Microfiltrarea și Osmoza Inversă în Industria Laptelui

INTRODUCERE

DEZVOLTAREA TEHNICILOR DE MEMBRANĂ

Toate procesele de membrană au aplicabilitate directă în separarea, concentrarea sau fracţionarea substanţelor din soluţie, amestecuri de gaze sau vapori.

Dializa a fost primul proces de membrană introdus de Graham (1866) pentru purificarea soluţiilor coloidale. Bechold (1907) foloseşte termenul de ultrafiltrare pentru a evidenţia importanţa raportului dimensional dintre diametrele particulelor şi razele porilor din membrană. Acest procedeu era folosit pentru studiul sistemelor disperse coloidale care pot fi separate prin membrane naturale similare celor de dializa.

Elford (1930), Manegold (1940) şi Ferry (1936), cercetează, pe baza legii lui Fick (1855), curgerea prin membrane şi metodele de stabilire a porozităţii acestora. Elford şi Ferry (1934) aplică ultrafiltrarea pentru separarea lichidelor biologice, pentru ca apoi, Ferry (1936) să fundamenteze procedeul ca tehnică curentă de laborator, iar Grabar (1943) să o aplice la fracţionarea extractelor biologice.

În paralel, se dezvoltă tehnicile de separare în câmp electric prin membrane semipermeabile ionice: electroforeza (EF), electrodializa (ED) şi electroosmoza (EO). Totodată, apar preocupări sistematice pentru formarea membranelor polimere sintetice cu proprietăţi de permeabilitate şi transport adecvate ultrafiltrării şi electrofiltrării.

Încă de acum trei decenii, tehnicile membranare au fost utilizate în diverse sectoare ale industriei alimentare. Principalele avantaje ale utilizării acestor procese în industria alimentară rezidă în posibilităţile de separare controlată a componentelor după dimensiuni moleculare, cu reţinerea simultană a celulelor de microorganisme. În felul acesta, se evită denaturarea şi distrugerea termică a unor componente esenţiale, menţinerea microflorei caracteristice multor produse de fermentaţie sau a unor derivate destinate consumului direct. Toate aceste avantaje converg spre un consum energetic mult mai mic decât în tratamentele clasice pentru efecte echivalente de separare, aditivare, condiţionare şi formulare.

Aplicaţiile din industria laptelui s-au remarcat atât prin diversitatea domeniilor, cât şi prin extinderea lor la scară industrială, chiar din anii 70-74. Utilizarea cu precădere a proceselor de osmoză inversă şi de ultrafiltrare a permis obţinerea unei game variate de produse destinate consumului direct, dar şi a numeroşi aditivi tehnologici cu largă aplicabilitate prin proprietăţile lor funcţionale.

În industria laptelui, ultrafiltrarea s-a utilizat pentru reducerea efectului poluant al zerului de la fabricarea brânzeturilor, dar, în scurt timp, a fost extinsă la separarea şi concentrarea proteinelor din lapte, la fabricarea brânzeturilor, a produselor lactate acide, a analogilor de unt, a deserturilor lactate.

În prezent, osmoza inversă (OI), nanofiltrarea (NF) şi electrodializa (ED) au devenit tehnici curente pentru concentrarea şi demineralizarea zerului de la fabricarea brânzeturilor, a permeatului de la ultrafiltrarea laptelui.

Laptele destinat consumului uman poate fi clasificat după tratamentul tehnologic aplicat, în două categorii:

• lapte crud (fără încălzire).

• lapte tratat termic (prin încălzire).

Laptele crud poate prezenta un interes nutriţional prin conservarea unor caracteristici native ale componentelor, dar constituie un anumit risc pentru sănătatea consumatorului.

Laptele tratat termic, pasteurizat sau sterilizat, este lipsit de bacterii patogene şi are o durată de conservare superioară. Pasteurizarea este realizată într-un regim temperatură/ durată de menţinere care asigură distrugerea bacilului tuberculozei (Mycobacterium tuberculosis), cel mai termorezistent dintre bacteriile patogene. Concomitent, se reduce şi numărul total de germeni prin procedeul convenţional (100-120°C/18-20 min) sau prin procedeul UHT (Ultra Higt Temperature) (135-150°C/2-3 secunde) care, datorită consumului energetic relativ redus şi, mai ales, calităţii laptelui obţinut, este în prezent larg utilizat în industrie.

Încălzirea laptelui, care prezintă o structură chimică şi fizică foarte complexă, relativ fragilă, poate determina numeroase transformări ale substanţelor labile (denaturări, descompuneri, deplasarea unor echilibre fizico-chimice). Natura şi extinderea acestor modificări depinde de intensitatea tratamentului termic aplicat. Principalele efecte ale încălzirii asupra componentelor laptelui sunt prezentate în tabelul 1.

Sub aspect practic, încălzirea laptelui determină modificări ireversibile ale componetelor şi echilibrelor din lapte care influenţează atât valoarea nutritivă cât şi unele aptitudini tehnologice. În consecinţă, au fost căutate alte metode fizice pentru îndepărtarea microflorei din lapte şi, îndeosebi, a bacteriilor sporulate termorezistente, care sunt la originea unor defecte ale laptelui pasteurizat (Bacillus cereus, Bacillus subtilis) sau ale brânzeturilor (Clostridium tyrobutiricum).

Utilizarea forţei centrifuge (bactofugarea) a fost o alternativă la pasteurizarea laptelui destinat fabricării brânzeturilor, în prezent fiind utilizată cu o etapă opţională de sterilizare.

Soluţia cea mai recentă se referă la separarea celulelor de microorganisme prin microfiltrare (MF). Acesta este unul dintre primele procedee de filtrare dezvoltat comercial de firma Sartorius-Werke în Germania încă din anul 1929. Utilizată la început doar în cercetare, microfiltrarea (MF) a fost adaptată ulterior pentru analiza bacteriologică a apei. Până în 1963, membranele de microfiltrare au fost confecţionate din nitroceluloză sau din amestec de esteri ai celulozei. Nevoia de îmbunătăţire a rezistenţei chimice şi a stabilităţii la încălzire a membranelor a determinat intense cercetări în domeniul unor noi materiale şi metode de fabricare a acestora.