Primjena i značaj mikrofiltracije u mljekarskoj industriji

7/22/2019 Primjena i znaaj mikrofiltracije u mljekarskoj industriji

1/21

I. Drgalii Lj. Tratnik: Primjena i znaaj ... Mljekarstvo 54 (3) 225-245, 2004.

Primjena i znaaj mikrofiltracije u mljekarskoj industriji

Ida Drgali, Ljubica Tratnik

Struni rad Professional paper UDK: 637.141

Saetak

U ovom radu prikazana su najnovija dostignua tangencijalne cross-

flow mikrofiltracije u mljekarskoj industriji. Kombinacijama jednolinog

transmembranskog tlaka (UTP), razliitih naina recirkulacije mikrofiltrata te

poroznosti novih keramikih membrana, mogue je postii separacijumlijenih sastojaka veih od proteina sirutke. Koritenjem mikrofiltracije kao

prethodne obradbe mlijeka mogue je postii 3-5 puta due vrijeme trajnosti

konzumnog mlijeka uz aromu slinu sirovom mlijeku. Mikrofiltracijom je

mogue ukloniti iz mlijeka ili sirutke patogene bakterije ili njihove spore pa je

samim time higijenska kvaliteta takvih proizvoda besprijekorna. Uz pravilan

odabir membrana i optimiranjem procesnih uvjeta mikrofiltracija omoguava

proiavanje sirutke i salamure, separaciju somatskih stanica iz sirovog

mlijeka, odvajanje veih globula masti, frakcioniranje proteina mlijeka ili

proteina sirutke i obogaivanje mlijeka micelama kazeina u proizvodnji sira.

Jedna od novijih primjena mikrofiltracije je u procesu proizvodnje kazeina u

prahu.Stoga, koritenjem proizvoda dobivenih na obje strane MF- keramikih

membrana (koncentrata ili permeata) mljekarska industrija moe ne samo poboljati

prinos i kvalitetu brojnih mljenih proizvoda nego i kreirati proizvode nove teksture.

Kljune rijei: mikrofiltracija, mlijeko, sirutka, salamura

Uvod

U mljekarskoj industriji esto se primjenjuju tlani membranski postupciobradbe mlijeka i sirutke u svrhu koncentriranja ili separacije mlijenihsastojaka, ovisno o propusnosti odabrane membrane i procesnim uvjetima(Tablica 1). Pojam membranske filtracije openito podrazumijeva procesereverzne osmoze (RO), nanofiltracije (NF), ultrafiltracije (UF) i mikrofiltracije(MF). Osnovni je princip membranske separacije da se pomou membranaodreene poroznosti odvajaju molekule filtrirane tekuine u dvije frakcije:koncentrat (retentat) s poveanim udjelom tvari veeg promjera od poramembrane i filtrat (permeat) tekuine u kojoj se nalaze tvari manjeg promjeraod pora membrana.

225


2/21


Tablica 1: Usporedba procesa membranske filtracije (Invensys, APV Systems,

2000.).

Table 1: Comparison of membrane filtration processes

ProcesProcess

Veliina poramembrane

Pore membrane size(m)

Raspontransmembranskog

tlakaTransmembranepressure range

(bar)

Glavni ograniavajuifaktori

Main restrictive factors

Reverzna osmozaReverse osmosis

10-4-10-3 30-80 Osmotski tlak

NanofiltracijaNanofiltration 10-3-10-2 20-35 Osmotski tlak

UltrafiltracijaUltrafiltration

10-2-10-1 1-10

Stvaranje gelaKoncentracijska

polarizacijaViskoznost koncentrata

MikrofiltracijaMicrofiltration

10-1-101


3/21


Dead-end filtracija (Slika 1.) prvi je nain filtracije koji se primjenjivaou industriji. Proces se provodi tako da se tekuina koju treba filtrirati dovodiokomito na membrane. Tri su znaajna faktora koja utjeu na kapacitet

procesa i na koje treba obratiti panju: otpor koji prua materijal od kojeg jenainjena membrana, otpor zbog zaepljenja pora membrane te otpor sloja(talog, kola) koji se prilikom procesa filtracije stvara na povrini membrane.Zbog tih se otpora u ovom tipu filtracije konstantno poveava primijenjeni tlakda bi se osigurao protok tekuine kroz membrane. Poveanjem zadranih tvarina membrani dolazi do koncentracijske polarizacije membrane. Kada ukupniotpor dosegne graninu vrijednost, filtracija se mora zaustaviti a membrane

oprati. Ovaj tip filtracije moe se koristiti samo kada je ulazna tekuinarelativno ista od tvari koje se zadravaju na membrani (Van der Horst iHa nemaai je r, 1990.).

Koncentrat/Retentat

Ulaznatekuina

Filtrat/Permeat

Membrana

Slika 2: Tangencijalna filtracija, (Invensys, APV Systems, 2000.).

Fig. 2: Cross-flow filtration

Cross-flow filtracija (Slika 2) je tip filtracije kod koje se tekuina kojutreba filtrirati dovodi tangencijalno na membrane tako da se smanjinakupljanje estica veeg promjera i zaepljenost membrana. Ovim

postupkom filtriraju se one tekuine koje sadravaju veu koliinu esticaveeg promjera od pora membrana. Ovaj nain filtracije koristi se u

prehrambenoj industriji radi: uklanjanja bakterija i spora, uklanjanja masti,

uklanjanja kvasaca iz piva, koloida, tvari zamuenja, sirne praine iz sirutke...(Van der Horst i Hanemaaijer, 1990.).Za proces RO koriste se membrane vrlo malih pora koje zadravaju

gotovo sve tvari tekueg medija osim vode. Za NF se moe rei da je u nekuruku verzija RO, ali su membrane za NF blago otvorenije strukture jer osimvode proputaju jo i male ione poput kloridnog ili natrijevog, a zadravaju

227


4/21


vee ione i organske tvari. Tijekom procesa UF kroz membranu mogu proisoli, eeri, organske kiseline i manji peptidi, dok se proteini, masti i

polisaharidi zadravaju u koncentratu.Provedba MF je bazirana na membranama jako otvorene strukture koje

omoguuju prolaz veine otopljenih tvari (filtrat/permeat), dok se netopljiveestice zadravaju na membrani (koncentrat/retentat) i najee se uklanjajuod medija (uglavnom bakterije i globule masti). Slika 3 prikazuje kakoveliina pora membrane raste od RO do MF.

