Использование отходов молочной промышленности в производстве комбинированных продовольственных продуктов
УДК 66.074 На правах рукописи
СУЛТАНБЕКОВА ПАРИДА СЫНАБАЕВНА
Использование отходов молочной
промышленности в производстве комбинированных
продовольственных продуктов
25.00.36 – Геоэкология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете
имени М.Ауезова Министерства образования и науки Республики Казахстан
Научные руководители: доктор технических наук, профессор,
Шакиров Б.С.
кандидат биологических наук, доцент
Сапарбекова А.А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
Заурбек А.К.
кандидат технических наук
Хамитова Б.М.
Ведущая организация: Таразский Государственный университет
им. М.Х. Дулати г.Тараз.
Защита состоится «30» сентября 2010 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.02 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О. Ауезова по адресу: 160012 г.Шымкент, пр.Тауке-хана, 5, ауд. 342.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012 г.Шымкент, пр.Тауке-хана, 5, ауд.215
Автореферат разослан «28» августа 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор Анарбаев А.А.
Введение
Актуальность проблемы. Комплексное и рациональное использование ценнейшего сельскохозяйственного сырья - молока в рамках агропромышленного комплекса возможно на основе его промышленной переработки по безотходной технологии с полным использованием сухого остатка или раздельным извлечением отдельных компонентов.
Основным агентом, загрязняющим окружающую среду, являются сточные воды, в которые попадает молочная сыворотка, содержащая значительное количество способных к окислению органических веществ (белков, жиров и углеводов). Анализ фактических потерь сырья со сточными водами при производстве показал, что потери сыворотки «дают» до 78 % органических загрязнений от общего их количества, пересчитанных на БПК20. Учитывая высокое содержание способных к окислению органических соединений, показатель БПК5 молочной сыворотки составляет 50 000 мг О2/л. В этой связи попадание ее в системы канализации, а в аварийных случаях и непосредственно в водоемы вызывает серьезные экологические проблемы. Поэтому организация промышленной переработки молочной сыворотки не имеет альтернативы.
На предприятиях молочной промышленности концентрация органических веществ в сточных водах в основном обусловлена потерями сырья и молочной продукции в технологическом процессе. Сточные воды после мойки оборудования и помещений также содержат значительное количество органических загрязнителей и относятся к производственным загрязненным сточным водам, которые также должны подвергаться очистке. Нормы расхода воды на производственные нужды составляют от 1,9 до 6,3 м3 на 1 т перерабатываемого молока, а удельный расход сточной воды в зависимости от типа и мощности производства составляет от 1,5 до 5,6 м3. Большинство сточных вод необходимо очищать перед сбросом в водоем, так как при сбросе 1 м3 неочищенных сточных вод загрязняется 40-60 м3 природной воды. В связи с этим разработка и внедрение перспективной, безотходной и высокоэффективной мембранной переработки отходов молочной промышленности - молочную сыворотку особенно актуальны. Рациональное использование продуктов, получаемых из молочной сыворотки, является не менее актуальной и значимой проблемой, как и промышленная переработка.
Плохая организация переработки молочной сыворотки не эффективные технологии очистки, методы использования водных ресурсов отрицательно влияют на экологическое состояние окружающей природной среды. Повышение эффективных методов переработки отходов молочной промышленности – молочной сыворотки могут быть достигнуты при разработке и внедрении мембранных установок, при использовании которых могут быть достигнуты высокие значения избирательности переноса по молочной сыворотке.
Экологическая чистота, сравнительная простота технологического оформления и относительно низкие температуры обуславливают высокую конкурентоспособность и широкое применение мембранных технологий при переработке молочной сыворотки на молочно-фруктовый десерт и мармелад. Оптимизация технологических параметров существующих методов переработки сырья, ставит комплекс задач, связанных с разработкой математических моделей, методов и способов переработки молочной сыворотки, которые позволят провести предварительный расчет и выбрать оптимальные параметры основных стадий переработки в целом, что обуславливает актуальность темы диссертации.
Работа выполнялась в соответствии с планом г/б НИР Б-ТФ-06-13-01/2 «Разработка эффективной ресурсосберегающей технологии на основе использования вторичного сырья пищевой промышленности» и НИР Б-ТИ-05-03 «Обеспечение экологической безопасности состояния окружающей среды адсорбционными и мембранными методами очистки водных и газовых потоков».
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является утилизация и переработка отходов молочной промышленности с получением высококачественных продовольственных продуктов.
Основная идея работы. Идея работы состоит в создании экологических разработок утилизации и переработки отхода молочной промышленности, научным обосновании переработки молочной сыворотки с получением на ее основе высококачественных продовольственных продуктов с эколого-экономической оценкой воздействие на окружающую среду.
Цель работы. Снижение загрязнений водных объектов ЮКО за счет утилизации молочной сыворотки и получения на ее основе высококачественных продовольственных продуктов.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- экологическая оценка и прогнозирование состояния водных объектов до и после внедрения мембранного концентрирования молочной сыворотки;
- определение качественных показателей молочной сыворотки;
- исследование проницаемости и селективности при ультрафильтрационном концентрировании молочной сыворотки и получения концентрата сывороточных белков;
- разработка математической модели ультрафильтрационного разделения молочной сыворотки и создание научно-обоснованной методики расчета;
- разработка технологии и определение оптимальных условий переработки молочной сыворотки для получения молочного десерта и мармелада;
- опытно-промышленная проверка достоверности основных положений и выводов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- оценка экологической ситуации и экологического бедствия с учетом изменения природной среды водных объектов Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района по химическим показателям;
- влияние давления на проницаемость, селективность по лактозе и белку, зависимость проницаемости и селективности от температуры по белку и лактозе, изменение концентрационной поляризации и селективности мембранного устройства по длине межмембранного канала;
- способ получения концентрата сывороточных белков со значительным увеличением массовых долей сухих веществ, белка и жира в концентрате сывороточных белков;
- математическая модель ультрафильтрационного разделения молочной сыворотки в мембранных элементах, выполненных в синусоидальной форме;
- качественные показатели творожной и подсырной сывороток, являющие отходами молочных заводов ЮКО, изменение происходящие в процессе их хранения;
- технология переработки отходов молочной промышленности - молочной сыворотки и способы получения молочно-фруктового десерта и мармелада с улучшением пищевой ценности, вкусовых достоинств, гармоничным сочетанием органолептических свойств, широким спектром питательных веществ и качества продукта и низкой себестоимостью.
