DE2424853A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung von molke - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung von molkeInfo
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Description
Prank A. Thomas Greenwood, Wise, USA
Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Molke
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Aufbereitung einer Molke gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich allgemein mit der Aufbereitung von Flüssigkeiten, insbesondere
mit einer Trennung von ICäsemolke in Protein und Laktose
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Bei der Käseherstellung erfolgt eine 'Trennung zwischen Llolke
und Quark, wobei der Quark anschließend weiterbehandelt, insbesondere gehärtet wird. Die Molke wird im allgemeinen
verworfen, iiin derartiges Vorgehen verteuert zum einen die
Käseherstellung, zum andern entstehen bezüglich des Ablas sens dieser Molke Probleme der Umweltverschmutzung. Die
Molke beinhaltet jedoch andererseits Protein und Laktose, Vielehe zum Zwecke eines menschlichen Gebrauchs aufbereitet
werden können. ±)s wurde daher in den letzten Jahren eine
erhebliche Forschungstätigkeit entwickelt um kommerziell verwendbare Verfahren und eine Vorrichtung für die Aufbereitung
der Käsemolke zu finden. Im Zuge dieser Untersuchungen kam man auch auf die Verwendung der umgekehrten
Osmose sowie anderer Verfahren einer Ultrafiltration für die Aufbereitung der Käsemolke. Diesbezügliche Ausführungen
finden sich beispielsweise in McDonough and Mattingly
"Pilot Plant Concentration of Cheese Whey by Reverse Osmosis", Pood Technology, 24:194, 1970.
Die Umkehrosmose tritt üblicherweise bei einem Entsalzen von Wasser auf. In diesem Anwendungsfalle beruht das als
Osmose bekannte,,zur Verwendung kommende Prinzifj darin,
•daß im Falle der Anordnung von reinem wasser und einer Salzlösung auf gegenüberliegenden Seiten einer semipermeablen
Membran der Unterschied in der Salzkonzentration zwischen dem Wasser und der Salzlösung eine Verdünnung
der Salzlösung bewirkt, wobei reines wasser durch die Membran strömt, als ob ein Druck auf es ausgeübt werden
würde. Indem man die Salzlösung unter Druck setzt, kann umgekehrt reines Wasser durch die Membran in" entgegengesetzte
Richtung zu der normalen osmotischen Strömungsrichtung auf die Seite des reinen Wassers gedruckt werden.
Die kritische Struktur txei derartigen auf der umgekehrten
Osmose beruhenden Wasserreinigungssystem stellt daher die semipermeable Membran dar, welche zwar Wasser hindurchläiSt,
nicht jedoch Salz.
Pur die Durchführung eines Ultrafiltr&tionsverfahrens mitteli
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umgekehrter Osmose wurden verschiedene Systeme entwickelt. Als herkömmliche Konstruktionen zu diesem Zweck seien die sogenannte
Platten-üahmen Anordnung, die Höhrenanordnung, die
spiralförmig-gewickelte Membraneinheit, sowie Hohlfaser-'konstruktionen
genannt. Der wichtigste in Betracht zu ziehende Konstruktionsparameter bei einem System, das nach der umgekehrten
Osmose arbeitet, beruht auf dem Umstand, daß die semipermeable Membran zu einem'zwar sehr dünn sein muß; sie
darf beispielsweise nicht dicker sein als 0,068 mm - 0,102 mm (4-6 mils), daß sie jedoch andererseits eine feste Auflage
bilden muß, welche den sehr hohen Druckabfall euer zur Membran aushält. Zelluloseazetat stellt zwar ein bevorzugtes Material
für eine Membran zur Durchführung einer umgekehrten Osmose dar. Neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Polymeren haben
jedoch auch andere geeignete Materialien geschaffen. Die Membranen können so variiert .werden, daß sie mehr oder
weniger Zucker und Salz hindurchlassen.
Das bei der Verwendung eines nach dem Prinzip der umgekehrton
Osmose arbeitenden Systems für eine Fraktionierung von Molke angewandte Prinzip macht sich den Umstand zum Vorteil, daß
die Proteinrnoleküle in der Molke größer sind als die anderen Bestanoteile der Molke. Während demgemäß die anderen Bestandteile
durcl'. eine semipermeable Membran hindurchgepreßt werden
können, v/erden die Proteinmoleküle von dieser Membran zurückgehalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren für eine Aufbereitung von Käsemolke in Vorschlag zu bringen, so daß diese für (.en Nahrungsmittelhandel verwendbar
wird. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruches gelöst.
Mit der Erfindung v/ird somit ein Verfahren geschaffen, mit dem die Abtrennung von hochwertigen Protein aus Käsemolke gelingt.
Wesentliche Merkmale der Erfindung, sind somit darin zu sehen,
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daß ein Verfahren geschaffen wird, welches die folgenden Schritte enthält:
Erhitzen der Molke auf eine temperatur von 72,2° C (1620P)
und Aufrechterhaltung dieser Temperatur über eine Dauer von 60 Sekunden; Abkühlung der Molke auf eine xemperatur
von unterhalb 32,20G (9O0F); Abtrennen des Proteins von der
Molke; und Abschrecken des Proteins auf eine Temperatur von unterhalb 4,440G (4O0F)0 Vorzugsweise finden bei der Abkühlung
der Molke folgende Schritte statt: Abkühlung auf eine iemperaour von 34,40G (940F), Lagerung der erhitzten
Molke in einem thermisch isolierten Behälter und Abkühlung der Molke auf eine Temperatur, die beispielsweise in einem
Bereich zwischen 27,80G und 30,O0G (820F und 860F) liegt.
