microfiltrare se

realizează la presiuni între 0,1 şi 8 bari, relativ mai mici decât pentru ultrafiltrare. Colmatarea

membranei şi formarea unui strat limită de material gelatinos, care determină o reducere a

permeaţiei, sunt principalele limitări în utilizarea industrială a microfiltrării. Polarizaţia de

concentraţie şi colmatarea determină formarea unei membrane dinamice datorită blocării

porilor cu particule şi stratului absorbit, care devin repede principala rezistenţă hidrodinamică

pentru flux şi reduc performanţa membranei.

Performanţele membranelor de microfiltrare sunt determinate de două caracteristici

principale: realizarea unor fluxuri înalte de permeat şi un timp îndelungat de exploatere.

Datorită naturii fluidelor de alimentare, dimensiunii porilor şi a componentelor din produse,

precum şi a fluxurilor relativ înalte folosite în microfiltrare, există tendinţa ca particulele mari

sau agregatele coloidale să fie prinse în structura porilor, fenomen urmat de formarea unui

depozit pe suprafaţa membranei şi crearea unui strat suplimentar de filtrare. Acest strat

influenţează procesul de filtrare independent de proprietăţile de retenţie ale membranei

iniţiale. O soluţie pentru prevenirea acestui fenomen este creşterea vitezei tangenţiale la

suprafaţa membranei, cu scopul de a îndepărta particulele acumulate reţinute pe membrană,

precum şi o periodică spălare cu apă. De asemenea, în acelaşi scop, se pot utiliza promotori de

turbulenţă pe suprafaţa membranei sau o variaţie a vitezei tangenţiale a fluidului de

alimentare.

Merlin şi Daufin apreciază că microfiltrarea este recomandată în industria laptelui

pentru următoarele utilizări:

separarea bacteriilor din laptele integral sau degresat;

separarea grăsimii din laptele integral , cu obţinere de smântână şi lapte microfiltrat;

separarea micelelor de cazeină de proteinele zerului;

degresarea şi clarificarea zerului în vederea producerii de CPZ (concentrat proteic

din zer) de calitate superioară.

Încă din anii 70, după introducerea modulelor de microfiltrare, o serie de autori au

menţionat încercări în aceste domenii. În anul 1975, compania Alfa- Laval a înregistrat un

patent privind degresarea laptelui cu membrane polimerice având diametrul porilor cuprins

între 0,20 şi 10 μm şi la o viteză de curgere relativ redusă (<0,5 m/s). Utilizarea membranelor

anorganice cu pori de 0,1-2 μm, la fluxuri mari, face posibilă microfiltrarea pentru eliminarea

bacteriilor şi separarea grăsimii din lapte datorită diferenţei de dimensiune dintre

componentele laptelui şi celulele microbiene.

În cazul laptelui degresat este posibil să se separe bacteriile de componentele laptelui în

timp ce la microfiltrarea laptelui integral majoritatea grăsimii se separă împreună cu

bacteriile.

Primele încercări pilot de utilizare a microfiltrării pentru eliminarea microflorei din lapte

au fost întreprinse de Piot şi de Holm. S-a constatat că procesul de microfiltrare prin

membrana anorganică de alumină cu diametrul porilor de 1,8 μm determină o reducere a

numărului de bacterii cu 2 ordine de mărime, o separare a 98% din grăsime, fără retenţia

proteinelor din lapte. Numeroşi cercetători consideră că, pentru îmbunătăţirea permeaţiei,

operaţia de microfiltrare trebuie realizată la viteze tangenţiale mari, care, însă, determină

creşterea presiunii transmembranare şi pierderi de presiune de-a lungul modulului de filtrare.

Creşterea pierderilor de presiune, la o valoare mare a presiunii transmembranare, în special la

intrarea în tuburi, poate produce reducerea fluxului de permeat, în limitele căderii de presiune

de 0,65-1 bar.

În cursul concentrării laptelui, pierderea de presiune creşte. Diferenţa presiunii

transmembranare descreşte în cursul filtrării, ajungând la 0 sau devenind chiar negativă, la

sfârşitul procesului. Aceasta înseamnă că media fluxului măsurat din exterior este rezultatul

unui flux foarte înalt la intrare şi foarte redus la ieşirea din filtru. La diferenţe mari de

presiune se poate produce o colmatare importantă, determinată de blocarea porilor. Astfel, a

apărut noţiunea de ‚zonă activă de colmatare’ care se deplasează de la intrare către partea

finală a filtrului, când întregul filtru poate fi blocat, ceea ce impune oprirea şi spălarea

acestuia.