Soli, NPN Laktoza Proteini Vee estice

MF

UF

NF

RO

Slika 3: Slikoviti prikaz filtracionih membrana: mikrofiltracija (MF),

ultrafiltracija (UF), nanofiltracija (NF) i reverzna osmoza (RO)(Saboya i Mau boi s, 2000.).

Fig. 3: Illustration of filtration membranes: microfiltration (MF),

ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), reverse osmosis (RO)

Transmembranski tlak (razlika tlaka iznad membrana) presudan je uplaniranju procesa filtracije i odabira tvari, a moe se kretati od manje od 1bara za MF do 80 bara za RO (Tablica 1) to ovisi o eljenom tipu procesa ieljenom stupnju filtracije te djelotvornosti procesa (Invensys, APV Systems,2000.).

MikrofiltracijaMlijeko, kao i sirutka, odlian je medij za rast i razmnoavanje

mikroorganizama. Da bi se izbjegla toplinska obradba uz visoke temperaturezbog promjene hranjive vrijednosti ili tehnolokih karakteristika mlijeka,osobito sirutke, moe se koristiti proces mikrofiltracije da bi uklonilimikroorganizme.

228


5/21


Mikrofiltracija se definira kao proces niskotlane (0,1 0,5 bar)tangencijalne membranske filtracije kojim se pomou membrana razliite

poroznosti (0,1 10 m) mogu ukloniti estice suspendirane u tekuemmediju (Bird, 1996.).

Proces mikrofiltracije primjenjuje se u mljekarskoj industriji odosamdesetih godina kada se razvojem novih tipova keramikih membrana,vee permeabilnosti, s asimetrinom raspodjelom pora mogla postii boljaseparacija mlijenih tvari (Saboya i Maubois, 2000.). Veliina porakeramikih membrana za MF moe se kretati od 0,1 20 m to znai da semogu koristiti za selektivno odvajanje specifinih estica mlijeka (Tablica 2),

odnosno sastojaka puno veih od proteina sirutke (Maubois, 2002.).

Tablica 2: Relativni promjeri estica mlijeka (Sab oy a i Ma ub oi s, 2000.)

Table 2: Relative diameters of milk particles

SastojakComponent

Veliina (m)Size

Kazeinske miceleMicellar casein

0,032 - 0,300

Bakterije

Bacteria

0,200 - 15,000

Masne globuleFat globules

0,200 - 6,000

Somatske staniceSomatic cells

6,000 - 15,000

Stoga odabir veliine pora membrana i medija koji se mikrofiltrira(mlijeko, sirutka, salamura), uz optimiranje procesnih uvjeta to e osiguratiminimalno zaepljenje membrana, moe dovesti do eljenog sastava MF koncentrata (retentata) ili MF filtrata (permeata). Za razliku od procesa RO,UF i NF, kojima je namjera dobivanje koncentrata, glavni proizvod procesaMF veinom je permeat.

Meutim, koritenjem proizvoda dobivenih na obje strane MF membrana(koncentrata ili permeata) mljekarska industrija moe ne samo poboljati

prinos i kvalitetu brojnih mlijenih proizvoda, nego i kreirati proizvode noveteksture (Saboya i Maubois, 2000.). Neke od tih mogunosti navode se utekstu ovoga rada.

229


6/21


Djelotvornost membrana za mikrofiltraciju

Na djelotvornost bilo kojeg membranskog procesa filtracije utjeu brojniparametri, a meu njima najvaniji su aktivni materijali od kojih su izraenemembrane te njihov dra. Meutim, za ekonominost procesa vrlo je bitna ihidrodinamika cijelog postrojenja. Za potrebe prehrambene industrije, a

pogotovo mljekarske, keramike membrane su mehaniki dovoljno izdrljivepri upotrebi velikih brzina tijekom recirkulacije viskoznih MF-retentata,podnose visoki raspon pH-vrijednosti, a peru se kiselinama (nitratna kiselina ikaustina soda) i natrijevim hipokloritom (Sa bo ya i Ma ub oi s, 2000.).

Sama membrana sastoji se od dva dijela, makroporoznog draa i

aktivnog membranskog sloja nanesenog na povrinu draa. Drai se obinoizrauju od aluminija te od ugljika, elika ili SiC, dok se aktivni slojmembrane obino sastoji od aluminija, titanovog ili cirkonijevog oksida ilimjeavine oba ova oksida. Debljina membrane je 3-5 m. Dramembrane nesmije ni na koji nain pruati otpor teenju permeata pa su minimalne veliine

pora na njemu 10 m (Grandison i Finnigan, 1996.).Osim keramikih membrana, na tritu su prisutne i membrane od

razliitih polimera. Da bi polimer mogli koristiti pri proizvodnji membrana zamikrofiltraciju, moraju biti zadovoljeni neki osnovni uvjeti (Invensys APVSystems, 2000.):

mora imati hidrofilne skupine koje e se povezivati vodikovom vezom imesprjeavaju ulazak vode u strukturu membrane mora imati jaku sposobnost bubrenja mora imati visoku otpornost u vlanim uvjetima mora biti postojan u tankom filmu da bi se smanjio otpor pri teenju

permeata mora tolerirati visoki pH i temperaturni raspon

Radna povrina membrana je razliita, ovisno o izvedbi modula zamikrofiltraciju. Vrijednosti se mogu kretati od 0,2 m2 do 10 m2 ili vie(Saboya i Maubois, 2000.). Temperature koje membrane mogu podnijeti

takoer ovise o vrsti odabranih membrana. Keramike su membranenajotpornije, ali i najskuplje (Invensys APV Systems, 2000.).U osamdesetima se pokuavalo uvesti mikrofiltraciju kao alternativnu

tehnologiju centrifugiranja u proiavanju sirutke (Merin, 1986.; Merin isur., 1983.), ali dostupne vrste membrana organskih materijala (polisulfoni i

polikarbonati) nisu odgovarale protonosti, selektivnosti, termostabilnosti ikemijskoj stabilnosti (Jo st i Je len , 1997.).