Научная новизна работы. Дана экологическая оценка загрязнения окружающей среды сточными водами, в которые попадает молочная сыворотка, содержащая значительное количество способных к окислению органических веществ (белков, жиров и углеводов). Предложен метод экологического прогнозирования с использованием экологического нормирования и водной токсикологии, дающий возможность оценивать экологическую ситуацию загрязнения водного бассейна в целях выбора методов решения экологических проблем.
Установлены закономерности распространения загрязняющих веществ в водных объектах Кызылсу и Сайрамсу Сайрамского района с учетом расхода сточных вод, типа производства и изменения природных факторов и среды.
Предложен новый подход и разработаны физико–химические способы регулирования органолептических свойств, питательных веществ и качества продукта для комплексного и рационального использования отхода молочной промышленности – молочной сыворотки. Установлены закономерности раздельного извлечения отдельных компонентов при переработке молочной сыворотки по безотходной технологии с сохранением пищевой ценности и вкусовых достоинств.
На основе положений теории гидродинамики ультрафильтрационного концентрирования получено уравнение, позволяющее определить объем жидкости протекающей через поры мембраны, учитывающая скорость движения и плотность жидкости, протекающей между мембранными плоскостями и гидростатическое давление.
Достоверность научных положений подтверждается обоснованной постановкой задач диссертационного исследования; использованием современных методов системного анализа, экологической оценки и прогнозирования антропогенных воздействий отходов молочной промышленности, математического моделирования, дающих достоверные результаты; большим объемом лабораторных экспериментов, результаты которых свидетельствует об эффективности предлагаемых автором технико-экологических решений.
Практическая ценность. Дана оценка загрязнения сточных вод до и после внедрения мембранного метода переработки молочной сыворотки и рассчитаны показатели экологического благополучия.
Разработана технология переработки отходов молочной промышленности - молочной сыворотки, предложена эффективная конструкция мембранного устройства (инновационный патент РК №21682) и предложены практические рекомендации по рациональному выбору конструктивных и режимных параметров устройства, которые могут быть использованы при создании мембранного оборудования при переработке молочного сырья.
Разработаны способы получения молочно-фруктового десерта и мармелада с улучшением пищевой ценности, вкусовых достоинств, гармоничным сочетанием органолептических свойств, широким спектром питательных веществ и качества продукта с низкой себестоимостью (инновац. патенты РК №20460 и №20465).
Практическая значимость работы заключается в разработке экологически чистой технологии, представляющий собой решения проблемы утилизации и переработки отхода молочной промышленности с получением высококачественных продовольственных продуктов. Проведены опытно промышленные испытания мембранного аппарата с неподвижными мембранными элементами при переработке молочной сыворотки на ТОО «Сапа-2002» и технология получения молочно-фруктового десерта с использованием концентрата сывороточных белков апробированы в опытно промышленном масштабе на ТОО «Сайрам сут».
Предотвращенный экологический ущерб составил 8783231,9 тг/год. Экологическим решением явилось понижение вредных веществ в воде от 8809939,2 тенге/год до 26707,3 тенге/год за счет применения мембранного аппарата при переработке молочной сыворотки.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-методических, научно-практических конференциях: «Индустриально инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана» (г. Шымкент, 2006г), «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (г.Москва, 2007г), «Повышение конкурентоспособности сельскохозяйственного производства Казахстана: проблемы, пути решения». (г. Алматы, 2007г), «Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого развития» (г. Астана, 2008г), «Ауезовские чтения-8» (г. Шымкент, 2009г.).
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований и разработке нового способа утилизации и переработки отхода молочной промышленности молочной сыворотки; экологической оценке и прогнозирование состояния водных объектов до и после внедрения мембранного концентрирования молочной сыворотки, разработке математической модели ультрафильтрационного разделения молочной сыворотки, эколого-экономическом обоснований эффективности переработки отхода молочной промышленности. Автор участвовал в испытаниях, сборе и обобщении фондовых материалов предприятий.
Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных трудах, из них 5 в изданиях перечень которых утвержден Комитетом по контролю и аттестации в сфере образования и науки МОиН РК, 3 инновационного патента РК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 122 страницах компьютерного текста. Состоит из введения, основной части, которая включает 4 раздела, 41 рисунка, 32 таблиц, заключения, списка использованных источников из 144 наименований и 6 приложении на 11 страницах.
Основная часть
В первом разделе дан анализ литературных данных по оценке техногенного воздействия сточных вод молочной промышленности на окружающую среду, рассмотрены экологические аспекты и безотходная технология переработки молочной сыворотки, представлены перспективы переработки и рационального использования молочной сыворотки, дана оценка ультрафильтрационной обработки молочного сырья и тенденции дальнейшей его переработки. На основании проведенного анализа сформулированы цели и осуществлена постановка задач исследования.