Progresele realizate în domeniul hidraulic, prin circularea permeatului în echicurent şi

asigurarea unei contrapresiuni dinamice, asigură o presiune transmembranară constantă,

uniformă, pe întreaga lungime a filtrului.

În esenţă, acest concept constă în adăugarea la sistemul obişnuit de circulare a

concentratului rezultat din microfiltrare, a unui sistem suplimentar de circulare dirijată a

filtratului. Utilizând o diferenţă de presiune relativ mică (0,3-0,4 bar) dar uniformă, care

trebuie să fie uşor ridicată pe parcursul procesului, se poate menţine fluxul de filtrat la un

nivel ridicat.

Malmberg şi Holm au înregistrat în încercări pilot, cu membrane din alumină şi circulaţia

permeatului în echicurent, la fluxuri constante, o creştere a presiunii transmembranare de

numai 0,1 bar.

Încercările întreprinse de diferiţi autori au demonstrat eficienţa microfiltrării în domeniul

separării microorganismelor. Astfel, Piot a constatat o reducere a numărului sporilor de

Clostridia prin microfiltrare de 10 ori mai mare decât în urma bactofugării, raportată la

conţinutul iniţial. În cazul bacteriei Bacillus cereus, utilizată ca indicator pentru eficienţa

pasteurizării, s-a înregistrat o reducere a numărului de celule de 10 ori în laptele pasteurizat,

tratat, în prealabil, prin microfiltrare.

Este interesant de remarcat că van der Horst şi Hanemaaijer consideră că realizarea unei

presiuni transmembranare scăzute şi constante nu este, în mod obligatoriu, necesară pentru

obţinerea unor rezultate bune în microfiltrare. La microfiltrarea laptelui degresat printr-un

sistem de membrane ceramice, ei au obţinut fluxuri de permeat de 500-700 kg/hm² la o trecere

a proteinelor zerului şi a cazeinei între 97 şi 100% la o retenţie de 99%..

I.2.Instalaţii industriale pentru microfiltrarea laptelui

Progresele înregistrate în domeniul membranelor confecţionate din ceramică, cu un

suport foarte permeabil şi o geometrie multicanal, precum şi adoptarea conceptului de

presiune transmembranară uniformă în microfiltrare, a permis elaborarea tehnologiei şi

echipamentului necesar pentru eliminarea microorganismelor din lapte. S-a stabilit că, pentru

obţinerea unor performanţe superioare în procesul de microfiltrare, este necesară separarea

anterioară a grăsimii din lapte.

Astfel, firma Alfa- Laval a elaborat un sistem cunoscut sub denumirea de

BACTOCATCH, care combină un tratament la temperatură ridicată (130°C/4 s) cu

microfiltrarea (procedeul MF/HTT) şi care este utilizat pentru eliminarea bacteriilor din

laptele crud. Schema acestui proces este prezentată în figura 1 şi 2.

Fig. 1. Sistemul BACTOCATCH utilizat la fabricarea laptelui de consum

Fig. 2. Principiul sistemului BACTOCATCH

Astfel, se realizează o sterilizare în regim indirect a unui volum de smântână necesar

standardizării conţinutului de grăsime şi a retentatului rezultat din procesul de microfiltrare.

Instalaţia este prevăzută cu două bucle de microfiltrare care lucrează în paralel, fiecare

dintre ele prelucrând 5000 l/h lapte degresat, astfel încât capacitatea totală este de aproximativ

10.000 l/h. Această capacitate poate fi mărită prin adăugarea altor module de microfiltrare.

Laptele crud este mai întâi preîncălzit la 60-63°C, în vederea separării centrifugale a

grăsimii. Cantitatea de smântână necesară pentru standardizarea laptelui de consum (sau a

laptelui destinat fabricării brânzeturilor) este dirijată la instalaţia de sterilizare. Laptele

degresat este răcit în sectorul de răcire al instalaţiei de sterilizare până la temperatura de 50°C,

recomandată pentru microfiltrare. Apoi, fluxul de lapte este divizat în două fracţiuni egale

care intră în cele două bucle ale instalaţiei de microfiltrare de unde rezultă concentratul cu un

conţinut ridicat de bacterii (retentatul), reprezentând aproximativ 5% din totalul laptelui

supus tratamentului, şi permeatul cu un conţinut redus de bacterii.

