Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Водоотведение региональных предприятий по производству молочной продукции. Монография
.pdf
Белковые вещества подсырной сыворотки по своей природе близки белкам крови, поэтому они используются организмом человека для
регенерации тканевого белка, образования гемоглобина и плазмы крови.
Дрожжевой белок, выделенный из сыворотки, успешно начал
применяться в качестве кормовых добавок животным.
Переработка различными методами. Среди биологических методов
переработки сыворотки наибольшим потенциалом обладает ферментативный гидролиз дисахарида лактозы до моносахаров глюкозы и галактозы.
Этот метод уже нашел широкое применение в различных отраслях производства в ряде зарубежных стран (США, Франция, Финляндия, Австралия).
Определенный интерес представляет ферментативный гидролиз
сывороточных белков, наиболее богатых незаменимыми аминокислотами. Одним из перспективных направлений, расширяющих сферу использования сыворотки, является сквашивание ее различными видами
молочнокислых микроорганизмов. При культивировании полезных микроорганизмов в сыворотке как питательной среде она в значительной
степени обогащается ценными продуктами метаболизма, такими, как органические кислоты, ферменты, иммунные тела, витамины и другие
биологически активные вещества [4].
Присутствие в продукте полезной микрофлоры, находящейся в фазе
активной жизнедеятельности, позволяет также использовать его для профилактики и лечения желудочно−кишечных заболеваний, подавлять развитие
нежелательной микрофлоры. Путем биологической конверсии компонентов
молочной сыворотки и в первую очередь лактозы возможно достаточно дешевым способом получение таких ценных производных, как лактулоза, лактитол, лактобионовая кислота, лактаты калия, натрия, кальция, органические
кислоты (молочная, пропионовая и уксусная), витамины, этиловый спирт,
биогаз и др. Исследования в этом направлении перспективны, и их успешное
завершение позволит разработать ряд новых эффективных технологий.
Молочная сыворотка обладает высокой пищевой и биологической
ценностью, содержит около 50% сухих веществ молока, энергетическая
ценность, в значительной части за счет высокого содержания лактозы,
составляет 36% от цельного молока. Сывороточные белки, которые являются важным компонентом молочной сыворотки, оптимально сбалансированы по аминокислотному набору, особенно серосодержащих аминокислот – цистина, метионина, что создает возможности для регенерации белков печени, гемоглобина и белков плазмы крови. Минеральные
соли сыворотки практически идентичны солям цельного молока и содержат «защитные» комплексы антисклеротического действия [28].
М. Лауэра и др. [101] определяли экономическую целесообразность применения анаэробного сбраживания органических удобрений на
молочных фермах. Они рассматривали две технологические схемы:
1) полученный путем анаэробного сбраживания органического
удобрения с коровьих ферм биогаз используется для производства электричества и тепла на нужды самой фермы;
101
2) полученный биогаз очищается до биометана, который закачи-
вается в сети газоснабжения вместо природного газа.
Исследования проводились также с использованием различных
типов сбраживателей. Наиболее эффективными оказались сбраживатели
в виде отстойников закрытого типа и сбраживатели с перемешивающим
устройством. Однако, при данных технологиях не происходит удаления
нитратов, поэтому ученые предлагают использовать данные типа сбраживателей совместно с очисткой стоков от нитратов [101].
Э. Р. Т. Лопез и др. исследовали состав сточных вод промышленных предприятий молочной промышленности в Галисии (Испания), их
происхождение, влияние на окружающую среду, а также оценивали степень внедрения на данных предприятиях наилучших доступных технологий (НДТ) и их эффективность. Исследования показали, что некоторые предприятия внедряют небольшое количество НДТ, что отражается
на величине выбросов вредных веществ в окружающую среду [107].
Д. Боружко изучал влияние анаэробной стабилизации осадков, образующихся при очистке стоков с молокозаводов, на биохимическое
разложение полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в
присутствии микроорганизмов. Исследования проводились на избыточном активном иле, осадке после флотации и их смеси. Исследования с
использованием микроорганизмов показали снижение 16 ПАУ на 70,9%
в избыточном иле и 65,7% в смеси осадков. В пробах без микроорганизмов снижение ПАУ наблюдалось на 26,4% и 4,7% соответственно [82].