230


7/21


Novi pristup istraivanjima mikrofiltracije u mljekarskoj industriji javljase pojavom keramikih membrana (Gillot i Garcera, 1984.) koje sustabilne, ali nedovoljno velikog protoka, zbog brzog zaepljenja poramembrana. Taj je problem rijeen primjenom koncepta jednolikogtransmembranskog tlaka (Alfa-Laval Food Engineering AB, 1987.) i brzim

protokom (Ma ubois i sur., 1987.; Merin i Daufin, 1990.).Da bi sprijeili brzo zaepljenje membrana zbog potrebnih velikih brzina

MF-retentata, Sandblom je predloio recirkulaciju MF-permeata u takvimuvjetima u kojima je transmembranski tlak (TMP) nizak i jednolik (UTP,uniform and low transmembrane pressure) du cijele povrine membrane

(Sandblom, 1974.).Postrojenje za MF (Slika 4) konstruirano u obliku petlje (MF-loop)

omoguava da permeat recirkulira usporedno s koncentratom. Pad tlaka na

Profil tlakaKoncentrat

bar

SirovinaPermeat

bar

Slika 4: Jednoliki transmembranski tlak (UTP) tijekom kontinuiranog sustava

mikrofiltracije (MF-petlja) s recirkulacijom (Invensys, APV Systems,

2000.).

Fig. 4: Uniform transmembrane pressure (UTP) during continuous systems of

microfiltration (MF-loop) with recycling (Invensys, APV Systems,

2000).

strani permeata je isti kao na strani koncentrata to osigurava konstantan(UTP) transmembranski (TMP) tlak tijekom MF.

231


8/21


Kontinuirani proces MF moe se provoditi u postrojenju s jednom petljomili se moe nadodati vie petlji. Sama petlja moe sadravati viemembranskih elemenata, ovisno o kapacitetu modula koji je identiankapacitetu centrifugalne pumpe potrebne za recirkulaciju medija.

Za vrijeme trajanja mikrofiltracije na povrini membrana stvara se sloj,tzv. kola (sastoji se od estica veeg promjera od pora membrane)stvarajui povrinsko zaepljenje, koje je ujedno i limitirajui faktor pri

protoku permeata (Krsti i sur., 2002.; Vetier i sur., 1988.; Savello i sur.,1997.; Cari i sur., 2000., Marshal i sur., 1993.). Takvo povrinskozaepljenje nastaje zbog koncentracijske polarizacije i smatra se

reverzibilnim, odnosno moe se ukloniti pranjem membrana, dok se unutarnjezaepljenje membrana sitnijim esticama smatra ireverzibilnim i ne moe serijeiti ispiranjem povrine membrane (Vyas i sur., 2000.). Na taj nain malekazeinske micele i proteini sirutke penetriraju u membranu ime utjeu nasmanjivanje veliine pora te se sam proces mikrofiltracije mijenja premaultrafiltraciji (Pi er re i sur., 1992.; Ve tier i sur., 1988.; At tia i sur., 1991.).

Koritenjem promotora turbulencije (statina tijela razliitih oblika) moese smanjiti debljina povrinskog sloja na membrani ime se znatno moe

poboljati protok i smanjiti zaepljenost membrana. ienje membrana jetada efikasnije pa se moe postii poetna permeabilnost membrana (Krsti i

sur., 2002.). Isti autori naglaavaju da je odravanje poeljnog protoka tijekomMF puno vanije nego u procesu UF, ne samo zbog ekonominosti procesanego i zbog nastanka permeata (filtrata) odgovarajueg sastava, to je u veinisluajeva glavni cilj MF.

Pranje sustava mikrofiltracije

Pranje mikrofiltracije isto je za sve membranske procese, ali treba osobitopaziti od kojeg je materijala membrana napravljena. Kvaliteta vode takoer jejedan od vanijih parametara. Ona ne smije sadravati koloidne estice, jer bimogle zaepiti pore na membrani, niti mikroorganizme jer bi oprema bilanjima kontaminirana. Obino vodu koritenu za pranje sustava mikrofiltracije

treba omekati, ali i mikrofiltrirati deadend mikrofiltracijom prekomembrana veliine pora 0,2 m. Sam proces pranja ukljuuje: ispiranje toplom destiliranom vodom na 50C pranje alkalnim sredstvom za pranje kao to je 0,5-1,0%-tni Ultrasil 25

(Henkel) na temperaturi oko 75C, tijekom 20 minuta ispiranje destiliranom vodom na 50C

232


9/21


pranje 0,5%-tnom HNO3tijekom 20 minuta na 50C ispiranje destiliranom vodom na 50C.

Djelotvornost pranja membrana kontrolira se odreivanjem bakteriolokekvalitete vode nakon ispiranja (bez ijedne CFU/mL) te kontrolomodgovarajueg protoka vode pri zadanim uvjetima procesa (Saboya iMaubois, 2000.).

Primjena mikrofiltracije u mljekarskoj industriji

Najvaniji aspekt za mljekarsku industriju je uklanjanje bakterija i sporaiz sirovog mlijeka ili sirutke mikrofiltracijom na niskim temperaturama(najee 50C) ime se izbjegava visoka toplinska obradba i promjene kojeona izaziva.

Osim toga, ovim se nainom uklanjaju gotovo sve ive i mrtve stanicemikroorganizama pa ne postoji mogunost dvojbe oko aktivnosti enzima ilidrugih intracelularnih komponenata iz mrtvih bakterijskih stanica.Mikrofiltracijom mlijeka postie se novi nain odreivanja i karakterizacijekinetike rasta, acidifikacije, oblikovanja grua i zrenja sireva za svaku dodanukulturu (Mau bo is, 2002.).

Tablica 3: Osnovne mogunosti primjene cross-flow mikrofiltracije u

mljekarskoj industriji (Van der Horst i Hanemaaijer, 1990.).