Ambele fracţiuni de retentat sunt amestecate cu smântâna destinată standardizării, înainte

de sterilizare. Urmează sterilizarea la 120-130°C timp de câteva secunde şi răcirea la 70°C

înainte de reamestecare cu permeatul.

În final, amestecul este pasteurizat la 70-72°C/15s şi răcit la temperatura de depozitare

tampon.

Deşi este eficient pentru eliminarea bacteriilor şi sporilor din lapte, procesul

BACTOCATCH nu asigură distrugerea în totalitate a bacteriilor patogene, astfel încât este

completat cu o etapă de pasteurizare.

I.3. Avantajele acestui procedeu:

se realizează o eliminare a microorganismelor în procent de 99,98% ceea ce conduce

la următorul avantaj;

se prelungeşte durata de depozitare a laptelui de la 12 zile la 18 zile.

Microfiltrarea laptelui se aplică ca procedeu de eliminare a grăsimilor şi a conţinutului de

bacterii în cazul în care laptele urmează să fie ultrafiltrat obţinându-se un concentrat proteic

din lapte.

Rosenberg arată că prin microfiltrare bacteriile sunt eliminate în proporţie de 99,8-99,9%,

Bacillus cereus 99,95% iar sporii bacteriilor anaerobe ajung la maximum 3/l.

Oelsen şi Nelsen au studiat retenţia pe membrane a microflorei mezofile totale precum şi

a sporilor de Bacillus cereus sau de Clostridium tyrobutyricum. Trouve a întreprins un studiu

sistematic privind separarea prin microfiltrare a unor specii bacteriene frecvent întâlnite în

laptele crud, selecţionate după volumul celular, mobilitate, tipuri morfologice, Gram+ sau

Gram- (tabel 2).

Tabel 2. Specii de bacterii supuse MF

Specia Grup uzual Gram +/- Volum celular, μm³

Citrobacter intermedius

bacterii coliforme - 4,1

Propionibacterium acidipropionici

bacterii propionice +/- 0,7

Clostridium tyrobutyricum

bacterii butirice + 1,9

Streptococcus thermophilus

bacterii lactice + 1,5

Lactobacillus helveticus

bacterii lactice + 2,4

Pseudomonas fluorescens

bacterii psihrotrofe - 0,9

Micrococcus varians bacterii caseolitice + 1,2

Eficacitatea microfiltrării (E) a fost calculată cu relaţia:

E = log (Co/CM) = log Co – log CM în care: Co – populaţie bacteriană iniţială;

CM – populaţie bacteriană din laptele microfiltrat.

Eficacitatea poate fi exprimată şi în proporţii relative:

E % = 100 (1 – 10 ¯)

Autorii au constatat că eficacitatea microfiltrării este, pentru cele 7 specii de bacterii

examinate, în medie, de 99,75% şi poate ajunge la 99,85% când bacteriile sunt dispersate în

lapte degresat. Aceasta eficacitate este independentă de nivelul iniţial al contaminării, în

limitele 10² - 107 ufc/ml (unităţi formatoare de colonii) (fig.3). Pe de altă parte, retenţia

bacteriilor creşte cu mărimea volumului celular (fig.4), cu observaţia că unele fenomene

(asocierea celulelor în aglomerări puţin disociabile, aderarea sporilor la pereţii celulari,

asocierea unor specii bacteriene cu celulele somatice) pot modifica această concluzie.

Fig. 3. Corelaţia dintre niveluliniţial de contaminare a lapteluişi al microfiltratului (MF 1,4 μm)

Fig. 4. Efectul volumului celular bacterian asupra retenţiei în procedeul Bactocatch

1. Citrobacter intermedius2. Propionibacterium acidipropionici3. Clostridium tyrobutyricum4. Streptococcus thermophilus5. Lactobacillus helveticus6. Pseudomonas fluorescens

7. Micrococcus varians

Numărul de celule somatice din laptele crud este important pentru calitatea produselor

lactate. Rosenberg apreciază că acestea pot fi eliminate în totalitate din lapte prin microfiltrare

sau prin combinaţia microfiltrare/sterilizare la temperaturi ridicate – HTT (MF/HTT).

Referitor la modificările fizico-chimice ale componentelor laptelui în urma aplicării

procedeului MF/HTT, deşi datele din literatură sunt limitate, se pare că se înregistrează doar

transformări reduse, care depind de factorul de concentrare şi de regimul de încălzire.

