Linia produkcyjna bezwodnego tłuszczu mlecznego (AMF)

Przegląd

Podstawowym celem procesu wytwarzania AMF jest rozbicie emulsji oleju w wodzie oraz oddzielenie wszystkich niemlecznych składników tłuszczu. Istnieją dwa warianty: wytwarzanie bezpośrednie za pomocą odtłuszczania mleka surowego, po którym następuje dalsze przetworzenie/zagęszczenie śmietany lub pozyskiwanie z masła. W wyniku elastycznego procesu oraz automatyzacji śmietana, a także masło ze słodkiej lub kwaśnej śmietany mogą być użyte jako podstawowe surowce do wytwarzania AMF.

Proces wytwarzania AMF ze śmietany
Proces wytwarzania AMF ze śmietany

Na schemacie procesu pokazano wytwarzanie AMF ze śmietany.

Zastosowane może zostać również NaOH, aby umożliwić zmniejszenie zawartości wolnych kwasów tłuszczowych. Do panelu sterowania instalacją wprowadzić można różne parametry i zmienne procesu zależne od stosowanych materiałów i jakości; te parametry i zmienne procesu pozwalają automatycznie dostosować wszystkie regulacje i funkcje, aby spełnić wymogi konkretnego produktu.

Proces standardowy

Śmietana o zawartości tłuszczu około 40% zostaje wprowadzona do instalacji i wstępnie ogrzana w płytowym wymienniku ciepła do temperatury od 55°C do 60°C. Taka temperatura jest wymagana, aby zapewnić, że zagęszczana w bębnie wirówki śmietana będzie mieć minimalną lepkość, a równocześnie gęstość znacznie różniącą się od fazy zagęszczonej śmietany i fazy serum. Następnie śmietana jest zagęszczana w zagęszczaczu śmietany do 75% tłuszczu. Koncentrat jest teraz przesyłany do procesu inwersji faz. Oddzielone serum, po schłodzeniu i odzyskaniu ciepła, jest wypompowywane z separatora do zbiornika na maślankę. Oznacza to, że ciepłe jeszcze serum jest używane do odzyskania ciepła, co pozytywnie wpływa na wydajność energetyczną całego systemu.

Tak jak w wypadku wytwarzania masła podstawowym celem jest rozbicie i oddzielenie błony drobinek tłuszczu, aby uzyskać inwersję faz. Błony komórek tłuszczu można rozbić za pomocą energii mechanicznej. Proces uwalniania tłuszczu oraz powiązany proces konwersji faz odbywa się poprzez rozrywanie nienaruszonych drobinek tłuszczu. Odbywa się to metodą mechaniczną w homogenizatorze. W celu uzyskania skutecznej konwersji faz niezwykle ważne są następujące aspekty: zagęszczanie śmietany podczas zasilania homogenizatora, konstrukcja homogenizatora, ciśnienie homogenizacji oraz specjalna recyrkulacja czynnika poddanego inwersji faz.

W zagęszczaczu oleju niższego szczebla emulsja i serum, jako faza ciężka, są oddzielane od lekkiej fazy oleju i kierowane z powrotem do etapu zagęszczania śmietany. Z drugiej strony, lekka faza oleju o zagęszczeniu do 99% jest podgrzewana do temperatury około 90°C i zmywana po dodaniu wody. Woda czyszcząca w urządzeniu do oczyszczania oleju jest oddzielana od pozostałej zawartości wody, a jej objętość jest zmniejszana w wyparce próżniowej. Na tym etapie procesu odzyskany olej maślany ma zawartość tłuszczu na poziomie co najmniej 99,8% i spełnia jednocześnie wymogi kategorii najwyższej jakości. Zanim AMF zostanie zmagazynowany, jest chłodzony do temperatury około 50°C.

