vguitВестник Воронежского государственного университета инженерных технологийProceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies2226-910X2310-1202VSUET10.20914/2310-1202-2021-4-101-107vguit-2952Research ArticleПищевая биотехнологияFood biotechnologyРазработка технологической схемы и экономическое обоснование мембранного процесса концентрирования подсырной сывороткиDevelopment of a technological scheme and economic justification of ultrafiltration purification and concentration of cheese wheyhttps://orcid.org/0000-0003-0746-5161ЛазаревС. И.LazarevS. I.

д.т.н., профессор, кафедра механики и инженерной графики, ул. Советская, 106, г. Тамбов, 392000, Россия

Dr. Sci. (Engin.), professor, mechanics and engineering graphics department, st. Sovetskaya., 106 Tambov, 392000, Russia

sergey.lazarev.1962@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6686-2007РодионовД. А.RodionovD. A.

к.т.н., ассистент, кафедра механики и инженерной графики, ул. Советская, 106, г. Тамбов, 392000, Россия

Cand. Sci. (Engin.), assistant, mechanics and engineering graphics department, st. Sovetskaya., 106 Tambov, 392000, Russia

dmitriy_rodionof@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8743-9918ХромоваТ. А.KhromovaT. A.

аспирант, кафедра механики и инженерной графики, ул. Советская, 106, г. Тамбов, 392000, Россия

postgraduate, mechanics and engineering graphics department, st. Sovetskaya., 106 Tambov, 392000, Russia

tatyanka.xromova96@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0617-3271ПолянскийК. К.PolyanskyK. K.

д.т.н., профессор, кафедра коммерции и товароведения, ул. Карла Маркса 67А, г. Воронеж, Россия

Dr. Sci. (Engin.), professor, commerce and commodity science department, st. Karl Marx, Voronezh, 67A, Russia

kaf-kit@vfreu.ruТамбовский государственный техни-ческий университетРоссияTambov State Technical UniversityRussian FederationТамбовский государственный технический университетRussian FederationTambov State Technical UniversityRussian FederationВоронежский филиал Российского Экономического Университета имени Г.В. ПлехановаRussian FederationVoronezh branch of REU named after G.V. PlekhanovRussian Federation202124052025834101107Copyright © Лазарев С.И., Родионов Д.А., Хромова Т.А., Полянский К.К., 20222022Лазарев С.И., Родионов Д.А., Хромова Т.А., Полянский К.К.Lazarev S.I., Rodionov D.A., Khromova T.A., Polyansky K.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-vsuet.ru/vguit/article/view/2952

В работе предложена методика инженерного расчёта, на основании которой было предложено использовать для ультрафильтрационного разделения компонентов подсырной сыворотки три последовательно подключенные ультрафильтрационные установки. Данные установки работали в непрерывном цикле, в которых содержались мембранные аппараты с рассчитанными параметрами. В данной работе описана схема получения концентрата сывороточного белка из подсырной сыворотки, образующейся в процессе переработки молока в сычужный сыр. Схема работает на трубчатом ультрафильтрационном аппарате - принят к разработке на ООО «ЧС «ВЕРО». В предложенной нами схеме используется электродиализная установка, так как эта установка имеет больше преимуществ, чем другие. Достоинством электродиализной установки является деминерализация технологических растворов с высоким содержанием сухих веществ (концентрированная сыворотка, желатин, сахарная патока, сироп цикория, глицерин) и переносимость. Производительность выбранной электродиализной установки позволяет довести концентрированный объем до уровня деминерализации 80% примерно за 1 час. В работе подробно описана схема линии концентрирования для ООО «ВЕКША» и ООО «ЧС «ВЕРО» с получением сухого сывороточного концентрата, включающая ультрафильтрационный аппарат трубчатого типа. Так же обоснована величина, определяемая соотношением полученных результатов производства продукции и затрат труда и средств на производство подсырной сыворотки для ООО «ЧС «ВЕРО» и ООО «ВЕКША». Ожидаемый экономический эффект от внедрения линии составит 4200 тыс. руб. для ООО «ВЕКША» и 980 тыс. руб. для ООО «ЧС «ВЕРО» в год в ценах 2021 года.