Table 3: Possibilities of cross-flow microfiltration use in the dairy industry

SirovinaRaw material

KoncentratConcentrates

PermeatPermeates

SvrhaAim

MlijekoMilk

masti, kazein,bakterije

sirutkamlijeko

KoncentracijaHladna pasterizacija

SirutkaWhey

lipoproteini

bakterije

globule masti

proiena sirutka

sirutka

sirutka

Odmaivanje i proiavanje

Hladna pasterizacija

Odmaivanje

Salamura

Brine

bakterije salamura Hladna pasterizacija

Koncentriranasalamura

Concentrated brinekoloidi salamura Proiavanje

Isto tako, mikrofiltracijom moe doi do uklanjanja odreenih mlijenihsastojaka, kao to su masti ili kazeinske micele, te se moe koristiti za

proiavanje salamure ili sirutke (tablica 3). Novija istraivanja bave se

233


10/21


primjenom mikrofiltracije za uklanjanje somatskih stanica iz sirovog mlijekate za frakcioniranje proteina mlijeka ili proteina sirutke, odnosno u proizvodnjikoncentrata kazeina ili koncentrata proteina sirutke (Saboya i Maubois,2000.; Maubois, 2002.).

Treba naglasiti da postupak MF u mljekarskoj industriji za sada ima triglavne primjene: uklanjanje bakterija, odmaivanje sirutke i obogaenjemlijeka micelama kazeina (Sabo ya i Ma ub oi s, 2000.).

Selektivno uklanjanje bakterija i spora mikrofiltracijom

Sirovo mlijeko sadrava razliite vrste mikroorganizama koji mogu

dospjeti u mlijeko iz vimena, staje, stroja za munju, cisterne za prijammlijeka, okolnog zraka i slino, bez obzira koliko se ljudi trudili odrati nivohigijene visokim. Obzirom da se sirovo mlijeko ne moe sakupiti u aseptikimuvjetima, uvijek e postojati rizik od patogenih mikroorganizama kao to suvrste roda Listeria, Brucella, Mycobacteriumili Salmonella. Da bi uklonili tuopasnost, u industriji se koriste procesi toplinske obradbe sirovog mlijeka kaoto su HTST ili UHT procesi. Problem je tih postupaka to mrtve stanicezaostaju u mlijeku zajedno sa svim potencijalno aktivnim enzimima koji ondamogu reagirati sa sastojcima mlijeka (Saboya i Maubois, 2000.). Stoga jeteko u eksperimentalnom radu odrediti to su uzrokovale kulture dodane umlijeko, a to je posljedica djelovanja enzima iz unitenih bakterijskih stanica.

Meutim, mikrofiltracija prua alternativu toplinskoj obradbi mlijeka ilisirutke, ali uz brojne prednosti. Tim se nainom bakterije fiziki uklanjaju izmlijeka ili sirutke pa je iskljuena mogunost djelovanja endogenih

bakterijskih enzima, odnosno produuje se vijek trajnosti proizvoda dobivenihna bazi mikrofiltriranih sirovina (Mamberg i Holm, 1998.; Piot i sur.,1987.; Bo rovi , 1993.).

Borovi i Krev (1994.) ustanovile su da se polimernim membranamatipa GRM 0,45 PP iz slatke sirutke moe ukloniti oko 99,74% ivih bakterija,a potpuno se mogu ukloniti koliformne bakterije, vrste Proteus iStaphylococccuste kvasci i plijesni.

Mikrofiltracijom mlijeka keramikim membranama veliine pora oko 1,4m prosjena je vrijednost decimalne redukcije iznad 3,5 to bi znailo da se

broj bakterija u mlijeku smanji sa 20 000 CFU/mL na 10 CFU/mL (Saboya iMa uboius , 2000.).

Zadravanje bakterijskih spora, koje preivljavaju pasterizaciju i glavni suuzronici promjena u mlijeku, takoer je jedna od prednosti mikrofiltracije, a

234


11/21


bazira se na odvajanju bakterijskih spora u koncentratu, jer je volumen sporevei od pora membrana (Tr ouv i sur., 1991.).

Studije oko MF mlijeka pokazale su da je decimalna redukcija za bakterijeListeria monocytogenes 3,4; Brucella abortus 4,0; Salmonella typhimurium3,5;Mycobacterium tuberculosis3,7. Somatske stanice se potpuno zadravajuna membrani za MF pa mikrofiltrirano mlijeko nee biti pod utjecajemnjihovih termostabilnih enzima (Sabo ya i Mau bo ius , 2000.).

Obzirom da je primjenom MF mogue iz mlijeka ukloniti ive i mrtvestanice, s veom tonou se mogu provoditi studije prouavanja hidrolizekazeina pomou proteinaza i peptidaza iz starter kultura, porijeklo tvari arome,

utjecaj prisutnosti ili odsutnosti somatskih stanica, i drugo. Osim toga, shigijenskog motrita moe se rei da su sirevi proizvedeni od mikrofiltriranogmlijeka sigurniji u odnosu na sireve od pasteriziranog mlijeka (Maubois,2002.).

Meutim, mlijeko sadrava globule masti i micele kazeina koje su jednakeili vee od bakterija pa se takoer zadravaju na membrani. Primjenommembrana za MF veliine pora 0,8 1,4 m smanjuje se gubitak zadranih

proteina. Problem masti rjeava se jednostavnije jer se moe mikrofiltriratisamo obrano mlijeko na 50C, a vrhnje sterilizirati i koristiti za naknadno

prilagoavanje udjela mlijene masti u mikrofiltriranom mlijeku prema vrsti

sira to se proizvodi. Zadrani koncentrat bakterija (oko 5% ukupnogvolumena obraenog mlijeka) moe se sterilizirati (120-130C/nekolikosekundi), ohladiti i pripojiti mikrofiltriranom mlijeku (permeat) koje se

prethodno pasterizira na 70-72C/15 sekundi (Bylund, 1995.).Upotrebom dvostruke mikrofiltracije mogue je inaktivirati ili ukloniti iz

mlijeka vie od 99,5% ukupnih mikroorganizama. Pri tom se takoer moepostii uklanjanje sporogenih bakterija i to Bacillus cereus (do 99,98%) iClostridium tyrobutiricum (do 99,90%). Stoga mikrofiltracija mlijeka u

proizvodnji sireva ima brojne prednosti: nepotrebna termalizacija svjeegmekog sira, nepotreban dodatak nitrata, laka kontrola i krae trajanje zrenja te

produljena trajnost sira (Tratnik, 1998.).

Slika 5 prikazuje provedbu mikrofiltracije sirovog mlijeka u kombinacijisa separatorom za vrhnje to je patent tvrtke APV, Silkeborg, Danska. Takav

postupak MF pomou keramikih membrana osigurava visoku kvalitetumlijeka za proizvodnju sira, mlijeka u prahu ili konzumnog mlijeka puno duljetrajnosti.