Vorzugsweise werden die Schritte der Aufheizung der Lagerung und der Abkühlung in 30 Sekunden oder in einer
kürzeren Zeit durchgeführt.
Der Schritt in dem die Abtrennung des Proteins von der Molke erfolgt, erfolgt über eine Filterung der Molke mittels
einer Membran, so daß ein Proteinkonzentrat und ein Permeat
gebildet werden, wobei das Proteinkonzentrat zwecks einer weiteren Konzentrierung desselben abermals gefiltert wird.
Der Schritt der abermaligen Filterung kann wiederholt werden und zwar sooft wie dies erwünscht ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde
eine Vorrichtung zur Abtrennung des Proteins von Käsemolke mittels des erfindungsgemäßen irennVerfahrens in
Vorschlag zu bringen.· Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruches 7 gelöst.
Mit der Erfindung wird ein ökonomisches wirksames und vielseitig
brauchb&r und verwendbares Umkehrosmose-oder Ultrafiltri.tionssystem
für die Abtrennung des Proteins von Käsemolke geschaffen.
bevorzugte Ausführungsform eines Geräts zur Durcnführung
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des erfindungsgernäßen Verfahrens zur Abtrennung von Protein
enthält eine liohrvorzweigung, die so angeordnet ist, daß
sie unter Druck stehende Molke aufnimmt, so wie eine Mehrzahl von Membranfiltern, die an dem -Hohrverteiler angeschlossen
sind und derart mit diesem in Verbindung stehen, daß sie die Molke von dem Hohrverteiler aufnehmen.
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform des Puters enthält ein
Druckgefäß, das mit einer zylindrischen Wandung und offenen Enden versehen is L. Eine Mehrzahl von spiralförmig aufgewickelten
Membraneinhoiten ist in Jieihein dem Druckbehälter
angeordnet. Jede dieser Einheiten enthält eine perforierte, d.h. mit Bohrungen versehene Sammelröhre für das Permeat,
welche den mittleren Kern der Einheit bildet, sowie eine Membran, die aus einem geeigneten bekannten Material gefertigt
ist, welches spiralenförmig -auf das'üoi-r aufgewickelt
ist. Des weiteren sind Endkappen angeordnet, welche die offenen Enden des Druckbehälters verschließen. Jede von
den benachbart zu dem Hohrverteiler gelegenen Endkappen
weist eine mit dem Rohrverteiler verbundene Passung auf.
Jede der Endkappen, welche an den im Abstand von dem Hohrverteiler
gelegenen Ende angeordnet ist weist eine Öffnung und ein inAbstand von der Öffnung angebrachtes Verbindungsstück
auf. Die Öffnung dient vorteilhaftsrweise dazu, das Proteinkonzentrat abzuführen, während das Verbindungsstück
eine Ankupplung zu der mittleren Bohre dei* benachbarten
Membraneinheit herstellt, zwecks Aufnahme des Permeates.
Die Filter ..sind·'bevorzugt in einer Mehrzahl von Keinen angeordnet,
wobei jede iieihe einen getrennten iiohrverteiler aufweist. Der Auslaß für das Proteinkonzentrat von jeder
"Keihe ist mit dem Einlaß der benachbarten iieihe verbunden,
v/obei die letzte der somit seriell miteinander verbundenen fieihen mit einer Vorrichtung für die Entfernung verbunden
ist.
Die vorstehend genannten, sowie weitere Einzelheilen und
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Vorteile der Erfindung v/erden aus der folgenden ins Einzelne gehenden Beschreibung einer konkreten Ausführungcform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie deren Betriebsablaufs ersichtlich. Hierzu wird auf die beiliegenden Zeichnungen
Bezug genommen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Teildarstellung zur Erläuterung einer erfindun^,sgemäßen Vorrichtung für eine
Trennung von'Käsemolke.
Figur 2 zeigt eine Teildarstellung im Schnitt längs der Linie 2-2 von Figur 1.
Figur 3 zeigt eine Teildarstelxung im Schnitt längs deLinie 3-3 von Figur 1.
Figur 4 zeigt in Teilansicht einen vertikalen Längsschnitt von einer erfindungsgemäßen Membranfiltereinheit.
Figur 5 zeigt in Teildarstellung und teilweise aufgebrochen sowie teilweise im Schnitt eine vertikale Seitenansicht
von einem Endbereich einer erfindungsgemäßen Ivlembranfiltereinheit.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung
einer spiralförmig aufgewickelten Membraneinheit, welche in cfer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Anwendung kommt.
Figur 7 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer spiralförmig aufgewickelten Membraneinheit
und den dazugehörigen Druckbehälter von einem erfindungsgemäßen Filter.
.Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung ein Flußdiagramm
des erfindungsgemäßen .Aufbereitungsverfahren für Käsemolke
.
Die Figuren 1 mit 3 der Zeichnung zeigen eine Umkehrosmose-Ultrafiltrationseinheit
'10, die aus einer Mehrzahl von Reihen 12, 14 und 16 von Filtern 18, 20 und 22 gebildet
wird. Diese Filter sind an entsprechenden Hohrverteilern 24, 26 und 28 angeschlossen und so angeordnet,
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daß sie mit diesen, in Verbindung stehen, so daß sie von
den Hohrverteilern unter Druck stehende Molke aufnehmen.
