Membránszeparáció a tejiparban 2. rész
A tejiparban jellemzően 4 különböző membránszűrési eljárást alkalmaznak: mikroszűrést (MF), ultraszűrést (UF), nanoszűrést (NF) és reverz ozmózist (RO). A mikroszűrésnél alkalmazott membránok rendelkeznek a legnagyobb pórusmérettel. Egyes alkalmazásokban csak a zsírgolyócskákat, mikroorganizmusokat és az ennél nagyobb tej-alkotórészeket, más alkalmazásokban pedig a kazeinfehérjét is visszatartják.
Az ultraszűrő membránok pórusméretét úgy választják meg, hogy minden fehérjét, a kazeinfehérjét és a kisebb savófehérjéket is visszatartják és csak a laktózt, a nemfehérje nitrogén vegyületeket és az ásványi anyagokat engedik át.
A mikroszűrés és ultraszűrés ún. hideg és meleg szűrési eljárást is jelenthet. A hideg szűrés esetén a szűrési hőmérséklet 10-20 °C, a meleg szűrés esetén 45-50 °C között alakul.
Mindkét eljárásnak vannak előnyei és hátrányai. A meleg szűrés esetén nagyobb a fluxus (egységnyi membránfelületre eső permeátum térfogatáram) – ezért kisebb membránfelület szükséges azonos feldolgozókapacitás eléréséhez. Kisebb a retentátum viszkozitása, ezért nagyobb a koncentrációs faktor (betáplált térfogatáram és a retentátum térfogatáram aránya), így nagyobb szárazanyag érhető el.
A meleg szűrés hátránya, hogy a szűrési hőmérséklet ideális körülményeket biztosít a mikrobák szaporodásához, emiatt az egyes szűrési ciklusok hossza legfeljebb 8 óra lehet. Emellett gyakoribb CIP mosás szükséges, ezenkívül általában gyorsabban tömődnek el a pórusok.
A hideg mikro- és ultraszűrés legnagyobb gyakorlati előnye, hogy a mikrobák korlátozott szaporodásának köszönhetően hosszú szűrési ciklusokat (16-20 óra) alkalmazhatunk, az üzemelés során a kisebb mértékű póruseltömődés következtében kisebb mértékű a fluxuscsökkenés. Hátránya, hogy a kis hőmérsékleten való szűréskor kisebb a fluxus, és így azonos feldolgozó kapacitáshoz nagyobb membránfelület szükséges, amely nagyobb beruházási költséggel jár.
A tejipari gyakorlatban a mikroszűrésnél kétféle pórusméret-tartományt alkalmazunk, a szűrés céljától függően. A nagyobb pórusméretű membránok (0,8 – 1,4 μm) visszatartják a baktériumokat, spórákat, valamint a tejzsírt, és átengedik a kazeint, a savófehérjéket és minden ennél kisebb alkotórészt. A kisebb pórusméretű membránok (0,3 – 0,5 μm) is visszatartják a mikroorganizmusokat és a tejzsírt, de emellett a kazein döntő részét is visszatartják, emiatt tejfehérje frakcionálásra alkalmasak.
A tejipari gyakorlatban a mikroszűrést a következő fő területeken alkalmazzák:
Csírátlanító mikroszűrés
A leggyakrabban elterjedt alkalmazás a mikroorganizmusok vegetatív és spórás alakjainak eltávolítása fölözött tejből, fölözött savóból és sóléből. Erre a célra a precíz és szűk pórusméret-eloszlásuk miatt általában kerámia alapanyagú csőmembránokat alkalmaznak 0,8 – 1,4 μm pórusmérettel. A cél a baktériumspórák és baktériumok minél nagyobb mértékű eltávolítása minimális fehérjeveszteség és minél nagyobb fluxus mellett, a hasznos tej-, ill. savóalkotórészek (fehérjék) károsodása nélkül.
A retentátumban dúsulnak a mikroorganizmusok, a maradék tejzsír, valamint kis mértékben a fehérjék. A permeátum pedig lényegében a mikroorganizmusoktól és egyéb szennyező anyagoktól tisztított termék.