Ц. Чен и др. исследовали последовательное применение изоэлектрического осаждения, ультрамембран, наномембран и молочнокислого
брожения на примере сточных вод предприятий молочной промышленности. Исследования показали, что предварительное осаждение перед
ультрамембранами способствует уменьшению трансмембранного давления за счет удаления из сточных вод казеина. На ультрамембранах задерживаются протеины, находящиеся в стоках, а концетрат после нано-
3
мембран, содержащий 44,2 мг/дм
лактозы, используют в качестве субстрата для молочнокислого брожения. При этом было получено 37,6
мг/л молочной кислоты. Кроме того, проводились исследования физикохимических свойств различных наномембран [85, 86].
Х. Эскаланте и др. изучали анаэробное сбраживание сыворотки,
образующейся при производстве сыра. Согласно их исследованиям,
анаэробное сбраживание имеет ряд преимуществ: в энергетическом
плане биохимический метановый потенциал составил 25,6-30,5 л CH
/л;
4
происходит удаление органических веществ на 83%; соотношение
+
NH
4
получения 8,5-10,4 г струвита/дм
/PO
3-
составило 2,6-4,0, что оптимально для осаждения струвита и
4
3
[91].
А. П. Эсвари и др. изучали эффективность образования метана при
разложении активного ила в кислой среде в присутствии пероксида водорода при обработке его СЧВ лучами. Наиболее оптимальной, согласно
102
их исследованиям, оказалась рН среды равная 5, и концентрация перок-
3
сида 0,5 мг/дм
. Снижение ХПК составило 46%. Выход метана, по сравнению с простой обработкой осадка СВЧ лучами, увеличился на 9,6% и
составил 250 мл/дм
3
летучих веществ [96].
М. Хасан и др. изучали очистку сточных вод предприятий молочной промышленности с помощью микробных топливных элементов в
различных условиях: в темноте или в присутствии света, при непрерывном и периодическом потоке стоков в течение 8-30 ч. Исследования показали, что в отличие от процессов, происходящих в темноте с постоянным напряжением в разомкнутой цепи (НРЦ) 700 мВ, присутствие света
привело к развитию других микроорганизмов и, как следствие, к низкому и непостоянному НРЦ. Содержание общего азота и азота по Кьельдалю снизилось на 70% и 99% соответственно за 30 ч, в то время как концентрации нитратов и нитритов возросли [97].
М. Касми и др. предложили новый подход к использованию ценных
компонентов, извлекаемых и сточных вод. Сточные воды обрабатывались
методом термальной коагуляции, а выпавший осадок послужил питательной средой для развития бактерий. Анализ жирных кислот, содержащихся
в осадке, выявил наличие ненасыщенных жирных кислот, главным образом, олеиновых кислот, которые необходимы для роста Lactobacillus. Все
бактерии показали хороший рост на питательной среде и с добавлением
глюкозы, и с добавлением глюкозы и дрожжевого экстракта [118].
К. Райдер и др. сравнивали характеристики казеина, полученного
напорной флотацией сточных вод, с сухим обезжиренным молоком. Согласно полученным данным при реологическом исследовании казеин
сточных вод имеет значительно большую вязкость, чем обезжиренное
сухое молоко. Масс-спектрометрический метод показал наличие в казеине сывороточных белков: лактопероксидаза, β-лактоглобулин, αлактальбумин, бутирофилин [126].
К. Самал и др. исследовали возможность эффективного использования симбиоза растений и дождевых червей для очистки производственных
сточных вод с молокозаводов. Исследования проводились на двух вермифильтрах в присутствии червей Eiseniafetida, в один из них было посажено растение Канна индийская. Эффект удаления БПК составил соответственно 80,6 % и 71 % для вермифильтра в присутствии растения и без него, удаление ХПК составило 75,8% и 66,1% соответственно. Концентрация
ионов аммония составила 8,4 и 13,2 мг/дм3 соответственно, концентрация
взвешенных веществ понизилась на 84,8 и 73,8%, в то время как общая
минерализация практически не изменилась [128]. Кроме того, проводились
исследования с применением различных видов растений [127].