Man erkennt aus Figur 4, daß jedes der PiIter 13, 20 und
22 von einem Druckbehälter 30 gebildet wird, der eine zylindrische oder röhrenförmige Wandung 32 aufweist, so
wie offene .linden 34 und 35 (Figur 2) . Eine Mehrzahl von spiralförmig aufgewickelten Membraneinheiten 36 ist hintereinander
in dem Druckbehälter 30 angeordnet. Eine Verbindung zwischen den Einheiten 36 wird von elastischen fingen 38
erreicht, die in Figur 5 dargestellt sind. Die elastischen"' Junge 3b sind in E ufcen angeordnet, welche an den Enden von
perforierten, d.h. mit Bohrungen versehenen Rohren 40 angeordnet sind, welche einen Kern für die Einheiten bilden und
als Sammelleitung für das Permeat dienen. Eine Verbindungshülse
42 die aus einem geeigneten Material gefertigt ist paßt über die Itinge 38,so daß die Verbindung zwischen den
einzelnen Einheiten 36 vervollständigt wird. Eine Membran 34 ist wie aus Figur 6 ersichtlich spiralförmig auf eines der
iiohre 40 so aufgewickelt, so daß schließlich eine flache Umwicklung entsteht, die an einem Ende offen ist,um die
Laktoselösung zu dem itohr 40 zu leiten. Die Membran 44
kann eine Auflage aufweisen, die in bekannter Weise aus einem Kunststoff oder Glasstoffmaterial gefertigt ist und-in der
Lage ist, die hohen Drücke auszuhalten, die im Inneren des Druckbehälters 30 auftreten. Der Druckbehälter 30, die
Einheiten 36 sowie Strömungsunterbrecher 46,wie sie in den
Figuren 5 und 7 dargestellt sind, können Standardbauteile sein,wie sie von der Osmonics Inc. of Hopkins, Minnesota
gefertigt werden. Die aus den Figuren 5 und 7 ersichtlichen
Strömungsunterbrecher sind vorteilhafterweise auf den Einheiten 36 an ihren stromaufgelegenen Enden angebracht, so
daß sie die Strömung in die Einheit lenken. Speziell konstruierte Enukappen,welche im Folgenden noch näher erläutert
werden,passen auf die Standarddruckbehälter, welche von einer zylindrischen Wandung 32 gebildet sind. Die Wirkung der
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Strömungsunterbreoher 46 wird ebenfalls weiter unten nooh näher erläutert.
Die Membraneinheiten .36 sind ferner in einem Artikel mit
dem Titel "Reclamation und Re-use of Waste Products from Food Processing by Membrane Processes" beschrieben, der
von D. Dean Spatz, dem American Institute of Chemical Engineers am 24. Mai 1972 vorgelegt wurde.
Der üohrverteiler 24 sowie die anderen Armaturen können aus
3-A geprüften Molkereiarmaturen von einer Konstruktion gebildet
sein, die eine saubere Anbringung ermöglichen. Eine derartige Konstruktion, die eine saubere Anbringung ermöglicht
soll im folgenden GIP bezeichnet v/erden. Der Durchmesser kann hierbei beispielsweise 3,81 cm (1 1/2 inch) betragen.
Hochleistungs GIP Klemmen oder Muffen können ebenfalls verwendet werden, um herkömmliche Armaturen zur
Bildung der Hohrverteiler miteinander zu verbinden und um diese Armaturen an die Druckbehälter 30.anzuschliessen.
Die Armaturen 52 können Rohre aus korrosionsfestem Stahl mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 inch) sein, die an
den Endkappen 48 angeschweißt sind und zwar in der Höhe des Bodens von dem Druckbehälter 30. In mehreren, beispielsweise
sechs hintereinander in dem Druckbehälter angeordneten Einheiten 36 können beispielsweise eine
Länge von 66,67 cm (26 1/4 inch) aufweisen, wobei sie speziell zum Zwecke einer Verwendung in den erfindungsgemäßen
Filtern derart aufgewickelt sind, daß sie einen Außendurchmesser von 9,73 cm (3,83 inch) aufweisen. An
jedem Ende von jeder Membran 44 ist ein Kunststoffhalterungsrad angebracht mit einer Mehrzahl von Bohrungen, welche
einen Durchmesser von beispielsweise 0,317 cm (1/8 inch) aufweisen und durch welche das Produkt strömt. Die Halterungsräder
können auch einen Außendurchmesser von 9,75 cm (3,83 inch) aufweisen, so daß sie ins Innere von 10,16 cm
(4 inch) korrosionsfesten Höhren für den Molkereibedarf
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passen, welche die Druckbehälter 30 bilden. Die mit Bohrungen
versehenen Rohre 40 können über eine Länge von annähernd 5,08 cm (2 inch) über die Enden der Membran 44 hinausstehen.
Sechs Einheiten der oben beschriebenen Art können miteinander im Inneren eines Druckbehälters 30 verbunden sein, der beispielsweise
eine Länge von 3,98 m"(157 inches) aufweist. An jedem Ende des Druckbehälters 30 ist eine GIP Kappe an dem .
Druckbehälter 30 gehaltert, was mittels einer geeigneten bekannten
GIP Klemme oder Muffe für den Molkereibcidarf. geschieht.
Die Kappen v/eisen Bohrungen auf, zum einen für das vorstehend genante korrosionsfeste Rohr mit einem Durchmesser
von 2,5< cm (1 inch) durch welches die Molke oder das Proteinprodukt
in Bodenhöhe des Druokbehälters 30 eintreten, zum
anderen in der Mitte für die Einführung eines 2,54 cm (I inch) korrosionsfesten Schaftes der längsweise vollkommen durchgebohrt
worden ist mit einem Durchmesser von 1,747 cm (0,688 inch) um den O-Ring aufzunehmen und abzudichten, der
sich in der Mitte des spiralförmig aufgewickelten Filterelemente befindet.
