Альтернативный процесс ионного обмена

Для того чтобы снизить расходы на восстанавливающие химические соединения, а также улучшить состояние сточных вод деминерализующей установки, отдел исследований и разработок Шведской молочной ассоциации (SMR) разработал альтернативный процесс ионного обмена. В этом процессе установка работает так. Сыворотка сначала попадает в колонну анионного обмена, в которой находится слабоосновная смола, регенерированная в форме бикарбоната (HCO₃^–), во время анионного обмена анионы сыворотки заменяются на анионы HCO₃^–. После этого сыворотка попадает в катионную колонну, в которой содержится слабокислотная катионообменная смола, регенерированная в форме аммония (NH₄⁺). При этом катионы сыворотки заменяются на ионы NH₄⁺. Таким образом, после процесса соли сыворотки заменяются на бикарбонат аммония (NH₄ HCO₃). Суммарная реакция может быть выражена в приведенных ниже формулах, где NaCl представляет соли сыворотки, а R отображает нерастворимую смолу.

Анионный обмен: R – HCO₃⁺ Na⁺ + Cl^– — R – Cl + Na⁺ + HCO₃^–

Катионный обмен: R – NH₄⁺ Na⁺ + HCO₃^– — R – Na + NH₄ ⁺ HCO₃^–

NH₄HCO₃ – это термолитическая соль, которая распадается на NH₃, CO₂ и H₂O при нагреве. Затем эти компоненты улетучиваются при последующем выпаривании сыворотки, что дает возможность восстанавливать NH₂ и CO₂, удаленные из сыворотки, и изготовить из них новый регенерирующий раствор (NH₄HCO₃). Часть неиспользованного раствора, содержащего избыток NH₄HCO₃, собирается для выделения в дистилляционной колонне (используется около 100% NH₄HCO₃).

Схема полного процесса SMR. Сыворотка сначала направляется в колонну анионного обмена в форме HCO₃, затем в колонну катионного обмена в форме NH₄. Ионообменные системы работают в паре: одна работает, другая регенерируется. Время полного цикла составляет 4 часа. После прохождения ионообменной колонны (1) охлажденная сыворотка используется для рекуперации тепла в колонне абсорбции и в качестве хладагента в конденсаторе (2), соединенном с дистилляционной колонной (9). Затем сыворотка попадает в выпарной аппарат (3), после чего деминерализованный концентрат сыворотки подается в распылительную сушилку (10). Конденсат из выпарного аппарата на стадии 2, насыщенный аммиаком, отделяется от других потоков конденсата, и далее направляется в абсорбционную башню (4), где образует жидкую фракцию, которая используется в дальнейшем для изготовления регенерационного раствора. Конденсаты, полученные из выпарных аппаратов на стадиях 1 и 2, используются для чистки ионообменных смол.

Большая часть аммиака утилизируется. Большая часть углекислого газа, выделенного при выпаривании, отводится в газообразной форме с помощью механического вакуумного насоса выпарного аппарата. Этот газ направляется непосредственно в нижнюю часть абсорбционной колонны, где он полностью поглощается другим входящим потоком и образует NH₄HCO₃. Восстановление этих химикатов не полное, поэтому абсорбционная колонна снабжена линиями для инжекции 25% раствора NH₃ и CO₂.

Часть восстанавливающего раствора, насыщенного NH₄HCO₃, собирается в танк (8), где осаждаются фосфаты при добавлении хлористого магния после небольшой коррекции рН с помощью едкого натра. Когда образуется осадок магниево- аммониевого фосфата (MgNH₄PO₄), надосадочная жидкость перекачивается в верхнюю часть дистилляционной башни (9) и по пути туда нагревается в пластинчатом теплообменнике (не показан), в котором жидкость из нижней части используется в качестве нагревающей среды. Около 10% жидкости отделяется в виде испарений, которые, в свою очередь, конденсируются сывороткой, прошедшей ионный обмен.

Процесс SMR имеет следующие особенности:

•Низкая стоимость производства вследствие восстановления регенерирующих химических препаратов

•Малые потери твердых веществ сыворотки и вдвое меньшее количество соли в отработанной воде по сравнению с классическим процессом ионообмена

•Малые колебания рН в ходе ионного обмена (6,5–8,2), что приводит к минимальной потере сывороточных белков

•Высокая эффективность деминерализации (свыше 90%)

•Низкая рабочая температура (5–6°С), благодаря чему значительно снижается количество бактерий в конечном продукте

•Высокий выход твердых веществ сыворотки по сравнению с классическими методами ионного обмена и электродиализа

•Оптимальная утилизация тепла.

Производственные ограничения и затраты

В большинстве случаев в зависимости от стоимости химических реагентов производственные расходы процесса SMR на 30–70% ниже стоимости расходов при классическом ионном обмене. Подобно всем системам деминерализации, электродиализу и традиционному ионному обмену, этот процесс чувствителен к высокому содержанию кальция в подаваемом потоке сыворотки, поэтому в качестве предварительных шагов перед деминерализацией рекомендуется проводить регулирование рН и нагрев. При использовании этой технологии из кислой сыворотки может быть осаждено и очищено для использования в кормах для животных, а также для нужд человека 80% фосфата кальция. Установка для осуществления данного процесса включает больше компонентов, чем используемая для классического ионного обмена, что объясняет ее высокую капитальную стоимость, однако характеризуется улучшенными условиями эксплуатации и низкими эксплуатационными расходами.