Второй раздел посвящен экологической оценке состояния вод и отходов молочной промышленности. Рассмотрены объекты исследования, их свойства и характеристики, физико-химические методы исследования, проведения испытаний и описание экспериментальных установок. Дана экологическая оценка качества сточных вод предприятий молочной промышленности ЮКО. В качестве объектов исследования по Южно-Казахстанской области были выбраны предприятия обрабатывающие молочную продукцию по направлениям - цельномолочной продукции, молочных консервов, сыра, сухого молока, являющиеся источником загрязнения сточных вод молочной сывороткой: г.Шымкент - ТОО «Шымкент -Сут», ТОО «Компания Фудмастер-Шымкент», ТОО «Нур-Досик», ТОО «Бахыт-К.М.LTD» и Сайрамского района - ТОО «Сайрам -сут», ТОО «Эм нур», ТОО «Нурай Сут и Л», ТОО «Куаныш МК».
Для вышеуказанных предприятий определены физико-химические параметры сточных вод по СанПиН 2.1.4.1074-01, который нормирует содержание вредных химических веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах, а также поступающих в источники водоснабжения в результате хозяйственной деятельности человека. Представлены гигиенические требования к составу и свойствам воды в пунктах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, состав производственных сточных вод молокоперерабатывающей промышленности, принимаемых в городскую канализацию в соответствии требованиям: БПК полн., мг/л – 2000; ХПК, мг/л – 2500; взвешенные вещества, мг/л – 600; жиры, мг/л - до 100. Установлены расход сточных вод предприятий перерабатывающих молочную продукцию (таблица 1), среднесуточные показатели загрязнений (таблице 2).
Таблица 1 - Удельные расходы сточных вод
| № | Предприятия | Расход производственных сточных вод на 1 т перерабатываемого молока, м3 | Коэффициент часовой неравномерности водоотведения |
| 1 | Цельномолочной продукции | 6 | 2 |
| 2 | Молочных консервов | 3,2 | 1,8 |
| 3 | Сухого молока | 3 | 1,7 |
| 4 | Сыра | 7 | 2 |
Определены качественные показатели творожной и подсырной сывороток, которые являются отходом молочных заводов (ЮКО). Проведена органолептическая оценка, определены кислотность, плотность, массовые доли сухих веществ, доли жира, доли лактозы и доли белка и для получения концентрата сывороточных белков выбрана творожная сыворотка. Содержание в творожной сыворотке массовой доли сухих веществ, жира, лактозы и белка выше, чем в подсырной.
Таблица 2 - Среднесуточные показатели загрязнений
| № | Состав производственных загрязненных и бытовых сточных вод | Единица измерений | Вырабатываемая продукция по производству | ||
| Цельномолочная продукция | Молочные консервы, сухое молоко | Сыр, слив. масло | |||
| 1 | Взвешенные вещества | мг/л | 350 | 350 | 600 |
| 2 | ХПК в отстойной пробе | мг/л | 1400 | 1200 | 3000 |
| 3 | БПКполн в отстойной пробе | мг/л | 1200 | 1000 | 2400 |
| 4 | рН | - | 5 | 5 | 5 |
| 5 | Азот общий | мг/л | 60 | 50 | 90 |
| 6 | Фосфор | мг/л | 8 | 7 | 16 |
| 7 | Жиры | мг/л | до 100 | до 100 | до 100 |
В процессе хранения состав и свойства сыворотки изменяется, этому способствует действие молочнокислых бактерии и обсеменение микрофлорой (рисунок 1). Даже наименее устойчивый компонент - лактоза, подвергается ферментативному гидролизу. Образованный бактериями фермент лактаза участвует в расщеплении лактозы и это приводит к повышению титруемой кислотности и потерям лактозы. Изменяется также мутность сыворотки, происходит гидролиз белков, накапливается нежелательные и вредные вещества. При хранения без обработки в течение 12 ч сыворотка теряет 25% энергетической ценности.
| Содержание лактозы, % |
| Мутность, см-1 |
Продолжительность хранения, час
Обозначения кривых:1 – Мутность; 2- Содержание лактозы;
Рисунок 1 - Зависимость мутности и содержания лактозы сыворотки от времени хранения
Иными словами, в экспериментальных предприятиях южного региона и центра области из-за отсутствия промышленной переработки молочной сыворотки потенциальные потери ценного нежирного молочного сырья могут достичь 2 млн. тенге и в производстве такую сыворотку использовать нецелесообразно.
Дана санитарно-гигиеническая оценка опасности загрязнения воды рек Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района химическими веществами предприятий перерабатывающих молочную продукцию (таблица 3).
Таблица 3 - Санитарно-гигиеническая оценка опасности загрязнения воды рек Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района
| №№ п/п | Показатели | Параметры | ||||
| Чрезвычайная экологическая ситуация (до утилизации) | Относительно удовлетворительная ситуация (после утилизации) | |||||
| Сайрамсу | Кызылсу | Сайрамсу | Кызылсу | |||
| Физико-химические свойства: | ||||||
| 1 | рН | 5 | 5 | 7 | 7 | |
| 2 | БПК полн., мг 02/л | 2000 | 2210 | 0,8 | 0,85 | |
| 3 | XПК, мг 02/л | 2500 | 2565 | 15 | 15 | |
| 4 | Растворенный кислород, мг/л | 1,5 | 1,6 | 4,5 | 4,6 | |
| Органолептические характеристики: | ||||||
| 5 | Запах и привкус, баллы | 4 | 4 | 0 | 0 | |
| 6 | Плавающие примеси (пленки, пятна масляные и др.) | яркие полосы или пятна тусклой окраски | Нет плавающих примесей | |||
Оценка показала, что состояние водной экосистемы можно классифицировать как «чрезвычайная экологическая ситуация». Выявлены зоны чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия с учетом изменения природной среды водных объектов Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района по химическим показателям (таблица 4). До применения мембранной технологии прослеживается чрезвычайная экологическая ситуация.