Endkappen 48 verschließen wie aus Figur 2 ersichtlich die offenen Enden 34» Endkappen 50 verschließen wie aus Figur 4
ersichtlich die offenen Enden 35. Ein aus Figur 2 ersichtliches Paßstück 52 ist an den Endkappen 48 neben der zylindrischen
Wandung 32 vorgesehen. Dies ist jeweils an einem der Hohrverteiler 24, 26 oder 28 angeschlossen. Die Endkappen
50, welche so angebracht sind, daß sie die von den Rohrvorteilern
24, 26,und 28 entfernten Enden 35 abschließen, enthalten eine Öffnung 54,'die neben der zylindrischen Wandung ·
32 angebracht ist, sowie ein Verbindungsstück 56 mit einem
Abstand von der Öffnung 54, das mit einem Rohr 40 der Einheit 36 verbunden ist, welche in dem Druckbehälter 30 neben ·
dem Verbindungsstück 56 und seiner Endkappe 48 angeordnet ist. Ein Krümmer 58 ist mit dem Verbindungsstück 56 in
herkömmlicher Weise verbunden, während ein Rohrstück 60 in der Öffnung 54 angeordnet ist, um die Verbindung eines
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- ίο - "■■"
Schlauchs mit der Öffnung 54 zu erleichtern.
i)ie Filterreihen 12, 14 und 16 sind vorteilhsfterweise auf
einem Rahmengestell 62 von herkömmlicher Bauart geh<ert,
wobei sie auf dem"Rahmengestell 62 mittels herkömmlicher
Klammern befestigt werden können, welche am besten aus Figur 3 der Zeichnung ersichtlich sind.
Die Öffnungen 54 in den Endkappen 50 sind an Auslaßrohrverteilern
64, 66 und 63 angeschlossen. Ein Rohr 70 befördert das Proteinkonzentrat von dem Rohrverteiler 64 zu dem Einlaß rohrverteiler
26. Bin Rohr 72 übt eine ähnliche Wirkung zwischen
dem Auslaßrohrverteiler 66 und dem Einlaßrohrverteiler 28 aus. Ein Bohr 74 erstreckt sich schließlich von dem Hohrverteiler
68 zu einem herkömmlichen Molkereiventil 76 und zu einem Manometer
78. Mit dem Ventil 76 ist ein Rohr 80 verbunden. An einer Stelle längs dieses Rohres ist ein Paar von Peineinsteil- oder
Mikrometerventilen 82 und 84 angeschlossen, von denen sich entsprechende
Rohre 86 und 88 erstrecken. Das Rohr 80 ist an einem Ende in einem Abstand von Ventil 76 an ein Ventil 90 befestigt,
an welchem ein Kanqmeter 92 angebracht ist, welches ähnlich dem Manometer 78 ist.
Ein Rohr 94 bewirkt die Zufuhr von einer abgekühlten Molke von einer geeigneten Kühlvorrichtung, die schematisch in Figur
dargestellt ist zu einer herkömmlichen Pumpe 96. Die Pumpe .96 ist eine geeignete Verdränger-oder.Zentrifugalpumpe bekannter
Bauart. Sie befördert die Molke unter Druck durch eine Leitung 98 zu einem gewöhnlichen Ventil 100. Von dem Ventil 100 erstreckt
sich ein Rohr 102 zu einem anderen Ventil 104ι das mit
einem Rohr 106 verbunden·ist, welches sich zu dem Rohrverteiler 24 erstreckt. Ein Rohr 108. ist zwischen den Ventilen 90 und
angeschlossen, während ein Rohr 110 sich von dem Ventil 100 zu
dem Rohr 74 erstreckt. Ein Motor 112, der ein herkömmlicher .ilektromotor sein kann ist auf einem Rahmen 62 befestigt. Er
■dient dazu, die Pumpe 96 selektiv zu betätigen.
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Das von den mit Bohrungen vex*sehenen Rohren 40 ausgehende
Permeat tritt durch die Verbindungsstücke 56 hindurch und gerät in einen Strömungsweg, der von den Krümmern 114f durch- ·.
sichtigen Rohrstutzen 115 und 116, Krümmern 118, und ΐ-Stücken
120 gebildet wird, von wo es in einen Rohrverteiler 122 gelangt,
aus dem es über einen· Schlauch 124 austritt. Rohrstutzen 117 umgehen die Krümme 118 und sind direkt mit den T-Stücken 120
verbunden.
Im folgenden soll der Betrieb der erfindungsgemäßen 2renneinheit
beschrieben werden. i3ine vorbestiramte Menge von beispielsweise
102 Liter (27 Gallone) gekühlter pasteurisierter Molke wird pro Minute dem Rohrverteiler 24 zugeführt. An dem
Rohrverteiler 24 erweist s:
(160 ρ si.) als vorteilhaft.
(160 ρ si.) als vorteilhaft.
Rohrverteiler 24 erweist sich ein Druck von 11,2 kg/cm
Das Produkt, bzw. die Molke strömt in jeden der· Druckbehälter
30 der Membranfilter 16 in der Reihe 12 durch die Paßstücke
52. Die Ringe 38, welche"herkömmliche O-Ringe sein können,
über welche Rohrstutzen 52 gesteckt sind, bewirken eine dichte Verbindung der 2inhe,iten 36. Sie verhindern, daß die Zufuhr
des ProteinproGukts sich mit dem Permeat oder mit der SaIz-Zucker-Vasserlösung
vermischt, welche sich in den Filtern abscheidet.
