Autori: Dr. Ing. Grigorie Lungulescu, Dr. Ing. Mihaela Dana Pop - Almera Internațional Bacău:

Tehnologii inovatoare de prelucrare a laptelui degresat, pentru obținerea concentratelor proteice de tip cazeinat și coprecipitat   Laptele degresat este subprodusul care rezultă în urma standardizării conținutului de grăsime a laptelui de consum, precum și în urma degresării laptelui integral pentru obținerea smântânii. Este un subprodus deosebit de valoros, acesta conținând cea mai mare parte a substanței uscate din laptele integral. Colectivul de cercetare al Fabricii de produse lactate din Bacău a SC ALMERA INTERNATIONAL a desfășurat pe parcursul anilor 2013-2014 cercetări aprofundate la nivel de stație pilot precum și la nivel industrial în vederea valorificării superioare a laptelui degresat prin fabricarea  concentratelor proteice de tip cazeinat și coprecipitat. Rezultatele cercetărilor s-au concretizat prin punerea la punct a tehnologiilor de fabricație a concentratelor proteice de tip cazeinat de sodiu și coprecipitat proteic. Tehnologiile inovative stabilite la nivel de stație pilot au fost aplicate industrial pe linia tehnologica asamblata in secția brânzărie a Fabricii de produse lactate din Bacău.1.Tehnologia de obținere a cazeinatului de sodiu.Cazeinatul de sodiu este un concentrat proteic care valorifica excelent laptele degresat, subprodus care rezultă în industria laptelui la degresarea laptelui integral făcută în scopul fabricării smântânii de consum și a untului. In ultimul timp, pe fondul unor dispute desfășurate în media privind superioritatea smântânii și a untului fata de produsele gen margarina, s-a constatat o orientare din ce în ce mai mare a consumatorilor (mai ales a celor care doresc o alimentație sănătoasă) spre smântâna de consum și spre unt. Aceasta a avut drept consecință creșterea comenzilor comerciale din aceste produse. Pentru a obține o cantitate cat mai mare de smântână, fabrica noastră a degresat din ce în ce mai mult lapte, rezultând cantități apreciabile de lapte degresat, a cărui valorificare nu este întotdeauna foarte simpla. Ca urmare, valorificarea sub forma de concentrate proteice (cazeinat de sodiu și coprecipitat proteic) a laptelui degresat obținut în fabrică a reprezentat pentru noi o oportunitate.   Fabricarea cazeinatului de sodiu presupune desfășurarea următoarelor operații tehnologice:  

• Precipitarea cazeinei din laptele degresat
• Spălarea precipitatului de cazeină
• Solubilizarea precipitatului spălat.

1.1.Precipitarea cazeinei din laptele degresat În cursul cercetărilor au fost examinate toate metodele de separare din laptele degresat a cazeinei, principala proteină prezentă în laptele degresat. Dintre acestea, am examinat în primul rând metodele de separare prin precipitare a cazeinei din laptele degresat prin aducerea acesteia la punctul izoelectric (pH 4,62). Am urmărit în special aspectele legate de precipitarea cazeinei cu acizi anorganici (acidul clorhidric), ca fiind metoda cea mai comodă pentru a fi aplicată la scară industrială. Desigur,operația de precipitare este deosebit de complexă fiind influențată de numeroși factori. Dintre aceștia, am urmărit sa verificăm la nivel de stație pilot următorii factori:  

• Temperatura de precipitare. Cercetările întreprinse au stabilit că temperatura optimă de precipitare a cazeinei din laptele degresat este cuprinsă în intervalul 37-40°C. În experimentările pe care le-am întreprins în fabrică la nivel de stație pilot, am stabilit ca precipitarea la temperaturi mai joase (31-33°C), a avut drept consecință obținerea unui precipitat moale, cu o structură friabilă, însoțită de trecerea în zer a particulelor foarte fine de cazeina, cu repercusiuni directe asupra consumului specific. În schimb, am constatat că pe măsura creșterii temperaturii (35,36,37°C), precipitatul își modifica structura, devenind mai ferm, expulzând mai bine și mai complet zerul. La 39°C precipitatul începe deja să devină fibros, astfel încât am considerat că, la nivel de stație pilot,cea mai potrivită temperatură de precipitare a fost temperatura de 38°C. Continuând experimentările, am constatat că la aceasta temperatură proporția de cazeina care trece în zer este minima și deci randamentul de precipitare la această temperatură este maxim. De asemenea, apreciem că această temperatură este optimă și din punct de vedere energetic. Am constatat de asemenea că la această temperatură consumul de soluție acidă este minim, deci este încă o consecință economică favorabilă.