A tej mikroszűrésénél a csírátlanítási hatásfok nagyobb, mint a baktofugálás esetén. Általában 98 % és 99,9 % között változik, amely 2-3 nagyságrendű csökkentésnek felel meg. Különösen a sajtgyártásnál csökkenthető hatékonyan a nem kívánatos spórás bakteriumok (pl. Clostridium ssp.) száma mikroszűréssel.
Ebben az eljárásban a koncentrálási faktor kb. 20, ami azt jelenti, hogy a betáplált tejmennyiség kb. 5%-át teszi ki a baktériumokban dús retentátum. Ezt az anyagot vagy a zsírbeállításhoz szükséges nyers tejszínnel együtt nagy hőmérsékleten hőkezelik és visszavezetik a sajttejhez, vagy hőkezelés után más célra használják fel a tejüzemben.
Tejfehérje-frakcionálás
A tejfehérje frakcionáló mikroszűrésnél olyan pórusméretű membránt választanak, amely a lehető legnagyobb mértékben átengedi a savófehérjéket, és minél nagyobb mértékben visszatartja a kazeinmicellákat.
Ennél az eljárásnál a kazeinfehérje koncentrálódik a retentátumban, a permeátum pedig a tejcukor és az ásványi anyagok mellett a savófehérjéket is tartalmazza. A mikroszűréssel/diaszűréssel un. micelláris kazein fehérjekoncentrátum állítható elő, amelyben a tejre jellemző 80:20-as kazein:savófehérje arányt megváltoztatják 90:10 vagy legfeljebb 95:5 arányra. A micelláris kazein fehérjekoncentrátum por speciális termék, amely a szokásos tejfehérjekoncentrátum porhoz képest nagyobb hőstabilitással rendelkezik, és ezért például speciális tápszerekben előnyösen alkalmazható.
A gyártási folyamatban a mikroszűrés/diaszűrés után még számos művelet, mint ultraszűrés/diaszűrés, hőkezelés, vákuumbepárlás és porlasztva szárítás következik.
A tejfehérje frakcionáló mikroszűrés másik alkalmazása a sajttej kazeintartalmának növelése ill. standardizálása egy bizonyos fehérjetartalomra.
A tejfehérje frakcionáló mikroszűrés során keletkező permeátumot ideális savónak is nevezik, hiszen összetétele hasonló a sajtsavóhoz, de ellentétben a sajtsavóval nem tartalmaz oltóenzim maradványokat és kultúrából származó tejsavbaktériumokat, valamint nem tartalmazza az oltós alvadás során a kappa-kazeinről lehasadt glükomakropeptidet, és gyakorlatilag zsírmentes. E tulajdonságok alapján kiváló alapanyag lehet nagy fehérjetartalmú és nagy tisztaságú savófehérje izolátumok előállítására.
A mikroszűrés és az ultraszűrés közül az ultraszűrés a gyakrabban alkalmazott membránszűrési alkalmazás, elsősorban tejfehérje koncentrálásra – kinyerésre alkalmazható.
Az ultraszűrő membrán visszatartja a tejfehérjéket – a savófehérjéket és kazeint –, a tejzsírt és minden ennél nagyobb komponenst, mint pl. a mikroorganizmusokat és egyéb szemcséket. A permeátum vízből, tejcukorból, ásványi anyagokból és nem fehérje nitrogénvegyületekből (NPN) tevődik össze. Az alkalmazott membrán pórusméret 10.000 – 20.000 Dalton és a gyakorlatban kizárólag spiráltekercselt polimer membránmodulok kerülnek felhasználásra.
A kiinduló alapanyagtól függően számtalan tejtermék előállításához alkalmazható az ultraszűrés, néhány példát az 1. táblázat tartalmaz.
1. táblázat: Ultraszűrés fő tejipari alkalmazásai
A következőkben az ultraszűrés néhány alkalmazási területét közelebbről is bemutatjuk:
Tejfehérje koncentrálás
Az ultraszűrés alapanyaga ebben az esetben jó minőségű fölözött vagy zsírbeállított pasztőrözött tej. A retentátumban koncentrálódik a tejfehérje, a tejzsír és a mikroorganizmusok. Kizárólag ultraszűréssel a tejfehérje arány a retentátum szárazanyagában 65, legfeljebb 70 %-ra növelhető fölözött tej alapanyag esetén, az alkalmazott koncentrálási faktor ebben az esetben 5,4-5,7.