Zagęszczanie śmietany

Zagęszczacz śmietany
Zagęszczacz śmietany

Proces zagęszczania śmietany przebiega w specjalnie przystosowanych separatorach mleka, które nadają się do zagęszczania lepkiej śmietany. Wstępnie ogrzana śmietana jest przenoszona z płytowego wymiennika ciepła bezpośrednio do separatora. W separatorze odbywa się zagęszczenie od 35% — 42% do 72% — 75% tłuszczu. Zawartość tłuszczu musi osiągnąć minimalną wartość, aby procesy niższego szczebla mogły zostać przeprowadzone w sposób optymalny. Śmietana o wysokiej lepkości jest kierowana bezpośrednio najkrótszą drogą do tak zwanego zbiornika na wysoką zawartość tłuszczu, który pełni funkcję bufora przed homogenizatorem i inwersją faz. Oddzielone serum jest przesyłane do zbiornika zasobnikowego po odzyskaniu ciepła i ostatecznym schłodzeniu.

Inwersja faz

Inwersja faz
Inwersja faz

W tym normalnym stanie tłuszcz mleczny tworzy stabilną emulsję z wodą typu olej w wodzie. Aby ustabilizować emulsję, tłuszcz jest otaczany adsorpcyjną powłoką fosfolipidów i białek. 

Celem produkcji AMF jest doprowadzenie do rozpadu tej emulsji oraz oddzielenie wszystkich niemlecznych składników tłuszczu. Błonę można rozbić za pomocą energii mechanicznej lub reakcji chemicznej. Do rozrywania błon stosowana jest energia mechaniczna (np. homogenizacja). Mniejsze drobinki tłuszczu są formowane przez nowe błony, które są z kolei tworzone poprzez fragmentację pierwotnych błon oraz z białek obecnych w serum mleka.

Redukcja drobinek tłuszczu jest też na przykład stosowana podczas przetwarzania mleka spożywczego, aby zapobiec efektowi tak zwanego „powstawania śmietanki”.

W wypadku tego procesu nie jest możliwa pełna inwersja faz. Ponadto z istniejącej ilości śmietany i części serum tworzona jest stosunkowo stabilna warstwa emulsji; powstrzymuje to separację, gdyż powstaje trzecia warstwy pomiędzy fazami oleju i serum.

Aby zminimalizować skalę odwracalnego procesu tworzenia się nowych, nienaruszonych drobinek tłuszczu, należy podjąć specjalne kroki.

Dotyczy to minimalizowania zawartości emulsji: trzy frakcje, mianowicie tłuszcze, fosfolipidy i białka, są w dużym stopniu odpowiedzialne za stabilność emulsji. Jeśli usunięta zostaje jedna z trzech frakcji albo gdy zostaje ona zmieniona w takim stopniu, że nie może już być stosowana jako budulec błon, wtedy tworzenie się nienaruszonych drobinek tłuszczu i emulsji jest niemożliwe.

Jeśli wszystkie wyżej wspomniane parametry przełożymy na inwersję faz, będą one skutkowały stopniem inwersji na poziomie 80% — 95%.

W przeciwieństwie do standardowej homogenizacji celem nie jest zmniejszenie rozmiaru drobinek tłuszczu, ale zniszczenie błon czy powłok, aby można było odzyskać tłuszcz. Dlatego jest ważne, aby zapobiec tworzeniu się drobinek tłuszczu z nienaruszonymi nowymi błonami.

Początkowy wniosek jest taki, że ilość serum należy zminimalizować przed rozpoczęciem właściwej produkcji oleju, aby ograniczyć ilość dostępnego budulca błon.

Żeby więc osiągnąć właściwy poziom uwalniania tłuszczu, wymagana jest zawartość tłuszczu na poziomie ponad 75%, którą uzyskuje się w zagęszczaczu śmietany. Uwalnianie tłuszczu oraz inwersja faz są przeprowadzane za pomocą mechanicznej fragmentaryzacji nienaruszonych drobinek tłuszczu w homogenizatorze.

Inwersja faz — Homogenizator

Zagęszczanie oleju

Zagęszczacz oleju
Zagęszczacz oleju

Po inwersji faz, dalsze zagęszczanie tłuszczu przebiega na drodze kolejnego etapu oddzielania, następuje zagęszczanie oleju. W przeciwieństwie do pierwszego etapu zagęszczania etap ten nie jest już przeprowadzany w klasycznym separatorze mleka, lecz w specjalnym separatorze oleju. W przeciwieństwie do separatora odtłuszczającego konfiguracja zestawu tarcz jest zupełnie inna. Po pierwsze ma to związek ze zmienionymi objętościami, faza tłuszczu stanowi teraz większą część, a po drugie na znaczeniu zyskuje aspekt czystości oleju.