The paper proposes an engineering calculation method, on the basis of which it was proposed to use three ultrafiltration units connected in series for the ultrafiltration separation of cheese whey components. These installations operated in a continuous cycle, which contained membrane devices with the calculated parameters. This paper describes a scheme for obtaining whey protein concentrate from cheese whey formed during the processing of milk into rennet cheese. The scheme works on a tubular ultrafiltration apparatus - it was accepted for development at ChS VERO LLC. In our proposed scheme, an electrodialysis unit is used, since this unit has more advantages than others. The advantage of the electrodialysis unit is the demineralization of technological solutions with a high dry matter content (concentrated whey, gelatin, sugar syrup, chicory syrup, glycerin) and tolerance. The productivity of the selected electrodialysis plant allows the concentrated volume to be brought to a demineralization level of 80% in about 1 hour. The work describes in detail the scheme of the concentration line for LLC "VEKSHA" and LLC "ChS" VERO "with obtaining dry whey concentrate, including a tube-type ultrafiltration apparatus. Also substantiated is the value determined by the ratio of the results of production and labor costs and funds for the production of cheese whey for LLC "ChS" VERO "and LLC" VEKSHA ". The expected economic effect from the introduction of the line will be 4200 thousand rubles. for LLC "VEKSHA" and 980 thousand rubles. for LLC "ChS" VERO "per year in prices of 2021.