Die Proteinzufuhr erfolgt über das Rohr 70 zu der Reihe 14 und anschliei3end über das Rohr 72 zu der Reihe 16·- Das Proteinkonzentrat
tritt dann durch den Rohrverteiler 68, das Rohr 74 und durch das offene Ventil 76 zu dem Rohr 80 aus. Das
Rohr 30 erstreckt sich über die gesamte Länge der Vorrichtung
in Längsrichtung, Es mündet in das Rohr 108 "bei ein^m Ventil
90. Ein herkömmliches ϊ-Stuck ist an das Rohr 80 angeschlossen,
an welchem die I'eineini;tellungsventile 82 und 84 angebracht
sind, Eines dieser Ventile, beispielsweise das Ventil 82 dient dazu den Austrittswiderstand, d.h. den rückwärtigen
Druck einzustellen mit welchem die Vorrichtung arbeitet, während das andere Ventil, d.h. in diesem Falle das Ventil 84 d"
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Abiführungsrate des Proteinkonzentrates einstellt.
Die Ventile 76 und 100 sind herkömmliche Dfuckventile für den
Molkereibetrieb, ebenso wie die Ventile 90 und 104. Durch ein Offnen von zwei dieser Druckventile und durch ein Schließen
der beiden anderen gelingt es, die Strüraungsricritun^ durch die
PiIterreihen umzukehren. Die Liöglichkeit die Strömun^sriortung
umkehren zu können ist für eine Reinigung der Maschine wesentlich.
Wenn beispielsweise die Ventile 13 und C geschlossen sind und die Ventile A und D offen sind, verläuft die Strömung
durch das xiohr 106 zu dem iiohrverteiler 24 und durch die
Maschine in der oben beschriebenen xiichtung. Sie verläuft weiter durch das Ventil 76 und in das Ilohr 80, so daß si:;
durch die Ventile 32 und 34 wieder austritt. Indem man die Ventile 90 und 104 öffnet und die Ventile 76 und 100 schließt,
wird die von der Pumpe 96 ausgehende Strömung durch das xuohr
110, durch die Filter in umgekehrter dichtung und durch die iiohre 103 und 80 zu den Ventilen 62 und 34 gepreßt.
Die erfindungsgemäße Einheit 10 kann entweder als kontinuierlich
arbeitende Einrichtung für die Durchführung einer Konzentrierung verwendet werden. Hierzu wird das Peineinste-Llungsventil
82 auf einen erwünschten Druck von beispielsweise 11,2 kg/cm (160 psi) eingestellt und man läßt das angereicherte
Produkt, das von diesem Ventil ausgeht zu ein Ansatzstück hinter der Pumpe 96 und gerade vor der Kühlplatte zurückkehren,
so daß man lediglich eine derartige Menge des frischen Produkts zuführt, daß der Anteil der Beschickung v/ieder
ausgeglichen wird,der als Perineat abgeführt wird. Hierdurch
erzielt man eine kontinuierliche Zunahme des prozentualen Protein- und Peststoffgehalts im Inneren des Systems bis der
erwünschte Wert erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Peineinstellungsventil 84 entwas geöffnet, so daß das Produkt
mit der selben Rate abgezogen v/erden kann mit der die Maschine
die Konzentrierung durchführt. Dieses Produkt wird anschließend sofort auf eine I'emperatur abgeschreckt, die unter 4,44° G
(40° P) liegt, wie dies im folgenden noch näher erläutert wird·
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242A853
Man kann eine höhere Konzentrierungsgeschwindigkeit für das
Proteinprodukt erhalten, indem man die Strömung üurch das
Feineinstellungsveiitil 82 zu einen Vorratsbehälter zurückführt,
so daß man die volle Strömung des frischen Produkts über die Membranen 44 leitet und das niedrigst mögliche Feststofihiveau
über den Membran 44 für eine möglichst lange Zeitdauer beibehält, wobei man erreicht, daß die gesamte
Charge das gewünschte Niveau erreicht. Dies führt zu einem Zufluß in irgendeinem Bereich von beispielsweise 0,907 kg bis
3,63 kg pro 0,093 m , Membranfläche (2-8 pounds per Square
foot) Membranfläche pro Betriebsstunde, wobei diese Verte wiederum vom Druck, der Temperatur und den Strömungsgeschwindigkeiten
abhängen. Das Produkt neigt jedoch dazu,einen saueren Geschmack bei Anwendung dieses Verfahrens anzunehmen, so daß
es als Nahrungsmittel weniger geeignet ist, auch wenn es in seiner Eigenschaft als Futtermittel-nicht beeinträchtigt wird.
Man erkennt aus Figur 8 daß die Käsemolke zuerst in einen Separator 126 eingebracht wird, der eine herkömmliche I,lilchzentrifuge
sein kann, und daß hierbei jegliches FetU, das in der Molke enthalten ist entfernt wird. Aus dem Separator
wird die Molke anschließend durch einen nicht dargestellton Filtersatz hindurchgesandt, der eine Siebfeinheit von 200 mesh
aufweist,(bei dem 200 Gitteröffnungen auf 2,54 om fallen).
