Công nghệ chế biến sữa

LỜI MỞ ĐẦUHiện nay , khi các ngành công nghiệp không ngừng tăng trưởng và phát triển do đóvấn đề cần quan tâm là vấn đề năng lượng và các bấn đề bảo vệ , chống ô nhiễmmôi trường , kĩ thu

TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay , khi các ngành công nghiệp không ngừng tăng trưởng và phát triển do đóvấn đề cần quan tâm là vấn đề năng lượng và các bấn đề bảo vệ , chống ô nhiễmmôi trường , kĩ thuật membrane đã trở thành giải pháp hiệu quả trong việc tiếtkiệm năng lượng , đồng thời có thể hạn chế những biến đổi làm giảm chất lượngbán thành phẩm cũng như thu hồi các cấu tử quí bằng kĩ thuật điện thẩm tích.Trong các quá trình sinh học, bản thân mỗi thiết bị phản ứng phải được liên kết vớimột bộ phận phân tách để thu nhận sinh khối, để thực hiện chuyển hóa những hợpchất có lợi cho con người trong vấn đề xử lý môi trường Rất nhiều phương thứcphân tách khác nhau được sử dụng như: lắng (lóng cặn hoặc kết tủa), ly tâm, lọcdead-end Tất nhiên các phương pháp này phụ thuộc vào tuần tự vận hành, nghĩa làcác bước khác nhau trong toàn bộ quy trình phải được thực hiện có trật tự và phải

có sự thống nhất, như vậy sẽ rất khó điều khiển Việc đề xuất mô hình membranebioreactor từ những năm 1980 đã trở nên khá thiết thực và hiệu quả để khắc phụcnhững nhược điểm so với bioreactor truyền thống

Các hợp chất như protein , lipit ,các chất chống oxi hóa , có vai trò quan trọngtrong ngành công nghệ thực phẩm và các ngành công nghệ khác cũng như nhucầu sống của con người Kỹ thuật membrane ưu thế hơn kĩ thuật truyền thống làkh6ong sử dụng hóa chất và xử lí nhiệt nên các sản phẩm ít bị biến chất Các ứngdụng củ membrane không còn bó hẹp trong việc phân riêng các cấu tử hóa học ởquy mô phòng thí nghiệm mà còn được mở rộng trong công nghiệp kĩ thuậtmembrane được xem là một trong những hướng đầu tư mũi nhọn và thiết yếu trongtương là thay thế dần các kĩ thuật truyền thống

Ở nước ta hiện nay việc nghiên cứu và ứng dụng kỉ thuật membrane còn rất nhiềuhạn chế Chúng ta chủ yếu ứng dụng để xử lí nước thải Hiện tại số lượng nghiêncứu về việc ứng dụng kĩ thuật membrane trong sản xuất còn khá khiêm tốn Vềcông nghệ chế tạo thiết bị , nuốc ta còn hạn chế nên công nghệ cũng như trình độ

kĩ thuật , do đó lĩnh vực này chưa được phát triển tại Việt Nam

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1 Khái niệm

"Membrane" là thuật ngữ khoa học có nghĩa là " màng" là bề mặt mỏng cho phépmột số cấu tử khuếc tán qua nó Thuật ngữ " kỹ thuật membrane" (membranetechnology) bắt đầu xuất hiện từ khi con người phát hiện khả năng bán thấm củacác bộ phận nội tạng của động vật như bong bóng cá , bàng quang lợn Sau đó ,nhiều loại membrane nhân tạo đã ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuậtphân riêng

Theo đó thuật ngữ membrane dùng đẻ chỉ một bề mặt có tính thấm chọn lọc , chophép một số cấu tử khuếch tán qua nó đồng thời một số cấu tử khác bị giữ lại trongquá trình phân riêng Sự vận chuyển của các cấu tử qua membrane phụ thuộc vào

áp suất, điện tích, nồng độ cấu tử , nhiệt dộ và các yếu tố khác

Hiện nay kĩ thuật membrane được định nghĩa như sau : membrane là loại màng đặcbiệt có thể phân riêng một cách chọn lọc các cấu tử có kích thước khác nhau , từnhững hợp chất cao phân tử như tinh bột , protein cho đến các chất kích thướcphân tử thấp như các ion hoa trị một