Staje się to oczywiste, kiedy patrzymy na przekrój poprzeczny misy w separatorze oleju. Kanały wznoszące są skierowane ku zewnętrznej krawędzi, aby możliwe było osiągnięcie maksymalnie długiego toru przelotu oleju, żeby zapewnić wyższy poziom czystości. Olej musi być tak wolny od białek jak to możliwe, aby uniknąć powtórnej emulsyfikacji na etapie dalszego przetwarzania. Na tym etapie procesu kwestia zawartości tłuszczu w serum ma drugorzędne znaczenie.

Na tym etapie produkt jest zagęszczany od około 72% — 75% tłuszczu do około 99% tłuszczu. Faza emulsji, o której mowa powyżej, i serum są oddzielane jako faza ciężka. Sama emulsja jest oddzielana za pomocą bębna o specjalnym projekcie. 

W zależności od proporcji wolnego tłuszczu wyprodukowanego przez inwersję faz zawartość tłuszczu w serum wynosi od 15% do 25%. W związku z poprzednim etapem inwersji faz, serum tego separatora zawiera bardzo wysokie stężenie fosfolipidów i lecytyny, porównywalne z maślanką pochodzącą z klasycznego procesu ubijania masła. 

Serum jest doprowadzane do zbiornika wyrównawczego przed zagęszczaczem śmietany. Dzięki temu tłuszcz jest ponownie oddzielany od serum w trakcie zagęszczania śmietany. Odtłuszczone w ten sposób serum jest odprowadzane z procesu jako faza mieszana, co oznacza, że produkowana jest jedynie frakcja serum. Przed następnym krokiem oddzielania zagęszczony olej jest podgrzewany do właściwej temperatury procesu wielkości około 90°C.

Oczyszczanie oleju

Skład oczyszczonego i nieoczyszczonego oleju
Skład oczyszczonego i nieoczyszczonego oleju

Koncentrat i podgrzany olej są „oczyszczane” na ostatnim etapie oddzielania. Etap ten gwarantuje wysoki stopień czystości AMF, który jest wymagany na podstawie odpowiednich norm. Na rysunku powyżej u góry widać skład oleju nieoczyszczonego, a na dole skład oczyszczonego oleju.

Aby osiągnąć jeszcze większy stopień „oczyszczenia” oleju, do zagęszczonego oleju dodawana jest określona ilość gorącej wody. Woda rozcieńcza zagęszczony olej, a w efekcie również wciąż obecną zawartość laktozy i popiołu.

Dodana woda jest natychmiastowo oddzielana ponownie w tak zwanym separatorze oczyszczającym. Oczyszczony i zagęszczony w ten sposób olej tężeje do zawartości około 99% tłuszczu. Oddzielona mieszanina serum-woda zawiera wciąż oddzielane składniki mleka oraz bardzo niską zawartość tłuszczu z dodatkiem wody. Aby zagwarantować stężenie wody w oleju na poziomie niższym niż 0,1%, olej jest przesyłany na ostatni etap procesu przed schłodzeniem i zapakowaniem.

Suszenie oleju / Suszarnia podciśnieniowa

Olej o temperaturze 90°C jest doprowadzany do suszarni podciśnieniowej po procesie oczyszczania. Mechanizm wlotowy produktu zaprojektowano tak, aby miał jak największą powierzchnię, a w efekcie dobrze odparowywał wodę z oleju. Zainstalowany zagęszczacz i pompa podciśnienia zmniejszają ciśnienie w naczyniu do około -0,9 bara, aby woda była odparowywana w temperaturze poniżej 100°C. Ta sama pompa zasysa wyprodukowaną parę. Przed odprowadzeniem z obiegu zamkniętego zachodzi proces chłodzenia błyskawicznego. Ewentualne resztki tłuszczu, usuwane razem z oparami, są oddzielane w zbiorniku odtłuszczającym i nie obciążają instalacji do oczyszczania ścieków.