• pH-ul de precipitare. Experimentările intreprinse de noi au pus în evidență faptul că precipitarea la valori ale pH-ului mai mici decât 4,62 are drept rezultat o creștere liniară a consumului de acid clorhidric, fără a influența în vreun fel randamentul de precipitare. De asemenea, este de presupus că prezența unei cantități sporite de acid clorhidric în precipitatul de cazeină va avea drept rezultat un consum ridicat de soluție alcalină în cursul operației de solubilizare, iar cazeinatul de sodiu rezultat va avea un gust sărat pronunțat. Am constatat de asemenea că precipitarea la valori ale pH-ului mai mari decât 4,62 are drept rezultat o precipitare incompletă și ca urmare se înregistrează pierderi mari de cazeină în zer. In consecință, un pH optim de precipitare a cazeinei din laptele degresat este cel de 4,62 când și randamentul de precipitare este maxim. Concluzionând, putem spune căcercetările desfășurate la nivel de stație pilot au stabilit că parametrii optimi de precipitare sunt: temperatura 38°C și pH 4,62.

1.2.Spălarea precipitatului de cazeină   După precipitarea în condițiile arătate a cazeinei din laptele degresat, zerul este sifonat cât mai rapid posibil, iar precipitatul este spălat cu apă potabilă, pentru a îndepărta toți constituenții zerului. În caz contrar, particulele de precipitat de cazeină vor fi înconjurate de o peliculă protectoare care va împiedica accesul apei de spălare la suprafața particulelor de cazeină. Au fost analizate aspectele legate de eficiența operației de spălare a precipitatului de cazeină. S-au verificat în condiții de stație pilot în mod deosebit aspectele care vor trebui asigurate în practică. Desigur, se urmărește obținerea unei cazeine cat mai pure, fără urme de lactoză sau de săruri minerale deoarece acestea pot deprecia semnificativ calitatea produsului finit (cazeinatul de sodiu). Urmele de lactoză, în contact cu proteinele, pot iniția reacții de imbrunare neenzimatica de tip Maillard, cu deprecierea semnificativă a calității produsului finit. În mod deosebit este afectată culoarea, care virează spre brun. De asemenea, prezența urmelor de săruri are drept consecință un consum mai ridicat de soluție alcalină și o solubilitate mai redusă a precipitatului.   În cursul experimentărilor am urmărit sa stabilim factorii care influențează operația de spălare a precipitatului. Verificările întreprinse la nivel de stație pilot privind eficacitatea operației de spălare în sistem discontinuu au evidențiat că spălarea este cu atât mai eficientă cu cât se fac mai multe spălări și cu cat agitarea este mai intensă. S-a constatat de asemenea că apa de spălare influențează în mare măsură eficacitatea operației, prin temperatura și pH-ul ei. Astfel, s-a constatat ca cele mai bune rezultate s-au obținut atunci când a fost folosită o apă de spălare având temperatura identică cu cea a precipitatului. În aceste condiții procesul de transfer termic are loc foarte rapid, transferul de masă fiind cel care condiționează viteza de îndepărtare a componentelor zerului din granulele de precipitat.   Durata operației de spălare. Din experimentările efectuate la nivel de stație pilot, am constatat că este de dorit ca apa de spălare sa fie îndepărtată cât mai rapid, pentru a se evita realizarea unui echilibru intre precipitat și apa de spălare, cu consecințe negative asupra eficacității operației de spălare. O durata de 15-20 min (în cazul încare spălarea se face în regim discontinuu), este suficientă pentru prima și pentru a doua apa de spălare. Depășirea acestei durate de timp are influență negativă asupra calității produsului finit. Practic, în cursul experimentărilor efectuate la nivel de stație pilot, s-a constatat că prelungirea duratei de spălare, în regim discontinuu are drept consecință trecerea în apele de spălare a proteinelor din precipitatul de cazeină, însoțită evident de scăderea randamentului.   