Химический состав крови и кровепродуктов показывает, что данное сырье отличается высоким содержанием влаги и соответственно низкой концентрацией сухих веществ.
Эффективность использования крови и кровепродуктов для получения различных видов сухой продукции во многом зависит от повышения содержания в них сухих веществ. Особенно важно это при производстве растворимых сухих продуктов (светлого и черного пищевого альбумина, сухой белковой смеси и др.) с использованием сушильных установок распылительного типа. Поэтому одним из путей снижения расхода теплоэнергии на процесс обезвоживания крови и кровепродуктов является предварительная их обработка с целью повышения содержания сухих веществ.
В настоящее время для концентрирования крови и кровепродуктов применяют главным образом методы выпаривания и ультрафильтрации.
Выпаривание представляет собой термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде. При этом растворимые вещества, содержащиеся в исходном сырье, остаются в частично обезвоженном продукте. Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в конденсатор.
Выпарку можно осуществлять в открытом или в закрытом аппарате, заполненном обрабатываемым жидким сырьем, подводя к нему тепло и удаляя образующиеся в процессе кипения пары воды (растворителя). Вторичный пар в зависимости от давления, при котором был получен, может обладать достаточно высокой температурой, позволяющей использовать его для обогрева поступающего сырья или в других теплообменных аппаратах.
В зависимости от количества выпариваемого раствора выпарка может осуществляться в одном или в нескольких последовательно соединенных выпарных аппаратах. Вторичный пар из любого предыдущего аппарата является греющим паром в последующем за ним аппарате. При этом в каждом последующем аппарате раствор кипит при более низком давлении. Таким образом, получается многоступенчатая выпарная установка. Для увеличения кратности использования греющего пара в такой установке необходимо увеличить перепад между давлением греющего пара первой ступени и давлением вторичного пара последней ступени.
При выпаривании крови необходимо учитывать воздействие температуры на ее белки, в результате чего может быть снижено качество конечного продукта. Поэтому предварительное упаривание крови должно производиться при температуре 40—50 °С. Это достигается резким снижением давления, что приводит соответственно к уменьшению температуры кипения крови. Остаточное давление при указанной температуре составляет 78 кПа. Понижение давления достигается с помощью вакуум-насосов или инжекторов.
Большая чувствительность белков крови к воздействию температуры обусловливает также необходимость ограничения продолжительности тепловой обработки. Поэтому чем меньше время пребывания крови и кровепродуктов в выпарном аппарате, тем качественнее получаемый концентрат.
В последние годы получили распространение аппараты с падающими пленками. Они состоят из вертикальной трубы, нижняя часть которой окружена рубашкой, куда подается греющий пар. Верхняя часть трубы не имеет рубашки и работает как отделитель. Ротор приводится во вращение электродвигателем. Лопасти его доходят почти до дна трубы. Раствор для испарения поступает в трубу, подхватывается вращающимися лопастями и ударяется о стенку трубы. Создается тонкая пленка хорошо перемешанного раствора, предупреждающая местный перегрев, а иногда и подгорание. Пленка раствора стекает вниз под действием собственной массы, испаряясь в пути и увеличивая концентрацию сухих веществ. Концентрированный раствор откачивается насосом, пар доходит до верхней части установки и попадает в конденсатор.
Более простой аппарат пленочного типа состоит из пучка вертикальных труб, нагреваемых теплоносителем по наружной поверхности. Раствор подается в верхнюю часть труб и свободно стекает по внутренней поверхности вниз. Образующийся пар и концентрированный раствор
попадают в сепаратор, установленный у основания испарителя, где разделяются, или раствор собирается и спускается вниз, а пар сверху. Преимуществами такого аппарата является короткий срок пребывания в нем продукта, высокая производительность, малый перепад температур на нагревательной поверхности и малое падение давления.
Возможность проведения процесса концентрирования крови, и прежде всего ее плазмы, методом выпарки позволяет сократить теплоэнергозатраты на последующей стадии обработки — сушке. Эффект достигается в результате использования вторичных паров, получаемых в процессе вакуум-выпарки, для испарения части влаги, содержащейся в поступающей на упаривание крови. Это обстоятельство используют при создании установок для сушки кровепродуктов. Так, фирма «Ангидро» (Дания) изготавливает установки для сушки плазмы крови с выпарным аппаратом для ее предварительного концентрирования. Выпарка позволяет повысить концентрацию плазмы от 6—7 до 25—28% сухих веществ.