Проведена оценка качества воды рек Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района по комплексу гидрохимических показателей по гидрохимическому индексу загрязнения воды (ИЗВ). Воды – грязные, значение ИЗВ - 5,0, класс качества вод – V.
Дана оценка качества водных объектов Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района с использованием гидрохимических и гидробиологических показателей по ГОСТ 17.1.2.04-77. Загрязненный молочной сывороткой водный бассейн относится к грязным водам, класс сапробности - полисапробность (п).
Санитарно-гигиеническая оценка опасности загрязнения воды и оценка степени химического загрязнения воды рек Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района установила, что после внедрения мембранного концентрирования молочной сыворотки приводит к относительно удовлетворительной ситуации и показывает, что водный бассейн относится к чистым водам, класс сапробности - олигосапробность (о).
Таблица 4 - Оценка степени химического загрязнения воды рек Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района
| №№ п/п | Показатели | Параметры | ||||
| Чрезвычайная экологическая ситуация (до утилизации) | Относительно удовлетворительная ситуация (после утилизации) | |||||
| Сайрамсу | Кызылсу | Сайрамсу | Кызылсу | |||
| 1 | Химические вещества, доли ПДК | 10 | 9,7 | до 1 | до1 | |
| 2 | Показатель химического загрязнения (ПХЗ-10) | 95 | 97 | 1 | 1 | |
| 3-4 класс опасности | ||||||
| 3 | Запах, привкус в баллах | 4 | 4 | 0 | 0 | |
| 4 | Реакция среды, рН | 5 | 5 | 7 | 7 | |
| 5 | Химическое потребление кислорода ХПК (антропогенная составляющая к фону), мгО2/л | 2500 | 2565 | 15 | 15 | |
| 6 | Растворенный кислород, % насыщения | 25 | 26,5 | 88 | 89 | |
| 7 | Коэффициент донной аккумуляции (КДА) | 8000 | 7860 | 10 | 10,2 | |
В третьем разделе представлена разработка способа переработки молочной сыворотки для получения мармелада и молочно-фруктового десерта. Разработано мембранное устройство с неподвижными мембранными элементами.
Использование предлагаемого мембранного устройства для концентрирования молочной сыворотки приводит к возникновению турбулизации потоков обеспечивающий снижение уровня концентрационной поляризации и увеличение производительности мембранного устройства и эффективности концентрирования растворов за счет более активной турбулизации вследствие сталкивания синусоидально образующихся потоков с перпендикулярно расположенными ребрами.
Определены влияние давления на проницаемость по лактозе (рисунок 2), давления на селективность по белку, зависимость проницаемости от температуры, селективности от температуры по белку и лактозе, изменение концентрационной поляризации и селективности мембранного аппарата по длине межмембранного канала.
При сравнении полученных данных по концентрату сывороточных белков с исходной творожной сывороткой можно сделать вывод о значительном увеличении массовых долей сухих веществ, белка и жира в концентрате сывороточных белков.
| Проницаемость G, м3/м2с |
Давление Р, МПа
Обозначения кривых: 1 – концентрация белка 0,6 %, 2 - 0,7 %, 3 - 0,8 %.
Рисунок 2 - Влияние давления на проницаемость по лактозе
Анализ экспериментальных данных показывает, что полученный КСБ массой 5,6 кг содержит: сухих веществ (18,8 %) – 1,008 кг; в том числе: белка (15 %) – 0,84 кг; лактозы (0,51 %) – 0,028 кг; жира (0,91 %) – 0,05 кг; прочих веществ (0,03 %) – 0,158 кг. Таким образом, введение в рецептуру молочного десерта концентрата сывороточных белков целесообразно. Эффективность степени разделения творожной сыворотки в мембранном аппарате достигает 99%. Предлагаемая ультрафильтрационная очистка может быть использована в пищевой промышленности, а мембранный аппарат позволяет с наибольшей эффективностью производить процесс разделения смеси за счет снижения влияния концентрационной поляризации.
Разработана математическая модель ультрафильтрационного разделения молочной сыворотки в мембранных элементах выполненных в синусоидальной форме. Анализ закономерностей турбулизации водного потока в межмембранном пространстве позволил получить уравнение, позволяющее определить объем жидкости протекающей через поры мембраны, учитывающая скорость движения и плотность жидкости, протекающей между мембранными плоскостями и гидростатическое давление в мембранном устройстве, учитывающая особенности конструкции мембранного устройства.
(1)
Обработка полученных выражений и уравнений производилась на программном обеспечении профессиональных пакетов для математических расчетов «MathCAD 2001 Professional». Из рисунка 3 видно, что предложенная математическая модель ультрафильтрации молочной сыворотки в мембранных элементах выполненных в синусоидальной форме хорошо описывает экспериментальные данные (уравнения 1).