pH-ul apei de spălare. Din experimentările efectuate s-a stabilit că pentru a există un echilibru care să favorizeze procesul de îndepărtare a componentelor zerului, pH-ul apei de spălare trebuie să fie mai ridicat decat cel al precipitatului. Astfel,spălarea precipitatului cu o apă de spălare care are un pH de 4,5 are drept consecință menținerea pH-ului precipitatului la valori reduse, având drept consecință o creștere a consumului de soluție alcalină în cursul operației de solubilizare. De asemenea,utilizarea unei ape de spălare cu pH mai mare decat 7 determină pierderea în apa de spălare a unei părți din substanțele proteice, ca urmare a înmuierii și redispersării precipitatului. În acest din urmă caz există totuși și un avantaj, legat de micșorarea consumului de soluție alcalină în cursul operației ulterioare de solubilizare a precipitatului.   Influența dimensiunilor particulelor de precipitat. Din determinările experimentale s-a stabilit că mărunțirea avansată a precipitatului de cazeină determină mărirea vitezei cu care constituenții zerului trec în apa de spălare. Pe de altă parte, mărunțirea avansată a precipitatului are drept consecință pierderea unei cantități importante de precipitat în apele de spălare.   Influența gradului de agitare a apei de spălare. Din experimentări s-a constatat că pentru asigurarea unui proces rapid de difuzie a componentelor zerului în apa de spălare, este necesară o agitare energică a amestecului de particule de precipitat în apa de spălare, care are drept efect îndepărtarea permanentă de la suprafața particulelor de precipitat a stratului de apă în care diferența de concentrație a devenit nulă. Având învedere faptul că menținerea amestecului în agitare se realizează cu ajutorul unui agitator adecvat, turația acestuia va fi cea care are consecințe vizibile în procesul respectiv. O turație a agitatorului în jurul valorii de 60 rot/min. este suficientă pentru a asigura eficiența operației. 1.3.Solubilizarea precipitatului de cazeină   Precipitatul de cazeină obținut așa cum s-a arătat mai sus se prezintă sub formă granulară; este insolubil în apă sau în lapte și nu  poate fi utilizat în scopul urmărit. De aceea este necesară trecerea sa într-o forma solubilă care se poate obține printr-un tratament alcalin. Pentru obținerea cazeinatului de sodiu, agentul solubilizant poate fi hidroxidul de sodiu, bicarbonatul de sodiu, etc. Experimentarea operației de solubilizare s-a efectuat utilizându-se soluții alcaline de diferite concentrații și la temperaturi variabile.   Influența temperaturii de solubilizare. În experimentările efectuate la nivel de stație pilot s-a constatat că operația de solubilizare începe să fie evidentă la temperatura de 60°C, însă precipitatul de cazeină a reacționat în întregime cu soluția alcalină numai după atingerea temperaturii de 70°C. Depășirea acestei temperaturi, precum și a duratei de contact a precipitatului de cazeină cu soluția alcalină a avut consecințe nefavorabile asupra proprietăților produsului finit. S-a constatat o închidere la culoare a cazeinatului obținut, ca urmare a reacțiilor de tip Maillard, care s-au produs între proteine și urmele de lactoza reziduală din masa precipitatului.   Influența pH-ului. Experimentările efectuate la nivel de stație pilot au pus în evidență faptul că solubilizarea cazeinei începe la pH 6,2 și devine completă în intervalul de pH 6,8-7,0. Verificarea s-a făcutîn condițiile inițiale, adică în regim discontinuu. În aceste condiții s-a stabilit că este necesar ca înainte de începerea încălzirii amestecul de precipitat și soluție alcalină să fie adus la valoarea de pH 6,0 și numai la aceasta temperatură să înceapă operația de încălzire. În caz contrar, s-a observat că se petrece un fenomen de întărire a particulelor de cazeină, care ulterior se solubilizează foarte greu.Totodată s-au constatat dificultăți de menținere a pH-ului în intervalul 6,8-7,0, probabil datorita faptului căîn interiorul granulelor întărite de precipitat a fost reținută soluție acidă, care a fost eliberata ulterior.   