Olej jest oddzielany z dolnej część wyparki i przesyłany/pompowany na etap chłodzenia.

Redukcja FFA

Obecne w oleju końcowym FFA (= wolne kwasy tłuszczowe) przekładają się zazwyczaj na utratę jakości. Ponadto normy IDF regulują maksymalny limit zawartość FFA (rysunek 1). Jeżeli zawartość FFA musi zostać zmniejszona, na przykład z powodu zbyt wysokich wartości początkowych, można to osiągnąć za pomocą metod fizycznych i chemicznych.

Wolne kwasy tłuszczowe to tłuszcze krótkołańcuchowe, takie jak kwas masłowy, kwas kaprynowy i kwas karminowy. Występują problemy ze smakiem (jełczenie) i/lub zapachem, jeżeli powyższe składniki są obecne w dużych stężeniach.

Wolne kwasy tłuszczowe powstają w wyniku procesu, w którym enzymy lipazy przyczepiają się do błony drobinek tłuszczu i wraz z upływem czasu rozbijają wolne tłuszcze. Należy wziąć pod uwagę, że

aktywność enzymów jest bardzo niska w niskich temperaturach. Maksymalna aktywność ma miejsce w temperaturze około 37°C. Gdy przekroczone zostaje 50°C, aktywność jest minimalna, i zostaje całkowicie zahamowana w wyższej temperaturze (> 60°C). Biorąc pod uwagę, że w produkcie początkowym, to znaczy w maśle i śmietanie, obecne jest stosunkowo wysokie stężenie FFA, konieczne może okazać się podjęcie specjalnych kroków, aby usunąć wolne kwasy tłuszczowe z produktu.

Do redukcji zawartości FFA stosowany może być proces zmydlania. Dodatek ługu (wartość pH produktu > 11) sprawia, że wolne kwasy tłuszczowe ulegają zmydleniu.

Powstała frakcja flokulacji może być następnie oddzielona w separatorze oczyszczającym. Wyprodukowana faza musi zostać całkowicie usunięta z procesu.

Nadtlenki wodoru

Na jakość oleju maślanego wpływają również nadtlenki wodoru, których wskaźnik wyraża miliekwiwalenty tlenu Owiązanego przez nadtlenek w kilogramie oleju. Oksydacja tłuszczu, która już nastąpiła, nie może zostać zasadniczo zmniejszona; może jednak zostać ograniczona lub utrzymana na stałym poziomie przez pewien czas. Osiąga się to poprzez dodanie tak zwanych przeciwutleniaczy.

Przeciwutleniacze to dodatki zapobiegające zwiększeniu liczby nadtlenków wodoru w oleju i do pewnego stopnia zmniejszają obecne już wartości nadtlenków wodoru. Użyć można na przykład tokoferolu.

Ostateczne stężenie tokoferolu w oleju maślanym musi być mniejsze niż 200 ppm. GEA wie, jak przygotowywać i dodawać substancje tego rodzaju.

Odtłuszczanie wtórne

Odtłuszczanie wtórne w zestawieniu z procesem standardowym

Serum beta — Odtłuszczanie wtórne

Podczas odśrodkowego oddzielania produktu większość wolnych fosfolipidów migruje do serum. Z tego powodu konieczne jest oszacowanie zawartości fosfolipidów, aby ustalić wielkość „fazy ciężkiej” pozyskiwanej z procesu oleju maślanego. Zazwyczaj stosowany jest krem pasteryzowany. Główną różnicą w odniesieniu do procesu standardowego jest fakt, że faza serum jest wykorzystywana ponownie, podczas gdy fosfolipidy są uwalniane z błon drobinek tłuszczu podczas procesu inwersji faz.

W przeciwieństwie do procesu standardowego oddzielne odtłuszczanie separatora serum od zagęszczacza oleju następuje tutaj. Serum z separatora oleju jest gromadzone w zbiorniku buforowym i odprowadzane stamtąd do tak zwanego odtłuszczacza serum beta. Oddzielany tu tłuszcz jest kierowany bezpośrednio do właściwego procesu wytwarzania AMF, do zbiornika na wysoką zawartość tłuszczu. 