С. Бхаттачаржи и Д. Саркер исследовали кинетику фермантативного гидролиза лактозы, полученной из сыворотки, до сбраживаемого
сахара. Гидролиз проводился при температуре 32°С с использованием в
103
качестве фермента β-галактозидазы. Концентрация лактозы в сыворотке
составила 3,2%. По результатам исследования были определены максимальная скорость реакции и константа Михаэлиса, которые соответственно, равны 4,38 ммоль/л/мин и 64,034 мМ. Каталитическая эффективность равна 38,81 мин
-1
[79].
М. Линдси и др. исследовали кинетику термического гидролиза
лактозы с применением кислотных катализаторов с образованием глюкозы и галактозы. В качестве катализатора использовалась серная кислота или твердые кислые катализаторы (Amberlyst 70 и фосфат циркония).
Исследования показали, что предварительная ультра- и нанофильтрация
задерживают мешающие компоненты (протеины и жиры сыворотки),
что повышает скорость гидролиза на 36%, однако они не задерживают
небелковый азот, в отличие от адсорбции активированный углем. Нанофильтрация и обработка активированным углем повышают чистоту сыворотки и увеличивают распад до моносахаридов на 92 и 93% соответственно. В процессе обработки помимо глюкозы и галактозы также образуются сывороточные белки (после нано- и ультрафильтрации), которые могут быть использованы в производстве продукции [122].
С. Ганжу и П. Р. Гогет отмечают, что наиболее экономичным методом выделения сывороточных белков является ультрафильтрация. Кроме
того, совместное использование тепловой и ультразвуковой предварительной обработки значительно улучшает мембранное разделение [93].
Волкова Т., Кравченко Э. рассматривают несколько вариантов переработки и использования молочной сыворотки: использование сыворотки в натуральном виде, использование концентратов из молочной
сыворотки, выделение и использование отдельных компонентов молочной сыворотки, переработка ее биологическими методами. Концентраты
из молочной сыворотки можно получить путем сгущения или высушивания, деминерализации методом электродиализа, вакуум-дистилляции.
Согласно исследованиям, наиболее перспективным методом получения
сывороточных белков является ультрафильрация, однако отмечается незначительное применение данного метода на территории России. Среди
биологических методов наиболее эффективными являются ферментативный гидролиз лактозы до глюкозы и галактозы, сквашивание сыворотки молочнокислыми микроорганизмами [3-5, 31].
Михнева В., Шрамко М. и др. проводили исследования по использованию творожной сыворотки в технологиях пробиотических молочных
продуктов (напитков). Сыворотка предварительно подвергалась электродиализной обработке на установке АО «Мега». Затем смеси с различным
содержанием сыворотки сквашивали закваской на культурах молочнокислых микроорганизмов. Себестоимость таких продуктов снижается на 2030% [41]. Рассматриваемые отечественные и зарубежные технологии переработки и утилизации молочной сыворотки приведены в таблице 9.1.
104
Таблица 9.1
изоэлектрическом
и
4,38
105
Где
Источник информации, год
реализован
«Исследование кинетики
ферментативного гидролиза
лактозы в сыворотке» byDr. SangitaBhattacharjeeandDwai-
payanSarker
International Journal of Chemi-
cal Engineering Research.
2017
Калькутта,
Западная
Бенгалия,
Индия
.
-1
/мин и 64,034 мМ. Ка-
3
Были определены максимальная
скорость реакции и константа
Михаэлиса, которые соответ-
ственно, равны
ммоль/дм
талитическая эффективность рав-
на 38,81 мин
O) и
2
·6H
2
), приготов-
3
Технология процесса Результаты
В 1 мл образца лактозы
в сыворотке, поученной
при
осаждении казеиновых
белков в молоке, добав-
лен 1 мл ферментатив-
ного раствора (0,143
ммоль/дм
, 0,015М KCl
4
НPO
ленного на буферном
2
растворе (0,01М
K
0,012М MgCl
оставляют на 10 минут
при комнатной темпера-
туре (32°С). Затем до-
бавлялся 1 мл 0,1Н три-
хлоруксусной кислоты.