Погрешность не превышает 10 % и может быть рекомендована в качестве составной части методики расчета перспективной и эффективной технологии переработки отхода молочной промышленности - молочной сыворотки в молочно-фруктовый десерт и мармелад.
| Объем фильтрата V, м3/с |
Давление Р, МПа
Рисунок 3 – Зависимость объема фильтрата от давления
Предложен способ получения молочно-фруктового десерта, включающий подготовку сырья, пастеризацию обезжиренного молока при температуре 80
2 0С с выдержкой 8-10 минут, охлаждение, подкисление путем внесения бактериальной закваски (4-5% от массы смеси), сквашивание, внесение желатина, сахара, фруктового наполнителя, выдержку, охлаждение, фасовку, где пастеризованное обезжиренное молоко смешивают с концентратом сывороточных белков (90-1000 по тернеру), сквашивание осуществляют путем внесения бактериальной закваски, состоящей из чистой культуры болгарской палочки (Lbm. bulgaricum), взятой в количестве 4-5% от массы смеси, в качестве фруктового наполнителя используют гомогенизированную массу хурмы. Предлагаемый способ позволит получить молочно-фруктовый десерт с улучшением пищевой ценности, вкусовых достоинств и качества продукта.
Предложен способ получения мармелада, включающий подготовку сырья, приготовление сиропа, содержащего пектин, глюкозу, воду и добавку из сырья растительного происхождения, варку сиропа, разделку мармеладной массы с добавлением лимонной кислоты, разливку, формование, сушку и фасовку, где приготовление сиропа осуществляют с использованием осветленной творожной сыворотки (75-800 по Тернеру), сквашенной чистой культурой болгарской палочки (3-5 % от объема) и инвертного сиропа, в качестве добавки из сырья растительного происхождения используют пюре из дыни. Предложенный способ позволяет получить мармелад с гармоничным сочетанием органолептических свойств, широким спектром питательных веществ и снизить себестоимость готового продукта.
В четвертом разделе представлены результаты практического применения результатов переработки отходов молочной промышленности. Разработано аппаратурное оформление и технологическая схема переработки молочной сыворотки, получения молочно-фруктового десерта. Для проверки возможности распространения полученных экспериментальных результатов на реальный технологический процесс, поставлена серия экспериментов на ТОО «Сайрам сут» г. Шымкента и ТОО «Сапа-2002» с.Шарбулак ЮКО.
Для использования концентрата сывороточных белков нами разработана технологическая схема получения молочно-фруктового десерта, представленная на рисунке 4. Молочная сыворотка подается в резервуар 1 для сыворотки и далее в мембранное устройство 2 на разделение белка и лактозы. Молочная сыворотка с концентрированным белком поступает на пастеризационно-охладительную установку 3, где пастеризуется и охлаждается до 27-29 0С. далее в емкость для сквашивания 4 подается молочная сыворотка, бактериальная закваска, а также молоко, прошедшее сепаратор 5 и пастеризатор 6. После сквашивания в резервуаре для смеси 7 в сквашенную смесь добавляют гомогенизированную хурму, сахар, желатин и перемешивают. Далее готовую смесь охлаждают и фасуют в расфасовочном аппарате 8.
Рисунок 4 – Технологическая схема переработки молочной сыворотки
Для использования пермеата, содержащий соли и лактозу, нами разработана технология получения мармелада. Оно включает следующие технологические процессы. Молочная сыворотка из резервуара подается в мембранное устройство, для разделение. Пермеат пастеризуется и охлаждается до 27-29 0С. После сквашивания, в сквашенную смесь добавляют пюре из дыни и инвертный сироп, состоящий из пектина и глюкозы. Полученную массу уваривают, охлаждают и вносят лимонную кислоту. После чего производят резку и обсыпку полученного мармелада оставшейся глюкозой, сушат и фасуют в расфасовочном аппарате.
Предотвращенный экологический ущерб равен 8783231,9 тг/год. Понижение вредных веществ в воде позволяет снизить плату за загрязнение окружающей среды с 8809939,2 тенге/год до 26707,3 тенге/год.
Таким образом, повышение эффективности производства молочно-фруктового десерта может быть достигнуто за счет внедрения энергосберегающих технологий. Для народного хозяйства в целом и некоторых отраслей в отдельности есть прямая экономическая выгода от организации производства молочно-фруктового десерта. Такое производство определено как генеральное направление при строительстве новых сыродельных и городских молочных заводов.
При сравнительно небольших капитальных затратах экономическая эффективность получения молочных продуктов из молочной сыворотки весьма значительна. Особенно весомый экономический эффект может быть получен при комплексной переработке молочной сыворотки в цехах по производству лактозы. Специализированные цехи по получению белковых продуктов из сыворотки целесообразно создавать при объемах ее переработки более 12 т в смену.
Заключение
В диссертации изложены научно-обоснованные технологические и экологические разработки по утилизации отходов молочной промышленности, обеспечивающие решение важных научно-практических задач для эффективного и экологически приемлемой переработки отходов на предприятии.
Основные выводы заключается в следующем:
1. Выявлены зоны чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия с учетом изменения природной среды водных объектов Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района по химическим показателям. До применения мембранной технологии прослеживается чрезвычайная экологическая ситуация. Проведена оценка качества водных объектов Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района по комплексу гидрохимических показателей по гидрохимическому индексу загрязнения воды (ИЗВ). Воды – грязные, значение ИЗВ - 5,0, класс качества вод – V. Дана оценка качества водных объектов Кызылсу, Сайрамсу Сайрамского района с использованием гидрохимических и гидробиологических показателей по ГОСТ 17.1.2.04-77. Загрязненный молочной сывороткой водный бассейн относится к грязным водам, класс сапробности - полисапробность (п).
2. Для предприятий перерабатывающих молочную продукцию в Южно-Казахстанской области определены физико-химические параметры сточных вод и гигиенические требования к составу и свойствам воды в пунктах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Дана санитарно-гигиеническая оценка опасности загрязнения воды химическими веществами предприятий перерабатывающих молочную продукцию. Оценка показала, что состояние сточных вод ТОО «Шымкентсут» можно классифицировать как «чрезвычайная экологическая ситуация». БПК полн., мг/л – 2000; ХПК, мг/л – 2500; взвешенные вещества, мг/л – 600; жиры, мг/л - до 100.