În comparaţie cu laptele pasteurizat convenţional, a cărui calitate este afectată de prezenţa

unor bacterii psihrofile termorezistente, laptele de consum microfiltrat, obţinut prin procedeul

MF/HTT, are un termen de valabilitate mai mare cu 33% (de la 12 la 18 zile, la temperaturi de

8°C), fără efecte negative asupra însuşirilor senzoriale.

În concluzie, între tratamentul termic convenţional al laptelui şi separarea bacteriilor

realizată prin membrane de microfiltrare există trei diferenţe fundamentale:

dacă asupra laptelui se aplică o dublă microfiltrare, eficacitatea poate să atingă

valoarea de 99,9998%, fără a se înregistra denaturarea proteinelor sau modificarea

echilibrelor de interacţiune, ca în cazul încălzirii;

în cazul când în microfiltrat nu se încorporează retentatul tratat UHT, acesta este lipsit

de celulele bacteriene moarte şi de endoenzimele pe care le conţin, ceea ce nu se poate

realiza prin procedee termice convenţionale;

termorezistenţa microorganismelor nu reprezintă un criteriu de selectivitate la epurarea

prin microfiltrare.

Perspectivele epurării bacteriene a laptelui destinat consumului direct prin membrane sunt

de real interes, fiind, însă, necesare unele cercetări pentru a preciza eficacitatea microfiltrării

faţă de bacteriile patogene şi de alterare (sporulate şi nesporulate).

Compania Tetra Pak a prezentat o linie tehnologică BACTOCATCH pentru producerea

laptelui pasteurizat cu durată mare de conservare prin microfiltrare. Laptele pasteurizat,

obţinut din materie primă de calitate igienică bună şi în condiţii de fabricaţie corespunzătoare,

are o durată de conservare de 8-10 zile, la 5-7°C, într-un ambalaj închis. Această durată poate

fi drastic redusă dacă laptele crud este contaminat cu bacterii psihrofile şi/sau cu bacili

rezistenţi la încălzire care pot supravieţui în laptele pasteurizat sub formă sporulată. Aceştia

pot fi reţinuţi prin membrana de microfiltrare.

În linia tehnologică menţionată este încorporată o instalaţie pentru microfiltrarea laptelui,

cu membrane având dimensiunea porilor de max. 1,4 μm, care determină o reducere a

celulelor de bacterii şi a sporilor cu 99,5-99,99%. Urmează pasteurizarea finală ce asigură

distrugerea bacteriilor patogene din lapte şi o durată de conservare prelungită.

B. Retenţia bacteriofagilor din lapte prin microfiltrare tangenţială

Reţinerea bacteriofagilor din lapte prin microfiltrare este de interes major pentru

numeroase produse lactate. Prin similitudine cu virusurile, eliminarea bacteriofagilor permite

concluzii mai largi privind starea igienică a unor produse lactate. Deosebit de interesantă este

separarea bacteriofagilor din laptele destinat obţinerii de culturi pure de bacterii lactice

utilizate industrial.

O serie de cercetători, utilizând membrane de microfiltrare cu pori de 0,45 μm, a reuşit

separarea particulelor de fagi.

Mai recent, Gauthier a studiat retenţia bacteriofagilor specifici bacteriei Lactococcus

lactis în cursul microfiltrării laptelui prin membrane cu pori de 0,1 μm. Microfiltrarea

tangenţială prin membrane cu astfel de pori a fost propusă pentru separarea cazeinei micelare

native din lapte utilizată atât pentru standardizarea conţinutului de cazeină din lapte, cât şi

pentru producţia de cazeină micelară nativă cu interesante proprietăţi funcţionale.

Microfiltratul obţinut în urma acestei tehnici de separare este lipsit de grăsime reziduală,

fragmente de cazeină, fiind limpede în pofida conţinutului de proteine din zer, cu un număr de

bacterii foarte scăzut, aproape de sterilitate. Din acest microfiltrat se separă CPZ de mare

puritate, fracţiunile proteice α-LA şi β-LG, lactoferina, lactoperoxidaza, care sunt utilizate ca

ingrediente nutriţionale în dietetică şi în alimentele pentru copii. Este evident că asemenea

utilizări necesită cunoaşterea unei posibile contaminări virale.