235


12/21


membranaseparator

Sirovo mlijeko Mikrofiltriranomlijeko

Talog(bakterije-spore) vrhnje

vrhnje

Vrhnje

Slika 5: Uklanjanje bakterija i spora mikrofiltracijom mlijeka (Invensys, APV

Systems 2000.)

Fig. 5: Separation of bacteria and spores by microfiltration of milk

Prednost je APV naina mikrofiltracije to nema toplinske obradbe MF-koncentrata, jer se bakterije i spore, neistoe, ali i somatske stanice izdvajajuiz mlijeka talogom koji se kontinuirano uklanja iz separatora (Invensys, APVSystems, 2000.)

To je varijanta Bactocatch postupka, tvrtke Alfa Laval, gdje se MF-

koncentrat pomijean s vrhnjem iz separatora mora sterilizirati (Saboya iMa uboius , 2000.).Nain procesa MF kao na slici 5 moe se primijeniti i na sirutku za

uklanjanje bakterija, spora, neistoa, ali i za uklanjanje masti radi proizvodnjekoncentrata proteina sirutke visoke kakvoe i ouvanih funkcionalnihsvojstava. Osim toga, nema toplinske obradbe pa ne dolazi do denaturacije

proteina sirutke, to je vano za sve sirutkine proizvode.

Selektivno uklanjanje somatskih stanica mikrofiltracijom mlijeka

Sirovo mlijeko sadri od 100 000 - 400 000/mL somatskih stanica.Poveanje broja somatskih stanica moe indicirati mastitis u ivotinje, auzrokuje razne promjene u mlijeku, kao to su smanjenje udjela mlijene mastiza 5-12%, poveanje koliine sirutkinih proteina, smanjenje koliine laktozeza 10-20%. Poveanjem broja somatskih stanica na vie od 400 000, poveavase i postotak patogena na 23% (Antunac i sur., 1997.). Somatske stanicesadre brojne enzime (katalaze, proteaze i lipaze) koje otputaju u mlijeko

prilikom mehanike obrade mlijeka, te na taj nain utjeu na kvalitetu i prinos

236


13/21


sira (Andrews, 1983., Maubois, 2002.). Osim toga, somatske stanicesmanjuju uinak toplinske obrade mlijeka na bakteriju Listeriamonocytogenes (Doyle i sur., 1987., Griffiths, 1989.). Takoer je

postavljena hipoteza da bi leukociti mogli sadravati BSE (bovine spongiformencephalopatia), ali do danas ta hipoteza nije potvrena (Maubois, 2002.).Mikrofiltracijom mlijeka kroz membrane prosjene veliine pora 12 m i

protokom 1460-2000 L/h/m2 uklanja se 93-99% somatskih stanica (LeSqueren i Canteri, 1995.). Ukoliko se koriste membrane prosjene veliine

pora 5 m, dolazi i do smanjenja koliine masnih globula za 17% (Maubois,2002.).

Selektivno odvajanje globula masti od mlijeka

Razvojem membranske tehnologije, pogotovo pojavom keramikihmembrana, moglo se pristupiti razdvajanju pojedinih komponenata u mlijeku.Tako je Gaudedranche patentirao proces odvajanja malih globula mlijenemasti od velikih. Koristei specijalne keramike membrane za mikrofiltracijumogue je iz mlijeka izdvojiti vee globule mlijene masti, a da pri tomeoteenja prirodne membrane globula budu minimalna (Goudedranche i sur.,2000., Surel i Famelart, 1995.). Mlijeni proizvodi proizvedeni od mlijekaglobulama masti ujednaene veliine (promjera manjeg od 2 m) imat efiniju strukturu to se pripisuje sposobnosti masnih globula da veu vodu, ali i

samom sastavu triacilglicerola (Saboya i Maubois, 2000.) te boljojintegraciji globula masti u kazeinski gru (Maubo is, 2002.).

Selektivna separacija masti od sirutke

Potrebu da se izdvoji mlijena mast iz koncentrata proteina sirutkeobjasnili su de Witt i Klarenbeek (1984.) kroz svoja istraivanja svojstavatih proizvoda zbog loijih funkcionalnih svojstava proizvoda (Tamime iLaw, 2001.). Provedene su brojne studije optimiranja separacije masti izsirutke nakon agregacijskog predtretmana (Pearce, 1983., Maubois i sur.,1987, Ba um y i sur., 1990., Dau fi n i sur., 1994., Pi er re i sur, 1992.).

Optimirani proces izdvajanja masti iz sirutke, koji predlau Maubois iOlli vi er (1997.), sastoji se u sljedeem: pretkoncentracija sirutke procesom UF do 25% od poetnog volumena na

50C uklanjanje mikroorganizama pomou MF membranama veliine pora 0,8

m

237


14/21


podeavanje temperature na 55C, pH na 7,5 i tijekom procesa odravati ihkonstantnima

izdvajanje agregiranog kompleksa kalcij-fosfolipida pomou MF prekomembrana veliine pora 0,1 m primjenom opreme koja osigurava nizak i

jednolian transmembranski pritisak (UTP).Tako dobivena odmaena sirutka, koncentrirana pomou UF do 10%

proteina sirutke, moe biti zamjena za proteine jaja jer posjeduje identinusposobnost pjenjenja (Saboya i Maubois, 2000.).

Selektivna separacija kazeinskih micela

Najbolji nain za poveanje prinosa sira i iskoritenja sirarske opreme jekoncentriranje proteina u obranom mlijeku pomou membranskih procesa kaoto su mikrofiltracija i ultrafiltracija. Osim toga, mikrofiltrirano mlijeko dat e

permeat niske koncentracije bakterija, masti, kazeinskih makropeptida ifosfolipida (Maubois i Ollivier, 1987.) koji se moe koristiti kao aditiv uhrani ili kao odmaena sirutka koja se dalje moe procesuirati u proteinesirutke, tj. u proizvodnji koncentrata ili izolata proteina sirutke.