После этого проводи-
лись измерения содер-
жания глюкозы.В каче-
стве фермента исполь-
зовался β-галактозидаза.
Отечественные и зарубежные технологии переработки и утилизации молочной сыворотки
сыворотки и
Способ утилизации
вторичный продукт
1. Ферментативный
гидролиз казеиновой
(сырной) сыворотки с
образованием моноса-
харидов глюкозы и
галактозы
Продолжение таблицы 9.1
Способ утилизации
вторичный продукт
2. Получение из под-
4 и 2 мл раствора лактозы и
атем виалы
70 и
Гидролиз лактозы, содержащейся в
ов
США
«Получение моносахаридов и
Lindsay, TheodoreW.
. Dumesic,
106
Источник информации, год
Где
сывороточных белков из под-
кисленной сыворотки молоч-
ной промышленности» by-
MarkJ.
Walker, JamesA
ScottA. Rankin, George
W. Huber
Journal “Green Chemicsty”
2018
реализован
подкисленной сыворотке, с кислот-
ным катализатором показал распад
на моносахариды на 90% (рН = 2,3)
после часовой реакции при 150°С.
Предварительная ультрафильтрация
и нанофильтрация задерживают про-
теины и жиры сыворотки, что по-
вышает скорость реакции на 36%.
Однако, нано- и ультрафильтрация
не могут задержать небелковый азот,
в отличие от адсорбции активиро-
ванный углем. Нанофильтрация и
обработка активированным углем
повышают чистоту сыворотки и уве-
личивают распад до моносахарид
на 92 и 93% соответственно. Соглас-
но исследованиям оба катализатора
(и минеральная кислота и твердый
кислотный катализатор) показали
одинаковый распад до моносахари-
дов (примерно на 94%).
В процессе обработки помимо глю-
козы и галактозы также образуются
сывороточные белки (после нано- и ультрафильтрации), которые могут
быть использованы в производстве
продукции.
виалу с мешалкой. За-
3
Технология процесса Результаты
кислой сыворотки, соответ-
ственно, были помещены в
10 см
крытые виалы помещались в
силиконовую масляную
ванну при температуре 120-
160°С и перемешивались
при 400 об/мин. З
охлаждались и в каждый
раствор добавлялось равное
количество твердого кислого
катализатора (Amberlyst
фосфат циркония). Для его
регенерации 0,1 М раствор
кислоты на 0,5 г Amber-
3
серной кислоты добавляется
в раствор из соотношения 5
см
lyst 70. Затем осуществляет-
ся перемешивание при 100
об/мин. При добавлении
кислотного катализатора
осуществлялось дальнейшая
нейтрализация гидроксидом
кальция. Также проводились
исследования с предвари-
тельной обработкой сыво-
ротки на ультро- и наномем-
бранах.
сыворотки и
кисленной сыворотки
моносахаридов глюко-
зы и галактозы, а так-
же сывороточных бел-
ков
Продолжение таблицы 9.1
Способ утилизации
вторичный продукт
3. Получение сы-
Описывали различные
Наиболее оптимальным и технологич-
Мумбаи,
«Обзор подходов к эффектив-
by SparshGanju, Parag R.
4. Получение из
Описываются различные
ВНИИ маслоделия и сыроделия разработа-
сухие
Россия
«И снова о сыворотке» Т. А.
107
Источник информации, год
Где
ному восстановлению сыворо-
точных белков из сточных вод
молочной промышленности»
Gogate
Journal of Food Engineering
2017
реализован
Матунга,
Индия
Волковой, Э. Ф. Кравченко
США
Журнал «Молочная промыш-
ленность»
Франция
Финляндия Австралия
2008
ным способом выделения из сыворотки
сывороточных белков является ультра-
фильтрация. Однако, для предотвраще-
ния быстрого обрастания мембран осу-
ществляется предварительная обработка
сыворотки: химическая, тепловая (тер-
мическая), ультразвуковая.