Gauthier a realizat, cu membrane de 0,1 μm, o reţinere a fagilor în proporţie de 99,6-

99,86%, independent de concentraţia iniţială a acestora. Diametrul porilor membranei este de

două ori mai mare decât dimensiunea capului bacteriofagilor testaţi, astfel încât retenţia

acestora a fost explicată prin diferite ipoteze. Whitman şi Marshall şi Erskine consideră că

între particulele de fagi şi micelele de cazeină reţinute de membrană au loc interacţiuni

electrochimice, însă această ipoteză este infirmată de lucrările altor cercetători. Altă ipoteză,

care încearcă să explice reţinerea fagilor de membrana de 0,1 μm, constă în reducerea

dimensiunii porilor datorită fenomenului de polarizaţie de concentraţie încă de la începutul

operaţiei de microfiltrare. De asemenea, sunt menţionate şi o posibilă respingere electrostatică

între membrana de microfiltrare şi particulele de fagi sau agregarea bacteriofagilor cu

creşterea, în consecinţă, a volumului acestora.

CAPITOLUL II

OSMOZA INVERSĂ: SCOP, INSTALAŢII, PROCEDEU

Prima utilizare a osmozei inverse în industria alimentară a fost pentru concentrarea

zerului utilizat la fabricarea brânzeturilor. Ulterior, osmoza inversă a fost utilizată şi la

concentrarea permeatului rezultat la ultrafiltrare. În mod obişnuit, zerul este concentrat la 12-

24% SU iar permeatul la 12-22% SU.

Un procedeu tipic de concentrare a SU din zer până la obţinerea zerului praf este

prezentat în fig. 5.

Fig. 5 Schema procesului de obţinere a zerului praf prin tratare cu OI1- depozitare; 2- pasteurizare; 3- separare centrifugală; 4- separare particule fine; 5- osmoză inversă; 6- concentrare; 7- uscare prin pulverizare.

O etapă importantă din procesul tehnologic este îndepărtarea particulelor fine de cazeină

care pot produce colmatarea mermbranei. În procesul de osmoză inversă se pot utiliza atât

membranele de acetat de celuloză cât şi cele compozite, în module cu membrane plane,

tubulare sau spiralate.

Instalaţiile cele mai noi folosesc module în spirală care operează în mai multe stadii. În

figura 6 se prezintă două instalaţii de osmoză inversă, în care alimentarea modulelor se face

printr-o singură trecere peste membrană (A) şi prin recirculare (B), cu variaţia presiunii de

lucru şi a presiunii osmotice.

Fluxul tehnologic la fabricarea zerului praf se realizează la următorii parametri.

Zerul dulce rezultat la obţinerea brânzeturilor este prelucrat la 28-30°C sau la 8-12°C. La

temperatură ridicată pH-ul devine un factor important. Dacă pH-ul este peste 5,7 , sulfatul de

calciu poate precipita la aproximativ 18% SU. Datorită faptului că solubilitatea CaSO4 variază

invers proporţional cu temperatura, este posibil să se opereze la valori ridicate de pH şi la

temperaturi scăzute.

Fig. 6. Variante ale instalaţiilor de OI

Reglarea pH-ului poate fi realizată cu adaos de acid mineral sau prin dozare de CO2 în

zer, ultimul având avantajul că se elimină în cursul operaţiilor de concentrare şi uscare.

Valoarea presiunii de lucru este cuprinsă între 30 şi 60 bar, în funcţie de tipul de

membrană, modulul utilizat şi temperatura de lucru. Fluxurile medii realizate sunt de

aproximativ 20 l /m²h, fiind dependente de temperatură, pH, tipul membranei şi configuraţia

instalaţiei. În cazul instalaţiei cu un singur stadiu, se obţine un flux mediu mai scăzut decât în

instalaţiile cu mai multe stadii. Numărul stadiilor succesive este în aşa fel stabilit încât să

asigure menţinerea unei viteze ridicate a curgerii chiar în condiţiile eliminării permeatului în

etapele iniţiale.

În condiţii industriale, instalaţia OI lucrează 10-24 ore, după care se face spălarea.

Zerul acid are un pH între 4,5-4,7, fiind obţinut la fabricarea brânzei de vaci sau

cazeinei. Deoarece în acest tip de zer proteinele sunt precipitate, ele tind să accentueze

fenomenul de polarizare de concentraţie. Astfel, în condiţii comparabile de lucru, fluxul de

permeat este cu 10% mai scăzut decât pentru zerul dulce. Această dificultate poate fi depăşită

operând la temperaturi superioare, când fosfatul de calciu este mai stabil la pH scăzut.

Permeatul obţinut la tratarea zerului dulce prin membrane compozite de OI are un indice

BOD (Biochemical Oxygen Demand) cuprins între 100 şi 250 mg/l. În cazul zerului acid,

obţinut de exemplu la fabricarea cazeinei, BOD poate creşte cu 50%, în timp ce, pentru zerul

obţinut cu acid lactic, acesta creşte de 3 ori.