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy 1000 kg fölözött tejből kb. 175-185 kg 21-24 %, szárazanyag tartalmú retentátum keletkezik, amelynek a fehérjetartalma kb. 14-17 %. Emellett még 815-825 kg permeátum képződik kb. 5,5%-os szárazanyagtartalommal, ebből 85 % a tejcukor, a fennmaradt 15% ásványai anyagokból és NPN anyagokból tevődik össze.
A koncentrálási faktor tetszőlegesen választható a maximális 5,7 értékig, pl. 4,0-4,1% zsírtartalmú tej ultraszűrése 5-ös koncentrálási faktorral kb. 15,0% fehérjetartalmú és 20,0-20,5% zsírtartalmú retentátumot eredményez, amely megfelelő alapot biztosít krémfehér sajt előállításához.
Kisebb koncentrálási faktorral különböző fehérjedúsított savanyú tejtermékekhez (pl. görög joghurt) állíthatóak elő megfelelő alapok, valamint a túrótej vagy sajttej fehérjetartalma növelhető, ill. standardizálható.
Sajttej ultraszűréssel való standardizálása esetén azonban figyelembe kell venni, hogy a savófehérjék is koncentrálódnak a sajttejben, amelynek következménye a sajtsavó nagyobb fehérjetartalma.
A tej ultraszűrése során keletkező permeátum változatlan formában felhasználható például tejitalokhoz, vagy nanoszűréssel/reverz ozmózissal koncentrálható. Utóbbi eljárással a permeátumként keletkező víz felhasználható mosóvízként az üzemben.
Sajt- és túrósavó fehérjéinek kinyerése
A sajtsavó kb. 0,8% fehérjét, a túrósavó pedig kb. 0,5% fehérjét tartalmaz, amelyet ultraszűréssel tudunk kinyerni és savóalapú termékek előállítására felhasználni. Az ultraszűrés előtt azonban a savó gondos előkészítése szükséges: Az alvadékport maradéktalanul el kell távolítani, hogy a membránpórusok ne tömődjenek el, valamint célszerű a savó fölözése, különösen, ha nagy fehérjetartalmú savófehérje koncentrátumok és -izolátumok előállítása a cél. A kultúrából származó baktériumok és egyéb baktériumok számának csökkentéséhez pedig a savó pasztőrözése, majd hűtése szükséges.
A nagy fehérjetartalmú savókoncentrátumok és -izolátumok előállításához nagy koncentrációs faktorral kell üzemeltetni az UF berendezést, amely azt jelenti, hogy a betáplált savó térfogatáramához képest kicsi a kinyert retentátum térfogatárama.
Például olyan savófehérjekoncentrátum előállítása esetén, amelynek fehérjetartalma 65% a szárazanyagban (WPC 65), 1000 kg/h sajtsavóból csak 50 kg/h ultraszűrt retentátum keletkezik, a retentátum szárazanyag tartalma kb. 18,5-20,0 % és a fehérjetartalma kb. 12-13 %. Ez csak abban az esetben gazdaságos, ha az alapanyag, a savó, nagy mennyiségben áll rendelkezésre.
Kisebb savómennyiségek esetén célszerű lehet ún. tejösszetételű savófehérje koncentrátumok előállítása. Ebben az esetben 1000 kg sajtsavóból kb. 200 kg 3,3 % fehérjetartalmú retentátum keletkezik, amely bizonyos alkalmazásokban tej helyettesítésére is felhasználható. A sajtsavó ultraszűrésének mellékterméke a zömében tejcukrot tartalmazó édes permeátum, ami vagy biogáz üzemben hasznosítható, vagy vízkinyerés céljából nanoszűréssel, ill. reverz ozmózissal tovább feldolgozható.
A túrósavó ultraszűréssel való feldolgozása a kisebb fehérjetartalma miatt csak nagy mennyiségben gazdaságos. A savanyú kémhatás miatt az ultraszűrő berendezés kapacitása kisebb, mint édes sajtsavó feldolgozásakor.
A cikksorozat 3. és egyben utolsó részében a nanoszűrés és reverz ozmózis tejipari alkalmazását mutatjuk be.
Bukovics Solveig
A szerző a Magyar Tejgazdasági Kísérleti Intézet Kft. munkatársa. A cikk megírásához felhasznált szakirodalom a szerzőnél rendelkezésre áll.