Diese Filtrierung dient zur Entfernung winziger Quarkteilchen
vor der Durchführung einer Pasteurisierung. Die Molke wird anschliei^enü
einem Pasteurisierer 128 zugeführt und auf 72° G erhitzt, bei einer Verweilzeit von 16 Sekunden. Der Gefrieroder
Kühlabschnitt des Pasteurisierers 128 kühlt das Produkt
am Ende der 16 Sekunden dauernden Verweilzeit auf eine Temperatur von 34,4 0O (94° F) zurück. Der Pasteurisierer kann
eine herkömmliche Bauart aufweisen. Es ist erwünscht, daß die
gesamte Zeit von dem Erhitzen bis zu dem Abkühlen kleiner is ι als 30 Sekunden. Das Produkt gelangt dann in einen
isolierten Vorratsbehälter 130. Von einer Pumpe, beispielsweise einer Zentrifugalpumpe 96 wird das Produkt aus den
isoliertan Vorratsbehälter 130 abgezogen und es durchläuft
eine Kühlplatte 132, welche das Produkt auf eine
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Temperatur von 32,2° C (90° P) abkühlt. Eine Temperatur die
in den Bereich von-beispielsweise 27,8° G - 30° G (82° P 86°
P) liegt wird vorgezogen, wobei jedoch niedrige Temperaturen
wie von 10° G (50 P) ebenfalls mit Erfolg verwendet
wurden. Das Produkt wird anschließend der Pumpe 96 mit 102 bis 167 Mtorn (27 - -44 Gallons) pro Minute bei einer beispielsweise
vier Deuckbehälter enthaltenden Maschine für die Konzentrierung
zugeführt. Die Zuführungsrate ändert sich selbstverständlich
mit der Anzahl von parallel zu einander geschalteten Druckbehältern, wobei die Zufuhr zwischen 24} 6 Litern (6 1/2
Galloneql und 41,6 Litern (11 Gallonen) pro Slinute für jeden
Druckbehälter liegt. Die Trenngeschwindigkeit hängt in stärkerem Maße von der Pließgeschwindigkeit über die !,lembranen
44 als von irgendeinem anderen einzelnen Paktor ab, wobei typische Werte vorstehend angegeben sind. Das abgetrennte
Proteinkonzentrat wird von der Einheit 10 einem Gefrierbehälter 134 von herkömmlicher Bauart zugeführt, wobei es unmittelbar
auf eine Temperatur von unterhalb 4,44° C (40° P) abgeschreckt wird. Mit dies-m Verfahren erhält man ein frisches
für den menschlichen Verbrauch geeignetes Proteinprodukt mit einem Milchgeschmack, wobei sein Proteingehalt zwischen 2ö
und 60 fo variiert». Dieser Prozentgehalt beruht auf der Basis
der Trockenstoffe, wobei der Vert durch eine Justierung des Peineinstellungsventiles 84 geändert werden kann. Dies
stellt ein relativ langsames Verfahren für eine Eonz-entrationserhöhung
dar. Menn jedoch beispielsweise das Psineinstellungsventil
64 so eingestellt ist, daß man einen prozentualen Anteil
von 24 ct° Peststoffen an einem Refraktometer ablesen kann
öder einen tatsächlichen Peststoffgehalt von 22 0^1 kann der
Feststoffproteingehalt zwischen 50 und 60 '}* liegen. Letzteres
hängt bis zum gewissen Grade von der Jahreszeit ab, da der Proteingehalt im Verhältnis zu den anderen Feststoffen über
das Jahr Schwankungen unterliegt, v/enn ein Betrieb mit einer
derart großen Peststoffrate im System durchgeführt wird und wenn die Strömungsgeschwindigkeit zwischen 24,6 und 26,5 Litern
(6 1/2 und 7 Gallonen) Zufuhr pro Druckbehälter und Uinute
liegt, sowie wenn ein Druckniveau von 11,2 kg pro cm2 (160 psi)
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aufrecht erhalten .wirdj sowie"wenn eine Einlaßtemperatür von
28,9° G (84° F) herrscht, erhält man eine Strömungsgeschwindig-
kcit oüer Permeatentfernungsrate von 0,7 kg pro 0,9 m (1,55
pounds per square, foot) der Oberfläche von der Membran 44 pro Betriebsstunde. Dieser Wert läßt sich um annähernd 50 fi auf
0,907 kg pro 0,09 m (2 pounds per square foot) der Oberfläche steigern, indem man die Strömungsgeschwindigkeit durch
den Druckbehälter 30 auf 41,6 Liter (11 Gallonen) pro Druckbehälter
und Minute erhöht,ohne.daß hierbei ein Auftreten von
Problemen festgestellt v/erden kann. Die Strömungsgeschwinüigkeiten können auch um geringere Beträge dadurch geändert v/erden,
daß man die Temperatur der eingeführten Beschickuno und den Arbeitsdruck der Maschine erhöht. Diese beiden Maßnahmen erzeugen
jedoch auf lange Sicht nachteilige Einflüsse. Das Permeat wird durch den Schlauch 124 geleitet und gelangt
zu einem herkömmlichen Verdampfer 136 und einem Kristallisator 13b, für eine Verarbeitung der Laktose in üblicher Weise.
Die erhaltene kristallisierte Laktose kann als Nahrungsmittel verwandet werden.
jSs erwies sich nicht als notwendig ein Klärgefäß mit der
Separatoreinheit 10 zu verwenden; es genügt vielmehr ein
in den Zeichnunoen nicht dargestelltes "Kylonfilter mit einer
Siebfeinheit von 200 mesh , d.h. ein PiIter zu verwenden,
das über eine Län^e von 2,54 cm 200 Öffnungen aufweist'. In
dieses Filter wird die Hohmolke eingeleitet. Das Filter entfernt
alle kleinen Quarkteilchen Vielehe bei dem Verfahren der Käsebereitung in der'Zentrifuge entwichen sind. Der Verzicht
auf ein Klärgefäß steigert die Proteinausbeute.
