Tehnologii neconvenţionale de membranare pentru prelucrarea laptelui

Membranele sunt elemente filtrante, cu dimensiuni submicronice ale porilor, care permit separarea componentelor din amestecuri complexe. În funcţie de dimensiunea porilor, membranele pot reţine la suprafaţa lor atât particule aflate în suspensie (prin microfiltrare), cât şi compuşi dizolvaţi (prin ultrafiltrare, nanofiltrare, osmoză inversă). Datorită avantajelor pe care le prezintă aceste materiale filtrante faţă de cele clasice (separare eficientă la temperatura mediului ambiant, productivitate ridicată prin selectarea unui regim de curgere optim, simplitate în operare etc.), membranele şi tehnicile de membranare cunosc, în prezent, pe plan mondial, o dezvoltare continuă.

Preocupare pe plan modial

Dacă la nivelul anului 1992, în SUA, vânzările de membrane se situau la 680 de milioane de dolari, în 2001, această valoare s-a dublat. Până în anul 2008, prognozele indicau o creştere de 8,3% pe an a vânzărilor de membrane destinate tratării apelor uzate, obţinerii apei potabile, purificării băuturilor şi a altor lichide din industria alimentară. Pe piaţa membranelor, s-au impus firme dintr-o serie de ţări dezvoltate (SUA, Germania, Japonia, Franţa), cum ar fi Abcor, Pall, Millipore, Sartorius, Koch Membrane, Du Pont. Tehnologiile dezvoltate de aceste firme, care realizează nu doar materialele filtrante, ci şi instalaţiile în componenţa cărora intră acestea, sunt recunoscute ca făcând parte din clasa tehnologiilor neconvenţionale şi ecologice.

Odată cu membranele clasice, a căror aplicabilitate se datorează efectului de separare a componentelor unui amestec pe baza diferenţei dintre mărimea moleculelor acestora, s-au obţinut membrane cu proprietăţi superioare în recunoaşterea şi separarea speciilor chimice din medii lichide complexe. Obţinerea acestor tipuri de membrane a fost posibilă datorită dezvoltării continue a ştiinţei materialelor micro şi nanostructurate, cu proprietăţi fizice, chimice, electrochimice sau optice predefinite.

În general, materialele de acest tip se obţin prin aplicarea unui strat foarte subţire din compusul cu proprietăţi predefinite pe un material membranar-suport, rezultând, în acest fel, membrane compozite. Pe plan mondial, există o intensă preocupare pentru modernizarea tehnologiilor şi echipamentelor specifice operaţiilor de purificare şi recuperare a componentelor utile din lichidele alimentare, atât pentru produsele principale, cât şi pentru produsele secundare care

rezultă din procesele tehnologice, accentuându-se, în special, valorificarea lor în alimentaţia umană. Prin aplicarea proceselor de membranare, calitatea produselor alimentare lichide destinate consumului este mult îmbunătăţită şi riguros controlată, pe baza unor standarde moderne, exigente.

Scurtă prezentare

Ştiinţa şi tehnologia membranelor sunt tratate, în ultimii ani, ca domenii interdisciplinare, care includ noţiuni de chimie a polimerilor, chimie fizică şi inginerie chimică. O definiţie exactă şi completă a membranei, care să includă aspecte referitoare la structura sa, mecanismul de separare şi domeniul de utilizare este dificilă. În sensul cel mai larg, unanim acceptat de oamenii de ştiinţă, membrana este o barieră selectivă care participă activ sau pasiv la transferul de masă între fazele pe care le separă.

Procesele care utilizează membrane, ca element central, au aplicabilitate multiplă în separarea şi concentrarea componentelor unor soluţii, amestecuri de gaze sau vapori, având, în present, statutul de tehnologii de vârf. Membranele cunoscute în prezent sunt diferenţiate prin natura şi tipul materialului, structura şi domeniul de aplicare.

Pe baza acestor criterii de clasificare, membranele sunt:

a) după natura materialului – naturale şi sintetice; b) după tipul materialului – polimerice şi anorganice; c) după structură – poroase şi dense (neporoase); d) după domeniul de aplicare – de microfiltrare (MF), ultrafiltrare (UF), nanofiltrare (NF), osmoză inversă (OI), dializă (D), electrodializă (ED), distilare membranară, (DM), pervaporaţie (PV) şi electroosmoză (EO).

Membranele poroase, care au cele mai multe aplicaţii la nivel industrial, se subdivide, la rândul lor, după forma şi distribuţia porilor, în membrane simetrice (structura definită prin pori cilindrici, drepţi sau înclinaţi, uniform distribuiţi sau microsferulite monodisperse), membrane asimetrice (structura formată din micropori cu diametre variabile, dispuşi într-un strat foarte subţire, cu grosimea de 0,1 – 1 μm, numit strat active, şi macropori neregulaţi, care formează substratul macroporos cu o grosime de 100 – 200 μm) şi membrane compozite (structura caracterizată printr-un strat activ compact, simetric sau asimetric, un strat intermediar de legătură, şi un substrat macroporos).