3. Разработано мембранное устройство с неподвижными мембранными элементами. Использование предлагаемого мембранного устройства для концентрирования молочной сыворотки приводит к возникновению турбулизации потоков, обеспечивающие снижение уровня концентрационной поляризации и увеличение производительности мембранного устройства и эффективности концентрирования растворов за счет более активной турбулизации вследствие сталкивания синусоидально образующихся потоков с перпендикулярно расположенными ребрами. (Инновационный патент РК №21682 на изобретение).
4. Определены влияние давления на проницаемость по лактозе, давления на селективность по белку, зависимость проницаемости от температуры, селективности от температуры по белку и лактозе, изменение концентрационной поляризации и селективности мембранного аппарата по длине межмембранного канала. Получен концентрат сывороточных белков с значительным увеличением массовых долей сухих веществ, белка и жира в концентрате сывороточных белков. Эффективность степени разделения творожной сыворотки в мембранном устройстве достигает 99%.
5. Предложена математическая модель ультрафильтрационного разделения молочной сыворотки в мембранных элементах выполненных в синусоидальной форме. Получено уравнение, позволяющее определить объем жидкости протекающей через поры мембраны, учитывающее скорость движения и плотность жидкости, протекающей между мембранными плоскостями и гидростатическое давление. Анализ закономерностей турбулизации водного потока в межмембранном пространстве позволил получить расчетную формулу для концентрата и фильтрата в мембранном устройстве, учитывающее особенности конструкции мембранного устройства.
6. Определены качественные показатели творожной и подсырной сывороток, которые являются отходом молочных заводов (ЮКО). Проведена органолептическая оценка, определены кислотность, плотность, массовые доли сухих веществ, доли жира, доли лактозы и доли белка и для получения концентрата сывороточных белков выбрана творожная сыворотка. Содержание в творожной сыворотке массовой доли сухих веществ, жира, лактозы и белка выше, чем в подсырной.
7. Разработана технология переработки отходов молочной промышленности - молочной сыворотки и способы получения молочно-фруктового десерта и мармелада с улучшением пищевой ценности, вкусовых достоинств, гармоничным сочетанием органолептических свойств, широким спектром питательных веществ и качества продукта и низкой себестоимостью (Инновационные патенты РК №20460 и №20462 на изобретение).
Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленные цель и задачи исследования, начиная от выбора объектов исследования, математического моделирования ультрафильтрационного концентрирования молочной сыворотки, экологической оценки и прогнозирования антропогенных воздействий отходов молочной промышленности - молочной сыворотки, получения молочно-фруктового десерта и мармелада характеризуются полнотой решения и доведением до опытно-промышленной проверки в производстве, что подтверждает достоверность основных положений и выводов.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу рекомендаций по оценке и выявлению причин загрязнения окружающей среды сточными водами, содержащими молочную сыворотку, проектирования, расчета и практических рекомендаций по рациональному выбору конструктивных и режимных параметров безотходной технологии утилизации отходов молочной промышленности. Полученные данные могут быть использованы инженерно-техническими работниками в пищевой и других отраслях промышленности, научно-исследовательских подразделениях при модернизации, разработке и проектировании очистного оборудования и преподавателями в учебных институтах при изучении дисциплин «Комплексное использование природных и вторичных ресурсов» и «Рациональное использование водных ресурсов» и др.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Ожидаемый эколого-экономический эффект от внедрения результатов данной работы и аппаратурной модернизации составляет 4225000 тенге.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Исследования по анализу и мониторингу загрязнения сточных вод молочной сывороткой, моделирования мембранного разделения молочной сыворотки, разработка на их основе технологий получения молочных продуктов выполнены на высоком научном уровне с использованием современного испытательного и экспериментального оборудования, метрологических стандартов и современных средств измерения. Предлагаемые разработки в сравнении с известными аналогами позволяют повысить эффективность утилизации отходов молочной промышленности и качество получаемых продуктов на 20-30%.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1 Шакиров Б.С., Сапарбекова А.А., Султанбекова П.С., Майлыбаева Э. Экологические аспекты переработки молочной сыворотки // Сбор материалов межд. научно-прак. конф «Индустриально инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана».- Шымкент, Т.2, 2006. -С.134-138
2. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. Ультрафильтрационное концентрирование молочной сыворотки в мембранном аппарате // Сбор материалов 5 юб шк-конф «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». г.Москва, 2007. -С.119-122
3. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. Концентрирование молочной сыворотки из сточных вод мембранном аппарате // Поиск.- Алматы. 2008. -С.147-151
4. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. New products on the basis of dairy whey // Сбор материалов межд научно-прак конф «Повышение конкурентоспособности сельскохозяйственного производства Казахстана: проблемы, пути решения».- Алматы, 2007. -С.206-209
5. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. Моделирование ультрафильтрации молочной сыворотки в мембранных элементах выполненных в синусоидальной форме // Наука и образование ЮК - Шымкент. 2008. -С.49-53
6. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. Моделирование ультрафильтрационного разделения молочной сыворотки // Химия и химическая технология. -Ташкент, 2008. -С.55-59
7. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. Экологическая оценка переработки молочного сырья // Мате межд научно-прак конф «Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого развития»- Астана, 2008 -С.255-259
8. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. Мембранное извлечение молочной сыворотки из сточных вод. // Новости науки Казахстана.- Алматы, 2008. -С.137-141
9. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Шакиров Б.С. Разработка аппаратурного оформления и технологической схемы производства мармелада // Медицина, наука биологии, химия и химическая технология, экология и география.- Болгария, 2009. -С.85-89.
10. Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А., Алимов Р.А. Безотходная технология переработки молочного сырья и ее экологические аспекты. // Матер межд научно-прак конф «Ауезовские чтения-8».- Шымкент, 2009.
11. Иновац. пат. РК 204760. Способ получения молочно-фруктового десерта. /Шакиров Б.С., Налеев О.Н., Сапарбекова А.А., Султанбекова П.С., Эм В.Г. – 25.09.2008
12 Иновац. пат. РК 204765. Способ получения мармелада. / Шакиров Б.С., Налеев О.Н., Сапарбекова А.А., Султанбекова П.С., Эм В.Г. -25.09.2008.
13. Иннов. пат. РК 21682 Мембранный аппарат для очистки жидкости. / Султанбекова П.С., Сапарбекова А.А, Шакиров Б.С., Азимов А.М, Мамбетова А.К. – 25.06.2009.
Тйін
Султанбекова Парида Сынабаевна
Ст нерксібі алдытарын біріктірілген азы-тлік німдері ндірісінде олдану
25.00.36 – Геоэкология
Зерттеу объектісі. Зерттеу нысаны суды ластануы мен экологиялы болжау мониторингі, ст сарысуын мембраналы блуді математикалы моделі жне осыны негізінде ст німдерін алу технологиясын жасау болып табылады.
Жмысты масаты. ОО су объектілеріні ластануын тмендету масатында ст сарысуын залалсыздандыру жне оны негізінде жоары сапалы азы-тлік німдерін алу.
Зерттеу дістемелігі. ылыми зерттеу жмысында классикалы жне заманауи физико-химиялы зерттеу дістері, метрологиялы стандарттар, лшеуді бірлігі мен ажетті туралыын амтитын лшеу нтижелерін математикалы деу дістері олданылды.
Зерттеу нтижелері. Сайрам ауданыны ызылсу, Сайрамсу су объектілерінде химиялы крсеткіштері бойынша ттенше экологиялы жадайы мен экологиялы ауіп зонасы аныталды.
ГОСТ 17.1.2.04-77 бойынша гидрохимиялы жне гидробиологиялы крсеткіштерін пайдаланып Сайрам ауданыны ызылсу, Сайрамсу су объектілеріні сапасы бааланды.
Ст німдерін дейтін ндіріс суыны химиялы заттармен ластану ауіпіні санитарлы-гигиеналы баасы берілді.
Мембраналы татайша элементі синусоид пішінді, татайшаны сырты абырасы толын баытына перпендикуляр орналасан, мембраналы элементі озалыссыз мембраналы рылы жасалды.
ысым бойынша лактозаны ту абілетіне, ауызды селективтілік бойынша сері, температура бойынша ауыз бен лактозаны ту абілетіне, селективтілігіне байланыстылыы, концентрациялы поляризация згерісі мен мембраналы рылыны мембрана аралы зындыы бойынша селективтілігі аныталды.
рамында ра заттар, ауыз жне май массасы лесі лайан сарысулы ауыз концентраты алынды.
Синусоид пішіндегі мембраналы элементінде орындалан ст сарысуын ультрафильтрациялы блуді математикалы моделі сынылды. Мембрана уысы арылы тетін сйыты клемін анытауа ммкіндік беретін, мембраналы татайшалар арасынан тетін сйыты озалыс жылдамдыы мен тыыздыын, гидростатикалы ысымын ескеретін тедеу алынды.
ОО ст зауыттары ндірісіні алдыы болып табылатын сзбелік жне ірімшікті сарысуды сапалы крсеткіштері аныталды.
Ст нерксібі алдыы – ст сарысуын айта деу технологиясы мен стті-жидек десерті жне мармелад алу дісі жасалды.
Негізгі рылымны технологиялы жне ндірістік пайдалану сипаттамалары. Ст сарысуын айта деу технологиясы жасалды, мембраналы рылыны тиімді конструкциясы сынылды жне ст нерксібі алдытарын залалсыздандыруды алдысыз технологиясыны конструкциясы мен режимдік параметрлерін тиімді тадау бойынша тжірбиелік сыныстар сынылды. Болжамдау дісі сынылды, экологиялы жадайы бааланды жне экологиялы ауіпсіздік крсеткіштері есептелді. Таамды ндылыы, дмділік асиеті арттырылан, органолептикалы асиеті келтірілген, оректік заттары кеейтілген жне зіндік ны тмен сапалы німдер стті-жидек десерті мен мармелад алу дісі жасалды.
Енгізілу дрежесі. Сарысулы ауыз концентратын алу технологиясы «Сайрам-ст» ЖШС масштабында ндірістік сынатан жне «Сапа 2002» ЖШС ст сарысуын айта деу кезінде озалыссыз мембраналы элементті мембраналы аппарат ндірісітік сынатан ткізілді.
ылыми-зерттеу жмысын ендіру бойынша сыныстар. Теориялы жне эксперименттік зерттеу нтижелері рамында ст сарысуы бар тгінді сулармен ошаан ортаны ластануы себептерін анытау жне баалау бойынша сыныстара, жобалау, ст нерксібі алдытарын залалсыздандыруды алдысыз технологиясы конструкциясы мен режимдік параметрлерін тиімді тадау бойынша тжірбиелік сыныстар мен есептеулерге негізделген.