Do sự phân riêng được thực hiện ở mức độ phân tử hoặc in nên đối tượng của quátrình thường không không phải là hệ huyền phù mà là những dung dịch chứa cáccấu tử hòa tan có phân tử lượng khác nhau Kết quả của quá trình membrane sẽ cho

ta hai dòng sản phẩm:

- Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate

- Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate

2 Phân loại.

2.1 Phân loại theo nguồn gốc

- Tự nhiên: có nguồn gốc động vật hay thực vật

- Tổng hợp: membrane có nguồn gốc hữu cơ (polymer) và vô cơ (ceramic)

2.2 Phân loại theo cấu trúc

Người ta chia membrane thành hai nhóm theo cấu trúc của chúng:

- Đẳng hướng bao gồm một lớp màng duy nhất với độ dày trung bình 0.05-0.2.Các ống mao dẫn trên membrane có đường kính không đổi, được bố trí songsong với nhau và cùng vuông góc với bề mặt membrene

- Bất đẳng hướng: từ hai lớp màng dính vào nhau Lớp trên cùng được gọi là lớp

bề mặt có độ dày từ 0.1-0.5 Đường kính các lỗ khá lớn, có chức năng làm tăng

độ bền cơ học cho membrane

2.3 Phân loại theo mô hình hoạt động

- Dead-end: dòng vào vuông góc với membrane

- Cross-flow: dòng vào song song với membrane

2.4 Phân loại dựa vào kích thước của mao quản của membrane

Chia làm 4 nhóm:

ST

T Tên Kích thước mao quản Ứng dụng

1 Vi lọc (Micro Filtration - MF) Thường được ứng dụng để

loại bỏ vi sinh vật

2 Siêu lọc (Ultra Filtration - UF) 0.003-0.2

Dùng để tách các cấu tử có khối lượng phân tử trong khoảng từ 1.000 Da đến trên 100.000 Da

3 Lọc nano (Nano Filtration – NF) 0.001-0.003

Dùng để tách các cấu tử có khối lượng phân tử khoảng

100 Da đến 1.000 Da (các muối đa hóa trị, glucose,…),

4 Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO) 0.0005 thì dùng để tách các muối đơn

hóa trị

2.5 Phân loại theo dạng membrane

- Membrane dạng ống (tubular membrane module)

- Membrane dạng sợi rỗng (hollow fibre membrane module)

- Membrane dạng ống xoắn (spiral wound membrane module)

- Membrane dạng tấm bản (plate and frame module)

3 Cấu tạo và vật liệu chế tạo màng membrane

3.1 Cấu tạo màng membrane

- Membrane thường có độ dày rất nhỏ so với các màng lọc thông thường Độdày tối đa của membrane chỉ lên đến vài trăm m Đường kính các lỗ maodẫn trên membrane cũng rất nhỏ, từ 10-4 m đến 10m Do đó, các cấu tử rắn

và các phân tử kích thước lớn khó có thể chui qua được membrane Dưới áplực của dòng vào, chúng sec bị cuốn đi và thoát ra khỏi hệ thống tao nêndòng retetate

- Membrane có cấu trúc vi xốp Người ta chia membrane thành 2 nhóm theocấu trúc của chúng: đối xứng và bất đối xứng

- Cấu trúc bề mặt membrane: đối với các membrane có bề mặt nhẵn đồngnhất, những ống mao dẫn của chúng ít bị tắc nghẽn trong quá trình sử dụng.Ngược lại, nếu membrane có bề mặt ghồ ghề, lồi lõm, một số cấu tử trongnguyên liệu dễ bị hấp thụ trên bề mặt membrane, từ đó làm giảm tốc độdòng permeate và kéo dài thời gian quá trình phân riêng