Ten wariant procesu ma dwie wielkie korzyści: pierwszą z nich jest oddzielne chłodzenie po wtórnym odtłuszczaniu, dzięki czemu oddzielnie dostępne jest serum beta, które ma szczególnie wysoką zawartość fosfolipidów i jest doskonałą podstawą dla produktów specjalnych. Po drugie osobny proces wtórnego odtłuszczania odciąża właściwy zagęszczasz śmietany. W rezultacie do tej samej objętości oleju użyć można mniejszego urządzenia, a w wypadku istniejących instalacji poprzez zastosowanie wtórnego odtłuszczania uzyskać można wyższą objętość oleju. 

W procesie tym serum alfa nie jest mieszane z serum beta i ma w związku z tym bardzo małą zawartość fosfolipidów w porównaniu z procesem standardowym. Tym samym serum można porównać z odtłuszczonym mlekiem; należy jednak pamiętać, że zawartość tłuszczu jest odrobinę wyższa w porównaniu do mleka odtłuszczonego, ponieważ pewna proporcja tłuszczu przechodzi do fazy serum podczas zagęszczania śmietany.

Proces z masłem

Jeżeli produktem początkowym jest masło, obecna jest już emulsja wody w oleju. Częściowa inwersja faz następuje w trakcie procesu ubijania. Produkt wyjściowy ma kluczowe znaczenie dla projektu instalacji. Zasadniczo instalacja do przetwarzania śmietany nadaje się również do oddzielania roztopionego masła.

Masło ze słodkiej śmietany

Kiedy przetwarzane ma być masło ze słodkiej śmietany o pH około 6,5 i nie wolno używać żadnych „substancji chemicznych” (np. kwasku cytrynowego) do denaturacji białek, należy wziąć pod uwagę warstwę emulsji.

Odwirowanie i zniszczenie tej warstwy można przeprowadzać wyłącznie w specjalnie zaprojektowanych separatorach i za pomocą inwersji faz. Metoda obsługi separatora ma kluczowy wpływ na proces, wymagany jest sprzęt dodatkowy i skuteczność instalacji. Do przetwarzania masła ze słodkiej śmietany konieczne jest użycie separatora, który pozwala zagęścić do 99,5% tłuszczu. Emulsja musi zostać odprowadzona wraz z fazą serum.

Roztopione masło, np. zmieszane z BXA, jest zazwyczaj pompowane bezpośrednio do zbiornika na wysoką zawartość tłuszczu. Bloki masła są wyjmowane z chłodni w temperaturze na przykład -20°C i roztapiane w przeznaczonej do tego instalacji. Temperatura produktu w zbiorniku buforowym, w zależności od konstrukcji instalacji, wynosi pomiędzy 45°C a 65°C. Temperatura produktu rośnie do 70°C — 75°C w płytowym wymienniku ciepła. 

Do zminimalizowania frakcji emulsji wymagana jest inwersja faz za pomocą homogenizatora. W zagęszczaczu oleju odbywa się separacja 99% tłuszczu. Faza ciężka, mieszanka maślanki i pozostałych drobinek emulsji, jest kierowana do separatora odtłuszczającego.

Faza oleju (lekka) jest podgrzewana do około 90°C, a następnie ponownie oddzielana w dalszym separatorze. Zanim olej zostanie doprowadzony do separatora oczyszczającego, dodawana jest woda, która poprawia jego jakość.

Dalsze etapy procesowe są porównywalne z procesami, które zostały już opisane. Ponieważ brakuje zagęszczacza śmietany, bardzo zalecane jest wtórne odtłuszczenie fazy serum po zagęszczeniu oleju. Kiedy przetworzone ma zostać masło z kwaśnej śmietany o pH od 4,6 do 4,5 ze zwiększoną zawartością białka, użyć można dekantera. Możliwe jest osobne zagęszczenie cząstek stałych.

W każdym wypadku separator (separator oczyszczający) musi być zainstalowany niżej, aby zwiększyć zagęszczenie tłuszczu do 99,5%.