ультрафильтрацияподсырная сывороткамембранадеминерализацияэлектродиализустановкаultrafiltrationcheese wheymembranedemineralizationelectrodialysisinstallationReferencesПат. № 2685091, RU, B01D 61/46. Электробаромембранный аппарат трубчатого типа / Лазарев С.И., Ковалев С.В., Родионов Д.А. № 2018128897; Заявл. 06.08.2018; Опубл. 16.04.2019, Бюл. № 11.Lazarev S.I., Kovalev S.V., Rodionov D.A. Electrobaromembrane apparatus of tubular type. Patent RF, no. 2685091, 2019. (in Russian).Волкова Т.А., Свириденко Ю.Я. Перспективные направления переработки молочной сыворотки // Переработка молока. 2014. №. 5. С. 6–9.Volkova T.A., Sviridenko Yu.Ya. Perspective directions of milk whey processing. Milk processing. 2014. no. 5. pp. 6–9. (in Russian).Menchik P., Moraru C.I. Nonthermal concentration of liquid foods by a combination of reverse osmosis and forward osmosis. Acid whey: A case study // Journal of Food Engineering. 2019. V. 253. P. 40–48.Menchik P., Moraru C.I. Nonthermal concentration of liquid foods by a combination of reverse osmosis and forward osmosis. Acid whey: A case study. Journal of Food Engineering. 2019. vol. 253. pp. 40–48.Dufton G. et al. Positive impact of pulsed electric field on lactic acid removal, demineralization and membrane scaling during acid whey electrodialysis // International journal of molecular sciences. 2019. V. 20. №. 4. P. 797.Dufton G. et al. Positive impact of pulsed electric field on lactic acid removal, demineralization and membrane scaling during acid whey electrodialysis. International journal of molecular sciences. 2019. vol. 20. no. 4. pp. 797.Богомолов В.Ю. и др. Повышение эффективности мембранного концентрирования подсырной сыворотки // Вестник российских университетов. Математика. 2014. Т. 19. №. 3.Bogomolov V.Yu. er al. Increasing the efficiency of membrane concentration of cheese whey. Bulletin of Russian universities. Mathematics. 2014. vol. 19. no. 3. (in Russian).Шипулин В.И., Стрельченко А.Д. Использование белковоуглеводных препаратов на основе изомеризованной деминерализованной молочной сыворотки в колбасном производстве // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. 2011. №. 2. С. 137–140.Shipulin V.I., Strelchenko A.D. The use of protein-carbohydrate preparations based on isomerized demineralized milk whey in sausage production. Bulletin of the North Caucasus State Technical University. 2011. no. 2. pp. 137–140. (in Russian).Damar I., Cinar K., Gulec H.A. Concentration of whey proteins by ultrafiltration: Comparative evaluation of process effectiveness based on physicochemical properties of membranes // International Dairy Journal. 2020. V. 111. P. 104823. doi: 10.1016/j.idairyj.2020.104823Damar I., Cinar K., Gulec H.A. Concentration of whey proteins by ultrafiltration: Comparative evaluation of process effectiveness based on physicochemical properties of membranes. International Dairy Journal. 2020. vol. 111. pp. 104823. doi: 10.1016/j.idairyj.2020.104823Yogarathinam L.T., Gangasalam A., Ismail A.F., Arumugam S. et al. Concentration of whey protein from cheese whey effluent using ultrafiltration by combination of hydrophilic metal oxides and hydrophobic polymer // Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2018. V. 93. №. 9. P. 2576-2591. doi: 10.1002/jctb.5611Yogarathinam L.T., Gangasalam A., Ismail A.F., Arumugam S. et al. Concentration of whey protein from cheese whey effluent using ultrafiltration by combination of hydrophilic metal oxides and hydrophobic polymer. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2018. vol. 93. no. 9. pp. 2576-2591. doi: 10.1002/jctb.5611Mansor E.S., Ali E.A., Shaban A.M. Tight ultrafiltration polyethersulfone membrane for cheese whey wastewater treatment // Chemical Engineering Journal. 2021. V. 407. P. 127175. doi: 10.1016/j.cej.2020.127175Mansor E.S., Ali E.A., Shaban A.M. Tight ultrafiltration polyethersulfone membrane for cheese whey wastewater treatment. Chemical Engineering Journal. 2021. vol. 407. pp. 127175. doi: 10.1016/j.cej.2020.127175Kuku?ka M.?., Kuku?ka N.M. Investigation of whey protein concentration by ultrafiltration elements designed for water treatment // Hemijska industrija. 2013.V. 67. №. 5. P. 835-842. doi: 10.2298/HEMIND121016008KKuku?ka M.?., Kuku?ka N.M. Investigation of whey protein concentration by ultrafiltration elements designed for water treatment. Hemijska industrija. 2013. vol. 67. no. 5. pp. 835-842. doi: 10.2298/HEMIND121016008KWen-Qiong W., Lan-Wei Z., Xue H., Yi L. Cheese whey protein recovery by ultrafiltration through transglutaminase (TG) catalysis whey protein cross-linking // Food chemistry. 