OI este folosită în mod obişnuit pentru a preconcentra zerul înainte de concentrarea prin

evaporare în vederea uscării. Soluţia se justifică prin faptul că, în cazul extinderii capacităţii

de concentrare, este mai uşor să se instaleze un modul de OI decât să se adauge un efect

suplimentar la instalaţia de concentrare. În această variantă, OI este utilizată pentru

concentrarea prin evaporare până la 50% SU, în vederea uscării. De asemenea, este de

remarcat că printr-o preconcentrare OI se măreşte semnificativ capacitatea evaporatoarelor

existente (tabel 3).

Tabel 3Concentrarea prin OI

Componente, g/100 g Zer iniţial Concentrat Permeat

SUT 6,3 24,6 0,24

Proteine 0,7 2,8 -

Lactoză 4,7 18,6 0,05

Cenuşă 0,7 2,5 0,15

NNP 0,2 0,7 0,04

În afara aplicaţiei menţionate, OI este utilizată în industria laptelui ca o concentrare

parţială, urmărind câteva obiective:

reducerea volumului de transportat. Transportul zilnic al zerului obţinut la secţiile

mici de brânzeturi sau cazeină este neeconomic. Este avantajos ca zerul să fie

concentrat local prin OI şi depozitat în condiţii de refrigerare până se acumulează o

cantitate ce justifică transportul;

concentrarea preliminară în vederea electrodializei, până la un conţinut de 25% SU,

la o temperatură care nu produce denaturarea proteinelor din zer. Acest aspect prezintă

o importanţă particulară, când zerul demineralizat este utilizat la fabricarea produselor

de început şi/sau diversificare destinate sugarilor şi copiilor mici.

În prezent, există instalaţii care combină NF cu schimbul ionic în vederea

demineralizării zerului. Modulele de NF sunt plasate înaintea schimbului ionic,

reducând concentraţia minerală a zerului cu 30-40%. Datorită trecerii mai uşoare a

lactozei prin membrane NF, în comparaţie cu OI, permeatul obţinut are o valoare mai

mare a indicelui BOD.

concentrarea în corelaţie cu gelfiltrarea. Concentrarea prealabilă a zerului prin OI

măreşte capacitatea instalaţiilor de gelfiltrare. Proteinele separate prin gelfiltrare sunt apoi

concentrate până la 25-28% SU, în vederea uscării prin pulverizare. Regimul de

temperatură din aceste tratamente nu determină denaturarea proteinelor din zer.

Pentru o valorificare cât mai completă a componetelor din zer, acesta poate fi tratat printr-un

procedeu combinat UF/OI, realizat în două etape (fig. 7). În prima etapă se obţine

concentratul proteic, care poate fi concentrat şi uscat pentru obţinerea CPZ, şi permeatul UF.

Acesta din urmă este tratat prin OI, rezultând o soluţie concentrată de lactoză şi permeat.

Soluţia de lactoză reprezintă materia primă ideală pentru fabricarea lactozei rafinate deoarece

este lipsită de proteinele zerului. Concentratul de lactoză poate fi transformat prin fermentaţie

sau hidroliză în numeroase produse cu largi utilizări în industria alimentară sau farmaceutică.

Fig. 7. Procedeu de tratare combinată a zerului prin UF/OI

CAPITOLUL III

AVANTAJELE ŞI DEZAVANTAJELE SEPARĂRII PRIN MEMBRANE

III.1. Avantajele separării prin membrane:

o separarea se realizează continuu;

o consumurile energetice sunt reduse;

o volumul utilajelor este redus;

o circuitul fluidelor se realizează în sistem închis;

o orice proces de separare prin membrane poate fi asociat cu alt proces în scopul

creşterii eficienţei separării.

III.2. Dezavantajele separării prin membrane:

o fenomenul de polarizaţie de concentraţie – se datorează acumulării unui strat de săruri

minerale în imediata apropiere a membranelor, fapt care conduce în timp la blocarea

porilor, conduce la oprirea procesului;

o membranele nu sunt perfect permeabile.

BIBLIOGRAFIE

1. Miron Costin, Florea – Aplicaţii ale proceselor de separare prin membrană în industria

alimentară

2. Costin, G.M. , Lungulescu Gr. – Valorificarea subproduselor din industria laptelui

3. http://www.cttecotech.ro/fisamembrane.pdf