Masło solone

Ilość solonego masła używanego w charakterze surowca do produkcji oleju maślanego od kilku lat stabilnie rośnie. Sól usuwana jest wraz z maślanką w procesie separacji odśrodkowej. Zagęszczenie soli w maślance rośnie do około 10%, jeżeli pierwotna zawartość soli w maśle wynosiła przykładowo 2%. Dalsze przetwarzanie solonej maślanki jest ograniczone.

Fazę emulsji w solonym maśle ze słodkiej śmietany można „rozbić” poprzez dodanie kwasku cytrynowego. Jednocześnie białko w maśle zostaje denaturowane. Obrobiony surowiec zachowuje się w taki sam sposób jak masło z kwaśnej śmietany.

Roztopione masło, do którego dodano kwas, zyskuje pH o wartości 4,5 – 4,6. Przy takim pH denaturacji ulegają nie tylko wolne białka, gdyż dodatkowo zmianie ulegają białka w nienaruszonej błonie drobinek tłuszczu, przez co błona zostaje przerwana, a emulsja zniszczona. Następnie pozyskiwany jest łatwo oddzielany osad z dodatkiem czystej wody i fazy oleju. W przeciwieństwie do „prawdziwego” masła z kwaśnej śmietany zawartość osadu jest znacznie niższa. Po pierwsze wolna od tłuszczu warstwa sucha (która w części jest zbudowana z białek) jest mniejsza w wypadku masła ze słodkiej śmietany niż w wypadku masła z kwaśnej śmietany.

Procesy specjalne / Rozwiązania specjalne

Poza opisanymi procesami na niektórych obszarach wymagane jest zastosowanie specjalnych rozwiązań, aby zrealizować wszystkie wymogi.

Proces seryjny

Do przetwarzania niewielkich ilości śmietany używać można systemu zbudowanego z dwóch separatorów. Poza separatorem śmietany używany jest tylko jeden separator oleju, nie dwa.

Aby w tym systemie wyprodukować AMF, proces musi przejść przez instalację dwukrotnie. Na pierwszym etapie / w pierwszej serii śmietana jest zagęszczana, odbywa się inwersja faz, a olej jest zagęszczany.

Produkt pośredni jest przechowywany w dużym zbiorniku buforowym. Gdy zostanie on napełniony, proces jest przerywany i przygotowywana jest druga seria/ drugi etap, bez przetwarzania świeżej śmietany.

Na następnym etapie wcześniej zagęszczony olej jest poddawany takim samym procedurom jak świeży produkt wcześniej. Podgrzewacz śmietany z pierwszego etapu jest wykorzystywany do tego, aby podgrzać olej do 90°C. 

Użyty wcześniej zagęszczacz oleju jest używany jako urządzenie do oczyszczania na drugim etapie, a produkt pośredni z pierwszego etapu zyskuje jakość AMF.

Dalsze etapy są takie same jak w wypadku pierwotnego procesu.

Produkcja masła Ghi

Linie technologiczne do masła Ghee
Linie technologiczne do masła Ghee

Ghi, znane również jako masło klarowane, jest jednym z najważniejszych źródeł tłuszczu w wielu regionach świata i popularnym składnikiem w kuchni indyjskiej, pakistańskiej i afrykańskiej.

Aby wyprodukować masło Ghi, proteiny muszą pozostać w produkcie tak długo jak to możliwe w przeciwieństwie do AMF oraz zostać poddane obróbce termicznej w taki sposób, aby uzyskać wymagany smak.

Klasyczną metodą jest podgrzanie i zagotowanie masła lub śmietany na ogniu w tak zwanych kotłach warzelnych, aż woda wyparuje, a białka zostaną jednocześnie „spalone” i ulegną denaturacji.

Osad jest następnie oddzielany, a frakcja tłuszczu używana jako masło Ghi.

Aby zwiększyć wydajność i tempo procesu, użyć można prostych separatorów w połączeniu z hydrocyklonami. Po roztopieniu masła i odparowaniu wody przygotowany produkt jest oddzielany od cząstek stałych w odstojniku i wcześniej w cyklonie, aby osiągnąć wysoki poziom czystości w procesie.

Przeprowadzane są etapy pośrednie, takie jak sedymentacja, aby kadzie do gotowania mogły być później wykorzystywane w sposób bardziej wydajny.