3.2 Vật liệu chế tạo màng membrane

Membrane có thể được sản xuất từ những vật liệu ưa nước (cellulose acetate,ceramic) hoặc kỵnước (polypropylene, polytetrafluoroethylene).Thực tế cho thấynếu sử dụng membrane từ vật liệu kỵ nước, chúng dễ tương tác với những thànhphần kỵ nước trong nguyên liệu dòng vào Kết quả là các mao dẫn dễ bị tắc nghẽn,quá trình phân riêng chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn

Trong công nghiệp chế biến sữa, do có thành phần chất béo trong nguyên liệu,người ta thường sử dụng membrane từ những vật liệu ưu nước

Vật liệu làm membrane có thể được phân loại thành ba nhóm: sản phẩm tự nhiênđược biến đổi, sản phẩm tổng hợp và sản phẩm vô cơ

Membrane tự nhiên được biến đổi bao gồm những vật liệu như cellulose acetate,cellulose acetobutyrate và cellulose tái sinh Cellulose acetate (CA) là một trongnhững vật liệu membrane được sử dụng đầu tiên

Membrane tổng hợp bao gồm những vật liệu nhưpolyamide thơm, polysulfone,polyethylene, polypropylene và polyfuran.

Vật liệu vô cơ được dùng trong sản xuất membrane bao gồm oxide nhôm, bạc,titanium và zirconium Khả năng chịu hóa chất và độ bền nhiệt của membrane vô

cơ rất cao nhưng membrane này có khuyết điểm là không bền cơ học Chúng rấtgiòn, dễ vỡ và do đó khó sản xuất và vận chuyển

3.2.1 Cellulose Acetate (CA)

Cellulose Acetate(CA) là vật liệu được

sử dụng chế tạo và sửdụng đầu tiên trong các kĩ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc

- Nhược điểm: vật liệu kém bền đối với nhiệt độ, pH và có thể bị phá hủy bởi

vi sinh vật

- Ưu điểm: chế tạo bằng vật liệu này thì giá thành tương đối rẻ, háo nước và ít

bị tắc nghẽn hơn các loại membrane khác

3.2.2 Polyvinylidenedifluoride (PVDF)

Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống Tuynhiên, kĩ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này rất khó khăn và các tính chất, cấutrúc của membrane kém ổn định nên ít được sử dụng

3.2.3 Polysulfone (PS)

Polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọc và vi lọc.

Ưu điểm: có khả năng chịu được pH và nhiệt độ cao Loại vật liệu này được sửdụng rất nhiều trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệt trong các nhà máy chế biếnsữa

Polysulfone là vật liệu háo nước, không thể sử dụng để xử lý các chất dầu, mỡ haycác chất ưu béo Tuy nhiên có một số loại membrane polysulfone có thể sử dụng để

Bên cạnh đó còn có các loại vật liệu khác như một số polimer tổng hợp

Bảng 3.2.4 Đặc điểm của một số vật liệu membrane Vật liệu pH

Bảng 3.2 Vật liệu membrane trong các phương pháp membrane

Alumina

Carbon-carbon composite

Cellulose (tái sinh)

Cellulose acetate (CA)

Cellulose ester (hỗn hợp)

XX

XX

XXXXXXXX

XX

XXX

XX

XX

X

XX

X

XXX

XXXX

CHƯƠNG II QUÁ TRÌNH MEMBRANE

1 Mục đích trong chế biến sữa

• Sơ bộ ứng dụng membrane trong chế biến sữa

Kể từ sự ra đời của màng lọc cho ngành công nghiệp sữa vào cuối những năm

1960, tách các chất lỏng từ sữa sử dụng màng bán thấm đã được sử dụng để làm rõ,tập trung và chia ra một loạt các sản phẩm từ sữa Các thời gian thử nghiệm cácứng dụng liên quan đến chế biến sữa, các sản phẩm phụ cho việc làm pho mát, đãtung ra một loạt các protein tinh chế và ứng dụng thương mại cho một sản phẩm.Các ứng dụng màng cho sữa nước đã được hiểu là các ứng dụng protein wheynhưng đã được sử dụng đúng mức trong các ứng dụng thương mại Các phươngpháp tập trung của sự thẩm thấu ngược được sử dụng trong chế biến sữa thường làmột thay thế thuận lợi để các kỹ thuật bay hơi được sử dụng trong chế biến sữa.Việc cất phân đoạn của protein whey từ lactose trong chế biến sữa cũng có một lợiích hấp dẫn trong cất phân đoạn của lactose tương tự từ protein sữa trong sữa nướcbằng cách sử dụng cùng một phương pháp siêu lọc kỹ thuật Microfiltration điền

hồ sơ tách màng ra bởi chưng cất thêm sữa đặc protein của casein và các proteinhuyết thanh ra xa nhau