2017. V. 215. P. 31-40. doi: 10.1016/j.foodchem.2016.07.057Wen-Qiong W., Lan-Wei Z., Xue H., Yi L. Cheese whey protein recovery by ultrafiltration through transglutaminase (TG) catalysis whey protein cross-linking. Food chemistry. 2017. vol. 215. pp. 31-40. doi: 10.1016/j.foodchem.2016.07.057Torkamanzadeh M., Jahanshahi M., Peyravi M., Shokuhi Rad A. Comparative experimental study on fouling mechanisms in nano-porous membrane: cheese whey ultrafiltration as a case study // Water Science and Technology. 2016. V. 74. №. 12. P. 2737-2750. doi: 10.2166/wst.2016.352Torkamanzadeh M., Jahanshahi M., Peyravi M., Shokuhi Rad A. Comparative experimental study on fouling mechanisms in nano-porous membrane: cheese whey ultrafiltration as a case study. Water Science and Technology. 2016. vol. 74. no. 12. pp. 2737-2750. doi: 10.2166/wst.2016.352Macedo A., Duarte E., Fragoso R. Assessment of the performance of three ultrafiltration membranes for fractionation of ovine second cheese whey // International Dairy Journal. 2015. V. 48. P. 31-37. doi: 10.1016/j.idairyj.2014.12.003Macedo A., Duarte E., Fragoso R. Assessment of the performance of three ultrafiltration membranes for fractionation of ovine second cheese whey. International Dairy Journal. 2015. vol. 48. pp. 31-37. doi: 10.1016/j.idairyj.2014.12.003Arunkumar A., Etzel M.R. Negatively charged tangential flow ultrafiltration membranes for whey protein concentration // Journal of Membrane Science. 2015. V. 475. P. 340-348. doi: 10.1016/j.memsci.2014.10.049Arunkumar A., Etzel M.R. Negatively charged tangential flow ultrafiltration membranes for whey protein concentration. Journal of Membrane Science. 2015. vol. 475. pp. 340-348. doi: 10.1016/j.memsci.2014.10.049Al-Mutwalli S.A., Dilaver M., Koseoglu-Imer D.Y. Performance Evaluation of Ceramic Membrane on Ultrafiltration and Diafiltration Modes for Efficient Recovery of Whey Protein // Journal of Membrane Science and Research. 2020. V. 6. №. 2. P. 138-146. doi: 10.22079/JMSR.2019.115152.1295Al-Mutwalli S.A., Dilaver M., Koseoglu-Imer D.Y. Performance Evaluation of Ceramic Membrane on Ultrafiltration and Diafiltration Modes for Efficient Recovery of Whey Protein. Journal of Membrane Science and Research. 2020. vol. 6. no. 2. pp. 138-146. doi: 10.22079/JMSR.2019.115152.1295Rama G.R., Timmers L.F.S.M., Volken de Souza C.F. Ultrafiltration of cheese whey: achieving high protein rejection and sustaining membrane efficiency // Journal of Food Processing and Preservation. 2021. V. 45. №. 11. P. e15908. doi: 10.1111/jfpp.15908Rama G.R., Timmers L.F.S.M., Volken de Souza C.F. Ultrafiltration of cheese whey: achieving high protein rejection and sustaining membrane efficiency. Journal of Food Processing and Preservation. 2021. vol. 45. no. 11. pp. e15908. doi: 10.1111/jfpp.15908Hinkova A. et al. Potential of membrane separation processes in cheese whey fractionation and separation // Procedia Engineering. 2012. V. 42. P. 1425-1436. doi: 10.1016/j.proeng.2012.07.536Hinkova A. et al. Potential of membrane separation processes in cheese whey fractionation and separation. Procedia Engineering. 2012. vol. 42. pp. 1425-1436. doi: 10.1016/j.proeng.2012.07.536Corbat?n-B?guena M.J., ?lvarez-Blanco S., Vincent-Vela M.C. Evaluation of fouling resistances during the ultrafiltration of whey model solutions // Journal of Cleaner Production. 2018. V. 172. P. 358-367. doi: 10.1016/j.jclepro.2017.10.149Corbat?n-B?guena M.J., ?lvarez-Blanco S., Vincent-Vela M.C. Evaluation of fouling resistances during the ultrafiltration of whey model solutions. Journal of Cleaner Production. 2018. vol. 172. pp. 358-367. doi: 10.1016/j.jclepro.2017.10.149Evdokimov I.A. et al. Ultrafiltration concentrating of curd whey after electroflotation treatment // Foods and Raw materials. 2017. V. 5. №. 1.Evdokimov I.A. et al. Ultrafiltration concentrating of curd whey after electroflotation treatment. Foods and Raw materials. 2017. vol. 5. no. 1.Pontonio E., Montemurro M., De Gennaro G.V., Miceli V. et al. Antihypertensive Peptides from Ultrafiltration and Fermentation of the Ricotta Cheese Exhausted Whey: Design and Characterization of a Functional Ricotta Cheese // Foods. 2021. V. 10. №. 11. P. 2573. doi: 10.3390/foods10112573Pontonio E., Montemurro M., De Gennaro G.V., Miceli V. et al. Antihypertensive Peptides from Ultrafiltration and Fermentation of the Ricotta Cheese Exhausted Whey: Design and Characterization of a Functional Ricotta Cheese. Foods. 2021. vol. 10. no. 11. pp. 2573. doi: 10.3390/foods10112573

The authors declare that there are no conflicts of interest present.