Conceptul inversiei de fază

Pentru obţinerea de membrane utilizate la nivel industrial, metoda cea mai cunoscută şi cea mai aplicată, în prezent, este inversia de fază. Conceptul de inversie de fază presupune transformarea unei soluţii polimerice omogene într-un sistem de două faze, una bogată în polimer, care formează partea continuă a membranei poroase, şi alta săracă în polimer, care umple porii din structura membranei.

Procesul are trei etape principale: dizolvarea polimerului într-un solvent adecvat; peliculizarea soluţiei polimerice pe o suprafaţă plană sau tubulară; precipitarea polimerului (inversia de fază propriu-zisă). În funcţie de tipul polimerului, de concentraţia soluţiei polimerice, de grosimea peliculei, de modalitatea şi condiţiile de precipitare, prin inversie de fază, se obţin membrane cu structura simetrică pentru marea majoritate a aplicaţiilor cunoscute (MF, UF, OI etc.), în formă plană sau tubulară.

Realizarea practică a proceselor de separare prin membrane implică instalaţii specifice, în care elementul central este dispozitivul care conţine încorporată membrana, denumit modul membranar. Membranele în formă plană pot echipa module cu diferite geometrii, de tipul filtrelor clasice cu rame şi plăci, sau pot fi utilizate la realizarea de elemente filtrante, membrana având configuraţie pliată sau spiralată. O instalaţie de separare a componentelor dintr-un amestec, prin intermediul membranelor, poate cuprinde unul sau mai multe module membranare.

Utilizarea tehnologiilor neconvenţionale în industria laptelui

Industria laptelui este, fără îndoială, sectorul din industria alimentară în care procesele de membrană au cea mai largă aplicare, acestea fiind utilizate în cele mai diverse scopuri, de la concentrarea sau fracţionarea componentelor (osmoza inversă, ultrafiltrarea) până la separarea macro sau microcomponentelor şi a celulelor microbiene, prin microfiltrare şi nanofiltrare.

Laptele poate fi utilizat ca atare sau poate constitui materie primă pentru obţinerea unui număr mare de produse finite, cu valoare nutritivă mare. Prin îndepărtarea microorganismelor şi a sporilor acestora din lapte, în proporţie de până la 99,99%, în funcţie şi de încărcătura microbiană iniţială a acestuia, se poate obţine un lapte ”organic’’, „ecologic” sau „biologic”, cu valoare nutritivă nemodificată. Un asemenea lapte se poate utiliza la fabricarea brânzeturilor şi în formă crudă, cu valoare nutritivă şi biologică ridicată. De asemenea, producţia se poate axa pe brânzeturile tradiţionale româneşti.

Separarea şi concentrarea componentelor laptelui au multiple aplicaţii în industria laptelui, de la îmbogăţirea a numeroase produse în proteine, valoroase din

punct de vedere biologic (conţinând toţi aminoacizii esenţiali), până la utilizarea acestor proteine, la fabricarea produselor pentru sugari (concentrate proteice, în special din zer). Alte componente, lactoza de exemplu, pot fi utilizate, de asemenea, în biotehnologiile alimentare pentru obţinerea de biomase din care se pot obţine formule lactate pentru alimentaţia sugarilor, pentru industria farmaceutică etc. Începand cu anii 1970, tehnicile membranare s-au extins în numeroase domenii ale industriei laptelui. În actuala criză mondială de proteine, în particular, de origine animală, care tinde să se accentueze, laptele şi subprodusele laptelui reprezintă o remarcabilă sursă proteică pentru alimentaţia umană. Procedeele tehnologice moderne, neconvenţionale, pe bază de membrane, permit o viguroasă şi eficientă separare a substanţelor componente din lapte şi zer, aşadar, o mai bună prelucrare, conservare şi utilizare a acestora.

Tendinţa actuală este aceea de integrare a procesului de obţinere a membranelor, de caracterizare funcţională a acestora şi de fabricare a produsului dorit. Se urmăreşte realizarea de membrane specializate pentru un anumit produs sau chiar pentru îmbunătăţirea unei caracteristici determinate a acestuia.

Pe plan naţional, în domeniul producerii de membrane şi sisteme membranare, centrul de cercetare pentru materiale macromoleculare şi membrane are o experienţă vastă, fiind şi singurul producător din ţară. Preocupări în domeniul membranelor şi proceselor membranare există şi în cadrul unor universităţi din ţară, dar numai la nivel de laborator.