Kada se punomasno ili obrano mlijeko mikrofiltrira kroz membraneprosjene veliine pora 0,1-0,2 m, dobiva se bistar mikrofiltrat (permeat)slian slatkoj sirutki (Fauquant i sur., 1988.) ak i bez virusnih estica

(Gautier i sur., 1994.).Dobiveni koncentrat (retentat) je mlijeko obogaeno micelama kazeina(Sachdeva i Buchheim, 1997.). Tehnologija dobivanja takvog proizvodaista je kao i tehnologija za uklanjanje bakterija iz mlijeka mikrofiltracijom, asam proces su opisali neki autori (Pi erre i sur., 1992.; Schu ck i sur., 1994.).Prema njihovim istraivanjima, proieni micelarni kazein moe se proizvestiupotrebom mikrofiltracije na sljedei nain (Slika 1):a)koncentriranje MF- retentata uz faktor koncentracije volumena (FCV) oko

3-4b)dijafiltracija dobivenog MF- retentata sa 4 dijavolumena vode tretirane ROc)koncentriranje dijafiltriranog MF- retentata uz FCV oko 6-7d)suenje MF- retentata rasprivanjem

238


15/21


Slika 6: Proces dobivanja micelarnog kazeina u prahu (Sab oy a i Ma ub ois ,

2000.). FCV = faktor koncentracije volumena

Fig. 6: Micellar casein making process FCV = volume concentration factor

239


16/21


Mlijeko obogaeno micelama kazeina koagulira bre, dajui krutiji ikompaktniji gru (Car on i sur., 1997.; Saint -Ge lai s i sur., 1998.), a vrijemegruanja je gotovo prepolovljeno (Pierre i sur., 1992.). Zadravanje kazeina imasti u gruu je znaajno bolje te poveava prinos sira od 2 do 4% (Daviau,2000.; Samuelsson i sur., 1997.). Koliina klasine sirutke se smanjuje za22-26%, ovisno o vrsti sira koji se proizvodi pa se na taj nain smanjujugubitci masti i grua to odlaze sa sirutkom (Mauboi s, 2002.).

Iz dobivenog retentata mogue je suenjem dobiti i proieni kalcijevkazeinat (do 90% proteina u suhoj tvari), ako je tijekom mikrofiltracije

provoena dijafiltracija vodom kojom su djelomino isprani proteini sirutke

(Sachd eva i Buch heim, 1997.; Mau boi s i Oll ivi er, 1992.).

Proiavanje salamure mikrofiltracijom

Kemijsko i mikrobioloko stanje salamure izrazito je vano za kvalitetusireva koji zriju u salamuri, ali i onih koji se sole salamurenjem. Salamuramoe sadravati nepoeljne mikroorganizme kao to su plinotvorne bakterije,

patogene bakterije, kvasci i plijesni (Invensys APV, 2000.; Saboya iMaubois, 2000., Ottosen i Konigsfeld, 1999.; Pedersen, 1983.).Kvaliteta salamure ne ovisi samo o njenoj mikrobiolokoj kvaliteti ve i oravnotei izmeu koliine NaCl-a (18-26%), topljivih i netopljivih kalcijevih

soli, laktoze, topljivih i denaturiranih proteina sirutke i mlijene kiseline(Saboya i Maubois, 2000.).Proiavanje salamure provodi se na nekoliko naina: toplinskom

obradbom, Kieselguhr filtracijom, UV radijacijom i dodatkom konzervansa(Invevsys APV, 2000.). Toplinska obradba i Kieselguhr filtracija i danas sunajzastupljenije metode, iako obje imaju nedostatke. Utjecajem topline mijenjase udjel topljivog kalcijevog fosfata, a potrebni su i skupi izmjenjivai toplineod nehrajueg elika. Kieselguhr filtracija zahtijeva runo voenje procesa, a

prainu koja se oslobaa smatraju kancerogenom (Ot to sen i Koni gs fe ld ,1999.).

Mikrofiltracija salamure smatra se idealnim postupkom proiavanjasalamure jer je jednostavan proces, ne naruava ravnoteu sastojaka, nenastaju velike koliine otpadnog materijala, a sam proces nije skup (InvensysAPV, 2000.).

Sastav i kvaliteta salamure razlikuju se od proizvoaa do proizvoaa paje stoga teko opisati u detalje proces mikrofiltracije salamure.

240


17/21


Mikrofiltracija salamure na membranama veliine pora 0,8 m upotpunosti uklanja kvasce i plijesni, 99,9% bakterija, samo 6,7% kalcijevihsoli i 2-3% duinih tvari (Pe dersen, 1992.). Temperature procesa iste su kaoi za proces salamurenja sira. Prednosti mikrofiltracije salamure prikazujetablica 4.

Tablica 4: Openite injenice o mikrofiltraciji salamure (Invensys APV, 2000.)

Table 4: General facts on brine microfiltration

Gotovo 100% -tno uklanjanje kvasaca i plijesni Vrlo visoki postotak uklanjanje bakterija (>99,4% od ukupnog broja)

Uklanjanje termofilnih bakterija i spora Uklanjanje mrtvih stanica, pa nema opasnosti od enzimske aktivnosti Kemijska ravnotea se ne naruava, a zadravanje Ca i N je vrlo malo Nema toplinske obradbe, stoga pH ostaje nepromijenjen (toplinska obradba uzrokuje pad

pH za 0,2-0,4) Minimalne kemijske promjene (toplinska obradba uzrokuje precipitaciju kalcijevog

fosfata) Nema denaturacije proteina (toplinska obradba uzrokuje precipitaciju 25-40% proteina

sirutke) Nije potrebna klasina filtracija Kontinuirani proces

Zakljuak

Primjenom mikrofiltracije mogua je u mljekarskoj industriji znaajnobolja kvaliteta i higijena proizvoda. Obzirom da se izbjegava visoka toplinskaobradba nutritivna je vrijednost svih mlijenih sastojaka ouvana.Uklanjanjem bakterija, somatskih stanica, plijesni i kvasaca te spora,omoguuje se bolje razumijevanje aktivnosti starter kultura, razvoja tvariarome u siru, a produljuje se trajnost svih proizvoda. Osim toga,mikrofiltracijom moe doi do separacije globula masti ili kazeinskih micela

pa se moe koristiti za proiavanje salamure ili sirutke. Novija istraivanjabave se primjenom cross-flow mikrofiltracije za frakcioniranje proteina

mlijeka ili proteina sirutke to je bitno u proizvodnji koncentrata kazeina ilikoncentrata proteina sirutke. Koritenjem proizvoda dobivenih na obje straneMF- keramikih membrana (koncentrata ili permeata) mljekarska industrijamoe ne samo poboljati prinos i kvalitetu brojnih mljenih proizvoda nego ikreirati proizvode nove teksture.