Однако в процессе выпаривания наблюдаются изменение свойств белков и частичная потеря ими первоначальных функциональных свойств. Вследствие этого ухудшаются влагосвязывающая способность готового продукта, его эмульгирующие свойства, вспениваемость, биологическая и пищевая ценность. Кроме того, процесс выпарки крови и кровепродуктов требует использования антивспенивателей, так как в противном случае ухудшается ведение процесса, теряется возможность полного использования производительности аппарата, в котором происходит процесс концентрирования. Необходимо также отметить, что повышение концентрации крови и кровепродуктов приводит к изменению их характеристик: температуры кипения, теплопроводности, теплоемкости, вязкости и других, что ухудшает теплопередачу и режим работы выпарного аппарата.
В связи с этим большое внимание уделяется вопросам концентрирования главным образом плазмы крови с помощью мембранной техники. Данный метод позволяет эффективно проводить обезвоживание продукта и сохранить свойства белков сырья, очистить белок от низкомолекулярных примесей. Достоинствами разделения кровепродуктов с помощью мембранной техники по сравнению с выпариванием являются более низкая энергоемкость и возможность получения концентрата, сохранившего свои нативные свойства, так как в процессе обработки сырье не подвергается температурному воздействию.
Сущность обработки крови и кровепродуктов с помощью мембран заключается в том, что, подбирая соответствующие по пористости материалы, можно создать условия, при которых в процессе фильтрации через них раствора можно обеспечить удерживание высокомолекулярных белковых веществ и прохождение через поры раствора солей, низкомолекулярных соединений, воды. Таким образом, происходит фильтрация раствора и выделение из него наиболее желательных составных частей. В связи с этим процесс разделения крови с помощью мембран получил название ультрафильтрации.
Мембрана является основным и определяющим элементом всей системы концентрирования методом ультрафильтрации. В зависимости от назначения мембраны имеют различную структуру. Она включает верхний слой толщиной 0,005—0,015 мм, промежуточный толщиной 0—0,2 мм, нижний слой толщиной 0,02—0,1 мм, нетканую структуру толщиной 0,23 мм. Для изготовления мембран используют такие материалы, как целлюлозная ацетаттриацетатная смесь, этилцеллюлоза, полиамидные соединения и др.
Для концентрирования и очистки лекарственных и биологически активных веществ, выделения белков из молочной сыворотки, разделения водомасляных эмульсий методом ультрафильтрации применяют ацетилцеллюлозные мембраны типа УAM.
Для изучения возможности использования данного метода при концентрировании крови была проведена работа с использованием установки ультрафильтрации. Она состоит из блока фильтрующих элементов, наложенных через прокладки друг на друга. В фильтрующих элементах имеются отверстия и канавки с лавсановой фильтровальной тканью для вывода фильтрата. Фильтрующие элементы укладывают на плиту из нержавеющей стали. Сверху фильтрующих элементов накладывают стальную плиту и с помощью шпилек блок фильтрующих элементов стягивают. При стягивании должна быть обеспечена герметичность установки. Для контроля перепада давления на входе и выходе установлены два манометра. Давление, необходимое для процесса ультрафильтрации, создают плунжерным насосом производительностью 6 дм3/мин. Для сглаживания пульсации насос снабжен ресивером. Площадь мембран одного фильтрующего элемента в данной установке составляет 0,0213 м2. Для проведения работы установку собрали из 10 фильтрующих элементов, вследствие чего суммарная рабочая поверхность составила 0,213 м2.
Для обработки плазмы и цельной крови использовали мембраны УАМ-500, УА-300, УАМ-200, УАМ-100, УАМ-50.
В ходе проведения работы определяли начальные и конечные концентрации белка, содержание сухих веществ через определенные промежутки времени, производительность установки по фильтрату и концентрату в зависимости от увеличения концентрации сухих веществ, а также перепад давления в установке при различной степени концентрации плазмы. Температура крови и плазмы в процессе работы была равна 18 °С. Результаты работы показали, что наибольшая производительность установки была достигнута при использовании мембран УАМ-500 с размером пор 30 нм.
С увеличением содержания сухих веществ в концентрате производительность установки падает, а перепад давления увеличивается. Падение скорости процесса ультрафильтрации можно объяснить образованием пленки (вторичной мембраны) на поверхности основной в процессе фильтрации. Результаты работы убедительно подтвердили возможность успешного применения метода ультра — фильтрации для концентрирования крови. Максимальная концентрация сухих веществ плазмы крови, которая была получена в процессе ультрафильтрации, составляла 24%.
Качество предварительно сконцентрированной методом ультрафильтрации и затем высушенной плазмы крови сравнивали с сухой плазмой, полученной без концентрирования методом сушки на сушилке распылительного типа. В результате установлено, что содержание белка на 100 г сухого вещества в концентрированной плазме соответствовало его содержанию в натуральной, в то время как в сухой плазме, полученной без предварительного концентрирования, количество белка и его качество находились на более низком уровне. О более низком качестве белка сухой плазмы, полученной из неконцентрированной, свидетельствует пониженное содержание в нем аминокислот валина, фенилаланина, лейцина и лизина по сравнению с белком плазмы, подвергнутой предварительной обработке методом ультрафильтрации.
Для концентрирования плазмы крови может быть использована ультрафильтрационная установка A1-ОУП производительностью 2 т/ч по творожной сыворотке. Установка укомплектована 13 модулями (12 рабочих и 1 запасной). Модуль состоит из верхней и нижней плит с подводящим и отводящим патрубками, выполненными из нержавеющей стали. Между стальными пластинами в определенном порядке укладывают опорные полимерные пластины с вмонтированным в них дренажным материалом — лавсановой тканью.
Укладкой мембраны на пластину получают фильтрующий элемент в сборе. Резиновые прокладки, помещенные между фильтрующими элементами, образуют между ними зазор, который является каналом для протока продукта.
Установка A1-ОУП непрерывного действия состоит из трех соединенных последовательно секций, каждая из которых образована четырьмя параллельно соединенными модулями. В первых двух секциях использованы модули с 13, а в третьей — с 25 фильтрующими элементами. Модуль в сборе состоит из 55 фильтрующих элементов. Необходимая герметизация модуля достигается с помощью шпилек. Собранные модули соединяются по параллельной схеме. Такое соединение обеспечивает непрерывность работы и минимальную продолжительность концентрирования продукта, причем определенный объем плазмы в каждой секции проходит через модули несколько раз и выходит из секции, достигнув требуемой концентрации.
Правильный подбор подпитывающего насоса позволяет подавать в секции установки сырье, количество которого равно по объему количеству отводимого фильтрата. Для достижения высокой Скорости протока продукта в канале (1-1,5 м/с) и создания необходимого рабочего давления (от 0,4 до 0,5 МПа) в установке использованы центробежные насосы, применение которых требует особенно тщательной подготовки установки к пуску, так как при попадании воздуха в систему происходит вспенивание продукта, а достижение заданного уровня концентрации становится невозможным.
Бак с исходным сырьем следует располагать выше уровня модулей, чтобы при пуске установки воздух можно было вытеснить продуктом, подаваемым самотеком, а оставшуюся часть удалить, включив подпитывающий насос. Для контроля за работой установки на линии подачи продукта и линии отвода фильтрата установлены ротаметры, с помощью которых осуществляется контроль количества подаваемого продукта и отводимого фильтрата.
Во время работы установки продукт в результате трения нагревается. Таким образом, его необходимо охлаждать. Контроль за температурой продукта проводят с помощью регулятора температуры прямого действия.
Степень концентрации плазмы крови определяют рефрактометром, по сигналу которого, соответствующему требуемому значению концентрации, открывается кран и концентрат начинает поступать в емкость для сбора. Затем концентрат насосом перекачивается в сушильную установку или подается в колбасный цех. Для мойки и дезинфекции предусмотрена специальная моющая станция, состоящая из баков для приготовления моющих и дезинфицирующих растворов, насосов и системы подающих трубопроводов. Производительность установки А1-ОУП по плазме крови составляет до 0,5 т/ч.
Для обеспечения стабильной и эффективной работы установки концентрирования плазмы крови методом ультрафильтрации необходимы своевременные мойка и дезинфекция мембран.
Указанные положительные характеристики методов концентрирования плазмы крови с помощью мембранной техники предопределяют перспективность их для мясной промышленности.
Метод ультрафильтрации приемлем для концентрирования осветленной крови. Проведенные исследования показали целесообразность использования ультрафильтрационных установок с мембраной УАМ-450, обеспечивающей наибольшую проницаемость. Применение данного метода позволяет удалить с фильтратом ионы железа, образующиеся при гидролизе гемоглобина и придающие сухой крови специфический металлический вкус. По сравнению с неконцентрированной кровью высушенная концентрированная кровь содержит меньше золы и железа, отличается лучшими органолептическими показателями.
Проницаемость мембран возрастает при увеличении скорости потока крови над ними. Однако по мере возрастания ее концентрации значительно повышается вязкость продукта и увеличивается сопротивление в системе — повышается перепад давления на входе и выходе из ультрафильтрационного модуля. При увеличении температуры до 40 °С вязкость крови понижается на 30% и более в зависимости от содержания в ней сухих веществ; скорость ультрафильтрации значительно повышается. При ультрафильтрации осветленная кровь частично освобождается от перекиси водорода, что позволяет экономить до 50% дорогостоящего фермента.
Опытные работы показали, что при сушке концентрированной осветленной крови с содержанием сухих веществ 20—25%. на распылительной сушилке и установке в виброкипящем слое производительность оборудования увеличивается не менее чем в 2 раза. Таким образом, концентрирование осветленной крови методом ультрафильтрации обеспечивает повышение производительности сушильного оборудования, улучшение органолептических показателей сухой осветленной крови и снижение расхода фермента каталазы на стадии ее обесцвечивания.