Influența concentrației ionilor de calciu. S-a observat în cursul experimentărilor că prezența în granulele de precipitat a unei concentrații relativ ridicate de ioni de calciu determină reducerea solubilității precipitatului, concomitent cu creșterea vâscozității soluției de cazeinat astfel obținute. S-a constatat că în cazul unei concentrații în ioni de calciu de peste 0,5%, este necesar un agent de reținere a calciului.   Datele obținute în urma cercetărilor întreprinse la nivel de stație pilot au permis asamblarea unei linii tehnologice pentru fabricarea concentratelor proteice de tip cazeinat de sodiu și coprecipitat proteic. Aceasta linie tehnologică permite realizarea următoarele operațiuni.   În procedeele clasice, cazeinatul de sodiu se obține prin introducerea progresivă a precipitatului de cazeină proaspăt obținut și spălat, în apa încălzită și aflată sub agitare. Dezavantajul unui asemenea procedeu o reprezintă durata exagerată de contact între cazeina acida și soluția alcalină, timp în  care este posibilă amorsarea unor reacții de tip Maillard între cazeină și lactoza reziduală, cu deprecierea consecutivă a calității produsului finit. În cazul unei agitări ineficiente este posibil ca soluția alcalină să nu vină în contact cu toate particulele de cazeină. Consecința o reprezintă scăderea în timp a pH-ului, fapt care antrenează un consum suplimentar de soluție alcalină.Toate aceste aspecte au făcut ca în linia tehnologică realizată în urma cercetărilor să fie prevăzut un dispozitiv care să asigure solubilizarea în flux a cazeinei acide. Elementul de bază al instalației este dispozitivul de solubilizare în flux a precipitatului de cazeină și a coprecipitatului proteic. Este vorba de un reactor cilindric confecționat din oțel inoxidabil AISI 316, în interiorul căruia are loc atât reglarea pH-ului la valoarea 6,8 ÷ 7,0 cât și tratamentul termomecanic de solubilizare. Reactorul cilindric este mobil pe direcție verticală, putând fi ridicat sau coborât cu ajutorul unui cric; o manta dublă prin care circulă agentul termic (abur sub presiune) asigură menținerea constantă a temperaturii de solubilizare. Capacul reactorului este fix, prin el trecând arborele agitatorului, antrenat de un motor electric prin intermediul unui reductor de turații. Tot pe capac sunt poziționate racordul de alimentare cu precipitatul de cazeină și racordul pentru introducerea soluției alcaline, precum și aparatura de măsură și control (termometru, manometru și pH-metru). Etanșarea între capac și rezervor se realizează printr-o garnitură de cauciuc alimentar de secțiune pătrată, iar etanșarea între capacul reactorului și arborele de acționare al agitatorului se face cu ajutorul unei presetupe de etanșare. Pe circumferința reactorului sunt prevăzute o serie de supape comandate de presiunea aburului. În  reactor are loc injecția directă de abur în masa de precipitat spălat. Debitul și presiunea necesară aburului sunt asigurate de un sistem de reglare, comandat de o buclă de automatizare, care primește semnalul de la electrodul de pH introdus în  incintă. Valoarea pH-ului este setată inițial, iar corectarea abaterilor se realizează prin varierea debitului de soluție alcalină introdus de o pompă dozatoare cu membrană. Instalația de solubilizare în flux continuu a făcut obiectul unei cereri de brevet de invenție, înregistrată la OSIM.   Cazeinatul de sodiu astfel obținut poate fi utilizat pentru fortifierea oricărui produs lactat, fiind solubil și perfect miscibil la orice temperatură.