241


18/21


APPLICATION AND EFFECTS OF MICROFILTRATION IN THE

DAIRY INDUSTRY

Abstract

The latest developments of cross-flow microfiltration in the dairy

industry are presented in this paper. Combination of uniform transmembrane

pressure, different types of microfiltrate recirculation and pore size of new

ceramic membranes can result with separation of milk particles bigger then

whey proteins. Pretreatment of milk by microfiltration gives 3-5 times longer

shelf life with flavor similar to raw milk. It is possible to remove pathogenic

bacteria and spores from milk and whey using microfiltration resulting with

product of excellent hygienic properties. With adequate membrane and

optimum process parameters microfiltration can be used for purification of

whey and brine, separation of somatic cells from raw milk, separation of

bigger fat globules, fractionation of milk proteins or whey proteins and

enrichment of milk with micellar casein in cheese production. Microfiltration

is one of the most significant steps in production of casein powder. Therefore,

by using products gained from both sides of microfiltration membrane

(retentat/permeat) dairy industry can enhance yield and quality and create

new dairy products.

Key words: microfiltration, milk, whey, brine

Literatura

ALFA-LAVAL FOOD ENGINEERING AB (1987.):Arrangement in membrane filter. PCT-patent/SE87/00556

ANDREWS, A.T. (1983.): Breakdown of caseins by proteinases in bovine milk with highsomatic cells counts arising from mastitis or infusion with bacterial endotoxin, J. Dairy Res.50, 57-66.

ANTUNAC, N., LUKA-HAVRANEK, J., SAMARIJA, D. (1997.): Somatske stanice injihov utjecaj na kakvou i preradu mlijeka,Mljekarstvo, 47 (3) 183-193.

ATTIA, H., BENNASAR, M., TARODO DE LA FUENTE, B. (1991.): Study of the foulingof inorganic membranes by acidified milks using scanning electron microscopy andelectrophoresis. Part I. Membrane with pore diameter 0,2 m,J. Dairy Res.(58) 39

BAUMY, J.J., GESTIN, L., FAUQUANT, J., BOYAVAL, E., MAUBOIS, J.L. (1990.):Technologies de purification des phospholipides du lactoserum,Process(1047) 29-33.

BIRD, J. (1996.): The application of membrane systems in the dairy industry, J. Soc. DairyTechnol.49 (1) 16-23.

242


19/21


BOROVI, A. (1993.): Poboljanje mikrobioloke kakvoe mlijeka i sirutke za proizvodnjudjeje hrane primjenom mikrofiltracije, Magistarski rad, Prehrambeno-biotehnoloki fakultet

BOROVI, A., KREV, LJ. (1994.): Mikrofiltracija sirutke,Mljekarstvo44 (3) 159-165.

BYLUND, G. (1995.):Dairy processing handbook, Tetra Pak, Processing Systems AB, Lund,Sweden.

CARI, M.., MILANOVI, S.D., KRSTI, D.M., TEKI, M.N. (2000.): Fouling ofinorganic membranes by adsorption of whey proteins,J. Membr. Sci. (165) 83.

CARON, A., SAINT GELAIS, D., POULIOT, Y. (1997.): Coagulation of milk enriched withultrafiltered or diafiltered microfiltered milk retentate powders,Int. Dairy J.(9) 445-451.

DAUFIN, G., LABB, J.P., QUMERAIS, A., MICHEL, F., MERIN, U., (1994.):Optimizing clarified whey ultrafiltration: influence of pH,J. Dairy Res. (61) 355-363.

DAVIAU, C. (2000.): Effet des caracteristiques physicochimiques du lait sur laptitude a lacoagulation presure et a legouttage dans une technologie pate molle, Ph.D. thesis, Neth. MilkDairy J. (38) 71-89.

DE WITT, J.N., KLARENBEEK, G. (1984.): Effects of various heat treatment on structureand solubility of whey proteins,J. Dairy. Sci. (67) 2701-2710.

DOYLE, M.P., GHLASS, K.A., BEERY, J.T., GARCIA, G.A., POLLARD, D.J., SCHULTZ,R.D. (1987.): Survival ofListeria monocytogenesin milk during high-temperature, short-timepasteurisation,Appl. Environ. Microbiol. (53) 1433-1438.

FAUQUANT J., MAUBOIS, J.L., PIERRE, A. (1988.): Microfiltration du lait sur membrane

minerale, Tech. Lait.(1028) 21-23.GAUTIER M., ROUAULT, A., MEJEAN, S., FAUQUANT, J., MAUBOIS, J. P. (1994.):Partition of Lactococcus lactis bacteriophage during concentration of micellar casein bytangential 0.1 m pore size microfiltration,Lait(74) 419-423.

GILLOT, J., GARCERA, D. (1984.): New ceramic filter medium for cross-flowmicrofiltration,u FILTRA Congress, Paris, France, 2-4.

GOUDEDRANCHE A.S., FAUQUANT J., MAUBOIS, J.L. (2000.): Fractination of globularmilk fat by membrane microfiltration,Lait, (80) 93-98.

GRANDISON, A.S., FINNIGAN, T.J.A. (1996.): Microfiltration, u: Grandison, A.S., Lexis,M.J. (Ed.), Separation process in the food and biotechnology industries, Woodhead Publ. Ltd.,Cambridge, England,141-153.

GRIFFITHS, M.W. (1989.):Listeria monocytogenes: its importance in the dairy industry. J.Sci. Food Agric. (47) 133-158.

INVENSYS APV, Membrane filtration and related molecular separation technologies, APVSystems, 2000.

JOST, R., JELEN, P.(1997.): Cross-flow microfiltration-an extension of membrane processingof milk and whey,Bull. Int. Dairy Fed. Special issue 9201 (1992.)141-160.

243


20/21


KRSTI, D.M., TEKI, M.N., CARI, M.., MILANOVI, S.D. (2002.): The effect ofturbulence promoter on cross-flow microfiltration of skim milk, J. Membr. Sci. (208) 303-314.