Die erfindunosgernäße Trenneinheit 10 erweist sich dahingehend
als vorteilhaft,als sie eine größere Ivlembranfläche (d.h. beispielsweise
einen höheren "Wert an Quadratmetern oder Quadratmaß
(!»lembranflache) zur Verfugung stellt, da hintereinander,
d.h. seriell angeordnete spiralförmig aufgewickelte Menibraneinheiten
56 verwendet werden. Darüberhinaus lassen sich iieinigungsmittel auf beide Seiten der Membranen 44 aufbringen
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und man kann eine turbulente Strömung sowohl auf die vorderen
als auch auf die rückwärtigen Seiten der Llenibraneinhöiton
richten. Aufgrund der relativ ./enigen 'v/inaungen, welche
zur Herstellung des Produktes nötig sind kann eine bemerkenswerte Anzahl von Druckbehältern 30 una Einheiten 36 von der
Molke durchlaufen werden, wobei lediglich ein geringer Druckabfall
auftritt,und ohne daß hierbei die Verwendung von zwischen den einzelnen Stufen angeordneten Pumpen nötig
wäre,um den Druck wieder anzuheben. Hierzu trägt der Umstand
bei, daß die erfindungsgeiuäße Anordnung aie Verwendung von
rLohrleitungen und Ventilen mit einer ausreichenden Grüße
ermöglicht, so daß die Einengung der Strömung vermindert
wird.
sis sollte an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß es
nicht notwendig ist- die Keinen 12, 14 und 16 der Filter Tu,
2.0 und 22 in der in Pi0Ur 1 und 2 dargestellten '»/eise anzuordnen.
Gemäß einer alternativen Ausfuhrungsform könnte man
die Längen der Kohre 70 und 72 vermindern, indem man die Strömungsrichuung der Filter 20 und der Filterreihe 18 umkehrt, so daß diese von links nach rechts-aus der Sicht
von Figur 2 erfolgt, anstatt von rechts nach links } wie as
dort dargestellt ist. Hierzu ist es lediglich notwendig die Endkappen 46 und 50 auszutauschen und die'Strömungsunterbrecher
46 umzudrehen.
.πίίη weiterer Vorteil, dor sich aus der Verwendung der spiralförmig
aufgewickeloen Einheiten 36 ergibt,beruht darin, daß
die Größe der Hikroporen in den Ivlerubranen 46 leichter aufrecht
erhalten werden kann, wie diese durch eine Litze31η-wirkung
eingestellt ist. Diese gleichmäßigere Porengröße trägt zu einer größeren Proteinausbeute bei. Desweiteren ist
die spiralförmig aufgewickelte LIembraneinheit 36 billiger
herzustellen als beispielsweise eine nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitende EohlrÖhren-Filtrationseinhcit.
Durch die Verwendung der herkömmlichen Feineinstellunosventile
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82 und 84 mit ihren .längeren sich verjüngenücn korrosionsfest
·υη Drosselkorpürn, welche eine große Plucho für die
Druckeinwirkung aufweisen und durch die Verwendung der Druckventile, Vielehe derart angeordnet sind, daß sie entweder
völlig öffnen oder völlig schließen wird bei der erlindunjsgemäßen
Einheit 10 ein Abscheren oder ein Zerbrechen von Proteinraolekülen im wesentlichen vermieden, welc-ies bei denjenigen
'»/ascerreinigungsmaschinen auftritt, die für eine
trennung von Käscmolke umgebaut sind und bei denen Ilugelventile
sowie Nadelventile verwendet sind.
Ein weiterer Vorteil der Membranen 44 beruht darin, daß die Verwendung einer spiralförmig aufgewickelten Fläche, über
welche das mit Protein angereicherte Produkt strömt die l.iöglichkeit
für ein Verstopfen verhindert wird, welches bei einer derartigen Bauart von Systemen möglich ist, die feine
Fasern enthalten.
Desweitere wird durch die Anordnung der Kernbranen 44 in einer
schneckenartigen üolle, bei der zwei iäembranen an der Kante'
abgedichtet sind und ein Netzwerk, ein Gewebe oder einen Steg zwischen den beiden angeordnet ist, um die Strömung des PermeaLs
zu der Mitte des xtohres 40 zu erleichtern erreicht, daß man zum
einen keine voluminöse Auflage oder eine Halterung braucht um die Möglichkeit eines Iteißens der Membran auszuschließen.
Hierzu trägt auch die Tatsache bei, daß der Druck auf beiden Seiten der Produktströmung abgeglichen ist.
Die Verwendung von beispielsweise einem 2,54 cm (1 inch) durchsichtigen
"i'ygon" Schlauch für die Rohrstutzen 115, 116 und
117 zwischen den Permeatauslässen von den Druckbehältern und den sammelnden Hohrverteilern ermöglicht es sofort festzustellen,
wenn einer der 0-förmigen Dichtungsringe, welche diese Vorsprünge haltern undicht wird. Die ündkappen 48 und
50 lassen sich dadurch entfernen, daß man lediglicii zwei Stellschrauben-Klemmzwengen entfernt und jede der Einheiten
36 kann aus dem zugehörigen Druckbehälter 30 herausgezogen wehren,
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Pie Konstruktion der Einheit 10 ist dei-art gewählt, äcis beispielsweise
sechs .iieinbraneinheiten 56 von einem Druckbehälter
50 einzeln innerhalb weniger Llinuten entfernt v/erden
können. Die erfindun^sgemäße Einheit 10 ist nahezu vollstiinui^
aus 5-ä geprüften Armaturen für den LIoII:or jibctrieb
^efertijt von denen lirs&tzteile in jedem G-euchüft
für i.Iollcereibed&rf erliältlich sind. Die 3-ä geprüften
Materialien vereinfachen die AufrechterhoItun^ von
sanitären Bedingungen in dar Einheit 10. Die Ver\/'jnc;un._;
von 3-Elennn. GIP Armaturen mit ihren versenkten Dichtungen,
welche mit in einer Ebene liegenden hochpolierton Innenfläche
versehen sind bewirken daß keine Stellen entstehen
an denen sich öchmutz oder das Produkt ansammelt und
ein B&kterienwachstum möglich ist. Dies vereinfacht ez,
die notwendigen sanitären Erfordernisse zu erfüllen.