Trong một nghĩa nào đó, xử lý màng của sữa nước là hành động như một máy gặtđập thành phần sữa cụ thể mà không gây ra một sự thay đổi giai đoạn của việc bổsung nhiệt, như là điển hình cho sự bay hơi, hoặc một loại enzyme, như đã thựchiện trong hầu hết các kỹ thuật làm pho mát Sữa được sửa đổi bằng cách tách, làmriêng phần, hoặc chưng cất một thành phần được lựa chọn trong sữa của các thànhphần khác sử dụng sự khác biệt về trọng lượng phân tử tương đối và kích thước lỗchân lông của màng Ở đây chúng ta nói về các ứng dụng lọc màng sữa cụ thể màhiện nay đang được sử dụng trong ngành công nghiệp sữa và các lý do đằng sauviệc sử dụng chúng nhiều mặt cả về kỹ thuật cũng như thị trường định hướng, điềukiện kinh tế

• Membrane

Không có cuộc thảo luận hữu ích của màng lọc membrane có thể bắt đầu mà không

có một cái nhìn tại quang phổ lọc Khi bạn di chuyển từ bên phải sang trái của

quang phổ mà bạn đang theo từ thô để lọc tốt Lọc hạt thô bắt đầu phổ và hầu hết

có thể dễ dàng kết hợp với màn hình hoặc vớ bộ lọc Như tách đá ra khỏi nước.Việc tiếp theo là vi lọc Đây là nơi mà chúng ta có thể tách các thành phần lớn làtrong sữa Chất béo, ví dụ, có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng một kích thướclỗ chân lông mà chỉ hạn chế các loại kem từ sữa nhưng cho phép sữa tách kem đểvượt qua Bạn cũng có thể sử dụng thêm một công cụ, kích thước lỗ chân lông nhỏhơn để cho phép một sự tách biệt của casein từ sữa hoặc huyết thanh "Whey"protein Di chuyển xa hơn chúng tôi nhận được để siêu lọc, nơi chúng tôi từ chốitất cả các thành phần sữa lớn, protein và chất béo, nhưng cho phép các lactose,khoáng chất và nước để vượt qua Nó là ở đây rằng với việc bổ sung nước, hoặcdiafiltration, chúng ta có thể rửa lactose nhiều hơn từ sữa

Hình: Ứng dụng membranes trong chế biến sữa Lọc nano là màng tiếp theo được sử dụng cho chăn nuôi bò sữa Màng này bác bỏtất cả các thành phần ngoại trừ cho một số muối và nước Màng thức được sử dụngcho các ứng dụng sữa là thẩm thấu ngược Màng này chỉ cho phép nước đi quamàng tế bào, do đó làm màng nồng độ tinh khiết

Hôm nay, chúng ta không chỉ có thể tách kem; chúng ta có thể phân biệt hầu nhưtất cả các thành phần chính của sữa qua màng lọc membranes Công nghệ lọc màngmembranes đã nhanh chóng trở nên nổi tiếng trong việc xử lý các thành phần sữa

Vi lọc, siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược, là làm cho nó có thể sản xuất cácsản phẩm có tính chất rất độc đáo và chức năng