LE SQUEREN, J.C., CANTERI, G. (1995.): Procede pour eliminier les cellules somatiquesdes milieux alimentaries ou biologiques et produits correspondants. Brevet FR 2 731 587

MAMBERG, R., HOLM, S., (1998.): Low bacteria skim milk by microfiltration, North Eur.Food Dairy J. (54) 75-78.

MARSHAL, A.D., MUNRO, P., TRGRDH, G. (1993.): The effect of protein fouling inmicrofiltration on permeate flux, protein retention and selectivity: a literature review,Desalination, (91) 65-108.

MAUBOIS, J.L. (2002.): Membrane microfiltration: a tool for a new approach in dairytechnology, Aust. J. Dairy Technol. 57 (2) 92-96.

MAUBOIS, J.L., OLLIVIER, G. (1997.):Extraction of milk proteinsu: Damodaran S., Paraf,A. (Eds.), Food proteins and their applications, Marcel Dekker, In., New York, 579-595.

MAUBOIS, J.L., PIERRE, A., FAUQUANT, J., PIOT, M. (1987.): Industrial fractination ofmain whey proteins, u Bulletin 212, pp. 154-159. International Dairy Federation, Brussels,Belgium

MEERSHON, M. (1986.): Nitrate free cheesemaking with Bacticatch,North Eur. Food DairyJ.(55) 108-113.

MERIN, U. (1986.): Bacteriological aspects of microfiltration of cheese whey, J. Dairy Sci.(69) 326-328.

MERIN, U., DAUFIN, G. (1990.): Cross-floe microfiltration in the dairy industry: state-of-the-arte, Lait (70) 281-291.

MERIN, U., GORDIN, S.,TANNY, G.B. (1983.): Microfiltration of sweet cheese whey, J.Dairy Res. (18) 153-160.

OTTOSEN, N., KONIGSFELD, P. (1999.): Microfiltration of cheese brine, Eur. Dairy Mag.(4) 22-24.

PEARCE, R.J. (1983.): Thermal separation of -lactoglobulin and -lactoglobulin in bovineCheddar cheese whey,Aust. J. Dairy Technol. (42) 75-78..

PEDERSEN, P.J. (1992.): Microfiltration for the reduction of bacteria in milk and brine, Bull.Int. Dairy Fed. Special issue9201, 33-50.

PIERRE, A., FAUQUANT, J. LE GRAET, Y., PIOT, M., MAUBOIS, J.L. (1992.):

Preparation de phosphocaseinate natif par microfiltration sur membrane,Lait (72) 461-474.PIOT, M., VACHOT, J.C., VEAUX, M., MAUBIOS, J.L., BRINKMAN, G.E. (1987.):Ecremage et epuration bacterienne du lait entier cru par microfiltration sur membrane en fluxtangential, Tech. Lait. Market. (1016 ) 42-46.

SABOYA, L.V., MAUBOIS, J.L. (2000.): Current developments of microfiltration technologyin the dairy industry,Lait,(80) 541-553.

244


21/21


SACHDEVA, S., BUCHHEIM, W. (1997.): Separation of native casein and whey proteinsduring cross-flow microfiltration of skim milkAust. J. Dairy Technol. (52) 92-95.

SAINT-GELAIS, D., ROY, D., AUDET, P. (1998.): Manufacture and composition of low fatCheddar cheese from milk enriched with different proteine concentrate powders, Food Res.Int.(31) 137-145.

SAMUELSSON, G., DEJMEK, P., TRAGARDTH, G., PAULSSON, M. (1997.): Rennetcoagulation of heat treated retentate from cross flow microfiltration of skim milk,Milchwissenschaft 52 (4) 187.

SANDBLOM, R.M. (1974.):Filtering process, SW Pat. No. 74.16.257

SAVELLO, P., CARI, M., MAHMOUD, P. (1997.): Ouling of ceramic membrane by milkproteins during microfiltration,Aust. J. Dairy Technol. (52) 60.

SCHUCK, P., PIOT, M., MEJEAN, S., LE GRAET, Y., FAUQUANT, J., BRULE, G.,MAUBIOS, J.L. (1994.): Deshydratation des laits enrichis en caseine micellare parmicrofiltration, comparaison des proprietes des poudres obtenues avec celles dune poudre delait ultra-propre,Lait (74) 47-63.

SUREL, O., FAMELART, M.H. (1995.): Ability of ceramic membranes to reject lipids ofdairy products,Aust. J. Dairy Technol. (50) 36.

TAMIME, A.Y., LAW, B. A.(2001.):Mechanisation and automatisation in dairy technology,Sheffield Academic Press Ltd, Sheffiels, England

TRATNIK, LJ. (1998.): Mlijeko-tehnologija, biokemija, mikrobiologija,Hrvatska mljekarskaudruga, Zagreb

TROUV, E., MAUBOIS, J.L., PIOT, M., MADEC, M.N., FAUQUANT, J., ROUAULT, A.,TABARD, J., BRINKMAN, G. (1991.): Retention de differentes especes microbiennes lors delepuration du lait par microfiltration en flux tangentiel,Lait (71) 1-13.

VAN DER HORST, H.C., HANEMAAIJER, J.H. (1990.): Cross-flow microfiltration in thefood industry: state of the art.Desalination, (77) 235-258.

VETIER, C., BENNASAR, M., TORADO DE LA FUENTE, B. (1988.): Study of the foulingof a mineral microfiltration membrane using scanning electron microscopy andphysicochemical analyses in the processing of milk,J. Dairy Res. (55) 381.

VYAS, H.K., BENNET, R.J., MARSHALL, A.D. (2000.): Influence of operating conditionson membrane fouling in cross-flow microfiltration of particulate suspensions, Int. Dairy J.(10) 477-487.

Adrese autora Author's addresses:

Ida Drgali, dipl. ing.Prof. dr. sc. Ljubica TratnikPrehrambeno-biotehnoloki fakultet Sveuilita u ZagrebuPirotijeva 6, 10000 Zagreb

Prispjelo Received: 15. 07. 2004.Prihvaeno Accepted: 17. 09. 2004.

245

Documents

Primjena i značaj mikrofiltracije u mljekarskoj industriji