Din păcate, la noi în ţară, aceste tehnici moderne, cu avantaje certe atât sub aspect nutriţional, cât şi economic, nu sunt aplicate, în prezent, în industria laptelui. Există doar o singură instalaţie pentru fabricarea brânzeturilor prin ultrafiltrare, achiziţionată din import cu costuri ridicate. Dacă pe plan internaţional, aplicarea procedeelor membranare în industria laptelui este impusă prin standarde de calitate deosebit de exigente, în România, aceste procedee sunt aplicate la scară redusă şi datorită permisivităţii sistemului de calitate. Se impune cu necesitate alinierea nivelului tehnologic din industria laptelui la cel existent pe plan internaţional, odată cu aderarea la Uniunea Europeană, şi conformarea sistemului românesc al calităţii la cel european.

Aplicatii ale ultrafiltrarii în industria laptelui. Ultrafiltrarea se aplica la conscentrarea laptelui degresat normalizat şi la recuperarea proteinelor din zer.

Concentrarea laptelui degresat şi normalizat prin ultrafiltrare se aplica la fabricarea branzeturilor, produselor dietetice acide etc.La ultrafiltrare se retin pe membrana proteinele şi lipidele precum şi substantele asociate cu acestea adica: vitaminele liposubile A,D,E,K care sunt legate de lipide, vitaminele B12 şi acidul folic care sunt legate de proteine; substantele minerale legate de cazeine; circa 50%

din lactoza şi azot neproteic.În permeat trec apa, substantele minerale solubile, vitaminele hidrosolubile ( cu exceptia vitaminei B12 şi acidului folic), circa 50% din lactoza.Concentrarea laptelui normalizat sau degresat destinat fabricarii branzeturilor poate fi:

-prin ultrafiltrare cu factor mic (Low Concentration Factor-LFC), în care caz factorul de concentrare este 2,0;

-prin ultrafiltrare cu un factor mare (High Concentration Factor-HCF), care caz factorul de concentrare este de 3-6, retenatul respective fiind utilizat la fabricarea branzeturilor semitari şi tari;

- pana la nivelul de substanta uscata din produsul finit (metoda Precheese), care se aplica în cazul în care retenatul este utilizat la fabricarea branzeturilor moi şi semitari (cu>45% apa), cum ar fi branza Quarg, Fetta, Mozzarella.

Folosirea ultrafiltrarii la concentrarea laptelui destinat fabricarii branzeturilor prezinta urmatoarele avantaje: cresterea randamentului în branza, deoarece se recupereaza proteinele serice care conteaza pentru 20% din totalul proteinelor;este posibila mecanizarea şi automatizarea procesului; necesarul de cultura de productie şi cheag este mai redus (cantitatea de cheag se reduce cu 20% din cea folosita în tehnologia conventionala); cantitatea de zer este diminuata sau eliminata, permeatul obtinut necesitand un BOD mai redus; capacitatea fabricarii creste pastrand aceleasi utilaje; necesitatile energetice sunt mai scazute.

Tot prin ultrafiltrare se produce recuperarea proteinelor din zer, retenatul respectiv alacatuind asa-numitul concentrat proteic (WPC), care poate contine, dupa uscare, pana la 3-5% umiditate, circa 50-62% proteine. Acest concentrat este folosit în produsele lactate, produsele de panificatie, alimentele dietetice, baby-foods, produsele din carne, bauturi proteice etc. Adaosul de WPC în produsele alimentare are doua motivatii: o motivatie nutritionala, deoarece proteinele din zer (proteine serice) au o mare valoare biologica şi o motivatie tehnologica datorita proprietatilor functionale (capacitate de spumare, emulsionare, absorbtie de apa, capacitate de ingrosare). Pentru a evita comatarea membranei de ultrafiltrare, se preconizeaza urmatoarele masuri: clarificarea serului prin indepartarea cazeinei (urme) şi grasimii; incalzire 80...85˚C/15s şi ajustare pH la 3 sau 7,0;complexarea proteinelor (micelelor de cazeina şi β-lactoglobulina) prin tratament termic sau solubilizarea cazeinei cu enzime; adaos de EDTA sau hexametafosfat de sodiu pentru a complexa fosfatul de calciu care poate colmata membrana de ultrafiltrare.Ionii de calciu pot fi indepartati şi prin elctrodializa sau cu ajutorul schimbatarilor de ioni.

Impactul tehnic, economic şi social al utilizării tehnicilor membranare

Implementarea pe scară mai largă a tehnologiilor membranare în industria laptelui va extinde domeniul de aplicabilitate a membranelor şi va permite realizarea în ţară a unor instalaţii echipate cu membrane specifice pentru

prelucrarea laptelui şi a derivatelor acestuia.