4 Các quá trình phân riêng membrane

Quá trình phân riêng membrane có thể được thực hiện gián đoạn hoặc liên tục

4.1 Quá trình phân riêng gián đọan

• Mô hình hồi lưu toàn phần retentate

Hình II.2.1a: Mô hình hồi lưu toàn phần retentate

Đây là mô hình đơn giản nhất Nó thường được sử dụng ở quy mô phòng thínghiệm và quy mô pilot khi chúng ta muốn tách các hợp chất phân tử lượng nhỏ vàlàm tăng nồng độ các chất phân tử lượng cao trong mẫu khảo sát Hệ thống gồmnhiều thiết bị membrane, một bồn chứa nguyên liệu, một bơm, một thiết bị lọc vàmột thiết bị trao đổi nhiệt Bơm sẽ đưa nguyên liệu qua thiết bị lọc để tách các tạpchất thô rồi cho vào thiết bị membrane Dòng ra permeate sẽ được thu hồi riêng,còn dòng ra retentate sẽ đi qua một thiết bị trao đổi nhiệt để ổn định nhiệt độ rồiđược hồi lưu toàn phần về bồn chứa nguyên liệu Qúa trình sẽ được tiếp diễn chođến khi nồng độ các cấu tử trong retentate tăng đến giá trị mong muốn

Mô hình này cho phép chúng ta cô đặc mẫu khảo sát trong một khoảng thời gianngắn nhất và tiết kiệm diện tích membrane sử dụng Trong công nghiệp chế biếnsữa, người ta sử dụng để cô đặc sữa hoặc huyết thanh sữa để thu nhận chế phẩmprotein

• Mô hình hồi lưu một phần retentate

Hình II.2.1b: Mô hình hồi lưu một phần retentate

Ở mô hình này, một phần retentate sẽ được cho hồi lưu trở lại thiết bị membranenhờ một bơm hồi lưu riêng Qúa trình sẽ tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tửtrong dòng retentate đạt được giá trị mong muốn Mô hình này cũng chỉ thích hợpcho quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot

4.2 Quá trình phân riêng liên tục

• Mô hình đơn giản

Trong mô hình này, nguyên liệu từ bồn chứa sẽ được bơm vào thiết bị membrane.Chúng ta thu được hai dòng sản phẩm ra là permeate và retentate Khi đó, thời gianlưu của các cấu tử trong thiết bị membrane là ngắn nhất Thật ra, mô hình này chỉthích hợp khi không đòi hỏi tốc độ dòng cao và các cấu tử trong nguyên liệu không tương tác với vật liệu membrane, dẫn đến hiện tượng nghẹt các lỗ mao dẫn

Hình II2.2a: Mô hình đơn giản

• Mô hình hồi lưu một phần retentate

Khác với mô hình đơn giản trong phân riêng liên tục, ở đây một phần retentate sẽđược bơm hồi lưu đưa trở lại thiết bị membrane Như vậy, chúng ta sẽ cần hai bơm: một bơm cho nguyên liệu để tạo ra một áp lực chung cho hệ thống và một bơmcho phần retentate – là động lực đẩy các cấu tử qua màng tạo nên dòng permeate

Hình II.2.2b: Phân riêng liên tục- mô hình hồi lưu một phần retentate.

Mô hình này thường được sử dụng ở quy mô công nghiệp với diện tích membranetrong hệ thống thiết bị từ 100m2 trở lên.

• Mô hình nhiều giai đọan

Hình II.2.2c : Phân riêng liên tục- mô hình ba giai đoạn

Ở quy mô công nghiệp, người ta sử dụng mô hình từ 3÷8 giai đoạn Số bơm hồilưu sử dụng sẽ bằng với số giai đoạn trong mô hình Ở giai đoạn đầu, tốc độ dòngđạt giá trị cao nhất nhưng nồng độ cấu tử trong dòng retentate thấp nhất Ngược lại,

ở giai đoạn cuối tốc độ dòng thấp nhất nhưng nồng độ cấu tử trong retentate đạt giátrị cao nhất

Trong sản xuất, các mô hình phân riêng lien tục có thể hoạt động trong suốt 24h.Sau khoảng thời gian này, chúng ta nên tạm ngưng hoạt động để tẩy rửa và vệ sinhthiết bị Nếu không, sự tắc nghẽn các lỗ mao dẫn trong membrane dễ xảy ra Một

số vi sinh vật được hấp thụ trong membrane sẽ phát triển dễ làm hư hỏng sảnphẩm