Технология процесса Результаты
сыворотки и
методы и этапы полу-
вороточных белков
чения сывороточных
из сыворотки
белков: предваритель-
ная обработка, непо-
средственное их выде-
ление и сушка.
ли рецептуры и технологии производства
способы переработки
подсырной, молоч-
сывороточных пастеризованных напитков
с соками.
молочной сыворотки:
использование без обра-
ной, творожной
сыворотки различ-
Наиболее рациональный способ выделения
ботки, применение в ви-
ных вторичных
сухих концентратов из молочной сыворот-
де концентратов, выде-
продуктов (концен-
ки – сушка, сгущение, деминерализация
ление ценных компо-
тратов, сывороточ-
электродиализом. ВНИИМС разработали
нентов, биологическая
ных белков и др), а
документацию (ТУ) на различные
переработка.
также моносахари-
концентраты из молочной, подсырной ли
дов (глюкозы, га-
творожной сыворотки.
Наиболее перспективным методом выде-
ления сывороточных белков является уль-
трафильтрация, применяемая наряду с теп-
ловой коагуляцией (традиционный метод).
В качестве биологических методов обра-
ботки сыворотки наибольший интерес
представляют ферментативный гидролиз
лактозы до глюкозы и галактозы и скваши-
вание сыворотки различными микроорга-
низмами.
лактозы)
Продолжение таблицы 9.1
Способ утилизации
вторичный продукт
5. Получение пита-
ВОДГЕО разработал
Предлагается использование нанофиль-
Россия
«Использование молочной
6. Использование
Сыворотку предвари-
сепарировали,
пробиотических
Исследования показали, что повышенное
соотношение
Россия
«Эффективный способ пере-
108
Где
Источник информации, год
сыворотки и локальная
очистка стоков» Ю. Я. Сви-
риденко, Э. Ф. Кравченко, О.
А. Яковлева
Журнал «Молочная промыш-
ленность»
2008
работки творожной сыворот-
ки» В. А. Михневой, М. И.
Шрамко и др.
Журнал «Молочная промыш-
ленность»
2010
реализован
.
3
/дм
2
/ч, снижающая показа-
3
трационной установки модели УФС
фирмы «Элевар», при этом получается
концентрат с содержанием сухих ве-
ществ до 22%. Кроме того, возможно
использование флотационной двухсту-
пенчатой установки ФДП производи-
тельностью 20 м
тель БПК до 300 мгО
Технология процесса Результаты
комплекс очистных со-
оружений: усреднитель – жироловка – 2-
хступенчатая биологиче-
ская очистка (аэротенки)
– биосорбер (при необхо-
димости) – аэробный ста-
билизатор – илоуплотни-
тель – фильтр-пресс.
содержание сывороточных белков в ис-
тельно
ходном сырье способствует интенсифи-
подвергали электродиа-
кации молочнокислого сквашивания.
Установлено оптимальное
сыворотка-молоко-сливки с оптималь-
ными органолептическими и микробио-
логическими показателями.
лизной обработке до
уровня деминерализации
50-90%. Затем составля-
лись смеси с различным
соотношением сыворот-
ка-молоко-сливки. Смесь
гомогенизировали, па-
стеризовали, сквашивали
молочнокислыми микро-
организмами для прида-
ния
свойств. В сквашенный
продукт можно добав-
лять наполнители и ста-
билизаторы.
сыворотки и
тельного концен-
трата из сыворотки
творожной сыво-
ротки в производ-
стве пробиотиче-
ских молочных
продуктов
Окончание таблицы 9.1
Способ утилизации
вторичный продукт
7. Производство
Сыворотка подвергает-
реактор,
Наряду с традиционными методами
аэробной очистки сточных вод молочной
шены недостатков аэротенков,
реакторах
Германия,
«Современные решения по
109
Источник информации, год
Где
локальной очистке сточных
вод предприятий молочной
промышленности» Д. А. Да-
ниловича, А. А. Максимовой.