Preţul estimativ al unei astfel de instalaţii este de circa 15.000 de euro, la o capacitate de 1.500 l/h de lapte prelucrat. Acest preţ este de circa două ori mai scăzut decât al unor produse similare din import. Prin extinderea aplicaţiilor instalaţiilor echipate cu membrane asimetrice şi producerea acestora în serie, se realizează importante economii valutare.

Utilizarea proceselor membranare conduce la eficientizarea producţiei, prin reducerea costurilor materiale, energetice (fiind eliminate procesele termice de pasteurizare), şi de manoperă, concomitent cu creşterea calităţii produselor şi diversificarea gamei sortimentale. Prin dezvoltarea de noi capacităţi de producţie se creează noi locuri de muncă. Prin valorificarea produselor secundare din lapte, se diminuează poluarea surselor de apă din zona unităţilor prelucrătoare.

Având în vedere faptul că instalaţiile membranare se pot pune în funcţiune cu cheltuieli mici, iar consumurile energetice sunt reduse, acestea pot fi amplasate cu uşurinţă şi în zone izolate, defavorizate, contribuind astfel la relansarea economică locală.

Prin utilizarea tehnologiilor membranare este posibilă aplicarea sanitarizării laptelui, chiar la centrele de colectare, reducându-se pierderile datorate acidulării laptelui, care nu ar mai putea fi procesat. Pentru un producător din industria laptelui care utilizează tehnologii membranare specifice, se estimează un profit de circa 10.000 de euro pe an, atât ca urmare a economiei de energie, cât şi prin recuperarea tuturor componentelor laptelui şi utilizarea eficientă a acestora, în fabricarea unor produse alimentare.

EnvopurInstalatiile din linia noastra de productie Envopur® acopera intreaga gama a

tehnologiei de separare cu membrane pentru tratarea apei de proces, recircularea apei si tratarea apei reziduale. Ele sunt indicate pentru marea majoritate a tipurilor de apa industriala procesata.

Deseori, solutiile eficiente se pot realiza numai prin combinarea diferitelor tehnologii de tratare. Noi oferim o varietate de tehnologii. In functie de aplicatia dumneavoastra specifica, noi combinam tehnologiile de tratare pentru a atinge solutia optima clientului: de exemplu tehnologia Envopur® combinata cu tehnologia fizico-chimica, tehnologia biologica sau combinam diferitele tehnologii cu membrane.

Principiul de functionare

Filtrarea cu membrane consta in concentrarea materiilor dizolvate si nedizolvate dintr-un fluxde apa sub actiunea presiunii printr-o membrana. Marimea porilor membranei stabileste care molecule trec prin membrana. In functie de componenta fluxului ce trebuie tratat cat si a gradului de purificare, se stabileste tipul de membrana.

ULTRAFILTRAREA LAPTELUICapacitate: aprox. 100 l/h pana la 100 m3/h.Scopul tratarii:

separarea substantelor coloidale si a celor insolubile.

Membrana: organica, anorganica.Tipul instalatiei :

modul tubular, modul infasurat.

Aplicatii: Tratarea si reciclarea apei de spalare/clatire.Spargerea emulsiilor.Separarea substantelor valorificabile din apa.Reciclarea solutiilor de spalare sticle.

• Separarea selectiva a substantelor.

Instalatie ultrafiltrare UF 

Sistem de ultrafiltrare a apei in scopul potabilizarii sau utilizarii tehnologice. Sistemele de ultrafiltrare se configureaza functie de solicitarea clientului.

Constructie pe cadru inox, cu pompa de spalare inversa, ventile actionate pneumatic, panou de automatizare cu programare digitala, sisteme de dozare pentru spalare chimica cu NaOCl respectiv cu acid clorhidric sau acetic.

Instalatia de ultrafiltrare este complet echipata, cu module membrana, conducte de circulatie a apei, debitmetre, manometre, cabluri, etc.

Membranele de ultrafiltrare asigura retinerea impuritatilor de ordinul 0,01 microni, virusilor, bacteriilor, macromoleculelor organice, particulelor coloidale.

Concluzii:

• In ultimii ani s-au progrese semnificative pentru dezvoltarea metodelor de procesare minime si atermice

• Desi probabil că aceste procese nu vor inlocui niciodata complet tratamentele termice, avantajele unice pe care le ofera trebuie luate in considerare si exploatate

• Aplicaţiile industriale sunt inca puţine la număr în momentul de faţă,

datorită costurilor ridicate şi dezvoltării insuficiente

• Unele ţări au făcut progrese remarcabile în adoptarea acestor tehnologii (SUA, Germania, Noua Zeelandă, Australia).

• Multe eforturi de cercetare şi dezvoltare sunt încă necesare.