олдану аймаы. Тама жне басада нерксіп салаларында, ылыми-зерттеу блімдерін модернизациялау кезінде, тазалау ондырыларын жобалау жне жасауда, шикізат пен німні сапасын жасарту масатында олданыс табады.
Экономикалы тиімділігі. Жмыс нтижелерін жне аппарат модернизациясын ендіруді экологиялы-экономикалы тиімділігі 4225000 тегені райды. Жргізілген зерттеулер мен алынан нтижелерді сараптау, сыныстарды белгілі аналогтармен салыстыру ст нерксібіні алдыы - ст сарысуын залалсыздандыруа ммкіндік береді жне алынан німні сапасын 20-30% арттырады.
Зерттеу нысанын дамыту туралы сыныстар. Зерттеуді ілімдік нтижелері тама ндірісіні инженерлік-технологтары жне баса нерксіп саласы жмысшыларына, модернизация кезінде ылыми-зерттеу блімдерінде, тазалау ондырыларын жобалау жне жасауда, «ндірістік тгінді суларды тазалау», «Табии жне екіншілік орларды кешенді пайдалану», «Су ресурстарын тиімді пайдалану», «Тама ндірісі аппараттары мен процесстері» жне таы баса пндерді оыту кезінде жоары оу орындары оытушыларымен кеінен олдану ммкіншілігін ашады.
The abstract
Syltanbekova Parida Sunabaevna
Use of waste of the dairy industry in manufacture of the combined food products
25.00.36 – Geoecology
Object of research or development. Object of research is ecological forecasting and monitoring of pollution of water, mathematical modelling diaphragm division of dairy whey, development into their basis of technologies of reception of dairy products.
The purpose of work. The purpose is decrease in pollution of water objects Southern Kazakhstan region due to recycling dairy whey and reception on its basis of high-quality food products.
Methodology of carrying out of work. In research work have been used>
Results of work. Zones of an extreme ecological situation and ecological disaster in view of change of an environment of water objects Kysyslsu, Sajramsu area Sajramskogo on chemical parameters are revealed.
The estimation of quality of water objects Kysyslsu, Sajramsu area Sajramskogo with use of hydrochemical and hydrobiological parameters in accordance is given with GOST 17.1.2.04-77.
The sanitary-and-hygienic estimation of danger of pollution of water by chemical substances of the enterprises processing dairy production is given.
It is developed diaphragm the device with motionless diaphragm elements where plates diaphragm elements are executed in the sine wave form, and edges of external surfaces of plates are located perpendicularly to a direction of a wave.
Pressure upon selectivity on fiber, dependence of permeability on temperature, selectivity on temperature on fiber and lactose, change of concentration polarization and selectivity мембранного the device on length between diaphragm the channel Are certain influence of pressure on permeability on lactose.
The concentrate wheying fibers with substantial growth of mass fractions of dry substances, fiber, lactose and fat in a concentrate wheying fibers is received.
The mathematical model of ultrafiltrational division of dairy whey in diaphragm elements executed in the sine wave form is offered. The equation is received, allowing to define the volume of a liquid of the membrane proceeding through times, considering speed of movement and density of the liquid proceeding between diaphragm by planes and hydrostatic pressure.
Quality indicators cottage cheese and cheese wheys which are a withdrawal of a dairy factory of Open Company " Sauries-сut " (Shymkent) are certain.
The technology of processing of waste of the dairy industry - dairy whey and ways of reception of a dairy-fruit dessert and fruit candy is developed.
The basic constructive, technological and technical-operational characteristics. It are developed the technology of processing of dairy whey is developed, the effective design diaphragm devices is offered and practical recommendations at a rational choice of constructive and regime parameters of without waste technology of recycling of waste of the dairy industry are offered. The method of forecasting is offered, the estimation of an ecological situation is given and parameters of ecological well-being are calculated. Ways of reception of a dairy-fruit dessert and fruit candy with improvement of food value, flavouring advantages, a harmonious combination organoleptical properties, a wide spectrum of nutrients and qualities of a product with the low cost price
Degree of introduction. Technology of reception of a dairy-fruit dessert with use of a concentrate wheying fibers are approved in it is skilled industrial scale on Open Company « to Sauries сут » and diaphragm the device with motionless diaphragm elements are approved in it is skilled - industrial scale at processing dairy whey on Company of limited liability " Саpа-2002 ".
Recommendations on introduction of research work. Results theoretical and experimental researches are put in a basis of recommendations according to and to revealing of the reasons of pollution to an environment by the sewage containing dairy whey, designing, calculation and practical recommendations at a rational choice of constructive and regime parameters of without waste technology of recycling of waste of the dairy industry.
Scope. In food and other industries, research divisions at modernization, development and designing of the clearing equipment, improvement of quality of raw material and products.
Economic efficiency and the importance of work. Expected ecological-economic benefit of introduction of results of the given work and hardware modernization makes 3011640 tenges. Carried out researches and the analysis of the received results show, that offered development in comparison with known analogues allow to utilize dairy whey - a withdrawal of the dairy industry and to raise quality of received products on 20-30 %.
Forecasted assumptions of development of object of research. Obtained data can be used by technical employee in food and other industries, research divisions at modernization, development and designing of the clearing equipment and teachers in educational institutes at studying disciplines « Technology of clearing of industrial effluent », « Complex use of natural and secondary resources », « Rational use of water resources », « Processes and devices of food manufactures », « the Equipment of the enterprises of the food-processing industry », etc.
Подписано в печать «27» августа 2010 г. Формат бумаги 60х84
Объем 1,5 п.л. заказ № 1809 Тираж 100 экз.
Типография, ЮКГУ им. М.Ауезова,
г. Шымкент, пр.Тауке-хана, 5.