1. Fabricarea cazeinei acide

  Aceasta presupune precipitarea din laptele degresat a fracțiunilor cazeinice, prin aducerea pH-ului laptelui la o valoare care să asigure recuperarea integrală a tuturor fracțiunilor cazeinice.   Cercetările efectuate au stabilit că pH-ul optim de precipitare se situează la valoarea 4,62, când se obține un precipitat al cazeinei totale. Precipitarea are loc sub formă de flocoane, din care zerul este eliminat prin sinereză, proces favorizat de creșterea temperaturii. Fiind vorba de doi factori care intervin în  proces, aceștia vor determina atât viteza de precipitare cat și randamentul. Pentru ca acești doi factori să atingă valoarea maximă, s-a stabilit în  urma cercetărilor că este necesar un procedeu continuu de precipitare. Acest procedeu, care a fost prefigurat în urma cercetărilor întreprinse, se bazează pe folosirea unui dispozitiv conceput și realizat de colectivul multidisciplinar de cercetare. În principiu, acest dispozitiv realizează preîncălzirea în flux continuu a laptelui degresat și injecția unei soluții de acid clorhidric alimentar în curentul de lapte degresat preîncălzit la o temperatura prestabilită, astfel încât pH-ul de precipitare să fie atins rapid în condițiile amestecării eficiente a celor două fluide și evacuarea acestora sub presiune în vana de amestec. Procedeul realizează precipitarea cazeinei totale prin preîncălzirea la o temperatură adecvată, urmată de acidifierea la pH 4,62. Consecința este precipitarea sub formă de flocoane a cazeinei din soluție, zerul fiind eliminat prin sinereză, proces favorizat de creșterea temperaturii și a acidității. Deoarece din punct de vedere reologic aspectul precipitatului diferă în  funcție de temperatura de precipitare, procedeul prevede ca precipitarea sa aibă loc în intervalul de temperatură 32-38°C. Acest interval de temperatură permite obținerea unui precipitat care expulzează complet zerul, iar urmele de soluție acidă reținute sunt minime, asigurându-se condiții optime pentru desfășurarea operației de spălare a precipitatului. Este asigurată sifonarea rapida a zerului supernatant, urmată de preluarea precipitatului liber de zer și punerea sa în  contact cu apa de spalare. În vana de spălare este asigurată o agitare intensă în  vederea antrenării într- o mișcare permanentă a masei de particule de cazeină aflate în  suspensie. Dispozitivul este alcătuit dintr-un ajutaj convergent–divergent, construit din oțel inoxidabil, în interiorul căruia precipitarea cazeinei din laptele degresat, pasteurizat în  prealabil în regim HTST, se petrece în  flux continuu. În partea de intrare a ajutajului convergent-divergent este montat amovibil un cot la 90°C, din oțel inoxidabil, care este în legătură cu conducta de aducțiune a laptelui degresat. În acest cot este montat  un injector de abur a cărui poziție este reglabilă pe direcție orizontală. Pentru realizarea operației de precipitare a cazeinei, prin injectorul de abur se trimite abur viu cu presiunea de 4 bari care, prin depresiune și frecare, antrenează laptele degresat din vasul de nivel constant, printr-o conductă de legătură. Pe traseul menționat, aburul ridică temperatura laptelui degresat pană la 32-38°C, temperatură optimă pentru precipitarea cazeinei. Amestecul abur-lapte degresat ajuns la temperatura de 32-38°C ajunge în zona convergentă a ajutajului unde, prin pulverizarea unei soluții de acid clorhidric, se reglează pH-ul amestecului la valoarea 4,62 (pH-ul izoelectric al cazeinei). În aceste condiții de temperatură, pH și turbulență are loc precipitarea instantanee a cazeinei din laptele degresat. Amestecul rezultat, respectiv precipitatul de cazeină și zer, își mărește treptat viteza pană în zona de secțiune constantă a ejectorului, unde energia sa cinetică atinge valoarea maximă. Intrând în zona divergentă a ejectorului, energia cinetică a amestecului se transformă treptat în  energie de presiune, acesta fiind evacuat sub presiune, printr-o conductă, direct în vana tampon de acumulare (acest dispozitiv de precipitare a făcut obiectul unei cereri de brevet de invenție, înregistrată la OSIM).   Cazeina precipitată trebuie separată rapid din amestecul precipitat de cazeină-zer, urmată de spălarea precipitatului în  vederea îndepărtării lactozei și a sărurilor minerale împreună cu apele de spălare, în  urma unui fenomen de difuzie. Deoarece procesul de difuzie este influențat de gradientul de concentrație, este necesară evacuarea continuă a apei de spălare din amestecul apă de spălare-precipitat de cazeină. În urma cercetărilor s-a stabilit că pentru o evacuare continuă a apei de spălare este necesară introducerea în linia tehnologica a unui separator centrifugal cu duze, de mare capacitate, care să asigure separarea cazeinei din apele de spălare, asigurând totodată eliminarea totală a pierderilor. Acest separator permite scurtarea la maximum a timpului de evacuare a apei de spălare din amestecul apa de spălare-precipitat. Prin construcție, separatorul centrifugal cu duze prezintă suprafețe conice coaxiale, care se unesc la bază. Datorită dispoziției conice coaxiale a suprafețelor interioare, precipitatul de cazeină este presat către orificiile de evacuare (duze) situate pe circumferința tamburului separatorului.