Die vorstehenden Erläuterungen sind ledi^licxi als Beispiel
des erfindungsgeraäßen Prinzip und nicht beschränkend zu
verstehen.
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Claims (14)
- Paten tansprtiohe1 . Verfahren zur Aufbereitung von Kolke, gekennzeichnet durch die folgernden Schritte:
a . Erhitzen der LIoIk eb. Abk^ilen der Uolke ;c. Abtrennung des Proteins von der Molke. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des oJrhitzens (a) und äie Stufe des Abkühlen^ (b) in cin^r Zeit durchgeführt werden die bis zu 30 Sekunden dauern kann.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dor Stufe des Abkühlens (b) die folgenden Schritte ablaufen:i. Abkühlen- der Police aui eine Temperatur die unter35,0° G (95° ϊ1) liegt;
ii. Zurückbeha-Lten der erhitzen IiIoIke in einem thermisch isolierten G-efaß;iii. Abkühlen der Llolke auf eine i'emyerstur die unter 32,2° G (90° Ϊ1) liegt. - 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stufe des Erhitzens eine jintfernung des I'etts von der Liolke, ein Aufheizen der luolke auf eine 1X-emp tür von 72,2° G (162° J?) und eine Aufrechterhaltung dieser j-'emperatur über eine Dauer von 16 Sekunden erfolgt.
- 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schritt der Proteintrennun^ die i.Iolke aurcli eine Serie von lüembranfilt err einen hindurchgexeitet wird und daß das Protein auf eine xemperatur von unter 4,44 G (40° ϊ1) abgeschreckt v/ird.
- 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,409850/0870dadurch gekennzeichnet, daß die Molke, von der das Protein abgetrennt ist konzentriert und kristallisiert wird.
- 7. ültrafiltrationsgerät für die Abtrennung von Protein von Molke, insbesondere zur Durchführung des Verfahren;: nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:a. Einenitohrverteiler (24, 26, 28) welcherso anoeordnet ist, daß sie unter Druck stehende Molke aufnehmen kann;b. Eine Mehrzahl von Filtern (18, 20, 22) welche un den iLOhrverteiler angeschlossen und so angeordnet sind, daß sie mit diesem in Verbindung stehen.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekonnzoiehno-j, daw jedes Pilter (18, 20, 22) einen Druckbehälter (30) enthält, weic .er eine zylindrische Wandung (32) und offene Enden (34, 35) aufweist, und daß eine Mehrzahl von spiralförmig aufgewickelte Membraneinheiten (3o) hintereinander in den Druckbehälter (30) angeordnet ist, wobei jede Einheit ein mit Bohrungen versehenes iLohr (40) enthält, welches dazu dient, das Permeat zu sammeln, sowie eine Membran (44) die spiralförmig auf das xtohr (40) aufgewickelt ist.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Membranfilter des weiteren Enukappen (48, 50) enthält, welche so angeordnet sind, daß sie aie offenen Enden (34, 55) des Druckbehälters (30) verschließen, wobei jede Enokappen (48) die neben dem x-,.ohrver teiler (24, 26, 26) angeordnet ist, eine Passung (52) enthält, die mit dem .aohrverteilcr neben der zylindrischen Ί/andung (32) befestigt ist.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeao der Enäkappen (50) welche das im Abstand von dem xuohrverteiler (24, 26, 28) angeordnete ßnCe des Druckbehälters (30) verschließt, eine Öffnung (54) aufweist, die neben der zylindrischen Wandung (32) angebracht ist und409850/0870daß ein Verbindungsstück (56) in einen Abstand von dieser Öffnung angebracht und an dem Eohr (40) der in dem Druckbehälter (30) angeordneten Einheit neben dem Verbindungsstück angeschlossen ist.
- 11. Vorrichtung nach Anspruch. 10, dadurch gekennzeichnet,daß eine Mehrzahl von !leihen (12, 14, 16) der Filter (18, 20, 22) vorgesehen sind, wobei jede Filterreihe einen Eohrverteiler (24, 26, 28) sowie Endkappen (48, 50) enthält, daß die Verbindungsstücke (56) der Endkappen (50) an den entfernten Enden mit einer Abfuhrungseinrichtung (124) für das Perrneat verbunden sind und daß die Öffnung (54) der Endkeppen mit dem Eohrverteiler (26, 28) der nächsten Eeihe verbunden sind, während die Endkappenöffnungen der letzten Eeihe mit einer Abführun^svorrichtung (66, 74, 76, 80) für das Proteinkonzentrat verbunden sind.
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Filter einen Druckbehälter (30) enthält, welcher eine zylindrische Wandung (32) und offene Enden (34, 35) aufweist und daß Endkappen (43, 50) so angebracht sind, daß sie die offenen Enden (34, 35) verschließen, wobei jede Endkappe (48) welche neben dem Eohrverteiler (24, 26, 28) liegt ein Paßstück (52) aufweist, welches mit dem Eohrverteiler verbunden ist und daß jede Endkappe (50), welche an dem von dem Eohrverteiler entfernte Ende des Druckbehälters (30) angeordnet ist, eine Öffnung (54) und ein Verbindungsstück (i36) in einem Abstand von dieser öffnung (54) enthält..
- 13« Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine lüehrzahl von Eeihen (12, 14, 16) von Filtern (18, 20, 22) vorgesehen ist, wobei jede Eeihe einen Eohrverteiler aufweist und daß die Eeihen in Serienschaltung verbunden sind.
- 14. Verfahren zur Abtrennung von Protein aus Ivlolke, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:409850/0870a . PiItern der IvIoIke zur jiildun^ eines Proteinkonzantratο und eines Permektesjb. Filtern des Proteinkonzentrats zwecks weiteren Konzentrierung desselben.A09850/0870Leerseite
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