Журнал Наилучшие доступ-
ные технологии водоснабже-
ния и водоотведения»
2014
реализован
Китай,
Россия
промышленности, широкое распростра-
нение получают методы анаэробной
очистки в различных реакторах. Данные
методы ли
кроме того, позволяют получать допол-
нительные ценные продукты, например,
биогаз, выделяемый в UASB-
(EGSB-реакторах, IC-реакторах). При
этом анаэробные реакторы более просты
в эксплуатации, а также устойчивы к ко-
лебаниям расходов и загрязнений сточ-
ных вод. Имеется опыт анаэробного
сбраживания сывороток и получения
биогаза. В результате анаэробного сбра-
живания сыворотки образуется газ-
метан, который утилизируется для быто-
вых целей (газоснабжение котельных).
Технология процесса Результаты
сыворотки и
ся обработке метано-
выми бактериями в раз-
личных анаэробных ре-
акторах (UASB-
реактор, EGSB-
IC-реактор). В резуль-
тате анаэробного сбра-
живания сыворотки об-
разуется газ-метан. Ре-
комендуется предвари-
тельная очистка от
крупных частиц и жи-
ров. Есть технологии
анаэробного сбражива-
ния в комплексе с мем-
бранными разделите-
лями, которые хорошо
очищают стоки от оста-
точных взвешенных
веществ и жиров.
биогаза
10. Перспективные методы окисления органических веществ
сточных вод молокозаводов
Современный мир ежегодно создает новые технологии, которые являются более эффективными и менее энергозатратными. Осоновная проблема, решаемая при выборе технологической схемы очистки сточных вод
молокозаводов – это сооружения, способные качественно окислять сложные органические вещества.
Биологические сооружения не всегда экономически обоснованы и удобны в эксплуатации. В данном разделе представлены альтернативные способы
и сооружения, находящиеся на стадии разработки и практической реализации.
Информационный обзор по перспективным методам окисления органических веществ сточных вод составлен на основе статей В. Я. Кофмана, старшего научного сотрудника Всероссийского института научной и
технической информации Российской академии наук [29, 30]. В кратком
обзоре представлены новые окислительные технологии (НОТ), исследуемые, в основном, за рубежом.
Данные технологии обеспечивают деградацию и минерализацию органических соединений в различных условиях в водной среде при взаимодействии с гидроксильными радикалами, озоном, кислородом, пероксидом
водорода, ферратами. Основную роль в этих процессах играют гидроксильные радикалы, характеризующиеся величиной стандартного восстановительного потенциала 2,7 В, превосходящей этот показатель для озона
(2,07 В) и уступающей только токсичному фтору. Озон, кислород и пероксид водорода могут непосредственно взаимодействовать с органическими
соединениями или участвовать в трансформациях, приводящих к образованию гидроксильных радикалов. Высокореакционными промежуточными
продуктами подобных трансформаций, помимо гидроксильных радикалов,
являются и ряд других кислородных соединений.
Гидроксильные радикалы в водной среде образуются также и в ходе
физических процессов воздействия ультрафиолетового облучения, ионизирующего излучения, ультразвуковой, плазменной или микроволновой
обработки. Помимо деградации органических соединений НОТ могут
стать альтернативой или дополнением к традиционным процессам обезвреживания (с применением хлора и хлорсодержащих реагентов).
Фотокаталитический процесс. Фотокаталитические процессы протекают в присутствии катализаторов из полупроводниковых материалов, в
которых электроны находятся в свободном (могут двигаться по кристаллической решетке) и связанном (участвуют в химических связях с ионами
кристаллической решетки) состояниях. Перевод электрона из связанного в
свободное состояние связан с энергозатратами (не менее 3,2 эВ), которые
могут быть обеспечены квантами света (с длиной волны менее 400 нм). В
результате поглощения света образуются свободные электроны и вакансии
(дырка), которые, перемещаясь в кристаллической решетке, частично ре-
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]