Переработка лактозы

Гидролиз лактозы

Лактоза представляет собой дисахарид, состоящий из моносахаридов, глюкозы и галактозы. Лактоза существует в двух изомерных формах, °-лактоза и °-лактоза. Они отличаются друг от друга расположением гидроксильной группы по отношению к атому углерода в молекуле глюкозы и также, помимо прочего,

•Растворимостью

•Формой кристаллов

•Температурой плавления

•Физиологическим эффектом.

Лактозу можно расщепить гидролитически, то есть соединением с водой, или с помощью ферментов.

Расщепляющий лактозу фермент бета-галактозидаза принадлежит к группе гидролаз.

Лактоза не такая сладкая, как другие типы сахаров. Гидролиз лактозы приводит к значительному повышению сладости продукта. У некоторых людей в организме отсутствует фермент, который расщепляет лактозу, поэтому они не могут потреблять молочные продукты в больших количествах. Это называется “нетерпимостью к лактозе”. Высокоценные белки, витамины, присутствующие в молочных продуктах, поступают к таким людям при потреблении молочных продуктов, содержащих гидролизованную лактозу.

Некоторые пороки, например, песчанистость мороженого (кристаллизация лактозы) при гидролизе лактозы практически устраняются.

Ферментативный гидролиз

Процесс ферментативного гидролиза лактозы в сыворотке. Предварительная обработка, такая как деминерализация, не имеет существенного значения, но она улучшает вкус конечного продукта. После гидролиза сыворотку выпаривают. Результатом такой обработки является сироп с содержанием сухих веществ 70–75%. 85% лактозы в этом сиропе гидролизовано и может использоваться в качестве подсластителя в хлебопекарном производстве и производстве мороженого.

В ходе производства фермент инактивируется при тепловой обработке или при регулировке рН. Он не может использоваться повторно. Вместо использования ферментов сейчас можно применять ферменты с водорастворимыми и нерастворимыми носителями.

Такие системы с иммобилизованными ферментами могут использоваться для непрерывного гидролиза лактозы. Фермент, являясь дорогостоящим продуктом, не потребляется и может использоваться для гидролиза больших объемов продукта.

Благодаря этому повышается прибыльность производства. Данная технология еще не получила широкого применения.

Кислотный гидролиз

Лактозу можно расщепить также при помощи кислот вместе с термической обработкой или при пропускании через катионный обменник в водородной форме, при температуре около 100°С. Требуемая степень гидролиза определяется по уровню рН, температуре и времени выдержки. Поскольку продукт в ходе гидролиза приобретает коричневый цвет, рекомендуется обработка активированным углем.

Химические реакции

Было определено, что небелковые азотистые соединения могут использоваться как частичная замена натуральных белков в питании жвачных животных, поскольку определенные микроорганизмы, живущие в рубце крупного рогатого скота, могут синтезировать белок из мочевины и аммиака. Тем не менее, для того чтобы получить сбалансированное питание по азоту и энергетической ценности, мочевина и аммиак должны быть трансформированы в более подходящие формы, которые медленно высвобождают азот в рубце и тем самым улучшают синтез протеинов.

Лактозил-мочевина и лактат аммония являются подобными продуктами, изготовляемыми из сыворотки.

Лактозил-мочевина

В общих чертах технология производства выглядит следующим образом.

После сепарирования сыворотка концентрируется до 75% сухих веществ, чаще всего в два этапа. После добавления мочевины и пищевой серной кислоты концентрат сыворотки выдерживается при температуре 70°С в течение 20 часов в изолированном баке, снабженном мешалкой. В этих условиях протекает реакция между мочевиной и лактозой с образованием лактозил-мочевины.

После реакции продукт охлаждается и транспортируется на предприятие по производству концентрированного корма (например, в виде таблеток) или непосредственно фермерам.

Лактат аммония

Технология процесса включает ферментацию лактозы, содержащейся в сыворотке, в молочную кислоту и поддержание уровня рН с помощью аммиака, что приводит к образованию лактата аммония. После концентрирования до 61,5% содержания сухих веществ продукт готов к использованию.

Сгущенное молоко

Метод консервирования молока путем стерилизации сгущенного молока в герметичных контейнерах был разработан в начале 1880-х гг. Но еще до этого, предположительно в 1850 году, метод сохранения сгущенного молока путем добавления сахара был изобретен в Америке. Производство сгущенного молока, основанное на этих методах, разрослось до промышленных масштабов.

Различают два типа сгущенного молока: несладкое (концентрированное) и подслащенное. Несладкое сгущенное молоко (также называемое молоком двойной концентрации) – это стерилизованный продукт светлого цвета, напоминающий по внешнему виду сливки. Этот продукт имеет широкий рынок сбыта, используется везде, где отсутствует свежее молоко, например, в тропических странах, употребляется в армии, при пребывании на море. Несладкое сгущенное молоко также используется как заменитель грудного молока. В этом случае добавляют витамин D. Это молоко используется также в кулинарии в качестве сливок для кофе и т.д. Продукт обычно изготавливается из цельного, обезжиренного молока или восстановленного молока, полученного из таких типичных составляющих, как обезжиренное сухое молоко, обезвоженный молочный жир, вода (смотри также главу 18 “Регенерированные молочные продукты”).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: