Мембранная обработка молочного сырья – это разделение или концентрирование растворов с помощью полупроницаемых мембран, осуществляемое на молекулярном и ионном уровнях. Главными достоинствами мембранного разделения молочного сырья являются возможность направленного регулирования его состава и свойств с сохранением их нативного состояния, а также создание на этой основе новых молочных продуктов.

Во всех методах мембранной обработки используют попереч­ную мембранную фильтрацию потока, при которой обрабатываемый раствор пропускается под давлением через мембрану. При этом часть компонентов раствора (концентрат) задерживается, а остальная часть в виде фильтрата (пермеат) удаляется. Мембраной (в зависимости от размера пор) задерживаются компоненты молочного сырья и бакте­рии, в фильтрате остаются в первую очередь растворитель (вода) и растворенные в ней низкомолекулярные вещества. От традиционной фильтрации (очистка молока от механических примесей) мембранная фильтрация отличается тем, что с ее помощью отделяются частицы размерами меньше 10 мкм.

В зависимости от характеристики частиц, которые необходимо сконцентрировать, применяют различные методы мембранного разделения:

− микрофильтрацию (МФ);

− ультрафильтрацию (УФ);

− нанофильтрацию (НФ);

− обратный осмос (ОО).

Микрофильтрация – концентрация посторонних частиц и высокомолекулярных соединений, например бактерий, с последующим их удалением, которая происходит при пропускании молочного сырья сквозь полупроницаемые мембраны. Бактерии имеют размер от 1,0 до 10,0 мкм (гнилостные бактерии – 5,0−8,0 мкм, уксуснокислые бактерии – 1,0−2,0 мкм, кокки – 0,75−1,25 мкм); дрожжи и плесени имеют размер от 10,0 до 100,0 мкм с молекулярной массой свыше 500000. Соответственно мембраны, применяемые при микрофильтрации, имеют такой размер пор, при котором эти частицы будут задерживаться, а именно от 0,1 до 10 мкм. Микрофильтрацию применяют в основном для холодной стерилизации обезжиренного молока, молочной сыворотки и рассола, предназначенного для посолки сыров, а также для обезжиривания молочной сыворотки при производстве концентрата сывороточных белков методом ультрафильтрации. Применение микрофильтрации цельного молока затруднительно из-за того, что вместе с бактериями на мембранах будет задерживаться молочный жир.

Ультрафильтрация – концентрация молекул и макромолекул при пропускании молочного сырья под небольшим давлением через полупроницаемые мембраны. К крупным молекулам относятся казеиновые мицеллы с размером частиц от 0,01 до 0,1 мкм и молекулярной массой 10000−100000. К макромолекулам относятся сывороточные белки с размером частиц от 0,001 до 0,01 и молекулярной массой от 1000 до 10000. Кроме того, к макромолекулам можно отнести витамины, имеющие почти такие же размеры и молекулярную массу, что и сывороточные белки, а также лактозу с частицами размером от 0,0001 до 0,001 мкм и молекулярной массой от 100 до 1000. Поэтому при ультрафильтрации молочного сырья размер пор мембран составляет от 0,01 до 0,1 мкм, в результате чего на мембранах концентрируются молочные белки, молочный жир, витамины и частично лактоза. В фильтрате, проходящем сквозь мембраны, остаются ионы, минеральные соли и основном лактоза и вода. Процесс ультрафильтрации осуществляется при температурах 50−55 ºС и давлении 0,1−1,0 МПа.

Для более полной очистки белкового концентрата, получае­мого в результате ультрафильтрации, от лактозы применяют диафильтрацию. Это частный случай ультрафильтрации, при котором полученный в результате ультрафильтрации белковый концентрат разбавляют деминерализованной водой и вновь подвергают ультрафильтрации до исходной массовой доли сухих веществ. Некоторая часть лактозы и минеральных веществ при этом вымывается из белкового концентрата и проходит вместе с растворителем через мембрану. Сывороточный белковый концентрат, полученный методом ультрафильтрации, имеет высокую растворимость в воде, хорошие эмульгирующие, пенообразующие и гелеобразующие свойства.

Ультрафильтрацию молочного сырья применяют также в производстве детского творога, сыров, йогуртов и некоторых других молочных продуктов для повышения массовых долей белка или СОМО при нормализации по этим компонентам.

Нанофильтрация − концентрация молекул и макромолекул молочного сырья – происходит при пропускании его под давлением через полупроницаемые мембраны. Размеры пор этих мембран составляют от 0,01 до 0,001 мкм, поэтому на них концентрируются молочный жир, казеиновые мицеллы и сывороточные белки, а также лактоза и частично минеральные соли; размер частиц до 0,001 мкм и молекулярная масса до 1000. Чаще всего нанофильтрацию исполь­зуют после ультрафильтрации молочного сырья для частичного обессоливания (деминерализации) подсырной сыворотки, а также частичной деминерализации фильтрата, полученного после ультрафильтрации. Нанофильтрацию проводят под давлением 2−4 МПа и температуре 50 ºС.

Обратный осмос − концентрация почти всех компонентов молочного сырья при пропускании его под давлением через полупроницаемые мембраны. Размеры пор мембран составляют от 0,001 до 0,0001 мкм. Поэтому процесс фильтрации при обратном осмосе идентичен процессу удаления воды из молочного сырья выпари­ванием. Сквозь мембраны могут проходить лишь вода и однова­лентные ионы Na⁺, К⁺, Cl⁻. Процесс обратного осмоса осуществля­ется под давлением 3−6 МПа и температуре 20 ºС.

Применение высокого давления при обратном осмосе объясняется тем, что в этом случае приходится преодолевать осмотическое давление раствора, которое резко возрастает для низкомолекулярных растворов.

Для мембранной фильтрации в молочной промышленности ис­пользуются фильтрационные модули следующих конструкций: пластинчатые, трубчатые, основанные на полимерах, трубчатые, основанные на керамике; спиральные и волоконные.